Bepaling van thermische kenmerken van de Belgische ondergrond voor de optimalisatie van geothermische toepassingen

75% van de geïnstalleerde geothermische warmtepompen in België zijn gesloten systemen met verticale bodemwarmtewisselaars (BTES – Boorgat Thermische Energie Opslag). Na het Europese project ThermoMap, kartering van het zeer ondiepe geothermische potentieel (<10m), is de logische volgende stap een evaluatie van het geothermische potentieel op een iets grotere diepte. Tot nu toe is er echter nog maar weinig fundamenteel onderzoek verricht naar geologische kenmerken met het oog op de verbetering van de prestaties en het ontwerp van geothermische systemen. Er zijn grote variaties mogelijk in de effectieve warmteoverdracht tussen de transportomgeving (warmtewisselaars en opvulmateriaal) en het gesteente van de ondergrond, wat een essentieel element is voor het optimaliseren van de prestaties en het drukken van de kosten. Momenteel stellen we vast dat er grote verschillen zijn in de dimensionering van de BTES voor een vergelijkbare geologische situatie. Hiervoor zijn er verschillende redenen: het gebrek aan kennis over de site-specifieke thermische kenmerken van de ondergrond is er één van, naast ook een ontoereikende analyse van de energiebehoeften van een gebouw en de hieruit voorvloeiende afmetingen van de warmtepomp, waardoor er veel onzekerheid ontstaat over de omvang van de geothermische installaties (lengte, aantal).

Met behulp van de expertise van de Belgische Geologische Dienst (OD Aarde en Geschiedenis van het Leven van het KBIN) en op basis van de reeds bestaande omvangrijke collecties van gesteenten (lithotheek) en boringen van de BGD, richt het project BeTemper zich op de thermische karakterisatie van de ondergrond. Andere initiatieven zoals het project Smart Geotherm, uitgevoerd door WTCB/BBRI of het project Geotherwalzijn complementair en zijn meer gefocust op de prestaties van de warmtewisselaars of op de energieprestaties van het gebouw.

Doelstellingen

Doelstelling van dit project is een evaluatie van het ondiepe geothermische potentieel in België op basis van een analyse van de thermische eigenschappen van de oppervlaktegesteenten op 150 m diepte, de standaard diepte die wordt gebruikt voor de verticale bodemwarmtewisselaars (BTES).

Dit project richt zich op de thermische eigenschappen (thermische conductiviteit en capaciteit) op basis van de mineralogische samenstelling van ongeveer 400 gesteentemonsters voor 25-30 verschillende gesteentetypes. De thermische eigenschappen zijn afhankelijk van het vochtgehalte, de porositeit, de dominerende mineralogische fase, de anisotropie van het materiaal. De thermische conductiviteit hangt ook af van de temperatuur, de druk, de vloeistofverzadiging en -samenstelling. De selectie van de monsters houdt rekening met de representativiteit van de verschillende gesteentesoorten in de Belgische ondergrond, dus op basis van de mineralogische samenstelling, de textuur, de verweringsgraad en de natuurlijke fracturatie. De thermische parameters worden zowel in verzadigde en niet-verzadigde toestand bepaald. Er wordt in het bijzonder aandacht besteed aan gesteentetypes met uiteenlopende waarden voor de thermische conductiviteit, om de invloed van de porositeit en/of mineralogische bijmenging op de warmteoverdracht te evalueren. De nadruk wordt ook gelegd op de regio's met het grootste potentieel voor geothermische toepassingen (de Samber en Maas as en de grotere Vlaamse steden ). De gesteentemonsters worden in eerste instantie geselecteerd uit de boringencollecties van de BGD, in beheer door de Dienst Collecties van het KBIN. Bijkomend gebeurt er een monstername op het terrein (wand, sleuf, boring, enz.) om de geografische en geologische representativiteit van de metingen te garanderen. Deze monsters blijven ter beschikking als referentiemateriaal, bewaard in de monstercollecties van het KBIN.

De bepaling van de thermische eigenschappen van de Belgische ondergrond is een essentiële stap voor het in kaart brengen van het ondiepe geothermische potentieel. Het aanmaken van dergelijke kaarten is een innoverende benadering (nog niet gefinancierde fase van het project) en vereist de integratie van bijkomende informatie (hydrologische, geologische en pedologische kaarten, uitsluitingsgsgebieden (beschermingszones of plaatsen die ongeschikt zijn voor de installatie van geothermische systemen zoals karst, mijngalerijen enz.). Momenteel worden er in de Europese Unie slechts twee gelijkaardige projecten uitgevoerd:

1. in Duitsland: de kaarten van het ondiepe geothermische potentieel voor alle types van geothermische systemen zijn bijna klaar voor het Zuiden van het Molassebekken, het Rijnland en het Noorden van Westfalen (www.geotis.de)
2. in Italië: het project VIGOR is gestart in 2012 en gaat over het diepe en ondiepe geothermische potentieel in 4 regio's in het Zuiden van Italië (www.vigor-geotermia.it).

Metingen van de verschillende parameters

Thermische parameters

De thermische conductiviteit en diffusiviteit van geconsolideerde gesteenten wordt gemeten met behulp van een TCS ( (Thermal Conductivity Scanning, van Rauen & Lippmann, Duitsland) in het laboratorium van het KBIN – OD Aarde en Geschiedenis van het Leven. Met dit zeer performante toestel kan men betrouwbare, nauwkeurige en snelle metingen uitvoeren van standaard monsters (maximum 4 cm lengte), maar ook van boormonsters (tot 30 cm lengte). (zie afbeeldingen).

Voor de niet-geconsolideerde gesteenten en losse sedimenten wordt de thermische conductiviteit via een naaldvormige probe geevalueerd met de transiëntmethode (TEKAO4 en/of KD2Pro) in samenwerking met de universiteiten van Erlangen en Aken (Duitsland).

Mineralogische en petrofysische analyses

De mineralogische en petrologische analyses worden uitgevoerd in het laboratorium voor mineralogie en petrologie van het KBIN – OD Aarde en Geschiedenis van het Leven. De verhouding van de verschillende minerale fases wordt geëvalueerd door RX-diffractie, de chemische en micro-texturele inhoud van de monsters wordt bepaald met de EDS-modules (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) van de EBSD (Electron Back Scattered Diffraction).