Om geothermie te benutten wordt warm water uit een watervoerend gesteente, of aardlaag, uit de ondergrond gepompt. De aardlaag wordt ook watervoerend reservoir of aquifer genoemd. Een aquifer dient naast watervoerend ook goed doorlatend te zijn. Om het water te kunnen onttrekken aan een aquifer wordt een productie- en injectieput geboord. De productie- en injectieput worden samen een doublet genoemd. Via de productieput wordt het warme water opgepomp.
Via een warmtewisselaar wordt de thermische energie benut voor verwarming of andere toepassingen. Het afgekoelde water wordt weer geïnjecteerd via de injectieput. Injectie is nodig om risico’s als beving en bodemdaling te voorkomen. Daarnaast kunnen in het opgepompte water zware metalen en mineralen (zouten) aanwezig zijn. Lozing van dit water aan het oppervlak is daarom niet gewenst.
Door het koelere geïnjecteerde water ontstaat een koudefront rondom de injectieput. Over een periode van enkele tientallen jaren zal dit koudefront naar de productieput toetrekken. Zodra het contact maakt met de productieput daalt de temperatuur van het opgepompte water en zal het rendement van het systeem afnemen. Het duurt naar verwachting honderden jaren voordat de temperatuur weer op, voor de betreffende diepte, normaal niveau is.
Randvoorwaarden voor een geschikt gesteente
Een poreus watervoerend laagpakket dient aan de volgende randvoorwaarden te voldoen om in aanmerking te komen voor direct gebruik van geothermie.
Voldoende poreus en doorlatend (permeabel)
Allereerst moet er voldoende water aanwezig zijn. Dit wordt bepaald door de porositeit van het gesteente. Porositeit is een maat voor de aanwezigheid van kleine openingen (poriën) in een materiaal. Daarnaast moeten de poriën met elkaar verbonden zijn, zodat het water door het gesteente kan stromen. De maat hiervoor is permeabiliteit (doorlatendheid). De permeabiliteit is een materiaaleigenschap die beschrijft in welke mate een vaste stof een andere stof, zoals water, olie of gas, doorlaat.
Voldoende hoge temperatuur
Als gevolg van de uitstraling van warmte van de aardkern naar de aardkorst neemt de temperatuur met de diepte toe. In vaktermen spreekt men van een temperatuurgradiënt. Gemiddeld is de temperatuurgradiënt in Nederland 31 °C per kilometer. Afhankelijk van de geologische situatie en onderling verschil in thermische geleidbaarheid van aardlagen kan de gradiënt per regio verschillen.
Aaneengesloten laagpakket
Een goede doorstroming binnen een aquifer is gebaat bij zo weinig mogelijk barrières. Dit houdt in dat zich tussen de productie- en injectieput geen breuken bevinden die waterstromingen in horizontale richting blokkeren. Bovendien kan een laagpakket zodanig langs een breuk verschoven zijn dat het niet meer aaneengesloten is waardoor water niet tussen de putten kan stromen.
Een laag dient homogeen zijn
Het is belangrijk dat de samenstelling en eigenschappen van een laagpakket zoveel mogelijk gelijk zijn. De doorstroming kan sterk beperkt worden indien er tussen de putten minder goed doorlatende lagen in een pakket zitten. Daarnaast kunnen lateraal variërende eigenschappen van een laagpakket de doorstroming ook beperken.