.chap TU-onderzoekers verstoppen CO2 in diepe aardlagenWat zou er mooier zijn dan het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) dat zich nuttig kan maken? Het kan echt, zeggen onderzoekers bij technische aardwetenschappen.
Zij zijn hard aan het werk om CO2 op te bergen in steenkoollagen. Ze krijgen er ook wat voor terug: methaan, ofwel aardgas.
Volgens een eerste ruwe schatting is er met deze nieuwe methode onder heel Nederland twee keer zoveel aardgas te winnen als in het gasveld bij Slochteren zit. Deze voorraad voorziet gezinnen en de Nederlandse en buitenlandse industrie al veertig jaar van brandstof.
Aanleiding voor het opruimen van CO2 is het Kyoto-protocol. Voor Nederland is het erg lastig om aan de normen van dit protocol te voeldoen. Dure en schone alternatieven als windenergie willen hier bijvoorbeeld alvast niet echt van de grond komen. ,,Politici beamen dat de CO2-uitstoot minder moet. Wat betekent dat de samenleving mag gaan rennen om het voor elkaar te krijgen”, grijnst Karl-Heinz Wolf van de sectie Technische Geofysica en Petrofysica (Citg). Wolf is samen met zijn collega Hans Bruinig projectleider van het Delftse team dat onderzoek doet naar enhanced production of coal bed methane (Ecbm) in Nederland. Dit project kreeg vorm nadat hun onderzoeksgroep in 1999 bevestigde dat elke twee moleculen CO2 die door een massieve steenkoolkern worden geleid, één molecuul methaan opleveren. Dat betekent dat diepe steenkoollagen tegelijkertijd een opslagplaats en energieleverancier zijn.
Het idee is simpel. De rook uit onder andere energiecentrales wordt afgevangen en onder hoge druk de aarde ingeperst, tot een diepte van maximaal twaalfhonderd meter. Aangekomen bij het steenkool wisselen methaan en koolstofdioxide van plaats, waarna het aardgas wordt opgepompt en de weg vindt naar een woonwijk of krachtcentrale. Zo’n centrale zet met de verbranding van aardgas water om in stoom. Die stoom wordt op zijn beurt via turbines omgezet naar elektriciteit.
Toch is een pijpleiding met aardgas naar een woonwijk verre toekomstmuziek. ,,Het gas uit de bodem heeft niet de exacte gassamenstelling zoals in de huishoudens gebruikelijk is”, zegt Wolf. ,,Het gas moet daarom eerst naar mengstations, met alle complexiteiten en kosten van dien. Voor industriële doeleinden is de precieze samenstelling van het gas vaak van minder groot belang.”
Veldexperimenten
In Europees verband maken onderzoekers zich op voor de eerste veldexperimenten met het gas in Polen, in het voorjaar van 2003. Intussen zorgt in Nederland TNO voor de verstrekking van velddata en onderzoekt de Universiteit van Utrecht het bovengrondse infrastructurele deel en de economische en technische haalbaarheid. De Universiteit van Leiden kijkt mee naar de sociaal-psychologische aspecten. De methode klinkt immers geweldig, totdat zo’n pijpleiding jouw volkstuintje passeert.
De groep van Wolf en Bruining richt zich op het ondergrondse transportgedrag door de kolenlagen. Ook houden ze zich bezig met de absorptie- en diffusie-eigenschappen van koolstofdioxide, methaan en water in steenkool.
In een vitrinekastje naast de kamer van Wolf staan een paar steenkoolblokken uit verschillende landen. Allemaal hebben ze kleinere en grotere scheurtjes in een soort rastervorm, vergelijkbaar met de nerven in een blad. Met zo’n blok steenkool % oorspronkelijk plantenresten – voor je neus, is het moeilijk voor te stellen dat in die microkanaaltjes en -poriën op een diepte van duizend meter gasuitwisseling plaatsvindt.
