Dit artikel werd oorspronkelijk gepresenteerd op Bekend tijdschrift.
In de droge uitgestrektheid van de woestijn van Nevada schittert een ongewoon type energiecentrale die energie niet gebruikt van de zon of de wind, maar van de aarde zelf.
Het staat bekend als Project Red en pompt water duizenden meters de grond in, waar de rotsen heet genoeg zijn om een kalkoen te braden. De centrale zuigt 24 uur per dag verwarmd water terug in de generatoren. Sinds afgelopen november stroomt deze energie die wordt overgedragen van de koolstofvrije aarde naar het lokale elektriciteitsnet in Nevada.
Geothermische energie, hoewel continu uitgestraald vanuit de superhete kern van de aarde, is lange tijd een relatief nichebron van elektriciteit geweest, meestal beperkt tot vulkanische gebieden zoals IJsland, waar hete bronnen uit de grond opborrelen. Maar liefhebbers van geothermie hebben ervan gedroomd energie op aarde te winnen op plaatsen zonder zulke specifieke geologische omstandigheden, zoals de Red Project-locatie in Nevada, ontwikkeld door energiestartup Fervo Energy.
Dergelijke geothermische systemen van de nieuwe generatie zijn al tientallen jaren in gebruik, maar zijn duur en technologisch moeilijk gebleken, en hebben soms zelfs aardbevingen veroorzaakt. Sommige experts hopen dat nieuwere inspanningen zoals Project Red nu eindelijk een keerpunt kunnen markeren, waarbij gebruik wordt gemaakt van technieken die zijn geperfectioneerd in de olie- en gaswinning om de betrouwbaarheid en winstgevendheid te verbeteren.
De vooruitgang heeft de hoop gewekt dat geothermische energie – die momenteel minder dan 1 procent van de elektriciteit in de wereld en 0,4 procent van de elektriciteit in de Verenigde Staten produceert – met voldoende tijd en geld een belangrijke energiebron zou kunnen worden. Sommigen geloven dat geothermische energie een waardevol instrument zou kunnen zijn bij de transitie van het energiesysteem weg van fossiele brandstoffen, omdat het continue ondersteuning kan bieden aan intermitterende energiebronnen zoals zonne- en windenergie. “Voor mij is het al heel lang de meest veelbelovende energiebron”, zegt energie-ingenieur Roland Horne van Stanford University. “Maar nu we op weg zijn naar een koolstofvrij netwerk, is geothermie erg belangrijk.”
Grappig begin
Geothermische energie werkt het beste met twee dingen: warmte, plus gesteente dat voldoende doorlaatbaar is om water te transporteren. Op plaatsen waar gesmolten gesteente dichtbij het oppervlak sist, zal water door het poreuze vulkanische gesteente sijpelen, opwarmen en opborrelen als heet water, stoom of beide.
Als het water of de stoom heet genoeg is – idealiter minstens rond de 300 graden Fahrenheit – kan het uit de grond worden getrokken en worden gebruikt om generatoren voor elektriciteit aan te drijven. In Kenia is bijna 50 procent van de opgewekte elektriciteit afkomstig van geothermische energie. IJsland haalt 25 procent van zijn elektriciteit uit deze bron, terwijl Nieuw-Zeeland ongeveer 18 procent krijgt en de staat Californië 6 procent.
Sommige natuurlijke geothermische hulpbronnen zijn nog steeds onaangeboord, zoals in het westen van de Verenigde Staten, zegt geoloog Ann Robertson-Tait, president van GeothermEx, de adviesafdeling voor geothermische energie van olievelddienstenbedrijf SLB. Maar meestal hebben we bijna geen natuurlijke, hoogwaardige geothermische bronnen meer, waardoor experts gedwongen worden manieren te overwegen om geothermische energie te winnen uit gebieden waar energie veel moeilijker toegankelijk is. “Er is zoveel hitte op aarde”, zegt Robertson-Tait. Maar, voegt ze eraan toe, “een groot deel ervan zit opgesloten in gesteente dat niet doorlaatbaar is.”
Om die hitte te kunnen benutten, moet er diep worden geboord en moeten er scheuren worden gemaakt in deze niet-vulkanische, dichte rotsen, zodat er water doorheen kan stromen. Sinds de jaren zeventig hebben ingenieurs ‘verbeterde geothermische systemen’ (EGS) ontwikkeld die precies dat doen, met behulp van methoden die vergelijkbaar zijn met hydraulisch breken – of fracken – dat wordt gebruikt om olie en gas uit diep gesteente te winnen. Water wordt onder hoge druk in putten gepompt, tot wel enkele kilometers diep, om scheuren in het gesteente op te breken. De gebroken rotsen en het water creëren een ondergrondse radiator waar het water wordt verwarmd voordat het via een andere put naar de oppervlakte komt. Tientallen van dergelijke EGS-installaties zijn gebouwd in de Verenigde Staten, Europa, Australië en Japan – de meeste experimenteel en door de overheid gefinancierd – met wisselend succes.
