Gebruik van grondwarmte

Grondwarmte is een onuitputtelijke energiebron. Met de voorraden die in onze planeet zijn opgeslagen kan in principe het wereldwijde energiegebruik worden gedekt.

Bij gebruik van grondwarmte onderscheidt men direct gebruik, dus het gebruik van de warmte zelf, en het gebruik na omzetting in elektriciteit in een geothermiecentrale. Vanuit het oogpunt van de optimalisatie van het rendement is een warmtekrachtkoppeling (WKK) ideaal. Het probleem hierbij zijn de afnemers van de warmte. Niet op iedere locatie waar een centrale staat zullen afnemers voor de warmte te vinden zijn. De overstap naar uitsluitend WKK-projecten blijft een wensdroom.

Direct gebruik

Grondwarmte wordt al meer dan 10.000 jaar gebruikt. Onze voorvaderen hebben vermoedelijk geothermisch verwarmd water gebruikt om te koken, te baden en te verwarmen.

Oude balneologische gebruiksvormen zijn de thermen uit de Romeinse tijd, het Middeleeuwse China en bij de Ottomanen. In Chaudes-Aigues in centraal Frankrijk bevindt zich het eerste historische geothermische stadsverwarmingsnet waarvan het begin tot in de 14e eeuw teruggaat.

Warmte wordt vandaag de dag op velerlei wijze gebruikt (warmtemarkt). Een klassieke weergave van de daarbij benodigde temperaturen is het Lindaldiagram (Balder Lindal, 1918-1997):

Voor de meeste toepassingen zijn slechts relatief lage temperaturen nodig. Uit diepe grondwarmte kunnen de benodigde temperaturen vaak direct ter beschikking worden gesteld. Als deze niet voldoende is kan de temperatuur met warmtepompen worden verhoogd, zoals dit meestal bij grondwarmte nabij de oppervlakte gebeurt; hier zijn zonder warmtepomp slechts weinig toepassingen mogelijk. De belangrijkste daarvan is de natuurlijke koeling, waarbij water op de temperatuur van de ondergrond wordt gebracht, ofwel de gemiddelde jaartemperatuur, en daarna direct voor gebouwkoeling wordt gebruikt. Deze natuurlijke koeling heeft het potentieel wereldwijd miljoenen elektrisch aangedreven airconditioners te vervangen. Ze wordt op dit moment echter nog weinig gebruikt.

Een ander direct gebruik is het ijsvrij houden van bruggen en straten. Ook hier is geen warmtepomp nodig, de opslag wordt door afvoer en opslag van de warmte van de warme rijbaan in de zomer geregenereerd. Ook het vorstvrij blijven van waterleidingen hoort hierbij; de in de bodem opgeslagen warmte zorgt dat deze in de winter maar tot op geringe diepte bevriest.

Voor het gebruik van warmte uit diepe grondwarmte zijn de middelwarme dieptewateren geschikt, met temperaturen tussen 40 en 100 °C, die vooral in het Zuidduitse Molassebekken, in de Rijnslenk en in delen van de Noordduitse Laagvlakte voorkomen. Het warme water wordt gewoonlijk vanaf een diepte van 1000 tot 2500 meter via een winningsboring aan de oppervlakte gebracht. Dit geeft het belangrijkste deel van zijn warmteënergie doormiddel van een warmtewisselaar af aan een tweede, secundair, warmwatercirculatiesysteem. Afgekoeld wordt het daarna via een tweede boring weer in de ondergrond geperst en wel terug in de laag waaruit het gekomen is.

Stroomopwekking

De eerste keer dat grondwarmte voor het opwekken van elektriciteit werd gebruikt was in Larderello in Toscane. In 1913 werd door graaf Piero Ginori Conti een krachtcentrale gebouwd waarin met waterdamp aangedreven turbines een vermogen van 220 kW opwekten. Vandaag wordt ongeveer 400 MW aan het Italiaanse energienet geleverd. Onder Toscane treffen de Noord-Afrikaanse en de Euraziatische plaat elkaar, wat er toe leidt dat magma zich relatief dicht onder de aardoppervlakte bevindt. Dit hete magma verhoogt hier de temperatuur van de bodem dusdanig dat economisch gebruik van de grondwarmte mogelijk is.

Bij hydrothermale stroomopwekking zijn watertemperaturen van minstens 100 °C nodig. Hydrothermale installaties waarbij temperaturen van meer dan 150 °C voorkomen kunnen direct voor het aandrijven van turbines worden gebruikt. Deze temperaturen zijn echter lang niet overal beschikbaar. Hierdoor werd grondwarmte op veel plaatsen uitsluitend voor verwarming van gebouwen gebruikt. Ook in Nederland is dit het geval. Nieuw ontwikkelde "Organic Rankine Cycle"-installaties (ORC) maken echter temperaturen vanaf 80 °C geschikt voor stroomopwekking. Deze werken met een organisch medium, dat bij relatief geringe temperaturen verdampt. Deze damp drijft over een turbine de stroomgenerator aan. Een alternatief voor de ORC-methode is de Kalinamethode. Hier worden mengsels van twee stoffen, bijvoorbeeld uit ammoniak en water als werkzame stoffen gebruikt. Voor installaties van laag vermogen (< 200 kW) zijn ook motorische installaties als Stirlingmotoren denkbaar. Grondwarmte is geschikt om grondbelasting van het stroomnet mee te bedienen.

De stroomopwekking uit grondwarmte gebeurt traditioneel in landen die over hoogenthalpievindplaatsen beschikken, waarin temperaturen van meerdere honderden graden op relatief geringe diepte (< 2000 m) worden aangetroffen. De locaties kunnen daarbij afhankelijk van druk en temperatuur, water of stoomgedomineerd zijn. Bij moderne winningstechnieken worden de afgekoelde vloeistoffen gereïnjecteerd, zodat paktisch geen negatieve milieueffecten zoals zwavelreuk meer optreden.