PAO water en energie - Deltares Public Wiki
advertisement
Duurzaam inzetten op bodemenergie Hans Gehrels, Niels van Oostrom (Deltares) Jan Diederik van Wees (TNO) Programma 1. Inleiding (5 min) 2. Warmte-koude opslag (25 min) 3. Geothermie (15 min) 4. Discussie (15 min) PAO Energie uit Water 18 november 2009 2 1. Inleiding Broad picture … “We will restore science to its rightful place, and wield technology's wonders ....... We will harness the sun and the winds and the soil to fuel our cars and run our factories.” Barack Obama in his inaugural speech on Jan. 20, 2009 PAO Energie uit Water 18 november 2009 4 Maatschappelijk vraagstuk • Transitie naar duurzame energie is urgent • Doelstelling kabinet: verminderen afhankelijkheid van fossiele brandstoffen door 20% energiebesparing, 20% duurzame energie en 20% minder CO2-uitstoot in 2020 (t.o.v. 1990) • Bij ongewijzigd beleid komen we halverwege - we zijn er nog lang niet • Duurzame energie speelt grote rol in komende 20-40 jaar – opgave en kans voor wetenschap en bedrijfsleven PAO Energie uit Water 18 november 2009 5 Bodemenergie – verschillende vormen Gesloten systemen Open systemen Geothermie systemen Gesloten systeem temp.11 ºC - lussen - tot 150 m-mv - geen vergunning - vanaf 1 woning PAO Energie uit Water 18 november 2009 7 Overzicht Verticale BWW WKO Diepe geothermie Toepassingsvorm Verwarmen en koelen met warmtepomp Koelen of koelen en verwarmen vaak met warmtepomp Alleen verwarmen Marktsectoren Woningbouw, kleine utiliteitsbouw Utiliteitsbouw, glastuinbouw, woningbouw Woningbouw, glastuinbouw, industrie Minimale schaalgrootte 1 woning Gebouw > 2.000 m2, 50 woningen 2500 woningen Diepte in de bodem 20-150 meter 30-150 meter 1500-5000 meter Terugverdientijd 10 – 20 jaar 1 – 12 jaar 5 – 20 jaar Aantal 25000 lussen 1200 bronnen 1 systeem Vergunning (nog) geen vergunning nodig Grondwaterwet Mijnbouwwet Energiebesparing 50% op combinatie; 30-50% op verw+koel 50-80% op koeling, 30-50% op verwarmen 60-70% op verwarmen PAO Energie uit Water 18 november 2009 8 Coëfficiënt of performance: COP COP - coefficient of performance: verhouding tussen de hoeveelheid afgegeven warmte tegenover de hoeveelheid verbruikte energie van onder andere een warmtepomp. Deze energie wordt bij de warmtepomp gebruikt door de compressor. Een water/water warmtepomp heeft een COP van 3,5: 3,5 kWh aan warmteproductie voor elke kWh uit het elektriciteitsnet. Dit kan men gelijkstellen aan een rendement van 350%. Bij gewone elektrische verwarming heb je slechts een rendement van 100%. De verhouding tussen de gas- en elektriciteitsprijs bepaalt vervolgens wat de bedrijfskosten zijn. Kosten aardgas hoogrendementsketel € 19,00. Kosten elektriciteit voor de warmtepomp € 18,50. Het voordeel van de warmtepomp zit dus niet zozeer in de grote besparing op stookkosten, maar wel in de vermeden uitstoot CO2. PAO Energie uit Water 18 november 2009 9 Vergelijking Type aard diepte Vermogen Schaal #huize n Basis Investering CAPEX CO2 reductie tov gasgestook t/ COP Lifetime BWW WK 2-150 25 GJ/yr 1 10 kEUR 50%/4-6 oneindig WKO WK 30-150 0.1 MWth 100 100 kEUR 50%/4-6 oneindig Geoth Warmte W 1.5-3.5 km 7.5 MWth 3000 6 MLN 70-95%/15 30-75 jaar Geoth Elektr W/E >3.5 km 20 MWth/ 3 MWe 8000/ 4500 30 MLN 100% 30 jaar PAO Energie uit Water 18 november 2009 10 Vergelijking Type Ondergrondse economische performance risico’s Maatschappelijke risicos Subsidies BWW Geen Verstoring hydrologische systemen door boringen Geen WKO Doorlatendheid bodem chemie Verstoring hydrologische systemen door boringen en productiesystemen Geen Geoth Warmte Temperatuur Doorlatendheid bodem chemie Geringe bodemdaling door afkoeling Project Geoth Elektr Temperatuur Doorlatendheid Hydraulic Fraccing chemie Induced seismicity Project PAO Energie uit Water 18 november 2009 11 2. Warmte-koude opslag WKO is hot PAO Energie uit Water 18 november 2009 13 Werkingsprincipe • • • • • • • Koude en/of warmte wordt