Geothermal Heat: Full Speed Ahead

A large part of the Dutch heat demand could be covered with sustainable and cost-efficient geothermal heat. Some choices should be made for this transition to happen.

Marco Vermeulen


The Dutch energy demand is mostly the result of the need to heat dwellings, business properties, horticultural greenhouses, and industrial spaces. Currently, the required heat is almost exclusively produced by burning natural gas in factories, power plants, dwellings, offices, and greenhouses. Burning natural gas has major disadvantages. The Netherlands is becoming increasingly dependent on the import of natural gas, for example. Continuing the extraction of natural gas in Groningen at the current rate will cause our natural gas resources to run out in a few decades. In addition, the emission of combustion gases contributes to climate change. A sharp reduction in the use of natural gas therefore represents an essential step towards the realization of the policy target for a sustainable energy supply. But can we take that step?

Whereas heat is in huge demand, there are certain regions, for example in South Holland, in which petrochemical industry, power plants, and waste treatment plants produce large quantities of excess heat. Part of this is used in urban heating networks. However, the sustainable nature of this ‘coal heat’ is currently the subject of discussion, with its future availability uncertain as well.

Should we therefore abandon the construction of heat networks? On the contrary. For there is another, even more sustainable and cost-effective heat source that can use the same infrastructure, and that is geothermal heat. It implies pumping up hot water from a depth of 2 to 4 km and pumping it back down once it has released its heat.

Based on both the current knowledge of the underground and on drillings, it seems likely that geothermal heat can meet the heat demand of a large part of the Netherlands. In addition, and compared to other, more small-scale solutions such as solar boilers and heat pumps, it is the most cost-effective form of heat production by far (in euros per year). Geothermal heat has yet another advantage: its visible spatial impact is minimal. That means it is unlikely to provoke a lot of public resistance in this regard (in contrast to, for example, wind energy), which allows large-scale implementation.

In the coming years, Dutch regions where the supply and demand of residual heat and geothermal heat are in approximate locations can work on so-called regional smart thermal grids. At a later stage, heat networks can be constructed in regions that allow the transport of residual and geothermal heat through well-insulated pipelines (thermal backbones) over greater distances as well. Slowly but surely, a nation-wide, robust heat network will emerge that will allow a host of different parties to buy and sell heat: the Dutch Smart Thermal Grid.

Is the notion of a nation-wide heat network largely based on geothermal heat megalomaniacal and utopian? Or is it a very viable (in terms of capacity and public support) and affordable option that will meet the heat demands of 2050 in a sustainable way? Isn’t the prospect of a structural and affordable solution to the sustainability challenge posed by our heat supply precisely what we need at this time to act purposefully? After all, it makes the challenge concrete and lends luster to the task. If the Netherlands was to accelerate its efforts, the country could do pioneering work with regard to the use of geothermal heat and smart thermal grids and possibly create new economic opportunities at home and abroad.

Yet reality is intractable and the realization of a collective heat supply poses a number of important challenges. The first is the matter of creating awareness. In addition, there are challenges of a financial or organizational nature. We outline three of these challenges below.

1 Delta Plan Energy
There are many sustainable energy initiatives, but these are often on a small scale as yet. The question is whether all of these separate experiments can be connected and up-scaled: can we stretch them to their maximum potential. It is even questionable whether full use is being made of the locally available energy potential. At this time, the Netherlands lacks an overview of sustainable energy opportunities that together form a strategy for the country in its entirety. There is a need for a guiding master plan (a ‘Delta Plan’) for sustainable energy in the Netherlands as a whole. The Dutch Smart Thermal Grid could make a good starting point for a sustainable heat supply.

Specifically, further research into the technology and possibilities of geothermal heat is necessary. The geothermal potential of the Dutch subsoil and the possible negative side effects of drilling are still insufficiently known. The questions of what the most cost-effective (spatial) strategy for the large-scale use of geothermal heat is, and how it can be translated into policy, have to be closely examined as well. One of the research questions, for example, is whether geothermal heat can be produced in a single location, but at different depths (simultaneously or successively).

At this time, knowledge and expertise regarding energy and space are highly fragmented. In addition, it seems that local authorities have insufficient knowledge of the energy dossier to make balanced decisions. Such knowledge needs to be concentrated and made available for better use by both authorities and businesses. A good example is the Delta Program, which comprises knowledge and expertise brought together in a Delta Atelier that works on a concrete action plan for water safety in the Netherlands.

