aardwarmte, geothermie, geothermische energie

Aardwarmte of geothermie is het benutten van de warmte van het binnenste van de aarde zelf. Bij deze vorm van bodemenergie is de warmtebron een warme aardlaag die niet heel ver onder het maaiveld ligt. 

De hoeveelheid warmte die de aarde per vierkante meter uitstraalt, noemen we heat flow. De heat flow bepaalt, met o.m. de lokale dikte van de aardkorst, de toename van de temperatuur met de diepte. Deze toename met de diepte heet de geothermische gradiënt. In vulkanisch gebied, bijvoorbeeld Indonesië, kan geothermie extra interessant zijn omdat daar de temperatuur in de diepte al zeer snel hoog is (op Java neemt de temperatuur 30 graden per 100 m toe...).
In Nederland heerst op ca. 2000 m diepte een temperatuur van 60-80 graden C; bij diepten vanaf 5500 m kan in Nederland een temperatuur heersen vanaf ca. 175 graden C. Per 100 m neemt de temperatuur met ca. 3 graden C toe (in Nederland), veel minder dan in vulkanische gebieden maar toch belangrijk als bron van groene energie. 
Klik op de afbeelding rechtsboven voor een duidelijk beeld van diepte en temperatuur.

De methode in het kort
Als gebleken is dat het water in een poreus gesteente op ca. 2000 m diepte voor geothermie bruikbaar is, kan de warmte van dat formatiewater via een productieput worden gepompt naar het aardoppervlak waar die met een warmtewisselaar aan een warmtenet wordt afgegeven. 
De warmte die geothermie op deze manier levert, kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor verwarming van woningen e.d. of om de kassen voor fruit- en groenteteelt te verwarmen. Door het (gedeeltelijk) afstaan van de warmte koelt het water af. 
Na afkoeling wordt dat formatiewater via een injectieput weer in dezelfde gesteentelaag gebracht. De injectieput ligt op enige afstand van de productieput om snel afkoelen van het formatiewater in dat deel van het gesteente te vermijden.

Aardwarmte of geothermie is een veelbelovende energiebron: groene energie, het gehele jaar beschikbaar (ongeacht zon en wind) en nagenoeg onuitputtelijk lijkt het. Vooralsnog voor warmte in het koude seizoen en voor groenteteelt e.d. in kassen, maar op termijn ook wellicht voor het omzetten van warmte in elektriciteit wanneer we diepere putten kunnen slaan of er meer mogelijkheden benut kunnen worden om warmte om te zetten naar elektriciteit.

Aardwarmte is o.m. te combineren met stadsverwarming (warmtenet).

Therminologie
Aardwarmte tot ca. 500 m diepte wordt bodemenergie genoemd.
Van ca. 500 m tot ca. 5000 m wordt geothermie genoemd, maar meestal wordt er tot 1500 à 2000 m geboord (die term is wat verwarrend omdat aardwarmte in zijn algemeenheid ook geothermie heet):
- tot ca. 200 m wordt toegepast voor o.m. warmtepomp en warmte-koude-opslag (vaak relatief dicht onder het aardoppervlak)
- tot ca. 500 m bodemenergie (soms ondiepe geothermie)
- van ca. 500 m tot ca. 1500 m ondiepe geothermie 
- van ca. 1500 m tot ca. 4000 m diepe geothermie
- vanaf ca. 4000 m ultra-diepe geothermie (UDG). 
Aardwarmte is een zeer interessante en omvangrijke energiebron. Aardwarmte is betrekkelijk onuitputtelijk, mits het teruggevoerde water de temperatuur in de buurt van de productieput niet teveel beïnvloedt.

Aardwarmte voor warmte en wellicht op termijn voor elektriciteit
Aardwarmte is in Nederland vooral geschikt voor de productie van warmte. Voor de verwarming van woningen en kassen is een temperatuur tot ca. 80 graden voldoende, maar voor de industrie zouden diepere putten beter voldoen omdat aardwarmte van 120-140 graden C of meer bij industriëel gebruik nuttiger is. Ook voor elektriciteitscentrales zijn hogere temperaturen nodig om stoom te produceren voor de turbines.

