Elektrische reservoirstimulatie: rotsen kraken met bliksem in plaats van water
Diep onder onze voeten zit vaak meer energie dan we kunnen gebruiken: hete rots die geschikt is voor geothermische energie, of gas- en oliehoudende lagen die te "dicht" zijn om vanzelf te stromen. Om die energie eruit te krijgen, moet de rots eerst worden opengebroken, zodat water of gas er makkelijker doorheen kan bewegen. Dat proces heet reservoirstimulatie. De bekendste methode daarvoor is hydraulic fracturing, oftewel fracken: met enorme hoeveelheden water, zand en chemicaliën onder hoge druk de rots laten barsten. Elektrische reservoirstimulatie is een jongere, minder bekende variant die hetzelfde doel nastreeft, maar dan met korte, extreem krachtige elektrische ontladingen in plaats van waterdruk.
Een goede analogie is een bliksemschicht die een boom doet splijten. Bij een blikseminslag zet de extreme hitte van de ontlading het vocht in de boomstam bliksemsnel om in stoom, en die uitzettende stoom scheurt de stam letterlijk open. Elektrische reservoirstimulatie doet iets vergelijkbaars, maar dan gecontroleerd, honderden tot duizenden meters diep in een boorgat: elektroden sturen een zeer korte, krachtige stroomstoot door de vloeistof in het gat, er ontstaat een piepklein plasmakanaal (een soort mini-bliksem), en de schokgolf daarvan breekt de omringende rots. Geen grote watertankwagens, geen zandinjecties, maar pulsen van elektriciteit.
Wat is het precies?
Het fysische principe achter deze techniek heet het elektrohydraulisch effect: wanneer je tussen twee elektroden in een vloeistof een zeer hoge spanning (vaak tientallen tot honderdduizenden volt) gedurende een fractie van een microseconde ontlaadt, ontstaat er een geleidend plasmakanaal tussen de elektroden. Dat plasma zet supersnel uit, waardoor er een drukgolf door de vloeistof en de omliggende rots schiet. Herhaal je dat proces enkele tientallen tot honderden keren op dezelfde plek, dan ontstaan er scheurtjes die zich langzaam uitbreiden tot een netwerk van fracturen, vergelijkbaar met wat hydraulic fracturing bereikt, maar via een ander mechanisme.
Het verschil met fracken zit vooral in de energiebron en de precisie. Bij hydraulic fracturing wordt er over uren tot dagen continu vloeistof onder hoge druk gepompt, wat grote hoeveelheden water vergt en soms tot relatief grote, moeilijk te voorspellen breukvlakken leidt. Bij elektrische stimulatie werkt men met losse, zeer korte pulsen die je één voor één kunt aansturen en meten, wat in theorie een preciezere controle geeft over waar en hoe de rots breekt. Onderzoekers hopen daarmee ook het risico op merkbare, geïnduceerde aardbevingen te verkleinen, al is dat nog geen bewezen feit op grote schaal.
Een verwant maar net iets ander toepassingsgebied is plasmaboren, waarbij dezelfde elektrische ontladingen niet worden gebruikt om bestaande rots te breken voor doorstroming, maar om het boorgat zelf te maken, als alternatief voor mechanisch boren met een boorkop. Beide technieken delen dezelfde onderliggende plasmafysica, maar dienen een ander doel: boren versus stimuleren van een reservoir dat al is aangeboord.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is geothermische energie, en dan specifiek zogeheten Enhanced Geothermal Systems (EGS): plekken waar de rots wel heet genoeg is, maar niet van nature poreus of gebarsten genoeg om er water doorheen te pompen en warmte te oogsten. Om zulke "droge" hete rots bruikbaar te maken, moet je kunstmatig doorlatendheid creëren, en daar is stimulatie voor nodig. Klassieke hydraulic fracturing kan dat, maar heeft twee grote nadelen: het vraagt enorme hoeveelheden zoet water, wat lastig is in droge gebieden, en het heeft in een aantal geval geleid tot voelbare aardbevingen die complete projecten hebben stilgelegd.
Elektrische stimulatie belooft in theorie een oplossing voor beide problemen: veel minder waterverbruik, en preciezere, kleinere breuken die minder snel tot spanningsopbouw op bestaande breuklijnen leiden. Daarnaast is de techniek interessant voor het stimuleren van olie- en gasputten zonder de chemicaliën die bij fracken worden gebruikt, en voor mijnbouw en putonderhoud, bijvoorbeeld om afzettingen of cement in een put te verwijderen zonder zware chemische middelen. De onderliggende belofte is steeds dezelfde: een schonere, preciezere manier om ondergrondse energie- of grondstofbronnen toegankelijk te maken.
Voorbeelden uit de praktijk
De wetenschappelijke basis van deze techniek is niet nieuw. Het elektrohydraulisch effect werd eind jaren veertig en in de jaren vijftig van de vorige eeuw beschreven door de Sovjet-ingenieur Lev Joetkin, en werd in de decennia daarna in de Sovjet-Unie toegepast in de industrie, onder meer voor metaalbewerking. In de jaren zeventig en tachtig deden Amerikaanse onderzoeksinstellingen, waaronder nationale laboratoria die onder het Amerikaanse ministerie van Energie vallen, experimenten met elektrische pulsen voor het breken van rots als alternatief voor conventionele putstimulatie. Die vroege experimenten bleven grotendeels in het laboratorium steken, onder meer door de hoge energiekosten en snelle slijtage van de elektroden.
