Rapport kansen geothermie stadsregio Arnhem Nijmegen

Kansen voor geothermie in stadsregio Arnhem - Nijmegen

Kansen voor geothermie in stadsregio Arnhem - Nijmegen

12 oktober 2015

Kansen voor geothermie in stadsregio Arnhem - Nijmegen

Opdrachtgever

Provincie Gelderland Straatnaam 1 Postbus 9090 6800 GX ARNHEM T 026 - 359 91 11 | E post@gelderland.nl Contactpersoon: de heer H. Wouters

Adviseur

IF Technology bv Velperweg 37 Postbus 605 6800 AP ARNHEM T 026 - 353 55 55 | E g.willemsen@iftechnology.nl Contactpersoon: Guus Willemsen

Colofon

Auteurs: Benno Drijver, Noortje van Rijsingen, Rob Kleinlugtenbelt Versie: definitief Gecontroleerd door: Nora Heijnen, Guus Willemsen Vrijgegeven door: Guus Willemsen

64258/GW/20151012

2

12-10-2015

Samenvatting, conclusies, aanbevelingen In opdracht van de provincie Gelderland is een studie uitgevoerd naar het potentieel voor geothermie in de stadsregio Arnhem Nijmegen. Hierbij is gebruik gemaakt van bestaande informatie, rapporten en studies om het ondergronds potentieel in beeld te brengen. Voor de afzet van warmte is gekeken naar het warmtenet dat nu wordt/is aangelegd in de regio.

De belangrijkste conclusie is dat op basis van de huidige condities van kennis, informatie, data beschikbaarheid en technologie interessant geothermisch potentieel aanwezig is in de Kolenkalk Groep op een diepte van ca 5.000 m (+/- 1.000) ten zuiden van Nijmegen. Ondiepere lagen lijken weinig potentieel te bieden op basis van de huidige stand der techniek.

De temperatuur die kan worden onttrokken aan de Kolenkalk Groep in dat gebied bedraagt ongeveer 150 à 180 °C. Het te onttrekken debiet is op dit moment nog niet in te schatten.

Vooralsnog wordt aangenomen dat een debiet van 100 a 400 m³/uur kan worden geproduceerd (gemiddeld 200 m3/uur). Bij het geothermie project in Venlo, waar ook water uit de Kolenkalk wordt geproduceerd, wordt 200 m3/uur gerealiseerd, zij het veel ondieper (2.600 m einddiepte). Uitgaande van bovenstaande getallen bedraagt het thermisch vermogen van een geothermisch doublet in de Kolenkalk aan de zuidkant van Nijmegen 10 a 50 MW. Vooralsnog wordt uitgegaan van een project van 22 MW. De investeringen voor een project van 22 MW bedragen ca 40 à 45 miljoen euro. De exploitatiekosten worden geraamd op ca 2,4 M €/jaar (inclusief elektriciteitskosten). Uitgaande van een zekere groei van de warmtevraag van 4.000 vollasturen per jaar in het eerste jaar na realisatie, oplopend naar 7.000 in het vijfde jaar, is een warmteprijs nodig van ca 7 €/GJ voor een gemiddeld rendement van 8% op het geïnvesteerde plus geleende geld (WACC).

Hierbij wordt aangenomen dat SDE+ subsidie wordt verleend op de geproduceerde warmte conform de SDE+ regeling 2015 voor geothermische warmte van dieper dan 3.500 m. De e inkomsten bedragen dan vanaf het 10 jaar 9,3 M €/jaar. Uit een gevoeligheidsanalyse blijkt dat de warmteprijs die nodig is voor een WACC van 8% met name afhankelijk is van het debiet dat geproduceerd kan worden uit het geothermisch doublet. Bij een debiet van 100 m3/uur is een prijs nodig van 10,5 €/GJ. Op grond van bovenstaande wordt geadviseerd verder te gaan met de ontwikkeling van een geothermie project in de Kolenkalk Groep ten zuiden van Nijmegen. Als eerste stap wordt voorgesteld een opsporingsvergunning aan te vragen.

De seismische data die aanwezig zijn, zijn onvoldoende van kwaliteit om een project in de Kolenkalk Groep op te kunnen baseren. Daarom wordt voorgesteld om in een aantal stap-

64258/GW/20151012

3

12-10-2015

pen toe te werken naar het ontwerp en de aanbesteding van een nieuwe seismische survey. Doel is om uiteindelijk op basis van die nieuwe survey en met behulp van nieuwe data over de te verwachten gesteente-eigenschappen van de Kolenkalk Groep een SDE+ aanvraag en garantiefonds aanvraag te kunnen onderbouwen. Na verlening van subsidie en garantie en bij de aanwezigheid van een voldoende warmteafname contract kan het project financierbaar zijn.

64258/GW/20151012

4

12-10-2015

Inhoudsopgave Samenvatting, conclusies, aanbevelingen ............................................................................ 3 1

Inleiding ....................................................................................................................... 8

2

Aardwarmte en Geologie ............................................................................................. 9 2.1 Wat is aardwarmte ............................................................................................... 9 2.2 Temperatuurgradient.......................................................................................... 10 2.3 Beschikbare boringen ........................................................................................ 13 2.4 Globale geologische opbouw ............................................................................. 13 2.5 Kansen voor ondiepe geothermie ...................................................................... 14 2.5.1 Formatie van Maassluis .......................................................................... 14 2.5.2 Formatie van Oosterhout ........................................................................ 15 2.5.3 Formatie van Breda ................................................................................ 15 2.6 “Conventionele” Geothermie Reservoirs ............................................................ 16 2.6.1 Onder Krijt Zandstenen ........................................................................... 16 2.6.2 Trias zandstenen .................................................................................... 18 2.6.3 Slochteren zandsteen ............................................................................. 20 2.7 Kolenkalk Groep ................................................................................................ 22 2.7.1 Geologie Kolenkalk Groep ...................................................................... 23 2.7.2 Breuken .................................................................................................. 25 2.7.3 Stressveld ............................................................................................... 27 2.7.4 Slip & Dilatie analyse .............................................................................. 29 2.7.5 Geїnduceerde seismiciteit....................................................................... 32 2.7.6 Kwaliteit beschikbare seismische lijnen .................................................. 33

3

Business case ............................................................................................................ 36 3.1 Uitgangspunten .................................................................................................. 36 3.2 Investeringskosten ............................................................................................. 37 3.3 Exploitatiekosten ................................................................................................ 40 3.4 Inkomsten .......................................................................................................... 41 3.5 Warmteprijs ........................................................................................................ 41 3.6 Warmtekrachtkoppelling..................................................................................... 42 3.7 Gevoeligheidsanalyse ........................................................................................ 42

4

Plan van aanpak vervolg ............................................................................................ 44 4.1 Stappenplan ....................................................................................................... 44 4.2 Planning ............................................................................................................. 47

64258/GW/20151012

5

12-10-2015

4.3 Milestones .......................................................................................................... 47 5

Referenties ................................................................................................................ 49

64258/GW/20151012

6

12-10-2015

64258/GW/20151012

7

12-10-2015

1 Inleiding

Gedeputeerde Staten van de provincie Gelderland, de colleges van Burgemeester en Wethouders van de gemeenten Arnhem en Nijmegen, Alliander en Nuon willen samen de groei van een warmtenet in de regio stimuleren. De vijf partijen hebben hiervoor een samenwerkingsovereenkomst ondertekend. Doel is om het aantal aansluitingen op het warmtenet te laten groeien van 27.000 in 2014 tot 90.000 in 2030. Dat betekent dat (gemiddeld gezien) 4.000 nieuwe aansluitingen per jaar gerealiseerd moeten worden.

Voor het voeden van dit warmtenet is er in de toekomst behoefte aan meer duurzame warmte. Geothermie lijkt daarvoor bij uitstek een geschikte kandidaat. In het verleden zijn er studies gedaan naar de mogelijkheden van geothermie in de regio, met name voor het glastuinbouwgebied Bergerden en voor de Radboud Campus. Beide studies gaven echter aan dat er op die locaties vermoedelijk geen geschikte “conventionele” reservoirs zijn voor de productie van een economisch interessante volumestroom aan geothermisch water (“conventioneel” wil in dit geval zeggen reservoirs tussen de 1.500 en 3.000 m diepte die voldoende primaire doorlatendheid hebben en bekend zijn vanuit boringen voor geothermie en olie- en gasexploratie). In een studie die IF gedaan heeft voor Parenco (Renkum) is geconcludeerd dat de kalken die zich in de regio bevinden op een diepte van 4 à 6 km mogelijk geschikt zijn voor de productie van grote volumestromen zeer warm water. De onzekerheid daarover is echter groot. Te groot voor investeerders. Als gevolg hiervan lijkt het dat de ontwikkeling van geothermie in de regio stagneert.

De vraag die zich nu voordoet is of het zinvol en mogelijk is om deze stagnatie te doorbreken door het uitvoeren van geologisch en/of geofysisch exploratie onderzoek. De provincie wil graag inzicht in nut en noodzaak van dergelijke exploratiestappen. Daarom heeft ze IF gevraagd om uit te zoeken of er geothermische kansen zijn in de regio, en zo ja, welke stappen het beste gezet kunnen worden om die kansen zo ver te brengen qua kennis van de ondergrond dat de markt in staat is om de kansen daarna te verzilveren. In dit rapport zijn de resultaten van dit onderzoek opgenomen.

