Bodemenergie: lokaal duurzaam alternatief voor verwarming en koeling - artikel 4

In dit artikel staat de techniek bodemenergie centraal. Bodemenergie is namelijk een kansrijk, duurzaam alternatief voor het verwarmen en koelen van onze gebouwen. Ik leg uit hoe de techniek werkt, welke vormen van bodemenergie er zijn, waarom het een duurzaam alternatief is, en tot slot de toepasbaarheid ervan.

U kunt met de door u opgestelde lijst van eigenschappen van het gebouw (zie vorig artikel) zelf beoordelen of deze duurzame techniek direct kan worden toegepast, of dat u nog aanpassingen aan het gebouw moet doen.

1. Hoe werkt bodemenergie

Een bodemenergiesysteem benut de lokaal aanwezige thermische energie in de bodem en of het grondwater en verplaatst deze naar uw gebouw. Hiertoe maakt de techniek gebruik van enkele duurzame eigenschappen van de bodem en meerdere installatie onderdelen.

Duurzame eigenschappen van de bodem

Een bodemenergiesysteem maakt gebruik van enkele duurzame eigenschappen van de bodem. Afhankelijk van het type systeem, maakt het in meer of mindere mate gebruik van onderstaande duurzame eigenschappen van de bodem:

1. Constante achtergrondtemperatuur: van nature heerst er een constante achtergrondtemperatuur tussen de circa 10⁰ C tot 12⁰ C binnen de eerste 200 tot 250 meter beneden maaiveld.
2. Thermische isolator: de bodem is een (redelijk) goede thermische isolator, waardoor het lokaal thermische energie kan opslaan/vasthouden. Hierdoor is het mogelijk om de lokale bodemtemperatuur te verhogen of juist te verlagen. Wettelijk is er een maximum injectietemperatuur van 25⁰C ingesteld voor bodemlagen tot 500 m-mv en een minimum vloeistoftemperatuur van -3⁰C. Hieraan is tevens de eis gekoppeld dat de bodem rondom de bodembron niet mag bevriezen.
3. Thermische energie: door grondwaterstroming en thermische geleiding kan thermische energie vanuit de omgeving worden toegevoerd of afgevoerd. In de Nederlandse ondergrond zijn de grondwaterstroming en temperatuurflux niet extreem (zoals in bijvoorbeeld IJsland), maar spelen zeker een rol van betekenis.

Onderdelen van een bodemenergiesysteem

Een bodemenergiesysteem bestaat of uit een installatie in de bodem (bodemzijdig) en een installatie in het gebouw (gebouwzijdig). Op hoofdlijnen bestaat de installatie uit de volgende componenten:

1. één of meerdere bronnen die grondwater kunnen onttrekken en infiltreren, of uit één of meerdere afgesloten bodemlussen waarbinnen een vloeistof circuleert. (bodemzijdig)
2. een warmtewisselaar (bodemzijdig en gebouwzijdig)
3. een warmtepomp (gebouwzijdig)
4. en eventueel een balansvoorziening (gebouwzijdig)

Om een beeld te vormen van een grondwaterbron, een bodemlus aan maaiveld en een warmtewisselaar, is in figuur 1 een voorbeeld opgenomen. 

Figuur 1: voorbeeld van een bronput voor een open- (a) en bodemlus van een gesloten (b) bodemenergiesysteem, en een warmtewisselaar (c)

1. Bodemzijdig onderdeel: Open of gesloten bodemenergiesystemen

Open bodemenergiesystemen verpompen grondwater en maken gebruik van de thermische energie in de bodem en het grondwater. Een open systeem kan enkel gebruik maken van de achtergrondtemperatuur van het grondwater en of gebruik maken van de thermische opslagcapaciteit van de bodem:

• Indien een bodemenergiesysteem gebruik maakt van de opslagcapaciteit van de bodem en het grondwater, is sprake van een warmte- en koudeopslagsysteem (WKO). De natuurlijke achtergrondtemperatuur van de bodem en het grondwater wordt ter plaatse van de bronnen plaatselijk verhoogd (warme bron) of verlaagd (koude bron), als gevolg van de extra toegevoegde thermische warmte-/koude-energie afkomstig van het gebouw.
• Indien een bodemenergiesysteem enkel gebruik maakt van de achtergrondtemperatuur van de bodem en het grondwater, is sprake van een recirculatiesysteem. Hierbij wordt het hele jaar door, via hetzelfde onttrekkingsfilter, de constante achtergrondtemperatuur onttrokken. In het infiltratiefilter vindt, afhankelijk van het seizoen, infiltratie van afgekoeld of opgewarmd grondwater plaats.

