Geothermie of bodemenergie: wat is het verschil?

 

Verschillende organisaties zullen onze aardbodem verschillend indelen m.b.t. de grondlagen.
Voor bodemenergie is in Nederland de volgende definitie bepaald:

 

 

Tot een diepte van 500 meter praten we, als we uit de bodem warmte of koude winnen, over bodemenergie.  Overigens blijft deze vorm van energiewinning in de praktijk veelal beperkt tot ca. 200 meter diepte.

 

Dieper dan 500 meter spreken we over geothermie. 
Verdeeld in ondiepe geothermie tussen 500 en 1500 meter diep (soms gebruikt om energie te winnen voor de ‘kassenbouw’)

En vanaf 1500 meter praten we over diepe geothermie.
Geothermie (dus vanaf 500 meter diep) valt in Nederland onder de ‘Mijnbouwwet’.

 

Soorten bodemenergie:

Open bron waarbij gebruik wordt gemaakt van grondwater; grondwater wordt omhoog gepompt, uit dit water wordt energie onttrokken of toegevoegd (tijdens koelen) en terug in de bodem gebracht.
Gesloten bron. Hierbij wordt geen grondwater verpompt. In de bodem worden buizen aangebracht waardoor water (al dan niet met glycoltoevoeging) wordt rondgepompt zonder dat het met bodemwater wordt vermengd. Energie wordt onttrokken of toegevoegd aan de omliggende bodemlagen.

Het grote voordeel van bodemenergie ten opzichte van bijvoorbeeld energie uit de buitenlucht is dat de temperatuur bij bodemenergie constanter is.

Het temperatuurbereik van een gesloten systeem ligt tussen de -5°C en +30°C
Het temperatuurbereik van een open-bronsysteem ligt tussen de +5°C en +25°C

Het injecteren (terugbrengen van het bronwater) in de bodem mag, binnen de wet bodemenergie, liggen tussen -3°C en +30°C. Daaronder of daarboven is verboden.

De ‘ongestoorde’ bodemtemperatuur (tussen de 2 en 200 meter diepte) ligt in Nederland ongeveer tussen de 8 °C en 14 °C (met ongestoord bedoelen we: zonder dat er gebruik wordt gemaakt van bodemenergie).   Vaak zien we dat de temperatuur in stedelijke gebieden iets hoger ligt dan op het platteland. De warmte-uitstraling van een stad trekt dus ook wat de bodem in.

De warmtegeleidingscoëfficiënt van de Nederlandse bodem ligt ergens tussen de 1,5 W/mK (klei) en 2,5 W/mK (zand).
De warmtecapaciteit ligt normaal ergens tussen de 2,0 en 2,5 MJ/m³/K

 

Rendement COP

 

Het rendement van een warmtepomp uitgedrukt in COP:
Afgegeven energie : toegevoegde energie = rendement

 

SPF, Seasonal Performance Factor

Dit is het uitgemiddelde COP (rendement) over het hele seizoen (een jaar) gezien.

In het energielabeldocument van een nieuwe warmtepomp treft u ook een SPF aan. Dat is een middels statistisch gemiddeld stookgedrag vastgesteld beredeneerd jaarrendement. De berekeningsmethode hiervan is wettelijk vastgesteld en voor elke fabrikant gelijk. Deze berekening wordt gedaan door daarvoor erkende instellingen als bijvoorbeeld TNO.

Rendement volgens de AMvR (Algemene Maatregel van Bestuur)

Bij het aanvragen van een vergunning voor bodemenergie dient ook een SPF te worden opgegeven. Het betreft hier een reële verwachting van het totaalrendement van het bodemenergiesysteem, welke door de vergunningaanvrager dient te worden opgegeven.

Ook wel de SPF BES genoemd.

De formule hiervoor is:

SPF bes = (Q w-bes + Q k-bes) : E bes

Waarbij:

SPF bes = SPF (Seizoensprestatiefactor) Bodem Energie Systeem
Q w-bes = Totale hoeveelheid nuttig geleverde warmte (MWh)
Q k-bes = Totale hoeveelheid nuttig geleverde koude (MWh)
E bes = Totale hoeveelheid verbruikte hulpenergie

 

Een voorbeeldberekening:

 

Gegeven / bekend:

Warmtepomp in een woning, condensorvermogen 5 kW
Vollasturen per jaar voor verwarming: 1800
Vollasturen voor tapwater 500
Vermogen passieve koeling 3 kW
Vollasturen passieve koeling 600
Vermogen van de bronpomp is 0,1 kW
COP B0/W35 = 4,4 (verwarming / zonder bronpomp)
COP B0/W55 = 2,7 (kraanwater / zonder bronpomp)
 

Beredeneerd / berekend:

SPF alleen voor verwarming is:
Afgegeven aan verwarming = 1800 uur x 5 kW = 9000 kWh
Als de COP voor verwarmen 4,4 is en we 5 kW afgeven, is het toegevoegd vermogen
5 : 4,4 = 1,136 kW
Tellen we daar de bronpomp bij op van 0,1 kW, dan krijgen we 1,236 kW

Verbruikt voor verwarming is dus 1800 uur x 1,236 kWh = 2224,8 kWh
Het SPF voor verwarming alleen is dan:
9000 kWh afgegeven: 2224,9 toegevoegd = 4,045!