Waar kan in Nederland goed geothermie toegepast worden?
Door de boringen naar olie en gas zijn de diepten tussen 2 en 3 km in een groot deel van Nederland aardig bekend; de lagen tussen 2 en 3 km levert warmte op van 70-90 graden C (een stukje onder het maaiveld is het ca. 10 graden C en 2 km van 30 graden/km geeft inderdaad ca. 70 graden C). 
Een aardig idee is om de duizenden boorputten van olie- en gaswinning te onderzoeken op gebruik voor warmwaterwinning: het zijn diepe putten en over de grondlagen is veel bekend dus moet dat onderzoek geschikte geothermische putten kunnen opleveren. Olie- en gasvelden schijnen vaak samen te vallen met "warmtevelden". (Idee waarschijnlijk van civiel ingenieur Floris Veeger.)
De technische mogelijkheden van geothermie in Nederland zijn voor een deel in kaart gebracht en via Thermogis (mapviewer) te raadplegen (zie afbeelding onder; op de Mapviewer op de Thermogis-site is vrij gedetailleerd in te zoomen).

warmtekaart van nederland waarop o.m. de gebieden te zien zijn die geschikt zijn voor aardwarmte (geothermie); de diepe geothermie is overal in nederland toepasbaar, m.u.v. het puntje van zuid-limburg; klik voor groter! (om in te zoomen op het door u gewenste gebied kijk op thermogis (mapviewer) en klik op het bolletje bij technische potentie of economische potentie):

Energie van aardwarmte afgeven aan water

De energie van de aardwarmte kan aan water afgegeven worden. De doorlatendheid (porositeit) van de aardlaag is belangrijk voor een continue aanvoer van warm water. Een niet-doorlatende laag kan via fracking ("kraken") worden gebroken (uitleg fracking zie bij schaliegas). Andere manieren om het compacte, harde gesteente een grotere doorlatendheid te geven zijn: toevoeren van een zuur waardoor de kalk in het gesteente oplost en toevoeren van koud water waardoor het hete gesteente gaat scheuren (hydrofracking). Fracking is in verband met o.m. aardbevingen vaak niet wenselijk. 

Van heet water naar relatief koel water

Globaal zijn er twee methoden om aardwarmte te verkrijgen:
- via doubletten waarmee zo min mogelijk in de diepe ondergrond wordt ingebroken
- via een warmtekrachtcentrale (Enhanced Geothermal System EGS), dat lijkt op de fracking bij de winning van schaliegas (door velen met reden als ongewenst beschouwd).

Meestal wordt aardwarmte via een zogenoemd geothermisch doublet "geoogst": 
- een productieput of winningsput (waaruit warm water omhoog komt) en 
- een injectieput (waarmee het afgekoelde water in de bodem wordt teruggevoerd).
Een warmtewisselaar neemt de warmte op, koelt het hete water of de stoom af, en afgekoeld water/stoom wordt via de injectieput weer teruggepompt naar een diepe aardlaag. Er wordt gebruik gemaakt van een warmtewisselaar omdat het aardwater vaak zeer zout is en dat is niet gunstig voor de metalen buizen in gebouwen en kassen.
Het water moet worden teruggepompt om de druk in de betreffende aardlagen op peil te houden. Om het ongewenste mengen van heet en koud water zo veel mogelijk te vermijden, moet de bron (de oppompplek) bij voorkeur lager liggen dan de injectieplek (de terugpompplek). Meestal wordt in diepe aardlaag tussen de productieput en de injectieput een afstand van ca. 1500-2000 m aangehouden, maar bovengronds kunnen de putten vrijwel naast elkaar liggen. Door de afstand tussen de twee putten wordt waarschijnlijk vermeden dat het afgekoelde "injectiewater" de temperatuur van het "productiewater" sterk verlaagt. De verwachting is dat het "koude" water dat de injectieput in gaat pas na een 20-30 jaar bij warme productieput is, maar de tijd zal leren hoe realistisch die aanname is; de tijd zal het leren. Om een redelijke afstand tussen de putten te realiseren wordt minimaal één van de putten schuin geboord.