Gesloten bodemenergiesystemen maken gebruik van bodemlussen (feitelijke slangen in de ondergrond), ook wel bodemwarmtewisselaar genoemd. De thermische energie in de bodem wordt, door warmteoverdracht op een vloeistof die circuleert in de bodemlussen, gewonnen. De warmteoverdracht van de bodem op de bodemlussen vindt plaats middels geleiding en een geothermische temperatuurflux.

2. Onderdeel warmtewisselaar

Zowel de uitwisseling van warmte als koude met de bodem en of het grondwater vindt plaats met een warmtewisselaar. Een warmtewisselaar, ook wel tegenstroom-apparaat genaamd, is niets anders dan een aantal op elkaar gesoldeerde metalen platen, waar warmte-uitwisseling plaatsvindt tussen de bodembron en het gebouw. Hierbij staat de circulatievloeistof uit de bodemlus of het grondwater niet direct in contact met de vloeistof in het gebouwcircuit. De warmtewisselaar zorgt voor een scheidende werking tussen het gebouw- en bodemcircuit. Om een beeld te vormen van een warmtewisselaar is in figuur 1c een voorbeeld opgenomen. 

3. Onderdeel warmtepomp en balansvoorziening (4)

Door in de winter het gebouw te verwarmen met behulp van een warmtepomp wordt warmte onttrokken aan de bodem. De overgebleven koude, afkomstig van de verdamper van de warmtepomp en eventueel atmosferische koude (gewonnen door een balansvoorziening), wordt via de warmtewisselaar weer in de bodem gebracht. Deze koude wordt in de zomer weer benut voor passieve gebouwkoeling.

 Door in de zomer het gebouw te koelen met de koude-energie uit de bodem, wordt zon-thermische energie (aanwezig in een gebouw en eventueel gewonnen door een aanvullende balansvoorziening) vanuit het gebouw via de warmtewisselaar in de bodem gebracht. Deze zon-thermische energie (warmte) wordt in de winter, met behulp van  een warmtepomp, weer benut voor gebouw verwarming.

Om een beeld te krijgen van het principe bodemenergie is in figuur 2 een schema opgenomen voor zowel een open als een gesloten bodemenergiesysteem.

2. Vormen van bodemenergie

De wijze waarop de onttrekkings- en infiltratiebronnen en de bodemlussen in de bodem worden gedimensioneerd, verschilt van systeem tot systeem. Voor een open bodemenergiesysteem is het van belang dat de bronnen van het systeem beiden binnen eenzelfde watervoerende laag worden geplaatst. Vanuit de Waterwet is het namelijk verboden dat verschillende typen water, uit verschillende watervoerende lagen, met elkaar worden vermengd.

Voor open bodemenergiesystemen bestaan de volgende concepten (waarbij zowel sprake kan zijn van opslag als recirculatie):

• monobron; één boorgat met twee bronfilters, waarbij de diepte van de filters verschilt
• een doublet; bestaande uit minimaal 2 bronnen of een veelvoud hiervan, waarbij de diepte van de filters gelijk is.   
• een doublet; bestaande uit minimaal 2 bronnen of een veelvoud hiervan, waarbij de diepte van de filters ongelijk is.

Figuur 3: verschillende concepten van open bodemenergiesystemen, monobron (concept 1), doublet (concept 2), of een combinatie hiervan (concept 3)

Voor gesloten bodemenergiesystemen bestaan de volgende concepten:

• verticale bodemlussen
• horizontale bodemlussen
• aardwarmtekorven
• en varianten hierop

Figuur 4: verschillende concepten van gesloten bodemenergiesysteem

 3. Bodemenergie, een duurzaam alternatief

Door de toepassing van een bodemenergiesysteem wordt, in vergelijking met het gebruik van cv-ketels en koelmachines, uitstoot van CO₂ naar de atmosfeer voor een aanzienlijk deel voorkomen. Immers een groot gedeelte van de thermische energie (zowel warmte als koude) komt uit de bodem. De warmtepomp verplaatst deze energie enkel vanuit de bodem naar het gebouw. De verhouding tussen de benodigde energie om het systeem te laten draaien en de energie die door het systeem wordt geleverd, ligt rond de 1:5. Dit betekent dat er één eenheid energie nodig is om vijf eenheden energie te verkrijgen.

