Gasveld Groningen Drukhandhaving & energie-opslag Quickscan haalbaarheid
Versie Datum Opdrachtgever Projectleider Auteurs
1.0 2015-06-09 Maarten van Riet Bastian Knoors Bastian Knoors, Rob Bremer, Guido Bongers
Samenvatting Situatieschets Nederland beschikt met het gasveld in Groningen over één van de meest omvangrijke gasvoorraden ter wereld. In economisch opzicht is de afhankelijkheid van Gronings aardgas groot. Het Groningen-gasveld is de afgelopen vijf decennia voor ongeveer zeventig procent geëxploiteerd. De druk in het veld is daarbij teruggelopen van ongeveer 350 bar naar ruim onder de 100 bar. Compactie van de zandsteenlaag waaruit het aardgas gewonnen wordt, leidt in het winningsgebied tot bodemdaling en aardbevingen. Deze effecten manifesteren zich sterker naarmate het gasveld verder uitgeput raakt. Onderzoek heeft aangetoond dat zonder ingrijpen -dat wil zeggen het structureel verminderen van de productievolumes- het grootste aantal aardbevingen nog moet plaatsvinden. Met name dit aspect maakt het nemen van passende maatregelen noodzakelijk om de veiligheid en de leefbaarheid van de regio te kunnen garanderen. Conclusie van dit onderzoek Het beperken van de gevolgen van de winning van aardgas vraagt om een brede blik. Mogelijk kansrijke oplossingen omvatten meer dan alleen het compenseren van de afnemende druk in het gasreservoir hetgeen puur economisch bezien overigens ook moeilijk te verantwoorden is. Dit rapport biedt een dergelijke brede blik. Het schetst een combinatie van verschillende concepten die door een unieke samenhang niet uitsluitend de gevolgen van de aardgaswinning beperken, maar ook een nieuw economisch perspectief bieden tegen een relatief lage totale investering. Voor deze combinatie is de technische- en economische haalbaarheid inzichtelijk gemaakt. Het resultaat van dit eerste onderzoek rechtvaardigt onzes inziens een vervolgonderzoek. Aanbeveling Dit rapport biedt een abstractieniveau dat past bij het beginstadium waarin het onderzoek zich bevindt. De slagingskans van het gepresenteerde concept is afhankelijk van een breder opgezet vervolgonderzoek op een meer gedetailleerd niveau. Aanbevolen wordt een dergelijk vervolgonderzoek te initiëren met gebruikmaking van de expertise van de verschillende belanghebbende partijen. Mogelijke oplossingen De problematiek rondom de aardgaswinning is complex. Hetzelfde geldt voor beschikbare oplossingen. Door de traagheid die inherent is aan het fenomeen van compactie, worden ook de effecten van te nemen maatregelen pas na geruime tijd merkbaar. De meest effectieve maar tegelijkertijd meest ingrijpende maatregel is het volledig dichtdraaien van de gaskraan; dit leidt tot de snelste consolidatie van het gesteente waaruit aardgas gewonnen wordt. Mede vanwege de economische belangen die verbonden zijn aan de aardgaswinning is een abrupt einde van de exploitatie van het Groningen-veld geen reële optie. Door echter een extern gas te injecteren kan de druk langdurig op een gelijk niveau gehouden worden. Dit rapport onderscheidt hiertoe het gebruik van stikstof, rookgas en perslucht. Naast de gunstige effecten op de bodembeweging kan de gaswinning met deze technologie worden geprolongeerd; het Groningen-veld kan economisch gezien tot het maximum geëxploiteerd worden. Het huidige productieplafond is gesteld op 39,4 miljard normaal-kubieke meter aardgas per jaar. Het jaarlijkse productievolume kan mogelijk worden teruggebracht worden tot 26 miljard normaal-kubieke meter, een aangenomen ondergrens waarbij leveringszekerheid nog gewaarborgd is. Door de drukhandhaving middels injectie van een extern gas kan een dergelijk debiet behouden blijven voor de komende dertig jaar.
1
Extra kansen Het injecteren van gassen anders dan aardgas in het Groningen-veld vergt een aanzienlijke investering. Deze investeringen kunnen versneld worden terugverdiend doordat toekomstige aardbevingen voorkomen kunnen worden, er voor een langere periode gas gewonnen kan blijven worden en extra inkomsten worden gegenereerd uit de verkoop van de vrijkomende warmte. Voor de lange termijn wordt potentieel gezien in de doorontwikkeling van het uiteindelijk uitgeputte gasveld naar een vorm van energie-opslag in de vorm van Compressed Air Energy Storage of kortweg CAES. Een overkoepelende visie die bestaat uit een combinatie van drukhandhaving door injectie van een gas, het uitkoppelen van de beschikbare restwarmte en de opslag van energie in de vorm van perslucht koppelt de maatschappelijke noodzaak tot het terugdringen van de gevolgen van de gaswinning naar een acceptabel niveau aan een nieuw economisch perspectief voor de regio.
2
Inhoud 1
2
3
4
5
Inleiding ................................................................................................................................................... 4 1.1
Aanleiding ......................................................................................................................................... 5
1.2
Doel ................................................................................................................................................... 5
1.3
Scope ................................................................................................................................................ 5
1.4
Probleemstelling ................................................................................................................................ 6
1.5
Kansen .............................................................................................................................................. 7
Handhaving van de gasdruk ................................................................................................................. 8 2.1
Stikstof .............................................................................................................................................. 8
2.2
Rookgas ............................................................................................................................................ 9
2.3
Perslucht ........................................................................................................................................... 9
Kansen bovenop handhaving van de gasdruk .................................................................................. 10 3.1
Uitkoppelen restwarmte .................................................................................................................. 10
3.2
Opslag van energie middels CAES ................................................................................................. 10
Business cases .................................................................................................................................... 11 4.1
Opbouw business cases ................................................................................................................. 11
4.2
Stikstof ............................................................................................................................................ 13
4.3
Rookgas .......................................................................................................................................... 13
4.4
Perslucht ......................................................................................................................................... 14
4.5
Overzicht ......................................................................................................................................... 14
Technische onderbouwing .................................................................................................................. 15 5.1
Scheiding van gassen ..................................................................................................................... 15
5.2
Basis ontwerp .................................................................................................................................. 15
5.3 Basis ontwerp met CAES ................................................................................................................ 16 5.3.1 Beldruk en opslag capaciteit .................................................................................................... 17 5.3.2 ACAES/ICAES ......................................................................................................................... 17 6
Conclusie .............................................................................................................................................. 18
7
Aanbeveling .......................................................................................................................................... 18
Bronvermelding ........................................................................................................................................... 19 Verantwoording gebruikte afbeeldingen ................................................................................................... 19
3
1
Inleiding
Ons land is in hoge mate afhankelijk van aardgas. In het merendeel van de Nederlandse woningen wordt verwarmd en gekookt op aardgas. Ook het economisch belang van Nederlands aardgas in de internationale economische betrekkingen is groot. Aardgas wordt in Nederland vanaf de vroege jaren zestig van de vorige eeuw op verschillende lokaties gewonnen. Het Slochteren- of Groningen-gasveld behoort met een geschat economisch te produceren volume van ongeveer 2.800 miljard normaal-kubieke meter1 tot de grootste gasvelden ter wereld.