2 Funding Avenues in the Long and Short Term
Heat networks are cost-effective, but also expensive. The nets last a long time, but they also require long payback periods. Currently, the networks require a too-high pre-investment and must meet a combination of market conditions (high interest rates, short payback period). One possible incentive would be the creation of investment opportunities under ‘public’ terms (low interest, long write-down/payback period). Many market parties, incidentally, appear to be looking for this type of long-term investment in renewable energy (such as pension funds).

Apart from solutions to the long-term problem, we need answers in the short term. The financial risks of geothermal drilling are currently big, because the permeability of the aquifer at a depth of several kilometers cannot be estimated accurately and, therefore, neither can the capacity of the geothermal well. This risk decreases with every drilling. However, at this time there is still need for a financial instrument or contingency fund to spread the risk. In addition, a structural vision regarding the subsoil and clear rules and regulations are needed to allow the more expedient issuing of licenses.

3 National Net for a Heat Market
Asking for a national heat network seems to go against the tide of current events. Like the responsibility for spatial planning, the responsibility for a sustainable energy supply is apparently being decentralized, with the national government handing it over to the provinces and municipalities. However, the roll-out of an efficient heat network that makes optimal use of energetic potentials requires proper coordination and (national) control. Heat networks cross province lines and the rules governing the net are decided on a national level: the state establishes the frameworks within which private initiatives can grow and flourish in a particular direction.

Considering the idea to offer renewable heat as a utility brings to mind a comparison with the natural gas network. This utility was installed all across the Netherlands within ten years, because it was the best option at that time. The national government could take the initiative for the construction of a nationwide, open heat network and subsequently allow a wide variety of parties to buy and sell heat at competitive prices.

There is tension between the development of the heat market and the public support for heat networks. The more connections to the heat network there are, the cheaper they are per connection. The greater the investments in individual measures are, the less interesting the realization of a collective heat supply becomes. To realize a regional smart thermal grid, the heat companies need coercion. That is why the choice for a heat network ought to be encouraged and perhaps even enforced using required connections (like required sewer connections). However, the public resistance against heat networks is partly the result of the enforcement of the net involved. Any further requirements may therefore be counterproductive to public support.

The smart thermal grid could solve this. There are several providers active on the net, creating a heat market in which customers have a choice. Companies that have residual heat may need to be encouraged or coerced to pass on their heat to the heat network, either indirectly by an energy efficiency tax or CO2 tax, or by prohibiting heat discharge (as is the case in Denmark).

Marco Vermeulen is an architect and urban designer, and founder of  Studio Marco Vermeulen.

Vol Gas op Geothermie

AARDWARMTE IS DUURZAAM, KOSTENEFFICIËNT EN KAN GROTENDEELS IN DE NEDERLANDSE WARMTEVOORZIENING VOORZIEN. VOOR DEZE TRANSITIE MOETEN EEN PAAR KEUZEN WORDEN GEMAAKT.

MARCO VERMEULEN

De Nederlandse energievraag bestaat voor een groot deel uit de warmtebehoefte van woningen, bedrijven, glastuinbouw en industrie. Deze warmte wordt momenteel vrijwel geheel geproduceerd door het verbranden van aardgas in fabrieken, elektriciteitscentrales, woningen, kantoren en kassen. Aan het verbranden van aardgas kleven belangrijke nadelen. Zo wordt Nederland steeds afhankelijker van import van aardgas. Met het huidige tempo waarop we aardgas in Groningen winnen is Nederland binnen enkele decennia door haar natuurlijke voorraad heen. Daarnaast draagt de uitstoot van de verbrandingsgassen bij aan de klimaatverandering. Het fors terugbrengen van het gebruik van aardgas is daarom een urgent onderdeel van de route naar het beleidsdoel van een duurzame energievoorziening. Maar hoe?

Terwijl de warmtebehoefte enorm is, is er in bepaalde regio’s zoals Zuid-Holland ook een grote hoeveelheid warmte over bij de petrochemische industrie, elektriciteitscentrales en afvalverwerkingscentrales. Een deel daarvan wordt momenteel benut met behulp van stedelijk warmtenetten. Er is echter discussie over het duurzame karakter van deze ‘kolenwarmte’ en ook de beschikbaarheid in de toekomst is onzeker.

Moeten we daarom afzien van de aanleg van warmtenetten? Integendeel. Er is namelijk een andere en nog veel duurzamere en kostenefficiënte warmtebron waarbij gebruikt gemaakt kan worden van dezelfde infrastructuur, namelijk aardwarmte (geothermie). Daarbij wordt warm water van 2 tot 4 kilometer diepte opgepompt en na de afgifte van warmte weer terug de ondergrond ingepompt.