Een nieuw onderdeel van het exploiteren van aardwarmte is het zogenoemde multilateraal boren: één buis gaat naar de warmtebevattende aardlagen en splitst zich daar in drie buizen waardoor meer warmte naar boven kan worden gehaald. Ook de injectieput zal dan een drievingerig uiteinde moeten hebben om voldoende koud water in de ondergrond te brengen. Men verwacht dat multilateraal boren 1,5 tot 2 keer zoveel warmte kan leveren.

temperatuurverloop naar het binnenste van de aarde; klik voor groter:

aardwarmte of geothermie; klik voor groter:

Bij de tweede methode Enhanced Geothermal System (EGS) "wordt thermische energie vanaf grote dieptes (en dus hogere temperaturen) gewonnen. In Nederland kan water met een temperatuur van > 120° C worden gewonnen op dieptes vanaf ca. 3500 à 4000 m. De hoge temperaturen kunnen worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.Op grote dieptes neemt de doorlatendheid van het gesteente meestal sterk af en zal deze door stimulering moeten worden verbeterd. Bij EGS wordt daarom eerst koud water in de diepe laag gepompt. Door het grote temperatuurverschil tussen het geïnjecteerde water en het gesteente, en de hoge druk waarmee geïnjecteerd wordt, ontstaan er barsten en scheuren (een vorm van fracking; schijnt veiliger te zijn dan de fracking bij de winning van schaliegas). Zodra de scheuren gevormd zijn, kan een productieput voor het oppompen van warm water worden geïnstalleerd. Doorgaande productie van warm water en injectie van koud water zorgt er voor dat de doorlatende scheuren en barsten, en daarmee het doorlatende systeem, in stand blijven." (Tekst TNO Informatiebladen aardwarmte.)
EGS zal waarschijnlijk ultradiepe geothermie zijn (UDG), op een diepte van 4 à 6 km.

