Hoe werkt geothermische energie: gedetailleerde uitleg

Geothermische energie maakt gebruik van de warmte die is opgeslagen in de aardbodem, een hernieuwbare bron die in de eerste 20 meter onder het aardoppervlak een stabiele temperatuur tussen 10 en 15 °C handhaaft. In dit artikel worden de fysische en technische principes beschreven waarmee deze bron kan worden omgezet in verwarming, koeling en sanitair warm water voor woningen. Als u meer wilt weten, kunt u terecht op Ecoforest.

Fysische principes van warmteoverdracht in geothermie

1. Warmtegeleiding in de ondergrond

Warmte wordt door geleiding overgedragen via gesteenten en bodems, een proces dat wordt bepaald door de wet van Fourier:

Waarbij q de warmtestroom is (W/m²), k de thermische geleidbaarheid van het materiaal (1,5-4 W/m·K voor kleiachtige tot granietachtige bodems) en ∇T de temperatuurgradiënt. De geleidbaarheid neemt toe met de vochtigheid van de bodem: bij 100% verzadiging stijgt k tot 300% ten opzichte van droge bodems.

2. Convectie in aquifers en vloeistoffen

In open opvangsystemen fungeert het grondwater als convectiemedium en transporteert het warmte volgens:

Met ρ (dichtheid van water), cp (specifieke warmte), ΔT (temperatuurverschil) en v (stroomsnelheid). Dit mechanisme domineert in geothermische velden met gemiddelde en hoge enthalpie.

3. Geothermische gradiënt: natuurlijke motor

De temperatuur stijgt met de diepte met gemiddeld 3 °C per 100 m, hoewel dit in vulkanische gebieden meer dan 10 °C/100 m kan zijn. Deze gradiënt, in combinatie met de geleidbaarheid van de bodem, bepaalt de warmtestroom:

Voor een woning in Madrid, met k=2,5W/m\cdotpK en een gradiënt van 0,03°C/m, bedraagt de natuurlijke stroom 75 mW/m².

Belangrijkste onderdelen van een geothermisch systeem voor woningen

1. Ondergrondse opvang

• Verticale sondes: U-vormige polyethyleen buizen die in boringen van 50-150 m worden geplaatst. Ideaal voor kleine terreinen, met een COP van 4,5-5,2.
• Horizontale collectoren: Netwerk van buizen op 1,5-2 m diepte. Vereisen 2-3 keer de bruikbare oppervlakte van de woning, met een COP van 3,8-4,3.

2. Geothermische warmtepomp

Belangrijk apparaat dat warmte versterkt door middel van een thermodynamische cyclus:

1. Verdamper: Absorbeert warmte uit de antivriesvloeistof (glycol-water) bij -3 °C.
2. Compressor: Verhoogt de druk en temperatuur van het koelmiddel (R-32 of CO₂) tot 70 °C.
3. Condensor: draagt warmte over naar het verwarmings-/warmwatercircuit.
4. Expansieklep: verlaagt de druk om de cyclus opnieuw te starten.

Ga voor meer informatie over geothermische warmtepompen naar Ecoforest.

3. Distributiesystemen

• Vloerverwarming: werkt bij 35 °C in de winter en 18 °C in de zomer, voor maximale efficiëntie.
• Fancoils: Vereisen hogere temperaturen (45-55 °C), waardoor de COP met 15-20% daalt.

Stapsgewijs proces: van de aarde naar uw huis

1. Warmteonttrekking: De sondes vangen thermische energie op uit de ondergrond, waar een warmtedragende vloeistof met een snelheid van 0,25-0,5 m/s circuleert. In de winter absorbeert deze 10-15 °C; in de zomer voert deze restwarmte af.
2. Thermische versterking: De pomp verhoogt de temperatuur door middel van compressie en verbruikt 1 kWh elektriciteit om 4-5 kWh warmte te genereren.
3. Efficiënte distributie: De warmte wordt overgedragen naar lage-temperatuur-emitters, waardoor het verschil tussen vloer en plafond ≤2 °C blijft.
4. Duurzame terugvoer: De gekoelde vloeistof keert terug naar de ondergrond, waardoor de thermische bron wordt aangevuld.

Praktische toepassingen en efficiëntie

Casus 1: Eengezinswoning in Barcelona

• Configuratie: 2 verticale sondes van 100 m + vloerverwarming.
• Rendement: COP 4,8, besparing van 70% ten opzichte van aardgas.
• Investering: 18.000 €, terugverdiend in 7 jaar met subsidies.

Geval 2: Gemeenschapsgebouw in Milaan

• Systeem: Open opvang in aquifer bij een constante temperatuur van 14 °C.
• Efficiëntie: 550 MWh/jaar, vermindering van 120 tCO₂ per jaar.

Mythes vs realiteit

• Mythe: “Geothermie werkt alleen in vulkanische gebieden”. Realiteit: 95% van het Europese grondgebied heeft voldoende gradiënten voor systemen met lage enthalpie.
• Mythe: “Boren beschadigt de ondergrond”. Realiteit: Voorafgaande hydrogeologische studies garanderen de duurzaamheid.

Innovaties 2025: Geothermie 4.0

• IoT-sensoren: monitoren in realtime de thermische geleidbaarheid van de bodem en passen de COP aan.
• Hybride systemen met fotovoltaïsche energie: thermische opslag van overtollige zonne-energie in de ondergrond.

Met een aanzienlijk wereldwijd potentieel consolideert geothermie zich als de ruggengraat van duurzame klimaatbeheersing. De integratie ervan met bioklimatologische architectuur en slimme netwerken geeft een nieuwe betekenis aan het concept van energie-efficiëntie in woningen. Ga voor meer informatie naar Ecoforest.