Geothermie Terschelling
Opdrachtgever
Gemeente Ameland Postbus 22 9160 AA Hollum Contactpersoon: Sicco Boorsma
Adviseur Energie en Geologie
IF Technology bv Velperweg 37 Postbus 605 6800 AP Arnhem T 026 – 35 35 555 F 026 – 35 35 599 E
[email protected] Contactpersoon: Guus Willemsen
Adviseur Well Engineering
BECi Tynaarlosestraat 68 9481 AE Vries T 0592-543623 E
[email protected] Contactpersoon: Tom Bakker
Dit onderzoek is mede mogelijk gemaakt door de Europese Unie Leader +
58196/GW 24 juli 2008
Inhoudsopgave 1
Inleiding ....................................................................................................................... 3
2
Aardwarmte en geologie ............................................................................................. 4 2.1 Aardwarmte ..................................................................................................... 4 2.2 Principes.......................................................................................................... 4 Geothermie .......................................................................................................... 4 Kalina cycle.......................................................................................................... 5 Geothermie met gasproductie en co-injectie van CO2........................................ 6 2.3 Geothermische gradiënt.................................................................................. 7 Terschelling ......................................................................................................... 7 Zuidwal Vulkaan .................................................................................................. 8 2.4 Aanwezige formaties....................................................................................... 9 Terschelling ....................................................................................................... 10 Zuidwal............................................................................................................... 11 2.5 Capaciteiten .................................................................................................. 11
3
Financiële analyse..................................................................................................... 12 3.1 Varianten ....................................................................................................... 12 3.2 Investerings- en kostenramingen .................................................................. 15 3.3 Warmteafzet en emissiereductie................................................................... 15 3.4 Kostprijsberekeningen................................................................................... 18
4
Conclusies en aanbevelingen ................................................................................... 22
Bijlagen: 1 Geologische tijdsschaal 2 Project Doorloop
58196/GW
24 juli 2008
2
1
Inleiding De Waddeneilanden hebben interesse in de mogelijkheden voor elektriciteit productie door middel van geothermie. De gemeente Ameland heeft IF Technologie daarom namens de Duurzame Energieteams van de Waddeneilanden opdracht gegeven om de mogelijkheden van elektriciteit productie door middel van geothermie in de omgeving van Terschelling te onderzoeken. Voor dit onderzoek wordt een geologische inventarisatie uitgevoerd en wordt aangegeven welke lagen de meeste potentie bieden. Tevens wordt voor een drietal opties een financiële analyse uitgewerkt. Deze analyse resulteert in een kostprijs per warmte eenheid die vergeleken kan worden met de kostprijs voor warmte door middel van conventionele technieken. Aan het eind van de studie worden aanbevelingen gedaan voor het eventuele vervolgtraject. In dit rapport wordt ingegaan op de volgende onderzoeksvragen: 1. Beschikbare capaciteit van diepe aardwarmte op Terschelling. 2. Het in kaart brengen van de mogelijkheden van elektriciteitslevering op Terschelling uit aardwarmte. 3. De mogelijkheden van een combinatie van op Terschelling gewonnen aardgas en geothermie. 4. Kostenramingen van een Geothermische energie centrale, warmwater distributienet en boren van een doublet (injectie en productie put). 5. Type Geothermische energiecentrales die gebruik kunnen worden. 6. Rentabiliteitsberekening voor de verschillende opties in euro/GJ of euro/kW. 7. Energiebesparingen en -reductie CO2-emissie.
58196/GW
24 juli 2008
3
2
Aardwarmte en geologie
2.1
Aardwarmte Onder aardwarmte of geothermie wordt in dit kader verstaan het gebruiken van warmte uit diepere aardlagen om huizen, kantoren of kassen te verwarmen, of elektriciteit op te wekken. Deze warmte ontstaat door warmte die vrijkomt bij radioactieve reacties in de kern van de aarde, op een diepte van 5.000 tot 6.500 km. De temperatuur van de kern bedraagt tussen de 5.000 tot 6.000 °C. Deze warmte wordt naar het aardoppervlak getransporteerd door twee processen; convectie stroming in de vloeibare mantel en geleiding in de korst. Door de materiaaleigenschappen van de korst neemt de temperatuur met de diepte toe. De korst van de aarde is opgebouwd uit verschillende afzettingen (formaties), die bestaan uit verschillende materialen. Deze materialen zijn afgezet gedurende verschillende tijdsperioden. Een overzicht is weergegeven in bijlage 1. Sommige formaties zijn doorlatend en bevatten water. Dit water heeft dezelfde temperatuur als het omringende materiaal. Door putten te maken in de doorlatende delen kan dit water onttrokken worden. De warmte kan dan weer worden gebruikt voor de elektriciteitsopwekking en het afgekoelde water wordt weer geïnfiltreerd in de formatie waaraan het onttrokken is.
2.2
Principes Geothermie In het schema hieronder is het principe van een geothermisch systeem met elektriciteitsproductie weergegeven.
