Geothermische energie, oftewel het aftappen van ondergrondse warmtebronnen, is niet langer beperkt tot vulkanische gebieden. Door diepe putten in de aarde te boren kan dit procedé bijna overal operationeel worden gemaakt. Je moet wel uitkijken voor aardbevingen.
Een bedrijf dat Geodynamics heet en dat gevestigd is in het Australische Queensland is van plan om in de loop van de komende tien jaar bijna negentig putten van elk zowat 4500 tot 5000 meter diep te boren in het Cooper Basin, een woestijnstreek in Zuid-Australië die over grote energiereserves beschikt. Maar de maatschappij boort niet naar olie of gas. Ze zoekt naar een energiebron die veel zuiverder is en meer reserves heeft dan om het even welke fossiele brandstof. Het gaat om hitte die voortgebracht wordt door rotsen die zich diep onder het aardoppervlak bevinden: een veelbelovende vorm van geothermische energie.
De conventionele geothermische energie exploiteert natuurlijke stoom- of heetwaterbronnen, vlak onder het aardoppervlak, om elektriciteit op te wekken. (De hitte van het water wordt gebruikt om een vloeistof aan de kook te brengen die een stoomturbine aandrijft. Die turbine is op haar beurt aan een generator gekoppeld.) Omdat zulke gunstige voorwaarden slechts zelden voorkomen, worden de huidige geothermische krachtcentrales meestal ingeplant in breukzones of in vulkanisch actieve gebieden in de wereld. In IJsland wordt ongeveer een kwart van de landelijke elektriciteit geproduceerd door geothermische energiecentrales. In de krachtcentrale van Svartsengi vloeien de natuurlijke heetwatervoorraden ook in een lagune die een populaire (en fotogenieke) badplaats is.
Geothermische energiecentrales worden ook aangetroffen langs de ‘Ring van Vuur’ in de Stille Oceaan, in Indonesië, de Filipijnen en aan de Amerikaanse westkust. De conventionele geothermische energiecentrales hebben wereldwijd een totale capaciteit van 10,7 gigawatt (GW) en zullen dit jaar zowat 67,2 gigawattuur (GWh) energie genereren, voldoende om meer dan 52,5 miljoen mensen in 24 landen met elektriciteit te bevoorraden, aldus de Amerikaanse Geothermal Energy Association.
De zogenaamde Engineered Geothermal Systems (EGS) steunen op het principe van wisselwerking, maar ze functioneren ook in delen van de wereld die niet vulkanisch actief zijn. Door duizenden meters diep te boren, simuleren ze het patroon van natuurlijke stoom of heetwaterbronnen. Er worden putten geboord en gangen gegraven in hete rotsen waarin koud water wordt geïnjecteerd. Terwijl het circuleert, warmt het water op en wordt vervolgens weer naar de oppervlakte gepompt, waar de hitte wordt afgetapt om elektriciteit te genereren. Omdat de aarde heter wordt naarmate je dieper boort, zou EGS de reikwijdte van geothermische energie op een ongeziene manier kunnen uitbreiden en de weg kunnen banen naar een energievoorziening die zo goed als onuitputtelijk is.
‘Het mooie van het concept – als het werkt – is dat het overal in de wereld operationeel kan worden’, zegt Subir Sanyal, voorzitter van GeothermEx, een adviesbureau dat in Californië gevestigd is. Volgens The Future of Geothermal Energy, een rapport dat in 2007 werd uitgegeven door het Massachusetts In-stitute of Technology (MIT), is de thermische energie die in Amerika’s rotsen op een diepte van drie tot tien kilometer opgeslagen ligt 140.000 keer groter dan Amerika’s jaarlijkse energieverbruik. Voorzichtige schattingen gaan ervan uit dat amper twee procent van die energie werkelijk door EGS afgetapt zou kunnen worden, maar ook dat zou Amerika’s totale behoefte aan elektriciteit ruimschoots overschrijden. Maar om van dit procedé van aftappen een succes te kunnen maken, moeten hindernissen van technische en economische aard overwonnen worden.
