Grondwarmte kan als energiebron voor de winning van warmte en stroom worden gebruikt. Hierbij wordt onderscheidt gemaakt tussen:

Grondwarmte nabij de oppervlakte voor direct gebruik, meestal om te verhitten en te koelen.

Diepe grondwarmte voor direct gebruik maar ook voor stroomopwekking.

Verder wordt tussen hoog- en laagenthalpie-vindplaatsen onderscheiden. Hoogenthalpie betekent dat op dergelijke vindplaatsen een hoge temperatuur aanwezig is.

Diepe grondwarmte

Hoe dieper men in de aardkorst boort, hoe meer de temperatuur stijgt. Over het algemeen bereikt men per kilometer diepte een temperatuurstijging van 35 K tot 40 K (geothermische dieptemaat). De geothermische dieptemaat is echter regionaal zeer verschillend. Afwijkingen van de standaard worden aangeduid als warmteanomalieën. Interessant zijn in het bijzonder gebieden met duidelijk hogere temperaturen. Hier kunnen de temperaturen al op geringe diepte ettelijke honderden graden bedragen. Dergelijke anomalieën zijn hoofdzakelijk aan vulkanische activiteit gekoppeld. In de geothermiek gelden ze als hoogenthalpe vindplaatsen. Ze worden wereldwijd voor stroomopwekking gebruikt.

Hoogenthalpievindplaatsen

De wereldwijde stroomopwekking uit grondwarmte wordt door het gebruik van hoogenthalpievindplaatsen gedomineerd. Dit zijn warmteanomaliëen welke met vulkanische activiteit samengaan. Hier is water (of stoom) van meerdere honderden graden Celsius aan te treffen. Het voorkomen hiervan correleert sterk met de aanwezigheid van vulkanen in de betreffende landen.

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                          Afhankelijk van de druk- en temperatuurvereisten kunnen hoge-enthalpievindplaatsen meer stoom- of meer watergedomineerd zijn. Vroeger werd de stoom na gebruik in de lucht geloosd, wat tot een flinke zwavelstank kon leiden (Italië, Larderello). Vandaag worden de afgekoelde vloeistoffen in de vindplaats "gereïnjecteerd" (teruggepompt). Zo worden negatieve milieu-effecten vermeden en gelijktijdig de productiviteit door het op druk houden van de vindplaats verbeterd.

Laagenthalpievindplaatsen

In niet-vulkanische gebieden kunnen de temperaturen in de ondergrond zeer verschillend zijn. In de regel zijn, indien voor gebruik hogere temperaturen nodig zijn, diepe boringen nodig. Voor een economische stroomopwekking zijn temperaturen hoger dan 100 °C nodig. Liggen deze in een waterhoudende grondlaag dan kan dit water opgepompt, afgekoeld en opnieuw geïnjecteerd worden. Men spreekt dan van hydrothermale geothermie. Is het gesteende waarin de hoge temperaturen aangetroffen worden weinig poreus zodat er geen water uitgehaald kan worden, dan men door een kunstmatig spletenstelsel water laten circuleren. Men spreekt dan van petrothermale geothermie. Een laatste mogelijkheid, waarbij echter in vergelijking weinig energie geëxtraheerd wordt, is een diepe grondwarmtesonde, waarbij het water alleen in de sonde circuleert (gesloten systeem).

In het algemeen worden bij de diepe grondwarmte drie soorten van wateropname uit de ondergrond onderscheiden:

• Hydrothermale systemen: in de ondergrond voorhanden warm water circuleert tussen twee bronnen door natuurlijke waterhoudende grondlagen

• Petrothermale systemen, vaak ook HDR-systemen (Hot-Dry-Rock) genoemd: met hydraulische stimulatiemaatregelen worden in een droge ondergrond spleten en kloven gemaakt, waarin kunstmatig ingebracht water tussen twee diepe bronnen circuleert.
  In werkelijkheid is de aanname, bij deze temperaturen en diepten droge gesteenteformaties aan te treffen, niet correct. Om deze reden bestaan ook verscheidene andere aanduidingen voor deze methode: onder andere Hot-Wet-Rock (HWR), Hot-Fractured-Rock (HFR) of Enhance Geothermal System (EGS). Een neutrale aanduiding is petrothermale systemen.

