Op 3 kilometer onder de grond wordt het te zwaar voor de traditionele booruitrusting. Na wekenlang door klei, zand en grind gevreten te hebben, stuit deze nu op graniet.
Maar ingenieurs weten raad. Ze halen de boorkop op en vervangen hem door een rare pijp met een schoteltje eraan.
Een paar tellen later begint de schotel elektromagnetische straling van enorme sterkte uit te zenden. De straling doet het gesteente op de bodem van het boorgat verdampen. Het houdt gewoon helemaal op te bestaan. En het gaat snel!
Waar een traditionele boor maanden nodig zou hebben om nog een kilometer naar beneden te gaan, legt het schoteltje het traject in een week af, en het laat een gladde, verticale put van 20 centimeter doorsnee achter.
De baanbrekende boortechnologie is van de Amerikaanse firma Quaise. Ze ligt nog maar op de tekentafel, maar nu al staan de investeerders in de rij omdat de vooruitzichten gigantisch zijn.
De onderzoekers willen in 100 dagen naar 20 kilometer diepte.
Uit de berekeningen van het bedrijf blijkt dat het mogelijk is om in slechts 100 dagen 20 kilometer de grond in te gaan. En als het werkelijkheid wordt, maken we een energierevolutie mee waarbij de groene transitie een koud kunstje is.
IJsland loopt voorop
Het doel van Quaise is het aanboren van de enorme warmte van de planeet. Uit geologische modellen blijkt dat er overal op aarde op ongeveer 20 kilometer diepte temperaturen van 400 tot 500 °C heersen.
De warmte komt van de vorming van de aarde en van het voortdurende verval van radioactieve elementen in de bodem – vooral uranium, thorium en kalium.
Als we toegang tot deze aardwarmte krijgen, kunnen we die gebruiken om elektriciteit op te wekken. Dat is nu nog maar op enkele plaatsen mogelijk – zoals in IJsland, waar een kwart van de stroom van ondergrondse energie afkomstig is.
Vulkanische activiteit maakt de korst onder IJsland zo dun dat krachtcentrales de aardwarmte kunnen aanboren.
Samen met Japan en Nieuw-Zeeland is IJsland een van de energierijkste landen op aarde. De eilandstaat ligt vlak boven de mid-Atlantische spreidingsrug, waar steeds nieuwe zeebodem gevormd wordt door vulkanische activiteit.
Daardoor is de aardkorst daar zeer dun, dus boren hoeven maar wat aan de bodem te krabben en de temperatuur kan worden benut – zowel voor verwarming als voor het opwekken van energie.
Warm water voor verwarming hoeft maar net boven de 50 °C te zijn, terwijl stroomproductie alleen werkt bij 150 °C – en bij voorkeur veel hoger.
In de meeste delen van de wereld heeft geothermische energie dus alleen een toekomst als deze gemakkelijk en goedkoop uit de bodem te halen valt.
Er zijn maar enkele gebieden (rood) waar we met aardwarmte stroom kunnen produceren. Maar als we 20 kilometer diep kunnen boren, zal dat over de hele wereld mogelijk zijn.
En die kwestie wil Quaise nu met zijn nieuwe boortechnologie oppakken.
‘In 2022 gaan we van proefputten van 1 meter naar 10 meter diepte. Dan gaat de volgende fase in. We streven ernaar de techniek in 2024 klaar te hebben, zodat we serieus de diepte in kunnen,’ zegt Carlos Araque, CEO en medeoprichter van Quaise, tegen Wetenschap in Beeld.
In plaats van met een traditionele boorkop te boren, willen de onderzoekers van Quaise zich een weg door de bodem branden. Voor dat doel gebruiken ze een gyrotron – een microgolfgenerator.
De technologie bestaat al
Een gyrotron brengt elektromagnetische golven van millimeters lengte voort met een frequentie van 30 tot 300 GHz. En de technologie bestaat al – zelfs op de schaal die Quaise nodig heeft.