64258/GW/20151012

8

12-10-2015

2 Aardwarmte en Geologie 2.1 Wat is aardwarmte Onder aardwarmte of geothermie wordt in dit kader verstaan het gebruiken van warmte uit diepere aardlagen om te voorzien in de warmtevraag van woningen, kassen of industriële processen en/of om elektriciteit op te wekken. Figuur 2.1 presenteert het principe van warmtelevering met geothermie.

Figuur 2.1

Principe geothermie

Figuur 2.2

Opbouw van de aarde

De warmte ontstaat in de kern van de aarde, op een diepte van 5.000 tot 6.500 km. De temperatuur van de kern bedraagt 5.000 tot 6.000 °C. De warmte wordt via verschillende processen naar het aardoppervlak getransporteerd. De temperatuur neemt daardoor toe met de diepte.

De korst van de aarde is opgebouwd uit verschillende soorten gesteentes. Een klein gedeelte bestaat uit afzettingsgesteentes (formaties), die geschikt kunnen zijn voor de toepassing van geothermie. De afzettinggesteentes bestaan uit verschillende materialen die zijn afgezet tijdens verschillende tijdsperioden (bijlage 1). Sommige formaties zijn doorlatend en bevatten water. Dit water heeft dezelfde temperatuur als het gesteente waar het zich in bevindt. Door putten te maken in de doorlatende lagen kan dit warme water worden onttrokken. De warmte kan worden gebruikt voor warmtelevering en het afgekoelde water wordt vervolgens weer geïnjecteerd in de lagen waaraan het is onttrokken.

64258/GW/20151012

9

12-10-2015

Niet alle formaties zijn geschikt voor geothermie. Allereerst moet in de formatie voldoende water aanwezig zijn. De porositeit is hiervoor de bepalende factor. Daarnaast moet de temperatuur van het water hoog genoeg zijn. Tevens moet de doorlatendheid (permeabiliteit) groot genoeg zijn om voldoende grondwater aan de formatie te kunnen onttrekken.

2.2 Temperatuurgradient Voor het inschatten van de temperatuur in de ondergrond zijn twee benaderingen gekozen: 1)

Temperatuurmetingen in ondiepe en diepe boringen in Nederland en Duitsland Temperatuurmetingen in relatief ondiepe boringen in het gebied geven aan dat de temperatuur op een diepte van 250 m ongeveer 14 ± 2 °C bedraagt. De temperaturen van grotere diepte zijn afgeleid uit (ongecorrigeerde) metingen in diepe boringen. Er zijn maar weinig boringen dieper dan 4 km. Daarom is voor grotere dieptes gebruik gemaakt van boringen op relatief grote afstanden. De boringen die zijn gebruikt voor het bepalen van de geothermische gradiënt zijn weergegeven in Figuur 2.3.

Figuur 2.3 Locaties van de boringen met temperatuurmetingen die zijn gebruikt voor het bepalen van de geothermische gradiënt. De rode boringen zijn boringen tot grote diepte.

In Figuur 2.4 zijn de gemeten temperaturen uitgezet tegen de diepte. De temperatuur die uit de metingen in Nederland naar voren komt is voor een diepte van 5 km ongeveer 190 °C. Opvallend is dat de temperaturen in de boring in Münsterland (Duitsland) duidelijk lager zijn dan in de boringen in Nederland.

64258/GW/20151012

10

12-10-2015

Figuur 2.4 Ongecorrigeerde temperatuurmetingen uitgezet tegen de diepte voor nabijgelegen putten (bolletjes) en diepe putten (driehoekjes).

2)

Informatie over het verloop van de temperatuur met de diepte uit GeotIS In Duitsland is een online Geothermie Informatie Systeem (GeotIS) beschikbaar, waarin het verloop van de temperatuur met de diepte kan worden geraadpleegd.

In Figuur 2.5 is een dwarsdoorsnede opgenomen, net ten oosten van de DuitsNederlandse grens. In Figuur 2.6 is het verloop van de temperatuur met de diepte uit GeotIS toegevoegd aan de grafiek met temperatuurmetingen. Het temperatuurverloop dat volgt uit GeotIS komt goed overeen met de temperatuurmetingen. Volgens de informatie uit GeotIS is de temperatuur aan de oppervlakte ongeveer 11 °C en neemt deze toe tot ongeveer 180 ± 15 °C op een diepte van 5 km.

64258/GW/20151012

11

12-10-2015

Figuur 2.5 Dwarsdoorsnede uit GeotIS over Kleve, waarin de te verwachten temperatuur tot 5 km diepte is aangegeven.

Figuur 2.6 Gemeten temperaturen (overeenkomstig Figuur 2.4), aangevuld met de temperaturen die volgen uit GeotIS.

64258/GW/20151012

12

12-10-2015

2.3 Beschikbare boringen Voor deze studie zijn o.a, de gegevens in de omliggende boringen gebruikt. Fout! Verwijzingsbron niet gevonden. toont de boringen dieper dan 500 m in de omgeving van de stadsregio Arnhem-Nijmegen met de daarbij de bijbehorende verticale diepte van de boringen.

Figuur 2.7 Aanwezige boringen, met de werkelijke verticale diepte (TVD). In rood is het gebied van de Stadsregio weergegeven.

2.4 Globale geologische opbouw Om een indicatie te krijgen van het potentieel voor de toepassing van geothermie, is de opbouw van de ondergrond in de omgeving van de Stadsregio in beeld gebracht door middel van een dwarsdoorsnede (Figuur 2.8). De dwarsdoorsnede loopt van zuidwest naar noordoost over het gebied (inzet rechtsonder). Het onderzoek naar de kansen voor geothermie in de stadsregio Arnhem-Nijmegen kan worden onderverdeeld in een aantal categorieĂŤn: Ondiepe Geothermie Conventionele Geothermie Geothermie in de Kolenkalk Groep

64258/GW/20151012

13

12-10-2015

In de volgende paragrafen wordt op ieder van deze categorieĂŤn dieper ingegaan.

Figuur 2.8 Dwarsprofiel over de Stadsregio, met de geologische opbouw.

Het dwarsprofiel is gebaseerd op het Digitaal Geologisch Model voor de diepe ondergrond (DGMdiep v4.0). Omdat de basis van Kolenkalk groep niet is opgenomen in DGM-diep is hiervoor in het profiel gekozen voor een dikte van 500 m en zijn vraagtekens opgenomen bij de basis. De rode vraagtekens zijn opgenomen, omdat niet bekend is hoe de breuken (rode lijnen in dwarsdoorsnede) doorlopen in de diepte.

2.5 Kansen voor ondiepe geothermie De kansen voor ondiepe geothermie zijn in kaart gebracht op basis van het onderzoek naar de kansen van ondiepe geothermie in de glastuinbouw in Nederland (IF Technology, KEMA, DLV Glas en Energie, 2012). De belangrijkste eenheden die in Nederland in aanmerking komen voor ondiepe geothermie zijn (van jong naar oud) de formaties van Maassluis, Oosterhout en Breda (Boven-Noordzee Groep) en de Zanden van Brussel (OnderNoordzee Groep). Uit de dwarsdoorsnede volgt dat de Boven- en Onder-Noordzee Groep overal aanwezig zijn. De kansen voor ondiepe geothermie worden echter bepaald door de aanwezigheid (en geschiktheid) van de potentieel geschikte eenheden.

64258/GW/20151012

14

12-10-2015

2.5.1 Formatie van Maassluis Figuur 2.9 toont een verticale dwarsdoorsnede over het gebied (Wijchen - Nijmegen - Arnhem - Duiven) uit het Digitaal Geologisch Model voor de ondiepe ondergrond.

Figuur 2.9 Dwarsdoorsnede over het gebied (Wijchen - Nijmegen - Arnhem - Duiven) uit het Digitaal Geologisch Model voor de ondiepe ondergrond.

Bron: Dinoloket.

Uit de dwarsdoorsnede blijkt dat de Formatie van Maassluis (in de dwarsdoorsnede lichtblauw gekleurd en aangegeven met “MS") alleen aanwezig is in het noordelijke deel van de Stadsregio. In dit gebied ligt de basis van de Formatie van Maassluis op maximaal circa 100 m-mv. Uit bodemtemperatuurmetingen die in het gebied zijn uitgevoerd volgt voor deze diepte een temperatuur van ongeveer 12 à 13 °C. De temperatuur die wordt gevraagd door het warmtenet is minimaal 90 °C. Omdat het rendement van het opwaarderen van de temperatuur van b.v. 5 °C naar 90 °C laag is en er ook geen SDE subsidie kan worden verkregen (alleen mogelijk bij winning van aardwarmte op dieptes groter dan 500 m), is gebruik van de Formatie van Maassluis economisch niet interessant. De Formatie van Maassluis kan wel worden gebruikt voor de productie van warmte op een (veel) lager temperatuurniveau of voor warmte-/koudeopslag (WKO).

2.5.2 Formatie van Oosterhout Uit Figuur 2.9 blijkt dat de maximale diepte van de basis van de Formatie van Oosterhout (in de dwarsdoorsnede aangegeven in het groen met “OO") op circa 160 m-NAP ligt. Uit bodemtemperatuurmetingen die in het gebied zijn uitgevoerd volgt voor deze diepte een temperatuur van ongeveer 13 à 14 °C. Vanwege de diepte is ook hier geen SDE-subsidie mogelijk. Omdat ook de temperatuur te laag is voor een goed rendement, is de toepassing van voor ondiepe geothermie in de Formatie van Oosterhout economisch niet interessant.