58196/GW
24 juli 2008
4
Figuur 2.1: Principe schema geothermie met elektriciteitsproductie Kalina cycle Bij diepere putten ontstaat vanaf een temperatuurniveau van circa 95°C de optie om tevens elektriciteit op te wekken. Deze temperatuurniveaus zijn nog te laag om van een klassieke stoomcyclus gebruik te maken. Daarom wordt als werkvloeistof uitgegaan van iso-pentaan of ammoniak-mengsels. De processen staan bekend als ORC (Organic Rankine Cycle) en Kalina Cycle. Het gehele systeem bevat dan twee geothermische bronnen, warmtewisselaar met de werkvloeistof, turbine/generator set en een warmtewisselaar met warmtedistributienet. Voor geothermische toepassingen op een relatief laag temperatuurniveau lijkt het Kalina-proces het meest toegesneden. Het proces werkt met een water-ammoniak mengsel en verloopt in een aantal stappen zoals in de volgende figuur is weergegeven.
58196/GW
24 juli 2008
5
890 kW
Figuur: Kalina cyclus In bovenstaande figuur is uitgegaan van een geothermie bron die water van 120 °C aan maaiveld levert met een debiet van 150 m³/h. Hiermee kan 890 kW elektriciteit worden opgewekt. Na aftrek van het vermogen voor de eigen pompen, blijft een netto output vermogen van 595 kW over. Bij 4.000 draaiuren kunnen hiermee 700 huizen van elektriciteit worden voorzien. Draait de centrale het gehele jaar (> 8.000 uur), dan levert die voldoende elektriciteit voor 1.400 woningen. Voor productie van elektriciteit is de genoemde waarde van 120°C van groot belang. Bij lagere temperaturen neemt het elektrisch rendement sterk af. Geothermie met gasproductie en co-injectie van CO2 Een andere mogelijkheid is om indien het water dat onttrokken wordt ook gas bevat dit gas te gebruiken in een WKK (Warmte Kracht Koppeling) installatie. De WKK installatie zet het gas om in warmte en in elektriciteit. Bij de verbranding van aardgas in de WKK ontstaat CO2. Het voordeel van een combinatie met een geothermisch doublet is dat de CO2 die ontstaat met het retourwater weer teruggevoerd kan worden de bodem in. Het systeem levert dus extra warmte en elektriciteit, maar het geheel blijft CO2 neutraal. Bij de injectie van CO2 is het van belang dat bij het reservoir waar de CO2 in geïnjecteerd wordt een goede afsluitende laag aanwezig is.
2.3
Geologie Niet alle formaties zijn geschikt voor geothermie. Allereerst moet er voldoende water aanwezig zijn, hierbij speelt de porositeit een grote rol. De temperatuur van het water in het gesteente moet voldoende hoog zijn zodat het rendement van de omzetting van warmte naar elektriciteit voldoende hoog is. Tevens moet de doorlatendheid (permeabiliteit) hoog genoeg zijn om water aan de formatie te ontrekken.
58196/GW
24 juli 2008
6
Om te bepalen of er geschikte formaties aanwezig zijn, zijn de geologische atlas en boorgegevens van diverse boringen gebruikt. In figuur 2.1 zijn in rood de locaties van de gebruikte boringen weergegeven. De groen gearceerde gebieden geven aanwezige gasvelden aan.
Figuur 2.2: De locatie van de aanwezige boringen in rood. De gele lijn is de locatie van de doorsnede in figuur 2.5.
2.3
Geothermische gradiënt Terschelling In de verschillende boringen in de omgeving zijn temperatuurmetingen verricht. De resultaten staan weergegeven in figuur 2.3. De lijn die door deze punten getrokken is, geeft een temperatuur-diepte relatie weer. Dit is de geothermische gradiënt. Hieruit blijkt dat de temperatuur op een bepaalde diepte uitstekend kan worden benaderd door gebruik te maken van de formule; T(ºC)= 0,03 (ºC/m) x diepte (m) + 12 (ºC). Deze resultaten komen goed overeen met de gemiddelde geothermische gradiënt van Nederland die uitgaat van een toename van 3 ºC per 100 m bij een gemiddelde oppervlakte temperatuur van 12 ºC.
58196/GW
24 juli 2008
7
Figuur 2.3: De geothermische gradiënt in de omgeving van Terschelling bepaald aan de hand van temperatuurmetingen in diverse boringen in de omgeving. De diepte is weergegeven t.o.v. NAP. Uit de grafiek in figuur 2.3, valt op te maken dat de temperatuur lineair met de diepte toeneemt. Verder valt eruit op te maken dat de gemeten temperaturen goed op de regressielijn liggen (R²=0,96). Hierdoor kan de temperatuur op een bepaalde diepte redelijk nauwkeurig bepaald worden. Zuidwal Vulkaan Ten zuidwesten van Terschelling, in de Waddenzee, bevindt zich een oude vulkaan met een Jura ouderdom; de Zuidwal vulkaan. Deze ligt onder het gasveld, op een hemelsbrede afstand van 20 km van het eiland. Hier zijn ook temperatuurmetingen gedaan, welke geplot zijn in figuur 2.4. Uit figuur 2.4 valt op te maken dat de temperatuur ook hier lineair met de diepte toeneemt. De gradiënt is hier echter iets hoger; T(ºC)= 0,033 (ºC/m) x diepte (m) + 12 (ºC). Lokaal komen echter uitschieters voor, zoals te zien is in de grafiek. Bij deze metingen dient rekening gehouden te worden met het feit dat de temperatuur niet lineair met de diepte toe hoeft blijven te nemen. Door de eigenschappen van het vulkanisch gesteente kan de gradiënt zelfs afnemen. Helaas zijn de boringen niet diep genoeg om hier een uitspraak over te kunnen doen.