Figuur 1 Omvang van het Groningen-gasveld vergeleken met omliggende velden
Hoewel van het totale volume van het Groningen-gasveld al ruim zeventig procent gewonnen is, kan ook de komende decennia nog aardgas gewonnen worden. De natuurlijke druk in het Groningen-veld was aanvankelijk dermate hoog dat het gas op natuurlijke wijze geproduceerd kon worden. Als gevolg van de gasproductie daalt de beschikbare reserve en daarmee de druk in het Groningen-veld. Om de daling van de druk op te vangen, zijn onder de noemer van het Groningen Long Term Project extra compressoren geïnstalleerd die de druk van het aardgas uit het Groningen-veld weer op het gewenste niveau brengen. Hiermee kan naar schatting van de NAM nog vijftig jaar gas gewonnen worden. De productie op jaarbasis zal wel blijven dalen en zal minder makkelijk aangepast kunnen worden aan een mogelijk veranderende behoefte.
1
Alle cijfers met betrekking tot de productie van aardgas zijn weergegeven in normaal-kubieke meter (Nm³). Een normaal-kubieke meter is een hoeveelheid gas die bij een temperatuur van 0°C en een absolute druk van 1,01325 bar een volume inneemt van 1 kubieke meter.
4
1.1
Aanleiding
De ideeën die in dit onderzoek worden uitgewerkt, zijn grotendeels afkomstig van ing. B.L.L. Hylkema. Een deel van deze ideeën is gepubliceerd in de Leeuwarder Courant op 22 januari 2015 en in het Dagblad van het Noorden op 26 januari 2015 onder de titel “Broodje aap? Of toch oplossing?” Deze ideeën zijn het onderzoeken meer dan waard; er is dan ook besloten om hier een haalbaarheidsonderzoek aan te wijden.
1.2
Doel
Dit onderzoek beoogt uiteen te zetten dat de problematiek rondom de winning van aardgas in Groningen wellicht oplosbaar is als de mogelijkheid van het combineren van verschillende technieken op een relatief grote schaal verder wordt onderzocht. De verschillende technieken die onderzocht worden zijn:
Injectie van een gas om de dalende druk in het veld te compenseren Uitkoppelen van restwarmte Energie opslag middels Compressed Air Energy Storage
Het doel van dit rapport is te enthousiasmeren en een aanzet te geven tot aanvullend, meer gedetailleerd onderzoek naar het beperken van de gevolgen van de aardgaswinning in combinatie met de mogelijkheid de nog beschikbare gasreserves zo economisch mogelijk te exploiteren en een vorm van energie-opslag te realiseren. Allereerst wordt de problematiek rondom de productie van aardgas geschetst. Vervolgens wordt een oplossingsrichting gekozen die eerst en vooral beoogt de gevolgen van de aardgaswinning voor de Groninger bevolking te beperken. Aanvullend wordt beoordeeld of een dergelijke oplossing ook de exploitatie van het Groningen-gasveld ten goede kan komen en of het uitkoppelen van warmte die vrijkomt bij het consolideren van de druk in het gasveld daarbij kan aansluiten. Als extra optie voor de lange termijn wordt de mogelijkheid voor energie-opslag in de vorm van gecomprimeerde lucht uitgewerkt. De drie verschillende opties zijn ter vergelijking verwerkt in evenzovele business-cases, ondersteund door een technische onderbouwing.
1.3
Scope
Analoog aan de problematiek rondom de gaswinning zijn ook de beschikbare oplossingen complex en veelomvattend. Dit rapport beperkt zich daarom tot een beschrijving op hoofdlijnen van een aantal mogelijkheden die kunnen leiden tot consolidatie van de druk in het Groningen-gasveld in combinatie met een geprolongeerde exploitatie van de resterende gasvoorraden en een vorm van energie-opslag. Het onderzoek is zoveel mogelijk gebaseerd op huidige inzichten en cijfers. Nadrukkelijk dient vermeld te worden dat dit onderzoek zich in een beginnend stadium bevindt en het detailniveau van dit rapport daarvan een weerslag is. Niet alle vragen kunnen in dit stadium al naar tevredenheid worden beantwoord. Vervolgonderzoek naar de verschillende mogelijkheden wordt aanbevolen. Al dan niet belanghebbende partijen waarmee aansluiting gezocht kan worden zijn de NAM, het ministerie van Economische Zaken, DNV-GL, TNO, technische hogescholen en universiteiten et cetera. Ook lokale belangenverenigingen en de media worden nadrukkelijk uitgenodigd kennis te nemen van de strekking van dit rapport en mee te denken over een vervolg. In hoofdstuk 7 van dit rapport wordt als startpunt voor vervolgonderzoek een aantal vragen geformuleerd die beantwoord zouden moeten worden om de kans van slagen van de gepresenteerde oplossingen te bepalen. Nadrukkelijk worden hier niet alleen de technische aspecten van een nieuw concept onderzocht. Reductie van het aantal aardbevingen zal ook gevolgen hebben voor het aantal schademeldingen en de kosten voor de afhandeling daarvan, deze facetten worden in dit stadium van het onderzoek ook belicht. Omdat dit rapport voor een breed publiek is geschreven, wordt gebruik van jargon waar mogelijk vermeden. Over de problematiek die zich rondom de gaswinning in Groningen manifesteert is- en wordt uitvoerig gepubliceerd. In dit onderzoek wordt op verschillende plaatsen verwezen naar bestaande publicaties. Een overzicht hiervan is opgenomen in de bronvermelding.
