Lokaal beschikbaar, emissievrij en geschikt voor basislast: aardwarmte is een essentieel onderdeel van de energietransitie. Met GeoLaB, een nieuwe en unieke ondergrondse onderzoeksinfrastructuur, willen het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), het Duitse onderzoekscentrum voor geowetenschappen (GFZ) en het Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) het onderzoek versnellen en de technologie voorbereiden op brede sollicitatie. De faciliteit wordt gebouwd in het Zwarte Woud of het Odenwald-gebergte, waarbij de Helmholtz Association 35 miljoen euro aan financiering beschikbaar stelt.
De meeste regio’s in Duitsland zijn geschikt voor het gebruik van diepe geothermie om klimaatneutraliteit te helpen bereiken en tegelijkertijd de afhankelijkheid van geïmporteerde energie te verminderen. Warmte uit de ondergrond is ongeacht het seizoen of het tijdstip van de dag beschikbaar, waardoor aardwarmte geschikt is voor basislast. Het is ook hernieuwbaar omdat thermische eigenschappen en transportprocessen ervoor zorgen dat de warmte in het reservoir wordt aangevuld.
“Geothermie heeft een enorm potentieel. Alleen al in Duitsland zouden we het kunnen gebruiken om een derde van het gas dat we nodig hebben voor verwarming te vervangen. Gezien de klimaatcrisis en de geopolitieke situatie kunnen we het ons niet langer veroorloven om zonder te doen”, zegt professor Holger Hanselka, voorzitter van het KIT en vicevoorzitter van het onderzoeksveld Energie van de Helmholtz Association. “Maar om ervoor te zorgen dat we de benodigde technieken ook veilig kunnen inzetten en de milieu-impact minimaal kunnen houden, gaan we nu door met het ontwikkelen van aardwarmte met behulp van GeoLaB.”
De experimenten ondergronds doen
GeoLaB, wat een afkorting is voor “Geothermal Laboratory in the Crystalline Basement”, zal innovatieve grootschalige onderzoeksinfrastructuur bieden voor het onderzoeken van fundamentele vragen van reservoirtechnologie en ondergrondse boorgatveiligheid – bij de bron van de energie. De projectpartners van de Helmholtz Association zullen, samen met externe partners onder leiding van het KIT, een nieuwe mijn openen in het Zwarte Woud of het Odenwald-gebergte. Na voltooiing van de mijn zal een tunnel van ongeveer een kilometer lengte leiden naar grotten die het eerste ondergrondse onderzoekslaboratorium voor diepe geothermische energie ter wereld zullen huisvesten. Gecontroleerde high-flow experimenten (testen in gesteente bij relevante stroomsnelheden voor geothermische energie) zullen worden uitgevoerd onder een laag gesteente van minimaal 400 meter dik.
Vereniging Helmholtz doet een strategische uitbreidingsinvestering van 35 miljoen euro in GeoLaB om onderzoeksinfrastructuur aan te bieden voor gezamenlijk gebruik van haar onderzoeksgebieden Energie en Aarde & Milieu. Voor de bouw van GeoLaB gaat KIT (als coördinerend Helmholtz-centrum en namens de partners GFZ en UFZ) een samenwerking aan met de Bundesgesellschaft für Endlagerung GmbH (BGE), een overheidsbedrijf dat belast is met het beheer van nucleair afval.
De betrokkenheid van BGE is bedoeld om gebruik te maken van synergieën tussen de energietransitie en de opslag van kernafval, twee grote maatschappelijke uitdagingen. De mijnbouwexpertise voor het bouwen van GeoLaB wordt ook ter beschikking gesteld aan BGE. Er zijn echter geen plannen om een repository te bouwen op de GeoLaB-site; een aardbevingsgevoelig gebied in of nabij de Bovenrijn Graben zou daarvoor niet geschikt zijn. In plaats daarvan is het doel van BGE om essentiële ervaring en expertise op te doen bij het drijven van een mijn in kristallijn gesteente.
Basisonderzoek en snelle kennisoverdracht
“Met dit ondergrondse laboratorium betreden we nieuwe wetenschappelijke gronden en zetten we een grote stap voorwaarts voor onderzoek naar geothermische energie”, zegt professor Oliver Kraft, Vice President for Research bij het KIT. “Met behulp van geavanceerde methoden kunnen we thermische, hydraulische, chemische en mechanische parameters meten en registreren om een fundamenteel begrip te krijgen van geothermische transportprocessen, waarmee we waardevolle bijdragen kunnen leveren aan veiligheidsonderzoek voor geothermische energie.”
