Je leest:

Koolwaterstoffen: fossiel maar (nog) niet uitgestorven

Koolwaterstoffen: fossiel maar (nog) niet uitgestorven

Auteur: | 19 oktober 2007

Terwijl onderzoekers werken aan schone, hernieuwbare brandstoffen is onze samenleving nog compleet afhankelijk van fossiele brandstoffen. Hoe zijn die ontstaan, hoeveel is er nog van en hoe lang kunnen we daarmee vooruit?

Honderden miljoenen jaren geleden was de wereld woest, maar niet ledig. Allerhande dieren en planten bevolkten het land. De zeeën krioelden van leven en net zoals nu bestond het grootste gedeelte van de biomassa uit microscopisch kleine organismen. En allemaal haalden ze de energie voor de organische moleculen waaruit ze bestonden direct of indirect uit de zonnestraling.

Detailopname van een blad; de onderdelen van de plantencel die lichtenergie opslaan in moleculaire brandstof (de chloroplasten) zijn duidelijk zichtbaar. bron: Wikipedia.

Opslag in reservoirs

Sindsdien zijn de continenten uit elkaar gedreven, waarbij landmassa’s in de diepte verdwenen en elders weer werden opgeheven. Ondertussen zorgden wind, ijs en regen voor erosie op het land waarbij geweldige massa’s aan sediment ontstonden, vooral bij riviermondingen. Sommige afzettingen waren poreus (bijvoorbeeld zand of kalkdierskeletjes), anderen ondoordringbaar (bijvoorbeeld klei). Ook organisch materiaal raakte zo bedolven en kon met de verticale landbewegingen kilometers diep onder het oppervlak belanden. Daar werd het opgewarmd door de warmte uit het binnenste van de aarde.

Onder de hoge druk op die diepte werd het organisch materiaal afgebroken en omgezet tot een vloeistof, bestaande uit een bonte verzameling chemische structuren: vluchtige koolwaterstoffen als methaan en ethaan, korte en lange paraffinische moleculen, aromaten en geweldig ingewikkelde en grote polycyclische structuren. Ze bestaan hoofdzakelijk uit C en H en worden daarom gevat in de verzamelnaam ‘koolwaterstoffen’. Deze vloeistof, bijna altijd samen met eveneens opgesloten water, is zich een weg naar boven gaan banen door poreus gesteente totdat het in bepaalde gevallen tegengehouden werd door een ondoordringbare afzettingslaag. Daar waar de geometrie ter plekke door breuken en vervormingen een driedimensionaal afgesloten ruimte vormt, een reservoir, accumuleerde de vloeistof en bleef daar rustig doorpruttelen.

Door de afwezigheid van zuurstof kon de als chemische energie opgeslagen zonne-energie in de moleculen miljoenen jaren bewaard blijven. Soms ontstond ook een aparte gasfase boven de olie en soms weten alleen heel kleine koolwaterstoffen de weg naar het reservoir te vinden om zo een ‘gasbel’ te vormen. Merk op dat zo’n gasbel, net als een oliereservoir bestaat uit poreus gesteente waarvan de poriën gevuld zijn met olie en/of gas en/of water.

Ook op land raakte organisch materiaal als bomen en planten bedolven. Deze konden onder gunstige omstandigheden omgezet worden tot dikke lagen steenkool. Op sommige plaatsen kwamen de koolwaterstoffen in aanraking met bacteriën die hun eigen invloed op de eigenschappen van de koolwaterstoffen hadden. Zo ontstond uiteindelijk een breed scala aan plekken en vormen waar zich de als koolwaterstoffen geaccumuleerde zonne-energie verzamelde.

Een olieplatform pompt aardolie uit een onderzees reservoir.