Om het aardgas te winnen wordt als eerste het grondwater verwijderd met enorme jaknikkers. Daarbij verlaagt de vloeistofdruk in de diepe steenkoollagen, met als gevolg dat gasbelletjes CO2 en CH4 uitzetten en uit de poriën komen. Water dat achterblijft in de scheurtjes van de steenkolen bemoeilijkt de stroming van de gasbelletjes door scheurtjes in de steenkool. Wolf: ,,In het laboratorium proberen we gunstige omstandigheden te vinden voor de gasuitwisseling van methaan en CO2.”
Kolenmonsters
Om te bepalen met welk gemak gas door steenkolen stroomt, brengt beeldanalyticus Ruud Ephraïm de patronen van de scheurtjes in kaart. Hoe meer scheurtjes, hoe meer stroming mogelijk is. Met een CT-scanner visualiseert Ephraïm scheurpatronen in kolenmonsters. Inmiddels heeft hij dertien verschillende steenkoolsoorten bekeken, waaronder kolen uit Frankrijk, Duitsland, Engeland en Polen. Hij hakt ze, ‘met beleid’, in stukken en analyseert voor elk soort tweeduizend korrels. ,,Door de breukhoeken te berekenen van de kolenkorrels uit verschillende gebieden, met elk een andere geologische geschiedenis, hoop ik te achterhalen of elk van deze monsters zijn eigen scheurpatroon heeft”, zegt Ephraïm.
Tot nu toe verklappen de onderzoekers nog niet of de scheurpatronen ook afhankelijk zijn van de plantensoort waarvan de steenkool afstamt. Volgend jaar begint de statistische verwerking van deze gegevens. ,,Het wordt nog spannend of het laatste een dood spoor is of niet”, aldus Ephraïm.
Om het scheiden van CO2 uit de rook van een fabriek te omzeilen is het handig als de rook als geheel in de steenkoollagen wordt geïnjecteerd. Aio Saikat Mazumder uit India leidt industriële rookgassen door steenkoolkernen. Het blijkt dat CO2 veruit het beste aan steenkool hecht. Een opslagplaats voor stikstofoxiden en zwaveloxiden zit er voorlopig dus niet in.
Mazumder onderzoekt ook hoe CO2 in steenkoollagen zal reageren op de lange duur. Het mag niet zo zijn dat CO2 bij hogere aardtemperaturen langzaam wordt omgezet in koolstofmonoxide, dat veel schadelijker is. ,,Tot nu toe gebeurde er gelukkig bij twintig graden Celsius niets met het steenkool dat met CO2 is verzadigd is”, aldus Mazumder, die net vier maanden aan de slag is. ,,Bij de volgende proef ga ik tot tweehonderdvijftig graden Celsius.”
De Duitse Nikolai Siemons heeft omstandigheden nagebootst zoals die op duizend tot vijftienhonderd meter diepte moeten zijn: een druk van maximaal vijfhonderd atmosfeer en hoge temperatuur tot maximaal honderd graden Celsius. Om veiligheidsredenen doet hij zijn hoge-drukexperimenten in het laboratorium van scheikunde. De onderzoeker gebruikt daarvoor cilindervormige steenkolen van maximaal tachtig centimeter lang, met een diameter van acht centimeter. Ze zijn verzadigd met methaan en water. Aan de ene kant pompt een pomp koolstofdioxide door het steenkool, en aan de andere kant analyseert een gaschromatograaf hoeveel methaan eruit komt en welke andere soorten gas.
Test
Siemons is nu een jaar bezig. Intussen heeft hij zijn eerste steenkool (antraciet) bekeken en zijn eerste opstelling opgeblazen. Nu hij de eerste proefopstelling beheerst verwacht hij elke twee maanden een test af te hebben. Hij kan nog niet veel over zijn resultaten zeggen, maar bij een grote druk ziet hij dat steenkool uitzet. ,,Als het steenkool uitzet in de bodem zullen de omliggende lagen steenkool samenpersen, waardoor de permeabiliteit afneemt. Dan kan er geen CO2 meer door de grond worden geleid.”