opgeslagen in een watervoerende zandlaag (aquifer) in de bodem. ’s Winters wordt winterkoude opgeslagen in de koude bron met een temperatuur van circa 8°C. ’s Zomers wordt het koude grondwater uit de koude bron opgepompt en gebruikt voor koeling van een gebouw of een proces. Het grondwater neemt de warmte uit het koelcircuit in het gebouw op en wordt met een temperatuur van 15 à 20°C in de warme bron geïnfiltreerd. Het grondwatercircuit en het gebouwcircuit zijn gescheiden door een warmtewisselaar (TSA). Koelen met opgeslagen koude kost slechts 10% van het vermogen van een koelmachine. Samen met de elektriciteit voor het laden van koude is een besparing mogelijk van 40 - 80% op het elektriciteitsverbruik voor koeling in vergelijking met een koelmachine. Warmte/koudeopslag in combinatie met een warmtepomp bespaart circa 50 procent op de energie voor verwarmen en koelen in vergelijking met een klassieke installatie, bestaande uit een ketel en koelmachine. PAO Energie uit Water 18 november 2009 14 Warmtepomp Drukverhoging in de compressor: het gasvormige koudemiddel wordt samengeperst. Temperatuur loopt op tot boven die van de te verwarmen ruimte. Hete damp stroomt naar de condensor. Warmteafgifte in de condensor: In de condensor (radiator) condenseert de damp tegen de relatief koude wand en geeft warmte af. De vloeistof wordt aan de onderzijde van het reservoir afgetapt en stroomt dan naar een smoorventiel. Drukverlaging: In het smoorventiel of reduceerventiel stroomt de vloeistof door een nauwe opening. Warmteopname uit de omgeving: In de verdamper is de druk lager, zodat de vloeistof aan de kook raakt. De warmte die daarvoor nodig is wordt onttrokken aan de omgeving. PAO Energie uit Water 18 november 2009 15 Gesloten systemen: horizontaal PAO Energie uit Water 18 november 2009 16 Gesloten systemen: verticaal PAO Energie uit Water 18 november 2009 17 Groei gesloten systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009 18 Open systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009 19 Groei open systemen PAO Energie uit Water 18 november 2009 20 Groei open systemen 1990 10 systemen PAO Energie uit Water 2000 200 systemen 18 november 2009 21 2008 1000 systemen Advies Taskforce WKO (VROM) Groei Per jaar Open WKO in 2020 Duurzame energie [PJ] ReductieCO2 [Mton] % CO2 t.o.v. gebouwde omgeving Autonoom 12% 3.500 8 0,6 2% Beperkt versneld 20% 7.500 17 1,2 5% Versneld 30% 18.000 41 2,9 11% Wat is het effect van versnelde groei op ondergrond en rendement? PAO Energie uit Water 18 november 2009 22 Stijghoogte • Beïnvloeding van bovenliggende pakketten en/of freatisch grondwater • Gevolgen freatische grondwaterstandverandering in stedelijk gebied potentieel groter • Hydraulische interferentie: harder pompen om debieten te halen PAO Energie uit Water 18 november 2009 23 Stijghoogte Regionale stromingspatroon Den Haag Stijghoogte toename Regionale natuurlijke stijghoogte gradient PAO Energie uit Water 18 november 2009 24 Freatische grondwaterstand 230 P K1 210 P Pf1 190 P K10 P K25 250 200 170 150 150 130 100 110 90 50 70 50 18-3-2009 0:00 0 28-3-2009 0:00 7-4-2009 0:00 17-4-2009 0:00 27-4-2009 0:00 7-5-2009 0:00 17-5-2009 0:00 De Uithof: groen is nabij de pompput, paars en bruin freatische grondwaterstand op 10 respectievelijk 25 meter afstand PAO Energie uit Water 18 november 2009 25 Verzilting PAO Energie uit Water 18 november 2009 26 Verzilting Irreversibel scenario 15 700 650 Cl- (mg/liter) 600 550 500 450 PUT 1 PUT 2 400 350 300 0 2000 4000 6000 8000 10000 tijd (dagen) PAO Energie uit Water 18 november 2009 27 12000 14000 16000 18000 20000 Grondwaterkwaliteit • Vermenging verschillende natuurlijke grondwaterkwaliteit: is dat erg? • Horizontaal of verticaal verplaatsen of vermengen verontreinigingen • Diepe systemen: minder risico op verplaatsen verontreinigingen • Ondiepe systemen: minder invloed op “niet menselijk beïnvloed” grondwater PAO Energie uit Water 18 november 