Energiehonger in de moderne tijd

Wij mensen ontwikkelden in de loop der tijd een geweldige honger naar energie. Oorspronkelijk voldeed brandhout. Toen de groei van hout de behoefte aan energie niet meer bij kon houden gingen we het geaccumuleerde brandhout van miljoenen jaren opgraven uit steenkoolmijnen. Maar de vaste vorm van steenkool was omslachtig, gevaarlijk om te delven en niet erg economisch. Daarnaast ontdekte men oliereservoirs, eerst in Indonesië (1883) en Noord- Amerika (op 27 augustus 1859 boorde Edwin Drake in Pennsylvania de eerste oliebron ter wereld aan), later vooral in het Midden-Oosten waar zich enorme voorraden redelijk makkelijk winbare olie bleken te bevinden onder het zand.

De explosiemotor zorgde voor een explosieve (!) groei van de vraag naar olie. Zo snel dat het eind van de voorraden snel in zicht leek te komen. De club van Rome roerde zich. Men ging op moeilijker plekken zoeken en ontdekte nog veel meer olie onder water: de Noordzee, de Golf van Mexico, Nigeria. Gedreven door hoge olieprijzen werd technologie ontwikkeld om in steeds dieper water olie te produceren. Bovendien kwam aardgas in zicht. Oorspronkelijk was gas aanboren pech hebben. Lokaal kon je er misschien wat mee maar exporteren over grote afstand was veel te duur. Ook daar veranderden technologische ontwikkelingen de situatie.

Vloeibaar gas

Met LNG ( liquified natural gas) wordt gas transporteerbaar over grote afstand en recent kan men aardgas op commerciële schaal chemisch omzetten in zwaardere (vloeibare) koolwaterstoffen (GtL, Gas to Liquids). Zo konden ook de enorme gasvoorraden (in de Perzische golf bijv. bevindt zich een reservoir dat 10 maal zo groot is als Slochteren, ook Rusland bezit enorme gasvoorraden) ingezet worden om de energiehonger te stillen.

Dat kon allemaal gebeuren dankzij de ontwikkeling van uiterst geavanceerde technologie. De eerste oliebron van Shell in Maleisië, in Miri, kwam slechts 140 meter diep en kon geboord worden met een techniek die de Chinezen al eeuwen gebruikten om naar zout te boren. In de 60 jaar van haar bestaan werd 100000 m3 olie geproduceerd met behulp van een jaknikkerpomp.

Tegenwoordig wint men olie uit reservoirs die in 2,5 km diep water, 6 km onder de zeebodem liggen. Dat vereist het precies boren van een 6 km lang gaatje van zo’n 50 cm diameter vanaf een boorplatform dat een paar kilometer hoger op de zee dobbert. Daarna moet op de bodem van de zee een constructie op de bron geplaatst worden van waaruit de olie moet vloeien naar een productieplatform dat soms tientallen kilometers verderop ligt. Daarbij kunnen onderweg allerhande problemen optreden die gekend en beheerst moeten worden. Dat vereist behalve kennis en technologie ook heel veel geld en dit soort olievelden zijn dan ook alleen rendabel te maken als ze in staat zijn grote hoeveelheden per dag te produceren. Voor de kust van Maleisië is onlangs een nieuw veld gevonden. Dit veld zal in 4 dagen evenveel produceren als die eerste bron in Miri in 60 jaar.

Het Brent Alpha-platform in de noordelijke Noordzee.

Hoe verder?

Een ding is buiten kijf: wat geproduceerd is komt niet meer terug. Slochteren raakt leeg, de bekende Noordzee velden raken leeg en ook in de Golf van Mexico worden steeds minder grote velden gevonden. Sterft de koolwaterstofeconomie binnenkort een langzame of wellicht snelle dood? Uiteindelijk wel; de voorraden zijn zeker eindig, maar er zitten nog wel een paar pijlen op de koolwaterstofboog.