Want andere energie-onderzoekers zetten bij experimenten met fusie-energie gyrotrons in, en gebruiken microgolven om de fusiebrandstof te verhitten tot meer dan 100 miljoen °C.
Gyrotrons worden gebruikt in fusiereactoren om de brandstof te verhitten – zoals hier in de Europese proefinstallatie ITER.
Zulke temperaturen heeft Quaise niet nodig, want 3000 °C is voldoende om het gesteente op de bodem van het boorgat te laten verdampen. Het wordt echter een hele klus om de energetische microgolven diep in de grond te brengen.
Het transport moet plaatsvinden door een golfgeleider: een metalen buis met een binnenoppervlak dat de microgolven zonder verlies reflecteert. Op de bodem van het gat laat de golfgeleider de microgolven vrijkomen, die het gesteente tot een asachtig poeder verbranden.
De as wordt handig verwijderd door het edelgas argon in het gat te pompen. Als de as zich vermengt met het gas, vliegt het poedervormige gesteente uit het gat terwijl het gas weer opstijgt.
Microgolven laten gesteente verdampen
Het bedrijf Quaise wil een gloednieuwe techniek gebruiken om diep in de bodem te boren. Microgolven uit een gyrotron zullen het gesteente tot as verbranden, dat dan met gas mee naar boven komt.
1. Gyrotron zendt microgolven uit
Een gewone boor doet het eerste stuk, waarna de gyrotron het overneemt. Hij creëert extreem energetische microgolven, die via een golfgeleider door het boorgat gestuurd worden.
2. Microgolven branden gesteente weg
Op de bodem van het gat veroorzaken de microgolven een temperatuur van 3000 °C, waardoor het gesteente tot op 15 centimeter afstand verdampt. Verder weg smelt het gesteente, maar het stolt ook weer en stabiliseert zo het gat.
3. Gas neemt gesteentepoeder mee
Het verdampte gesteente kristalliseert snel tot een fijn poeder dat op vulkanische as lijkt. Het poeder wordt verwijderd door argon in het gat te pompen. Als het gas opstijgt, neemt het de as mee.
Quaises concept heeft het voordeel dat er geen uitrusting in het boorgat is die slijt en vervangen moet worden.
Verder worden de wanden van het boorgat automatisch afgesloten met een duurzaam omhulsel van gesmolten rots dat stolt tot glas. Een gewoon boorgat moet worden gestut met een metalen pijp die na het boren wordt aangebracht, wat zowel duur als tijdrovend is.
Twee vliegen in één klap
Daarmee lost Quaise de twee grootste problemen van diep boren op: het dichten van het boorgat en het naar boven halen van het uitgeboorde materiaal.
Door deze twee aspecten nemen de kosten bij traditioneel mechanisch boren exponentieel toe met de diepte – net als de boortijd voor elke extra kilometer.
Om dezelfde reden is het nog nooit gelukt om zo diep te boren als Quaise van plan is. Het diepste gat ooit is maar ruim 12 kilometer. Het record werd in 1989 op het schiereiland Kola gevestigd door de toenmalige Sovjet-Unie.
Het diepste gat op aarde werd van 1970 tot 1989 op het schiereiland Kola geboord. Het duurde 19 jaar om 12 kilometer diepte te bereiken. Met zijn nieuwe techniek kan Quaise dit bijna verdubbelen.
Door de technische beperkingen van traditionele boringen dekt geothermie op dit moment slechts 1 procent van het totale energieverbruik op aarde, dat de 20 terawatt nadert. Een terawatt is 1012 watt, ofwel een 1 met 12 nullen.
‘Ons doel met diepe geothermie is om basislastenergie te produceren op een schaal van terawatt,’ zegt Carlos Araque.
En basislast of baseload staat centraal in de groene transitie. Het is de term voor een energiebron die we naar behoefte kunnen bijstellen.
