Saline aquifer: de zoutwaterlagen diep onder onze voeten als CO2-opslagplaats
Een saline aquifer is een poreuze laag gesteente, meestal zandsteen, diep in de ondergrond die vol zit met zout water. Niet het zoute water van de zee, maar oeroud grondwater dat door de eeuwen heen zo zout is geworden dat het volstrekt ondrinkbaar is en nutteloos voor landbouw. Juist omdat niemand er iets aan heeft als drinkwater, is deze laag interessant geworden voor een heel ander doel: het wegstoppen van kooldioxide (CO2) die anders in de atmosfeer terecht zou komen.
Stel je een spons voor, kilometers onder je voeten, ingeklemd tussen lagen ondoorlatende steen zoals een deksel op een pan. Die spons zit vol zout water in de kleine poriën tussen de zandkorrels. Als je daar CO2 in pompt, dringt het gas net als water in een spons de poriën binnen en verdringt het een deel van het zoute water. Het deksel erboven, een laag klei of leisteen, zorgt ervoor dat de CO2 niet omhoog kan ontsnappen. Zo blijft het gas eeuwenlang, mogelijk zelfs voor altijd, opgesloten diep onder de grond.
Wat is het precies?
Saline aquifers bevinden zich doorgaans op een diepte van achthonderd meter of meer. Die diepte is niet toevallig: onder die grens staat de druk zo hoog en is de temperatuur zo opgelopen dat CO2 in een zogeheten superkritische toestand verkeert. Het gedraagt zich dan dichter als een vloeistof, maar stroomt nog als een gas. Daardoor neemt het veel minder ruimte in dan wanneer het als gewoon gas zou blijven, wat de opslagcapaciteit flink vergroot.
Om CO2 op te slaan, wordt het gas eerst afgevangen bij een fabriek of energiecentrale, samengeperst en via een put naar beneden gepompt. Eenmaal in de aquifer verspreidt de CO2 zich langzaam door de poriën van het gesteente. Geologen onderscheiden daarbij verschillende manieren waarop het gas op termijn wordt vastgehouden, samen de opslagmechanismen genoemd.
Het eerste mechanisme heet structurele opsluiting: de CO2 blijft simpelweg onder de ondoorlatende deklaag hangen, net als lucht onder een omgekeerde emmer in een bad. Het tweede is residuele opsluiting, waarbij druppeltjes CO2 letterlijk vastraken tussen de zandkorrels, vergelijkbaar met water dat blijft hangen in een spons ook als je hem omdraait. Het derde mechanisme is oplossing: een deel van de CO2 lost na verloop van tijd op in het zoute water, ongeveer zoals koolzuur oplost in bruiswater. Het laatste en langzaamste mechanisme is mineralisatie, waarbij de opgeloste CO2 in de loop van honderden tot duizenden jaren chemisch reageert met mineralen in het gesteente en vaste carbonaatmineralen vormt. Dat laatste proces is het meest permanent, omdat het gas dan letterlijk in steen verandert.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is het tegengaan van klimaatverandering door CO2-uitstoot van industrie en energieopwekking niet in de lucht te laten belanden, maar ondergronds op te slaan. Deze aanpak heet CCS, een afkorting voor Carbon Capture and Storage, oftewel het afvangen en opslaan van koolstof.
Saline aquifers zijn daarbij aantrekkelijk om een paar redenen. Ze komen wereldwijd veel voor, ook op plekken zonder olie- of gasvelden, en hun gezamenlijke opslagcapaciteit wordt door geologen geschat op honderden tot duizenden gigaton CO2, ruim genoeg om in theorie decennia aan uitstoot te bergen. Anders dan lege olie- en gasvelden hoeven saline aquifers niet eerst leeggepompt te zijn, waardoor er potentieel veel meer geschikte locaties zijn.
Vooral voor sectoren die moeilijk te verduurzamen zijn, zoals cementproductie, staalfabrieken en chemische industrie, wordt CCS in saline aquifers gezien als een van de weinige realistische opties om de uitstoot drastisch te verlagen. Bij deze processen komt CO2 vrij als onvermijdelijk bijproduct van chemische reacties, niet alleen door verbranding, waardoor elektrificatie alleen niet volstaat.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste en oudste voorbeeld is Sleipner, een gasplatform van het Noorse bedrijf Statoil (nu Equinor) in de Noordzee. Sinds 1996 wordt hier CO2 die vrijkomt bij de winning van aardgas afgescheiden en teruggepompt in de Utsira-formatie, een zandsteenlaag onder de zeebodem. Sleipner geldt als het eerste grootschalige bewijs dat opslag in saline aquifers technisch werkt en al decennialang stabiel functioneert.
