Ondiepe geothermie

Voor ondiepe geothermie zijn er verticale boringen nodig van 10 m tot 300 m diep om de warmte aan de ondergrond te onttrekken (voor verwarming) of erin af te voeren (voor koeling). 

De eerste 10 meter diep schommelt de temperatuur met de seizoenen mee. Dieper blijft de natuurlijke temperatuur van de ondergrond vrijwel constant. In België bedraagt de natuurlijke temperatuur 10 tot 14°C op 20-30 m diepte. Per 100 m neemt ze gemiddeld met 3°C toe. 

Om te beantwoorden aan de warmte- of koelbehoeften van gebouwen maakt ondiepe geothermie dus gebruik van dit warmtereservoir. Omwille van de beperkte temperaturen in de ondergrond op dergelijke diepte, gaan deze systemen vergezeld van geothermische warmtepompen, die dienen om het gebouwverwarmingssysteem van een voldoende hoge temperatuur te voorzien. Het rendement van de geothermische warmtepompen in de winter, wanneer de warmtebehoefte het hoogst is, wordt niet beïnvloed door de lage buitenluchttemperatuur, hetgeen wel het geval is voor een aerothermische warmtepomp of in zekere mate bij oppervlaktegeothermie.

Voor koeling van gebouwen kan de overtollige warmte bovendien in de ondergrond afgevoerd worden. Men spreekt van free geocooling (of passieve koeling) wanneer hierbij enkel gebruikt gemaakt wordt van een warmtewisselaar, of van actieve koeling wanneer een reversibele warmtepomp wordt ingezet (‘principe ijskast’). 

Door de ondergrond als buffer voor thermische opslag te gebruiken, kan een zeer performant geothermisch systeem verkregen worden. De warmte die in de zomer in de ondergrond wordt opgeslagen door (passieve) koeling, kan gebruikt worden voor de verwarming in de winter.

Een ondiep geothermisch systeem wordt al naargelang van de gebruikte extractietechniek gesloten of open genoemd.

Gesloten systeem

Een geothermisch systeem wordt “gesloten” genoemd als een vloeistof in een gesloten circuit in de ondergrond circuleert. Dit circuit bevindt zich in geothermische boringen en kan verschillende vormen aannemen. De meest courante oplossing is een circuit van U-vormige lussen (enkel of dubbel) binnenin een boorgat met een diameter van ongeveer 150 mm. Het boorgat wordt opgevuld met een grout (mengsel van water en cement) met goede thermische eigenschappen, zodat de thermische weerstand van de sonde zo laag mogelijk blijft en er zo veel mogelijk thermische uitwisseling tussen de vloeistof in de warmtewisselaars en de ondergrond plaatsvindt. Het geheel van boorgat, warmtewisselaar en grout heet geothermische sonde. Er bestaan ook nog andere vormen van sondes, zoals de coaxiale sonde of de sondes in driedubbele U-vorm. 

Staat het systeem ingesteld op verwarming, dan wordt de warmtegeleidende vloeistof aan een lagere temperatuur dan de terreintemperatuur geïnjecteerd in de sonde. Door circulatie in de ondergrond warmt de vloeistof op. Bij het verlaten van het circuit wordt ze dus aan een hogere temperatuur dan de injectietemperatuur teruggewonnen. In de warmtepomp wordt met behulp van elektrische energie, de grondtemperatuur opgewaardeerd tot bruikbare temperaturen voor verwarming van het gebouw. Hierdoor koelt de warmtegeleidende vloeistof weer af, waarna ze opnieuw in het gesloten circuit geïnjecteerd wordt. Wanneer het systeem op koeling staat ingesteld, keert het proces om. De warmtegeleidende vloeistof wordt aan een hogere dan de terreintemperatuur in het circuit geïnjecteerd, hetgeen de warmte uit het gebouw in de ondergrond afvoert. 

In een variant kunnen deze geothermische sondes rechtstreeks met funderingspalen worden gecombineerd. Men spreekt dan over energiepalen. In dat geval zitten de gesloten lussen onmiddellijk in de funderingspalen die zo een dubbele rol spelen: een structurele rol als gebouwfundering en een thermische rol als warmtewisselaar met de ondergrond. In dit geval dient de geotechnische dimensionering van de palen rekening te houden met de thermische en thermo-mechanische effecten op de stabiliteit. Deze systemen bieden het grote voordeel geen extra boringen te vergen dan die voor de funderingspalen. Ten opzichte van de klassieke geothermische sondes bevinden funderingspalen zich doorgaans tot op een eerder geringe diepte (typisch 10 à 12m in België), hetgeen de uitwisselingslengte met de ondergrond beperkt.