Enhanced Oil Recovery

Afhankelijk van de precieze omstandigheden zal van een oliereservoir ongeveer 1/3 van de aanwezige olie geproduceerd worden. De rest blijft achter in de poriën van het gesteente. Daar is met allerhande technieken soms wel wat aan te doen. Van relatief simpele water injectie om de olie uit het reservoir te drukken tot sweeps met surfactanten en polymeren om de olie niet alleen naar de put te drukken maar tegelijkertijd los te weken van het gesteente. Dankzij de hoge olieprijs staan deze Enhanced Oil Recovery-technieken weer volop in de belangstelling.

Boortorens en aardgasleidingen in de Noordzee. bron: Gerbrand Gaaff, Ecomare.

Zware olie en teerzanden

Er zijn ook reservoirs die heel zware, dat wil zeggen, viskeuze, olie bevatten. Vroeger waren die niet economisch te ontwikkelen, maar ook hierin kan technologie verandering brengen. Maar makkelijk is het niet en het zal grote investeringen vergen, ook in kennisopbouw.

Hyperzware olie, zo zwaar dat deze volgens SEC-regels niet eens als oliereserve geteld mogen worden is er nog in overvloed. In teerzanden en shale oil liggen voorraden koolwaterstoffen opgeslagen ter grootte van vele malen de hoeveelheid ‘makkelijke’ olie. In Canada wordt dagelijks 200.000 m3 olie geproduceerd uit afgegraven teerzanden. Dat is al een duur en moeilijk proces. Al was het alleen al vanwege de extreem lage temperaturen die er heersen in dat deel van Canada. Bovendien verbruikt het proces om uit teerzand bruikbare vloeistoffen te maken nogal wat energie. Voor de dieper gelegen voorraden (80% van het totaal) is nog helemaal geen methode beschikbaar.

Teerzand uit Canada.

Steenkool

Ook kolenvoorraden zijn er nog in overvloed. De afgelopen jaren vormen kolen de snelst groeiende energiebron. Dat komt door China dat zelf over weinig olie en gasvoorraden beschikt maar wel veel kolen heeft. China neemt bijna 40% van de mondiale kolenproductie voor haar rekening. Maar dit is niet zonder prijs: tientallen doden onder de mijnwerkers per dag (!) en een enorme milieuschade. Zure regen stijgt met stip op de Chinese milieuparade. Met moderne processen (kolenvergassing bijvoorbeeld) is het mogelijk om de energie uit kolen op een minder milieubelastende manier te halen. En met meer geld en minder haast moet aan de veiligheidssituatie ook wat gedaan kunnen worden.

Gashydraten

Methaan, van bacteriële of fossiele herkomst, dat vrijkomt op de bodem van de zee kan daar zogenaamde gashydraten vormen. Dit is een soort van ijs dat door de (onder druk) opgesloten methaan een verhoogd smeltpunt heeft. Op deze wijze zijn waarschijnlijk geweldige hoeveelheden methaan vastgelegd in enorme hydraatvelden op de bodem van de oceaan, onder andere voor de oostkust van de Verenigde Staten. Men schat dat de totale energievoorraad op aarde in gashydraten groter is dan alle bekende fossiele brandstoffen bij elkaar. Men heeft echter nog geen begin van een idee hoe deze voorraden (veilig) te winnen.

Waarschijnlijke lokaties van hydraatvelden op aarde.

Reserves en Productie

Grote delen van de aarde zijn inmiddels onderzocht op de aanwezigheid van olie- en gasvelden. De meeste koolwaterstofregio’s zijn wel gevonden: dat zijn de bekende olie- en gasgebieden, waaronder onze eigen Noordzee. Binnen die gebieden worden nog steeds reservoirs gevonden, maar de echt grote zijn reeds gevonden en het wordt steeds moeilijker en kostbaarder om de nieuwe tot ontwikkeling te brengen. De tabel hieronder geeft een overzicht van de huidige bewezen reserves. Er is een grote onzekerheid in deze getallen. Die onzekerheid is zowel technisch van aard (het schatten van de grootte van een reservoir is heel moeilijk) als politiek (landen en bedrijven kunnen allerhande redenen hebben om de reserves groter of kleiner voor te stellen).