Aandachtspunten

- In het kader van de grootschalige ondergrondse warmte-opslag (GOWO) kan geothermie één van de alternatieven zijn voor aardgas. Geothermiecentrales moeten ook 's zomers op een groot deel van de capaciteit blijven draaien (ca. 70% ?) om vastlopers te vermijden. De onttrokken energie kan weer worden opgeslagen in de bodem. (Mogelijk kan het teveel aan energie worden gebruikt om elektriciteit te genereren of om uit water waterstof te maken dat eenvoudiger opgeslagen kan worden voor toekomstig gebruik.)
Een geothermische centrale voor aardwarmte gebruikt (koud) water om de energie uit de diepte te halen. De diepe gesteenten zijn heet en wanneer er water naartoe wordt gepompt wordt dat stoom en komt het onder grote druk te staan. De pomp is een Electrical Submersible Pump, ESP, in de productieput op een diepte van 4000-7000 m. De druk zorgt voor oververhitte stoom die gemakkelijk door de buis naar boven spuit en de turbines van de centrale aandrijft (stoomturbine).
- Door verschillende instituten worden proeven uitgevoerd om geothermie (nog) beter te benutten, zoals Advanced Geothermial Systems AGS (met veel horizontale verbindingen in de diepe ondergrond tussen twee putten) en Hot Dry Rock geothermal energy HDR (waarbij de hitte van diepe, niet-vloeibare gesteenten wordt gebruikt door er een vloeistof door te persen die de warmte voor een groot deel opneemt).
- Beschikbaarheid. Omdat een gesteentelaag een eindje van een boorput verwijderd heel anders van samenstelling en ligging kan zijn, is niet alleen geologische data noodzakelijk, maar ook seismische data. In de gebieden waar decennialang naar gas en olie is gezocht, zijn veel seismische gegevens beschikbaar, maar voor de andere streken moeten die onderzoeken vaak nog uitgevoerd worden om de geschiktheid voor geothermie te bepalen. Het lijkt een mooie taak voor de overheid hier het voortouw in te nemen, zoals dat ook gebeurde bij de aardgaswinning.
Bekend moet o.m. zijn:
. zijn er al boringen geweest op die locatie (en de gegevens daarvan)
. hoe diep ligt dat gesteente (het poreuze reservoir of aquifer)
. hoe poreus is het reservoir (hoe is de doorlaatbaarheid ervan; een goede doorlaatbaarheid is essentieel voor een continue stroom warm formatiewater)
. hoe uitgestrekt is dat deel van het gesteente (de formatie, i.v.m. de capaciteit)
. hoe dik is het reservoir (voor de capaciteit).
- Voor een aardwarmteproject in Nederland wordt meestal een Special Purpose Vehicle (SPV) gevormd: "een (juridische) entiteit waar het project in wordt ondergebracht en die geleid wordt door een klein team van vakkundige mensen die het project gedurende de gehele levenscyclus managen." Dit houdt het risico in dat steeds weer het wiel wordt uitgevonden en het nadeel dat mislukken van het project een enorme onkostenpost is voor de opdrachtgever, maar het voordeel dat alles specifiek voor dit project wordt ingericht, te grote risico's worden vermeden en dat winst ook echt winst is. De SPV wordt vaak aangeduid als een Energy Service Company (ESCo).
- Omdat aardwarmte gigantische mogelijkheden heeft, ook in Nederland, is het wellicht wenselijk dat de overheid een meer initiërende of coördinerende rol gaat spelen bij de projecten in plaats van het verstrekken van enorme subsidies. 
- Aardwarmteprojecten werden een aantal jaren geleden bijna uitsluitend voor glastuinbouw uitgevoerd (veel energie nodig), maar misschien was dat ook omdat zij de enorme subsidiestromen het beste kennen en de banken weten met wie ze in zee gaan (subsidies en overheidsleningen mogen tot 80% van de projectkosten bedragen; bron). 
- Aardwarmte en warmtenet ("stadsverwarming"). Gelukkig komen er steeds meer aardwarmteprojecten voor de gebouwde omgeving, want aardwarmte is een mooie aanvulling op groene leveranciers als zon en wind. Juist voor warmte hebben we in de winter nauwelijks zonnestroom beschikbaar, dus is een warmtenet een welkome toevoeging aan de energie-mix! Bij voorkeur ligt er een warmtenet in de buurt van een aardwarmtebron. De warmte kan in dat geval snel en zonder extra omzettingen worden doorgegeven aan het warmtenet.
- Het boren van de putten is duur en complex omdat de juiste aardlagen moet worden aangeboord en omdat diep geboord moet worden. Om de juiste aardlaag te vinden is een uitgebreid seismisch onderzoek noodzakelijk gevolgd door proefboringen. Aangezien de kosten fors hoog zijn (ca. 15 miljoen euro per doublet), kan initiatie en exploitatie uitsluitend door de overheid of de grote energiemaatschappijen worden uitgevoerd, met degelijke gegevens van de diepe ondergrond. Voor de niet-zo-diepe-geothermie dekt het Ministerie van Economische Zaken slechte resultaten af; voor de ultra-diepe geothermie (UDG, op 4-6 km diepte), geldt dit niet.
Als er geen aanzienlijke subsidie op geothermie zou zijn, zou er waarschijnlijk geen enkele put geslagen worden...
- Locaties kennen grenzen. Gezien de toch betrekkelijk lokale opzet van het putten uit geothermische energie kan in de toekomst de vraag rijzen of we niet uit elkaars water putten. Juist voor d tuinbouw zijn veel putten geslagen. Burgers in die streken kunnen wellicht in de kou blijven.