Dag en nacht energie
Op dit moment bestaan er mondiaal slechts een paar EGS-centrales, waaronder een pilootproject in het Franse Soultz en een kleine commerciële centrale in het Duitse Landau. Maar Geodynamics en andere maatschappijen over heel de wereld hopen daarin verandering te brengen. Geodynamics is van plan om in het komende decennium tien energiecentrales van 50 megawatt (MW) te bouwen in Cooper Basin, wat alleen maar een eerste stap zou zijn. Volgens Doone Wyborn, de wetenschappelijke leider van de maatschappij, zouden de bronnen in deze streek honderden energiecentrales met een generatievermogen tot 12,5 GW kunnen bevoorraden – meer dan alle geothermische energiecentrales die nu wereldwijd in werking zijn. Er bestaan ook plannen voor nieuwe EGS-projecten in Amerika, Groot-Brittannië, Frankrijk en Duitsland. De planners koesteren grote dromen van toekomstige expansie: de International Geothermal Association voorspelt dat er tegen 2050 mondiaal een geothermische capaciteit van 160 GW geïnstalleerd zal zijn, waarvan ongeveer de helft uit EGS zal bestaan.
Net als andere vormen van hernieuwbare energie zal geothermische energie weinig of geen kooldioxide produceren. Maar anders dan andere vormen van hernieuwbare energie, zoals zonne- of windenergie, heeft ze het bijkomende voordeel dat ze niet intermitterend is, wat betekent dat ze op een betrouwbare manier energie kan produceren die in staat is continu het basisniveau te leveren, dag en nacht. Daardoor wordt deze vorm van energie heel aantrekkelijk voor nutsbedrijven.
Tegen de achtergrond van het groeiende verbruik van elektriciteit op wereldschaal, de bezorgdheid om de beperkte voorraden fossiele brandstoffen, de inspanningen om de uitstoot van koolstofdioxide te beperken en klimaatsveranderingen te voorkomen, hebben deze voordelen regeringen en investeerders ertoe aangezet geld te pompen in deze groeiende energietak. Google bijvoorbeeld heeft meer dan tien miljoen dollar geïnvesteerd in twee EGS-maatschappijen in Californië, Potter Drilling en Alta Rock Energy. Intussen heeft het Amerikaanse ministerie van Energie aangekondigd meer dan 338 miljoen dollar te zullen investeren in fondsen die 123 geothermische projecten beheren. Daarvan zijn zowat 133 miljoen dollar gereserveerd voor EGS-onderzoek.
Australië levert misschien wel de grootste inspanningen. Primary Industries and Ressources SA (PIRSA), een Australisch regeringsagentschap, raamt dat investeringen in Australische geothermische projecten (inclusief meer dan 250 miljoen dollar regeringssubsidies) tegen 2014 wel 2,7 miljard dollar zouden kunnen bedragen. Zowat 72 procent van dat bedrag zou naar EGS-projecten gaan. Meer dan vijftig maatschappijen die in Australië geothermische projecten onderzoeken, hebben zowat 400 licenties genomen voor gebieden die zich uitstrekken over 500.000 vierkante kilometer – een oppervlakte die de omvang heeft van ruwweg heel Spanje.
Boren in het verleden
De eerste conventionele geothermische krachtcentrale die aangedreven werd door hete bronnen bevindt zich in de buurt van het Italiaanse Lardarello. Ze begon omstreeks 1900 elektriciteit op te wekken. Dat was vele decennia vóór wetenschappers systemen begonnen te ontwerpen die overal konden functioneren. In de vroege jaren 1970 ontstond geothermische energie volgens het concept van ‘ hot dry rock’ (HDR) in het Los Alamos National Laboratory van New Mexico. Onderzoekers van het lab deden de eerste tests in de buurt van Fenton Hill. Dit leidde tot gelijksoortige projecten in Groot-Brittannië, Japan, Frankrijk en andere landen.
HDR was gebaseerd op het idee dat het boren in en breken van hete, droge rotsen de nabootsing van een natuurlijk, op water gebaseerd geothermisch systeem mogelijk zou maken. Koud water wordt in een put geïnjecteerd. Terwijl het door de corridors en de breuken van het reservoir stroomt, absorbeert het hitte. Het hete water wordt vervolgens weer naar de oppervlakte gepompt via een schacht waar het een tweede vloeistof met een lager kookpunt verhit. De stoom van die vloeistof doet een turbine draaien die elektriciteit produceert terwijl het water opnieuw in de put wordt geïnjecteerd.
Deze vroege experimenten waren een belangrijke leerschool: een productief, poreus reservoir functioneert het best als geopereerd wordt met een bestaande geologische holte waarin de breuken verder geopend of verbreed worden, zodat geen totaal nieuwe breuken gemaakt hoeven te worden. Barry Goldstein, directeur van de petroleum- en geothermische afdeling bij PIRSA, wijst er ook op hoe belangrijk het is een gebied met een voldoende vermogen aan waterdebiet te selecteren om het project economisch rendabel te maken.