58196/GW
24 juli 2008
8
Figuur 2.4: De geothermische gradiënt in de omgeving van de Zuidwal bepaald aan de hand van temperatuurmetingen in diverse boringen in de omgeving. De diepte is weergegeven t.o.v. NAP.
2.4
Aanwezige formaties In de buurt van Terschelling zijn de volgende formaties aanwezig; de Noordzee Supergroep, Krijtkalk Groep, Rijnland Groep, Altena Groep, Zechstein, Boven-Rotliegend en de Limburg Groep. Van deze formaties zijn vanwege de samenstelling alleen de Rijnland Groep, het Boven-Rotliegend en de Limburg Groep interessant. De Rijnland Groep ligt echter te ondiep om de minimale temperatuur voor elektriciteitsproductie te bereiken, zie tabel 2.1. Een andere mogelijkheid is de Zuidwal vulkaan. Tabel 2.1: Overzicht van de verschillende formaties in de ondergrond van Terschelling Formatie Diepte basis (m) Dikte(m) Temperatuur (ºC) Rijnland Groep 2.250 400 76 Boven Rotliegend 3.000 300 100 Limburg Groep * >1000 >100 * de top van de Limburg groep wordt verwacht op een diepte van 7 km
In figuur 2.5 is een doorsnede weergegeven vanaf de Zuidwal vulkaan naar het noorden van Terschelling. De lagen liggen niet horizontaal en daarnaast zijn een aantal grote plotselinge verspringingen te zien. Deze verspringingen worden veroorzaakt door breuken. Daarnaast is duidelijk te zien dat de diktes variëren. Uit het profiel valt tevens op te maken dat in het zuidwesten de Zuidwal vulkaan duidelijk zichtbaar is waartegen de afzettingen uit het Trias, Zechstein en Boven-Rotliegend uitdunnen.
58196/GW
24 juli 2008
9
Terschelling
Figuur 2.5: Algemene geologisch profiel van Terschelling naar de Zuidwal vulkaan. De locatie is weergegeven in figuur 2.2. Terschelling Het Boven-Rotliegend is afgezet tijdens het Laat-Perm, 270-260 miljoen jaar geleden. De afzettingen bestaan in de omgeving van Terschelling uit de Slochteren Formatie, de Ten Boer en Ameland van de Silverpit Formatie. De Ten Boer en Ameland bestaan beide hoofdzakelijk uit kleistenen. Daarentegen bestaat de Slochteren Formatie voornamelijk uit zandstenen. Tussen de zandstenen worden in de omgeving van Terschelling enkele kleilagen aangetroffen, deze nemen richting het zuiden af in dikte en aantal. De basis van het Boven-Rotliegend bevindt zich ongeveer op 3.000 m op de locatie en varieert in de directe omgeving van Terschelling door de aanwezigheid van breuken tussen de 2800-3000 m. Hierdoor zal deze formatie een temperatuur hebben van ongeveer 100 ºC. De totale dikte van het gehele Boven-Rotliegend bedraagt op de locatie ongeveer 300 m. Op de locatie van de Zuidwal vulkaan is de formatie niet afgezet. In de omgeving van Terschelling bevinden zich 2 gasvelden in de Boven-Slochteren Zandsteen. In het gasveld Terschelling-West bevat het Slochteren laag calorisch gas. Dit gasveld ligt in de directe omgeving van de locatie, zie figuur 2.2. Het gasveld Terschelling-Noord bevindt zich ongeveer halverwege het eiland en strekt zich uit in noordelijke richting. Beide gasvelden zijn momenteel (nog) niet in productie; TerschellingWest is nog open, voor Terschelling-Noord is een aanvraag voor productie licentie ingediend. De porositeiten van het Slochteren liggen in deze gasvelden tussen 7-15 %.
58196/GW
24 juli 2008
10
Naar verwachting is de porositeit richting het zuiden beter doordat het kleigehalte in de zandstenen in die richting afneemt. De sedimenten uit de Limburg Groep zijn afgezet tijdens het Laat Carboon, 327-290 miljoen jaar geleden. Ze bestaan uit een afwisseling van kleisteen met zeer fijn- tot fijnkorrelige zandstenen, siltstenen en koollagen. Doordat de zanden afgezet zijn door riviertjes en kleine meertjes in moeras omstandigheden, zijn de precieze voorkomens van de zandlichamen onvoorspelbaar. In geen van de boringen werd de basis van deze sedimenten bereikt waardoor de dikte onbekend is evenals de samenstelling in het oudere deel van de Limburg Groep. Geschat wordt dat de basis van de Limburg Groep zich onder Terschelling rond de 7 km bevindt. Vermoedelijk komen onder de afzettingen van de Limburg Groep kalkstenen voor uit het Vroeg-Carboon. Gezien de vraag naar de mogelijkheden voor elektriciteitsopwekking, is verder onderzoek nodig naar de Limburg Groep zelf en naar de sedimenten welke zich onder de Limburg Groep bevinden. Zuidwal De stratigrafie wijkt enigszins af op de locatie van de Zuidwal vulkaan. De boring Zuidwal1 heeft alleen de Noordzee Supergroep, Krijtkalk Groep en de Rijnland Groep aangeboord voordat de vulkaan zelf werd aangetroffen op een diepte van ongeveer 1900 onder NAP. Uit het profiel in figuur 2.5 blijkt dat ook lokaal Boven-Jura afzettingen voorkomen. In de boring Zuidwal-01 is de vulkanische pijp aangetroffen waar de temperaturen hoger zijn dan de boringen die de flanken raken. De vraag is echter of de hogere temperatuurgradiënt door zal zetten of afgezwakt wordt door de hoge warmtegeleiding van het gesteente. Verder onderzoek is nodig naar de oorsprong van deze verhoogde gradiënt en naar de porositeit van het gesteente. Momenteel wordt er in dit gebied nog gas gewonnen uit de Vlieland Zandsteen van het Onder-Krijt.
