Bedrijven die olie of gas winnen of aan diepe geothermie werken, zijn gewend aan boringen van enkele kilometers diep. Bodemenergie voor verwarmingsdoeleinden komt meestal vanaf hooguit 250 meter. Bij het proefproject bij Museum Vosbergen in Eelde-Paterswolde boort men naar aardwarmte op een diepte van bijna vijfhonderd meter. Dan komen die werelden samen.

In het monumentale pand van Museum Vosbergen in Eelde, net onder de stad Groningen, hebben zich tussen de vitrines met historische muziekinstrumenten een stuk of vijftig ingenieurs, technici en aardwetenschappers verzameld. In deze deftige zaal krijgen ze uitleg over de grondboring die buiten aan de gang is, voor ze op de boorlocatie zelf gaan kijken.

Museum Vosbergen wil verduurzamen, maar daarbij geen afbreuk doen aan de stijl en sfeer van het rijksmonument waarin het is gehuisvest. Daarom is het installeren van de combinatie warmtepomp en lage-temperatuurverwarming niet mogelijk, en dubbel glas aanbrengen eigenlijk ook niet.

Aardwarmte

De oplossing: een hoge-temperatuurwarmtepomp, die water van 70 tot 80 graden Celsius kan leveren en de gasgestookte cv-ketel één-op-één kan vervangen. De warmte die daarvoor  nodig is, komt in dit geval uit de bodem naast het pand, vanaf een diepte van 490 meter. Daar is de temperatuur het hele jaar door tussen 10 en 25 graden Celsius, is de verwachting. 

Gemiddeld neemt de temperatuur in de ondergrond van Nederland toe met 30 graden per kilometer.

Winnen en leren

Technisch gezien brengt boren tot deze diepte de nodige uitdagingen met zich mee, vertelt projectleider Coen Leo, geoloog en oprichter van het bedrijf TEON dat hoge-temperatuurwarmtepompen levert. Bij dit project komen de doorgaans gescheiden werelden van de diepe boorders en ondiepe boorders samen. De boring is dan ook niet alleen bedoeld om energie te winnen, maar ook om van te leren.

De verwachting en hoop is dat in Eelde kan worden aangetoond dat van een diepte van bijna vijfhonderd meter warmte kan worden gewonnen met een gesloten-lussysteem, waarbij water door een buis omlaag en weer omhoog komt zonder zelf in contact te komen met de bodem. Tot nu toe is deze techniek vrijwel nooit voor diepten van meer dan 250 meter gebruikt.

Vijftig jaar warmte

Daarnaast willen de projectleiders laten zien dat deze methode per geboorde meter 30 tot 40 procent meer energie oplevert dan wanneer er meerdere ondiepere boringen worden gezet. ‘En dat voor tientallen jaren’, zegt Leo. ‘Als alles goed gaat, is deze villa straks minstens vijftig jaar van warmte voorzien.’

De totale afkoeling van de bodem die de warmteonttrekking in die tijd veroorzaakt, wordt op twee graden Celsius geschat. Daarmee wordt het systeem iets minder efficiënt, maar blijft het bruikbaar.

Dat de gekozen diepte bij dit project 490 meter is en geen vijfhonderd meter, is overigens geen toeval: alles wat in de ondergrond op een diepte van vijfhonderd meter of meer gebeurt, valt namelijk onder de Mijnbouwwet, en dat betekent extra regelgeving en meer benodigde vergunningen en veel zwaarder (en duurder) materieel. 

Warmtepomp

Een warmtepomp stookt geen brandstof op om iets op te warmen, maar verplaatst warmte van de ene plek naar de andere, zoals dat ook bij een koelkast gebeurt. 

In de TEON-warmtepomp die Villa Vosbergen gaat gebruiken, zit het koudemiddel iso-butaan, dat zeer efficiënt is en veel klimaatvriendelijker dan de meest gangbare koelvloeistoffen. Iso-butaan heeft een GWP (global warming potential, ofwel broeikasgaseffect) dat honderden malen lager is dan bij de koelmiddelen die tot nu toe het meest worden gebruikt.

De warmtepomp haalt de warmte uit de bodem naast het pand. Die bodemwarmte wordt straks door water in een gesloten-lus omhoog gehaald en via warmtewisselaars overgedragen.   

Museum Vosbergen ligt in het Drentse landgoed Vosbergen in Eelde-Paterswolde. Credits: Google Earth

Boortechniek

Op 15 juli rond 12 uur, het moment van de rondleiding langs de boring op landgoed De Vosbergen, zit deze op een diepte van ongeveer 350 meter. Nog diezelfde avond is de 490 meter bereikt, mailt Leo een dag later. Hierna zal de put worden afgewerkt met de bodemlus, en over enkele dagen begint de tweede boring op elf meter afstand.

