Geothermie Leeuwarden: Heet water uit de aardkorst
Plotseling voelt de waterdruppel het, gevangen in een poreuze zandlaag, meer dan honderd meter dik. Daaronder ondoordringbare lagen. Een boor. Zo’n 2800 meter diep onder Leeuwarden. Vermengd met zout en resten koolwaterstof heerst hier een temperatuur van 95 graden Celsius.
Tekst: Tseard Zoethout, Beeld: Warmte van Leeuwarden
Het late Carboon, 299 miljoen jaar geleden. Het is er heet, broeierig heet. Nederland ligt dan vlakbij de evenaar, aan de oostkant van het langzaam vormende supercontinent Pangea dat zich, net zo langzaam, in noordelijke richting beweegt. De enige oceaan op aarde, ook wel Panthalassa of de Al-zee genoemd, heeft zich teruggetrokken. Soms overstroomt Panthalassa het land waar uitgestrekte laaglandmoerassen en -bossen welig tieren. Reptielen en amfibieën jagen er op insecten en reuzenlibellen, sommigen zeventig centimeter groot. De uitbundige plantengroei in wat later Noord-Europa zal worden, onttrekt zoveel kooldioxide aan de ijle atmosfeer dat er klimaatverschillen tussen Noord- en Zuid-Pangea ontstaan. Gletsjers op Gondwana (later de Zuidpool), temperaturen van 40 tot 60 graden aan de evenaar, een uitzondering op de geologische tijdschaal en vergelijkbaar met de laatste millennia. Onder hoge druk en warmte zijn planten eerst veen en steenkool, later aardolie en aardgas geworden.
Tijdens het Perm, zo genoemd naar de stad in de Oeral waar de tijdschaal voor het eerst werd beschreven, neemt tevens het zuurstofgehalte af. De ijstijd die in het Carboon begon, zet zich door. De zeespiegel daalt. Op Pangea wordt het allengs kouder en droger, veel planten overleven het niet, bossen en laaglandmoerassen verdwijnen. Ons land verandert in een woestijnachtige vlakte met bekkens en ondiepe zeeën. Aan de kusten handhaaft zich soms nog wat schaarse vegetatie, zo nu en dan door de Al-zee verzwolgen.
In onmetelijke tijd zet zich zo een steeds dikkere zoutkorst in de bekkens af terwijl vochtige oceaanlucht door het omhoogkomende Varistisch gebergte in het zuiden wordt tegengehouden (tegenwoordig Limburg en de Ardennen). Droge, felle winden voeren rode zandsteen, kwartszand en silt- en kleisteen over de vlakte, net als enkele rivieren tijdens wat nattere periodes in het late Perm, die onder het noorden van Nederland en de Noordzee in honderden meters dikke lagen beklijven.
Dan, 251 miljoen jaar geleden, spuwen vulkanen, vooral in Siberië maar ook in Noordwest-Europa en Drenthe, gigantische hoeveelheden lava en as uit. Basalt (gestolde lava) en tufsteen (ingeklonken vulkanische as) worden afgezet. Waarschijnlijk gaan die uitbarstingen vergezeld van een zonnenova die de ozonlaag aan gort slaat. Ultraviolette straling krijgt zo vrij spel en alleen organismen in de diepzee overleven. Het Perm-Trias breukvlak is veruit de grootste massa-extinctie op aarde: dertig procent van alle insecten sterft, zeventig procent van alle gewervelde landdieren en ruim negentig procent van het zeeleven.
Aquifer
Terug naar de waterdruppel en geothermische boor. Eens is de druppel zeewater, neerslag of water uit de rivieren geweest. Naarmate de lagen dieper komen te liggen, wordt de waterdruppel steeds meer ingeklemd tussen het gesteente. Druk en temperatuur in de waterhoudende zandlaag (of aquifer) nemen toe. Bovenin de van zout verzadigde laag zitten soms nog wat resten uit het Carboon.
Hoe goed men de meest geschikte lagen kan aanboren? Dat hangt van de gesteldheid van de lagen af. Hoe doordringbaar ze zijn, de zwaartekracht en het drukverschil tussen de lagen. Eerst passeert de boor het kwartair (ijstijden tot heden), dan het tertiair, (ontstaan van de eerste primaten), dan het mesozoïcum (era van de dinosauriërs). De eerste en vulkanische laag blijken het moeilijkst te passeren.
