Hoe haalbaar is geothermie uit diepere lagen via stoom en generatoren die 24/7 elektriciteit maken?

Antwoord

Beste Rob,

Hartelijk dank voor je vraag. Het energievraagstuk is een zeer actueel thema waar geothermie een bijzondere rol in kan spelen.

Geothermie is op zichzelf al een uitgebreid onderwerp. De verschillende productietechnologieën en toepassingen, en de integratie in een bestaande energievoorziening met oog voor verduurzaming maken het een complex verhaal. Ik beperkt me hier zo veel mogelijk tot de achtergrondinformatie die nodig is om tot een goed antwoord op jouw vraag te komen.

Laten we beginnen met het begrip geothermie even uit te leggen. Letterlijk betekent het “aardwarmte”, en dat is precies wat er gebruikt wordt. Indien we vanaf het aardoppervlak tot aan de kern zouden kunnen reizen, zouden we merken dat de temperatuur steeds stijgt, tot ongeveer 6000°C in de kern.

Deze warmte heeft twee belangrijke oorzaken. Bij de vorming van de aarde zijn kleinere brokstukken op elkaar gebotst en bij elkaar beginnen klonteren tot er een planeet is ontstaan. Door deze wrijving en compactie komt veel energie vrij. Daarnaast bevat onze aarde van nature ook beperkte hoeveelheden radioactief materiaal. In het grote volume van de gehele aarde veroorzaakt het radioactief verval een behoorlijke warmteproductie. Dichter bij het aardoppervlak heeft ook de straling van de zon een invloed op de temperatuur in de bodem.

De hoeveelheid energie die zich onder onze voeten bevindt is gigantisch, en wordt geschat op 3 * 10¹⁵ TWh. Ter vergelijking: dat is bijna twintigduizend miljard keer het jaarlijks energieverbruik van de hele wereld. Hiervan kunnen we dus gerust een klein deeltje gebruiken zonder bijzondere gevolgen. Maar op welke manier kunnen we nu deze energie uit de aardkorst halen? Het basisprincipe is simpel: de diepe ondergrond bestaat uit goed en minder goed doorlaatbare lagen gesteente, dat als een natte spons verzadigd is met water. Als je een gat kan boren dat diep genoeg gaat, kan je in een doorlaatbare laag het warme water direct oppompen, of in een niet-doorlaatbare laag zelf water circuleren om op te warmen. In sommige gevallen komt het warme water zelfs vanzelf naar de oppervlakte geborreld; dat zijn warmwaterbronnen.

Waar en hoe diep je moet boren om water met een geschikte temperatuur te vinden is zeer plaatsafhankelijk: de ondergrond of geologie is namelijk overal uniek. De doorlaatbaarheid van het reservoirgesteente is grotendeels bepalend voor het succes het geothermieproject. Om de meest geschikte gesteentelagen te vinden moet de ondergrond door middel van exploratie in kaart gebracht worden.

Op plekken waar de aardkorst dun is of er zich vulkanisme in de buurt bevindt, kan op beperkte diepte een hoge temperatuur gevonden worden. Kenia uit jouw voorbeeld bevindt zich in een gebied waar het Afrikaans continent stilaan in twee wordt gespleten door magma dat zich relatief dicht onder het aardoppervlak bevindt, waardoor al snel een hoge temperatuur wordt bereikt. In België is de aardkorst niet bijzonder dun, en vulkanen zijn er niet. Bij ons bedraagt de geothermische gradiënt, of de temperatuur waarmee de temperatuur met de diepte stijgt, ongeveer 30°C per kilometer. Met een gemiddelde temperatuur van 10°C aan het aardoppervlak zal het op 1 kilometer diepte dus een 40-tal graden zijn. In Kenia, en verschillende andere gebieden wereldwijd, bedraagt de geothermische gradiënt meer dan 200°C per kilometer.

Omdat het water uit de ondergrond vol opgeloste mineralen en gassen zit die schadelijk kunnen zijn voor de bovengrondse installaties, wordt met een warmtewisselaar de energie uit het opgepompte warme water uit het primaire of broncircuit verplaatst naar een secundair circuit.