- Veel gebieden zijn nog niet onderzocht. Van een groot deel van Nederland is de diepere ondergrond nog niet in kaart gebracht (alleen de gebieden waar naar olie en gas is geboord). Op de kaart met de potentie van aardwarmte in Nederland zijn nog zeer grote gebieden onbekend. 
- "Het Staatstoezicht op de Mijnen (SodM), ziet erop toe dat wanneer er naar aardwarmte wordt geboord, dit op een veilige manier gebeurt voor mens en milieu en in overeenstemming is met wet- en regelgeving."
- Er waren een tijd geleden regelmatig storingen in het systeem (oorzaken?). Die lijken verholpen te zijn.
- Voorkeur gaat uit naar dubbelwandige buizen. De enkelwandige buizen staan onder invloed van corrosie: door de hogere temperatuur (vooral in de productieput, 60-80 graden C), de lage pH en de hoge concentratie CO2 corrodeert de buis vrij snel. Om de enkelwandige buizen te beschermen tegen corrosie worden anti-corrosie middelen, de zogenoemde corrosie-inhitoren, aan het water toegevoegd. De actieve stof als bestanddeel van het anti-corrosiemiddel brengt een laagje aan op de binnenzijde van de buizen, waardoor deze tegen de corroderende processen worden beschermd. De anti-corrosiemiddelen beschermen ook tegen bacteriegroei in de buizen. De anti-corrosiemiddelen zijn er juist om lekkages te voorkomen, maar als er een lekkage is en er is drinkwater in de buurt, dan wordt dat drinkwater uiteraard ook aangetast.
- Wat is de productieve levensduur van een aardwarmte-put? Hoe lang kunnen de dure  putten blijven "produceren"? Uitgangspunt is dat 30 jaar lang de hoeveelheid warmte die uit die aardlaag gehaald kan worden niet veel verandert. De tijd zal leren of dat inderdaad zo is.
- Soms wordt op grote diepte de warmte van slapende vulkanen gebruikt voor aardwarmte, waarbij diepe kanalen in de rotsen worden geboord waar water ingepompt wordt, maar deze zogenoemde enhanced geothermal systems kunnen voor uiteraard ongewenste aardschokken zorgen (Hot Dry Rock in Basel, Zwitserland).
- Belangrijk is dat er ook in de zomer warmte wordt afgenomen: oppompen en injecteren wordt gestabiliseerd (stilstand kan wellicht blokkades in de leidingen veroorzaken door roestvorming e.d.?), de levensduur van de leidingen heeft dan niet te lijden onder het krimpen en uitzetten van de leidingen, economischer gebruik van de installatie. 
Dit betekent in feite dat geothermie meer voor industriële toepassingen is dan voor woningen of in ieder geval gecombineerd? (Anderzijds is het mogelijk nuttig wanneer de diepe waterlaag een seizoen door de aarde kan worden bijgewarmd?) 
- Dat niet alle aardwarmteprojecten slagen, bewijst het dure en hoog van de toren geblazen, maar mislukte aardwarmteproject in Den Haag (2013). Wonderlijk dat dit grote project moest mislukken terwijl zoveel projecten in de glastuinbouw geslaagd zijn. Wellicht had het met de economische crisis te maken. Het risico van misboringen e.d. kan worden afgevangen door "SEI Risico's dekken voor Aardwarmte", kortweg SEI Aardwarmte. Gelukkig kan de Haagse Aardwarmte Leyweg (HAL) aardwarmte aan een woonwijk leveren (2020/2021). 
- Risico's bij boringen voor aardwarmte, of de winning daarvan, zijn o.m.: 
. verontreiniging van bodem en drinkwater (op zo'n moment geldt: ontdek je de verontreiniging op tijd, zijn er alternatieve waterbronnen beschikbaar?)
. aanboren van olie- of gas (kan gevaarlijk zijn; enig gas kan een ontgassingstank in en kan dan juist gebruikt worden voor verwarming o.d.)
. licht-radioactief materiaal kan aan de oppervlakte komen (straling uit loodafzettingen op de buis: scaling); omdat geothermie-leidingen enkelwandig zijn, en niet dubbelwandig zoals bij olie- en gasboringen, is de kans op lekkage vrij groot; licht radioactief zout water komt meestal uit de diepe ondergrond; dit is in Nederland al 3 keer voorgekomen (TW 2019-03 p.3); het licht radioactieve zand hoopt zich op in de filters waardoor die speciaal behandeld moeten worden (verantwoord afvoeren van licht radioactief materiaal)
. technische problemen met een winningsput (Venlo, mei 2018)
. het dieptegesteente is toch minder poreus dan verwacht (en daarmee onbruikbaar voor geothermie)
. mogelijk aardbevingen, vooral in een gebied met van nature al meer of minder actieve breuken in de aardbodem (bijvoorbeeld Limburg en, wellicht om redenen van gevoeligheid, Groningen); in Groningen heeft het Staatstoezicht op de Mijnen (SodM) een negatief advies gegeven voor het warmteproject Warmtestad met conventionele aardwarmte; in Venlo zijn kleine aardbevingen geweest, waaronder een beving van 2,0 op de schaal van Richter, waarna een project voor de winning van aardwarmte bij een tuinderij is stilgelegd (2018); anders dan bij de winning van aardolie en gas blijft theoretisch de druk in de aardlagen ongeveer gelijk omdat het water weer teruggepompt wordt via de injectieput, dus aardbevingen zouden om die reden minder vaak voor moeten komen.