2.5
Warmtecapaciteiten De (warmte)productie capaciteit van een laag hang van een aantal factoren af. Ten eerste is de temperatuur van de laag erg belangrijk. Ten tweede speelt het debiet een rol en ten derde de afstand tussen de productie put en de infiltratie put. De afstand tussen de putten bepaald de levensduur van de putten. Uitgaande van voldoende afstand voor een levensduur van 30 jaar bedragen de (warmte)productie capaciteiten als volgt (Ti=25°C): Rotleigend: 12 PJ Zuidwal vulkaan: 19 PJ Limburggroep: 35 PJ
58196/GW
24 juli 2008
11
3
Financiële analyse
3.1
Varianten Uit de geologische inventarisatie is gebleken dat op en in de omgeving van Terschelling verschillende lagen aanwezig zijn die mogelijk interessant zijn voor elektriciteit productie. Om te bepalen welke laag de meeste potentie biedt is voor een drietal varianten een financiële analyse uitgevoerd. Ook is per variant een risico inschatting gegeven. Variant 1: Rotliegend Bij deze variant wordt uitgegaan van het Rotliegend in de omgeving van Terschelling. Deze laag bevindt zich op een diepte tussen 2.600 en 3.200 m. De producer wordt geplaatst in het diepste gedeelte (het warmst) en de injector in het ondiepste gedeelte (het goedkoopst). De temperatuur die verwacht wordt bij de producer bedraagt circa 100°C. In figuur 3.1 is een schematische weergave van een productie bron weergegeven. Rechts naast het schema staan twee verschillende dieptes. De diepte in de eerste kolom is de verticale diepte. De diepte in de andere kolom is de lengte van het boorgat. Aangezien de put gedevieerd (schuin) geboord wordt is deze lengte groter dan de verticale diepte. In het huidige ontwerp wordt uitgegaan van een vertikaal geboorde injectie put en een gedevieerde productie put. De horizontale afstand tussen het beginpunt van de put aan het oppervlak en het eindpunt van de put op diepte bedraagt 2 km. In figuur 3.2 is een verticale dwarsdoorsnede van de geologie en de puttrajecten weergegeven.
Figuur 3.1 Schematische weergave productie put
58196/GW
24 juli 2008
12
Terschelling 2 km Outstep Rotliegendes Production Well True Vertical DEPTH (m) -2500 0
VERTICAL SECTION (m) -2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500 Productie Top Rijnland Top Trias
Injectie Top Boven Jura Top Rotliegend
Top Krijt Top Zechstein Basis Boven-Rotliegend
Figuur 3.2 Dwarsdoorsnede geologie en puttrajecten Voor de berekeningen wordt uitgegaan van een debiet van 150 m³/h en een retourtemperatuur uit de Kalina van 65°C. Het thermische vermogen bedraagt hierbij 5,8 MWt. Bij een netto omzettingsrendement van 5% (bruto 8%) bedraagt het elektrische vermogen 290 kWe. De overgebleven 65°C kan nog prima aangewend worden voor het verwarmen van bijvoorbeeld bedrijfsruimten. Bij het gebruik van de overgebleven warmte voor dergelijke toepassingen kan de uiteindelijke retourtemperatuur teruggebracht worden tot 40°C. Bij deze temperatuursprong (65°C naar 40°C) bedraagt het thermische vermogen dat geleverd kan worden 4 MWt. Voor de berekening is uitgegaan van een debiet van 150 m³/h. Het werkelijke debiet dat onttrokken kan worden is afhankelijk van het doorlaatvermogen van de waterformatie. Indien het doorlaatvermogen meevalt, kan misschien wel een debiet van 200 m³/h onttrokken worden. Bij een tegenvallende doorlaatbaarheid, moet het debiet naar beneden worden bijgesteld. Het putontwerp is geschikt voor de genoemde spreiding. In geval van een tegenvallend debiet zijn er maatregelen mogelijk, zoals het horizontaal inboren van de waterformatie of het plaatsen van kunstmatige breuken (z.g.n. fracturing). De maatregelen zijn kostenverhogend en beïnvloeden dus de economische waardering in negatieve zin.
