Geothermie vanuit geologisch perspectief

Zonne- en windenergie zijn dagelijks in het nieuws. Hun aandeel in de energiemix groeit snel. Maar waarom horen we zo weinig over geothermie? Geothermie is groen, schoon, regelbaar en veilig. Het kan op veel locaties worden gerealiseerd. En de warmtevraag neemt maar liefst 40% van de totale Nederlandse energievraag voor haar rekening.

Waar warmtepompen, en dat kunnen behalve luchtwarmtepompen ook meer efficiënte bodemwarmtepompen zijn, wél veel worden geïnstalleerd, met alle consequenties voor winterse netcongestie van dien, blijft diepe geothermie achter. Waarom? En wat moet er gebeuren om deze diepe (1 tot 4 kilometer diep) geothermie een boost te geven? Wij bekijken het hier vanuit een geologisch perspectief.

Het recente track record in Nederland

Geothermie bestaat al heel lang. Romeinse thermen maakten tot in Engeland toe gebruik van warm water uit de ondergrond. Stoom uit de ondergrond wordt in landen als Italië al meer dan honderd jaar gebruikt in de elektriciteitsvoorziening. In en rond Parijs zorgen meer dan vijftig warmtenetten al ruim vijftig jaar voor de verwarming van 250.000 huishoudens. Geothermie is er een belangrijke warmtebron.

Net als het bekken van Parijs, heeft Nederland, in tegenstelling tot vulkanisch actieve gebieden zoals IJsland, geen bijzonder warme ondergrond. Toch heeft Nederland een aantal grote voordelen wat geothermie betreft. Zo heeft men hier dankzij de gaswinning een bijzonder goede kennis van de ondergrond. De ongeveer 3.500 onshore putten en heel veel seismische data stelden TNO in staat om al rond 2010 een aantal studies te publiceren waarin reservoirs met hun porositeit, permeabiliteit, diktes en temperaturen werden beschreven, alsmede de technische en commerciële potentie voor diepe geothermie. Een fantastische basis voor de aardwarmtesector!

In deze pioniersjaren boorden glastuinbouwers in het Westland – zij zijn immers grootgebruikers van gas en zitten op een van de beste plekken in Nederland voor aardwarmte – de eerste geothermische doubletten (een doublet bestaat uit een producerende en een injecterende put).

Daarna volgde helaas een zekere mate van stagnatie. Er werden vooral veel beleidsplannen gesmeed. In 2018 formuleerde EBN een Warmteplan met de volgende ambities voor geothermie: een groei van 3 PJ naar 50 PJ in 2030 en naar 200 PJ in 2050.

Aardwarmte werd op vele manieren gefaciliteerd. EBN bouwde een grote geothermie-afdeling, ruim gefinancierd door het ministerie van Economische Zaken, en mag nu voor 20% participeren in alle geothermie projecten in Nederland. Exploitanten kunnen hun geologisch risico verzekeren via de regeling Risico’s dekken voor aardwarmte (RNES) en de potentieel onrendabele top is grotendeels weg-gesubsidieerd via de SDE-programma’s. Het Staatstoezicht op de Mijnen verschafte duidelijkheid met zijn Staat van de sector Geothermie en heeft één geothermieproject op non-actief gezet omdat het seismisch risico niet afdoende gemitigeerd kon worden (er werd nabij de actieve Tegelen-breuk in Limburg water geïnjecteerd).

Bovendien worden er nóg meer ondergrond-data verzameld. Het meest omvattende onderzoeksproject is het SCAN-project van EBN en TNO. Dit bestaat uit 1.857 kilometer nieuwe seismische lijnen, 7.500 kilometer reprocessing van bestaande seismiek en het boren van maximaal tien research putten, waarvan de eerste twee nu klaar zijn. Het SCAN-project beoogt de zogenoemde “witte vlekken” in kaart te brengen.

Waar staat Nederland?

Nu, in 2024, halverwege de eerste Warmteplan-periode tot 2030, kan een tussentijdse balans worden opgemaakt. Het aantal doubletten is weliswaar gestegen tot 39 (op 27 locaties) en in 2023 werd er in totaal 6,8 PJ aan energie geproduceerd (nog steeds hoofdzakelijk gerealiseerd in de glastuinbouw), maar de ambities waren veel hoger. Uitgaande van een lineaire interpolatie tussen 2018 en 2030 zou men 26 PJ uit ongeveer 90 doubletten mogen verwachten.