5
1.4
Probleemstelling
De geologische structuur in Groningen bestaat uit verschillende lagen. Het Groningen-gasveld bevindt zich in een zandsteenlaag op een diepte van ongeveer drie kilometer. Zandsteen is in vergelijking met andere gesteenten poreus en vormt daardoor in combinatie met omsluitende zout- of kleilagen een reservoir. De winning van aardgas uit dit reservoir leidt tot een afnemende druk. Na ruim vijf decennia is de druk in de ondergrond van het Groningen-gasveld gedaald van 350 bar naar minder dan 100 bar. Naar verwachting neemt de druk nog verder af tot een uiteindelijke waarde van ongeveer 10 bar als het gasveld maximaal geëxploiteerd is. Als gevolg van de dalende druk in het veld en onder het gewicht van het bovenliggende gesteente wordt de zandsteenlaag samengedrukt. Dit proces wordt compactie genoemd en is onomkeerbaar. Verschillen in druk, porositeit en dikte van de zandsteenlaag bepalen in welke mate compactie optreedt. Compactie veroorzaakt een geleidelijke bodemdaling. In een groot deel van de provincie Groningen daalt de bodem als gevolg van de gaswinning. Dit proces voltrekt zich langzaam en redelijk gelijkmatig over een groot oppervlak [NAM 1]. Naast bodemdaling kan compactie ook aardbevingen veroorzaken. Door het samendrukken van het gesteente neemt de spanning toe. Die spanning kan zich ontladen door plotselinge verschuivingen aan weerszijden van een breukvlak in de aardkorst met bevingen aan het aardoppervlak tot gevolg. Boven een bepaalde magnitude veroorzaken deze aardbevingen schade aan gebouwen en infrastructuur. Bevingen die hun oorsprong vinden in de winning van aardgas worden geïnduceerde bevingen genoemd. Doordat de gevolgen van compactie zich pas na verloop van tijd manifesteren, deden zich in Groningen tot geruime tijd na het begin van de grootschalige aardgaswinning geen geïnduceerde bevingen voor. Tot 1991 zijn er boven het Groningen-gasveld geen geïnduceerde bevingen geregistreerd. Sindsdien zijn er door het KNMI in het gebied ongeveer duizend aardbevingen geregistreerd met een maximale magnitude van 3,6 op de schaal van Richter. De impact van zwaarder wordende aardbevingen op de regio is groot. Er ontstaat schade aan gebouwen en infrastructuur met hoge kosten voor herstel, dalende huizenprijzen en maatschappelijke onrust tot gevolg. De kosten voor het herstel van de huidige en toekomstige schade en extra uitgaven voor aardbevingsbestendig bouwen belopen een bedrag van naar schatting enkele tientallen miljarden euro’s. Het causale verband tussen de aardgaswinning en het optreden van aardbevingen is in het begin van de jaren negentig officiëel vastgesteld in een multidisciplinaire studie uitgevoerd in opdracht van het ministerie van Economische Zaken. Uit onderzoek van de NAM in 2013 naar de kracht van aardbevingen is een verband tussen de mate van compactie en de hevigheid van de geregistreerde bevingen naar voren gekomen. Recent onderzoek van dr. ir. Jacques Hagoort, emeritus hoogleraar Reservoirtechniek aan de Technische Universiteit Delft, toont een correlatie aan tussen het totale aantal aardbevingen en de cumulatieve hoeveelheid gewonnen aardgas. Dit verband is niet-lineair; het aantal aardbevingen neemt versneld toe met de gasproductie en kan wiskundig beschreven worden met een kwadratische vergelijking. Als gevolg van die kwadratische verhouding tussen het aantal aardbevingen en de totale hoeveelheid gewonnen gas is een toename van het aantal bevingen te verwachten als de gaswinning niet wordt gereduceerd [Hagoort]. Gebaseerd op uitgebreid onderzoek heeft minister Kamp van Economische Zaken in januari 2014 een ontwerpbesluit genomen over de gaswinning in Groningen. Dit ontwerpbesluit werd aangepast naar aanleiding van de toenmalige ontwikkelingen en de reacties op het ontwerpbesluit. In december 2014 schreef de minister een Kamerbrief waarin hij de wijzigingen toelichtte en het definitieve kabinetsbesluit over de gaswinning in Groningen aankondigde. Dit gasbesluit werd begin 2015 definitief. De productie wordt verlaagd van 42,4 miljard Nm3 per jaar naar 39,4 miljard Nm3 per jaar. Voorts wordt de gaswinning tot 1 juli 2015 tijdelijk beperkt tot een maximum van 16,5 miljard Nm3. In juli 2015 beslist minister Kamp of het eerder vastgestelde productieplafond van 39,4 miljard Nm3 voor 2015 gehandhaafd blijft of dat een verdere verlaging nodig is [NAM 1].
6
Alleen het resoluut beëindigen van de gaswinning uit het Groningen-veld zal de situatie niet verder doen verslechteren. Uit economisch oogpunt lijkt het volledig stoppen met de gaswinning op korte termijn geen realistische optie. Het dichtdraaien van de gaskraan leidt tot teruglopende aardgasopbrengsten en het mogelijk niet kunnen nakomen van langlopende leveringsverplichtingen aan het buitenland. De uitdaging rondom de winning van aardgas en de gevolgen daarvan ligt in het vinden van een balans tussen het tot een acceptabel niveau terugbrengen van de schadelijke gevolgen en het zo optimaal mogelijk exploiteren van het Groningen-gasveld waarbij voldaan kan blijven worden aan de heersende leveringsverplichtingen.