2009 28 Microbiologie • Invloed op natuurlijke bacteriën • Grotere dynamiek • Andere temperatuur • Andere redoxomstandigheden • Beschikbaar komen van organisch materiaal • Eerste indicatie dat temperatuurverschil van circa 2 graden geen effect heeft • Wel constatering dat diversiteit en aantal bacterien bij wko lager is dan bij referentie PAO Energie uit Water 18 november 2009 29 Perforatie • Risico’s: • Vermenging grondwaterkwaliteiten • Aantrekken verontreinigingen van boven • SIKB protocol is er, maar controle nog te regelen PAO Energie uit Water 18 november 2009 30 Meer met Bodemenergie Onderzoeksprogramma naar toepassing van WKO Advies/ontwerp WKO (thermisch) Nieuwe concepten WKO Onderzoek WKO (therm/bio/geochem) WKO en saneren monitoringstools PAO Energie uit Water 18 november 2009 Fundamenteel onderzoek (WKO) WKO, saneren (mn biologie), ecologie Praktisch onderzoek WKO (bio/geochem), ecologie, biodiversiteit WKO en saneren 31 Meer met bodemenergie • Vragers • Alle provincies • Enkele gemeenten • Waterleidingbedrijven/energiebedrijf • Waterschappen • VROM en SKB • Aanbieders • Deltares, IF, Bioclear en WUR • Praktijkonderzoek (2 jaar) en fundamenteel onderzoek (2 AiO’s) PAO Energie uit Water 18 november 2009 32 Beschermen en benutten Praktijkgericht Praktijkgericht onderzoek onderzoek Effecten Effectenvan vanWKO WKO op de kwaliteit op de kwaliteitvan van bodem bodemen en grondwater grondwater Temperatuur, Temperatuur, ecologische ecologischeen en bio/geochemische bio/geochemische effecten effecten (WP 2.1, (WP 2.1,2.2 2.2en en2.4) 2.4) Vernieuwde Vernieuwde toepassingen toepassingenvan van WKO WKO Effecten Effectenop opgebruik gebruik van vande deondergrond ondergrond (WP (WP2.3 2.3en en3.1) 3.1) PAO Energie uit Water 18 november 2009 WKO WKOinincombinatie combinatie met metbodemsanering bodemsanering (WP (WP3.2) 3.2) 33 WKO WKObij bij gebiedsgericht gebiedsgericht grondwaterbeheer grondwaterbeheer (WP (WP3.3) 3.3) WKO WKOoptimaal optimaal ingezet ingezetininde de waterketen waterketen (WP4.1 (WP4.1en en4.2) 4.2) WP2: effecten van (grootschalige) WKO • Stijghoogte: beïnvloeding aquifer, interactie diep-ondiep, kwel • Heterogeniteit: inzicht in verspreiding geïnjecteerd en herkomst onttrokken • • • • • • • • • water, effectiviteit opslag Temperatuur: beïnvloeding aquifer door grootschalige toepassing Natuurlijke chemie: invloed op natuurlijke samenstelling door temperatuur, menging, lekkagestroming Verzilting: effect op zoet-zoutpatronen van grote installaties Pathogene bacteriën: gaan ze mee naar beneden? Natuurlijke diepe bacteriën: hoe reageren die? Geomechanica: maaiveldbeweging, zetting, opbarsting, welvorming Effecten na sluiting: na-ijleffect Hoge temperatuur opslag: effecten en mogelijkheden (Uithof, Swammerdam) Meerdere systemen: rendement opslag PAO Energie uit Water 18 november 2009 34 Interferentie PAO Energie uit Water 18 november 2009 35 Risico’s op interferentie Interferentiekaart energieopslag 2005 Interferentiekaart energieopslag 2030 Legenda Legenda Kans op interferentie Kans op interferentie redelijk (< 25 % kans op interferentie) redelijk (< 25 % kans op interferentie) groot (25-50 % kans op interferentie) groot (25-50 % kans op interferentie) zeer groot (> 50 % kans op interferentie) zeer groot (>50 % kans op interferentie) Bodemgeschiktheid (cumulatieve dikte watervoerende lagen) Bodemgeschiktheid (cumulatieve dikte watervoerende lagen) informatie ontbreekt informatie ontbreekt redelijk geschikt (0 - 100 m) redelijk geschikt (0 - 100 m) geschikt (100 - 200 m) geschikt (100 - 200 m) zeer geschikt (> 200 m) zeer geschikt (> 200 m) Inschatting van het risico op interferentie 2005 en in 2030 (IF Technology) PAO Energie uit Water 18 november 2009 36 Heterogeniteit • Effect heterogeniteit ondergrond op temperatuurzones verondersteld: vergroting kans op (eigen) interferentie Kavelgrens Effectstudie PAO Energie uit Water 18 november 2009 Werkelijkheid? 