Welk type geothermie in Brussel?

De geothermische installaties in het Brussels Hoofdstedelijk Gewest zijn veelal ondiepe installaties, in gesloten of in open systeem. Terwijl open systemen de aanwezigheid van een watervoerende laag vereisen, kunnen gesloten systemen in principe overal worden toegepast. De energie-efficiëntie en de dimensionering van deze twee types van installatie hangen niettemin van de eigenschappen van de ondergrond af.

In Brussel zijn de geologische voorwaarden voor het gebruik van diepe geothermie niet voorhanden. Er werd immers geen enkele warme-waterlaag opgetekend waaruit men water aan een hoge temperatuur zou kunnen oppompen.

Daarenboven staat het stedelijke karakter van Brussel de efficiënte ontwikkeling van horizontale geothermische oppervlaktesystemen in de weg. Deze systemen vereisen immers een groot grondoppervlak (doorgaans twee- tot driemaal de bewoonbare oppervlakte van het huis) dat meestal niet voorhanden is in de stad.

De installaties die men in Brussel terugvindt, zijn dus meestal ondiepe geothermische systemen (van 50 tot 200 m diep), die bestaan uit verticale sondes (gesloten systeem), dan wel uit geothermische bronnen (open systeem). Geothermische bronnen (open systeem) zijn echter haast uitsluitend rendabel bij gebouwen van grote omvang (tertiaire sector, huisvesting), omwille van de hogere, initiële investeringskosten en onderhoudskosten.

Noodzakelijke eigenschappen van de ondergrond voor een ondiepe geothermische installatie

• Ondiepe geothermische installaties van het gesloten type (verticale geothermische sondes) kan men in principe overal realiseren. De efficiëntie ervan hangt evenwel af van de geologische opbouw van de ondergrond.
  Zo is de warmtegeleidbaarheid een uiterst belangrijke eigenschap. Hoe hoger de warmtegeleidbaarheid van de ondergrond, hoe meer energie uit eenzelfde boorgat kan worden onttrokken.
  Het warmtegeleidend vermogen hangt af van de aard van de ondergrond. Over het algemeen: 
  • is de warmtegeleidbaarheid van rots hoger dan die van sedimentaire grondsoorten zoals zand, leem en klei;
  • is de warmtegeleidbaarheid van een waterverzadigde ondergrond hoger dan de warmtegeleidbaarheid van dezelfde ondergrond in droge toestand;
  • is de warmtegeleidbaarheid van kwarts hoog, in die mate dat (rots)bodems die voornamelijk uit dit mineraal zijn samengesteld eveneens een hoge warmtegeleidbaarheid hebben. Het gaat hier over zand, zandsteen of kwartsiet.
• Ondiepe geothermische installaties in een open systeem (geothermische boorgaten) vereisen de aanwezigheid van een watervoerende laag (aquifer) waar men grondwater uit kan oppompen en na energie-uitwisseling weer in kan injecteren. De doeltreffendheid van het geothermische systeem hangt af van het debiet dat uit een pompput of bron kan worden opgepompt. Hoe hoger dit debiet, hoe hoger de efficiëntie van de installatie (voor eenzelfde debiet zullen minder bronnen nodig zijn). Het maximaal haalbare debiet hangt voornamelijk af van twee eigenschappen van de watervoerende laag: 
  • de waterdoorlatendheid: hoe doorlatender de watervoerende laag, hoe hoger het maximaal op te pompen debiet;
  • de dikte: hoe dikker de watervoerende laag, hoe hoger het maximaal op te pompen debiet.

Geologie van Brussel

Eens voorbij de eventuele ophogingen en alluviale afzettingen van de valleien, bestaat de ondergrond in Brussel uit nagenoeg horizontale geologische lagen, zoals onderstaande geologische doorsnede toont.

De bovenste grondlagen bestaan over het algemeen uit een afwisseling van zand-, klei- en leemlagen. Op een hoogte van -50 tot -100 meter ten opzichte van de zeespiegel (met andere woorden, op dieptes van 70 tot 130 m ten opzichte van de oppervlakte), komt men rotslagen tegen. Het betreft krijt (enkel in het noorden van Brussel) en vervolgens afwisselende lagen van zandsteen, kwartsiet en schist (leisteen).

In de praktijk

Voor ondiepe geothermische installaties in gesloten systeem (verticale sondes), is het dus van belang om zo nauwkeurig mogelijk de thermische eigenschappen van de lagen te kennen waar de boring doorheen gaat. Het aantal en de diepte van de te installeren geothermische sondes hangt immers af van de hoeveelheid warmte die aan de ondergrond onttrokken moet worden om aan de energiebehoeften van het gebouw te beantwoorden. Voor eenzelfde hoeveelheid warmte die uit de ondergrond moet worden gehaald, kan het aantal en/of de diepte van de sondes al naargelang van de aanwezige geologische lagen en van hun warmtegeleidend vermogen verschillen. 

Voor de dimensionering van een gesloten systeem bestaande uit een groot aantal geothermische sondes, wordt het meestal aanbevolen een test op het terrein uit te voeren, namelijk een Thermische Respons Test (TRT) van de ondergrond. Deze test wordt uitgevoerd op een voorafgaand aangebrachte geothermische boring. Het principe bestaat eruit gedurende meerdere dagen een zeker (constant) thermisch vermogen in het boorgat te injecteren door middel van de dragervloeistof en een externe thermische installatie. Door het verloop van de in- en uitgaande temperatuur van de sondes te analyseren kan de gemiddelde warmtegeleidbaarheid van de ondergrond afgeleid worden. Deze nauwkeurig bepaalde waarde kan dan voor de dimensionering van het definitieve geothermische systeem worden gebruikt. Met dergelijke voorstudie kan men dus het ontwerp van de sondes optimaliseren en nauwkeurig de totale benodigde boorlengte bepalen. 

Voor de ondiepe geothermische installaties in open systeem (geothermische bronnen) zijn er twee potentiële watervoerende lagen in Brussel terug te vinden. Het betreft:

• De watervoerende laag van de zandgrond van de Formatie van Brussel die men slechts op de hoogste plaatsen in Brussel aantreft.

  

• De watervoerende laag van de zandgrond van de Formatie van Hannuit, die men overal in Brussel aantreft, maar eveneens dieper gelegen is.

Gelet op de heterogeniteit van de watervoerende lagen in Brussel, de complexiteit van de dimensionering van de open systemen en de vergunningen die vereist zijn voor dergelijke systemen zullen er proeven op het terrein nodig zijn om de lokale eigenschappen van deze watervoerende lagen te bepalen (onder andere de waterdoorlatendheid en de verzadigde dikte).