1.5
Kansen
Het compenseren van de drukdaling in het Groningen-veld vermindert het aantal aardbevingen en de inherente schade. Aanvullende mogelijkheden liggen in de benutting van de warmte die vrijkomt bij compressie van te injecteren gas en bij een toekomstige doorontwikkeling naar energie-opslag in de vorm van Compressed Air Energy Storage. De in de volgende hoofdstukken beschreven oplossingen zijn nieuw in die zin dat ze verschillende bestaande en bewezen technieken combineren om tot een haalbaar alternatief te komen dat recht doet aan zoveel mogelijk -op het oog uiteenlopende- belangen.
7
2
Handhaving van de gasdruk
Door de gaswinning loopt de druk in het Groningen-veld geleidelijk terug. Een teruglopende druk leidt tot compactie, bodemdaling en aardbevingen. De mate waarin de druk terugloopt is afhankelijk van de hoeveelheid gewonnen gas per jaar. Handhaving van het productieplafond van 39,4 miljard Nm3 voor de komende jaren zal leiden tot een snellere daling van de druk dan wanneer gekozen wordt voor het verder reduceren van het productievolume tot bijvoorbeeld 21 miljard Nm3 De teruglopende druk kan worden gecompenseerd door het inpompen van een hoeveelheid gas gelijk aan het volume van het gewonnen aardgas. Injectie van een gas is een gebruikelijke methode om de druk in een veld op peil te houden tijdens en na de winning. Het stopt verdere drukdaling en neemt daarmee de directe oorzaak van bodemdaling en aardbevingen weg. Bijkomend voordeel is dat de productie uit het veld verlengd kan worden. Doordat het veld met een extern gas op druk gehouden wordt, kan ook uit een vrijwel uitgeput gasveld nog een aanzienlijk volume gewonnen worden. In de volgende paragrafen worden voor een drietal gassen die voor injectie in aanmerking komen voor- en nadelen beschreven. Deze voor- en nadelen worden in de betreffende business-cases in hoofdstuk 4 zo goed mogelijk gekwantificeerd.
2.1
Stikstof
Het injecteren van stikstof of N2 in een gasveld is een beproefde techniek om een zo groot mogelijk volume aan het veld te onttrekken. Op relatief kleine schaal -vergeleken met het Groningen-veld- wordt injectie van stikstof al toegepast in het De Wijk-veld in Drenthe om het laatste gas te kunnen winnen. Stikstof komt van nature voor in de atmosfeer en kan gescheiden worden uit lucht. De stikstof wordt na scheiding gecomprimeerd en onder overdruk het gasveld ingepompt. De benodigde techniek voor het scheiden van stikstof is kostbaar. Naast de hoge investeringskosten voor de stikstofscheidingsinstallatie en de infrastructuur om het stikstof op verschillende punten in het veld te kunnen injecteren, zijn ook de operationele kosten -met name de kosten voor de benodigde energie- voor een dergelijke installatie aanzienlijk. Ook het beslag dat een stikstofscheidingsinstallatie op de openbare ruimte legt is groot hetgeen mogelijk leidt tot een smal maatschappelijk draagvlak. Of injectie van stikstof ook op de schaal van het Groningen-veld kan worden toegepast is nog niet met zekerheid vastgesteld. De ontwikkeling van stikstofinjectie is door de minister van Economische Zaken
beoordeeld als een lange termijn oplossing die op dit moment nog niet aan de orde is. In het licht van het nog te verwachten aantal aardbevingen lijkt het verstandig de mogelijkheid van stikstofinjectie opnieuw te bezien. Door de NAM is onderzoek gedaan naar injectie van stikstof om de druk in het Groningen-veld te stabiliseren [NAM 2]. Één van de conclusies van dit onderzoek is dat met het consolideren van de druk compactie en bodembeweging zich na verloop van tijd niet meer zullen voordoen. De grote hoeveelheid energie die nodig is om stikstof te scheiden, te comprimeren en in te pompen hoeft niet volledig verloren te gaan. De thermische energie die vrijkomt bij het comprimeren van stikstof kan worden toegevoerd aan een warmtenet. Uitgaande van een beschikbaar potentieel van 10.400 TJ en een warmtebehoefte van 35 GJ per huishouden kunnen met de handhaving van de druk naar schatting 300.000 huishoudens van verwarmingsenergie worden voorzien. Een berekening van het beschikbare potentieel is opgenomen in paragraaf 5.2. Bij de scheiding van stikstof uit lucht wordt ook zuurstof geproduceerd. Verkoop van dit restproduct levert mogelijk extra inkomsten op. Deze inkomsten zijn in dit stadium nog niet gekwantificeerd.
8
2.2
Rookgas
Injectie van rookgas wordt in de regel aangeduid met de Engelse term flue gas injection. Ook deze techniek wordt al vrij breed toegepast in de olie- en gaswereld. Er wordt gebruik gemaakt van zuurstof-arm verbrandingsgas uit bijvoorbeeld een energiecentrale. Rookgas bestaat -afhankelijk van de samenstelling van de brandstof- voor een groot deel uit stikstof en koolstof-dioxide. Het volume rookgas dat vrijkomt bij de kolengestookte elektriciteitcentrale in de Eemshaven ligt naar schatting in dezelfde orde grootte als het productievolume voor het Groningen-veld. Het injecteren van rookgas vergt een aanzienlijke investering in met name de benodigde infrastructuur. Vergeleken met de injectie van stikstof zullen zowel de initiële als de operationele kosten lager uitvallen omdat rookgas niet verder behandeld hoeft te worden. Het beslag op de openbare ruimte en het feit dat een al dan niet gereinigd maar potentieel giftig gas wordt geïnjecteerd, beperkt het maatschappelijk draagvlak en kan een belemmering vormen voor een succesvolle toepassing. Aangezien rookgas nog een klein percentage zuurstof bevat, zal er behoefte zijn aan een scheiding tussen het aardgas en het geïnjecteerde rookgas. Om deze scheiding te bewerkstelligen is een buffer van stikstof nodig die met geen van beide gassen mengt. Tevens zorgt het injecteren van rookgas voor een reductie van CO2 uitstoot aangezien rookgas ongeveer 20% van deze stof bevat. Dit helpt mee bij het realiseren van de CO2 doelstellingen van Nederland.