37 WP3: WKO en sanering • Sanerende werking van rondpompen: • • • • (bio)wasmachine Effect van verontreiniging op WKO Effect van WKO op afbraak Corrosie, verstopping? ontwerp van WKO Nieuwe concepten voor combinatie • Hoe is WKO optimaal te combineren in • gebiedsgerichte aanpak Combinatie van monitoring (gebiedsgericht en WKO-vergunning) PAO Energie uit Water 18 november 2009 38 WP4: WKO in water- en energieketen • Analyse van kansen en nieuwe mogelijkheden • Combineren van RO-opgaven, waterbeheerdoelstellingen (kwantiteit en • kwaliteit) en energieambities Keten grondwater, proceswater, oppervlaktewater • Aanvullend op voorgaande methodiek: Deskstudie en brainstormsessies PAO Energie uit Water 18 november 2009 39 RO Ondergrond De verdergaande benutting van de ondergrond vraagt om RO beleid voor de ondergrond Niet alleen voor energieopslag, maar voor de combinaties met andere gebruiksfuncties zoals ondergronds bouwen, sanering, perforatie, etc. PAO Energie uit Water 18 november 2009 40 WKO Heating Cooling 7 ◦C 18 ◦C HE Summer Summer ATES PAO Energie uit Water 18 november 2009 41 WKO in combinatie met oppervlaktewater Heating Cooling HE 7 ◦C 18 ◦C Summer Summer ATES PAO Energie uit Water 18 november 2009 42 3. Geothermie Geothermie in opkomst PAO Energie uit Water 18 november 2009 44 Wat is geothermie? Warmte in de aarde: radioactief verval van elementen Bunge, 2005 Gemiddelde mondiale geothermische gradiënt = 30°C/km Warmte is winbaar met putten die warm water winnen en afgekoeld weer her-injecteren (doublet) PAO Energie uit Water 18 november 2009 45 Heat flow in the continental lithosphere PAO Energie uit Water 18 november 2009 30C/km 46 50C/km Voordelen Geothermie - Nederland Groen (warmte COP=15+, HR COP=3.5, Electriciteit geen CO2 uitstoot) 24/7 baseload Weinig beslag oppervlakte Verwachting TNO realisatie warmte 1 miljoen huizen 100 jaar Verwachting TNO realisatie electriciteit 100en MWe, renewable 2020 tijdslijn: 1-3% CO2 reductie (landelijk), warmte PAO Energie uit Water 18 november 2009 47 Twee families PAO Energie uit Water 18 november 2009 48 Geothermie voor verwarming van huizen [Den-Haag] Thermal Power Heated houses [@25GJ/j] 16000 30 power- 150m3/h 14000 power 300 m3/h 12000 Heated Houses Power [Mwth] 25 20 15 10 5 10000 8000 6000 4000 Houses 150 m3/h [25 GJ/j] 2000 0 houses 300 m3/h [25GJ/j] 0 70 80 90 100 70 Temperature [C] 18 november 2009 90 Temperature [C] E [MWth] = Flow-rate [m3/h] * DT * 1.2x10-3 PAO Energie uit Water 80 49 100 Geothermie: waar en hoe Locatie voor bv. woningbouw of tuinbouw Afhankelijk van eigenschappen ondergrond: Geologie: Diepte en temperatuur Permeabiliteit en Dikte van waterdoorlatende lagen Breuken (continuïteit) Warmtevraag 1. Potentie onderzoek regionaal lokaal t.b.v. opsporingsvergunning 2. Detailstudie Structureel geologisch model Breuken Continuïteit van de laag Reservoireigenschappen (porositeit en permeabiliteit) Transmissiviteit (dikte x doorlatendheid) 3. Putconfiguratie PAO Energie uit Water 18 november 2009 50 Kennis van de ondergrond? Kennis diepe ondergrond bij TNO uit: • (Exploratie-)boringen • 2D en 3D seismiek voor landelijke kartering Olie-gas exploratie: ca 50 miljard kennis-investering in de afgelopen 30 jaar PAO Energie uit Water 18 november 2009 51 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009 52 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009 53 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009 54 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009 55 ThermoGIS PAO Energie uit Water 18 november 2009 56 T = 80 C Electriciteitsproductie Power [Mwe] Electric Power 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 100 power- 150m3/h power - 300 m3/h T = 160 C 150 200 Temperature [C] PAO Energie uit Water 18 november 2009 57 T = 30 C Geothermal Energy: production of electricity from geothermal hotspots-active faults 30C/km 60C/km PAO Energie uit Water 18 november 2009 58 Vragen?
