Bodemwarmteopslag kan de uitdaging van hernieuwbare energieopslag oplossen

Grote schaal energieopslag nodig

Er is een groeiende behoefte aan batterijsystemen die veel vermogen kunnen opslaan voor meerdere uren of dagen. Dit komt doordat zonne- en windenergie intermitterend zijn, met fluctuaties gedurende de dag en van dag tot dag.

In koude klimaten wordt het nog erger, want vaak stijgt het energieverbruik juist wanneer de temperaturen bijzonder laag zijn om gebouwen te verwarmen. Dus wanneer de lucht bewolkt is of zonnepanelen bedekt zijn met sneeuw, is de energievraag het hoogst.

Het gebruik van lithium‑ionbatterijen, zoals voor elektrische voertuigen, is waarschijnlijk geen schaalbare oplossing. Ze zijn simpelweg te duur, niet duurzaam genoeg en verbruiken te veel grondstoffen.

Daarom zijn veel verschillende alternatieve batterijchemieën overwogen voor grootschalige energieopslag. We bekijken de meeste van deze opties in ons artikel “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”, waaronder lithium‑ijzerfosfaat, natrium‑ion, redox‑flow, ijzer‑lucht, gesmolten metaal, nikkel‑waterstof, natrium‑zwavel, enz.

Al deze batterijen slaan energie op in de vorm van elektriciteit, op de een of andere manier, meestal via de oxidatie en reductie van een metaal.

Het probleem is dat zelfs zeer voorkomende metalen zoals ijzer of aluminium nog steeds veel mijnbouw vereisen. Wat als we energie in een andere vorm opslaan?

Warmte opslaan

Er bestaat een verrassend groot aantal opties om energie op te slaan zonder elektriciteit als opslagmedium te gebruiken. We hebben ze nader bekeken in “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition”. Deze opties omvatten:

• Samengeperste lucht.
• Zwaartekrachtbatterijen (stenen, pompwaterkracht).
• Warmtebatterijen.
• Flywheels.
• Thermische zonne‑energie.

Elk van deze opties, batterijen en niet‑batterijen, heeft voor‑ en nadelen. De ideale energie‑opslagoplossing zou aan een paar kenmerken moeten voldoen:

• Geen behoefte aan metalen en zeldzame materialen.
• Langdurige energieopslag, idealiter over meerdere weken of maanden.
• Lage kosten.
• Eenvoudig schaalbaar zonder beperkingen door beschikbare locaties of hulpbronnen.
• Kan met minimale verliezen terug worden omgezet in elektriciteit.

Voor de eerste 4/5 criteria zou warmteopslag aan de eisen voldoen. We onderzochten enkele mogelijke “warmtebatterij”‑technologieën in ons toegewijde artikel “Heat Batteries Rapidly Maturing Without the Need for Mining Metals”.

Echter, zelfs deze oplossingen vereisen nog enige productie van de opslagcapaciteit, of het nu gigantische geïsoleerde silo’s vol zand zijn of blokken van zuiver koolstof die tot 1500°C worden verwarmd.

Onderzoekers van de Kaunas University of Technology (Litouwen) onderzoeken nu een andere mogelijkheid: de energie direct opslaan in de bodem onder gebouwen, zonder extra productie.

Ze publiceerden hun bevindingen in een speciale uitgave van het tijdschrift Sustainability¹ onder de titel “Research on Increasing the Building’s Energy Efficiency by Using the Ground Beneath It for Thermo-Accumulation”.

Thermische capaciteit van bodem

Omdat bodems een mengsel van mineralen en water bevatten, hebben ze doorgaans een enorme thermische massa, oftewel de hoeveelheid energie in warmte‑vorm die ze kunnen bevatten per volume‑ of massa‑eenheid. De aard van de bodem, zoals de fysieke structuur, organisch‑materiaalgehalte, textuur en minerale samenstelling, bepaalt de thermische variaties van de bodem.

Daardoor houdt de bodem een meer constante temperatuur aan onder een bepaalde diepte (gewoonlijk 2‑3 meter / 6,5‑10 voet), die de gemiddelde jaartemperatuur van een gebied weerspiegelt.

Bron: MDPI

Het is dit principe dat wordt benut door geothermische warmtepompen, die de in de bodem opgeslagen warmte in de zomer gebruiken om huizen in de winter te verwarmen, in plaats van te proberen warmte uit de veel koudere buitenlucht te pompen. Het kan ook omgekeerd werken in warme klimaten, waar de grond overdag en in de zomer koeler blijft dan de buitenlucht. Dezelfde principes worden ook toegepast in geothermische kassen,

Thermische diffusie meten

Experimentele opstelling

Er is weinig onderzoek gedaan naar de thermische diffusie in meerdere bodemlagen en de meting gedurende het hele jaar, waardoor een goed begrip ontstaat van het potentieel van bodem als praktische thermische batterij.

