Aardwarmte, de op één na laatste alternatieve energiebron die we behandelen (volgende week sluiten we af met windturbines op zee), is strikt genomen geen duurzame of hernieuwbare energiebron. Grootschalig gebruik van aardwarmte is namelijk eindig. Het winnen van aardwarmte heeft wel het grote voordeel dat het continu beschikbaar is.
In IJsland is de bijdrage van geothermie significant: 24 kWh/p•d. De 300.000 IJslanders wekken gemiddeld 300 MW elektrisch vermogen op met heet water uit geisers. Om de potentie van aardwarmte per Nederlander per dag in te schatten, moeten we heel veel schatten. Deze aflevering is dan ook de grootste gok uit de serie.
De aarde, waarvan de kern volgens de laatste inzichten bestaat uit een vaste nikkelijzerlegering van 5.000 tot 6.000 graden Celsius (binnenkern) en vloeibaar nikkel en ijzer van 2.900 graden Celsius (buitenkern), zou een goede energiebron kunnen zijn. Boor een gat van 5 km en je stuit op gesteenten met een temperatuur van 200 graden Celsius. Het gaat er echter niet om hoe warm het is op een bepaalde diepte, maar hoe groot de warmtestroom is. Zodra je meer warmte onttrekt dan er warmte toestroomt, koelt de aangeboorde locatie af. De aangeboorde bron is dan eindig.
Om in te schatten hoeveel aardwarmte echt duurzaam of hernieuwbaar is te winnen, moeten we weten hoeveel aardwarmte er van nature stroomt. Er zijn drie warmtebronnen: de hete kern van de aarde (10 mW/m2); radioactief verval in de korst van de aarde (van 0 aan de binnenkant tot 40 mW/m2 aan de buitenkant) en wrijving als gevolg van vervorming van de aarde door de aantrekking van zon en maan. Deze laatste is te verwaarlozen. Aan het oppervlak is de warmtestroom het hoogst, maar het temperatuurverschil is daar te klein om warmte te winnen. Volgens David MacKay zit het optimum op ongeveer 15 km, waar de warmtestroom 17 mW/m2 is. Per Nederlander (2.000 m2 landoppervlak) is er dan 0,8 kWh/p•d. Zelfs als we technologie hadden om alle aardwarmte onder Nederland om te zetten, dan zou dat nog niet veel zoden aan de dijk zetten.
We moeten dus kijken hoeveel warmte we tijdelijk kunnen winnen. In het rapport ‘Diepe geothermie 2050’ maken adviesbureaus IF Technology en Ecofys, en TNO een schatting van de winbare warmte uit de Nederlandse bodem. Het rapport berekent hiervoor eerst de Heat in Place (HIP), de maximale theoretisch winbare warmte in een aquifer, een waterhoudend grondlaag. De HIP hangt af van de volgende parameters: de gemiddelde warmtecapaciteit van het reservoir [y], de hoogte van het reservoir [h], de temperatuur van het reservoir [Tres ] en de temperatuur aan de oppervlakte [T0].
De gemiddelde warmtecapaciteit [y] van gesteente met 1 % water is 2,6 [MJ/m3•°C]. Op 5 km diepte is de temperatuur [Tres] ongeveer 200 graden Celsius. Voor de hoogte van het reservoir [h] nemen we 500 m en voor de oppervlaktetemperatuur [T0] 10 graden Celsius.
De HIP is vervolgens y • h • (Tres – To) = 250.000 [MJ/m2] of 70.000 [kWh/m2]. Onder iedere vierkante meter zit op 5 km diepte dus 70.000 kWh. Nu moeten we nog van Heat in Place (HIP) naar winbare warmte, Potential Recoverable Heat (PRH), komen.
Als het reservoir afkoelt, zal de installatie minder efficiënt werken. Wanneer we in 100 jaar 10 % afkoeling toelaten, dan moeten we de HIP delen door 1.000 jaar. Hiermee wordt de jaarlijks theoretisch winbare warmte 70 kWh/m2. Per dag is dat 0,2 kWh/m2•d.
De winbare warmte per Nederlander, die 2.000 m2 tot zijn beschikking heeft, wordt hiermee 380 kWh/p•d. Het rapport schat het rendement van de omzetting van warmte op 5 km diepte naar elektriciteit op het maaiveld op 15 %. Stel vervolgens dat we 10 % van de Nederlandse bodemwarmte kunnen benutten, dan komen we op 6 kWh/p•d, 3 % van de benodigde 185 kWh/p•d.