58196/GW
24 juli 2008
13
Variant 2: Zuidwal vulkaan Een tweede optie is het boren in de Zuidwal vulkaan. De verwachting is dat hier de geothermische gradiënt steiler is, waardoor ondieper hogere temperaturen verwacht kunnen worden. Op basis van de beschikbare temperatuurmetingen wordt verwacht dat de temperatuur op een diepte van 3 km circa 140°C bedraagt. Voor het boren in de Zuidwal vulkaan wordt uitgegaan van twee verticale boringen. Eén tot een diepte van 2 km (injector) en een tot een diepte van 3 km (producer). Voor de berekeningen wordt uitgegaan van een debiet van 150 m³/h en een retourtemperatuur uit de Kalina van 80°C. Het thermische vermogen bedraagt hierbij 10 MWt. Bij een netto omzettingsrendement van 10% (bruto 15%) bedraagt het elektrische vermogen 1000 kWe. Ook hier kan de overgebleven warmte voor verwarmingsdoeleinden gebruikt worden. Bij een retourtemperatuur van 40°C bedraagt het thermische vermogen 6,6 MWt. Het exacte debiet kan op dit moment niet bepaald worden, maar gezien het feit dat de vulkanische pijp uit instortingsbreccies bestaat is de kans groot dat een hoge permeabiliteit aanwezig is. Mogelijk kan hierdoor zelfs een debiet van 200 m³/h onttrokken worden. Het elektrische vermogen dat hierdoor opgewekt kan worden neemt dan met 30% toe. Variant 3: Limburg groep (Kolenkalk) Onder het Rotliegend is nog een laag aanwezig die mogelijk potentie biedt voor elektriciteit productie; dit is de Kolenkalk van de Limburg groep. De verwachting is dat de Kolenkalk aanwezig is vanaf een diepte van ca 7 km en dat het meer dan 1 km dik is. De temperatuur in de Kolenkalk bedraagt circa 240°C. Voor de berekeningen wordt uitgegaan van een debiet van 150 m³/h en een retourtemperatuur uit de Kalina van 170°C. Het thermische vermogen bedraagt hierbij 11 MWt. Bij een netto omzettingsrendement van 20% (bruto 25%) bedraagt het elektrische vermogen 2.200 kWe. De resterende temperatuur is hoog genoeg om nog meer elektriciteit te maken. Hierbij wordt dan bijvoorbeeld teruggekoeld tot 100°C. Bij een netto omzettingsrendement van 15% levert dit nog eens 1.700 kWe. De resterende warmte kan aangewend worden voor verwarming. Bij een retourtemperatuur van 40°C bedraagt het thermische vermogen 10 MWt. In onderstaande tabel zijn de belangrijkste kentallen van de hiervoor beschreven varianten samengevat.
58196/GW
24 juli 2008
14
Samenvatting (alle varianten 150 m³/h) variant 1 Rotliegend 2 Zuidwal 3 Kolenkalk
3.2
Tiniteel [°C] 100 140 240
Pelektrisch [kW] 290 1000 3.900
Pthermisch [kW] 4.000 6.600 10.000
aanvoertemperatuur warmtenet [°C] 65 80 100
Investerings- en kostenramingen In tabel 3.1 zijn de investering- en kostenramingen voor de verschillende varianten weergegeven. In de kostenramingen is tevens rekening gehouden met een warmtenet voor het distribueren van de warmte die overblijft na elektriciteitsproductie (in § 3.3 wordt hier verder op ingegaan). Uit voorgaande studie is namelijk gebleken dat elektriciteitsproductie in combinatie met de afzet van warmte economisch gezien het meest rendabel is. Voor de kostenramingen worden verder de volgende kentallen gebruikt: Appendages (o.a. TSA): Distributieleiding offshore: Distributieleiding onshore: Distributie van elektriciteit:
€ 1 miljoen € 750 euro/m (17 km) € 1000 euro/m (3 km) (zie figuur 3.2) geen extra kosten
Tabel 3.1 Investering- en kostenramingen (nauwkeurigheid 25%) variant
boren 6 (€ 10 )
Kalina 6 (€ 10 )
1 Rotliegend 14 1,2 2 Zuidwal 21 3 3 Kolenkalk 42 8 1 afgerond op miljoenen euro’s
transport-/ distributieleiding en 6 appendages (€ 10 ) 4 17 4
advies, aanvullend onderzoek en vergunningen (€ 6 10 ) 0,5 2 5
totaal1 (€ 106)
20 43 59
De investering voor de distributieleiding is gebaseerd op de warmtelevering aan Terschelling-West (zie figuur 3.2). Indien aan geheel Terschelling warmte geleverd moet worden, neemt de investering hiervoor aanzienlijk toe. Uit kostentechnisch oogpunt is het het meest voor de hand liggend om alleen de gebieden aan te sluiten waar een groot aantal warmtevragers bij elkaar zitten. Dit zou bijvoorbeeld gelden voor heel TerschellingWest en niet alleen de buitenring. Indien geheel West-Terschelling van warmte wordt voorzien, neemt de investering voor de distributieleiding met €7,5 miljoen toe.
3.3
Warmteafzet en emissiereductie Uit een inventarisatie is gebleken dat er diverse bedrijven en woningen aan de buitenrand van West-Terschelling aanwezig zijn die een warmtevraag hebben. In figuur 3.3 is de distributieleiding die deze bedrijven van warmte kan voorzien weergegeven.
