Boorgat: hoe diepe gaten in de aardkorst de energietransitie kunnen versnellen
Een boorgat is precies wat het woord zegt: een lang, smal gat dat in de grond wordt geboord, vaak honderden meters tot enkele kilometers diep. Denk aan een rietje dat door een dikke laag chocolade in een taart wordt gestoken, maar dan door gesteente, en niet één keer, maar keer op keer, telkens iets dieper. Elk boorgat is in feite een venster naar wat zich onder onze voeten bevindt: warmte, water, mineralen of soms magma.
Van oudsher boren mensen naar olie, gas, drinkwater of ertsen. Maar de laatste jaren is er een nieuwe reden om steeds dieper te boren: geothermische energie, ofwel aardwarmte. Hoe dieper je gaat, hoe warmer het wordt in de aardkorst. Als je diep genoeg komt, ergens tussen de vijf en twintig kilometer, tref je overal ter wereld temperaturen aan die heet genoeg zijn om elektriciteit mee op te wekken, ook op plekken zonder vulkanen of hete bronnen. Het probleem is dat boren op die diepte met bestaande technieken traag, duur en soms simpelweg onmogelijk is. Daar richt de nieuwste generatie boortechnologie zich op.
Wat is het precies?
Traditioneel boren gebeurt met een roterende boorkop: een metalen of diamanten kop aan het eind van een lange, ronddraaiende buis (de boorstreng) die het gesteente wegslijpt of verbrijzelt. Terwijl er geboord wordt, spoelt boorvloeistof ("boorspoeling") het steengruis omhoog en koelt tegelijk de boorkop.
Dit werkt uitstekend tot een paar kilometer diepte. Daarna wordt het lastig. Hoe dieper je komt, hoe heter en harder het gesteente wordt, en hoe hoger de druk. Boorkoppen slijten razendsnel in gesteente van honderden graden Celsius, de boorstreng kan verbuigen of breken, en boorvloeistof verliest bij extreme hitte zijn werking. Bij de allerdiepste boringen ter wereld kostte het soms meer tijd en geld om de laatste paar honderd meter te boren dan de kilometers daarvoor.
Om dit te omzeilen experimenteren onderzoekers en bedrijven met methoden die niet mechanisch door de rots hoeven te "knagen", maar de rots juist laten smelten, verdampen of afbrokkelen met energie in plaats van slijtende onderdelen. Bekende voorbeelden zijn boren met millimetergolven (een soort krachtige, gebundelde radiogolven die steen laten verdampen, opgewekt door een apparaat dat gyrotron heet), boren met plasma (zeer hete, elektrisch geladen gasstralen) en varianten met lasers. Omdat deze technieken geen fysiek boorstuk in direct contact met de gloeiend hete rots hoeven te houden, hoeven onderdelen minder vaak vervangen te worden naarmate het dieper en heter wordt.
Een andere, minder futuristische aanpak combineert bestaande boortechnieken uit de olie- en gasindustrie op een nieuwe manier: horizontaal boren (eerst rechtdown, dan zijwaarts afbuigen) gecombineerd met fracking (het onder hoge druk openbreken van gesteente om water doorheen te laten stromen). Zo ontstaat een kunstmatig ondergronds warmtewisselaarsysteem, ook wel "enhanced geothermal system" genoemd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is geothermische energie overal beschikbaar maken, niet alleen op de handvol plekken ter wereld waar hete rotsen toevallig dicht bij het oppervlak liggen, zoals IJsland of delen van Italië en de Verenigde Staten. Als je diep genoeg kunt boren, is er in theorie onder elk stuk land ter wereld voldoende warmte te vinden om stroom op te wekken, dag en nacht, ongeacht het weer. Dat maakt aardwarmte in potentie een aanvulling op zon en wind die niet afhankelijk is van wisselende weersomstandigheden.
Een tweede ambitie, vooral bij bedrijven die zich richten op millimetergolftechniek, is het hergebruiken van bestaande kolen- en gascentrales. Zulke centrales hebben al turbines, elektriciteitsaansluitingen en getraind personeel; alleen de warmtebron (het verbranden van fossiele brandstof) zou vervangen worden door aardwarmte uit een diep boorgat op dezelfde locatie. Dat zou de overstap goedkoper en sneller kunnen maken dan een compleet nieuwe centrale bouwen.
Los van energieopwekking bestaat er nog een heel andere toepassing van diepe boorgattechnologie: de opslag van hoogradioactief kernafval op grote diepte, bekend als "deep borehole disposal". Het idee is dat afval in een boorgat van enkele kilometers diep wordt weggewerkt, ver onder het grondwater, zodat het duizenden jaren geïsoleerd blijft van de leefomgeving. Dit is nadrukkelijk nog een onderzoeksconcept en geen operationele oplossing.