2.5.3 Formatie van Breda De maximale diepte van de basis van de Formatie van Breda (in de dwarsdoorsnede aangegeven in het blauwgroen met “BR") is in het dwarsprofiel ongeveer 500 meter. Ter plaatse ligt de top van de Formatie van Breda op ongeveer 160 m-mv. Omdat de laag zich ondieper bevindt dan 500 meter is ook hier geen SDE-subsidie mogelijk. De temperatuur in de Formatie van Breda verloopt op de betreffende locatie van ongeveer 13 à 14 °C op 160 m-

64258/GW/20151012

15

12-10-2015

mv naar ongeveer 24 °C op 500 m-mv. Ook deze temperaturen zijn te laag om de toepassing van ondiepe geothermie rendabel te kunnen krijgen.

2.6 “Conventionele” Geothermie Reservoirs De belangrijkste conventionele geothermie reservoirs die elders in Nederland worden aangeboord zijn de Rijnland Groep (Onder Krijt zandstenen), Onder Germaanse Trias Groep (Trias zandstenen) en de Slochteren Formatie (Slochteren zandsteen).

2.6.1 Onder Krijt Zandstenen Een aantal eenheden die tot de Rijnland Groep (Onder Krijt zandstenen) behoren en potentieel kunnen bieden voor geothermie zijn het Holland Groenzand, de Bentheimer zandsteen, De Lier Zandsteen, IJsselmonde Zandsteen, Berkel Zandsteen en Rijswijk members.

Volgens informatie uit ThermoGIS ontbreken de Onder Krijt zanden in het gebied van de stadsregio Arnhem-Nijmegen (figuur 2.10). Aan de hand van de beschikbare diepe boringen is de aanwezigheid van de Onder Krijt zandstenen nader onderzocht. De geraadpleegde boringen zijn weergegeven in figuur 2.7. De boringen AHM-01, ALT-01 en SNM-GT-01 zijn niet diep genoeg om informatie te geven over de aanwezigheid of afwezigheid van de Onder Krijt Zanden. Ook MSB-01 is niet gebruikt, omdat deze zich in een andere geologische structuur bevindt. De resultaten zijn samengevat in Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Aanwezigheid, diepte en dikte van de Onder Krijt Zandstenen in de boringen die diep genoeg zijn.

Op basis van de informatie uit de boringen zijn de Onder Krijt zanden weliswaar aanwezig, maar zeer beperkt van dikte. Ter plaatse van boring NVG-01 is de Rijnland groep 109 m dik, waarvan 19 m bestaat uit Holland Groenzand. De overige 90 m bestaat uit slecht doorlatende kleisteen en mergel. Uit de diktekaart in Figuur 2.10 volgt dat de dikte van de Rijnland Groep ten noordwesten van Elst ongeveer twee keer zo groot is. Echter verwacht wordt dat de zanddikte niet toe zal nemen.

64258/GW/20151012

16

12-10-2015

Figuur 2.10 Dikte van de Rijnland Groep [m] (TNO, 2014).

Figuur 2.11 Diepte van de basis van de Rijnland Groep [m] (TNO, 2014).

64258/GW/20151012

17

12-10-2015

Uit de boorgatmeting van NVG-01 blijkt, dat het Holland Groenzand een vrij hoog kleigehalte heeft en als gevolg daarvan wordt verwacht dat deze laag een relatief lage permeabiliteit zal hebben. Er is geen geologische redenen om aan te nemen dat het Holland Groenzand elders in de regio aanzienlijk hogere permeabiliteiten en/of grotere diktes zal hebben. Vanwege de combinatie van een beperkte dikte en een lage permeabiliteit biedt deze zandsteen onvoldoende potentie voor geothermie in de Stadsregio.

2.6.2 Trias zandstenen De Trias zandstenen zijn onderdeel van de Onder Germaanse Trias Groep. Een aantal eenheden die tot de Trias zandstenen behoren en potentieel kunnen bieden voor geothermie zijn de Rรถt zandsteen, Solling zandsteen, Hardegsen Formatie, Detfurth zandsteen en de Volpriehausen zandsteen. Deze worden van elkaar gescheiden door kleistenen. De Trias zandstenen zijn afgezet in een zeer uitgestrekt vlak bekken, dat zich destijds (ongeveer 250 miljoen jaar geleden) uitstrekte van Engeland tot Polen. De variaties in de diktes van de zandsteenlagen zijn hierdoor beperkt.

Gedurende de geologische geschiedenis is op een aantal plaatsen sprake geweest van opheffing en erosie, waardoor het Trias geheel of gedeeltelijk is verdwenen. In het gebied ten zuidwesten van de Stadsregio ontbreken daardoor zelfs de gehele Trias afzettingen. In het gebied van de Stadsregio is de Onder Germaanse Trias Groep nog voor een deel aanwezig. De meest recente zandsteenlaag is het Solling zandsteen laagpakket. Aan de hand van de beschikbare boringen is de aanwezigheid en dikte van de zandsteenlagen nagegaan. De resultaten zijn samengevat in Tabel 2.2. Hieruit blijkt dat de Detfurth en Hardegsen Formatie niet aanwezig zijn. Dit is het resultaat van de Hardegsen unconformity Tabel 2.2 Aanwezigheid, diepte en dikte van de Trias Zandstenen in de boringen die diep genoeg zijn.

In NVG-01 ontbreken volgens de lithostratigrafische indeling de Trias zanden, maar is wel het Hoofdkleisteenpakket aangetroffen. Uit de well log blijkt echter dat het pakket een on-

64258/GW/20151012

18

12-10-2015

geveer 10 m dikke laag zandsteen bevat. In de boringen ZED-01 en BKH-01 is een dikker pakket Trias aanwezig. De totale dikte aan Trias zandstenen is in boring BKH-01 wat groter (ongeveer 30 m), dan in boring ZED-01 omdat deze boring zich wat verder in het bekken (wat verder naar het noorden) bevindt. De maximaal te verwachten totale dikte van de Trias zandsteenlagen bedraagt in de stadsregio Arnhem-Nijmegen ongeveer 20 meter.

Voor een economisch haalbaar project is een doorlaatvermogen van ongeveer 8 Dm nodig.

Bij een dikte van 20 m is daarvoor een permeabiliteit van 500 mD nodig. Volgens ThermoGIS ligt de permeabiliteit van de Trias zandstenen in dit gebied tussen 0 en 20 mD. Zelfs als de permeabiliteit 200 mD zou zijn (een factor 10 hoger dan de maximale waarde van 20 mD), dan nog is het doorlaatvermogen slechts 4 Dm. Geconcludeerd wordt dat deze zandsteen onvoldoende potentie biedt voor geothermie in de Stadsregio, vanwege de combinatie van een beperkte dikte en een lage permeabiliteit.

Figuur 2.12 Dikte van de Boven en onder Germaanse Trias Groep [m] (TNO, 2014).

64258/GW/20151012

19

12-10-2015

Figuur 2.13 Diepte van de basis van de Boven en onder Germaanse Trias Groep [m] (TNO, 2014).

2.6.3 Slochteren zandsteen De Slochteren Formatie behoort tot de Boven-Rotliegend Groep en wordt op een aantal plaatsen in Nederland gebruikt voor geothermie. Deze laag is niet in het gehele gebied aanwezig (figuur 2.12). Aan de hand van de beschikbare diepe boringen is de aanwezigheid van de Slochteren Formatie nader onderzocht. De resultaten zijn samengevat in Tabel 2.3.

Tabel 2.3 Aanwezigheid, diepte en dikte van de Slochteren Formatie in de boringen die diep genoeg zijn.

64258/GW/20151012

20

12-10-2015

Figuur 2.14 Dikte van de BovenRotliegend Groep [m] (TNO, 2014).

Figuur 2.15 Diepte van de basis van de Boven Rotliegend Groep [m] (TNO, 2014).

Op basis van de boringen is de te verwachten dikte van de Slochteren zandsteen in het gebied van de stadsregio Arnhem-Nijmegen 15 Ă 20 m. Volgens de diktekaart ligt de dikte van de Boven-Rotliegend Groep in de Stadregio tussen 10 en 30 m. Aangezien de Slochte-

64258/GW/20151012

21

12-10-2015

ren Formatie de enige eenheid is die aanwezig is in de Boven-Rotliegend Groep, wordt voor de maximale dikte van de Slochteren Formatie uitgegaan van 30 m.

Voor een economisch haalbaar project is een transmissiviteit (dikte x permeabiliteit) van ongeveer 10 Dm nodig. Bij een dikte van 30 m is daarvoor een permeabiliteit van ongeveer 350 mD nodig. Volgens ThermoGIS ligt de permeabiliteit van de Slochteren Formatie in dit gebied tussen 10 en 50 mD. Deze lage permeabiliteit wordt deels ondersteund door de boorbeschrijving van de formatie in NVG-01 waarin melding wordt gemaakt van een conglomeraat. Conglomeraten hebben over het algemeen een lage doorlatendheid. In de omgeving van Arnhem-Nijmegen zijn geen kernmetingen beschikbaar om de permeabiliteit van de Slochteren Formatie nauwkeuriger in te schatten. Alleen als de permeabiliteit een factor 10 hoger is dan de maximale waarde van 50 mD uit ThermoGIS, zou een transmissiviteit van meer dan 10 Dm gehaald kunnen worden. Aangezien dit niet waarschijnlijk is, wordt geconcludeerd dat deze zandsteen onvoldoende potentie biedt voor geothermie in de Stadsregio.