Beperkte CO₂-uitstoot

Enkel het gebruik van de elektrische energie ten behoeve van de warmtepomp (in de wintersituatie) en de bronpompen (zowel zomers als ’s winters) leidt nog tot uitstoot van CO₂ naar de atmosfeer, indien deze elektriciteit afkomstig is van de niet-duurzaam gestookte energiecentrales. Elektriciteit afkomstig uit een energiecentrale is namelijk volgens de huidige energiemix nog grotendeels opgewekt met behulp van fossiele brandstoffen.

100% duurzame installatie

Indien de benodigde elektriciteit is opgewekt met bijvoorbeeld zonnepanelen of windmolens, is sprake van een 100% duurzame installatie, zonder uitstoot van CO₂ naar de atmosfeer. Daarnaast bestaan er mogelijkheden om warmtepompen niet met elektriciteit aan te drijven, maar bijvoorbeeld met biogas, waardoor eveneens sprake is van een 100 % duurzame installatie.

4. Toepasbaarheid bodemenergie

Een bodemenergiesysteem is een duurzaam laagtemperatuur verwarmingssysteem (afgiftetemperatuur 45⁰C) en een duurzaam hoogtemperatuur koelsysteem (afgiftetemperatuur 8 à 12⁰C). Daarnaast kan het warmtapwater leveren van maximaal circa 65 à 70⁰ C. Nagenoeg overal in Nederland is de ondergrond geschikt voor toepassing van een vorm van bodemenergie. Enkel in een aantal provinciale verbodsgebieden gelden er beperkingen voor toepassing van bodemenergie, ter bescherming van de drinkwaterwinning.

Als enkele installatie

Indien de thermische schil van een gebouw in voldoende mate is geïsoleerd en er het liefst een laag temperatuurafgiftesysteem aanwezig is, kan een bodemenergiesysteem in principe als enkele installatie (monovalente propositie) worden toegepast.

Hybride systeem

Indien de thermische schil onvoldoende is geïsoleerd, kan een bodemenergiesysteem enkel in combinatie met een andere installatie voor warmte- en koude-opwekking (bivalente propositie / hybride-systeem) worden toegepast. In deze laatste situatie is er altijd een aanvullende installatie nodig die als piekvoorziening optreedt, op de momenten dat er een piekvraag is. Het bodemenergiesysteem dient dan enkel voor de invulling van de basislast.

Test of uw gebouw geschikt is

Om te testen of uw gebouw geschikt is voor lage temperatuurverwarming, kunt u de watertemperatuur voor verwarming in uw cv-ketel instellen op 45⁰C. Indien het uw cv-ketel lukt om uw gebouw onder alle klimatologische condities (vooral bij temperaturen < -5⁰C) op comfortabele temperatuur te houden, kunt u in principe uw gasketel vervangen door een bodemenergiesysteem.

Zie tabel 1 voor de overige eigenschappen van een bodemenergiesysteem in relatie tot uw gebouw.

Vulde u de lijst met eigenschappen voor uw gebouw in? Beoordeel dan nu zelf of een bodemenergiesysteem in uw gebouw kan worden toegepast. Heeft u hulp nodig bij het maken van de beoordeling? Neem dan gerust contact met me op.       

Volgend artikel
Nu weet u meer van de duurzame techniek Bodemenergie. In het volgende artikel vertel ik u meer over de werking van een warmtepomp.

Meer weten over duurzame installatieconcepten?
Vanuit mijn beroep als specialist duurzame technieken bij KWA Bedrijfsadviseurs heb ik onlangs een onderzoek uitgevoerd voor Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO). Het onderzoek heeft vele inzichten opgeleverd over het toepassen van een 19 duurzame installatieconcepten in de bestaande bebouwde omgeving.

Ik publiceer daarom 1x per maand een artikel met uitleg over de te nemen stappen om bestaande gebouwen en woningen op een duurzame manier te verwarmen en/of te koelen. In afzonderlijke artikelen neem ik onder andere de technieken warmte- en koudeopslag in de bodem, warmtepompen, zonnecollectoren, biomassaketels en pelletkachels onder de loep.

Wilt u deze artikelen automatisch ontvangen?
Meld u hier aan, dan stuur ik u het artikel toe zodra het uit is. Zo mist u geen énkel artikel.

Bent u al bezig met het verduurzamen van uw energievoorziening en heeft u vragen over de keuzes die u moet maken? Neem gerust contact met mij op. Ik geef u graag onafhankelijk advies.

Bekijk ook: