Warmtewisselaars voor gebruik geothermische energie

“dit artikel is een publicatie uit midden jaren 80, voor de materiaal keuze raden wij u aan dit goed te onderzoeken met betrekking tot de huidige richtlijnen” 

Voor het opwekken van geothermische energie voldoet in principe een warmtewisselaar die tot op de bodem van de put wordt neergelaten. Deze warmtewisselaar bestaat uit een simpele U-vormig gebogen pijp, die wordt verbonden met het verwarmingssysteem van het huis of gebouw. Water loopt door de warmtewisselaar en wordt verwarmd door de geothermische bron. Vervolgens staan radiatoren de warmte aan de ruimte in het huis af, waarna het afgekoelde water weer omlaag wordt geleid, waarop het proces zich herhaalt. Voor dit systeem hoeft geen gebruik te worden gemaakt van een pomp, hetgeen het systeem eenvoudig maakt. Met een dergelijk systeem kan een groot gebouw worden verwarmd of een aantal woonhuizen.

C.J. Berman

Temperatuur en chemie van het bronwater

De bronwatertemperatuur kan variëren van 21 °C bovenin tot meer dan 110 °C op de bodem. De lage oppervlaktetemperaturen worden in het algemeen veroorzaakt door koud oppervlaktewater. Bodemtemperaturen kunnen oplopen tot 127°C, maar wanneer water in de bron terecht komt dan daalt de temperatuur tot gemiddeld 110°C. Gemiddelde watertemperaturen variëren van 30° tot 98°C. Het bronwater wordt gekenmerkt door hoge concentraties natrium en lage concentraties kalium, met een Na/K massaverhouding van ongeveer 42.
De waterhardheid is doorgaans laag en wordt hoofdzakelijk veroorzaakt door het calciumion. Het totaal aan opgeloste vaste stof bedraagt ruwweg 1000 mg/l en sulfaat is het belangrijkste negatieve ion in dit soort water (ongeveer 500 mg/l). De pH waarden duiden op een grote bijdrage van het bicarbonaation en dit soort water is zeer gevoelig voor een verschuiving van de pH naar lage waarden. Kenmerkende silicaatconcentraties liggen tussen 70 en 90 mg SiO2/l, dat voornamelijk voorkomt als bisilicaationen.
Putten die kunnen dienen als warmtebron bezitten een kation/anion patroon dat aanmerkelijk verschilt van die van putten die niet als warmtebron kunnen dienen. Bronnen die in aanmerking komen voor levering van warmte worden gekenmerkt door
- Hoge kationconcentraties van silicaat, natrium en kalium. Lage concentratie calcium.
- Hoge chloride-anionconceiltraties. Lage anionconcentraties van waterhardheid en totale alkaliteit van rond 40 mg CaCO3/l.
Van diverse soorten bronwater waarvan de chemische samenstelling bekend was, is de Langelier Verzadigings Index bepaald. Deze index geeft aan in welke mate water calciumcarbonaat neerslaat op of oplost in materiaal waarmee het in aanraking komt. De verzadigingsindex wordt gedefinieerd als het algebraïsche verschil van de feitelijk gemeten pH van het water en de berekende pH bij verzadiging met calciumcarbonaat:

Verzadigingsindex = pH - pHs

Een positieve index wijst op een tendens om calciumcarbonaat neer te slaan en een negatieve index wijst op een neiging om calciumcarbonaat op te lossen. Dit heeft direct te maken met scalevorming.
Bij een negatieve index is er geen calciumcarbonaat aanwezig op ondergrondse warmtewisselaars, pijpen en mantelpijp, zodat er volop gelegenheid is voor corrosie om toe te slaan.

Langetermijn corrosieproeven met proefstukken

Er is onderzoek gedaan naar de geschiktheid van een aantal metalen en legeringen voor gebruik als warmtewisselaarmateriaal in warmwaterbronnen met behulp van proefplaten die in een aantal voor dat doel geselecteerde bronnen zijn geplaatst en gedurende een bepaalde periode zijn beproefd. Het materiaal van de proefplaten bestond uit staal 1010, corten staal, gietijzer, koper, messing, aluminium en een aantal typen roestvast staal. Al deze metaalsoorten zijn standaard leverbaar in de vorm van een buis.
De voornaamste bron van verzuring en lage pH waarden is C02. Het lost makkelijk op in water onder vorming van koolzuur. CO2-concentraties van meer dan 20 ppm worden beschouwd als voldoende om ernstige corrosie van staal en koperlegeringen te veroorzaken. Een hoge pH-waarde houdt in dat het C02-gehalte laag is en er dus minimale corrosie zal optreden.

Uit het onderzoek kwam naar voren dat staal en aluminium worden aangetast, vooral op het grensvlak lucht/water. Als er gebruik wordt gemaakt van een stalen mantelpijp, moet het gebruik van warmtewisselaars van koper of aluminium worden vermeden, omdat koper de corrosie van het staal bevordert en staal bevordert de corrosie van aluminium. Roestvast staal verstaat zich juist heel goed met gewoon staal. Corten staal gedraagt zich niet beter dan koolstofstaal.


Afbeelding 1 Eenvoudig geothermisch systeem, oud model.


Afbeelding 2 Eenvoudig geothermisch systeem, nieuw model.
 

De put

Er bestaan twee basistypen putconstructie. De oudere putten zijn simpele boorgaten waarin een mantelbuis met een lengte van 7 tot 30 meter in het bovendeel van de put is aangebracht om koud water tegen te houden. De rest van de put is een open gat (zie afbeelding 1). In veel van zulke putten wordt voortdurend een kleine hoeveelheid water gepompt om de temperatuur op pijl te houden. Deze werkwijze wordt door veel autoriteiten niet meer toegestaan.

Nieuwere putten maken gebruik van een grotere boordiameter (300 rnrn of daaromtrent) waarna een mantelbuis met een kleinere diameter wordt geplaatst die reikt tot aan de bodem. Hierdoor blijft er wat ruimte over tussen de putwand en de rnantelbuis. De warmtewisselaar wordt in de mantelbuis geplaatst (zie afbeelding 2). Als er warmte aan de put wordt onttrokken, wordt het water rondom de warmtewisselaar kouder en zakt naar de bodem van de put. Als dit gebeurt, stijgt er warm water dat de put binnensijpelt op via de tussenruimte tussen putwand en rnantelbuis. Deze natuurlijke waterstroom elimineert de noodzaak van een pomp om de put op temperatuur te houden.

Putten laten het zelden afweten in die zin dat ze niet langer bruikbaar zijn. In heuvelachtig gebied kan er van tijd tot tijd sprake zijn van instorten van de put. Dit klinkt erger dan het is. Vanwege trillingen in de grond en natuurlijke erosie zamelen zich aarde en stenen op op de putbodem. Na verloop van vele jaren kan dit rnateriaal de toevloed van water afsnijden of sterk doen verminderen, waardoor dus ook de warmtecapaciteit afneemt. Remedie is het verwijderen van de warmtewisselaar en de putbodem vervolgens ontdoen van de erosieproducten. Zoiets kan in één tot twee dagen worden uitgevoerd. De warmtewisselaar voor direct gebruik De warmtewisselaar wordt gewoonlijk vervaardigd van een koolstofstalen buis met een diameter van circa 60 rnrn. Als er een huishoudelijke warmwater-warmtewisselaar wordt gebruikt, is de diameter doorgaans niet meer dan 25 mm. De lengte van de warmtewisselaar varieert met de diepte van de bron en de werkwijze van de bouwer ten tijde van de constructie. Als vuistregel geldt dat voor elke 0,4 kW 300 rnm warmtewisselaarlengte nodig is.

