PUSH-IT: demonstratie en ontwikkeling van seizoensgebonden ondergrondse warmteopslagsystemen

Resultaten die uit het project voortkomen bevorderen naar verwachting het gebruik van duurzame energie. Daarnaast helpen zij bij het creëren van een stabiel systeem voor het verdelen van de lusten en de lasten van de warmtetransitie. Om deze doelen te bereiken, bestaat het PUSH-IT consortium uit 19 zeer uiteenlopende partners, waaronder warmteleveranciers, grondboorbedrijven, geologische diensten en academische instellingen. TU Delft is de coördinator van het programma. KWR draagt bij aan het optimaal ontwerp, controle van de waterkwaliteit en ontwikkeling van de boormethode.

Scope van het onderzoek

Duurzame bronnen zoals geothermische energie en zonne-energie leveren in de zomer veel warmte, terwijl we die in de winter nodig hebben. Verschillende technieken van seizoensgebonden ondergrondse warmteopslag worden in het project onder de loep genomen. Het is de bedoeling om de impact van deze technieken op het milieu te verlagen en de prestaties ervan te verbeteren door het simuleren en monitoren van warmteverliezen in de bodem. Met het optimaliseren van het ontwerp en beheer van de opslag worden daarnaast deze verliezen beperkt. Met regeltechniek op basis van machine learning is het de bedoeling om de warmteopslag in de systemen beter te integreren. Daarnaast worden ook niet-technische, maar zeer belangrijke factoren voor de slagingskans meegenomen: de motivaties en percepties van burgers rond warmteopslag. Dit behelst ook het onderzoeken van beleidsmaatregelen en bedrijfsmodellen die burgers betrekken bij de besluitvorming over stadsverwarmingssystemen, inclusief ondergrondse opslag.

Binnen PUSH-IT ontwikkelen, gebruiken en testen de projectpartners de technologieën voor uiteenlopende combinaties van warmtebronnen, warmte-opslagtechnieken, geologische omstandigheden en distributiesystemen. De betrokkenheid van stakeholders uit verschillende markt- en juridische omstandigheden maakt dat het project een uitgelezen kans biedt voor proeven, integratie, verbeteringen en demonstratie op het gebied van seizoensgebonden warmteopslag. De resultaten worden gemonitord en geëvalueerd om ze vervolgens in heel Europa in de praktijk toe te passen.

Drie verschillende technologieën

PUSH-IT is een demonstratieproject, gericht op grootschalige seizoensgebonden warmteopslag tot 90 °C in geothermische reservoirs. Hierbij wordt gebruik gemaakt van drie verschillende technologieën die bekend staan als Aquifer, Borehole en Mine Thermal Energy Storage (ATES, BTES, MTES).

ATES

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) is de opslag en het terugwinnen van thermische energie in aquifers: doorlatende bodemlagen die grondwater bevatten. In twee of meer grondwaterputten wordt grondwater gelijktijdig onttrokken en geïnfiltreerd, voor het transporteren van warmte uit of naar de aquifer. Door het grondwater te gebruiken als warmtedrager, kan de warmte in de winter hieruit worden onttrokken en in de zomer juist worden geïnjecteerd. Wereldwijd zijn ruim 3.000 ATES-systemen operationeel en worden meestal toegepast op een laag temperatuurniveau, gecombineerd met een warmtepomp. Warmteopslag op hogere temperatuurniveaus (HT) is tevens veelbelovend, maar vraagt verdere doorontwikkeling van de techniek.

BTES

Borehole Thermal Energy Storage (BTES) is een ondergrondse warmtewisselaar die werkt op basis van het principe van warmtegeleiding om de warmte met de ondergrond uit te wisselen. Het systeem bestaat uit verticale buizen, geplaatst in een boorgat. In de zomer stroomt warm water in de buizen rond, wat het omringende bodemmateriaal opwarmt. Het koudere water dat in de winter wordt rondgepompt onttrekt deze warmte weer uit de ondergrond. BTES-systemen hebben een lagere capaciteit dan ATES-systemen en worden eveneens vaak toegepast bij lage temperaturen in combinatie met een warmtepomp. Wereldwijd zijn meer dan 1.000.000 BTES-systemen operationeel. Het gebruik ervan bij hogere opslagtemperaturen is nog in ontwikkeling.

MTES

Mine Thermal Energy Storage (MTES) maakt gebruik van het aanwezige grondwater in verlaten mijnen. Net als bij het ATES-systeem fungeert het grondwater als drager voor het transport van warmte van en naar de mijn. Deze technologie is nog in ontwikkeling, met wereldwijd minder dan 5 systemen in gebruik.

Delft als Nederlandse demo-locatie

Elk van de drie technologieën wordt gedemonstreerd, getest en ontwikkeld: ATES in Nederland (Delft), BTES en MTES in Duitsland (respectievelijk Darmstadt en Bochum). Ook is voor elke technologie een ‘follower site’ aangewezen (zie afbeelding) waar deze wordt getest en ontwikkeld, zonder dat een volledige demonstratie plaatsvindt. Tezamen zijn deze locaties representatief voor de geologische omstandigheden die in Europa grotendeels zijn te vinden.

De Nederlandse ATES demo-locatie betreft een geothermische bron op de campus van TU Delft die nog wordt gerealiseerd. Zodra deze operationeel is, produceert de aardwarmtebron ook warmte in de zomer, wanneer de vraag laag is. Die warmte wordt opgeslagen in de aanwezige aquifer onder de campus, op ongeveer 200 meter diepte. In de winter wordt deze warmte weer onttrokken om op duurzame wijze te voorzien in de piekvraag, zodat bij het verwarmen van de campus de CO2-uitstoot wordt gereduceerd.

Ook de stad Delft kan in de toekomst door dit systeem van schone warmte worden voorzien door de combinaties van geothermie en ATES. Deze aanpak is binnen de bebouwde omgeving nog niet eerder toegepast en maakt TU Delft onderscheidend, mede omdat de toepassing wordt ingebed in wetenschappelijk onderzoek en onderwijs op deze locatie. Belangrijke innovaties die op de locatie in Delft binnen PUSH-IT worden ontwikkeld hebben betrekking op het boren, afwerken en ontwerpen van de putten, maar ook op het monitoren en testen van de geothermische bron en controle van de waterkwaliteit en systeemintegratie/ regeltechniek.

Rol van KWR

Binnen PUSH-IT heeft KWR drie belangrijke bijdragen. De eerste richt zich op het HT-ATES put ontwerp. In dit werk evalueert KWR de prestaties en warmteverdeling van de proeflocatie in Delft en de PUSH-PULL tests in Delft en Berlijn. Deze informatie wordt gebruikt om de huidige inzichten in optimale ontwerpmethoden met betrekking tot warmteverliezen naar de omgeving en de extractietemperatuur van de put te beoordelen en te verbeteren.

Ten tweede houdt KWR zich bezig met de waterkwaliteit op de locaties van ATES- en MTES-systemen. In beide systemen wordt natuurlijk grondwater gebruikt als warmtedrager. Door grote temperatuurschommelingen veranderen de fysische eigenschappen en de chemische en microbiologische omstandigheden, wat kan leiden tot neerslag of biofilmgroei, waardoor de bron, pomp en/of de warmtewisselaars verstopt kunnen raken.

Tot slot is KWR betrokken bij de verdere ontwikkeling van de Expanded Diameter Gravel Well (EDGW), die een aantal jaren geleden samen met Haitjema en Vitens is ontwikkeld en waarbij ook pilot is uitgevoerd.