De directe aanleiding voor hernieuwde belangstelling ligt bij een aantal geothermische projecten die spaak liepen door aardbevingen na hydraulic fracturing. In Bazel, Zwitserland, werd in 2006 een diep geothermieproject stilgelegd nadat de waterinjectie een aardbeving met een magnitude van ongeveer 3,4 veroorzaakte, voelbaar in de stad. In Pohang, Zuid-Korea, werd de stimulatie van een EGS-proefproject in verband gebracht met een aardbeving met een magnitude van 5,4 in 2017, een van de zwaarste ooit toegeschreven aan menselijke ondergrondse activiteit; het project werd daarna definitief gestaakt. Beide gevallen worden in de sector vaak aangehaald als reden om naar stimulatiemethoden te zoeken die minder spanning opbouwen in de ondergrond.
Op dit moment ontwikkelen enkele jonge techbedrijven pulsed-power-technologie specifiek voor geothermie, olie- en gaswinning en mijnbouw, vaak voortgekomen uit universitair onderzoek in de Verenigde Staten. Ook in Europa lopen initiatieven rond plasmatechnologie voor de ondergrond, onder meer vanuit Sloveense en Slowaakse boorbedrijven die plasmaboortechniek testen, soms in samenwerking met IJslandse geothermische energiebedrijven vanwege de gunstige geologische omstandigheden daar. Het gaat in vrijwel alle gevallen nog om kleinschalige veldtests en pilotprojecten, niet om commerciële toepassing op grote schaal; exacte details over resultaten van individuele pilots zijn beperkt onafhankelijk gepubliceerd en moeten daarom met enige voorzichtigheid worden gelezen.
Hoe ver is de techniek?
Elektrische reservoirstimulatie bevindt zich nog grotendeels in de fase van laboratoriumonderzoek en kleinschalige veldproeven. Er zijn losse succesvolle demonstraties van het principe, maar nog geen grootschalige, commercieel opererende geothermiecentrale die volledig op deze methode draait. Ter vergelijking: de mainstream EGS-projecten die wél al elektriciteit leveren, zoals recente Amerikaanse projecten in Nevada en Utah, gebruiken nog steeds voornamelijk hydraulic fracturing, niet elektrische pulsen.
De belangrijkste technische obstakels zijn drieledig. Ten eerste is er het energieverbruik: het opwekken van zeer hoge, kortstondige spanningspieken kost veel elektriciteit, en de energie-efficiëntie ten opzichte van hydraulic fracturing moet nog overtuigend worden aangetoond op praktijkschaal. Ten tweede slijten de elektroden snel door de herhaalde extreme ontladingen, wat onderhoud en vervanging duur maakt, zeker op kilometers diepte in hete, corrosieve omstandigheden. Ten derde is het nog niet onomstotelijk bewezen dat de techniek daadwerkelijk minder geïnduceerde seismiciteit veroorzaakt dan hydraulic fracturing; dat is een aannemelijke hypothese op basis van de fysica, maar onafhankelijke, grootschalige veldvalidatie ontbreekt vooralsnog grotendeels. Onderzoekers en bedrijven benadrukken zelf ook dat het nog vroeg is: dit is een technologie die de komende tien à twintig jaar zich moet bewijzen, niet iets dat morgen op grote schaal wordt uitgerold.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar deze techniek is verspreid over een klein aantal gespecialiseerde spelers. In de Verenigde Staten zijn het vooral start-ups met wortels in universitair onderzoek, ondersteund door onderzoeksprogramma's van het Amerikaanse ministerie van Energie, die pulsed-power-technologie voor geothermie en oliewinning ontwikkelen. Historisch onderzoek naar elektrische pulsfracturing is mede gefinancierd door Amerikaanse nationale laboratoria die zich al decennia bezighouden met energie- en materiaalonderzoek. In Europa zijn het vooral Midden-Europese boorbedrijven die plasmaboortechnologie ontwikkelen, met testlocaties en samenwerkingen bij geothermische bedrijven in IJsland, een land met veel praktijkervaring in diepe geothermie. Daarnaast houden onderzoeksinstituten in Scandinavië zich bezig met plasma- en pulsed-powertoepassingen voor de olie- en gasindustrie, bijvoorbeeld voor het schoonmaken en stimuleren van bestaande putten.
Voor Nederland en België is deze specifieke techniek vooralsnog vooral van academisch belang: de diepe ondergrond hier leent zich beperkt voor grootschalige EGS-geothermie op de manier waarop dat in de VS of IJsland gebeurt, en Nederlandse geothermieprojecten richten zich doorgaans op minder diepe, van nature poreuze aardlagen die geen zware stimulatie nodig hebben. Wel volgen Nederlandse kennisinstellingen internationale ontwikkelingen op dit gebied, mede vanwege de ervaring met geïnduceerde aardbevingen door gaswinning in Groningen, wat het onderwerp seismische risico's bij ondergrondse energiewinning in Nederland extra gevoelig maakt.