Kritische noot
- De gebruikers van aardwarmte zullen voorlopig niet profiteren van goedkope warmte via een warmtenet omdat die prijs door graaiende warmtenet-exploiteurs en gemakzuchtige overheid nog steeds niet de werkelijke kosten weergeeft, maar simpelweg aan de (nu heel hoge) gasprijs is gekoppeld! (Situatie maart 2024.)

Documentatie/sites
- Bodemenergie Nederland

- Aardwarmtekaarten e.d. TNO ThermoGIS met o.m. de geothermische potentie op kaart 

- Informatiebladen aardwarmte TNO 

- Artikel "Boren naar heet water" uit TNO Magazine 

Geothermiespecialisten en andere interessante sites in Nederland zijn o.m.:
- Platform Geothermie 

- Huisman Geo (Schiedam) 

- IF Technology (Arnhem) 

- Yeager Energy (Zuidlaren) 

- Dutch Association Geothermal Operators DAGO 

- International Geothermal Association IGA 

- NLOG Informatie over mijnbouw, boringen, vergunningen aardwarmte e.d. 
- Aardwarmtepompen worden geleverd door o.m. TCC 

Andere warmtebronnen in dit kader

Overigens, bij warmte-koude-opslag wordt door onszelf een grondwaterlaag met warm of koud water gevuld (het zogenoemde open bronsysteem). Deze lagen liggen slechts op een diepte van ca. 100-200 m. Bij het gesloten bronsysteem van warmte-koude-opslag worden buizen op een nog minder diepe plaats gevuld met warm of gekoeld water (de buizen vormen het reservoir). Ook oude mijnen worden in Limburg soms gebruikt voor warmte-koude-opslag ( niet voor geothermie).  
En ook kan de warmte of koelte van een grote rivier als thermische energie benut worden (een soort gratis en natuurlijke warmte-koude-opslag), wanneer een gebouw in de nabijheid van die rivier is gepland, maar deze methode wordt meestal niet onder de term aardwarmte gerekend (zie aquathermie en oppervlaktewater).

Zie ook warmte-koude-opslag (meestal 100-200 m diep), groene stroom, energiezuinige woning en eventueel Energie Beheer Nederland (EBN).

een fraaie afbeelding van aardwarmte / geothermie in diverse gedaanten en diepten (scan aardwarmte); dalen per 100 m betekent +3 graad celsius; bodemenergie  0-500 m (tot 30 graden c) geothermie  500-4000 m (30-120 graden c) ultradiepe geothermie > 4000 m (120-200 graden c)

Eng. geothermal energy, terrestrial heat