SPF alleen voor tapwater is:
Afgegeven aan tapwater = 500 uur x 5 kW = 2500 kWh
Als het COP voor tapwater 2,7 is en we 5 kW afgeven, is toegevoegd vermogen
5 : 2,7 = 1,85 kW
Tellen we daar de bronpomp bij op van 0,1 kW, dan krijgen we 1,95 kW

Verbruikt voor tapwater is dus 500 uur x 1,95 kWh = 975 kWh
Het SPF voor tapwater alleen is dan:
2500 kWh afgegeven: 975 kWh toegevoegd = 2,56!

Het SPF voor tapwater + verwarmen wordt:
Totaal afgegeven energie = 9000 kWh + 2500 kWh = 11.500 kWh
Totaal verbruikte energie = 2224,8 kWh + 975 kWh = 3199,8 kWh
Het SPF voor tapwater + verwarmen wordt:
11.500 kWh : 3199,8 kWh = 3,59!

SPF Passief koelen:
Totaal afgegeven energie = 600 uur x 3 kW = 1800 kWh
Totaal verbruikte energie voor koelen is (omdat het passief is, hebben we geen compressorvermogen, maar alleen de bronpomp die draait)
600 uur x 0,1 kW = 60 kWh verbruikt voor passief koelen
Het SPF voor alleen passief koelen wordt:
1800 kWh afgegeven energie : 60 kWh gebruikt = 30!

 

SPF-_BES Rendement Bodem Energie Systeem:

Tot slot berekenen we de zogenaamde SPF-bes (het rendement van het bodemenergiesysteem
SPF bes = (Q w-bes + Q k-bes) : E bes

SPF-bes = (11.500 kWh (geleverde totale warmte) + 1800 kWh (geleverde koude)  )
delen door: (3199,8 kWh (verbruikt totaal warmte) + 60 kWh (verbruikt totaal koude))

Dit wordt dus (11500+1800) : (3199,8+60)  =
13.300 : 3259,8 =
SPF-bes van deze voorbeeldinstallatie = 4,08!
 

Wat heeft de bron ons hier ‘gratis’ geleverd aan energie?

Voor verwarming en tapwater samen is geleverd 11.500 kWh
Voor verwarming en tapwater is gebruik uit het net 3199,8 kWh
MAAR PAS OP, WANT NU MOETEN WE DE BRONPOMPENERGIE NIET MEETELLEN!
dus hier gaat (1800 uur + 500 uur) x 0,1 kW = 230 kWh af.
Toegevoegd door compressor is 3199,8 kWh – 230 kWh = 2969,8 kWh
Uit de bron is dus ‘gratis’ gekomen voor verwarmen en tapwater:
11.500 kWh afgegeven – 2969,8 kWh toegevoegd, maakt 8530,2 kWh energie uit de bron.

Voor koelen is rechtstreeks uit de bron gekomen 600 uur x 3 kW = 1800 kWh
Als we die erbij optellen, is er 8530,2 kWh + 1800 kWh = 10.330 kWh ‘gratis’ uit de bron gekomen.

Vraag: Wat is de jaarlijkse energiebesparing in geld van bovenstaande installatie ten opzichte van een koelmachine en een cv-ketel?

Het rendement van de cv-ketel wordt gesteld op 0,9, wat gelijk is aan netto 8,8 kWh uit 1 m³ gas.
Het rendement van de koelmachine wordt gesteld op 4,0
De gasprijs op € 0,65 en de elektraprijs op € 0,20

Als we uitgaan van de warmtepompinstallatie zoals bovengenoemd, was ons totaal berekend energieverbruik dus (3199,8 kWh warmte + 60 kWh koelen) = 3259,8 kWh uit het net.
Dit kost ons 3259,8 kWh x € 0,20 = € 651,96 (per jaar)

De kosten met een cv-ketel en koelmachine:
We moeten nu kijken naar de totaal benodigde afgegeven energie voor verwarmen en tapwater; dat is 11.500 kWh. In één m³ gas zit 8,8 kWh netto aan energie; we hebben dus 11.500 kWh: 8,8 kWh = 1306,8 m³ gas nodig voor verwarmen, x € 0,65 = € 849 voor warmte

Geleverd aan koude is 1800 kWh. Als we dit met een koelmachine doen (airco-achtig toestel) met een rendement van 4 (400%), is uit het net nodig 1800 kWh: 4 = 450 kWh elektra x € 0,20 = €90,-
Totaal energiekosten per jaar met cv-ketel en koelmachine zijn dus € 849 + € 90 = € 939,42

De besparing per jaar met een warmtepomp t.o.v. ketel/koelmachine is in dit voorbeeld dus:
€939,42 – € 651,96 = € 287,46.