Volgens Siemons is het verstandig om eerst te zorgen dat we CO2 kunnen verstoppen in de diepe grondlagen. ,,En dan moeten we nog maar eens zien of deze methode inderdaad methaan oplevert.”
Nu betalen Europese bedrijven al veel belasting voor hun CO2-uitstoot. Siemons verwacht dat als Europa zijn wetten nog meer aanscherpt voor de uitstoot van CO2, het uiteindelijk aantrekkelijk wordt voor bedrijven om op deze toekomstige manier CO2 op te bergen.
Intussen hebben onderzoekers van TNO en de Universiteit van Utrecht een onderzoek gedaan naar de economische, infrastructurele en technische aspecten van Ecbm op vier plaatsen in Nederland, waaronder de provincies Zeeland en Gelderland. Zuid-Limburg is de beste plaats voor een test om methaan op te wekken, maar in de Achterhoek zijn er gunstiger mogelijkheden voor CO2 opslag.
In Nederland ligt de totale jaarlijkse uitstoot van CO2 op 180 megaton. Afhankelijk van de beschikbare technologie om de steenkool te bereiken, menen de onderzoekers dat tussen de 54 megaton en negen gigaton CO2 verborgen kan worden. Als dat mogelijk wordt, zal Nederland de komende veertig jaar zijn CO2-uitstoot tot een minimum kunnen beperken. Maar wat doen we dan in 2042 met de CO2? Wolf: ,,Dan zijn inderdaad de ondiepere steenkoollagen gevuld met CO2. Naast steenkool zijn er ook nog lege gas- en olievelden, die ook als opslagplaats kunnen dienen. Ik ga ervan uit dat we in die periode genoeg tijd hebben gehad om uit te zoeken hoe we diepere steenkoollagen kunnen aanspreken.”
.chap TU-onderzoekers verstoppen CO2 in diepe aardlagen
Wat zou er mooier zijn dan het broeikasgas koolstofdioxide (CO2) dat zich nuttig kan maken? Het kan echt, zeggen onderzoekers bij technische aardwetenschappen. Zij zijn hard aan het werk om CO2 op te bergen in steenkoollagen. Ze krijgen er ook wat voor terug: methaan, ofwel aardgas.
Volgens een eerste ruwe schatting is er met deze nieuwe methode onder heel Nederland twee keer zoveel aardgas te winnen als in het gasveld bij Slochteren zit. Deze voorraad voorziet gezinnen en de Nederlandse en buitenlandse industrie al veertig jaar van brandstof.
Aanleiding voor het opruimen van CO2 is het Kyoto-protocol. Voor Nederland is het erg lastig om aan de normen van dit protocol te voeldoen. Dure en schone alternatieven als windenergie willen hier bijvoorbeeld alvast niet echt van de grond komen. ,,Politici beamen dat de CO2-uitstoot minder moet. Wat betekent dat de samenleving mag gaan rennen om het voor elkaar te krijgen”, grijnst Karl-Heinz Wolf van de sectie Technische Geofysica en Petrofysica (Citg). Wolf is samen met zijn collega Hans Bruinig projectleider van het Delftse team dat onderzoek doet naar enhanced production of coal bed methane (Ecbm) in Nederland. Dit project kreeg vorm nadat hun onderzoeksgroep in 1999 bevestigde dat elke twee moleculen CO2 die door een massieve steenkoolkern worden geleid, één molecuul methaan opleveren. Dat betekent dat diepe steenkoollagen tegelijkertijd een opslagplaats en energieleverancier zijn.