2.3
Perslucht
Een derde mogelijkheid is het compenseren van de drukdaling middels het inpompen van perslucht. Vergeleken met stikstof hoeft -anders dan compressie- geen bewerking of transport plaats te vinden. Compressoren zouden op de locaties van de injectieputten geplaatst kunnen worden. In vergelijking met rookgas hoeft geen transport over lange afstanden plaats te vinden. Het beslag op de openbare ruimte blijft daardoor beperkt. Ook de aanvankelijke investering en de operationele kosten zijn van de drie onderzochte opties het laagst. Aangezien de in perslucht aanwezige zuurstof niet in aanraking mag komen met het aardgas omdat daardoor een explosief mengsel zou ontstaan, is een scheidingslaag tussen de perslucht en het aardgas noodzakelijk. Deze scheiding kan middels een bepaald volume stikstof gerealiseerd worden. Er zal een minimale menging van de twee gassen plaatsvinden, de dikte van de benodigde stikstoflaag kan hierop aangepast worden. Een permanente stikstofbuffer kan voor het injecteren van de perslucht aangebracht worden en beweegt mee met het slinkende volume aardgas en het toenemende volume perslucht. Hoe de buffer zich door de verschillende lagen van het veld zal bewegen is onderwerp van onderzoek. .
9
3
Kansen bovenop handhaving van de gasdruk
Het compenseren van de dalende druk in het Groningen-veld middels het injecteren van een gas biedt extra mogelijkheden die in een business-case meegewogen kunnen worden en een positieve invloed kunnen hebben op de totale efficiëncy van een dergelijk grootschalig project. Dergelijke spin-off activiteiten kunnen ook een impuls vormen voor de lokale bedrijvigheid en werkgelegenheid.
3.1
Uitkoppelen restwarmte
De warmte die vrijkomt bij de compressie van gassen die met overdruk in het gasveld gepompt worden, kan worden benut om een warmtenet te voeden. Een dergelijk warmtenet kan op langere termijn ook toegankelijk gemaakt worden voor warmte uit andere duurzame bronnen. Het benutten van het warmte-potentieel past in de ambitie van het kabinet zoals verwoord in de brief van de minister van Economische Zaken van begin april 2015 omtrent de Warmtevisie. Het gebruik van warmte uit andere bronnen dan aardgas levert een reductie van de CO2 emissie op die vooral voor bestaande woningen interessant kan zijn. In combinatie met betere isolatie kan de Energie Prestatie Coëfficiënt voor dergelijke woningen sterk verbeteren. Voor ongeveer vijf procent van het Nederlandse woningbestand wordt al restwarmte uit energiecentrales of afvalverwerkingsinstallaties gebruikt. In tegenstelling tot bijvoorbeeld de elektriciteits- of gasmarkt, geldt voor warmte geen wettelijke scheiding tussen leverings- en netwerkbedrijven. De hoge kosten voor de aanleg en het onderhoud van een warmtenet kunnen daardoor niet gesocialiseerd worden hetgeen voor investeerders risico’s met zich meebrengt.
3.2
Opslag van energie middels CAES
Mogelijkheden voor het opslaan van elektrische energie worden door de opkomst van intermitterende duurzame bronnen als zon en wind belangrijke factoren voor het laten slagen van de energie-transitie. Lange-termijn mogelijkheden voor de opslag van energie in de vorm van CAES kunnen het gehele project meer rendabel en toekomstvast maken. De installaties benodigd voor het handhaven van de druk in het reservoir kunnen -in de vorm van Compressed Air Energy Storage of kortweg CAES- worden ingezet om gedurende de decennia dat het veld nog geëxploiteerd wordt en de periode daarna, te profiteren van een toenemende onbalans op de elektriciteitsmarkt en bij te dragen aan het beschikbare regel- en reservevermogen. Daarmee wordt een nieuwe economische impuls gegeven en kan de regio zich nog sterker profileren als Energy Valley. Voor CAES worden compressoren ingezet met vermogens van enkele honderden megawatt per stuk. Deze compressoren draaien idealiter in daluren, dus in de periodes dat stroom vrijwel gratis is. Voor het totale vermogen van alle benodigde compressoren is een aansluiting op het hoogspanningsnet nodig. In het buitenland bestaan enkele in bedrijf zijnde CAES-installaties met een aanzienlijk vermogen. Voorbeelden van de toepassing van CAES zijn te vinden in Huntorf, Duitsland en in McIntosh, Alabama. Een nadeel van een conventionele CAES-oplossing is dat nog steeds gas nodig is om energie op te wekken. In het geval van Groningen zou dat echter een synergie met het gasveld kunnen opleveren. KEMA heeft onderzoek gedaan naar de mogelijkheden voor CAES op kleinere schaal [KEMA]. Afgezien van de technische haalbaarheid bepalen met name de ontwikkelingen op de energiemarkt de kans van slagen voor CAES. Door de omvang van het Groningen-veld is de potentiële opslagcapaciteit zeer groot. Een minimale variatie van de druk in het gasveld zou voldoende zijn voor het realiseren van een aanzienlijk opslagpotentieel. Zoals gesteld in paragraaf 2.3 mag de perslucht die in het reservoir gebracht wordt niet in aanraking komen met het aanwezige aardgas. Om het aardgas gescheiden te houden van de geïnjecteerde perslucht is een permanente, ondoordringbare scheidende laag noodzakelijk. De scheiding tussen aardgas en perslucht kan gerealiseerd worden met stikstof. Deze buffer beweegt zich door het veld van de injectieputten naar de putten waaruit het aardgas gewonnen wordt.
10
4
Business cases
De business cases voor de hele investering bestaan uit de initiële- en operationele kosten voor de benodigde infrastructuur en de kwantitatieve en kwalitatieve baten die voortvloeien uit het beperken van de schadelijke gevolgen van aardbevingen, het prolongeren van de aardgaswinning, opbrengsten door uitkoppeling van warmte en het benutten van het potentieel aan energie-opslag.