2.7 Kolenkalk Groep In tegenstelling tot de huidige conventionele geothermie in Nederland wordt bij een project in de Kolenkalk Groep geen gebruik gemaakt van de primaire doorlatendheid, maar van de secundaire doorlatendheid. Als gevolg van diverse geologische processen kunnen oplossingsholten ontstaan in de kalkstenen uit de Kolenkalk Groep. Als deze onderling met elkaar in verbinding staan en zo een voldoende grote open structuur vormen, kunnen deze oplossingsholtes worden gebruikt voor een geothermisch project. In Nederland is de Kolenkalk Groep bij één geothermie project aangeboord. Het gaat om een succesvol geothermie project bij Venlo. Aangezien de Kolenkalk Groep ook aanwezig is in de stadsregio Arnhem – Nijmegen, is deze eenheid potentieel geschikt als duurzame warmtebron voor het warmtenet.

De diepte van de top van de Kolenkalk Groep is bepaald aan de hand van de regionale kartering van de diepe ondergrond en is weergegeven in Figuur 2.16. Volgens dit figuur bevindt de top van de top van de Kolenkalk Groep zich in de Stadsregio op een diepte van 4 tot 6 km. De temperatuur die wordt verwacht op een diepte van 5 km ligt tussen 150 en 180 ºC op basis van zowel de Duitse als de verhoogde regionale gradiënt in Nederland.

Deze temperatuur is ruim voldoende om rechtstreeks warmte te kunnen leveren aan het warmtenet.

64258/GW/20151012

22

12-10-2015

Figuur 2.16 Diepte van de top van de Kolenkalk Groep (TNO, 2014).

Omdat de Kolenkalk Groep in Nederland slechts zeer beperkt is aangeboord is hierover relatief weinig informatie beschikbaar. De dikte van de Kolenkalk Groep is daarom ingeschat op basis van boringen op grote afstand. Daarnaast is gebruik gemaakt van de inschattingen die zijn gemaakt bij ander projecten in de regio, waarbij naast boringen ook gebruik is gemaakt van de beschikbare seismiek. Op basis van de huidige gegevens wordt verwacht dat de Kolenkalk Groep ongeveer 500 m (+/- 300 m) dik zal zijn.

2.7.1 Geologie Kolenkalk Groep Ten tijde van de afzetting van de Kolenkalk Groep lag Nederland onder zeeniveau. Onder het zeeniveau was sprake van hoger gelegen gebieden (horsten), die werden afgewisseld met lager gelegen bekkens (slenken) (Geluk et al., 2007; Hulten and Poty, 2008). De om-

64258/GW/20151012

23

12-10-2015

standigheden waren optimaal voor de afzetting van carbonaatplatformen op de hoger gelegen gebieden, terwijl in de lager gelegen slenken fijne kalken werden afgezet. De regio Arnhem-Nijmegen ligt op het noordelijk grensgebied van één van deze hoger gelegen gebieden in Nederland: het Maasbommel Hoog. Dit hoog strekt zich uit van Maasbommel richting Duitsland in zuidoostelijke richting, tussen Nijmegen en ’s-Hertogenbosch. Twee breukzones vormen de grens tussen het hoog en de slenken noordelijk en zuidelijk daarvan. Deze breukzones zijn tijdens de geologische geschiedenis van het hoog meerdere malen gereactiveerd. Dit resulteerde in erosie of geen afzetting van jongere formaties.

Op het Maasbommel Hoog ligt de Kolenkalk Groep ondieper dan in de slenken en heeft naar verwachting ook een andere samenstelling en opbouw als gevolg van een ander afzettingsmilieu. De primaire porositeit en permeabiliteit van kalksteen is over het algemeen erg laag waardoor een kalksteen niet direct geschikt is voor geothermie. Verschillen in porositeit en permeabiliteit als gevolg van het afzettingsmilieu zijn hier nog onvoldoende om een goed doorlaatbaar reservoir te vormen. De aanwezigheid van secundaire permeabiliteit is noodzakelijk. In de Kolenkalk Groep komen verschillende vormen van secundaire permeabiliteit voor: -

Karstvorming: oplossing van kalksteen door circulatie van water Vorming van dolomiet: de omzetting van calciumcarbonaten (CaCO3) naar magnesiumcarbonaten (MgCO3) Breuken en de zogenaamde damage zones daaromheen.

Om geothermie in de Kolenkalk Groep mogelijk te maken, ligt de focus op het vinden van gebieden waar deze secundaire permeabiliteit voldoende ontwikkeld is. Een combinatie van bovengenoemde vormen van secundaire permeabiliteit is goed mogelijk, aangezien breukzones een hogere doorlaatbaarheid creëren en daarmee het proces van bijvoorbeeld verkartsting bevorderen. Hierdoor is de kans op het aantreffen van oplossingsholtes bij breukzones groter.

Het Maasbommel Hoog wordt begrensd door breukzones. Deze regio’s waar zowel karst als breukzones verwacht worden zijn dus interessante gebieden voor geothermie. De regio Arnhem-Nijmegen grenst aan de noordoostelijk van de rand van het Maasbommel Hoog en ligt dus in een interessant gebied. De locatie op het Maasbommel Hoog speelt ook een rol in het bepalen van geschikte regio’s voor geothermie. De karstvorming kan beïnvloed worden door de mate van droogvalling van de kalksteen. De hogere gebieden van het hoog zullen waarschijnlijk eerder en langer drooggevallen zijn dan de lager gelegen gebieden.

Hierdoor is de kans op de aanwezigheid van verkarsting daar groter. De regio ten zuiden van Nijmegen wordt op basis van de huidige geologische gegevens dan ook gezien als het

64258/GW/20151012

24

12-10-2015

meest interessante gebied voor de ontwikkeling van een geothermie project in de Kolenkalk Groep.

2.7.2 Breuken De kans dat een breuk nog steeds verhoogde doorlatendheid heeft hangt af van het moment wanneer deze voor het laatst actief is geweest. Als een breuk al lange tijd niet actief is geweest kunnen mineralen uit water dat door de breuk stroomt neerslaan en zo de breuk weer afdichten. Ook het huidige stressveld speelt een rol in de doorlaatbaarheid van breuken. Als het stressveld loodrecht op de breukoriëntatie staat, zal de breuk dicht geduwd worden en daardoor geen of nauwelijks verhoogde doorlatendheid vertonen.

Om te bepalen wanneer breuken voor het laatst actief zijn geweest is nagegaan in hoeverre de breuken in de Kolenkalk Groep doorlopen in de bovenliggende jongere formaties. Figuur 2.17 laat zien in welke formaties de betreffende breuken (volgens de geraadpleegde kaarten) nog voorkomen. Dit geeft een indicatie waarneer de breuken voor het laatst actief zijn geweest. Aardbevingen geven meer directe informatie over wanneer breuken voor het laatst actief zijn geweest. De aardbevingen die de afgelopen 100 jaar plaatsvonden in het gebied zijn ook weergegeven in figuur 2.17.

Zoals figuur 2.17 laat zien, zijn de breuken rondom Nijmegen het meest recent actief geweest in vergelijking met de breuken rondom Arnhem. Met name de breuken ten zuiden van Nijmegen zijn interessant, aangezien die in het Kwartair nog actief zijn geweest. Ook zijn er recent (jaren ‘70) aardbevingen geweest in de regio Nijmegen. In Duitsland, bij Kleef, is in 2011 nog een aardbeving geweest. Helaas is voor deze studie geen informatie beschikbaar over de ligging van de breuken in deze regio, maar het is zeer waarschijnlijk dat de structuren onderdeel uitmaken van hetzelfde systeem als de structuren rondom Nijmegen. Dit is onder andere te zien aan de ligging van de verschillende aardbevingen. De locaties van de aardbevingen rondom Nijmegen en Kleef lijken op een lijn te liggen parallel aan die van de belangrijkste breuklijnen in de regio, namelijk Noordwest-Zuidoost. De breuk waarlangs de aardbeving bij Kleef plaatsvond is geclassificeerd als een afschuivingsbreuk met een oriëntatie die overeenkomt met de Noordwest-Zuidoost trend van zowel de andere aardbevingen als de gekarteerde breuken in het gebied. De diepte van deze beving is ongeveer 10 km, terwijl de aardbevingen rondom Nijmegen een diepte hebben variërend van 18 tot 28 km. De breuken waarlangs deze aardbevingen plaatsvonden liggen dus dieper dan de gekarteerde breuken in figuur 2.17. Deze gekarteerde breuken zijn waarschijnlijk ondiepe vertakkingen van de breuken op grote diepte waarlangs de aardbevingen plaats gevonden hebben.

64258/GW/20151012

25

12-10-2015

Figuur 2.17 Geregistreerde aardbevingen in de afgelopen 100 jaar met magnitude op de schaal van Richter (cirkels) en meest recente breukactiviteit (lijnen) afgeleid uit TNO (2006) in de regio ArnhemNijmegen.

64258/GW/20151012

26

12-10-2015

Figuur 2.18 geeft de dieptekaart van de Top Kolenkalk weer, met daarin de breuken in het gebied en de locatie van het warmtenet aangegeven. De breuken aan de zuidkant zijn op het niveau van de Kolenkalk Groep terwijl de breuken aan de noordkant op het niveau van de Zechstein Group zijn aangezien de dieper gelegen breuken hier niet gekarteerd zijn. Het zwarte kader geeft het gebied aan wat de meeste potentie heeft voor het realiseren van een succesvol geothermie project in de Kolenkalk Groep.