58196/GW
24 juli 2008
15
Figuur 3.2 voorbeeld tracé distributieleiding warmte West-Terschelling Het totale gasverbruik op jaarbasis van deze bedrijven en woningen bedraagt ongeveer 0,9 miljoen m³. Dit komt overeen met ongeveer 28 TJ. Ongeveer 50% van deze energievraag zal bestaan uit warmte die geleverd kan worden door middel van geothermie. Aangenomen wordt dat het overige gas gebruikt wordt voor koken. Deze hoeveelheid warmte is te klein om een geothermische doublet economisch rendabel te maken. Het totale gasverbruik van Terschelling bedraagt ongeveer 10 miljoen m³ per jaar. In figuur 3.3 is het gasverbruik per sector weergegeven. De warmtevraag voor West-Terschelling bedraagt ongeveer 65 TJ.
58196/GW
24 juli 2008
16
gasverbruik miljoenen m3's toerisme 1,9
bedrijven huishoudens
4,5
4,4
Figuur 3.3 Gasverbruik (bron: Eneco, 2007) Indien de helft hiervan aangewend wordt voor verwarming, bedraagt die hiervoor benodigde energie 170 TJ. Bij een dergelijke warmteafzet is geothermie financieel rendabel een groot deel van de investering kan namelijk terug verdiend worden door de warmteafzet. De warmtevraag zou nog verder vergroot kunnen worden door ook warmte te leveren aan de andere Waddeneilanden, viskwekers en algen kwekerijen. Het belangrijkste kostenaspect bij het leveren aan de verschillende eilanden en verspreide gebruikers is de distributie van de warmte. Een aandachtspunt is dat bij het vergroten van de warmteafzet ook het gevraagde vermogen toeneemt. Op een gegeven moment kan het gevraagde vermogen niet meer geleverd worden met het geothermische doublet. Dit piekvermogen zou dan op een andere wijze geleverd moeten worden. Dit kan bijvoorbeeld met een piek-ketel waarbij de ontstane CO2 weer de bodem in wordt geïnfiltreerd. Een WKK gestook op het gas dat met het geothermische water omhoogkomt in combinatie met een CO2 injectie is ook een mogelijkheid. Het voordeel hiervan is dat ook elektriciteit geproduceerd wordt. In een eventuele vervolgstudie zou gekeken moeten worden naar wat de meest ideale combinatie van de verschillende technieken is. Tevens wordt het aanbevolen om in een eventuele haalbaarheidsstudie de totale warmtevraag te inventariseren (incl. temperatuurniveaus) en te onderzoeken hoe de warmte het best (goedkoopst) gedistribueerd kan worden. Emissiereductie Iedere m³ aardgas die niet verbrand wordt levert een emissie reductie op van 1,8 kg CO2. Dit komt overeen met ongeveer 56 kg/GJ. Indien de gehele warmtevraag van WestTerschelling (65 TJ) geleverd zou worden door middel van geothermie, bedraagt de emissiereductie 3600 ton/jaar. Bij een levering van 14 TJ bedraagt de emissiereductie 775 ton/jaar. De hoeveelheid elektra die geproduceerd wordt levert ook een bepaalde emissiereductie op. Bij het huidige gemiddelde centralerendement van 42% levert iedere MWh een emisssiereductie op van 475 kg CO2.
58196/GW
24 juli 2008
17
3.4
Kostprijsberekeningen Voor de kostprijsberekeningen wordt gebruikt gemaakt van een netto contante waarde berekening. Voor de berekeningen wordt uitgegaan van een looptijd van 40 jaar en een interne rentevoet van 6%. Verder wordt rekening gehouden met een inflatiecorrectie (2%) en een jaarlijkse post aan onderhoud en beheer (1,5% van de investering). Ook de exploitatiekosten worden geïndexeerd (2%). Bij de berekeningen is er vanuit gegaan dat de volledige hoeveelheid geproduceerde elektriciteit afgezet kan worden. Voor de berekening van de kostprijs van een kWh elektriciteit wordt de warmte die afgezet wordt gezien als inkomsten. De inkomsten uit de warmteafzet zijn berekend met een prijs van 14 €/GJ (ca. 0,45 €/m³). Deze prijs is gebaseerd op een combinatie van grootverbruikers en huishoudens. Voor de berekeningen is uitgegaan van de volgende warmtevragen: West-Terschelling buitenring West-Terschelling Geheel Terschelling
14 TJ 65 TJ 170 TJ
Gezien het feit dat een transportleiding over geheel Terschelling erg duur is, is alleen gekeken naar de warmteafzet in de omgeving van West-Terschelling. In onderstaande tabel zijn de resultaten van de berekeningen samengevat. Resultaten kostprijsberekening variant
afzet elektriciteit [MWh]
1 Rotliegend 2 Zuidwal 3 Kolenkalk
2.540 8.760 34.160
kostprijs elektriciteit bij 14TJ warmte [€/kWh] 0,44 0,30 0,11
kostprijs elektriciteit bij 65 TJ warmte [€/kWh] 0,33 0,27 0,10