Onder de 2500 meter is de druppel in een aardlaag uit het paleozoïcum ingekapseld, een dikke zandlaag uit het late Perm die ook wel als Boven-Rotliegend bekend staat (vanwege de rode kleur). Andere druppels zijn gevangen in aardlagen in Noord-Holland, Drenthe en Limburg. Deze komt echter terecht in de ondergrond onder Friesland en Groningen, het Wad en de Noordzee.
Hier, in de Slochteren formatie, voelt de druppel zich goed. Hier stroomt het water gemakkelijk door de laag, beter dan andere druppels die in de andere lagen zijn gevangen. Hier zijn geen grote breuken zoals in Noord-Holland te bespeuren, daar heeft de platentektoniek ervoor gezorgd dat sommige aardlagen en aquifers elkaar niet eens aanraken. Het verzet is daar soms wel groter dan de dikte van de zandlaag. Compartimentalisatie treedt op: de aquifers worden deelreservoirs met minder mogelijkheden tot warmtewinning. De aquifer onder Leeuwarden is echter één geheel, strekt zich over meer dan drie kilometer uit en heeft een dikte van ruim honderd meter. Hier heerst een temperatuur van 95 graden, hoger dan in de meeste andere aquifers.
Aardwarmtecentrale
De terugtocht gaat rapper, amper een oogwenk op de geologische tijdschaal. Met 300 kuub water per uur wordt de druppel door middel van een ESP (Electrical Submersible Pump) naar boven gehaald en glijdt door drie, in elkaar schuivende metalen pijpen die aan binnenzijde met GRE (glasfiber re-enforced expoxy) zijn uitgevoerd: zout veroorzaakt corrosie. Het bovenste deel van de pijp is bijna een halve meter in diameter, veel breder dan bij gaswinningen, het onderste deel nog niet eens de helft. Het middelste deel is schuin geboord en maakt een flauwe bocht.
Dan bereikt de druppel het maaiveld aan de rand van Leeuwarden, aan de Nobelweg, net ten noorden van de Dairy Campus. Het terrein van 125 bij 75 meter is nu nog ingericht met een ruim dertig meter hoge boortoren, opgerichte opslagtanks, verschillende loodsen en een wirwar aan pijpen, vergelijkbaar met boorinstallaties voor gaswinning.
Vanaf oktober 2021 wordt het terrein op de schop genomen: wanneer de boortoren is verdwenen en men een afsluiter over de productieput heeft gezet, gaat het bouwbedrijf aan de slag met ‘Warmte voor Leeuwarden’, een langwerpig gebouw met dubbele bestemming. In het hoge midden verrijst straks een kantoor en informatiecentrum, de begane grond wordt gevuld met pompen, filters, warmtewisselaars, gasketels voor de nodige achtervang en de distributie-installaties van Ennatuurlijk. Buiten staat de ontgasser, een groot drukvat.
De waterdruppel die in de ontgasser eindigt, bestaat namelijk niet alleen uit water. In de loop der tijd is de druppel meer geworden. In het water zijn, onder hoge druk en temperatuur, koolwaterstoffen opgelost, vooral methaan en in mindere mate kooldioxide. Door dat water in een drukvat onder te brengen, worden de diverse gassen en de vloeistof ontmengd, vergelijkbaar met de bubbels die bij een opengedraaide fles Coca Cola vrijkomen. Het zo ontgaste water gaat eerst langs filters om vaste stoffen eruit te zeven, daarna langs een warmtewissellaar. Dit is een ijzeren plaat waar aan de ene kant het ontgaste water stroomt en aan de andere kant koud, gedemineraliseerd water. De thermische energie van het ontgaste water wordt zo overgedragen aan het demi-water dat bij ruim 95 graden Celsius via het distributienet van Ennatuurlijk de stad in gaat.
Maar wat gebeurt er daarna met de ontgaste waterdruppel? Vlak naast de productieput staat ook een injectieput. Met dezelfde snelheid waarmee de druppel naar boven is gehaald, pompt de ESP het afgekoelde ontgaste water onder een flauwe hoek terug de aquifer in. Op die manier komen de productie- en injectieput ruim een kilometer uit elkaar te liggen en kunnen ze elkaar amper beïnvloeden. Wel wordt de temperatuur aan de mond van de injectieput iets lager terwijl de druk, vergeleken met de productieput, enigszins is toegenomen.