Voorbeelden uit de praktijk
Quaise Energy (opgericht in 2018, voortgekomen uit onderzoek aan het Massachusetts Institute of Technology) ontwikkelt millimetergolfboren om zogeheten "superhete rots" te bereiken, gesteente van boven de 400 graden Celsius op zo'n tien kilometer diepte of dieper. Het bedrijf heeft testopstellingen gebouwd en werkt naar eigen zeggen toe naar praktijktesten op grotere schaal, onder meer in samenwerking met de boorindustrie, waaronder het gevestigde boorbedrijf Nabors Industries. Een commercieel werkende, diepe millimetergolfboring is naar verluidt nog niet gerealiseerd.
Fervo Energy (Verenigde Staten) gebruikt geen exotische nieuwe boortechniek, maar past horizontaal boren en fracking uit de schaliegasindustrie toe op geothermie. Het bedrijf bouwt het Cape Station-project in de staat Utah, een van de grotere "enhanced geothermal"-projecten wereldwijd, en heeft stroomafnamecontracten gesloten met techbedrijven waaronder Google, dat aardwarmte wil gebruiken om datacenters van stroom te voorzien.
Eavor (Canada) ontwikkelt het zogeheten Eavor-Loop: een gesloten lus van boorgaten waarin een vloeistof rondgepompt wordt zonder dat die in direct contact komt met ondergronds water of gesteente. Dat moet milieurisico's beperken. Het bedrijf heeft pilotprojecten draaiend gehad in onder meer Duitsland en Canada.
Op wetenschappelijk vlak is het Iceland Deep Drilling Project een belangrijk referentiepunt. Bij de tweede boring van dit project, IDDP-2, werd bij de vulkaan Krafla in IJsland geboord tot in gesteente met extreem hete, onder hoge druk staande vloeistof ("supercritisch" water), wat liet zien hoeveel energie er in potentie in zulke diepe lagen zit, maar ook hoe lastig en risicovol het boren daar is.
Als historische referentie geldt de Kola-boorgat in het toenmalige Sovjet-Rusland, geboord tussen 1970 en de vroege jaren negentig. Met een diepte van ruim twaalf kilometer is dit nog altijd het diepste door mensen gemaakte boorgat ter wereld, al was het doel destijds puur wetenschappelijk onderzoek naar de opbouw van de aardkorst, niet energieopwekking.
Hoe ver is de techniek?
De nuchtere conclusie is dat vrijwel alle geavanceerde diepe-boortechnieken zich nog in een pilot- of demonstratiefase bevinden. Enhanced geothermal systems zoals dat van Fervo zijn het verst gevorderd, omdat ze grotendeels bestaande, bewezen boortechnieken hergebruiken; die projecten leveren inmiddels daadwerkelijk stroom aan het net. Millimetergolf- en plasmaboren staan verder terug in de ontwikkeling: er zijn testboringen en laboratoriumopstellingen, maar nog geen grootschalige, commercieel draaiende installaties op de beoogde extreme dieptes.
De belangrijkste obstakels zijn niet alleen technisch. Diep boren blijft duur, en investeerders willen bewijs zien voordat ze grote bedragen inzetten. Daarnaast spelen praktische risico's: op grote diepte kan boren gepaard gaan met kleine aardbevingen (geïnduceerde seismiciteit), zoals ook bekend is van geothermie- en gaswinningsprojecten elders. Vergunningverlening en het beheersen van dat risico kosten tijd.
Kortom, het tempo van vooruitgang is de laatste jaren duidelijk toegenomen, mede door de vraag naar stabiele, CO2-arme stroom voor bijvoorbeeld datacenters, maar van een bewezen, wereldwijd inzetbare technologie is nog geen sprake.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn Quaise Energy en Fervo Energy de bekendste namen, met wortels bij respectievelijk het Massachusetts Institute of Technology en de conventionele olie- en gasboorindustrie. Canadese onderneming Eavor richt zich op het gesloten-lussysteem. In Slowakije werkt het bedrijf GA Drilling aan plasmaboortechniek als alternatief voor mechanisch boren.
IJsland speelt via het Iceland Deep Drilling Project, een samenwerking tussen IJslandse energiebedrijven en onderzoeksinstellingen, een belangrijke rol als proeftuin voor boren in extreem hete, vulkanisch actieve grond. Op het gebied van kernafvalopslag in boorgaten doen onder meer Amerikaanse onderzoeksinstituten en Britse instanties die zich bezighouden met nucleair afval, verkennend onderzoek, zonder dat dit al tot een operationele faciliteit heeft geleid.