4.1
Opbouw business cases
De business cases zijn opgebouwd rond de drie mogelijke injectiegassen stikstof, rookgas en perslucht en bestaan elk uit drie delen. Het eerste deel betreft de benodigde investering voor het op druk houden van het gasveld voor zolang de aardgaswinning doorgaat. Vervolgens wordt voor iedere situatie de optie om de beschikbare warmte uit te koppelen en via een warmtenet te vermarkten beschreven. Daarenboven wordt voor elk van de drie cases de mogelijkheid voor energie-opslag middels CAES benoemd. Voor een globale schatting van de investeringsbehoefte aan de hand van het technisch ontwerp zoals dat op hoofdlijnen is uitgewerkt in hoofdstuk 5, is uitgegaan van de ramingen van de NAM voor twee verschillende cases: respectievelijk 30 en 42 miljard Nm3 gasproductie per jaar [NAM 2]:
Figuur 2 Geschatte investering voor de injectie van sitkstof bij een jaarproductie van 30- respectievelijk 42 miljard Nm3
In de raming van de NAM wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende installaties en infrastructuren: Injection wells drilling: Pipeline infrastructure: ASU: NRU:
Electrical infrastucture:
Het boren van de ongeveer 20 benodigde injectieputten. Stikstof wordt centraal geproduceerd; ten behoeve van de distributie naar de injectieputten wordt een leidingnet aangelegd. Air Separation Unit; de stikstofscheidingsinstallatie met een capaciteit die voldoende is om de aardgas productie te compenseren. Nitrogen Rejection Unit; de stikstof-terugwininstallatie die het stikstof -wanneer het doordringt tot de productieputten- scheidt van het aardgas zodat de juiste gaskwaliteit behouden wordt. Of dit scheidingsproces essentieel is, moet nog onderzocht worden. Bij de injectie van het stikstof kunnen mogelijk ook al maatregelen getroffen worden of het aardgas met het meegevoerde stikstof kan gemengd worden met hoogcalorisch gas uit het buitenland. Aangezien de installaties veel elektrisch vermogen vragen, zijn nieuwe hoogspanningsverbindingen en verdeelstations nodig.
In afwijking van de raming van de NAM, wordt in de context van dit rapport uitgegaan van een productievolume van 26 miljard Nm3 per jaar waarmee het Groningen-veld nog 30 jaar continu kan leveren.
11
De operationele kosten voor stikstofinjectie zoals geschat door de NAM bestaan voor het overgrote deel uit kosten voor elektrische energie [NAM 2]:
Figuur 3 Geschatte operationele kosten voor de injectie van sitkstof bij een jaarproductie van 30- respectievelijk 42 miljard Nm3
Ook de baten die bestaan uit vermijdbare uitgaven voor het herstel van aardbevingsschade, de verkoop van restwarmte en zuurstof en de opbrengsten van CAES zijn voor de betreffende business cases gekwantificeerd: Vermijdbare kosten:
Warmte productie:
Zuurstof productie:
Opbrengsten CAES:
Deze zijn grof geschat op 10 miljard euro en bestaat uit verschillende onderdelen. Een belangrijke onderdeel zijn de hogere kosten voor herstel en preventie van schade aan huizen bij een toenemend aantal aardbevingen. Ook dijken en andere infra structuur zal moeten worden verstevigd als de aardbevingen heftiger kunnen worden. Daarnaast zal het aardgas door de drukhandhaving niet verder gecomprimeerd hoeven worden na de productie, wat aan de productie zijde investeringen bespaard. De benodigde energie voor compressie van het injectiegas wordt omgezet in warmte. Een deel hiervan kan uitgekoppeld worden naar een warmtenet dat door een derde partij wordt aangelegd en geëxploiteerd. De kosten voor de aanleg van het warmtenet komen derhalve niet terug in de business-cases. De opbrengsten uit de verkoop van restwarmte worden marktconform geschat op 7 euro per GJ. Met een potentieel van 10.400 TJ levert de verkoop van warmte op jaarbasis een bedrag van ongeveer 100 miljoen euro op. Bij de scheiding van stikstof uit lucht wordt ook veel zuurstof geproduceerd. Verkoop levert extra inkomsten op die in dit stadium echter nog niet kwantitatief zijn gemaakt. De installatie benodigd voor de injectie van gas is gelijktijdig geschikt of geschikt te maken voor CAES. Een dergelijke, grootschalige vorm van energie-opslag zal met het oog op de ontwikkeling van duurzame, niet stuurbare bronnen veel inkomsten kunnen genereren. Voor het bepalen van de opbrengsten is uitgegaan van een installatie met een nominaal vermogen van 1 GW, gelijk aan anderhalf keer de transportcapaciteit van de NOR-NED kabel die voor een vergelijkbaar doel wordt ingezet en een marge van ruim 100 miljoen euro per jaar realiseert [TenneT]. Op basis van deze cijfers wordt het potentieel van CAES geschat op 150 miljoen euro per jaar.
In de paragrafen 4.2 tot en met 4.4 zijn de drie business-cases op basis van de injectie van stikstof, rookgas en perslucht in tabelvorm uitgewerkt. Paragraaf 4.5 geeft een overzicht van de criteria waarop de verschillende injectiegassen goed of slecht scoren.
12
4.2
Stikstof Tabel 1 Overzicht business case op basis van stikstofinjectie
Kosten Infrastructuur injectiegas Infrastructuur elektra Injectie putten Luchtscheidingsinstallatie Stikstof terugwininstallatie Jaarlijkse kosten Energie Onderhoud
Miljoen Euro 950 200 700 1.500 2.800
600 50
Totaal over 30 jaar
19.500
Totaal
25.650
Baten Vermijdbare kosten
Jaarlijkse opbrengsten Warmte Zuurstof CAES op termijn Totaal over 30 jaar Ongedekte kosten Totaal
Miljoen Euro 10.000
100 ... (150) 3.000 12.650 25.650
De schatting van de kosten voor stikstofinjectie zijn gebaseerd op de ramingen van de NAM. Bijkomende kosten voor onderhoud worden geschat op 50 miljoen euro per jaar. De totale investering bedraagt ongeveer 13 miljard euro. Injectie met stikstof biedt op termijn ook de mogelijkheid om dezelfde installatie te gebruiken voor CAES met een geschat potentieel van 150 miljoen euro per jaar. Deze post is benoemd maar het bedrag is niet meegenomen in het totaal om de vergelijking van verschillende tijd schalen te voorkomen.