Warmtenet
Intussen, tussen de vroegere Hendrik Algrawei en de huidige Lorentzkade, langs het Van Harinxmakanaal, hebben boren, graafmachines, schoppen, cementmolens en hamers geklonken. Een sleuf van 4,5 meter voor lange buizen van vijfenveertig centimeter in diameter, de dikste in het traject, is gegraven.
Ook vanaf de Heliconweg over de Tesselschadestraat naar de Lange Marktstraat, in hartje Leeuwarden, zijn bouwploegen aan de slag gegaan. Het is de aanleg van de eerste fase van het warmtenet, bedoeld voor de koplopers die als eersten de aardwarmte bij circa 85 graden Celsius zullen afnemen (de gebouwen van het Rijksvastgoedbedrijf rond de Heliconweg, het ING complex en de Achmea toren). Tot eind volgend jaar zullen tien horizontaal gestuurde boringen, verdeeld over de eerste fase van het warmtenet, over een lengte van drie kilometer worden uitgevoerd.
Als de eerste fase klaar is, zijn de gebouwen rond de Tesselschadestraat via het Van Harinxmakanaal niet alleen verbonden aan andere koplopers – het Friesland College en het ziekenhuis MCL – maar ook ‘Warmte van Leeuwarden’.
Ook de wijken Techum en Jabixwoude worden via de centrale in ‘De Zuidlanden’ op het warmtenet aangesloten. Straks moet er 22 kilometer leidingen komen te liggen, elf kilometer voor de aanvoer van aardwarmte, een even grote lengte voor het afgekoelde demi-water.
Of al dat hete water straks verder de stad in zal stromen, via Aldlân-West in het oosten en/of Westeinde-Bilgaard naar Camminghaburen? Dat hangt van lopende onderzoeken af. Welke partijen willen die aardwarmte voor de daar liggende woonwijken afnemen? Tegen welk volume en bij welke temperatuur?Kan Leeuwarden op termijn, met het slaan van een tweede doublet, zelfs in ruim de helft van alle verwarming voor de stad voorzien, zowel de droom als ambitie van Ennatuurlijk?
Vragen die in de mist van de toekomst verdwijnen. Zeker is wel dat de aanleg van dit warmtenet met veel uitdagingen gepaard gaat, van boren rond de infrastructuur van wijken en onder verkeersaders (kanaal, spoor en wegen) tot het verkrijgen van schaarse bouwmaterialen als staal en de nodige vergunningen. Zeker is ook dat, alles volgens planning verloopt, meer dan een kwart van de gebouwde omgeving in de Friese hoofdstad in 2023 over oneindige stromingsenergie kan beschikken, een reuzenstap in de transitie naar een zero emissie omgeving.
Multilateraal boren
Leeuwarden is niet de enige stad die geothermie ontwikkelt. Ook Zwolle blijkt al ver met de voorbereidingen. Aan de noordrand van de stad, onder de wijken Holtenbroek, Aa-landen en Stadshagen, ligt op 2300 meter een aquifer van de Slochteren formatie. De glastuinbouw in de Koekoekspolder (bij Kampen) heeft zich daarop al aangesloten.
Meerdere gigawatts aan thermische energie voor de gebouwde omgeving aanleveren is daarentegen een andere zaak. Daarop moeten duizenden woningen worden aangesloten. De aquifer onder Zwolle blijkt dunner dan op andere plekken, zestig tot zeventig meter. Zowel de doordringbaarheid als dikte heeft, na recent seismologisch onderzoek, tot halvering van de verwachte opbrengsten geleid. Kan multilateraal boren uitkomst bieden?
TNO coördineert een Europees onderzoek naar deze innovatie. Bij deze vorm van boren worden halfweg de diepte twee of meerdere splitsingen of aftakkingen gezet die meer dan het dubbele aan thermische energie uit de putten kunnen opleveren. Hun vraag luidt dan ook: wegen die meerkosten op tegen de extra opbrengsten?
Met dank aan Ivar Nijenhuis (geoloog en directeur Geocombinatie Leeuwarden), Sjoerd de Ruiter (senior projectmanager Ennatuurlijk) en Frank van Bergen (TNO) voor hun medewerking. Beeld: 'Warmte van Leeuwarden'.