Hoe winnen we aardwarmte?
Als de warmte niet rechtstreeks tot aan de oppervlakte komt, zoals bijvoorbeeld in vulkanische gebieden, dan steken we een handje toe om de warmte uit de grond te halen. Op kleine schaal, voor indirect gebruik, doen we dit met een ondiepe boring en een warmtepomp. Maar hoe pak je dit aan als je dit op grotere schaal wil aanwenden? Dan zijn er drie manieren om aardwarmte te ontginnen.
Hydrothermaal systeem
Dit is de meest voorkomende manier omdat dit een eenvoudig en robuust concept is.
Theorie
- Warm water wordt opgepompt via één of meer boorputten, de productieput(ten).
- De warmte wordt vervolgens overgedragen naar een toepassing via een warmtewisselaar.
- Het afgekoelde water wordt teruggepompt in de ondergrond via één of meer boorputten, de injectieput(ten).
Voorwaarden
Om de gevraagde hoeveelheid energie op te wekken met dit systeem moet er rekening gehouden worden met de volgende 3 factoren:
- Het temperatuurverschil dat je nuttig kan aanwenden
- Het waterdebiet
- De aanvoersnelheid van de warmte in de ondergrond; dit heeft te maken met de doorlaatbaarheid, of permeabiliteit, de lokale warmtetoevoer vanuit de diepte en en met de thermische eigenschappen van de ondergrond.
Ideaal beschik je over een aardlaag met voldoende poriën en spleten waardoor water met de geschikte temperatuur gemakkelijk kan stromen.
In de praktijk
Er worden twee soorten putten geboord: een productieput en een injectieput.
Deze putten bevinden zich in de diepe ondergrond niet vlak naast elkaar. De reden? Het afgekoelde water dat via de injectieput weer in de grondlaag terechtkomt, mag niet meteen door de productieput worden opgepompt. Door de afstand voldoende groot te houden, krijgt het water voldoende kans om weer op te warmen.
Hot Dry Rock
Wanneer er niet aan de voorwaarden voor een hydrothermaal systeem wordt voldaan, kan aardwarmte gewonnen worden door gebruik te maken van het droge, hete gesteente op grote diepte in de ondergrond, vandaar de benaming Hot Dry Rock.
Theorie
- Men boort hiervoor 2 of meerdere putten.
- Het gesteente rond de putten worden opgebroken door er onder hoge druk vloeistof te injecteren. In de volksmond wordt deze methode "fracking" genoemd. Het woord fracking komt van het Engelse fracturing dat men afkortte en dus doelt op het breken van het gesteente op grote diepte.
- Voorts wordt er een connectie gelegd tussen de putten.
- Water wordt rondgepompt dat opgewarmd wordt door het opgebroken gesteente.
In de praktijk
In Frankrijk en het Verenigd Koninkrijk werden testen uitgevoerd volgens het theoretisch principe hierboven, die de theorie bewijzen. Op termijn kan deze oplossing dus wereldwijd ingezet worden, als men het kostenefficiënt kan houden. De hoge kostprijs voor de aanleg van een kunstmatig reservoir op grote diepte is namelijk een nadeel voor de uitrol van dergelijke projecten op grotere schaal.
Single well
Een andere oplossing voor wanneer niet aan alle voorwaarden voor hydrothermale warmtewinning kan voldaan worden, is het gebruik van een verticale warmtesonde of een ander lussysteem. Deze is al courant voor ondiepe toepassingen, maar kan ook ingezet worden op grote diepte. Het grote verschil met de Hot Dry Rock-methode ligt in het feit dat de ondergrond niet of slechts in beperkte mate wordt opgebroken.
Theorie
- Men boort 1 put. In het geval van single well (1 put) is de boring heel erg diep.
- Een buizensysteem in de de put zorgt er voor dat koud water langs de ene buis naar beneden gaat terwijl het opwarmt en langs de andere buis opgepompt wordt.
- Uitzonderlijk maakt men twee boorgaten, maar met een verticaal verbindingsstuk, zodat er toch een lus ontstaat.
Hier onderscheidt men ook nog twee soorten systemen:
- Open systeem: de vloeistof die wordt gebruikt meestal water. In de warmtezone is de boring niet afgesloten waardoor het water in contact komt met het gesteente.
- Gesloten systeem: deze werken met water, glycol of CO2. Het boorgat is volledig afgesloten. Er is dus geen contact tussen de vloeistof en het gesteente. Hier wordt de druk extra in de gaten gehouden door een monitor om snel lekken te kunnen opsporen.
In de praktijk
In het Duitse Prenzlau wordt dit principe bijvoorbeeld reeds succesvol toegepast. Het grote voordeel van deze techniek is dat de winning afgesloten is van de grondlagen en daardoor niet afhankelijk is van de stromingseigenschappen. Met deze methode is het volume aan gewonnen aardwarmte wel kleiner dan bijvoorbeeld bij een hydrothermaal systeem.