Het onderzoek heeft daarom een experimentele opstelling gecreëerd met meerdere metingen op verschillende diepten. Ze voegden een elektrische weerstand toe om later de warmte‑diffusie te meten. Het experimentele onderzoek naar warmte‑dissipatie in de bodem begon in december en werd afgerond in juli.

Bron: MDPI

De experimentele metingen werden vergeleken met een digitale simulatie van de warmte‑diffusie in de bodem, waarbij beide vergelijkbare resultaten opleverden, wat de geldigheid van de simulatie aantoont.

Bron: MDPI

“De jaarlange metingen onthulden natuurlijke seizoenspatronen in de bodemtemperatuur en maakten het mogelijk verschillende trends te identificeren. We ontdekten dat zelfs het passieve gebruik van een geïsoleerd bodemvolume onder een gebouw warmteverlies kan verminderen en de energie‑efficiëntie kan verhogen.”

Prof. Ždankus – Professor aan de Kaunas University of Technology

Waterenergieopslag

De onderzoekers wisten al dat het watergehalte van de bodem, evenals luchtzakken, de snelheid van thermische diffusie en de thermische massa sterk beïnvloedt. Naarmate de diepte toeneemt, neemt ook de accumulatietijd toe, waardoor de bodem warmte langzamer en over langere perioden kan opslaan.

De activiteit van water bleek ook een sleutelfactor te zijn in de warmte‑diffusie in de bodem, omdat water warmte tussen bodemlagen en lateraal kan verplaatsen.

In één test werd de bodem verhit tot het punt waarop vocht begon te verdampen – een fase‑overgang waarbij vloeibaar water in damp verandert. Deze “fase‑overgang” van vloeibaar water naar damp absorbeert een aanzienlijke hoeveelheid warmte, waardoor de totale capaciteit van de bodem voor warmte‑retentie toeneemt en tevens het distributiepatroon verandert.

“Fase‑overgang kan een efficiënte manier zijn om warmte op te slaan. Veel grotere hoeveelheden energie kunnen in de bodem worden geladen.

Wanneer damp door de grond reist, verdeelt het de warmte over een groter gebied. “We merkten een scherpe temperatuurstijging waar de dampstroom aankwam. Dit betekent dat de energie zich verplaatst en kan worden gecontroleerd.”

Prof. Ždankus – Professor aan de Kaunas University of Technology

Praktische toepassingen

Elke perceel omvormen tot een batterij

Aangezien elk gebouw een aanzienlijk oppervlak heeft, zou het benutten van de bodem voor zowel structurele stabiliteit als warmteopslag geen extra inspanning vergen, vooral bij nieuwe gebouwen, waar de warmte‑uitwisseling tijdens de funderingsbouw kan worden geïnstalleerd.

Hetzelfde geldt voor grote bebouwde oppervlakken met beton of asfalt.

“Zo’n systeem kan helpen de warmtenetten in balans te houden of de spanning tijdens overbelasting van het elektriciteitsnet te verlichten. Het is ook mogelijk thermische accumulators voor individueel gebruik te installeren – onder woongebouwen, straten of parkeerterreinen.”

Prof. Ždankus – Professor aan de Kaunas University of Technology

Het idee is om het overschot aan stroom tijdens zonnige uren en dagen, of winderige dagen, te gebruiken om de bodem op te warmen als een gigantische warmtebatterij. Het grootste deel van de energie was nodig om de omringende bodem aan het begin te verwarmen.

In de experimentele opstelling duurde het ongeveer een week van continue warmte‑flux om een stabiel evenwicht te bereiken, waarbij geen extra warmte meer aan de bodem kon worden toegevoegd zonder dat deze weglekte.

Gedecentraliseerde netten & warmte

Een belangrijk voordeel van deze technologie is dat ze gemakkelijk kan profiteren van de gedecentraliseerde aard van zonne‑productie, zowel in landelijke als stedelijke omgevingen.

Dit kan problemen veroorzaken, omdat het net niet is ontworpen om sterk fluctuerende belastingen gedurende de dag te dragen, terwijl het vroeger slechts een relatief stabiel verbruiks­punt was. In dat opzicht bieden batterijparken weinig hulp, omdat het elektriciteitsnet nog moet worden opgewaardeerd om de batterijen te kunnen voeden.

In plaats daarvan kan het overschot aan zonne‑productie in een bepaald gebouw lokaal als warmte in de bodem worden gestuurd en later ’s nachts of na enkele dagen opnieuw worden gebruikt om het te verwarmen. Op deze manier wordt het lokale net niet overbelast tijdens de zonnigste uren.

Dit kan ook in zekere mate werken voor koeling, aangezien de bodem zowel koude als warmte kan opslaan.