Het belangrijkste aspect dat zorgen baart, is de corrosie van de warmtewisselaar. Omdat de pijp is ondergedompeld in warm water en bloot staat aan lucht, is corrosie een natuurlijk optredend verschijnsel. Als gevolg hiervan moeten de meeste warmtewisselaars en/of de aansluitpijpen in de nabijheid van de waterlijn om de 10 tot 15 jaar worden vervangen. Dit is een gemiddelde. Bij sommige putten moeten de pijpen soms al na 3 tot 5 jaar worden vervangen en anderen houden het langer uit dan 10 tot 15 jaar. Vervanging van de pijpen vereist de diensten van een specialistisch bedrijf. Via een hoge mast en een lier moeten de pijpen uit de put worden getrokken en de nieuwe pijpen weer worden geplaatst.

De corrosie van de warmtewisselaar en de aansluitpijpen is het gevolg van blootstelling van het bevochtigde staaloppervlak aan lucht. In vroeger jaren werd er wel motorolie, paraffine of andere stoffen in de put geleid om de warmtewisselaar aldus van een beschermende laag te voorzien. Om voor de hand liggende milieuredenen kan dit niet meer. Het simpelweg afsluiten van de put aan de bovenzijde sluit toetreding van verse lucht af en doet de corrosie na verloop van tijd ophouden. Een andere veiliger oplossing is gebruik maken van corrosievast materiaal. Hiervoor komen zowel kunststof pijpen als roestvaststalen pijpen in aanmerking.

De warmtewisselaar in een complex systeem

De taak van warmte-uitwisseling van de geothermische vloeistof naar een gesloten circulatiesysteem vindt vooral plaats via een platenwarmtewisselaar. Voor simpele systemen voor huishoudelijk gebruik kan worden volstaan met de in het voorgaande genoemde U-vormig gebogen pijp. Voor wat complexere systemen die worden gebruikt voor grotere gebouwen worden er hogere eisen gesteld aan de toe te passen onderdelen, dus ook aan de warmtewisselaar.
Pijpenwarmtewisselaars spelen slechts een ondergeschikte rol bij lage-temperatuurssystemen voor direct gebruik. Dergelijke eenheden zijn al gedurende tal van jaren in industrieel gebruik.

De platenwarmtewisselaar is de meest voorkomende configuratie voor recente geothermische systemen. Hiervoor zijn een aantal factoren aan te wijzen, waaronder:
- Superieur thermisch gedrag. Daar komt nog bij dat de algehele warmteoverdrachtscoëfficiënt (U) voor platenwarmtewisselaars drie tot vier keer die is van die van pijpenwarmtewisselaars.
- Beschikbaarheid van een groot aantal corrosievaste legeringen. Daar het warmtewisselend oppervlak is gemaakt van dunne plaat, kosten roestvast staal of andere hoogwaardige legeringen aanzienlijk minder dan pijpenwarmtewisselaars van hetzelfde materiaal.
- Onderhoudsgemak. De constructie van de warmtewisselaar is zodanig dat na demontage, het volledige warmtewisselend oppervlak open ligt voor inspectie en reiniging. Demontage houdt slechts het losmaken van een klein aantal bouten in.
- Uitbreidingsmogelijkheden. De aard van de platenwarmtewisselaar staat uitbreiding van de eenheid toe, indien dat wat betreft het warmtewisselend vermogen nodig blijkt te zijn. Bovendien kunnen er meer dan één warmtewisselaar in hetzelfde frame worden ondergebracht, waardoor wordt bespaard op ruimte en kapitaalinvestering.
- Compact ontwerp. De superieure thermische werking van de platenwarmtewisselaar en het efficiënte ruimtegebruik van de opstelling resulteren in een zeer compact apparaat. Het ruimtebeslag van een platenwarmtewisselaar is doorgaans slechts tien tot veertig procent van die van een pijpenwarmtewisselaar met hetzelfde warmtewisselend vermogen. Afbeelding 3 toont een schematische weergave van een platen warmtewisselaar.

