Ondergrondse inpassing van open bodemenergiesystemen voor minder CO2-uitstoot

Nederland heeft hoge ambities voor de energietransitie. Om hierin tegemoet te komen is het nodig dat in 2050 ongeveer 20 procent van de gebouwen over een bodemenergiesysteem beschikt. Voor een optimale inzet van de ondergrond in het stedelijk gebied is in dit verband behoefte aan een generiek kader. In een consortium met de provincie, de gemeente en Regionale Uitvoeringsdienst Utrecht, het Kennisplatform bodemenergie, KIBO, Deltares en IF Technology voerde KWR praktijkgericht onderzoek uit om dit kader te kunnen vaststellen. Inzichtelijk is gemaakt wat de gevolgen zijn van het vergroten van de dichtheid van bodemenergiesystemen op de positieve en negatieve onderlinge interactie, en wat optimale bronafstanden zijn, zowel voor de vermindering van de CO₂-uitstoot van een gebied als geheel, als ook voor individuele bodemenergiesystemen.

Algemeen effect van het toelaten van meer bodemenergiesystemen op de terugwinefficiëntie van de bronnen en de totale CO2-uitstoot

Bodemenergie nodig voor energietransitie

Om klimaatverandering te beperken is door de Nederlandse overheid in internationale verdragen afgesproken om in ons land de CO2-uitstoot terug te dringen. Toepassing van open bodemenergiesystemen (ook bekend als warmte-koudeopslag) om gebouwen te koelen en te verwarmen, is daartoe een veelbelovend middel. Het streven is om in 2050 ongeveer 20 procent van de gebouwen te hebben voorzien van bodemenergie. Dit betekent dat bodemenergiesystemen hard nodig zijn bij de energietransitie. Toch wordt met de huidige praktijk van ontwerp en vergunningverlening de potentie van de bodem voor dit doel niet optimaal benut.

Kunstmatige schaarste opheffen

Hantering van het voorzorgsbeginsel bij vergunningverlening voor bodemenergiebronnen zorgt ervoor dat deze systemen op afstand van elkaar worden aangelegd. Ze kunnen elkaar dan niet ondergronds beïnvloeden. Doordat hierbij ruime marges worden aangehouden ontstaat een kunstmatige schaarste. Deze wordt nog eens versterkt omdat individuele gebruikers overcapaciteit aanvragen. In feite is dus meer ruimte beschikbaar voor toepassingen van open bodemenergie dan wordt benut; in het stedelijk gebied loopt dit in de praktijk al op tot maar liefst ruim 50 procent van de ruimte in de ondergrond. Om dit probleem op te heffen is een beter generiek kader nodig voor het plaatsen van bodemenergiebronnen. Het draait erom juist in deze drukke gebieden de beschikbare ruimte in de bodem zoveel mogelijk in te zetten om warmte en koude op te slaan en terug te winnen. Alleen op deze manier kan worden meegewerkt aan de hoge landelijke ambities in het terugdringen van de CO2-uitstoot. Om hierin te faciliteren heeft KWR meegewerkt aan het vaststellen van een kader dat de kunstmatige schaarste helpt op te heffen.

Kader geeft handvatten

Het opgestelde kader geeft handvatten voor optimaal en duurzaam gebruik van de ondergrond bij een sterk toenemend aantal bodemenergiesystemen. Daarnaast heeft KWR met simulaties de positieve en negatieve interacties tussen deze systemen inzichtelijk gemaakt wanneer de dichtheid ervan toeneemt, en welke bronafstanden optimaal zijn. Hiermee zijn randvoorwaarden geformuleerd om de intensiteit van dit bodemgebruik te kunnen opvoeren en af te stappen van een schaarste die er in feite niet is.

Effect van het verkleinen van de bronafstanden op energiegebruik en uitstoot van zes gebouwen uit de simulaties

Effecten op totale bodemenergiesysteem

Wanneer bodemenergiebronnen dicht bij elkaar worden geplaatst, verandert hierdoor het totale energiegebruik van het bodemenergiesysteem; soms in positieve, soms in negatieve zin. Dit komt doordat de ondergrondse interactie tussen bronnen een effect heeft op de onttrekkingstemperatuur van het grondwater en dus op de effectiviteit van alle bronnen bij elkaar. In het bepalen van de afstand tussen bodemenergiesystemen moet dus rekening worden gehouden met de manier waarop ondergrondse interacties doorwerken in het energierendement (besparing) van het bodemenergiesysteem als geheel (dus ook de inzet van de warmtepomp, piekvoorziening etc).

Drastische daling CO2-uitstoot

Kijken we naar een individueel bodemenergiesysteem, dan heeft de onderlinge interactie juist weinig effect op het energiegebruik. Door meer van deze systemen toe te laten, en dus meer gebouwen toegang te geven tot deze duurzame technologie, gaat de CO2-uitstoot in een gebied drastisch omlaag. Met een verdubbeling in dichtheid leidt dit zelfs tot een uitstoot reductie van 30 procent. Deze afname wordt in de simulaties nog geremd door de hoge emissie die moet worden toegekend aan de grijze elektriciteit die in 2019 van het Nederlandse elektriciteitsnet wordt betrokken.

Optimale onderlinge afstand

Voor vaststelling van de optimale onderlinge afstand tussen bodemenergiebronnen wordt het begrip ‘thermische straal’ gehanteerd. Dit is het bereik van de temperaturverandering vanaf de bron. In deze studie stelden we vast dat de optimale onderlinge afstand voor hetzelfde type bronnen (warm-warm, koud-koud) 0,5 keer de thermische straal is. Voor tegenovergestelde typen bronnen is de optimale afstand tenminste 2 keer de thermische straal. Een veel grotere afstand is in beide gevallen ongewenst, om te voorkomen dat lege ruimten ontstaan die te klein zijn voor benutting door andere vormen van bodemenergie.

Voorbeeld van een modelrealisatie met kleine bronafstanden