Figuur 2.18 Diepte Top Kolenkalk, met breuken, warmtenet en regio van met hoogste potentie aangegeven.

2.7.3 Stressveld Om te bepalen of een breuk nog verhoogde doorlatendheid vertoont of niet, kan het huidige stressveld gebruikt worden. Het regionale stressveld is momenteel een extensie regime, wat betekent dat de grootste stress verticaal is en wordt gevormd door de druk van het bovenliggende gesteente. De richting van de grootste horizontale stress bepaalt in dit geval welke breuken beter doorlatend zijn dan anderen. Met behulp van een breakout-analyse

64258/GW/20151012

27

12-10-2015

kan de oriëntatie van de maximale horizontale stress bepaald worden. Hierbij wordt met behulp van logmetingen gekeken naar de vervorming van een boorgat. Voor de regio Arnhem-Nijmegen zijn er echter geen boringen met deze metingen beschikbaar die een analyse mogelijk maken. Daarom is de World Stress Map gebruikt om een inschatting te maken van een representatieve maximale horizontale stressrichting (figuur 2.19). Hierbij is een oriëntatie van 130° bepaald. De breukvlakoriëntatie die bepaald is voor de aardbeving bij Kleef in 2011 ondersteunt deze inschatting. In tabel 2.5 zijn de stress magnitudes weergegeven, berekend met behulp van een aantal aannames (zie tabel 2.4).

Figuur 2.19 Regionale stressdata (Heidbach et al., 2008).

Tabel 2.4 Input parameters stress magnitude berekening.

Parameter Diepte Verticale stress gradiënt Poriëndruk Well bore pressure Frictie coëfficiënt

64258/GW/20151012

Eenheid

Waarde

Bron

km MPa/km

4 23

MPa MPa

40 58,4

Aanname LTG-01

-

0,6

(Zoback, 2008)

28

Gemiddelde diepte reservoir (Zoback, 2008)

12-10-2015

Tabel 2.5 Berekende stress magnitudes op basis van input tabel 2.4.

Stress

Eenheid

Waarde

Verticale stress (Sv / σ1)

MPa

93

Maximale horizontale stress (SHmax / σ2) Minimum horizontale stress (Shmin / σ3)

MPa MPa

73 57

2.7.4 Slip & Dilatie analyse Met behulp van de Slip & Dilatie analyse kan bepaald worden langs welke breuken mogelijk bewegingen kunnen ontstaan (slip) en welke breuken relatief meer open staan en dus een hogere doorlaatbaarheid hebben (dilatie).

Slip analyse Op een breukvlak werken een schuifspanning τ en een normaalspanning σn. De kans dat een breuk kan gaan bewegen wordt uitgedrukt als ‘slip tendency’ Ts waarvoor geldt:

TS 

 n

De sterkte van het breukvlak wordt aangeduid met µ, de frictiecoëfficiënt. Wanneer de slip tendency de sterkte van het breukvlak overschrijdt zal er beweging plaatsvinden langs het breukvlak. Voor een relatief zwakke breuk is dus weinig schuifspanning nodig om hem te reactiveren. Er is een frictiecoëfficiënt van 0,6 aangenomen (Zoback, 2008). De schuif- en normaalspanning kunnen berekend worden met behulp van de oriëntaties en magnitudes van de drie hoofdspanningen (σ1, σ2, en σ3). De belangrijkste parameters voor de slip tendency van een breuk zijn: -

Oriëntatie en helling van het breukvlak Oriëntatie van het stress veld Stress ratio

De slip tendency is berekend voor alle breuken rondom Nijmegen met behulp van de Coulomb 3.3 software en een plug-in voor de slip analyse (Neves et al., 2009). Tabel 2.6 geeft alle input parameters voor de slip & dilatie analyse weer.

64258/GW/20151012

29

12-10-2015

Tabel 2.6 Input parameters slip & dilatie analyse

Parameter

Eenheid

Waarde

[-] [GPa]

0.28 67

Diepte Orientatie SHmax

[m] -

4,000 130º, dip: 0º

Magnitude SV Magnitude SHmax

[MPa] [MPa]

93 73

Tabel 2.5 Tabel 2.5

Magnitude Shmin μ

[MPa] [-]

57 0.6

Tabel 2.5 Aanname (Zoback, 2008)

stress ratio, R

[-]

0.56

Helling breuken

[º]

80

Berekend (Neves et al., 2009) Breukenkaarten NL

Poisson’s ratio Young’s modulus

Bron LTG-01 LTG-01 Diepte reservoir World Stress Map

Dilatatie analyse De ‘Dilation tendency’ van een breuk geeft aan hoeveel een breuk open staat door de spanningen die erop werken. De normaalspanning op het breukvlak bepaalt hoeveel een breuk open staat of niet. De ‘Dilation tendency’ TD wordt gegeven door:

TD 

1  n 1  3

Wanneer de normaalspanning gelijk is aan de minimale horizontale stress σ3, zal de maximale horizontale stress dus parallel aan de breukoriëntatie staan en de breuk maximaal openduwen. Voor de maximale verwijding van de breuk geldt een TD van 1. Wanneer de verwijding minimaal is geldt TD = 0.

De dilation tendency is net als de slip tendency berekend voor alle breuken rondom de stadsregio Arnhem-Nijmegen met behulp van de Coulomb 3.3 software en een plug-in voor de dilation analyse (gebaseerd op Neves et al., 2009). Figuren 2.20 en 2.21 laten de verdeling van de slip en dilation data per breuksegment zien.

64258/GW/20151012

30

12-10-2015

Figuur 2.20 Resultaten slip tendency analyse.

Figuur 2.21 Resultaten dilation tendency analyse.

64258/GW/20151012

31

12-10-2015

De optimale situatie wordt verwacht als de dilation tendency hoog is, terwijl de slip tendency laag is. In deze situatie wordt een verhoogde doorlatendheid van de breuken verwacht terwijl het risico op het veroorzaken van een aardbeving laag is. De figuren 2.20 en 2.21 laten zien dat op basis van de huidige data, er breuken aanwezig zijn in de Stadsregio die een hoge dilatie en een lage kans op slip hebben.

De dilation kaart (figuur 2.21) laat zien dat de breuken die het meest parallel liggen aan SHmax ook de hoogste dilation tendency hebben. De normaalspanning die op deze breukvlakken werkt is hier bijna gelijk aan Shmin, waardoor TD naar 1 nadert. De helling van de breuken is nu ingeschat op 80°. Deze inschatting is gebaseerd op het helling van de breuken in de ondiepere lagen. De hellingshoek heeft echter een grote invloed op de dilation tendency van een breuk. Als de hoek toch kleiner blijkt dan verwacht, dan zal de dilation tendency ook kleiner zijn. In een later stadium kan de hoek van een breuk exacter worden bepaald en zal hier meer duidelijkheid over zijn.

De breuksegmenten met een hoge dilation tendency hebben vaak een slip tendency die onder de 0.60 ligt. Dit is gunstig, aangezien de schuifspanning de frictiecoëfficiënt in dit geval niet overstijgt en de breuk dus minder kans heeft om geactiveerd te worden. Hierdoor is de kans op seismiciteit lager. Door de hoge dilation tendency kan bij deze breuksegmenten wel een verhoogde doorlatendheid verwacht worden.

2.7.5 Geїnduceerde seismiciteit De publieke opinie over een geothermie project kan grote invloed hebben op de haalbaarheid ervan. Eén van de risico’s die hierin een grote rol speelt is de kans op geïnduceerde aardbevingen oftewel aardbevingen die veroorzaakt zijn door menselijke invloeden. De kans op het veroorzaken hiervan wordt beïnvloed door verschillende factoren zoals de injectiedruk, slip tendency, afkoeling van het reservoir en de locatie van de putten. De belangrijkste parameter echter, is de oriëntatie van het breukvlak ten opzichte van het regionale spanningsveld. In een ideaal geval wordt het breukvlak in kaart gebracht met behulp van 3D seismische data. Het breukvlak kan dan in verschillende cellen opgedeeld worden waarbij vervolgens voor iedere cel het risico berekend kan worden. In elke breuk komen delen voor die makkelijker gereactiveerd worden dan anderen, dus het is belangrijk om de juiste locatie in een breuk te bepalen om. Het op te stellen breuken model vormt hiervoor een goede basis.

Door het juiste ontwerp van het systeem kan het risico worden tot een minimum worden beperkt. Een eerste stap is het inschatten van het risico op aardbevingen en op basis daarvan de locaties van de putten kiezen. Bij gebruik van breukzones is geïnduceerde seismiciteit een belangrijk aandachtspunt in de vervolgfase. Met name omdat in deze regio ook natuurlijke aardbevingen voor kunnen komen.

64258/GW/20151012

32

12-10-2015

2.7.6 Kwaliteit beschikbare seismische lijnen Om de diepte en dikte van de kolenkalk nauwkeuriger in te kunnen schatten is de interpretatie van bestaande of nieuwe seismiek nodig. De seismiek is ook nodig om te zoeken naar de locaties van breuken en/of karstverschijnselen. Regio’s met karstverschijnselen kunnen de snelheid van de geluidsgolven beïnvloeden doordat er op die plekken een relatief grote hoeveelheid water aanwezig is. Hierdoor zouden karstverschijnselen te onderscheiden kunnen zijn als lage snelheidszones op de seismiek. De grootte van de oplossingsholtes is hierbij echter wel van belang. Bij kleine oplossingsstructuren is de kans aanzienlijk kleiner dat ze in de seismiek te onderscheiden zijn. Ook de structuur van bovenliggende lagen zou iets kunnen vertellen over mogelijke oplossingsverschijnselen in de kalkstenen eronder.

