Optimale ondergrondse inpassing van open bodemenergiesystemen

Auteur kennisbijdrage: Martin Bloemendal (TNO/TU Delft).

Om de klimaat– en energiedoelstellingen, meer duurzame energie en minder CO2-uitstoot, te halen, is grote opschaling van het gebruik van bodemenergie nodig. De ondergrondse potentie van bodemenergie wordt nog niet volledig benut, en vooral in binnenstedelijke gebieden is nog ondergrondse ruimte beschikbaar voor bodemenergie. De onderlinge afstand tussen bodemenergiebronnen wordt nog altijd conservatief te groot gehouden, waardoor de ondergrondse ruimte niet optimaal wordt benut en minder gebouwen toegang krijgen tot de technologie.

Resultaten van het onderzoek

In dit onderzoek is onderzocht wat de invloed is van het dichter bij elkaar plaatsen van de bronnen van bodemenergiesystemen op CO2-uitstoot en energiegebruik van de gehele warmte- en koudevoorziening van een aantal gebouwen; individueel en op gebiedsniveau. Er is gekwantificeerd binnen welke randvoorwaarden het gebruik van de bodem met OBES kan worden geïntensiveerd. Hiervoor is inzichtelijk gemaakt welke positieve en negatieve effecten het vergroten van de dichtheid van bodemenergiesystemen heeft, wat het totale energieverbruik en de CO2-uitstoot worden van de daaraan gekoppelde gebouwen, en wat optimale bronafstanden zijn. Dit biedt handvatten voor ontwerp, ordening en vergunningverlening.

De resultaten uit de simulatiestudie, bevestigen het beeld uit eerdere studies [1] [2]: Als de bronafstanden tussen bodemenergiesystemen kleiner worden, wordt hun individuele terugwinefficiëntie lager. Daar staat tegenover dat de totale CO2-emissie in het gebied afneemt, zie figuur 1. Dit geldt voor de onderlinge afstand tussen hetzelfde en tegenovergestelde type bronnen.

Figuur 1. Het effect van het dichter op elkaar plaatsen van bodemenergiesystemen op de terugwinefficiëntie van de bronnen en de totale CO2 uitstoot in een gebied. Terugwin efficiëntie = onttrokken energie/opgeslagen energie. Bij grote bronafstanden krijgen niet alle gebouwen OBES, en dus een gasketel.

Ten aanzien van de CO2 uitstootreductie ligt voor hetzelfde type bronnen de optimale waarde voor de afstand op circa een half tot één keer de thermische straal, terwijl voor een tegenovergesteld type bronnen dat twee keer de thermische straal is. Gemiddeld neemt de terugwinefficiëntie af als warme en koude bronnen dichter op elkaar worden geplaatst. Het nut van bodemenergiesystemen zit echter niet in een hoge terugwinefficiëntie uit de bodem, maar in het besparen van primair energiegebruik en verminderen van CO2 uitstoot ten opzichte van een scenario zonder bodemenergie. Het is voor de individuele eigenaar/gebruiker van een bodemenergiesysteem daarom ook van belang om in beeld te brengen hoe de prestatie van zijn systeem verandert als de bronnen van nabijgelegen gebouwen dichterbij worden geplaatst. 

In figuur 2 is voor zes gebouwen uit de simulaties de verandering van de uitstoot en het elektriciteit- en gasgebruik weergegeven, wanneer deze gebouwen worden geconfronteerd met buursystemen die dichterbij staan (verschil tussen scenario’s met grote en kleine bronafstanden).

Figuur 2. Het effect van verkleinen van de bronafstanden op energiegebruik en CO2-uitstoot van 6 gebouwen uit de simulaties. Deze 6 gebouwen zijn representatief voor de resultaten van alle 26 gebouwen, voor de overzichtelijkheid zijn ze niet alle 26 gepresenteerd. In het rapport zijn ze vanzelfsprekend wel allemaal weergegeven.

Uit figuur 2 blijkt dat voor het elektriciteitsgebruik van de individuele bodemenergiesystemen de verschillen over het algemeen erg klein en niet voor alle gebouwen hetzelfde zijn. Het totale energiegebruik van de individuele bodemenergiesystemen verandert beperkt, soms positief, soms negatief. De ene keer is het verbruik iets lager bij hoge dichtheid: het gebouw kan zelf meer bronnen plaatsen of ondervindt positieve interactie met de buren. De andere keer is het energiegebruik weer iets hoger: het gebouw ondervindt negatieve interactie met de buren. Bij het gasverbruik zijn de verschillen over het algemeen ook klein, hoewel de verschillen voor enkele gebouwen een stuk groter zijn, zoals hier bij gebouwen 3 en 4, waarbij de grotere dichtheid ervoor zorgde dat die gebouwen meer bronnen konden plaatsen. In het algemeen blijkt uit deze resultaten dat het verdichten een beperkt effect heeft op het energiegebruik van individuele systemen (ondanks een lagere terugwin-efficiëntie van de bronnen) en dat in veel gevallen het gasverbruik zelfs licht daalt. Dat de bodemenergiesystemen niet gevoelig zijn voor ondergrondse onderling interactie komt omdat het rendementsverlies efficiënt kan worden opgevangen.

Implementatie in beleid

Hoe kunnen de resultaten van deze studie worden toegepast in de praktijk? Onder de Omgevingswet is het mogelijk om hogere dichtheden van open bodemenergiesystemen toe te staan. Dit kan door in een Omgevingsplan of Omgevingsverordening op te nemen dat de afstand tussen bronnen van bodemenergiesystemen een bepaalde minimale en maximale waarde moeten hebben afhankelijk van het type bronnen. Daarnaast kunnen bestaande vergunningen worden aangepast als de vergunde volumes te verpompen grondwater structureel worden onderbenut, en kunnen er eisen worden gesteld aan het bronontwerp en het temperatuurverschil. 

Conclusies

De resultaten bevestigen de uitkomsten van eerder onderzoek: door kleinere afstanden tussen bronnen te hanteren, kunnen in het gebied meer bronnen worden geplaatst en kunnen daardoor meer gebouwen van bodemenergie worden voorzien, wat zorgt voor een vermindering van CO2-uitstoot.

Daarnaast is gebleken dat onderlinge interactie de individuele energieprestatie van bodemenergiesystemen beperkt beïnvloedt. Veranderingen in brontemperatuur werken niet één op één door in het energiegebruik van de klimaatinstallatie. Daardoor kunnen bronnen van open bodemenergiesystemen dichterbij elkaar worden geplaatst dan in de huidige praktijk het geval is.
Tot slot is vastgesteld wat de optimale onderlinge afstand tussen bronnen is. Dat komt neer op een half maal de thermische straal voor bronnen van hetzelfde type en tweemaal de thermische straal voor bronnen van het tegenovergestelde type.

[1] R. Duijff  (2019). Interaction between multiple ATES systems. MSc, Delft University of Technology
[2] M. Bloemendal, M. Jaxa-Rozen and T. Olsthoorn (2018). Methods for planning of ATES systems. Applied Energy 216: 534-557