Sinds 2018 bestudeert het Europese onderzoeksprogramma HEATSTORE verschillende mogelijkheden om warmte uit duurzame warmtebronnen of industriële restwarmte in de ondergrond op te slaan. Dit gebeurt door de ontwikkeling van demonstratieprojecten in België, Duitsland, Frankrijk, Nederland en Zwitserland. Op lange termijn moet het periodieke opslaan en produceren van warmte uit de ondergrond bijdragen aan de energietransitie en het inrichten van duurzame energiesystemen in Europa. In dit artikel nemen we een kijkje in de gereedschapsdoos van HEATSTORE en lichten we het Nederlandse demonstratieproject eruit.

Door: Holger Cremer

Waarom ondergrondse warmteopslag?

Een groot deel van het (productie)potentieel voor geothermie, zonthermie en industriële restwarmte wordt niet gebruikt. Terwijl warmteopslagtechnologieën een kansrijke methode kunnen bieden om zomerse warmteoverschotten te benutten door deze in de ondergrond op te slaan en tijdens de winter, als er normaliter veel vraag naar warmte is, te gebruiken. Bij opslag van water met een temperatuur hoger dan ca. 60 °C is er sprake van Hoge Temperatuur Opslag (HTO). Op dit moment wordt er in een aantal internationale en nationale programma’s de nodige kennis op het gebied van HTO ontwikkeld en bovendien praktische ervaringen opgedaan in een aantal Europese demonstratieprojecten, waaronder ook in Nederland.

Europees onderzoekscollectief

Het GEOTHERMICA ERA NET Cofund project HEATSTORE is in 2018 gestart met 23 partners uit 9 Europese landen om kansen en belemmeringen van verschillende warmteopslagtechnologieën te onderzoeken. Het onderzoek wordt langs drie lijnen uitgevoerd, waarbij ervaringen van bestaande HTO systemen een belangrijke basis zijn: design, demonstratie en replicatie & opschaling.

Designfase

In de designfase wordt vooral gekeken naar ondergrondkarakteristieken, worden zogenaamde pre-drilling scenario’s ontworpen en wordt de performance van het beoogde HTO systeem gemodelleerd. Proefboringen zijn in deze fase erg belangrijk voor het karakteriseren van de ondergrond. Ook wordt er goed gekeken hoe het HTO systeem het best kan worden aangesloten op het lokale warmtenet. Resultaten uit de eerste fase worden toegepast in een gedetailleerd specifiek design van geselecteerde demonstratieprojecten. Deze proof-of-concept projecten worden door een uitgebreid monitoringprogramma begeleid en de bevindingen hieruit worden gebruikt om de eerder ontwikkelde designconcepten en modellen te valideren.

Replica & opschalingsfase

In de replicatie & opschalingsfase wordt vervolgens gekeken hoe HTO in verbinding met warmtenetten tot een in Europa breed toegepaste technologie doorontwikkeld kan worden. Hierbij spelen wettelijke en regelgevende randvoorwaarden en sociaal-maatschappelijke factoren uiteraard ook een belangrijke rol. Et resultaat wordt een roadmap met duidelijke strategievoorstellen om HTO op korte en lange termijn op Europese schaal een substantieel bijdrage aan de energietransitie te laten leveren.

Schematische weergave van de onderzoeksfasen van het HEATSTORE project

Innovatieve opslagtechnologieën

HEATSTORE onderzoekt verschillende technologieën van ondergrondse warmteopslag. In Nederland en Zwitserland wordt gekeken naar HT-ATES (High Temperature-Aquifer Thermal Energy Storage), in Duitsland naar MTES (Mine Thermal Energy Storage) en in Denemarken en Frankrijk naar PTES en BTES (Pit en Borehole Thermal Energy Storage). In een Belgische studie wordt gewerkt aan een zogenaamde district heating (DH) netwerk controller die voor een optimale balans van productie en vraag van warmte in het netwerk zorgt.