Materiaal

De materiaalkeuze voor platenwarmtewisselaars richt zich primair op de platen en de pakkingen. Deze zaken hebben een significante invloed op de beginkosten en levensduur van de apparaten. Eén van de aantrekkelijke eigenschappen van deze warmtewisselaar is de beschikbaarheid van een groot aantal corrosievaste legeringen voor de constructie van het warmtewisselend gedeelte. De meeste fabrikanten kunnen de volgende legeringen leveren:
- roestvast staal 304
- roestvast staal 316
- roestvast staal 317
- titaan
- tantaal
- Incoloy™ 825
- Inconel™
- aluminiumbrons
- Monel™
Op speciale bestelling zijn er vaak nog andere legeringen verkrijgbaar. De meeste fabrikanten kiezen voor 304 of 316 als basismateriaal. Voor direct gebruik in geothermische bronnen bestaat de materiaalkeuze meestal uit een selectie van 304, 316 en titaan. De keuze tussen 304 en 316 is meestal gebaseerd op een combinatie van temperatuur en chloridegehalte van het water in de bron. Dit wordt geïllustreerd door afbeelding 4.


Afbeelding 3 Schematische voorstelling van een platenwarmtewisselaar.


Afbeelding 4 Bruikbaarheidsgebieden van roestvast staal 3 04 en 316.


Op deze afbeelding zijn twee lijnen te zien, één voor 304 en één voor 316. Bij temperatuur en chloridegehaltes die onder de betreffende lijn liggen, kan de legering in kwestie worden genomen. Combinaties van temperatuur en chloridegehalte boven de betreffende lijn kunnen aanleiding geven tot putcorrosie en spleetcorrosie, maar dat is niet altijd het geval. De krommen op afbeelding 4, die gelden voor zuurstofvrije bronnen bieden een bruikbare handwijzer voor de keuze van platenmateriaaL Indien er zuurstof aanwezig is, dan zijn concentraties van parts per miljard (ppb) al genoeg om de snelheid van de lokale corrosie sterk te laten toenemen.

Titaan wordt slechts in zeldzame gevallen geëist voor directe toepassing in de bron. Voor toepassingen waar de temperatuur/chloride eisen die voor 316 te boven gaan, vormt titaan het minst dure alternatief. Er kunnen wel roestvaststaaltypen met een hoger chroom- en molybdeengehalte worden aanbevolen voor dergelijke toepassingen, maar de praktijk leert dat 'die doorgaans niet als standaard plaatmateriaal leverbaar zijn zoals dat bij titaan wel het geval is.

Een typische toepassing van titaan in geothermische systemen is die waarbij de secundaire vloeistof . sterk is gechloreerd. Dit komt vaak voor bij zwembaden. Het water van zwembaden is vaak sterk gechloreerd en bevat tevens veel zuurstof. In dat soort gevallen is titaan het aangewezen metaal. Er zijn tal van gevallen bekend van platen van warmtewisselaars die zijn gemaakt van 316 en al binnen enkele jaren geperforeerd raakten als gevolg van putcorrosie. De beginmeerkosten van titaan boven roestvast staal bedragen ongeveer 50 procent.
 
Literatuur
1. International Conference on Geothermal Energy. Florence, Italië, 1982.
2. M.G. Dunstall, D.H. Freeston. Proceedings of the 12th New Zealand Geothermal Workshop. Auckland, Nieuw Zeeland, 1990, p. 229-232.
3. P. Ellis, P. Conover. Materials Selection Guidelines for Geothermal Energy Utilization Systems, USDOE (DOE RA270226-1), Washington, DC, 1981.
4. D.H. Freeston, H. Pan. Proceedings of the 5th New Zealand Geothermal Workshop. Auckland, Nieuw Zeeland, 1983, p. 203-208
5. R. Swisher, G.A. Wright. Inhibition of Corrosion by Paraffin at the Air-Water Interface in Geothermal Downhole Heat Exchangers. Universiteit van Auckland, Auckland, Nieuw Zeeland, 1986.

Incoloy, Inconel en Monel zijn gedeponeerde handelsmerken van de 'Inco-family of alloys'.