Het is inderdaad zo dat EGS-projecten operationeel kunnen worden gemaakt onder een waaier van mogelijkheden, van HDR tot hete, gebroken, natte rotsen. Om optimaal te zijn, moet elk project aan de specifieke omstandigheden worden aangepast (afhankelijk van boorfrequentie, breuken en waterinjectie). ‘Maar er is continuïteit,’ zegt Karl Gawell, hoofd van Amerika’s Geothermal Energy Association. Die continuïteit heeft betrekking op conventionele geothermische systemen waarvan sommige profiteren van het EGS-onderzoek. De energiecentrales van The Geysers in Noord-Californië, het mondiaal meest ontwikkelde geothermische gebied, herinjecteren water in bekkens om nieuwe stoomreserves op te wekken en de energie-output op te drijven – een techniek die ontleend is aan EGS, aldus Gawell.
Dieper is duurder
De kosten voor conventionele geothermische projecten variëren, afhankelijk van onder meer plaats, temperatuur en boordiepte. Geothermische centrales hebben geen brandstofkosten, maar de directe kosten lopen hoog op en net zoals bij een olieput kan het verifiëren van het vermogen van een site een hele tijd duren, wat het financieren in het huidige economische klimaat kan bemoeilijken. Zoals je kunt verwachten, behoren economische projecten die hoge temperaturen op ondiepe plaatsen kunnen exploiteren tot de meest leefbare. Een doorsnee Amerikaanse geothermische energiecentrale produceert elektriciteit tegen een kostprijs van ongeveer 0,10 dollar/ kWh. Dat maakt geothermische energie competitief met heel wat andere technologieën, zeker als ze nog eens gesubsidieerd wordt met financiële premies zoals de Amerikaanse fiscale steun aan hernieuwbare energieprojecten die nu rond de 0,02/kWh bedraagt (het produceren van elektriciteit uit kolen of gas kost zowat 0,10 dollar/kWh).
Dit gaat niet op voor EGS, tenminste niet in de nabije toekomst. Hoe dieper je gaat, hoe hoger de temperatuur. Dat geldt ook voor de kosten. De uitrusting aan de aardoppervlakte is voor EGS ongeveer even duur als voor conventionele geothermische energie, maar de boorkosten voor EGS kunnen dubbel zo hoog of nog hoger oplopen. Dr. Wyborne schat dat elektriciteit van EGS initieel 0,09 dollar/kWh meer zal kosten dan conventionele geothermische elektriciteit, dus 0,19 dollar/kWh. Dit betekent dat EGS economisch alleen rendabel zou zijn in gebieden met sterke financiële stimulansen, zoals in Duitsland, waar operatoren van hernieuwbare energieprojecten genereuze subsidies krijgen in de vorm van zogenaamde feed-in-tarieven die tegenwoordig 0,31 dollar/kWh belopen voor energie uit EGS.
De kosten van EGS zouden gedrukt kunnen worden door technologische innovaties zoals goedkopere en efficiëntere boormethodes, door het maken van reservoirs en het opdrijven van het waterdebiet. Vooral de productiviteit van de put is belangrijk. ‘Je wilt zo veel mogelijk energie halen uit het stel putten dat je geboord hebt om je winst te maximaliseren’, meent Jefferson Tester, geassocieerd directeur van het Cornell Center for a Sustainable Future en voornaamste auteur van het MIT-rapport. Tot nog toe hebben EGS-projecten een debiet van ongeveer 25 liter per seconde gehaald. Dat is een heel eind onder de 50 tot 100 liter per seconde die nodig zijn om geothermische projecten winstgevend te maken. Alta Rock en Geodynamics maken nu meer breuken per put. Ze hopen dat daardoor het waterdebiet én het hitteabsorptievermogen van de rotsen zal toenemen.
Een groot deel van de booruitrusting voor geothermische putten komt van de olie- en gasindustrie, maar Bob Potter, een lid van het eerste HDR-team in Los Alamos, probeert nu iets anders uit. Zijn bedrijf, Potter Drilling, wil nu een proces voltooien waarbij superhete stoom wordt gebruikt om spallatie (versplintering) te veroorzaken. Als de stoom in aanraking komt met rotsgesteente veroorzaken groter wordende kristalkorrels in de rots fijne scheuren die op hun beurt kleine partikels genereren: afbrekende splinters. Eigenlijk gaat het om een boorprocedé dat de rots doet oplossen, zegt Jared, de zoon van Potter, ceo van Potter Drilling. Met spallatie kun je sneller door de rots gaan dan met conventionele boringen, en door het gebruik van stoom wordt vermeden dat dure boorkoppen vervangen moeten worden.