De benodigde temperatuur is afhankelijk van de toepassing. Voor het verwarmen van gebouwen kan een temperatuur rond de 40-80 °C gebruikt worden. Indien de brontemperatuur te laag is voor direct gebruik, kan deze verhoogd worden met behulp van een warmtepomp. Industriële processen vereisen vaak een hogere temperatuur, waarvoor er dieper geboord moet worden. Om elektriciteit te produceren wordt gebruikgemaakt van een turbine die wordt aangedreven door stoom, net als in een steenkool-, gas- of kerncentrale. Deze turbine laat op zijn beurt een generator draaien, waarbij er elektriciteit wordt geproduceerd. Om het stoom te maken heb je een temperatuur nodig van meer dan 100°C. Er worden ook nieuwe technologieën ontwikkeld met in plaats van water een vloeistof met een lager kookpunt, waardoor een lagere temperatuur kan gebruikt worden.

Het is ook belangrijk om te kijken naar de nuttige energie die het opgepompte grondwater bevat. Indien de minimumtemperatuur voor een toepassing 100°C is, bevat water van 101°C slechts weinig energie die nuttig gebruikt kan worden voor het afgekoeld is tot onder deze grens. Daarom moet steeds een voldoende hoge temperatuur gebruikt worden, dat in grote volumes kan opgepompt worden. Voor economisch haalbare elektriciteitsproductie spreken we al snel over een brontemperatuur van 150 °C en meer.

In België moet je meer dan 4 km diep boren om zulke temperaturen te vinden. Dit is technisch moeilijk en kost behoorlijk wat. Omdat de energieconsumptie in België voor een groot deel uit warmte bestaat, blijkt het vaak nuttiger om alle energie direct en zonder verdere verliezen voor warmteproductie te gebruiken. In België zijn er momenteel slechts enkele zulke installaties, maar er is grote interesse om er meer te bouwen.

Hierbij komt dus een antwoord op het eerste deel van je vraag: elektriciteitsproductie met geothermie is zeker mogelijk, maar dit is voornamelijk afhankelijk van de opbouw van de ondergrond. In België is de geologie meer geschikt om de warmte direct voor verwarming te gebruiken, hoewel nieuwe technieken in de toekomst andere mogelijkheden kunnen openen.

Aan de Belgische Geologische Dienst, deel van het Instituut voor Natuurwetenschappen in Brussel, doen we onderzoek naar het geothermisch potentieel in België. Dit houdt in dat we in kaart proberen brengen waar in de ondergrond de omstandigheden het best zijn, via exploratie en labotesten, maar we kijken eveneens naar de technische en economische haalbaarheid, en hoe deze technologie past binnen een duurzaam beheer van de ondergrond.

Om verder te gaan naar het tweede deel van je vraag: een groot voordeel van geothermie, zeker ten opzichte van andere milieuvriendelijke energiebronnen, is de continue beschikbaarheid. Omdat de warmte steeds beschikbaar is kan er bijna altijd energie geproduceerd worden. In periodes van lage energievraag kan deze geothermische energie omgezet worden voor opslag om later te gebruiken.

Vandaag wordt vooral het koolstofarme waterstof naar voor geschoven als energiedrager van de toekomst. De productie van waterstof met elektriciteit, ofwel elektrolyse, heeft een efficiëntie tot 80%, lang niet slecht. Technisch is het dus zeker mogelijk om de overtollige geothermische energie tijdelijk om te zetten naar waterstof. In de praktijk zal voor zo’n systeem bij voorkeur directe elektriciteitsproductie gebruikt worden, zoals met zonnepanelen, om zo weinig mogelijk energie te verliezen met een extra omzetting.

Maar opnieuw is de economische haalbaarheid afhankelijk van de ondergrondse warmtebron en de toepassing van de energie. Warmte-energie zelf kan eveneens opnieuw in de ondergrond opgeslagen worden: het warme water kan in doorlatende gesteentelagen gepompt worden om later terug te produceren. Zoals gezegd is zeker de integratie van verschillende energieproductie- en opslagmethodes een complex vraagstuk. Ik hoop dat mijn antwoord toch een beetje duidelijkheid heeft gebracht. In elk geval kan geothermie zeker een belangrijke rol spelen in de transitie naar een duurzamere energievoorziening.

Dr. Kris Welkenhuysen

Geoloog

Belgische Geologische Dienst

Instituut voor
Natuurwetenschappen