Met het oog op een snelle overdracht van onderzoeksresultaten naar praktische toepassingen, vult prof.dr. Susanne Buiter, wetenschappelijk directeur van het GFZ, aan: “Warmte uit de grond is een hulpbron die we nog niet genoeg hebben onderzocht, laat staan gebruiken. Daarvoor hebben we niet alleen data nodig, maar ook snelle goedkeuringsprocessen en een open dialoog met het publiek. Dit zijn ook gebieden waar onderzoek bij GeoLaB een waardevolle bijdrage zal leveren en een op kennis gebaseerde benadering mogelijk zal maken. Dan kunnen straks verschillende vormen van aardwarmte in veel steden gaan bijdragen aan de transformatie van de warmtevoorziening.”
Onderzoek helpt risico’s te minimaliseren
Eén van de redenen waarom geothermische energie tot nu toe alleen geïsoleerd is gebruikt in Duitsland, is de bezorgdheid onder burgers over door de mens veroorzaakte aardbevingen. “Dat gebeurt vooral wanneer vloeistoffen op onjuiste wijze in een reservoir worden geïnjecteerd”, zegt professor Thomas Kohl van KIT’s Institute of Applied Geosciences (AGW), de wetenschappelijke coördinator van het project. In principe is het gebruik van dergelijke verbeterde geothermische systemen (EGS) echter nodig om aardwarmte op elke locatie economisch haalbaar te maken, ook in regio’s met kristallijne gesteente. Deze gesteentelagen hebben het beste potentieel voor geothermische energie en zijn essentieel voor toekomstige energiezekerheid.
Volgens Kohl kunnen de benodigde stroomsnelheden daar meestal alleen worden bereikt met passende stimuleringsmaatregelen. “Een cruciale missie voor het onderzoek van GeoLaB zal zijn om ons begrip van geïnduceerde seismiciteit te verbeteren en om experimenteel maatregelen aan te tonen om dit te voorkomen”, zegt hij. Kohl verwacht dat de GeoLaB-experimenten onze kennis van complexe processen in kristallijn gesteente bij hoge stroomsnelheden aanzienlijk zullen uitbreiden. De bevindingen kunnen vervolgens worden toegepast op andere kristallijne reservoirs over de hele wereld.
Toegepast onderzoek met moderne methoden
Dit is ook een van de redenen waarom GeoLaB specifiek in kristallijn keldergesteente wordt gebouwd, volgens professor Ingo Sass, hoofd van de afdeling Geo-energie van de GFZ en hoogleraar Geothermische Wetenschap en Technologie aan de Technische Universiteit van Darmstadt. “Dat komt omdat we weten dat dit soort gesteente kan worden bereikt door te boren vanuit de meeste grote Duitse steden”, zegt hij. “Kennisoverdracht van GeoLaB kan cruciaal zijn voor de transformatie van verwarming in agglomeraties.”
“Ook met GeoLaB willen we nieuwe maatstaven zetten voor de digitalisering van ondergrondse labs”, zegt professor Olaf Kolditz van het UFZ. “Met een digital twin (virtual GeoLaB) krijgen we modern datamanagement gecombineerd met geïntegreerde procesmodellen zodat experimenten beter gepland en geanalyseerd kunnen worden en we een duidelijkere blik in de toekomst krijgen. Ook gaan we virtual reality-methoden gebruiken, die zich al in andere ondergrondse labs hebben bewezen, om de complexe ondergrondse processen zichtbaar en begrijpelijk te maken.”
GeoLaB als investering in de toekomst
“Het gebruik en de ontwikkeling van geavanceerde observatie- en analysemethoden met GeoLaB zal het veilige en ecologisch duurzame gebruik van geothermische energie en ondergrondse ruimtes voor toekomstige generaties vormgeven”, zegt GeoLaB’s technisch coördinator, professor Eva Schill, hoofd van het Geoenergy Cluster bij KIT’s Institute for Nuclear Waste Disposal (INE) en werkt aan GeoLaB met de Technische Universiteit van Darmstadt. “Als interdisciplinair en internationaal onderzoeksplatform zal GeoLaB synergieën genereren en normen stellen in onderzoek in samenwerking met onze onderzoekspartners, de industrie en openbare instanties.”
GeoLaB zal ook helpen om een nieuwe generatie onderzoekers en technici op te leiden; diverse relevante maatregelen zijn in voorbereiding. Daarnaast wordt een breed scala aan mogelijkheden geboden voor interactie met het publiek; in een co-designproces kunnen activiteiten worden ontwikkeld en uitgevoerd in samenwerking met de publieke en regionale belangengroepen.