De aarde kan worden gezien als een gigantische warmtebatterij, maar geothermische energie draagt slechts voor ongeveer 0,5% bij aan de elektriciteit die wordt geproduceerd via koolstofarme energiebronnen en groeit jaar na jaar slechts met ongeveer 3,5%. De belangrijkste reden waarom geothermische energie niet opschaalt in aantal toepassingen is dat het geografisch beperkt is; dus niet elke regio kan geothermische bronnen aanboren. Er is echter één geothermische innovatie die het wereldwijde bereik zou kunnen vergroten: superkritische geothermie.
Wat is superkritische geothermie?
Superkritische geothermische energie wekt energie op uit superkritisch water onder het aardoppervlak. Grondwater in de buurt van magma kan superkritisch worden, dat wil zeggen, onder druk worden gezet tot temperaturen en drukken boven het kritieke punt (~374 °C, 221 bar). Dit is niet alleen fascinerend vanwege de hogere temperaturen, maar ook omdat superkritisch water een veel hogere enthalpie kan hebben, dat wil zeggen dat het meer energie vasthoudt en 5 tot 10 keer krachtiger kan zijn dan traditionele geothermische energie, waardoor de genivelleerde kosten dalen.
Waar vinden we superkritische geothermische bronnen?
Superkritische of superhete geothermische bronnen zijn zelfs gevonden op diepten van 2 km op plaatsen zoals IJsland. Regio's met veel vulkanische of tektonische activiteit, zoals IJsland en Kenia, hebben ook superkritische omstandigheden aangetroffen op diepten van meer dan 5 km. Typische superkritische omstandigheden doen zich voor bij boringen in de brosse-geleidende overgangszone (BDTZ). De BDTZ strekt zich uit over een aantal diepten onder het oppervlak waar het gesteente overgaat van bros naar taai materiaal. Stel je een scenario voor waarbij een stuk rots kan worden opgerold als een draad of kan worden platgewalst tot een plaat. Het gesteente gedraagt zich zo op de bodem van de BDTZ, terwijl het volledig bros is op de top van de BDTZ; op tussenliggende diepten vertoont het eigenschappen van zowel brosheid als taaiheid. De kans om de BDTZ dichter bij de oppervlakte te vinden is groter op plaatsen met een uitstekend geothermisch potentieel (opnieuw plaatsen met veel vulkanische of tektonische activiteit) en neemt af naarmate het conventionele geothermische potentieel afneemt. De diepte waarop men de BDTZ vindt varieert dus van regio tot regio en kan zelfs 20 km diep zijn.
Hoe beïnvloedt de BDTZ de vooruitzichten voor superkritische geothermische energieopwekking?
Zelfs als het praktisch mogelijk wordt om tot de bovenste laag van de BDTZ te boren op een diepte van bijna 20 km, is het maken van breuken of het boren door het gesteente aan de rand van de BDTZ niet eenvoudig omdat het gesteente taai wordt - het vervormt eerder dan dat het scheurt bij het boren. Daarom is het een uitdaging om direct toegang te krijgen tot de superkritische hydrothermale bron; de kans op seismische activiteit is ook erg groot vanwege de eigenschappen van het gesteente. Een beter begrip van de geologie in de BDTZ en het identificeren van de juiste plekken waar het gesteente bros genoeg is om doorheen te boren zijn van vitaal belang, maar ook hier blijft het een vraagteken of het economisch haalbaar is om tot zulke dieptes te boren.
Wat zijn de andere uitdagingen van superkritische geothermie?
Doorboren naar de BDTZ is slechts het eerste deel van het probleem. Eenmaal daar is het niet eenvoudig om energie te winnen uit de superkritische bron. Superkritisch water, of welke superkritische vloeistof dan ook, is zeer corrosief en beschadigt warmteoverdrachtsapparatuur en circulatiecomponenten. Bovendien vormt het binnendringen van magma in het systeem ook een uitdaging, evenals de mogelijke uitstoot van vulkanische gassen zoals waterstofsulfide en zwaveldioxide, zij het in minieme concentraties.
Wat is de huidige status van superkritische geothermie?
Superkritische geothermie is momenteel geen commerciële oplossing voor koolstofarme energie, ook al zijn wereldwijd enkele tientallen locaties bij boringen gestuit op superkritische vloeistoffen of magma. Dit was niet de bedoeling, en energieopwekking werd niet nagestreefd, opnieuw vanwege de eerder genoemde uitdagingen. Vanaf februari 2024 werken of werkten verschillende onderzoeksprojecten aan nieuwe boormethoden en benaderingen voor de exploratie van de ondergrond, zoals het Europese DEEPEGS-project (bijv. het Iceland Deep Drilling Project), de Krafla Magma Test in IJsland, het Drilling in dEep, Super-CRitical AMBients of continentaL Europe (DESCRAMBLE, tot 2018) in Italië, het Japan Beyond Brittle Project en het GEMex-project in Mexico.
Lux
Superkritische geothermie is nog ver verwijderd van commercialisering en zal afhankelijk zijn van vooruitgang in boormethoden, digitale modellering van bronnen en materiaalontwikkeling om toegang te krijgen tot deze bronnen voor energieopwekking. Ondanks het potentieel zal superkritische geothermie waarschijnlijk geen prominente rol spelen in de energietransitie vanwege de inherente technische belemmeringen. Als de technische belemmeringen worden aangepakt, zal superkritische geothermie alleen rendabel zijn in regio's met vulkanische of tektonische activiteit op lagere dieptes, tenzij nieuwe diepe geothermische boormethoden het tegendeel bewijzen.