Open systeem

Een “open” geothermisch systeem gebruikt de natuurlijke warmte van het grondwater in de watervoerende lagen (aquifers). Open geothermische systemen bestaan meestal uit bronnenparen: een voor het oppompen van grondwater en het andere voor de herinjectie. Ook open systemen vereisen het gebruik van een geothermische warmtepomp voor de verwarming van gebouwen. Zo wordt, wanneer het systeem op verwarming is ingesteld, het water uit de watervoerende lagen op een bepaalde temperatuur onttrokken, door de warmtepomp afgekoeld en aan een lagere temperatuur via de andere bron (‘koude bron’) opnieuw in de watervoerende laag geïnjecteerd. Voor koeling wordt het systeem omgekeerd en wordt grondwater uit de ‘koude bron’ opgepompt. Het opgewarmde water (door gebouwkoeling) wordt dan in de ‘warme bron’ geïnjecteerd en gestockeerd, voor gebruik in de winter. In zo’n gevallen spreken we van Koude-WarmteOpslag- (KWO-)systemen.

Dit geothermische systeem vergt de aanwezigheid van een voldoende dikke watervoerende laag met een voldoende hoge waterdoorlatendheid, zodat een voldoende hoog debiet aan de watervoerende laag kan worden onttrokken. Men dient er overigens op te letten dat het peil van de waterlaag door het oppompen van grondwater niet te sterk zakt, om een duurzaam geothermisch systeem te kunnen verzekeren.

Een watervoerende laag met de aanwezigheid van een natuurlijke grondwaterstroming is bevorderlijk voor de constante regeneratie van het warmtereservoir in de ondergrond. De temperatuur van de ondergrond wordt immers continu op peil gehouden door de toestroom van grondwater, dat zich op de natuurlijke bodemtemperatuur bevindt. Bij een te sterke grondwaterstroming is KoudeWarmteOpslag (KWO) niet mogelijk. Bij een statische watervoerende laag daarentegen (zonder of met zeer weinig grondwaterstroming) is seizoensopslag van thermische energie wel mogelijk. De warmte die in de zomer tijdens de koelingsfase van de gebouwen in de ‘warme bron’ wordt opgeslagen, kan in de winter voor de verwarming worden hergebruikt. Het afgekoelde water wordt in de winter in de ‘koude bron’ opgeslagen.

Geocooling

De temperatuur in de ondergrond op meer dan 10 à 15 meter diep is niet onderhevig aan de seizoenscycli van de buitenluchttemperatuur. In de zomer blijft de temperatuur in de ondergrond dus lager dan de buitenluchttemperatuur. De ondergrond kan dan als koudereservoir dienen voor de klimaatregeling van gebouwen. Het koelen van gebouwen (of processen) door middel van de ondergrond staat ook bekend als ‘geocooling’. 

Indien de energie tussen het bodemcircuit en het gebouwafgiftecircuit louter wordt uitgewisseld via een warmtewisselaar, spreken we over ‘free geocooling’ of passieve koeling. Het betreft een zeer efficiënte vorm van koelen, aangezien enkel de circulatiepompen van beide circuits elektriciteit verbruiken.

Wanneer door middel van ‘free geocooling’ onvoldoende vermogen kan verkregen worden, is het ook mogelijk reversible geothermische warmtepomp in te schakelen (bijv. wanneer piekvermogens nodig zijn). Aangezien de warmtepomp wordt ingeschakeld, is ‘actieve koeling’ minder energie-efficiënt.

Geocooling heeft eveneens als voordeel dat het warmtereservoir van de ondergrond wordt aangevuld (of geregenereerd) wanneer de temperatuur door gebouwverwarming in de winter is afgenomen.

Geocooling kan zowel met een gesloten systeem (door thermische uitwisseling met de ondergrond) als met een open systeem (door thermische uitwisseling met het grondwater) worden toegepast. Het is evenwel noodzakelijk dat het geothermische systeem zich op een diepte bevindt die niet of weinig wordt beïnvloed door de seizoenscycli van buitenluchttemperatuur (meer dan 10m diep).

Meer weten over: Oppervlaktegeothermie, diepe geothermie, gebruik van geothermie, de warmtepomp.