Kolenkalk Uit de tabel blijkt dat de hoogste investering de laagste kWh-prijs oplevert. Tevens levert deze variant de hoogste temperatuur aan het distributienet. Het grote nadeel van deze optie is dat er nagenoeg geen gegevens over de Kolenkalk beschikbaar zijn. Het is dus zeer de vraag of het debiet van 150 m³/h dat aangenomen is voor de berekeningen ook daadwerkelijk uit deze laag onttrokken kan worden. Elektriciteitproductie uit de Kolenkalk kent hierdoor een zeer hoog risico. Zuidwal Hetzelfde geldt in mindere mate voor de Zuidwal optie. Voor de berekeningen is uitgegaan van het winnen van warm water uit de vulkaan. Het voordeel is dat de temperatuur hier met de diepte meer toeneemt dan op ander plaatsen. Een groot aandachtspunt is hoe groot het debiet is dat uit een put die geboord is in de pijp van de vulkaan onttrokken kan worden. De pijp is ingestort waardoor deze met grof materiaal gevuld is. Normaal gesproken levert dit een hoge permeabiliteit op. De voor de
58196/GW
24 juli 2008
18
berekeningen gehanteerde 150 m³/h kan hierdoor aan de lage kant zijn. Het verdient zeker de aanbeveling om in een vervolgfase de mogelijkheden van de Zuidwal vulkaan nader te onderzoeken. Rotliegend Elektriciteitproductie uit het Rotliegend kent het laagste risico. In de omgeving van Terschelling wordt gas gewonnen uit deze laag. Uit de beschikbare gegevens van deze winning lijkt de laag ook goed geschikt voor geothermie. Door de relatief lage temperatuur is het rendement van elektriciteitproductie laag. De kostprijs van de elektriciteit zou verlaagd kunnen worden door meer warmte af te zetten. Om inzichtelijk te maken wat een grotere warmte afzet doet met de kostprijs is tevens een berekeningen gedaan waarbij geheel Terschelling van warmte (65 TJ) wordt voorzien. De kostprijs voor een kWh elektriciteit bedraagt nu €0,33. Bij een subsidieverlening op de investering kan normaal gesproken maximaal 50% van de totale investering terug gekregen worden. Bij een dergelijke subsidie kan de elektriciteitsproductie volledig uit de baten van de warmteverkoop betaald worden. Een ander optie is om een subsidie via de SDE-regeling te krijgen. Verwacht mag worden dat elektriciteitsproductie door middel van geothermie een vergelijkbare subsidie als windenergie krijgt. Het verwachte subsidiebedrag voor wind is €0,045/kWh.
58196/GW
24 juli 2008
19
4 Combinatie met beperkte gaswinning 4.1 Algemeen beeld Op Terschelling doet zich de bijzonderheid voor dat er twee kleine gasvelden zijn (Terschelling West en Terschelling Noord) die tot op heden niet exploitabel gebleken zijn. De gasvelden liggen in een structureel hoge positie in het Rotliegendes, hetzelfde reservoir als waaruit in een dieper gelegen positie warm water gewonnen wordt. De positie van de velden is in het volgende kaartje weergegeven:
Het probleem met deze velden is dat het aardgas teveel CO2 bevat (ca 45%) en daarom niet gebruikt kan worden samen met het normale gas dat geleverd wordt door de Gasunie. Tevens komt er bij het verbranden van dit gas overmatig veel CO2 vrij. Het geothermische project biedt echter de unieke mogelijkheid om al het CO2, indien gegenereerd in een centrale faciliteit met CO2 afvang, na verbranding terug te plaatsen in hetzelfde reservoir als waaruit het gewonnen wordt. De CO2 wordt dan toegevoegd aan het geothermische retourwater, met concentraties die onder de oplosbaarheidlimiet liggen. Dit lijkt milieutechnisch goed haalbaar, hoewel er een uitgebreide studie uitgevoerd zou moeten worden naar de effecten van het co-injecteren van CO2. De gelegenheid doet zich dus voor om zodanig gebruik te maken van het gas voor additionele elektriciteitswinning via een WKK dat er niet meer CO2 ontstaat dan geplaatst
58196/GW
24 juli 2008
20
kan worden met het geothermische retourwater. Met een dergelijke aanpak kan Terschelling waarschijnlijk geheel voldoen aan haar energie vraag voor elektriciteit en warmte, met een mogelijkheid van export naar nabije waddeneilanden. Men kan zich voorstellen dat de gaswinning en WKK parallel gerealiseerd wordt met het geothermische systeem en dat de energiewinning zich opschaalt naarmate er meer geothermische capaciteit ontstaat. Tevens zou de gaswinning tijdelijk kunnen zijn, b.v. totdat elektriciteitswinning direct uit geothermie geheel uit geothermische bronnen gehaald kan worden. Het doel van energieautonomie wordt dan in een vroeg stadium bereikt waarna over tijd de duurzaamheidsaspecten ingevuld worden. Een dergelijk gekoppeld project behoeft diepgaande studie, die niet in het bereik ligt van deze scouting opdracht.