Bewezen reserves en jaarlijkse productie in termen van volume (gas m3 onder standaardconditie 1 bar, 15 oC) en in termen van energie-inhoud. De % Joules-kolom geeft aan welke fractie van de totale fossiele energiebehoefte door de betreffende grondstof geleverd wordt. R/P geeft de verhouding van reserve en productie aan in termen van jarenproductie.

Volgens de tabel zouden we op het huidige consumptieniveau nog 84 jaar vooruit kunnen als we alle fossiele Joules zouden inzetten. Dat klinkt geruststellender dan het is want:

  • Er zit een grote onzekerheidsmarge in het getal 84 en het zou best wel eens lager kunnen uitvallen. Het betekent ook niet dat na precies 84 jaar brassen de energie plotseling op is. Dat zal zich veel eerder al laten voelen.
  • Processen om zwaardere olies te winnen vergen zelf ook meer energie.
  • Het versterkte broeikaseffect neemt niet af en kan zelfs erger worden in termen van CO2-productie per geproduceerde Joule energie.
  • Als de energieconsumptie groeit neemt het aantal jaren R/P (de verhouding van reserve en productie aan in termen van jaren productie) af.
  • Nieuwe projecten, die reserves zouden kunnen toevoegen, vergen gigantische investeringen en hebben een lange tijd tussen concept en productie. Een eenvoudige oliebron kost al rond de 1 miljoen euro maar een diepwaterbron kan wel meer dan 100 miljoen euro kosten. Een beetje productieplatform kost een miljard euro. In het Athabasca teerzandproject is al 45 miljard dollar geïnvesteerd en er komt tot 2012 nog 50 miljard bij. Tussen de ontdekking van een reservoir en de eerste productie liggen gemakkelijk 8 jaren.
  • Aandeelhouders en politici moeten tijd en geld verschaffen, maar deze hebben over het algemeen weinig geduld.
  • Bij veel locaties spelen slecht voorspelbare politieke verwikkelingen.

Er zijn dus een groot aantal factoren die een rol spelen bij het vinden en produceren van fossiele brandstoffen maar de belangrijkste zijn dat de hoeveelheid koolwaterstoffen hoe dan ook eindig is en dat de bewezen reserves niet gezien mogen worden als een voorraadvat dat we elk moment naar believen kunnen aanspreken: daar zit veel tijd en veel geld tussen. Het is denkbaar dat we eerder problemen krijgen met de productie dan met de reserves.

Figuur uit de oorspronkelijke voordracht van Hubbert in 1956.

Hubbert-piek

Op basis van een analyse van de cyclus van ontdekking, ontwikkeling, investering in infrastructuur, meer vondsten en vervolgens langzaam opraken van de voorraden ontwikkelde M.K. Hubbert een analysemethode die succesvol de piekproductiesnelheid van olie op het Amerikaanse continent in 1970 voorspelde. Hij deed de voorspelling in 1956. De theorie geldt voor een individueel olieveld, voor een land, maar ook voor de aarde als geheel. Volgens deze analysemethode zou onze planeet nu ongeveer op dat punt aangekomen moeten zijn. Als dat zo is hebben we de piekproductie per hoofd van de bevolking zelfs al achter de rug.

Ten slotte moet nog opgemerkt worden dat koolwaterstoffen niet uitsluitend gebruikt worden voor de energie. Ongeveer een tiende wordt gebruikt in de (petro)chemische industrie om er een enorm scala aan producten van te maken: van kunststoffen tot oplosmiddelen en detergenten. Net als energie zijn deze een essentieel onderdeel van ons bestaan gaan vormen. Kortom, gelukkig zijn er nog fossiele brandstoffen, maar hoe groot de R/P ook is, we moeten het niet zien als Redelijk Probleemloos maar als ResPijt!

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 oktober 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.