Door oplossing van de kalksteen kunnen bovenliggende lagen inzakken. De structuren die daarbij ontstaan, zijn in sommige gevallen te herkennen op de seismiek (Vandenberghe et al., 2000).

De kwaliteit van alle beschikbare seismiek in de regio is ingeschat en weergegeven in figuur 2.22. Vervolgens is nagegaan voor welke lijnen het reprocessen waarschijnlijk een beter resultaat oplevert. Reprocessen houdt in dat de originele data (field tapes) opnieuw geprocessed worden. Met de kennis van nu kan dan in sommige gevallen een beter beeld gecreëerd worden.

Veel van de beschikbare lijnen komen uit de jaren 60–80. De lijnen zijn in die tijd geschoten voor een veel ondieper gelegen doel, waardoor vaak een relatief korte kabellengte is gebruikt. Een korte kabellengte zorgt ervoor dat de ondiepere lagen goed zichtbaar worden.

Hierdoor wordt echter het seismische beeld van de diepere lagen, zoals de Kolenkalk Groep, onduidelijker en onbetrouwbaarder. Ondanks dat sommige lijnen dus kwalitatief goed zijn, kunnen ze ongeschikt zijn voor het interpreteren van de Kolenkalk Groep, omdat deze simpelweg niet te zien is door de toename van ruis met diepte. Het reprocessen van deze lijnen levert in zo’n geval dan ook geen verbeterd resultaat op.

64258/GW/20151012

33

12-10-2015

Figuur 2.22 Kwaliteit beschikbare seismische lijnen regio Arnhem Nijmegen. Lijnen met potentie voor reprocessing zijn dikgedrukt weergegeven.

Voor enkele lijnen is bepaald dat reprocessen zinvol lijkt: Lijn 8601D, E en F (Delft Geophysical B.V. 1986/1987) MZ-8855/56 (Mobil 1988) 8419 (B.P.E. 1985) Deze lijnen zijn dikgedrukt weergegeven in figuur 2.22. Voor het reprocessen zijn de originele fieldtapes nodig. Het is mogelijk deze op te vragen bij de opdrachtgever van de seis-

64258/GW/20151012

34

12-10-2015

mische survey, maar in verband met de ouderdom van de lijnen is het onzeker of dit gaat lukken.

Ook seismiek die geschoten is door de Maas zou informatie kunnen bevatten over de kolenkalk. De exacte locatie en het dieptebereik van deze seismiek is echter onbekend.

Rijkswaterstaat heeft destijds opdracht gegeven deze seismiek te schieten en de survey is uitgevoerd door Deltares, toen nog onderdeel van TNO. De data is bij hen in het bezit en kan gekocht worden. De kosten hiervoor zijn echter hoog en er bestaat een groot risico dat de lijn onbruikbaar is vanwege het gebrek aan informatie over de locatie en het bereik.

Voor het verkrijgen van de tapes van bovengenoemde lijnen met als doel deze te reprocessen, is contact opgenomen met Exxonmobil NL, BP NL en Baker Hughes (gedeeld eigenaar van Delft Geophysical). Helaas heeft dit tot dusver niets opgeleverd. Het blijkt een uitdaging om bij de mensen terecht te komen die kennis hebben van de opslag/overname van oude data.

64258/GW/20151012

35

12-10-2015

3 Business case

Op quickscan niveau is de business case bepaald voor geothermische warmtelevering aan het warmtenet in Arnhem-Nijmegen. In dit hoofdstuk zijn de resultaten hiervan weergegeven.

3.1 Uitgangspunten IF heeft in overleg met NUON en Alliander de belangrijkste uitgangspunten voor de business case besproken. De uitgangspunten worden hieronder één voor één kort besproken.

Bronlocaties De breuken ten zuidwesten van Nijmegen lijken de beste mogelijkheden te bieden, zie Figuur 3.1. Uitgangspunt is dat de bronnen gerealiseerd worden binnen het gemarkeerde gebied.

Figuur 3.1 Breuken met beste mogelijkheden blauwe lijnen)

Diepte en temperatuur Op de locatie ligt het reservoir tussen de 4 en 6 km diepte en de temperatuur tussen de 150 en 180°C. In de base-case wordt uitgegaan van een diepte van 5 km en een temperatuur van 165°C.

Debiet geothermische bron Uitgangspunt is dat het debiet in de base-case 200 m³/h bedraagt. Dit debiet volgt niet uit lokale data, maar is een aanname op grond van het debiet dat wordt geproduceerd uit de

64258/GW/20151012

36

12-10-2015

Kolenkalk bij Venlo. Uitgangspunt is dat voldoende secundaire doorlatendheid in de vorm van spleten en/of karst aanwezig is, en dat het aangenomen debiet haalbaar is zonder reservoirstimulatie.

Retourtemperatuur warmtenet De retourtemperatuur in het warmtenet ligt tussen de 50 en 60°C. Gerekend wordt met een retourtemperatuur van 55°C. Dit is tevens de injectietemperatuur.

Warmteafzet Voor de warmteafzet in de base-case zijn de volgende aannames gemaakt: Jaar 1 – 5: realisatie geothermie. Geen warmtelevering.

Start warmtelevering in jaar 6 4.000 vollasturen in het eerste jaar van levering (jaar 6) Vollooptijd 5 jaar. In jaar 10 wordt de volledige capaciteit van de geothermie installatie benut.

7.000 vollasturen vanaf jaar 10.

Afstand In de base-case is aangenomen dat vanaf de oppervlaktelocatie van de geothermische bronnen 3 km aan leiding moet worden gelegd om in te kunnen voeden op het warmtenet.

Rendement De investering zal deels met vreemd vermogen en deels met eigen vermogen gefinancierd worden. In de business-case zijn de uitgangspunten gehanteerd zoals deze ook binnen de SDE+ wordt aangehouden. Dit houdt in 70% vreemd vermogen tegen een rente van 5% en 30% eigen vermogen tegen een rendement van 15%. Bij deze waarden ligt de WACC (weighted average capital cost) ongeveer rond de 8%.

3.2 Investeringskosten De investeringskosten voor de base-case zijn op quickscanniveau geraamd en zijn weergegeven in Tabel 3.1. Na de tabel is een korte toelichting gegeven.

64258/GW/20151012

37

12-10-2015

Tabel 3.1 Geraamde investeringskosten

Kostenpost Voorbereiden locatie Rig-up

€ €

250.000 400.000

Boorkosten Boormanagement

€ €

22.000.000 400.000

Well heads ESP

€ €

500.000 440.000

Warmtewisselaar Olie/gas extractie

€ €

330.000 300.000

Overig geothermie Koppelleiding Subtotaal

€ € €

2.500.000 3.300.000 30.420.000

Verzekering

€

1.540.000

Seismische data Advies

€ €

1.000.000 1.060.000

Ontwerp en engineering Onvoorzien Totaal

€ € €

1.060.000 6.100.000 41.180.000

Voorbereiden locatie De locatie moet voordat aangevangen kan worden met boren, voorbereid worden. Het terrein dient toegankelijk te zijn en er wordt o.a. een betonnen vloer gestort. De kosten voor het voorbereiden van de boorlocatie zijn ingeschat op € 250.000,-.

Rig-up Tijdens de rig-up wordt de boortoren opgesteld. De kosten hiervoor zijn ingeschat op € 400.000,-.

Boorkosten De boorkosten hangen sterk af van de diepte en de boordiameter. De boorkosten liggen circa tussen de € 1.600,- per meter en € 2.000,- per meter boorgatlengte. In de base-case is gerekend met € 1.800,- per meter boorgatlengte. Uitgegaan wordt van een doublet; één injectieput en één productieput.

64258/GW/20151012

38

12-10-2015

Boormanagement Tijdens het boren wordt door experts toezicht gehouden op het boorproces. De kosten hiervoor bedragen circa € 2.500,- per dag. Ingeschat is dat het boren in totaal 160 dagen in beslag neemt.

Well heads Dit zijn de kosten voor het afwerken van de bronkop, inclusief een blow-out preventor. De kosten hiervoor in de base-case zijn geraamd op € 500.000,-.

ESP De ESP is de bronpomp. De kosten voor de ESP liggen rond de € 300,- per kW elektrisch vermogen.

Warmtewisselaar De warmtewisselaar scheidt het geothermiesysteem van de koppelleiding naar het warmtenet. De kosten voor de warmtewisselaar bedragen circa € 15,- per kW thermisch.

Olie/gas extractie In het water wat onttrokken wordt kan van nature olie en/of gassen opgelost zijn. Wanneer dit het geval is, dienen deze verwijderd te worden. Het is onduidelijk of in dit geval ook gassen of oliën opgelost zijn. Voor nu is een stelpost opgenomen in de base-case voor het verwijderen van olie of gas. Deze stelpost is geraamd op € 300.000,-.

Overig geothermie Voor overige componenten, zoals kleppen en appendages, regeltechniek, elektrische aansluiting, etc. is een stelpost opgenomen van 10% van de investeringskosten.