Kleine aardbevingen
Het grootste obstakel voor een grootschalige verspreiding van EGS is wellicht haar neiging om voelbare aardbevingen te veroorzaken, iets wat de mensen uiteraard de daver op het lijf jaagt. Het uitlokken van aardbevingen is inderdaad een voorwaarde om deze technologie te laten functioneren. Om bestaande scheuren open te duwen of te verbreden wordt water onder hoge druk in boorholtes geïnjecteerd, wat kleine trillingen veroorzaakt. ‘Er is geen enkele twijfel aan dat je bij het breken van rotsen seismische activiteit uitlokt’, zegt Susan Petty, voorzitter en CTO (chief technology officer) van Alta Rock. ‘Maar het is de bedoeling om deze activiteiten zozeer te reduceren dat de mensen die trillingen niet kunnen voelen.’ De meeste aardbevingen die door EGS veroorzaakt worden, zijn inderdaad te klein om gevoeld te kunnen worden, maar een paar hebben toch schade aan gebouwen aangericht. Een project in het Zwitserse Bazel moest worden stopgezet wegens een aardbeving van 3,4 op de schaal van Richter in december 2006. Ze joeg de inwoners de stuipen op het lijf en veroorzaakte scheuren in gebouwen. Aardbevingen van eenzelfde omvang werden gerapporteerd bij projecten in Australië, Duitsland en Frankrijk.
Maar aardbevingen die kunstmatig door mensen veroorzaakt worden, zijn niet uniek voor EGS. Ze komen ook voor ten gevolge van olie- en gasboringen, en ook bij ingrepen die noodzakelijk zijn voor de aanleg van dammen en mijnen. De vraag is of je ze onder controle kunt houden. Ernie Majer, seismoloog en adjunct-directeur van de Earth Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory, werkt aan een verfijning van de seismische richtlijnen voor EGS voor het Amerikaanse ministerie van Energie. Hij is ervan overtuigd dat je dit proces kunt beheersen. ‘Door correct onderzoek te doen en de resultaten ervan te implementeren kun je waarborgen dat er zich geen grote aardbevingen zullen voordoen’, zegt Majer, die in kleine aardbevingen eerder een vervelend ongemak dan een gevaar ziet. Toch zijn er heel wat mensen met industriële ervaring die het met elkaar eens zijn dat EGS eerst in afgelegen gebieden ontwikkeld zou moeten worden, en niet in dichtbevolkte steden zoals Bazel.
En de risico’s die met EGS gepaard gaan, moeten verder afgewogen worden tegen de nadelen van andere energietechnologieën: fossiele brandstof veroorzaakt emissies van kooldioxide en af en toe olievlekken, en nucleaire energie produceert radioactief afval. Windenergie wordt vaak bekritiseerd omdat ze geluidsoverlast veroorzaakt, vogels doodt en het landschap vervuilt. De hamvraag is wat de mensen over hebben voor een veilige manier van energiebevoorrading. ‘Het gaat om een evenwichtige ruil,’ zegt Majer. ‘Je hebt voor- en nadelen. Een perfecte technologie bestaat niet.’
Of EGS de hindernissen kan overwinnen waarmee ze nu geconfronteerd wordt en een belangrijke rol zal gaan spelen in het domein van de hernieuwbare energie, zal in het komende decennium moeten blijken. Volgens het MIT-rapport zal de realisatie van de eerste 100MW EGS-capaciteit de moeilijkste en de duurste zijn. Maar daarna zou het allemaal vlotter en goedkoper moeten verlopen. De schaarser en duurder wordende olie zal dit proces in de hand werken. ‘Elk jaar worden er wereldwijd duizenden olieputten geboord’, zegt Doone Wyborn van Geodynamics. ‘Ik neem aan dat in een paar decennia alle boortorens die nu overbodig worden omdat de olie op raakt, ingezet zullen worden om geothermische putten te boren.’
© The Economist
EGS zou de weg kunnen banen naar een energievoorziening die zo goed als onuitputtelijk is.