Het idee is simpel. De rook uit onder andere energiecentrales wordt afgevangen en onder hoge druk de aarde ingeperst, tot een diepte van maximaal twaalfhonderd meter. Aangekomen bij het steenkool wisselen methaan en koolstofdioxide van plaats, waarna het aardgas wordt opgepompt en de weg vindt naar een woonwijk of krachtcentrale. Zo’n centrale zet met de verbranding van aardgas water om in stoom. Die stoom wordt op zijn beurt via turbines omgezet naar elektriciteit.
Toch is een pijpleiding met aardgas naar een woonwijk verre toekomstmuziek. ,,Het gas uit de bodem heeft niet de exacte gassamenstelling zoals in de huishoudens gebruikelijk is”, zegt Wolf. ,,Het gas moet daarom eerst naar mengstations, met alle complexiteiten en kosten van dien. Voor industriële doeleinden is de precieze samenstelling van het gas vaak van minder groot belang.”
Veldexperimenten
In Europees verband maken onderzoekers zich op voor de eerste veldexperimenten met het gas in Polen, in het voorjaar van 2003. Intussen zorgt in Nederland TNO voor de verstrekking van velddata en onderzoekt de Universiteit van Utrecht het bovengrondse infrastructurele deel en de economische en technische haalbaarheid. De Universiteit van Leiden kijkt mee naar de sociaal-psychologische aspecten. De methode klinkt immers geweldig, totdat zo’n pijpleiding jouw volkstuintje passeert.
De groep van Wolf en Bruining richt zich op het ondergrondse transportgedrag door de kolenlagen. Ook houden ze zich bezig met de absorptie- en diffusie-eigenschappen van koolstofdioxide, methaan en water in steenkool.
In een vitrinekastje naast de kamer van Wolf staan een paar steenkoolblokken uit verschillende landen. Allemaal hebben ze kleinere en grotere scheurtjes in een soort rastervorm, vergelijkbaar met de nerven in een blad. Met zo’n blok steenkool % oorspronkelijk plantenresten – voor je neus, is het moeilijk voor te stellen dat in die microkanaaltjes en -poriën op een diepte van duizend meter gasuitwisseling plaatsvindt.
Om het aardgas te winnen wordt als eerste het grondwater verwijderd met enorme jaknikkers. Daarbij verlaagt de vloeistofdruk in de diepe steenkoollagen, met als gevolg dat gasbelletjes CO2 en CH4 uitzetten en uit de poriën komen. Water dat achterblijft in de scheurtjes van de steenkolen bemoeilijkt de stroming van de gasbelletjes door scheurtjes in de steenkool. Wolf: ,,In het laboratorium proberen we gunstige omstandigheden te vinden voor de gasuitwisseling van methaan en CO2.”
Kolenmonsters
Om te bepalen met welk gemak gas door steenkolen stroomt, brengt beeldanalyticus Ruud Ephraïm de patronen van de scheurtjes in kaart. Hoe meer scheurtjes, hoe meer stroming mogelijk is. Met een CT-scanner visualiseert Ephraïm scheurpatronen in kolenmonsters. Inmiddels heeft hij dertien verschillende steenkoolsoorten bekeken, waaronder kolen uit Frankrijk, Duitsland, Engeland en Polen. Hij hakt ze, ‘met beleid’, in stukken en analyseert voor elk soort tweeduizend korrels. ,,Door de breukhoeken te berekenen van de kolenkorrels uit verschillende gebieden, met elk een andere geologische geschiedenis, hoop ik te achterhalen of elk van deze monsters zijn eigen scheurpatroon heeft”, zegt Ephraïm.
Tot nu toe verklappen de onderzoekers nog niet of de scheurpatronen ook afhankelijk zijn van de plantensoort waarvan de steenkool afstamt. Volgend jaar begint de statistische verwerking van deze gegevens. ,,Het wordt nog spannend of het laatste een dood spoor is of niet”, aldus Ephraïm.
Om het scheiden van CO2 uit de rook van een fabriek te omzeilen is het handig als de rook als geheel in de steenkoollagen wordt geïnjecteerd. Aio Saikat Mazumder uit India leidt industriële rookgassen door steenkoolkernen. Het blijkt dat CO2 veruit het beste aan steenkool hecht. Een opslagplaats voor stikstofoxiden en zwaveloxiden zit er voorlopig dus niet in.
