Hoe dieper in de ondergrond, hoe hoger de temperatuur. Richard Bakker, onderzoeker bij Geoscience & Engineering, weet hier alles van. Hij heeft eerder onderzoek gedaan naar vulkanen, maar nu houdt hij zich bezig geothermie. Oftewel, het gebruiken van de warmte uit de ondergrond om duurzame energie op te wekken. “Deze energie haal je niet zomaar naar boven,” geeft Bakker aan. “Er moet namelijk op een diepte met de goede temperatuur water in de ondergrond zitten.” Door dit opgewarmde water omhoog te pompen kun je, afhankelijk van de temperatuur, met stoom een turbine laten draaien of het als verwarming gebruiken. Hierdoor is het mogelijk om met geothermie je huis te verwarmen en zelfs lampen te laten branden. 

Bakker: “Helaas kan geothermie nog niet overal succesvol gebruikt worden, want gesteentes in de ondergrond laten niet overal even goed water door. Dit is het geval in grote delen van Europa waar zandsteenlagen voorkomen, die slecht water doorlaten.” Bakker onderzoekt daarom wat de precieze eigenschappen zijn van dit gesteente en of het gesteente beter doorlaatbaar gemaakt kan worden door middel van het boren van gaten. Dit doet hij als onderdeel van het SURE project in het Geoscience & Engineering lab van de TU Delft.

In het lab onderzoekt Bakker zandsteen van de Buntsandstein formatie, die hij uit een groeve in Duitsland gehaald heeft. In deze groeve ligt dit gesteente, dat zich in Nederland op 3 kilometer diepte bevindt, aan de oppervlakte. Op deze diepte is het ongeveer 90 graden Celsius en door alle bovenliggende gesteentelagen die op het gesteente drukt, heeft het zandsteen te maken met een druk van zo’n 700 bar. “Dat is wel 200 keer meer druk dan in een fietsband,” vertelt Bakker. Het effect hiervan op het gesteente? “De ondergrond reageert als een soort spons. Als je een spons helemaal indrukt houdt het bijna geen water meer vast. Dit werkt ook zo met gesteente.”

Bakker: “Om een goed beeld te krijgen van de eigenschappen van het gesteente moet je zowel de druk als temperatuur na bootsen zoals die is op 3 kilometer diepte in de ondergrond.” Daarom test Bakker in het lab stukken steen in een soort drukvat met olie. De temperatuur en druk kunnen daarin zo worden opgevoerd dat het stuk steen net zo op de proef gesteld wordt als in de ondergrond. Bakker let hierbij wel op dat de olie niet warmer wordt dan 200 graden Celsius. “Dat is voor de leefbaarheid in het lab. Anders kunnen er dingen lek gaan en ben ik de rest van de dag bezig met olie opruimen!” Door middel van deze experimenten brengt Bakker de eigenschappen van het type zandsteen in kaart.

Met een ander experiment onderzoekt hij wat er gebeurt wanneer er gaten geboord worden in het gesteente met een waterstraal onder zeer hoge druk. Deze gaten creëren meer ruimte voor water en maken het gesteente ook beter doorlaatbaar. Zo kan er aan het aardoppervlak water in de ondergrond gepompt worden om het warme water wat daar al aanwezig is omhoog te duwen. Meer warm water oppompen betekent: meer energie. Maar kan het gesteente ook met gaten alle druk aan? “Dit is uniek onderzoek,” vertelt Bakker. “Het is heel lastig om te zien wat in de ondergrond precies gebeurt. Dat kun je hoogstens op afstand zien door een cameraatje in een boorput te laten zakken.  Dit is de eerste keer dat in het lab dit boorproces van dichtbij onderzocht wordt terwijl het gesteente onder druk staat. Samen met de medewerkers in het lab voer ik experimenten uit waarbij ik stenen blokken in een grote drukbank test. Vervolgens ga ik boren en de druk van de waterstraal steeds meer verhogen, om te zien hoe het gesteente hierop reageert.”

Om goed te kunnen beoordelen hoe al dat boren, die druk en die warmte het Buntsandstein-gesteente beïnvloeden gebruikt Bakker een heuse CT Scanner. Die staat gewoon in het lab. Hiermee kan hij de stenen als het ware vanbinnen bekijken. “Ik vergelijk de interne structuur van het gesteente van voor en na het experiment. Zo kan ik zelfs haarfijne scheurtjes in kaart brengen.”

“Met al deze testen vergaar ik een heleboel meetgegevens,” zegt Bakker. Deze gegevens zijn van groot belang, want ze leveren de basis voor statistische modellen die gebruikt gaan worden bij het maken van risicoanalyses binnen geothermie projecten. “Doordat er na dit onderzoek meer informatie is over de eigenschappen van het Buntsandstein-zandsteen, kan er straks met minder risico’s geothermie toegepast worden, ook in gebieden waar dit nu nog niet mogelijk is.” 

Gepubliceerd: januari 2018

Credentials header: (c) H. Tünte / SURE project