Welk effect heeft warmte-koude opslag op de ondergrond?

Warmte-en koudeopslag

Warmte- en koudeopslag (WKO) is een van de vormen van bodemenergie, deze vorm kenmerkt zich door de opslag per seizoen van zowel warm als koud grondwater met relatief kleine temperatuurverschillen (tussen de 5ºC en 25ºC). Het onderstaande stuk tekst gaat in op deze vorm van bodemenergie.

WKO kan toegepast worden in een open of een gesloten systeem. Beide systemen worden al tientallen jaren toegepast. Inmiddels zijn er ongeveer 3.000 open systemen wereldwijd (waarvan ca. 85% in Nederland)[1] en een veelvoud aan gesloten systemen.

Bij een open systeem wordt grondwater opgepompt en gebruikt om een gebouw te koelen of verwarmen. Als een gebouw wordt verwarmd, wordt warmte uit het grondwater afgegeven aan het gebouw waardoor het grondwater kouder wordt (Figuur 1A). Als het gebouw wordt gekoeld wordt warmte uit het gebouw afgegeven aan het opgepompte grondwater dat vervolgens iets warmer wordt (Figuur 1B). Daarna wordt dezelfde hoeveelheid grondwater weer geïnjecteerd in de bodem. Er wordt dus netto geen grondwater weggehaald uit de bodem.

Gesloten systemen bestaan in Nederland vooral uit verticale bodemwarmtewisselaars [A1] [A2] (VBWW). Deze systemen worden aangelegd door een klein boorgat te maken en daarin een kunststofbuis (lus) te plaatsen waardoor een vloeistof stroomt die de warmte transporteert en afgeeft aan het gebouw of opneemt van het gebouw, waardoor dit gebouw dus opwarmt of afkoelt (Figuur 1C en 1D).

Figuur 1: A) Open WKO, verwarming. B) Open WKO, verkoeling. C) Gesloten WKO, verwarming. D) Gesloten WKO, verkoeling [2]

Doorboren en afdichten van natuurlijk aanwezige waterremmende lagen

De ondergrond bestaat onder andere uit watervoerende en waterremmende lagen. In watervoerende lagen kan water zich makkelijk verplaatsen omdat het bijvoorbeeld zandige lagen zijn waar ruimte tussen de korrels aanwezig is. Waterremmende (scheidende) lagen daarentegen bestaan bijvoorbeeld uit klei of veen waarin water zit dat niet makkelijk kan stromen. Deze lagen zijn belangrijk voor de bescherming van de kwaliteit van dieper grondwater. Een WKO-systeem moet aangelegd worden in een watervoerende laag. Bij de realisatie van de bodemenergiesystemen kunnen scheidende lagen worden doorboord. Om te zorgen dat de beschermende werking van waterremmende lagen niet wegvalt, is het belangrijk dat de doorboorde lagen worden hersteld. Als dit niet gebeurt kunnen er lekstromen ontstaan tussen verschillende watervoerende lagen van tussen de 1 en 1000 liter water per dag [3]. Het goed herstellen van kleilagen vereist de juiste boormethode en werkwijze. Installateurs van bronnen moeten daarom wettelijk aan bepaalde eisen voldoen en aantoonbaar de juiste werkwijze volgen, waarvoor protocollen zijn opgesteld. De overheid controleert of bedrijven zich houden aan deze regels [4].

Biochemie van het grondwater

Uit onderzoek blijkt dat de grondwaterkwaliteit wordt beïnvloed door opmenging van ondiep en diep grondwater [5]. Dit mengeffect van grondwater zal in veel gevallen niet direct een probleem zijn. Het kan echter wel een probleem zijn als er verontreinigingen in de buurt zijn en hier niet goed rekening mee wordt gehouden. Dan kunnen de verontreinigingen juist worden verspreid door het rondpompen van grondwater in een WKO systeem [6]. Aan de andere kant kan de toepassing van WKO in gebieden met verontreinigingen ook bijdragen aan het schoonmaken van de ondergrond doordat microbiologische activiteit worden gestimuleerd [7]. Het is in die gevallen essentieel dat het WKO-systeem goed wordt ontworpen.

Verder blijkt dat bij opwarming tot 25ºC de concentratie toeneemt van bepaalde elementen zoals arseen [8]. Dit is een aandachtspunt omdat arseen erg giftig is. Uit modelonderzoek en laboratoriumonderzoek blijkt dat het arseen ook weer gebonden wordt aan bodemdeeltjes als het grondwater weer afkoelt [9][10]. Daarom wordt niet verwacht dat dit problemen zal opleveren buiten het directe invloedsgebied van het WKO-systeem. Over het geheel genomen zijn er dus wel effecten op de kwaliteit van het grondwater te verwachten maar als het systeem goed wordt ontworpen zijn deze goed te beheersen.

Vergunning waterwet

Bij een open WKO systeem wordt water opgepompt en geïnjecteerd, dit zorgt voor lokale grondwaterstandverlaging en –verhoging. Voor WKO systemen moet een vergunning onder de Waterwet worden aangevraagd. Eén van de eisen voor een vergunning is dat er sprake moet zijn van een energetische balans in het ondergrondse deel van het systeem. Verspreid over meerdere jaren mag het grondwater dus niet opwarmen en afkoelen. Bij de aanvraag moet in een effectenstudie aangetoond worden dat er doelmatig en effectief van de ondergrond gebruik wordt gemaakt en er geen nadelige effecten ontstaan op bepaalde factoren binnen het invloedgebied van het systeem. Hierbij is het invloedgebied gedefinieerd als het gebied waar de grondwaterstand 5 cm of meer wordt veranderd en de temperatuur 0,5 ºC of meer wordt beïnvloed (Figuur 2). De factoren waarop de effectenstudie wordt getoetst zijn [11]:

• De stroming van het water (hydrologische invloed)
• De temperatuur van het water (hydrothermische invloed)
• Het samenpersen/inklinken van de bodem (zettingen/maaivelddaling)
• Bebouwing en infrastructuur
• Het infiltreren van neerslag in de bodem (inzijging)
• Grondwater dat onder druk naar de oppervlakte komt (kwel)
• De invloed op overige grondwateronttrekkingen en –infiltraties
• Bodemverontreinigingen
• Archeologie en aardkundige waarden
• Landbouw, natuur (onder andere Natura 2000-gebieden) en waardevolle groenvoorziening

Figuur 2: Grondwatertemperatuur in ºC rond de WKO bronnen in Delft met de thermische invloedsgebieden in rood en blauw. Buiten deze gebieden is het grondwater ongeveer 11,5 ºC [12].

Als een vergunning wordt afgegeven, moet de vergunningshouder ieder jaar melden of de WKO binnen de eisen van de vergunning heeft gewerkt. De overheid controleert of dit ook echt wordt gedaan.

Uit onderzoek is gebleken dat de effecten op grondwaterkwaliteit, grondwaterkwantiteit en verzakking/zetting beperkt zijn bij de huidige toegestane WKO systemen en de daarbij vereiste boorwijze en afdichting van scheidende lagen. Het vermogen van de ondergrond om energie te kunnen opslaan wordt met de toepassing van WKO dus gebruikt en niet misbruikt.

Hogere Temperatuur Opslag (HTO) van 40 ºC en hoger, is nog niet veelvuldig toegepast en voor deze warmte-koude opslag wordt niet standaard een vergunning gegeven. Deze toepassing van opslag is interessant omdat die kan bijdragen aan de energietransitie door bijvoorbeeld warmte vanuit geothermie bronnen op te slaan in de zomer als er overcapaciteit is om daarmee de