Koppelleiding Vanaf de bronlocaties loopt er een koppelleiding naar het warmtenet. In de base-case wordt uitgegaan van een leiding van 3 km. De kosten voor de leiding zijn geraamd op circa € 1.100 per meter.

Verzekering Via de Regeling Nationale EZ Subsidies kan het project verzekerd worden. De kosten hiervoor bedragen 7% van de boorkosten.

64258/GW/20151012

39

12-10-2015

Seismische data Voor het vervolgonderzoek zal nieuwe 2D seismiek en/of 3D seismiek nodig zijn. De kosten hiervoor zullen sterk afhangen van de type, oppervlak en locatie. Voor nu is er een (zeer grove) stelpost opgenomen van € 1.000.000 voor seismiek. In een vervolgstudie zal in meer detail de kosten voor seismiek moeten worden bepaald.

Advies Voor de kosten van advies in het vervolgtraject is een stelpost aangehouden gelijk aan 3% van de totale investeringskosten.

Ontwerp & engineering Voor de kosten van ontwerp en engineering in het vervolgtraject is een stelpost aangehouden gelijk aan 3% van de totale investeringskosten.

Onvoorzien Er wordt in de business case rekening gehouden met 20% aan onvoorziene kosten.

3.3 Exploitatiekosten De jaarlijkse exploitatiekosten voor de base-case zijn op quickscan-niveau geraamd en zijn weergegeven in Tabel 3.2. Na de tabel is een korte toelichting gegeven.

Tabel 3.2 Geraamde jaarlijkse exploitatiekosten.

Kostenpost €/a €/a €/a

Elektriciteit Onderhoud en beheer Totaal

1.490.000 910.000 2.400.000

Elektriciteit De bronpomp en de distributiepomp in de koppelleiding verbruiken elektriciteit. Voor de bronpomp is een COP van 10 aangehouden en voor de distributiepomp is een COP van 50 aangehouden. Aangenomen is dat de pompen nagenoeg het hele jaar door draaien, namelijk 8.700 uur per jaar. Het elektriciteitsverbruik van beide pompen bedraagt dan in totaal per jaar 23.000 MWhe.

Onderhoud en beheer Voor onderhoud en beheer is een stelpost aangehouden van 3% van de investeringskosten (subtotaal in Tabel 3.1).

64258/GW/20151012

40

12-10-2015

3.4 Inkomsten De investeringskosten voor de base-case zijn op quickscanniveau geraamd en zijn weergegeven in Tabel 3.3. Na de tabel is een korte toelichting gegeven.

Tabel 3.3 Geraamde jaarlijkse inkomsten.

Inkomsten Warmte

€/a

3.800.000

SDE+ subsidie Totaal

€/a €/a

5.500.000 9.300.000

Warmte Dit zijn de inkomsten voor warmte. Dit is het product van de hoeveelheid geothermische warmte die ingevoed wordt op het net en de warmteprijs (zie paragraaf 3.5). Er is geen rekening gehouden met warmteverliezen omdat in deze studie een kostprijs wordt berekend op het invoedpunt.

SDE+ subsidie SDE+ is een subsidie van de overheid om de inzet van duurzame energie te stimuleren. De subsidie wordt gefaseerd opengesteld, waarbij de goedkopere duurzame energietechnieken eerder subsidie kunnen aanvragen dan duurdere technieken. Geothermische warmte zit in de eerste fase. Het subsidiebedrag voor geothermische warmte dieper dan 3.500 m ligt momenteel op € 10,0/GJ. De SDE+ subsidie wordt toegekend over een looptijd van 15 jaar en over maximaal 7.000 vollasturen per jaar.

3.5 Warmteprijs Op basis van de investeringskosten, exploitatiekosten en inkomsten, is berekend welke warmteprijs nodig is, om een WACC te realiseren van 8%. In de bases case is een warmtetarief nodig van € 6,85 per GJ. In Figuur 3.2 zijn de inkomsten, uitgaven, kasstroom en netto contante waarde weergegeven. Het punt waar de netto contante waarde de x-as snijdt, wordt voldaan aan de rendementseis van 8%. In dit geval is dat na 15 jaar van warmte leveren.

64258/GW/20151012

41

12-10-2015

Figuur 3.2 Resultaat business case base-case.

€ 20.000.000 € 10.000.000 €0 -€ 10.000.000 -€ 20.000.000

IRR @ jaar 15: @ jaar 20: @ jaar 35:

-€ 30.000.000 -€ 40.000.000

-€ 50.000.000

Uitgaven

Inkomsten

Kasstroom

2,9% 8,0% 9,5%

NCW

3.6 Warmtekrachtkoppelling In het SDE+ voorstel voor 2016 is geen aparte categorie opgenomen voor geothermische warmtekrachtkoppeling (WKK). Eventuele geothermische WKK zal behandeld worden als een geothermisch warmteproject. Wanneer WKK wordt toegepast, zal met name in de eerste jaren meer warmte ingezet kunnen worden, omdat in de eerste jaren het warmtenet nog niet volledig is ontwikkeld. Het aantal vollasturen van de WKK zal echter relatief laag zijn, zeker wanneer de omvang van het warmtenet toeneemt, waardoor steeds meer warmte wordt afgezet. Door het lage aantal vollasturen zal de meerinvestering naar verwachting niet worden terug verdiend. Op basis hiervan is geothermische WKK momenteel niet verder uitgewerkt.

3.7 Gevoeligheidsanalyse De variabelen en de gehanteerde waarden zijn samengevat in Tabel 3.4. Na de tabel volgt een korte toelichting.

Tabel 3.4 Variabelen en waarden gevoeligheidsanalyse

Variabele

Eenheid

Debiet Lengte koppelleiding

[m3/h] [km]

Vollooptijd Vollasturen start Vollasturen max

64258/GW/20151012

Worst-case

Base-case

Best-case

100 5

200 3

400 1

[a] [h/a]

10 3.000

5 4.000

3 5.000

[h/a]

6.000

7.000

8.000

42

12-10-2015

Debiet Het debiet is onzeker. Het debiet bepaalt (samen met de temperaturen) het uiteindelijke vermogen en heeft hierdoor een grote impact op de hoeveelheid warmte die geleverd kan worden. In de gevoeligheidsanalyse wordt een debiet van ten minste 100 m³/uur en maximaal 400 m³/uur verondersteld.

Lengte koppelleiding Onbekend is wat de lengte zal zijn van de koppelleiding van de bronnen naar het warmtenet. Gezien de hoge kosten voor een dergelijke koppelleiding is de lengte als variabele in de gevoeligheidsanalyse meegnomen.

Vollooptijd en volalsturen Hoe het warmtenet zich ontwikkelt is nog zeer onzeker. In de gevoeligheidsanalyse is gevarieerd met de vollooptijd, het aantal vollasturen bij aanvang van warmtelevering en het aantal vollasturen bij een volledig ontwikkeld warmtenetwerk.

Voor alle variabelen met bijbehorende waarden is bepaald welk warmtetarief nodig is om aan de rendementseis van 8% te voldoen. De resultaten zijn samengevat in Tabel 3.5.

Tabel 3.5 Berekende warmtetarieven in €/GJ om aan de rendementseis te voldoen (8%)

Variabele

Worst-case

Base-case

Best-case

Debiet Lengte koppelleiding

10,50 7,55

6,85 6,85

7,80 6,10

Vollooptijd Vollasturen start

8,20 7,50

6,85 6,85

6,30 6,20

Vollasturen max

7,50

6,85

6,75

Binnen de gehanteerde waarden varieert de warmteprijs tussen de € 6,1 per GJ en € 10,5 €/GJ. Bij het debiet is sprake van een optimale situatie in de base-case. Zowel bij kleiner debiet, als bij groter debiet neemt het benodigde warmtetarief toe. Bij een kleiner debiet wordt minder warmte geleverd bij relatief hoge investeringen. Bij een groter debiet nemen de investeringen toe, maar de warmtevraag van het warmtenet is dusdanig dat het aantal vollasturen afneemt in de eindsituatie in vergelijking met de base-case. De hogere investeringen wegen niet op tegen de extra warmteafzet.

64258/GW/20151012

43

12-10-2015

4 Plan van aanpak vervolg 4.1 Stappenplan Naar aanleiding van het onderzoek wordt geadviseerd verder te gaan met een aantal stappen om geothermie van de grond te krijgen in de regio Arnhem/Nijmegen.

Als de huidige haalbaarheidsstudie stap 1 was, dan zien we de volgende stappen voor ons: 1. Opsporingsvergunning 2. Communicatie en stakeholder analyse 3. Geologisch onderzoek 4. Ontwerp seismische survey 5. Business case 6. Seismische survey 7. Aanvraag SDE+ subsidie en garantiefonds 8. Voorbereiding realisatie (ontwerp, prijsvorming, financiering, contracten, etc) 9. Realisatie 10. Exploitatie Hieronder zijn de stappen 1 t/m 7 globaal uitgewerkt.

1. Opsporingsvergunning Aangezien op basis van het huidige onderzoek vrij duidelijk is welk gebied het meest interessant is voor verder onderzoek, wordt aanbevolen te starten met het aanvragen van een opsporingsvergunning voor het gebied ten zuidwesten van Nijmegen waar de Kolenkalk Groep een goed target lijkt. In een aanvraag dient duidelijk gemaakt te worden wat de geologische onderbouwing is (geologisch onderdeel haalbaarheidsstudie kan in principe voldoende zijn), welk gebied wordt aangevraagd, wat het plan is voor de exploratie (moet nog uitgewerkt worden), wie de eventuele partners zijn, en dient aangetoond te worden dat de aanvrager technisch en financieel capabel is om de exploratie en winning uit te voeren (zie www.sodm.nl/sites/default/files/redactie/Technische%20eisen%20aan%20operators%20aar dwarmte.pdf ).