Het is bekend dat één EGS-fabriek in Zuid-Korea in 2017 abrupt is gesloten nadat deze mogelijk een aardbeving met een kracht van 5,5 had veroorzaakt; Fracking van welke aard dan ook kan de druk op nabijgelegen tektonische breuken vergroten. Andere problemen waren van technologische aard: sommige fabrieken creëerden niet genoeg breuken voor een goede warmte-uitwisseling, of de breuken gingen de verkeerde kant op en slaagden er niet in twee putten met elkaar te verbinden.
Sommige inspanningen hebben echter geleid tot levensvatbare energiecentrales, waaronder verschillende Duitse en Franse systemen die tussen 1987 en 2012 in het Rijndal zijn gebouwd. Daar maakten ingenieurs gebruik van bestaande scheuren in de rots.
Maar over het geheel genomen is er gewoon niet genoeg belangstelling om EGS te ontwikkelen tot een betrouwbaardere en lucratievere technologie, zegt geofysicus Dimitra Teza van het energieonderzoeksinstituut Fraunhofer IEG in Karlsruhe, Duitsland, dat heeft geholpen bij de ontwikkeling van enkele van de EGS-systemen in het Rijndal. . “Het is behoorlijk zwaar geweest voor de sector.”
Nieuw momentum
Er zijn oplossingen voor zowel beveiligings- als technologieproblemen. Er bestaan in feite robuuste protocollen om aardbevingen te vermijden, zoals het niet boren in de buurt van actieve breuklijnen. Langetermijnmonitoring van operationele EGS-fabrieken in Frankrijk en Duitsland bracht slechts kleine trillingen aan het licht, waardoor het vertrouwen in de veiligheid van de technologie werd vergroot. Belangrijk is dat de methodologie voor boren en fracken snel is verbeterd, dankzij de hausse in de winning van schalieolie en gas die in de jaren 2010 begon. “Sindsdien hebben we een hernieuwde belangstelling voor EGS als concept gezien, omdat de technieken die essentieel zijn voor EGS in die tijd zijn verfijnd en aanzienlijk in kosten zijn verlaagd”, zegt Wilson Ricks, onderzoeker op het gebied van energiesystemen aan de Princeton University.
In 2015 lanceerde het Amerikaanse ministerie van Energie bijvoorbeeld een onderzoekslocatie in Utah die zich toelegde op het bevorderen van EGS-technologieën. Verschillende nieuwe Noord-Amerikaanse startups, waaronder Sage Geosystems en E2E Energy Solutions, ontwikkelen nieuwe EGS-systemen in Texas en Canada. De meest geavanceerde is Fervo Energy, dat verschillende technieken uit de schalie-industrie heeft toegepast op zijn fabriek in Nevada, die nu een lokaal netwerk levert met energievretende dataopslagcentra die eigendom zijn van Google. (Google werkte samen met Fervo om de faciliteit te ontwikkelen.)
Ingenieurs boorden bijna 2500 meter diep in de rotsen van Nevada, bereikten temperaturen van bijna 380 graden Fahrenheit, en boorden vervolgens op de bodem nog een horizontale put van 900 meter om het gebied met hete rotsen die door het systeem werden geraakt uit te breiden – een techniek die wordt gebruikt in olie- en gaswinning om de opbrengst te maximaliseren. Het bedrijf brak ook de omliggende rots op verschillende locaties langs de horizontale put, zodat er een uitgebreider netwerk van scheuren ontstond waar water doorheen kon sijpelen. Technologisch gezien zijn ze, vergeleken met eerdere EGS-inspanningen, “eigenlijk een grote stap voorwaarts”, zegt Horne, lid van de wetenschappelijke adviesraad van Fervo.
Het valt nog te bezien hoe deze nieuwe EGS-systemen op de lange termijn zullen presteren. Een van de voordelen van systemen als Fervo is dat ze winstgevender kunnen worden gemaakt door te profiteren van schommelingen in de energieprijzen, zo blijkt uit recent onderzoek van Ricks, zijn Princeton-collega’s en verschillende Fervo Energy-experts. Operators zouden de uitlaatputten kunnen verstoppen, waardoor er water in het systeem terechtkomt, waardoor de druk en de hitte toenemen. Dan kan de energie worden gewonnen op momenten dat deze het meest waardevol is, zoals een bewolkte periode of een windstille periode waarin de zon of de wind niet werken.