De doelstellingen worden dan ook naar beneden bijgesteld. Al in 2022 bood de brancheorganisatie Geothermie Nederland aan het toenmalige ministerie van Economische Zaken en Klimaat een nieuw plan aan waarin naar een verviervoudiging van aardwarmte in 2030 gestreefd werd (dus niet 50 maar 25 PJ in 2030). Vervolgens, op 25 april 2024, schreef toenmalig staatssecretaris Hans Vijlbrief (Mijnbouw) in antwoord op vragen uit de Eerste Kamer dat het huidige doel is om in 2030 15 PJ aardwarmte te realiseren.

De lage ambitie van de staatssecretaris mag dan, gezien de recente track record van geothermie, begrijpelijk zijn; het ligt wel ver onder het potentieel dat geothermie in Nederland heeft. In een relatief koud en dichtbevolkt land als Nederland, dat grote sedimentaire bekkens heeft met poreuze reservoirs en met een enorme dichtheid aan bestaande en publiekelijk beschikbare seismische data en putgegevens, zou geothermie toch een meer significante rol in een gediversifieerd energiesysteem moeten en kunnen spelen.

Er zitten ongeveer honderd aardwarmte-projecten in de pijplijn, daar ontbreekt het dus niet aan. De stagnatie treedt vooral op waar doorgroei naar geothermische warmte voor de gebouwde omgeving (middels warmtenetten) zou moeten plaatsvinden. Warmtenetten hebben in Nederland nooit een grote rol gespeeld en recente pogingen om hierin verandering te brengen, liepen voor energiebedrijven financieel slecht af.

Ongeveer 5% van de Nederlandse huishoudens is aangesloten op een warmtenet. In Duitsland en Denemarken is dat respectievelijk 14% en 63%. De prijszetting van warmte is in Nederland gekoppeld aan de gasprijs zodat private partijen, die ook nog eens in een minderheidsbelang-positie verzeild dreigen te raken, vrezen geen controle te hebben over die prijszetting. Zodoende worden hoge upfront investeringen wel erg riskant.

Het is urgent dat de Tweede Kamer zich nu uitspreekt over de Wet collectieve warmte, die de ontwikkeling van nieuwe warmtenetten poogt te vergemakkelijken. Ook een recent rapport in opdracht van Invest-NL, uitgevoerd door Well Engineering Partners (WEP) en de European Geothermal Energy Council (EGEC), geeft technische, financiële en maatschappelijke aanbevelingen om de ontwikkeling van warmtenetten uit het slop te trekken.

Voor ondiepe systemen, die dus niet afhankelijk zijn van een warmtenet, is er namelijk wel een gestage groei. Dit soort kleinere systemen (veelal een enkel gesloten systeem op een diepte van minder dan 200 meter) levert via een warmtepomp warmte, en ’s zomers (passieve) koeling aan een enkele woning of onderneming. Of, getalsmatig vrij bescheiden, aan een verzameling gebouwen zoals flats en kantoortorens. Het niet hoeven op te zetten van een omvangrijk warmtenet betekent dat deze projecten veel makkelijker van de grond komen. Zij geven een huishouden of bedrijf de mogelijkheid snel bij te dragen aan de energietransitie. Deze ondiepe systemen leveren nu een vergelijkbare hoeveelheid warmte als de diepe systemen – en op de korte termijn lijken de vooruitzichten voor groei beter.

Terug naar de geologie

Wij benadrukken hier twee wetmatigheden die van toepassing zijn op geothermie. De eerste is dat temperatuur ongeveer lineair toeneemt met diepte, maar dat boorkosten exponentieel toenemen, terwijl permeabiliteit (dat de hoeveelheid geproduceerd warm water bepaalt) juist exponentieel afneemt met diepte. Voor Nederland ligt de sweet spot van diepe geothermie op ongeveer 2 tot 3 km diepte. Diep genoeg voor een relatief hoge temperatuur; niet zo diep dat de permeabiliteit te laag is en de boorkosten te hoog zouden zijn.

Deze wetmatigheid bepaalt dat Ultra-Diepe Geothermie (UDG; dieper dan 4 kilometer) zeer moeilijk is. Aangezien temperatuur grofweg lineair met de diepte toeneemt en er voor veel industriële toepassingen een hoge-temperatuur (>125ºC) nodig is, moet er voor de industrie dieper dan 4.000 meter geboord worden. Onder regie van EBN werden zeven Ultra-Diepe-Geothermie consortia opgetuigd. Geologen benadrukten de risico’s van deze UDG-zoektocht. De exponentiële afname van permeabiliteit en de exponentiële toename van boorkosten leiden tot respectievelijk zeer weinig warmte en zeer hoge kosten. TNO bleef deze UDG-consortia lang steunen, maar gelukkig is UDG nu ter ziele. Het heeft echter veel tijd en aandacht gevraagd; een inspanning die beter aan andere zaken besteed had kunnen worden.