De aanvraag en doorlooptijd van een dergelijke vergunning is in de regel meer dan 6 maanden. De doorlooptijd hangt mede af van de vergaderingen van de Mijnraad welke slechts enkele keren per jaar gehouden worden en waarin de opsporingsvergunning (OV) wordt beoordeeld. Voor het aanvragen van de OV dienen een aantal onderliggende stukken te worden gemaakt. Dit betreft een geologische onderbouwing, globaal ontwerp, maar ook bijvoorbeeld een organisatie-structuur en VG-zorgsysteem in de lijn met de Mijnbouwwet. Deze laatste stukken moeten een kwalitatief hoog niveau hebben gezien de eisen die gesteld worden door SodM.

64258/GW/20151012

44

12-10-2015

2. Communicatie en stakeholder analyse Naast de technische zaken, zijn de volgende aspecten eveneens van belang: Het starten van de communicatie met stakeholders zodra de opsporingsvergunning wordt gepubliceerd (dus starten met voorbereiding ruim daarvoor).

Het waarborgen van voldoende warmteafzet tegen een goede prijs.

Het zoeken van partners om de kosten van de acquisitie van nieuwe seismiek te delen en mogelijk ook om het project gezamenlijk mee te realiseren.

Het zoeken van investeringssubsidies voor de uitvoering van het project (dat kan ook invloed hebben op uitvoeringswijze en investeringsbeslissingen voor de seismische survey), dan wel het vastleggen van garanties via een Green Deal (zoals voor Trias Westland).

Het tijdig starten en onderhouden van overleg met alle betrokkenen over de vergunningen die nodig zijn.

3. Geologisch onderzoek en ontwerp seismische survey Het is gewenst dat uiteindelijk, op basis van resultaten van het geologisch onderzoek, een kansberekening gemaakt gaat worden voor het aantreffen van waterdoorlatende lagen/zones waaruit warm water kan worden geproduceerd en weer geĂŻnjecteerd. Dit is een zogenaamde P90/P50/P10 slagingskans voor het realiseren van een bepaald thermisch vermogen uit een geothermisch systeem in een bepaalde formatie (p90 = 90% kans dat dit vermogen ten minste bereikt wordt = worst case; p50 = 50% kans = verwachte waarde, p10 = 10% kans = best case).

Het is echter niet zeker of dit niveau van kansinschatting bereikt kan worden. Dit hangt af van de beschikbaarheid en bruikbaarheid van de data en (niet in het minst) van de geologische omstandigheden. Een statistische berekening kan alleen worden gemaakt indien voldoende geologische gegevens beschikbaar zijn over o.a. de diepte, dikte, doorlatendheid van de formaties en spleten in de Kolenkalk Groep.

Van een aantal seismische lijnen die langs het onderzoeksgebied lopen kunnen misschien de field tapes bemachtigd worden, maar het (b)lijkt niet eenvoudig te zijn. Indien deze data beschikbaar zijn dan kunnen de lijnen gereprocest worden. Na de reprocessing kunnen de lijnen geĂŻnterpreteerd worden en kan een nieuw geologisch model van de ondergrond in het gebied worden opgesteld.

64258/GW/20151012

45

12-10-2015

Indien reprocessing niet mogelijk is dan is digitalisering en migratie nog mogelijk voor zover dit nog niet gedaan is. De bestaande lijnen moeten dan gebruikt worden om een nieuw lokaal geologisch model van het gebied te maken.

Voor het target dient zo veel mogelijk bestaande informatie geanalyseerd te worden, zodat een beter beeld ontstaat van het haalbare vermogen. Hierbij zal ook onderzoek gedaan moeten worden aan de gesteente eigenschappen en de diagenese van de Kolenkalk Groep. Hiertoe kunnen bestaande monsters van de Kolenkalk Groep uit diepe putten petrofysisch en petrologisch geanalyseerd worden.

Een belangrijk aandachtspunt in deze studie zal ook het zo veel mogelijk kwantificeren en mogelijk mitigeren van de risico’s die samenhangen met geïnduceerde seismiciteit zijn.

Op basis van deze studie kan worden aangegeven of het zinvol is om kosten te maken voor het ontwerpen van een nieuwe seismische survey en voor het opzetten van een business case.

4. Ontwerp en tendering seismische survey Nadat het meest interessante gebied geselecteerd is in het geologisch onderzoek wordt voor dit gebied een seismische survey ontworpen. Hierbij dient ook een afweging gemaakt te worden van de voor- en nadelen van een 2D versus 3D survey. Een 2D survey zal goedkoper zijn, maar geeft veel minder nauwkeurige informatie over het aan te boren doel. Het geothermie systeem in Venlo is geboord op basis van een 2D survey, maar het target nabij Nijmegen ligt aanzienlijk dieper. Overwogen kan ook worden om eerst een 2D survey te doen over een groter gebied, en daarna in het kader van de realisatie (indien nog nodig), als subsidies en garanties verstrekt zijn en nadat het finale investeringsbesluit genomen is, nog een 3D survey uit te voeren voor een klein gebied om het geothermisch doublet te kunnen detailleren qua ontwerp.

5. Business case In deze fase zal helder moeten worden hoe het geothermie project in het warmtenet past: enerzijds energetisch en qua koppeling van locaties en leidingen, en anderzijds financieel.

In de investeringsraming kan nu een onderbouwd bedrag voor de survey meegenomen worden. Bij een positieve uitkomst van de business case kan ook een projectorganisatie worden opgetuigd die de significante investeringen in de vervolgstappen op zich gaat nemen (en subsidies aan gaat vragen).

64258/GW/20151012

46

12-10-2015

6. Seismische survey Voor de uitvoering van een seismische survey dienen uitvoeringsvergunningen geregeld te worden en zal communicatie met omwonenden belangrijk zijn. De data-acquisitie zelf zal na tendering van de survey door een seismische contractor gedaan worden. De uitvoering dient begeleid te worden door (een adviseur namens) de opdrachtgever. Na de acquisitie volgt de processing en de interpretatie. Op basis van de interpretatie kan worden aangegeven of er voldoende potentieel is voor aardwarmte, kunnen de risico’s ten aanzien van geïnduceerde seismiciteit in beeld gebracht worden, en kan worden aangegeven of een garantiefonds aanvraag met voldoende vermogen kan worden onderbouwd.

7. Aanvraag garantiefonds en SDE+ Met behulp van de verzamelde informatie kunnen EU subsidies, SDE+ subsidie en garanties worden aangevraagd. Zodra die binnen zijn kan gestart worden met de praktische voorbereiding van het project: ontwerp, contractvorming, financiering, etc.

4.2 Planning Item

wanneer?

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Q3 2015-Q3 2016 Q3 2015-eind Q3 2015-Q4 2015 Q3 2015-Q4 2015 Q1 2016-Q2 2016 Q3 2016-Q4 2016 Q1 2017-Q3 2017

Opsporingsvergunning Communicatie Geologisch vooronderzoek* Ontwerp & tendering survey Business case Seismische survey & interpretatie Aanvraag SDE+ subsidie en garantiefonds

4.3 Milestones Belangrijkste beslismomenten/milestones zijn: Verlening opsporingsvergunning: pas als die verleend is kan SDE+ en garantiefonds aangevraagd worden.

Uitkomst geologisch vooronderzoek: is er voldoende scope voor een project?

Uitkomst business case: voldoende goed?

Ondertekening convenanten/overeenkomsten met partners Afname contract warmte (hoeveelheid en prijs) Investeringsbesluit seismische acquisitie;

64258/GW/20151012

47

12-10-2015

-

Resultaten van de seismische campagne: voldoende voor SDE+/garantiefonds aanvraag?

Verlening SDE+ subsidie en garantiefonds

64258/GW/20151012

48

12-10-2015

5 Referenties

Geluk, M.C., Dusar, M., de Vos, W., 2007. Pre-Silesian, in: Geology of the Netherlands.

Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, pp. 27–43.

Heidbach, O., Tingay, M., Barth, A., Reinecker, J., Kurfeß, D., Müller, B., 2008. The World Stress Map database release. doi:10.1594/GFZ.WSM.Rel2008 Hulten, F.F.N. van, Poty, E., 2008. Geological factors controlling Early Carboniferous carbonate platform development in the Netherlands. Geol. J. 43, 175–196.

IF Technology, KEMA, DLV Glas en Energie, 2012. Kansen voor Ondiepe Geothermie voor de glastuinbouw. Arnhem.

Neves, M.C., Paiva, L.T., Luis, J., 2009. Software for slip-tendency analysis in 3D: A plug-in for Coulomb. Comput. Geosci. 35, 2345–2352.

TNO, 2006. Digitaal Geologisch Model - Diep v2.0.

TNO, 2014. Digitaal Geologisch Model - Diep v4.0.

Vandenberghe, N., Dusar, M., Boonen, P., Sun Fan, L., Voets, R., Bouckaert, J., 2000. The Merksplas-Beerse geothermal well (17W265) and the Dinantian Reservoir. Geol.

Belg. 3/3-4, 349–367.

Zoback, M.D., 2008. Reservoir geomechanics. Cambridge University Press, New York.

64258/GW/20151012

49