Hoewel zowel open- als gesloten bodemenergiesystemen worden toegepast in de gebouwde omgeving, is er geen sprake van grootschalige toepassing. Hierdoor kan warmteopslag in de ondergrond op dit moment nog geen rol van betekenis spelen in de energietransitie, zo luidt de Routekaart Energieopslag.

Martin Bloemendal, universitair hoofddocent aan de TU Delft en onderzoeksleider bij de geologische dienst van TNO, ziet echter veel potentie in de rol van warmteopslag voor de energietransitie. “Er is een grote mismatch in wanneer er warmtevraag is en wanneer warmte beschikbaar is. Om primair energiegebruik te beperken is het belangrijk om beschikbare warmte via opslag te benutten. Omdat er in de Nederlandse stedelijke omgeving weinig ruimte is, kan je ondergrondse ruimte gebruiken om warmte in te bufferen.”

In een bodemenergiesysteem kan warmte en koude worden opgeslagen, zodat er met tussenkomst van een warmtepomp over een langere periode met een hoog rendement energiewinning kan plaatsvinden. Op deze manier kan warmte die in de zomer beschikbaar is worden opgeslagen, en in de winter worden gebruikt voor het verwarmen van gebouwen. Waarna het water de warmte heeft afgegeven aan gebouwen kan het koele water worden opgeslagen voor koeling in de zomer. Zo zorgt het bodemenergiesysteem voor energiebesparing.

In Nederland worden twee soorten bodemenergie toegepast: het open en het gesloten bodenenergiesysteem. De Nederlandse bodem is goed geschikt voor beide technieken, de zandlagen zijn een medium voor het opslaan van thermische energie.

Mede door het vervallen van de aardgasaansluitplicht voor nieuwe gebouwen per 1 juli 2018 is het gebruik van bodemenergie in de afgelopen jaren met 8 procent toegenomen. Toch wordt bodemenergie nog niet breed toegepast. Bloemendal legt uit waarom: “De toepassing van bodemenergie wordt nu nog beperkt tot nieuwbouw. In bestaande bouw wordt bodemenergie nog beperkt toegepast omdat de isolatie in orde moet zijn en de investering groter is dan bij een alternatief zoals de lucht-warmtepomp. Daarnaast is bodemenergie bij sommige mensen nog relatief onbekend.”

Bodemenergie voor de TU Delft
Bloemendal focust zich in zijn werk op de integrale toepassing van warmteopslag. Om dit te onderzoeken wordt in de komende jaren een hoge tempratuur open bodemenergiesysteem uitgerold bij de campus van de TU Delft. Bloemendal vertelt: “De huidige gas gestookte centrale wordt vervangen door een geothermiebron. In de zomer heeft de geothermiebron te veel warmte en in de winter te weinig, daarom is opslag nodig. De techniek waarbij open bodemenergie wordt gecombineerd met warmteopslag is nog in ontwikkeling. Het gaat om tempraturen van 80 graden Celsius, terwijl we kijken naar een zandlaag die van nature 15 graden Celsius is. We onderzoeken het verschil tussen de werking van het systeem bij verschillende bronontwerpen, meten en analyseren het tempratuurverloop onder de grond en monitoren de waterkwaliteit.”

Het onderzoek brengt verschillende uitdagingen met zich mee. Bloemendal legt bijvoorbeeld uit dat de chemie en microbiologie van de ondergrond zal veranderen. In welke mate, is sterk afhankelijk van de lokale omstandigheden. “Deze effecten op de directe omgeving wil je beperken tot de locatie waar de warmte wordt opgeslagen, daarmee hebben andere eventuele gebruikers van de ondergrond in de nabijheid geen last van de opslag. Om deze reden moeten er ook vergunningen worden aangevraagd.”

“Ook qua systeemintegratie gaan we tegen de nodige uitdagingen aanlopen. De geleverde tempratuur is belangrijk, omdat het om oude gebouwen gaat die veel en relatief hoge temperatuur warmte nodig hebben. Er zal tijdens de opslagcyclus warmteverlies in de ondergrond plaatsvinden. Hoe om te gaan met teruglopende temperatuur uit de opslag willen we optimaliseren door ook de systeemintegratie en de aansturing te onderzoeken. De huidige warmtebron zal blijven bestaan als piek- en back-upvoorziening, daarnaast komt er ook een HT-warmtepomp. Samen met een warmtenet met verschillende takken die allemaal net wat anders zullen reageren, wordt een complex samenspel. In de praktijk moeten we de aansturing daarvan optimaliseren. We gaan tegen verassingen en mooie leermomenten aanlopen, daar ben ik niet bang voor”, vertelt Bloemendal.

Ontwikkeling warmteopslag
Bloemendal verwacht dat de groei van bodemenergie van de afgelopen jaren zal doorzetten. Hoe warmteopslag zich gaat ontwikkelen vindt hij echter lastiger te voorspellen. “De focus in ons onderzoek ligt op hoge tempratuur warmteopslag, daar is veel vraag naar maar er zitten ook de nodige uitdagingen aan. Met deze toepassingen kan je een grote impact hebben op veel woningen die onderdeel zijn van een collectief verwarmingssysteem. Maar zelf zie ik de meest brede toepassing voor lage tempratuursystemen. Daar zitten momenteel nog veiligheidsmarges aan vanuit het voorzorgsbeginsel, wat inhoudt dat je bestaande belangen niet mag beïnvloeden. Maar uit onderzoek blijkt dat de beïnvloeding van bestaande systemen beperkt is, terwijl je de grond wel efficiënter kan gebruiken wanneer systemen dicht bij elkaar liggen”, aldus Bloemendal. 

“Als er veel warmtenetten uitrollen dan zal warmteopslag ook verder ontwikkelen. Aan de ontwikkeling van warmtenetten hangen weer technische, organisatorische en financiële uitdagingen. Wat ik ook voor me zie is dat er meer gaat gebeuren met systemen tot 40 graden Celsius. Hiermee heb je beperkt effect op de waterkwaliteit en blijf je binnen een financieel omslagpunt wat betreft de kosten voor de bronnen. Dit kan voor bijvoorbeeld kassen en appartementen veel energiebesparing opleveren in combinatie met open systemen.”

Bloemendal ziet de traagheid van warmtesystemen samen met de kleine temperatuurverschillen waarmee in duurzame systemen de warmte moet worden geleverd als grootste uitdaging voor de uitrol van warmteopslag. “Het duurt even voordat water door een pijp op de plek van bestemming is, vervolgens reageert een gebouw traag wanneer je de tempratuur wil veranderen. We zijn gewend om snel te sturen, terwijl duurzame verwarming juist vraagt om lage tempraturen met minder vermogen en daardoor minder marge. Als je minder vermogen hebt om te leveren kan je het systeem optimaliseren met voorspellende regeltechnieken, zoals model predictive control of machine learning.”