 

Besparing in CO2-uitstoot:

1 kWh grijze stroom geeft een CO2-emissie van 0,649 kg/kWh
1 m³ Gronings aardgas geeft een CO₂-emissie van 1,890 kg/m³

Met de warmtepompinstallatie is de uitstoot 3259,8 kWh x 0,649 kg/kWh = 2115 kg (afgerond 2,1 ton) per jaar

Met de ketel en koelmachine is de uitstoot
1306,8 m³ gas x 1,89 kg/m³ = 2469 kg (afgerond 2,5 ton)
+ 450 kWh x 0,649 kg/kWh = 292 kg (afgerond 0,29 ton)

Besparing aan CO₂-emissie per jaar in dit voorbeeld = (2,5 ton + 0,29 ton) – 2,1 ton = 0,69 ton!

(Stel dat de stroom opgewekt wordt door windenergie, dan is het verschil t.o.v. aardgas hier 2,5 ton!)

---

Open-bronvoorbeeld met warme en koude opslag:

Een open systeem maakt gebruik van grondwater. Grondwater wordt omhoog gepompt, gebruikt als bron van warmte of koude en vervolgens weer in de bodem teruggebracht. Tussen het grondwater en het gebouwsysteem is een warmtewisselaar (TSA) geplaatst waarmee het grondwater- en gebouwcircuit gescheiden zijn. De onttrekkings- en injectie kunnen seizoensmatig gewisseld worden; er ontstaat dan een ‘warme’ en ‘koude’ bron en er is sprake van een opslagsysteem. (WKO) De temperatuur van een open bron ligt tussen de +5°C en +25°C.  Een dergelijke bron moet in balans zijn; er moet dus net zoveel energie als is gehaald worden teruggebracht. Soms staat de vergunning toe dat iets meer koude wordt geladen in de bron dan warmte is ontladen. Andersom mag niet; de aarde zou dan immers verder opgewarmd worden, wat eventuele bacteriën in de bodem kan activeren.

(PS: Een gesloten bron kan variëren van -3°C tot +25°C. De bron mag nooit lager met koude worden geladen dan -3°C (brine uit de warmtepomp).

 

Enige begrippen m.b.t. een bodembron:

 

Onttrekking en afpomping

Bij het onttrekken van grondwater uit een bron daalt de waterstand in de bron. Hoe groter de onttrekking, hoe groter de daling van de waterstand. De daling van de waterstand in de bron ten opzichte van het rustniveau wordt ‘afpompen’ genoemd. (Zie bovenstaande figuur). Een bron kan een grotere onttrekking realiseren door de waterstand in de bron verder te verlagen, dus een grotere afpomping te realiseren.

Onttrekkingscapaciteit uitgedrukt in m³/h (kubieke meter per uur). Bij het bepalen van de maximale capaciteit van de bron wordt gekeken naar de waterstanddaling in het pomphuis.

 

Specifiek debiet

In de brontechniek gebruikt men ook de term ‘specifiek debiet’.  Het specifiek debiet is de hoeveelheid water in m³/h die uit een bron gehaald kan worden, waarbij het waterstandniveau in de bron 1 meter daalt.  Dit wordt uitgedrukt in m³/h/m (kubieke meter per uur per meter)

 

De grootte van ‘de bel’ in de bodem:

We hebben dan te maken met verticale verbreiding (hoogte) en de straal van de bel (breedte)
We onderscheiden de hydraulische straal en de thermische straal.

De Nederlandse bodem bestaat voor ongeveer 1/3 uit grondwater en 2/3 uit een bodemmatrix (zand, klei, veen, bijvoorbeeld)  Het grondwater is makkelijker op te warmen dan de bodemmatrix. Het geïnfiltreerde (geïnjecteerde) water bereikt een bepaalde oppervlakte (de hydraulische straal) en de opgewarmde bodemmatrix noemen we de thermische straal.

Middels formules zijn bovenstaande stralen te berekenen, maar dit kunt u beter overlaten aan de 'boormeester'.

Voor de afstand tussen de 2 bronnen (haal en breng) wordt gekeken naar de genoemde hydraulische straal en de thermische straal: De bronafstand moet groter dan 3 x de thermische straal zijn of groter dan 2,25 x de hydraulische straal.

---

Jaarbelasting duurkromme

Elders op onze website leest u dat bodemwarmtepompen in woningen meestal op 80% van het benodigde piekvermogen (bij -10°C) worden ingezet. Daarmee dekken ze ca. 97% van de benodigde jaarlijkse energie vraag.

Bij open bronnen bij grote gebouwen zet men met de warmtepompen vaak (ISSO-norm) in op 30% van het benodigde (piek)vermogen. Dit om te voorkomen dat de open-source-installatie en benodigde pompen veel te groot (lees: te duur) gaan worden.  Bij open bronnen maakt men vaak een bivalente installatie samen met een ketel. De ketel komt alleen in het koude seizoen bij om te helpen. De warmtepompinstallatie dekt met deze 30% nog altijd (bijvoorbeeld) 88% van de totale jaarlijkse energievraag van het gebouw.

 

In bovenstaande jaarbelastingduurkromme van een voorbeeldjaar zijn oranje en groen samen de totale jaarenergievraag; het groene gedeelte wordt verzorgd door de warmtepomp en het oranje door de ketel.