4.3
Rookgas Tabel 2 Overzicht business case op basis van rookgasinjectie
Kosten Infrastructuur injectiegas Infrastructuur elektra Injectie putten Stikstof filter installatie Inkoop stikstof
Miljoen Euro 950 200 700 2.800 300
Jaarlijkse kosten Energie Onderhoud Totaal over 30 jaar
300 50 10.500
Totaal
15.450
Baten Vermijdbare kosten
Jaarlijkse opbrengsten Warmte verkoop Totaal over 30 jaar Ongedekte kosten Totaal
Miljoen Euro 10.000
100 3.000 2.450 15.450
De kosten voor de infrastructuur benodigd voor de injectie van rookgas worden gelijkgesteld aan de kosten voor de injectie van stikstof. Met het injecteren van rookgassen kan ten opzichte van stikstofinjectie over de looptijd van dertig jaar ruim 10 miljard euro worden bespaard omdat de luchtscheidingsinstallatie niet nodig is hetgeen een aanzienlijke reductie van het energieverbruik met zich meebrengt. In vergelijking met stikstof of perslucht biedt injectie met rookgassen geen mogelijkheden tot opslag van energie in de vorm van CAES. Ondanks dat de ongedekte kosten ten opzichte van injectie met stikstof lager liggen, biedt injectie met rookgassen voor de langere termijn daarom minder voordelen.
13
4.4
Perslucht Tabel 3 Overzicht business case op basis van persluchtinjectie
Kosten Infrastructuur elektra Injectie putten Stikstof filter installatie Inkoop stikstof
Miljoen Euro 200 700 2.800 300
Jaarlijkse kosten Energie Onderhoud Totaal over 30 jaar
300 50 10.500
Totaal
14.500
Baten Vermijdbare kosten
Miljoen Euro 10.000
Jaarlijkse opbrengsten Warmte verkoop CAES op termijn Totaal over 30 jaar Ongedekte kosten Totaal
100 (150) 3.000 1.500 14.500
Door in plaats van stikstof of rookgas perslucht toe te passen, kunnen de kosten nog verder gereduceerd worden. Aangezien omgevingslucht gebruikt kan worden die dichtbij de injectieputten wordt gecomprimeerd en er slechts een beperkt volume stikstof benodigd is, hoeft geen omvangrijke infrastructuur te worden ontwikkeld. De stikstof die wel nodig is kan via een kleinere installatie worden geproduceerd of ingekocht worden. Persluchtinjectie biedt ook de mogelijkheid om dezelfde installatie op termijn te gebruiken voor CAES. Met deze methode zal een winst gemaakt kunnen worden van naar schatting 150 miljoen euro per jaar. Lange-termijn baten uit CAES zijn benoemd maar het bedrag is niet meegenomen in het totaal om de vergelijking met de injectie van rookgas niet te vertroebelen.
4.5
Overzicht
Ter illustratie zijn in tabel 4 de scores van de drie injectiemogelijkheden op verschillende criteria weergegeven. Hierin zijn ook inschattingen met betrekking tot de maatschappelijke acceptatie en de beschikbaarheid van de benodigde techniek verwerkt: Tabel 4 Overzicht van de drie injectiegassen
Injectiegas
Investering
Operationele kosten
Maatschappelijke acceptatie
Energie-opslag
Beschikbare techniek
--
-
+/-
+/-
+
Rookgas
-
+
--
--
+/-
Perslucht
+
+
+
+
+/-
Stikstof
++ Zeer hoog
+ Hoog
+/- Neutraal
- Laag
- - Zeer laag
14
5 5.1
Technische onderbouwing Scheiding van gassen
Gassen die in het gasveld worden geïnjecteerd zullen vrijwel niet mengen met het nog aanwezige aardgas. De menging die wel plaatsvindt wordt veroorzaakt door diffusie en dit proces voltrekt zich traag. De injectie van bijvoorbeeld stikstof zal bij de injectieput dan ook nagenoeg alle aardgas verdrijven. In onderstaande illustratie wordt het proces van gasinjectie bij een olieveld weergegeven:
Figuur 4 Injectie van gas ten behoeve van de winning van aardolie
Als vervolgens een tweede gas wordt ingebracht zal ook dit gas het bestaande gas verdringen. Er ontstaan dan twee scheidingslagen. Dit zou de mogelijkheid kunnen bieden om stikstof als scheidingslaag te gebruiken en vervolgens een goedkoper gas als perslucht te gebruiken om de druk op te bouwen. In het rapport van de NAM uit 2013 wordt het stromingsgedrag door verschillende lagen aangestipt als probleem. De gekozen oplossingsrichting is kostenintensief. Nader onderzoek zal dan ook moeten uitwijzen of een ander injectie techniek of een beter model oplossingen voor dit effect kunnen bieden.
5.2
Basis ontwerp
In het basis ontwerp wordt de druk in het gasveld op een constant niveau van ongeveer 85 bar gehouden. Het volume aardgas wat gewonnen wordt staat gelijk aan de hoeveelheid gas die teruggepompt wordt. Bij compressie van het te injecteren gas komt veel warmte vrij. Bij het winnen van aardgas vindt geen decompressie plaats aangezien het gas met een druk van 60 bar aan het transportnet wordt geleverd. Doordat het gasveld zich op een diepte van 3 kilometer bevindt is de gasdruk aan het oppervlak al ongeveer 20 bar lager dan de druk in het veld. De druk wordt voor een luchtkolom op een andere manier berekend dan voor een waterkolom. Aangezien een gas compressibel is, zal naarmate de kolom hoger wordt de druk exponentieel stijgen:
In bovenstaande formule is P0 de druk op niveau z = 0, g is de zwaartekracht, M de molaire massa, R de gasconstante en T de temperatuur.
15
Zoals in paragraaf 2.1 gesteld, kan de restwarmte die geproduceerd wordt door de compressie van injectiegas worden gebruikt voor een warmtenet met voldoende capaciteit voor ongeveer 300.000 huishoudens. Uitgaande van een isotherm proces kan de hoeveelheid energie die benodigd is voor het comprimeren worden bepaald volgens de algemene formule voor arbeid in isotherme processen: (
)
Hierin is n het aantal moleculen, R de gasconstante, T de temperatuur, VA het volume voor compressie en VB het volume na compressie. Hieruit volgt dat voor het reduceren van het volume van een kubieke meter gas met een factor 60 een hoeveelheid energie van 0,4 MJ ofwel 0,14 kWh nodig is. Deze energie komt vrij als warmte. Een injectie van 26 miljard Nm3 per jaar levert een hoeveelheid warmte die gelijk staat aan 0,4 MJ · 26·109 = 10.400 TJ.