Niet ver daarvandaan, in de Barentszzee, injecteert Statoil sinds 2008 CO2 bij het Snøhvit-project op een vergelijkbare manier.
In Algerije liep tussen 2004 en 2011 het In Salah-project, een samenwerking van BP, Sonatrach en StatoilHydro. De injectie werd stopgezet nadat satellietmetingen (InSAR) een lichte opbolling van het aardoppervlak lieten zien boven de injectieputten. Uit voorzorg besloot men te stoppen om de integriteit van de afdeklaag niet in gevaar te brengen; het project wordt sindsdien vaak aangehaald als leerschool voor het belang van goede monitoring.
In Canada injecteert Shell sinds 2015 bij het Quest-project CO2 uit een waterstoffabriek in de Basal Cambrian Sands, een diepe saline formatie in Alberta.
In de Verenigde Staten liep van 2011 tot 2014 het Illinois Basin Decatur Project, waarbij landbouwbedrijf ADM CO2 uit een ethanolfabriek opsloeg in de Mount Simon Sandstone, een van de grootste bekende saline formaties van Noord-Amerika.
Een recenter en veelbesproken voorbeeld is Northern Lights in Noorwegen, een samenwerking van Equinor, Shell en TotalEnergies en onderdeel van het bredere Noorse CCS-programma Longship. Dit project slaat CO2 op die per schip wordt aangevoerd vanuit fabrieken elders in Europa, en is de afgelopen jaren operationeel geworden als een van de eerste commerciële diensten waarbij bedrijven tegen betaling hun CO2 kunnen laten opslaan.
Hoe ver is de techniek?
De basistechniek is niet nieuw en wetenschappelijk goed onderbouwd: Sleipner draait al sinds de jaren negentig zonder gemelde lekkage, en de ondergrondse processen zijn uitgebreid gemodelleerd en gemeten. In die zin is opslag in saline aquifers een bewezen technologie, geen toekomstdroom.
Toch is de praktijk weerbarstiger dan de theorie soms doet vermoeden. Bij het Australische Gorgon-project van Chevron, waar sinds 2019 CO2 onder Barrow Island wordt opgeslagen, bleek de injectiesnelheid in de praktijk lager dan gepland doordat de druk in het reservoir sneller opliep dan verwacht. Chevron moest daardoor jarenlang een deel van de af te vangen CO2 alsnog de lucht in laten in plaats van opslaan, wat laat zien dat de geologie per locatie sterk kan verschillen en dat vooraf goed onderzoek cruciaal is.
Het grootste obstakel is momenteel niet zozeer de techniek zelf, maar de schaal. Wereldwijd wordt slechts een fractie van de benodigde hoeveelheden CO2 daadwerkelijk opgeslagen ten opzichte van wat klimaatscenario's van organisaties als het IPCC nodig achten. Hoge kosten voor afvang en transport, trage vergunningsprocedures, beperkte financiële prikkels en soms weerstand van omwonenden (uit zorg voor lekkage of lichte aardbevingen) remmen de uitrol af. Ook blijft langetermijnmonitoring een aandachtspunt: hoe controleer je decennialang, of zelfs eeuwenlang, of een opslaglocatie dicht blijft?
Wie werken eraan?
Noorwegen loopt internationaal voorop, mede dankzij decennialange ervaring met Sleipner en Snøhvit en de rol van de Noorse staat en Equinor in het financieren van projecten als Northern Lights. Andere grote energiebedrijven die actief zijn in saline-aquiferopslag zijn Shell, TotalEnergies en Chevron.
In de Verenigde Staten spelen naast bedrijven als ADM ook onderzoeksinstellingen een grote rol, waaronder nationale laboratoria zoals Lawrence Berkeley National Laboratory, die de ondergrondse processen modelleren en monitoren. De Amerikaanse geologische dienst USGS brengt in kaart welke ondergrondse lagen in de VS geschikt zijn voor opslag.
Op beleidsniveau houden het Internationaal Energieagentschap (IEA) en het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) de mondiale voortgang van CCS bij en wegen zij het belang ervan in klimaatscenario's. Het Global CCS Institute, een internationale denktank, publiceert jaarlijks overzichten van lopende en geplande projecten wereldwijd. Ook in Nederland wordt gekeken naar ondergrondse CO2-opslag, al gaat het daar vooralsnog vooral om lege gasvelden onder de Noordzee (zoals het Porthos-project) in plaats van saline aquifers.