Op basis van de huidige kennis van de ondergrond en de boringen lijkt met geothermie in de warmtebehoefte van een groot deel van Nederland te kunnen worden voorzien. Het is daarnaast, afgezet tegen kleinschaligere voorzieningen zoals zonneboilers en warmtepompen, verreweg de meest kosteneffectieve vorm van warmteopwekking (in euro’s per jaar). Geothermie heeft nog een ander belangrijk voordeel: de zichtbare ruimtelijke impact is minimaal. Daarmee is er (in tegenstelling tot bijvoorbeeld windenergie) op dit aspect waarschijnlijk weinig maatschappelijke weerstand te verwachten waardoor een grootschalige implementatie mogelijk is.

De komende jaren kan er in Nederland in regio’s waar vraag en aanbod van restwarmte en geothermie dicht bij elkaar liggen gewerkt worden aan regional smart thermal grids. In tweede instantie kunnen ook in de regio’s waar met goed geïsoleerde buisleidingen (thermal backbones) restwarmte en aardwarmte over grotere afstand aangevoerd kan worden, warmtenetten worden aangelegd. Langzaam maar zeker kan er zo een landelijk dekkend, robuust warmtenetwerk ontstaan waar een grote diversiteit aan partijen warmte kan aanbieden en afnemen: het Dutch Smart Thermal Grid.

Is de gedachte van een landelijk warmtenetwerk grotendeels gebaseerd op geothermie megalomaan en utopisch? Of is het een zeer goed haalbare (qua capaciteit en draagvlak) en betaalbare optie om in 2050 op duurzame wijze in de warmtebehoefte te kunnen voorzien? Is het uitzicht op een structurele en betaalbare oplossing voor de verduurzaming van de warmtevoorziening niet precies wat we op dit moment nodig hebben om gericht te acteren? Het maakt de uitdaging immers concreet en brengt glans op de opgave. Nederland zou door versneld aan de slag te gaan ook een voortrekkersrol kunnen nemen in het gebruik van aardwarmte en smart thermal grids, waardoor mogelijk nieuwe economische kansen in binnen- en buitenland ontstaan.

Toch is de werkelijkheid weerbarstig en zijn er bij de realisatie van een collectieve warmtevoorziening een aantal belangrijke uitdagingen. Ten eerste gaat het om bewustwording. Daarnaast betreft het vooral uitdagingen van financiële en organisatorische aard. We schetsen drie van deze uitdagingen:

1 Deltaplan energie
De veelvuldige initiatieven voor duurzame energie zijn vaak nog kleinschalig van aard. De vraag is of alle losse experimenten voldoende aansluitbaar en opschaalbaar zijn; of we er dus de maximale mogelijkheden uithalen. Het is zelfs de vraag of de lokaal aanwezige energiepotentie voldoende wordt benut. Momenteel ontbreekt het aan een overzicht van kansen voor duurzame energie in Nederland, die samen optellen naar een strategie voor Nederland als geheel. Er is behoefte aan een richtinggevend masterplan (een ‘Deltaplan’) voor de verduurzaming van de energievoorziening in Nederland als geheel. Het Dutch Smart Thermal Grid zou voor duurzame warmte een goed vertrekpunt kunnen vormen.

Specifiek dient er nader onderzoek gedaan te worden naar de techniek en mogelijkheden van geothermie. De geothermische potentie in de Nederlandse bodem en de eventuele negatieve effecten van boringen zijn nog onvoldoende bekend. Ook dient nader onderzocht te worden wat de meest kosteneffectieve (ruimtelijke) strategie is voor het grootschalig benutten van aardwarmte en op welke wijze dit vertaald moet worden naar beleid. Een van de onderzoeksvragen is bijvoorbeeld of aardwarmte ook op één locatie (tegelijkertijd of successievelijk) op verschillende diepten kan worden gewonnen.

Kennis en expertise met betrekking tot energie en ruimte is momenteel erg gefragmenteerd. Daarnaast lijkt bij lagere overheden onvoldoende kennis aanwezig op het dossier energie om de juiste afweging te kunnen maken. Deze kennis dient te worden geconcentreerd, zodat deze beter kan worden benut door overheden en ondernemers. Een goed voorbeeld is het Deltaprogramma waar kennis en experts zijn samengebracht in een Delta-atelier waar aan een concreet plan van aanpak is gewerkt voor waterveiligheid in Nederland.