Warmteopslag in de businesscase

Naast de technische haalbaarheid van de genoemde projecten wordt vooral de businesscase gedetailleerd onder de loep genomen – zonder economische haalbaarheid en rendabiliteit zal warmteopslag namelijk niet als een belangrijk element van de energietransitie geïmplementeerd kunnen worden. De hele keten in een warmteopslagsysteem van de warmteproductie in de bron via de distributie van de warmte met geschikte warmtenetten tot het warmteverbruik door de eindgebruiker wordt belicht.

HT-ATES project in Nederland

In de laatste 30 jaar zijn er in Nederland een goede handvol MT-ATES en HT-ATES projecten gerealiseerd (zie samenvatting in dit rapport). Bij deze projecten lag de opslagtemperatuur meestal duidelijk onder de 90°C en waren de opslagdieptes meestal duidelijk ondieper dan 300 m. Voor het eerst wordt in Nederland in het kader van HEATSTORE door ECW Energy in samenwerking met IF Technology, TNO en KWR een hoge temperatuur ATES systeem op >300 m ondergrondse diepte gerealiseerd.

Schematische weergave van een HT-ATES systeem (Bron: IF Technology, 2017, Rapport hoge temperatuur opslag Agriport in Middenmeer – effectenstudie open bodemenergiesysteem)

De warmtebronnen voor de HT-ATES zijn drie geothermie-doubletten op ca. 2 km diepte die water van ca. 92°C produceren. Het HT-ATES systeem bestaat uit twee putten (een doublet) die in de zomer het warmteoverschot uit de drie geothermische bronnen in een watervoerende laag op ongeveer 360-380 m diepte opslaan. De beoogde injectietemperatuur is 85°C in de zomer. Pieken in de warmtevraag tijdens de winter worden vervolgens deels door het opslagsysteem geleverd. ECW levert de gehele warmte uit de opslag aan één glastuinder in het industriegebied Agriport A7.

Er wordt uitgegaan van een debiet van 150 m³ uur en een per seizoen te verpompen hoeveelheid water van ca. 350.000 m³. Het HTO systeem levert in de winter ca. 20.000 MW_th warmte terwijl in de zomer ca. 27.000 MW_th wordt opgeslagen. De invoer van de warmte in het lokale warmtenet wordt door optimalisatie-applicaties CHESS en HEATMATCHER bestudeerd. Door de HTO kan er jaarlijks geschat ca. 2 miljoen Nm³ aardgas minder verbruikt worden voor de verwarming van kassen.

De proefboring (de huidige monitoringput) werd in 2019 afgerond en in 2020 volgden de koude en warme put. Op dit moment worden de bovengrondse installaties gerealiseerd en getest. Als alles volgens plan loopt kan in het tweede kwartaal van 2021 de eerste laadcyclus starten. Vanaf dat moment zal er uitgebreid gemonitord worden om de werking van het HTO systeem en de effecten op de bodem in kaart te brengen. Na afronding van HEATSTORE in het najaar 2021 wordt de monitoring voortgezet in het kader van het WarmingUP programma WINDOW.

Toekomstperspectief

Hoewel HEATSTORE nog niet helemaal afgerond is, tonen de gerealiseerde demonstratieprojecten duidelijk de technische, economische en maatschappelijke kansen en uitdagingen van warmteopslag aan. Het is aan de politiek om het energiebeleid en economische randvoorwaarden zo op te zetten dat er ontwikkelingskansen voor grootschalige warmteopslag geboden worden – alleen zo kan warmteopslag ook een betaalbare en maatschappelijk geaccepteerde technologie worden en op lange termijn een belangrijke schakel in de energietransitie.

Meer informatie en contact
De HEATSTORE website biedt naast algemene informatie over het project ook detailinformatie over de demonstratieprojecten en talrijke rapporten.

Coördinator HEATSTORE
Holger Cremer: holger.cremer@tno.nl

Coördinator HEATSTORE -NL
Joris Koornneef: joris.koornneef@tno.nl