58196/GW
24 juli 2008
21
5
Conclusies en aanbevelingen
In deze studie zijn drie opties uitgewerkt voor het produceren van elektriciteit uit geothermische warmte. Van deze opties levert de variant met het hoogste risico de laagste kostprijs op (Kolenkalk). De variant met de laagste risico’s en de laagste investering levert de hoogste kostprijs op €0,33/kWh (Rotliegend). Bij deze variante wordt ervan uitgegaan dat geheel West-Terschelling van warmte wordt voorzien (65 TJ). Bij deze berekeningen wordt het warmte potentieel van de geothermische bron voor slechts 50% benut. De warmtevraag op Terschelling is voldoende groot (170 TJ) om de warmte van het geothermische doublet meer te benutten. De vraag is of de extra investering van de benodigde distributieleiding opweegt tegen deze extra warmte afzet. In het Rotliegend is laag calorisch gas aanwezig. Dit gas kan samen met het geothermische water onttrokken, waarna het verstookt wordt in een WKK. Dit levert extra warmte en elektra op. De CO2 die hierbij ontstaat wordt met het retourwater terug de bodem ingevoerd. Gezien het feit dat gas in het Rotleigend aanwezig is, bewijst dat boven het Rotleigend goed afsluitende lagen aanwezig zijn waardoor het CO2 niet naar de atmosfeer kan ontsnappen. Bij een warmtelevering van 65 TJ bedraagt de CO2 emissiereductie op jaarbasis ongeveer 3.600 ton. Door de elektriciteitsproductie neemt de emissiereductie nog toe met 475 kg/MWh. De kostprijs voor elektriciteit is hoger dan de prijs die normaal gesproeken betaald wordt. Bij een subsidie van 50% van de totale investering kan de elektriciteitsproductie volledig betaald wordt uit de baten van de warmteafzet. Een andere mogelijkheid is de SDE regeling waarbij subsidie verleend wordt per geproduceerde kWh (€0,045/kWh). Gelet op de risico’s en de ambities van het project ligt ook in het educatieve vlak (eerste elektriciteitscentrale van Nederland) een systeem in het Rotliegend het meest voor de hand. Het probleem is dat de totale elektriciteitsproductie op jaarbasis slechts 2.500 MWh bedraagt. Om de elektriciteitsproductie te vergroten kan gebruik gemaakt worden van WKK’s in combinatie met een C)2 injectie. Uit het voorgaande wordt geconcludeerd dat het vergroten van de mogelijkheden om warmte af te zetten zeer gunstig is voor de financiële haalbaarheid van een geothermisch systeem (met co-injectie van CO2). Een gezamenlijk initiatief van de Waddeneilanden om een dergelijk systeem aan te leggen, ligt hierdoor voor de hand. Een aandachtspunt hierbij blijft van hoe de warmte het best gedistribueerd kan worden. Het wordt derhalve aanbevolen om de totale warmtevraag van alle Waddeneiland te inventariseren en een uitgebreider onderzoek naar de mogelijkheden van geothermie uit te voeren. Hierbij moet gekeken worden naar wat de beste locatie voor een geothermisch doublet ten opzichte van de alle eilanden is, en wat de beste manier is om de warmte te distribueren. Tevens zou gekeken moeten worden naar de mogelijkheden van de co-injectie van CO2 met het afgekoelde water.
58196/GW
24 juli 2008
22
Aangezien de geothermische gradiënt in de omgeving van de fossiele Zuidwal vulkaan, bepaald aan de hand van temperatuurmetingen in diverse boringen in de omgeving, een temperatuur aangeeft van 140°C bij een diepte van 3.000 meter, is het zeker aan te bevelen om verder onderzoek te verrichten naar dit mogelijke potentieel. De hogere temperatuur resulteert namelijk in een efficiëntere omzetting van warmte naar elektriciteit. Tevens is er een grote kans dat doorlatendheid van de vulkanische pijp hoog is, waardoor mogelijk een groter debiet (200 m³/h) onttrokken kan worden. Een hoger debiet resulteert in een groter elektrische vermogen. Er ligt een unieke kans om beperkte winning van aardgas met een hoog CO2 gehalte ter hand te nemen vanuit het Terschelling West en/of Noord veld voor elektriciteitopwekking in een WWK met nevengebruik van de restwarmte in het aardwarmte distributienet, gekoppeld aan het co-injecteren van CO2 met de retourstroom van geothermisch water. Hierdoor kan Terschelling in een vroeg stadium autonoom worden ten aanzien van de gehele energievraag, zonder uitstoot van CO2. Het is aanbevolen om een diepgaande studie uit te voeren naar deze mogelijkheid.
58196/GW
24 juli 2008
23
Bijlage 1 Geologische tijdsschaal
58196/GW
9 juli 2008
Bijlage 2
Project Doorloop 1.
Globale evaluatie van opties voor de benutting van geothermische energie v.v energie vraag en kansen.
2.
Detaillering van gekozen opties(s), uitwerken bestaande seismiek en geologische informatie, globaal putontwerp, kostenschatting +/- 20%, globale risico evaluatie, globale economische evaluatie.
3.
Herevaluatie seismiek, herevaluatie geologie & aanvullende studies, opties voor puttechniek en oppervlakte apparatuur, operationele analyse, analyse levensloop, kostenschatting +/- 15%, economishce evaluatie, vergunning aanvragen
4.
Detailontwerp incl casing design, evt aanvullende seismiek, definitieve put programma’s, materialen lijsten, inkoop plan, consultatie met leveranciers, tenderdocumentatie, inkoopbegeleiding.
5.
Begeleiding tijdens uitvoering, rapportage, kwaliteits & veiligheidbewaking, financiële diensten, vertegenwoordiging opdrachtgeve
1. Scouting Studie
2. Haalbaarheid
3. Voorlopig Ontwerp
4. Definitief Ontwerp
= go/nogo
58196/GW
9 juli 2008
5. Uitvoering