Vervolgonderzoek

Een diepgaandere beoordeling van de economische aspecten van het systeem is nodig, waarbij de prijzen van gebruikte apparatuur en bouwkosten, besparingen op net‑upgrades en de duur waarin de bodem de warmte economisch kan vasthouden, worden geïntegreerd.

Tot nu toe lijkt dit een betere oplossing te zijn voor het balanceren van de energievraag in de dag‑nachtritme, of over enkele dagen, dan voor multi‑maand‑ en seizoensbalancering.

Een ander aspect dat onderzocht moet worden voordat de technologie praktisch kan worden ingezet, is hoe bestaande, kant‑en‑klare oplossingen uit de geothermische industrie kunnen worden benut.

“Ons directe doel is om bestaande oplossingen, zoals boorgaten, palen en andere ondergrondse warmte‑uitwisselingstechnologieën, te integreren in een systeem dat zowel de industrie als de residentiële sector ten goede komt.”

Prof. Ždankus – Professor aan de Kaunas University of Technology

Investeren in geothermische energie

De sector is nog relatief klein vergeleken met andere hernieuwbare energiebronnen en evolueert technologisch snel. We bespraken dit in meer detail in “Geothermal Power: Green Energy That is Red‑Hot”.

Dit betekent dat veel van de meest geavanceerde startups in de sector nog steeds privé zijn. Bijvoorbeeld, gesloten‑lus geothermische energie Eavor, superkritische geothermie Quaise, of fondsen die alleen toegankelijk zijn voor geaccrediteerde investeerders zoals Baseload Capital.

Het betekent ook dat sommige geavanceerde geothermische bedrijven, zoals Iceland Drilling, slechts een klein onderdeel kunnen zijn van een veel groter olie‑ & gasboorbedrijf (Archer Wells – ARCH.OL in dit geval).

Desondanks zijn sommige bedrijven beursgenoteerd en beschikbaar voor particuliere beleggers. Je kunt investeren in geothermisch gerelateerde bedrijven via vele brokers, en je kunt onze aanbevelingen voor de beste brokers op deze website vinden voor de VS, Canada, Australië, het VK, en veel andere landen.

Als je niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke bedrijven, kun je ook kijken naar ETF’s zoals de Shares Global Clean Energy ETF (ICLN), de First Trust NASDAQ Clean Edge Green Energy Index Fund (QCLN), of de ALPS Clean Energy ETF (ACES) om te profiteren van de groei van de geothermische energiesector.

Geothermische bedrijven

1. Ormat Technologies, Inc.

Ormat is ‘s werelds grootste eigenaar en exploitant van geothermische installaties. Het bedrijf heeft activa in de VS, Kenia, Indonesië en Midden‑ en Zuid‑Amerika + het Caribisch gebied, met een capaciteit van 1,5 GW, oftewel 10 % van de wereldwijde geothermische energieproductie, en voegde in 2024 nog 253 MW toe.

Bron: Ormat

Het bedrijf richt zich op een sterke groei van de stroomproductiecapaciteit, met veel nieuwe exploratieboringen, met name in Nevada, Utah en Californië. In totaal moet het tegen 2028 een capaciteit van 2,6‑2,8 GW bereiken.

Bron: Ormat

Ormat betreedt ook de markt voor energieopslag, met 290 MW online. 385 MW extra opslagcapaciteit is in ontwikkeling, met een potentieel van 2,9 GW op de lange termijn.

Bron: Ormat

Het bedrijf levert ook geothermische technologie en brengt zijn expertise in 74 % van de binaire plantprojecten, die de warmte van de grond naar een andere vloeistof overdragen; binaire installaties vertegenwoordigen 61 % van de wereldwijde geothermische energiemarkt, wat betekent dat Ormat 45 % van de wereldmarkt controleert.

Bron: Ormat

Geothermische energie is momenteel een snelgroeiende sector, maar ook een die nog zeer conservatief is vanwege het gebrek aan bekendheid met de technologie bij de meeste nutsbedrijven en industriële bedrijven.

In dat opzicht maakt dit Ormat goed gepositioneerd om te profiteren van de groeiende vraag, terwijl het tevens een van de meest gevestigde spelers in de industrie is en baseload‑hernieuwbare energie levert, iets waar andere groene technologieën nog steeds moeite mee hebben.

Laatste nieuws over Ormat Technologies

Studieverwijzing:

^{1. Tadas Zdankus , Sandeep Bandarwadkar, Juozas Vaiciunas, Gediminas Stelmokaitis, and Arnas Vaicaitis (2025). Onderzoek naar het verhogen van de energie‑efficiëntie van gebouwen door gebruik te maken van de grond eronder voor thermo‑accumulatie. Integratie van hernieuwbare energie en toepassing in gebouwen voor koolstofneutraliteit, 2e editie https://doi.org/10.3390/su17010262}