2 Financieringsmogelijkheden op lange en korte termijn
Warmtenetten zijn rendabel, maar ook kostbaar. De netten gaan lang mee, maar ze vragen ook lange terugverdientijden. Momenteel vereisen ze een te hoge voorinvestering en moeten ze voldoen aan een combinatie van marktconforme voorwaarden (hoge rente, korte terugverdientijd). Een stimuleringsmaatregel zouden de creatie van investeringsmogelijkheden tegen ‘publieke’ voorwaarden (lage rente, lange afschrijving/terugverdientijd) kunnen zijn. Overigens lijken er veel marktpartijen te zijn (o.a. pensioenfondsen) die op zoek zijn naar dit soort lange termijninvesteringen in duurzame energie.

Naast antwoorden op het vraagstuk voor de lange termijn zijn op korte termijn al oplossingen nodig. De financiële risico’s van geothermieboringen zijn op dit moment groot, omdat de permeabiliteit van de watervoerende laag op enkele kilometers diep niet precies kan worden ingeschat en daarmee ook de capaciteit van de geothermieput. Dat risico neemt met iedere boring af. Momenteel is er echter nog behoefte aan een financieel instrument of garantiefonds waarmee dit risico kan worden gespreid. Daarnaast is een structuurvisie ondergrond en heldere regelgeving nodig zodat vergunningen sneller kunnen worden afgegeven.

3 Nationaal net voor een warmtemarkt
Vragen om een nationaal warmtenet lijkt tegen de stroom van de actualiteit in. De verantwoordelijkheid voor een duurzame energievoorziening lijkt – net als de verantwoordelijkheid voor de ruimtelijke ordening - te worden gedecentraliseerd van rijksoverheid naar de provincies en van provincie naar gemeentes. Het uitrollen van een efficiënt warmtenetwerk dat optimaal gebruik maakt van de energetische potentie vereist echter goede coördinatie en waarbij (centrale) regie noodzakelijk is. Warmtenetten overschrijden provinciegrenzen en de regels voor het net worden nationaal bepaald: het rijk bepaalt de kaders waarbinnen particulier initiatief richting krijgt en tot bloei kan komen.

Bij de gedachte om duurzame warmte als nutsvoorziening aan te bieden, dringt zich de vergelijking met het aardgasnetwerk op. Dat werd als nutsvoorziening binnen zo’n tien jaar in heel Nederland aangelegd, omdat het toen de beste optie was. De rijksoverheid zou het initiatief kunnen nemen voor de aanleg van een landelijk dekkend, open warmtenetwerk waarna een grote diversiteit aan partijen concurrerend warmte kan aanbieden en afnemen.

Er is een spanningsveld tussen het opbouwen van de warmtemarkt en het maatschappelijk draagvlak voor warmtenetten. Hoe meer aansluitingen op het warmtenet gemaakt kunnen worden, hoe voordeliger het per aansluiting wordt. Hoe meer geïnvesteerd wordt in individuele maatregelen, des te minder interessant de realisatie van een collectieve warmtevoorziening wordt. Om tot een regional smart thermal grid te komen, hebben de warmtebedrijven dwang nodig. De keuze voor een warmtenet zou daarom moeten worden gestimuleerd en misschien zelfs worden afgedwongen met een aansluitverplichting (net zoals bij riolering). Echter, de weerstand in de samenleving tegen warmtenetten is voor een groot deel op de dwang van de netten gestoeld. Het verder verplichten van afname zou daarom contraproductief kunnen werken voor het maatschappelijk draagvlak.

Het smart thermal grid zou daarvoor een oplossing kunnen bieden. Op het net zijn verschillende aanbieders actief, zodat een warmtemarkt ontstaat waarin afnemers iets te kiezen hebben. Bedrijven met restwarmte moeten eventueel gestimuleerd of verplicht moeten worden om hun warmte aan het warmtenet te leveren. Dat kan indirect door een energie-effectiviteitsbelasting of CO2-tax. Of door een verbod op warmtelozing (zoals in Denemarken).

Marco Vermeulen is architect en stedenbouwkundige en oprichter van Studio Marco Vermeulen.


SMV_Maqette_detail 1 Detail from the model Dutch Thermal Grid by Studio Marco Vermeulen at IABR–2016.

 

 

 

SMV_Maqette_detail 3 Detail from the model Dutch Thermal Grid by Studio Marco Vermeulen at IABR–2016.

 

 

SMV_Maquette_total Dutch Thermal Grid by Studio Marco Vermeulen at IABR–2016.