De tweede wetmatigheid is dat diepe ondergrondse warmte-uitwisseling grotendeels afhankelijk is van de conductiviteit van het gesteente. Dit betekent dat diepe, closed-loop geothermie in de meeste geologische settings op aarde weinig kans heeft om commercieel competitief te zijn. Het levert slechts een paar Watt per meter ondergrondse buis per graad Celsius temperatuurs-verschil tussen buis en gesteente.

Diepe, closed-loop geothermie onderscheidt zich van de “gewone” geothermie (waar formatiewater door het poreuze reservoir gesteente van injectorput naar productieput stroomt) doordat bij closed-loop geothermie een vloeistof door een gesloten putsysteem gaat en als een ondergrondse warmtewisselaar warmte aan die ondergrond onttrekt, dus onafhankelijk of die ondergrond poreus en permeabel is (de grote belofte is dan ook dat closed-loop geothermie overal toegepast zou kunnen worden).

Het grote probleem met deze closed-loop geothermie is dat de energieopbrengst relatief laag zal zijn, omdat de warmte-conductiviteit van de ondergrond beperkt is en dus de zeer hoge kosten niet zal kunnen rechtvaardigen. Spelers zijn afhankelijk van subsidies en het is uitermate onwaarschijnlijk dat dit in Nederland commercieel aantrekkelijk kan worden. In Nederland heeft het Canadese EAVOR SDE++-subsidies toegekend gekregen voor haar Tilburg-N project (complexe closed-loops op 3-5 km diepte). Er gaan al honderden miljoenen euro’s subsidie naar EAVOR’s Duitse Geretsried project. Zo dreigt closed-loop geothermie, na UDG, opnieuw een dure distractie te worden.

Deze tweede wetmatigheid staat trouwens ook hergebruik van nog niet geabandonneerde gasputten voor geothermiedoeleinden in de weg. Om een oude gasput succesvol om te bouwen tot geothermieput, moet die put dicht bij de warmtevraag liggen, een grote diameter hebben en technisch goedkoop te converteren zijn. En zelfs dan komt er weinig energie uit.

In conclusie

Wat nodig is, is méér focus. Ultra-Diepe Geothermie was een distractie, en nu dreigt diepe, closed-loop geothermie de volgende, dure, distractie te worden. Geothermie in Nederland zou gebaat zijn bij wat meer pragmatisme en minder academische vingeroefeningen. Bij UDG, diepe closed-loop geothermie en bij SCAN lijkt de focus op volledigheid en perfectie te liggen in plaats van op snelheid. Het zou nu niet moeten gaan om geothermie van goede naar marginale gebieden/reservoirs uit te breiden (met relatief dure technieken) maar om geothermie in de goede gebieden/reservoirs een grotere vlucht te laten nemen (met zo goedkoop mogelijke technieken).

Voor “conventionele” geothermie (open systemen) moeten lastige, marginale reservoirs voorlopig op de tweede plaats komen. Het is al moeilijk genoeg om normale doubletten van de grond te krijgen in gebieden met een goed reservoir. De focus zou moeten liggen op snelle ontwikkeling van conventionele (2-3 kilometer diepe) systemen in het West-Nederland bekken, met bijbehorende winning-optimalisatie (sweep efficiency). De winstgevendheid zou erbij gebaat zijn de aardwarmte doubletten te koppelen aan seizoensberging van warmte in ondiepe reservoirs (ATES).

Zoals al eerder in Energeia geconcludeerd werd, moet de overheid nu echt eens die lang beloofde roadmap opstellen om de mogelijkheden te verwezenlijken die geothermie kan bieden. Nederland kan veel leren van Duitsland, waar gemeenten nu door de Wärmewende-wetgeving gedwongen worden om met concrete plannen te komen om hun warmtevraag te verduurzamen.

Tijdsverlies is funest voor warmtenetten en dus ook voor geothermie voor warmtelevering aan de gebouwde omgeving. UDG, SCAN, closed-loop geothermie en in zijn algemeenheid de neiging om zaken tot in de perfectie te plannen voordat tot uitvoering wordt overgegaan, belemmeren de focus en leiden tot tijdsverlies. Ondertussen worden meer individuele warmtepompen geïnstalleerd en wordt daarmee de kans op toekomstige succesvolle warmtenetten verlaagd.

Als warmtenetten de komende twee decennia niet uitgerold worden, al was het maar alleen in grote gedeeltes van de Randstad waar de omstandigheden voor geothermie optimaal zijn, zal geothermie een beperkte rol blijven spelen in Nederland. Een grote, schone en klimaatvriendelijke energiebron zou dan grotendeels onbenut blijven. Dat zou een enorme gemiste kans in de energietransitie zijn.