• Diepe aardewarmtesondes: Het warmtedragend medium circuleert in een gesloten circulatie in een boring in een U-bocht of coaxiale sonde.

Welke methode in kwestie uiteindelijk gebruikt wordt is van de geologische situatie op de locatie, de benodigde hoeveelheid energie en het gewenste temperatuurniveau van het warmtegebruik afhankelijk.

Hydrothermale systemen

Voor de hydrothermale geothermie worden op grote diepte natuurlijk voorkomende warmwatervoorraaden, zogenoemde warmwaterhoudende grondlagen aangetapt. De hydrothermale energiewinning is afhankelijk van de temperatuur alleen als water of ook als stroom mogelijk.

Petrothermale systemen

Gesteenten op grotere diepte vertonen een hogere temperatuur (Hot Dry Rock). Deze energie kan gebruikt worden voor zowel stroom als warmte. Om de warmte in deze gesteenten te kunnen gebruiken moeten ze door een warmtedrager doorstroomd worden, die de energie daarna aan de oppervlakte brengt. Het door de hete gesteentelagen verhitte water kan voor de bereiding van industriestoom en voor de voeding van locale en stadsverwarmingsnetwerken gebruikt worden. Bijzonder interessant is de opwekking van stroom uit de hete stoom. Hiervoor wordt het in de ondergrond verhitte water gebruikt om een turbine aan te drijven. De gesloten kringloop in het circulatiesysteem staat zo onder druk, dat koken van het ingeperste water verhinderd wordt en de stoom pas in de turbine ontstaat.

Het in de diepte voorhandene hete gesteente wordt door middel van boringen bereikt. Hierbij is er minstens een winningsboring en een groutingsboring, welke door een gesloten waterkringloop verbonden worden. Aan het begin wordt water met enorm hoge druk in het gesteente geperst (hydraulische stimulatie); hierdoor worden stroompaden opengebroken of al bestaande verbreed en daarmee de doorlaatbaarheid van het gesteente vergroot. Deze handeling is noodzakelijk om dat anders het warmteuitwisselingsoppervlak en de doorstroombaarheid te gering zou zijn. Het zo geschapen stelsel van natuurlijke en kunstmatige spleten vormt een onderaardse geothermische warmtewisselaar. Door de injectie-/groutingsboring wordt water in het klovenstelsel geperst, waar dit circuleert en opwarmt. Aansluitend wordt het door de tweede boring, de productie-/winningsboring weer naar de oppervlakte gehaald.

In Zwitserland wordt deze techniek reeds toegepast. Het bedrijf Geothermal Explorers Ltd heeft verschillende projecten gerealiseerd. Op de site van Geothermal zijn duidelijke schema's opgenomen omtrent de "Hot Dry Rock" methode.

Diepe grondwarmtesondes

De diepe grondwarmtesonde is een gesloten systeem voor grondwarmtewinning. Ze bestaat uit een 2000 tot 3000 m diepe boring, waarin een vloeistof circuleert. In de regel stopt met hierbij de vloeistof in een coaxiale buis: In een dunne binnenbuis stroomt de koude vloeistof naar beneden, in de grotere buitenbuis komt de verwarmde vloeistof weer omhoog. Dergelijke warmtesonden hebben tegenover open systemen het voordeel dat er geen contact met het grondwater bestaat. Ze zijn op iedere locatie mogelijk. Hun extractievermogen hangt naast technische parameters van de temperatuur van het steenmassief en het geleidingsvermogen van het gesteente af. Ze kan echter slechts enkele honderden kilowatt bedragen en zal daarbij wezenlijk kleiner zijn dan bij een vergelijkbaar open systeem. Dit kom doordat het warmtewisselingsoppervlak met het steenmassief zeer klein is, aangezien dit praktisch gezien beperkt is tot de omtrek van het boorgat.