Vandaag de dag komt veel basislastenergie van krachtcentrales die fossiele brandstoffen verstoken. Waterkracht is ook baseload, zolang er voldoende water achter de dam is, maar zonne- en windenergie zijn dat niet. Hierbij varieert de productie met de dag en het weer.
Als geothermie ons veel baseload kan geven, zal het een cruciaal stukje zijn in de puzzel van duurzame energiebronnen die ons volledig onafhankelijk kunnen maken van fossiele brandstoffen.
Vier groene bronnen voor ons stroomverbruik
We kunnen de hele wereld met gemak van stroom voorzien door duurzame energiebronnen – wind, zon, water en aarde – slim in te zetten. Lees hier hoe.
Quaises experimenten zouden zo onze energievoorziening radicaal kunnen veranderen. Het valt of staat met de gyrotronboringen.
Uit de eerste proeven blijkt dat het basisidee om gesteente te verdampen met een gyrotron werkt in het lab, maar of de techniek ook werkt op ware schaal en met een kilometerslange golfgeleider moet nog blijken.
De diepe boorgaten zullen geboord worden met microgolven van een gyrotron. De techniek is getest in het lab, waar onderzoekers een 5 centimeter groot gat in een rotsblok hebben gebrand (r).
Hergebruik van de centrales zelf
Als de missie slaagt en het mogelijk wordt om overal te boren voor een fractie van de huidige kosten, zouden energiebedrijven in korte tijd kolen en olie in hun huidige centrales kunnen vervangen door groene energie uit de bodem.
Met twee diepe putten bij de centrale kunnen ze elektriciteit blijven opwekken, maar zonder CO2 uit te stoten.
Om de beste opbrengst te krijgen moet water naar beneden gepompt worden waar het gesteente 400-500 °C heet is. Door de hitte en de hoge druk zal water overgaan in een vierde fase, die verschilt van de drie die we aan het oppervlak kennen: gas, vloeistof en vaste stof.
In plaats daarvan wordt het water in natuurkundetermen superkritisch. In deze fase bevat water tien keer zo veel energie als gewoon water. Dit maakt het bijzonder geschikt voor energieproductie, want de energiedichtheid ervan komt in de buurt van die van fossiele brandstof.
Technologie en natuur zijn er klaar voor
De technologie om aardwarmte te benutten, bestaat al. We kunnen zelfs de krachtcentrales hergebruiken die nu kolen en gas verstoken. En de bodem kan de hitte en druk leveren die het beste rendement geven.
1. Koud water splijt het gesteente
Pompen zetten het koude water dat naar het eerste boorgat stroomt, onder druk. Terwijl het water naar 20 kilometer diepte vloeit, creëert het scheuren en spleten in het droge gesteente van 400-500 °C.
2. Water neemt energie op
Naarmate meer water naar beneden gepompt wordt, ontstaan reservoirs die blootstaan aan hitte en hoge druk. Het water wordt superkritisch, wat betekent dat het tien keer zo veel energie kan bevatten als normaal.
3. Hete stoom drijft oude turbines aan
Het superkritische water wordt opgepompt. Eenmaal aan het oppervlak, waar de druk lager is, wordt het stoom, waarmee elektriciteit wordt opgewekt – bijvoorbeeld via turbines en generatoren van oude kolencentrales.
Het idee om bestaande centrales om te bouwen tot aardwarmtecentrales is de hoeksteen van Quaises bedrijfsmodel.
‘De groene transitie kan niet van start gaan door alles wat we hebben weg te gooien en opnieuw te bouwen. Dat druist tegen duurzaamheid in,’ vindt Araque.
‘Energiecentrales staan voor tientallen of zelfs honderden jaren van menselijke arbeid. Met een eenvoudige verandering kunnen we hun CO2-uitstoot stoppen.’
Als de proeven goed verlopen, denkt Carlos Araque dat Quaise tegen 2030 de eerste fossiele elektriciteitscentrale zal voorzien van geothermische energie.