Het zijn allebei spoelboringen – een gangbare techniek waarbij een stalen mantelbuis de grond in wordt gebracht door een serie boorpijpen met onderin een zogeheten beitel al draaiende de grond in te drijven.In de mantelbuis wordt vervolgens onder grote druk water gespoten. De losgespoelde grond (het boorgruis) komt daarop samen met het water onder hoge druk omhoog, waarna aan de oppervlakte de boorspoeling en het boorgruis door filters worden gescheiden. De boorspoeling wordt daarna opnieuw het boorgat in gepompt.

Uitdagingen

De uitdaging zit, zoals gezegd, in de grote diepte. ‘Tot 200 meter kun je zachte prut verwachten’, zegt geothermisch consultant John de Lange, adviseur bij TEON B.V. en afkomstig uit de olie- en gasindustrie. ‘Daarna wordt de grond harder en wordt het boren lastiger.’ De gebruikte boortoren, gebouwd door Conrad-Stanen, was in eerste instantie met zijn trekkracht van 150.000 newton en duwkracht van 60.000 newton geschikt voor boren tot 350 meter. Die is dus met wat aanpassingen versterkt.

Ook moest er, vanwege de hoge vloeistofdruk, een zwaardere pomp komen uit de olie- en gasindustrie en is de mudtank (voor de boorvloeistof) twee keer zo groot als gebruikelijk.

Daarnaast wordt het moeilijker én belangrijker dat de boring verticaal blijft en niet te veel gaat afwijken met de diepte, vertelt De Lange. Daarvoor is een slim systeem met een pendule bedacht, en laat men achteraf ter bevestiging een apparaatje in het gat zakken dat de afwijkingen van de verticaal kan meten.

De Lange: ’En dan zijn er ook nog de logistieke problemen, zoals de enorme hoeveelheid boorgruis die moet worden afgevoerd.’

Het lussensysteem

Als het gat klaar is, zal men de lus van HDPE (high density polyetheen, een extra harde variant van het gangbare polyetheen)  in het boorgat laten zakken en wordt de put in zijn geheel afgedicht met een klei-cementmengsel (‘grout’). Omdat grout een relatief hoog soortelijk gewicht heeft (ongeveer 1,3 kilogram per liter), hebben de lussen de neiging te gaan drijven. Ze worden daarom aan de onderkant verzwaard.

Naarmate de lussen dieper zakken, neemt de druk toe. De Lange: ‘En hoe dieper het boorgat, hoe hoger de druk onderin.’ Om te voorkomen dat ze dichtklappen, worden de lussen zelf bij het zakken onder hoge druk gezet, van in dit geval twintig bar.

‘En zo lopen we telkens tegen andere dingen aan’, zegt De Lange. ‘Boorbedrijf RED uit Amsterdam gaf er blijk van deze complexiteit te begrijpen, vandaar dat we met hen in zee zijn gegaan.’ 

Onderzoek

Intussen grijpen TNO en enkele partners, in het kader van het innovatieprogramma Geo4All, de kans om ter plekke onderzoek te doen. Zij verzamelen bodemmonsters, met afstanden van vijf meter diepte, om de ondergrond beter in kaart te kunnen brengen.

Daarnaast meten ze de temperatuur met glasvezelkabels die aan de buitenkant van de lussen zijn bevestigd. Dit gebeurt met DTS (distibuted temperature sensing), gebaseerd op het mechanisme dat de temperatuur de eigenschappen van de glasvezel beïnvloedt, en dat heeft weer effect op de voortplanting van laserlicht door de glasvezelkabel heen.

De lussen (zwarte opgerolde buizen) zijn voorzien van glasvezelkabels. Deze kabels, met ongeveer de dikte van een haar, zijn verpakt in een (rood) omhulsel om beschadigingen te voorkomen.

Meer inzicht

Uiteindelijk wil TNO zo de thermische eigenschappen van de ondergrond beter in beeld krijgen, vertelt projectmanager Maartje Koning van de afdeling toegepaste geowetenschappen van TNO. ‘Het onderzoek is erop gericht om meer inzicht te krijgen in de prestaties van diepe bodemenergiesystemen in verschillende ondergronden in Nederland. Daarnaast willen we uitzoeken of er interferentie plaatsvindt met andere bronnen of met de grondwaterstroming.’ Als dat zo is, kan het systeemontwerp er wellicht op worden aangepast. Koning: ‘De kennis die we opdoen in deze monitoringscampagne wordt verwerkt in een nieuw model, dat inzicht geeft in optimalisatie en beheersing van zo’n diep gesloten bodemenergiesysteem.’

Dat vergroot de kans op meer succesvolle boringen in de toekomst. Maar vooralsnog hopen alle betrokkenen vooral dat de put in De Vosbergen de verwachtingen kan waarmaken.

 

Foto's: De Ingenieur