Toch zouden dergelijke systemen aanzienlijk moeten worden opgeschaald om commercieel levensvatbaar te zijn, zegt Ricks. Hoewel Project Red beweert meer capaciteit te hebben dan welke andere EGS-centrale dan ook – 3,5 megawatt, genoeg om meer dan 2.500 huishoudens van stroom te voorzien – is het nog steeds relatief klein; een kern- of kolencentrale kan gemakkelijk 1.000 megawatt produceren, terwijl grote zonne-energiecentrales of traditionele geothermische centrales vaak enkele honderden megawatts produceren.
Wat het EGS-veld nu nodig heeft, zegt Ricks, is financiering om meer van dergelijke systemen te bouwen en te testen om het vertrouwen van investeerders te vergroten. “Dit alles moet zeer goed worden bewezen, tot het punt waarop het waargenomen risico laag is”, zegt hij.
Een keerpunt voor geothermie?
Daartoe heeft het Amerikaanse ministerie van Energie onlangs 60 miljoen dollar toegekend aan drie demonstratieprojecten voor EGS en aanverwante technologieën, als onderdeel van een breder initiatief om de ontwikkeling van EGS te versnellen. In een rapport van een agentschap uit 2019 werd geschat dat, met de vooruitgang van EGS, geothermie in 2050 ongeveer 60 gigawatt (60.000 megawatt) aan geïnstalleerde capaciteit in de Verenigde Staten zou kunnen vertegenwoordigen, waarmee 8,5 procent van de elektriciteit van het land zou worden opgewekt – meer dan een vertwintigvoudige toename vergeleken met vandaag. .
Zelfs een stijging van een paar procent zou de mondiale energietransitie kunnen helpen die tot doel heeft om in 2050 netto nul CO2-uitstoot te bereiken. “Als EGS over vijftien, twintig jaar duurzaam is, denk ik dat het een grote rol zou kunnen spelen”, zegt Nils Angliviel de La. Beaumelle, die onlangs co-auteur was van een artikel over de mondiale vooruitzichten voor hernieuwbare energie Jaarlijkse evaluatie van het milieu en de hulpbronnen.
Andere geothermische technologieën kunnen ook helpen. Sommige bedrijven onderzoeken de haalbaarheid van geothermisch ‘super heet gesteente’ – in wezen een jonge, extreme variant van EGS waarbij nog dieper in de aardkorst wordt geboord, tot een diepte waar het water een ‘superkritische’ dampachtige toestand bereikt die het mogelijk maakt het draagt veel meer energie dan damp of vloeistof. In Zuid-Duitsland bouwt energiebedrijf Eavor ‘s werelds eerste ‘gesloten-lus’-geothermische systeem: zodra de leidingen water naar diep gesteente leiden, breidt het systeem zich uit tot een netwerk van parallelle boorgaten zonder dat het water ooit in het gesteente dringt. Het is een meer voorspelbare, maar minder efficiënte manier om water te verwarmen, omdat het niet de onzekerheden met zich meebrengt die gepaard gaan met het op de juiste manier breken van het gesteente, zegt Teza. “Ik ben erg enthousiast om te zien dat er in deze technologieën wordt geïnvesteerd”, zegt ze. “Ik denk dat het alleen maar kan helpen.”
Over het geheel genomen is dit een belangrijk moment voor geothermische energie – en niet alleen voor het leveren van koolstofvrije elektriciteit, zegt Robertson-Tait. Geothermische pekel die uit de aarde wordt gewonnen, is rijk aan lithium en andere cruciale mineralen die kunnen worden gebruikt om groene technologieën zoals zonnepanelen en EV-batterijen te bouwen. Er is een groeiende drang om directe geothermische warmte te gebruiken om gebouwen te verwarmen, hetzij via ondiepe warmtepompen voor woongebouwen, hetzij via grotere systemen die zijn ontworpen voor hele wijken – zoals Parijs en München al hebben gedaan.
Sommige olie- en gasbedrijven, die beseffen dat er verandering op komst is, zijn steeds meer geïnteresseerd in het bouwen van verschillende soorten geothermische systemen, zegt Robertson-Tait. “Onze aarde is geothermisch”, zegt ze, “en daarom denk ik dat we het aan onszelf verplicht zijn om alles te doen wat we kunnen om ervan te profiteren.”
Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Knowable Magazine, een onafhankelijke journalistieke onderneming van Annual Reviews. Meld u aan voor de nieuwsbrief.