Mazumder onderzoekt ook hoe CO2 in steenkoollagen zal reageren op de lange duur. Het mag niet zo zijn dat CO2 bij hogere aardtemperaturen langzaam wordt omgezet in koolstofmonoxide, dat veel schadelijker is. ,,Tot nu toe gebeurde er gelukkig bij twintig graden Celsius niets met het steenkool dat met CO2 is verzadigd is”, aldus Mazumder, die net vier maanden aan de slag is. ,,Bij de volgende proef ga ik tot tweehonderdvijftig graden Celsius.”
De Duitse Nikolai Siemons heeft omstandigheden nagebootst zoals die op duizend tot vijftienhonderd meter diepte moeten zijn: een druk van maximaal vijfhonderd atmosfeer en hoge temperatuur tot maximaal honderd graden Celsius. Om veiligheidsredenen doet hij zijn hoge-drukexperimenten in het laboratorium van scheikunde. De onderzoeker gebruikt daarvoor cilindervormige steenkolen van maximaal tachtig centimeter lang, met een diameter van acht centimeter. Ze zijn verzadigd met methaan en water. Aan de ene kant pompt een pomp koolstofdioxide door het steenkool, en aan de andere kant analyseert een gaschromatograaf hoeveel methaan eruit komt en welke andere soorten gas.
Test
Siemons is nu een jaar bezig. Intussen heeft hij zijn eerste steenkool (antraciet) bekeken en zijn eerste opstelling opgeblazen. Nu hij de eerste proefopstelling beheerst verwacht hij elke twee maanden een test af te hebben. Hij kan nog niet veel over zijn resultaten zeggen, maar bij een grote druk ziet hij dat steenkool uitzet. ,,Als het steenkool uitzet in de bodem zullen de omliggende lagen steenkool samenpersen, waardoor de permeabiliteit afneemt. Dan kan er geen CO2 meer door de grond worden geleid.”
Volgens Siemons is het verstandig om eerst te zorgen dat we CO2 kunnen verstoppen in de diepe grondlagen. ,,En dan moeten we nog maar eens zien of deze methode inderdaad methaan oplevert.”
Nu betalen Europese bedrijven al veel belasting voor hun CO2-uitstoot. Siemons verwacht dat als Europa zijn wetten nog meer aanscherpt voor de uitstoot van CO2, het uiteindelijk aantrekkelijk wordt voor bedrijven om op deze toekomstige manier CO2 op te bergen.
Intussen hebben onderzoekers van TNO en de Universiteit van Utrecht een onderzoek gedaan naar de economische, infrastructurele en technische aspecten van Ecbm op vier plaatsen in Nederland, waaronder de provincies Zeeland en Gelderland. Zuid-Limburg is de beste plaats voor een test om methaan op te wekken, maar in de Achterhoek zijn er gunstiger mogelijkheden voor CO2 opslag.
In Nederland ligt de totale jaarlijkse uitstoot van CO2 op 180 megaton. Afhankelijk van de beschikbare technologie om de steenkool te bereiken, menen de onderzoekers dat tussen de 54 megaton en negen gigaton CO2 verborgen kan worden. Als dat mogelijk wordt, zal Nederland de komende veertig jaar zijn CO2-uitstoot tot een minimum kunnen beperken. Maar wat doen we dan in 2042 met de CO2? Wolf: ,,Dan zijn inderdaad de ondiepere steenkoollagen gevuld met CO2. Naast steenkool zijn er ook nog lege gas- en olievelden, die ook als opslagplaats kunnen dienen. Ik ga ervan uit dat we in die periode genoeg tijd hebben gehad om uit te zoeken hoe we diepere steenkoollagen kunnen aanspreken.”

Comments are closed.