Nieuwe diepe grondwarmtesondes worden op dit moment (2005) in Aken (universiteit) en Arnsberg (recreatiebad Nass) gebouwd.

Als alternatief voor circulatie van water (eventueel met supplementen) in de grondwarmtesonde kunnen ook sondes met directe verdampers (warmtebuizen of Engels heat pipes) gebruikt worden. Als werkzame stof kan ofwel een vloeistof met een voldoende laag kookpunt gebruikt worden, of een mengsel van bijvoorbeeld ammoniak en water. Een dergelijke sonde kan ook onder druk en dan bijvoorbeeld met koolstofdioxide gebruikt worden. Heat pipes kunnen een hoger opnamevermogen hebben dan conventionele sondes, gezien ze over hun gehele lengte de verdampingstemperatuur van de werkzame stof kunnen hebben.

Grondwarmte nabij het oppervlak

De temperatuur van de lucht varieert door het jaar heen zeer sterk. De bovenste lagen van de aardbodems worden deze temperaturen variëren echter niet of zeer sterk gedempt mee. Vanuit wiskundig oogpunt volgt het temperatuurverloop een gedempte harmonische trilling. Op 5 tot 10 m diepte komt de in de bodem gemeten temperatuur praktisch overeen met het jaargemiddelde van de locatie.

Door middel van grondwarmtesondes (verticale of schuine boringen of horizontaal en vlak bij de oppervlakte in de bodem ingebrachte systemen), maar ook met aardgebonden betonbouwdelen wordt de warmte naar de oppervlakte gehaald. Meestal worden warmtepompen ingezet om hittetoepassingen voor gebouwen te realiseren. Met grondwarmte kan in de zomer echter ook gekoeld worden.

Grondwarmte uit mijnschachten

Mijnen en aardgasvelden, welke wegens uitputting van de voorraad stilgelegd worden, zijn potentiële projecten voor diepe grondwarmte. Dit geldt in beperkte zin ook voor diepe tunnelbouwwerken. De betreffende formatiewateren zijn afhankelijk van de diepte van de locatie 606 tot 120 °C heet, de boringen of schachten zijn vaak nog beschikbaar en kunnen gebruikt worden om het warme water op de locatie voor grondwarmte te gebruiken.

Dergelijke installaties voor winning van geothermische energie moeten zo geïnstalleerd worden dat de vaak geldende wettelijke regels voor de veiligheid van stilgelegde mijnen blijvend in acht genomen worden.

Seizoensgebonden warmteopslag

Grondwarmte is altijd, dus onafhankelijk van de het tijdstip van de dag en het jaar en onafhankelijk van het weer beschikbaar. Een installatie zal echter optimaal functioneren als ze in de tijd homogeen gebruikt wordt. Dit is bijvoorbeeld het geval als in de winter verhit en in de zomer gekoeld wordt en de hierbij benodigde energiehoeveelheden ongeveer gelijk zijn. Bij koeling in de zomer vindt daarbij verwarming van het reservoir en daarmee de regeneratie ervan plaats. Deze functie wordt versterkt als grondwarmte met andere installaties, bijvoorbeeld zonnewarmte-installaties gecombineerd wordt. Zonnethermie maakt vooral in de zomer warmte beschikbaar, maar er is dan minder warmte nodig. Door combinatie met geothermie kan deze warmte in de zomer in de onderaardse warmteopslag opgeslagen worden en in de winter weer naar boven gehaald worden. De verliezen zijn afhankelijk van de locatie, maar in de regel gering.

Seizoensgebonden opslag kan zowel nabij de oppervlakte als diep uitgevoerd worden. Zogenaamde hoogtemperatuuropslag (> 50 °C) is echter alleen op grotere diepte denkbaar. Het Rijksdaggebouw in Berlijn beschikt bijvoorbeeld over een dergelijke opslag