Figuur 5 Basis ontwerp voor handhaving van de gasdruk en uitkoppeling van restwarmte
5.3
Basis ontwerp met CAES
Wanneer het basis ontwerp gecombineerd wordt met energie-opslag in de vorm van CAES ontstaat een nieuw palet aan mogelijkheden. Voor CAES bestaat een aantal varianten waarvan er twee verder zijn uitgewerkt:
Conventionele CAES: luchtdruk wordt gebruikt om efficiënt een gasturbine aan te drijven. Daarnaast is nog steeds gas nodig om elektrische energie te produceren. Adiabatische CAES of ACAES: luchtdruk en warmte worden opgeslagen om op een later tijdstip elektrische energie terug te winnen. Zie paragraaf 5.3.2.
16
5.3.1
Beldruk en opslag capaciteit
Het Groningen-veld is qua volume ongekend groot. De voor CAES benodigde drukvariatie zal dan ook nauwelijks invloed hebben op de bel druk. Ter illustratie: om de druk in het veld met een inhoud van 8 miljard kubieke meter met 1 bar te verhogen zal dus 8 miljard kubieke meter gas in het veld gepompt moeten worden, wat met 0,1 kWh per Nm3 gelijk staat aan een opslagcapaciteit van 800 GWh.
5.3.2
ACAES/ICAES
Adiabatische- of isotherme CAES kan elektrische energie opwekken zonder dat gas nodig is voor het aandrijven van de turbine. Deze vorm van energie-opslag past in een duurzame toekomstvisie maar is nog nergens op grote schaal toegepast. Zoals in figuur 6 te zien is, wordt de lucht gecomprimeerd volgens een vrijwel isotherm proces. Voor het deel van de lucht dat als compensatie voor aardgas wordt ingepompt, kan de restwarmte gebruikt worden in een warmte net. Het aardgas wordt na winning namelijk niet meer gedecomprimeerd en zal met een druk van 60 bar het transportnet ingebracht worden. Een deel van de beschikbare warmte zal moeten worden opgeslagen aangezien deze warmte nodig is voor de decompressie. Bij compressie komt warmte vrij maar bij decompressie zal het gas sterk afkoelen. Om de decompressie isotherm te laten plaatsvinden is evenveel warmte nodig. De decompressie-stap zal een turbine aandrijven die elektriciteit opwekt. De efficiency van ACAES wordt in de “CAES Pre-feasibility study” van KEMA geschat op 70%, dit getal is voor deze studie overgenomen.
Figuur 6 Basis ontwerp met ACAES op basis van perslucht
17
6
Conclusie
De complicaties die voortvloeien uit de winning van aardgas vereisen een brede visie. Dit onderzoek heeft aannemelijk gemaakt dat een haalbare en toekomstbestendige combinatie van oplossingen bestaat die de uiteenlopende belangen rondom de gaswinning erkent en verenigt. Een concept waarbij de druk in het Groningen-gasveld wordt geconsolideerd en de bodemdaling en aardbevingen op termijn zullen verminderen in combinatie met een maximale exploitatie van het veld én de mogelijkheid om een vorm van energie-opslag te realiseren lijkt op basis van huidige inzichten mogelijk. Door een extern gas te injecteren kan de druk langdurig op gelijk niveau gehouden worden. Naast de gunstige effecten op de bodembeweging kan de gaswinning met deze technologie worden geprolongeerd Door de drukhandhaving middels injectie van een extern gas kan een productievolume van 26 miljard Nm3 behouden blijven voor een periode van dertig jaar. De benodigde investeringen kunnen versneld worden terugverdiend doordat toekomstige aardbevingen deels voorkomen worden, er voor een langere periode gas gewonnen kan blijven worden en extra inkomsten worden gegenereerd uit de verkoop van restwarmte. Voor de lange termijn wordt potentieel gezien in de doorontwikkeling van het uiteindelijk uitgeputte gasveld naar een vorm van energie-opslag in de vorm van Compressed Air Energy Storage of kortweg CAES. Een combinatie van drukhandhaving door injectie van een gas, het uitkoppelen van de beschikbare restwarmte en de opslag van energie in de vorm van perslucht koppelt de maatschappelijke noodzaak tot het terugdringen van de gevolgen van de gaswinning naar een acceptabel niveau aan een nieuw economisch perspectief voor de regio. Voor deze combinatie is de technische- en economische haalbaarheid inzichtelijk gemaakt. De resultaten van dit eerste onderzoek naar het effect en het rendement van de beschreven mogelijkheden rechtvaardigen vervolgonderzoek.
7
Aanbeveling
Zoals in paragraaf 1.2 al werd betoogd, beoogt dit rapport niet een pasklare oplossing aan te reiken waarmee de problematiek rondom de winning van aardgas uit het Groningen-veld direct aangepakt kan worden. De beschrijving van de oplossingen op hoofdlijnen roept zonder twijfel op verschillende vlakken vragen op. Vragen die bijvoorbeeld in een vervolgonderzoek aan de orde kunnen komen zijn:
Welke van de drie geschetste mogelijkheden voor het handhaven van de druk is de beste? Kan een warmtenet dat gevoed wordt uit de compressie van injectiegas rendabel zijn? Kunnen de tot nu toe bekende methodes voor de injectie van gas of de toepassing van CAES straffeloos worden geëxtrapoleerd naar de schaalgrootte van het Groningen-gasveld? Is het rendabel om middels CAES een vorm van energie-opslag te introduceren waarvan de regio Groningen profiteert? Hoeveel mag de geconsolideerde druk nog fluctueren in relatie tot de toepassing van CAES? Kan een injectie techniek ontwikkeld worden waarbij er een homogene stikstof scheidingslaag wordt gecreëerd? Is een dergelijke scheidingslaag tussen de aardgasreserves en een geïnjecteerd volume perslucht nog beïnvloedbaar nadat deze eenmaal gerealiseerd is?
Aanbevolen wordt een vervolgonderzoek te initiëren met gebruikmaking van de expertise van de verschillende belanghebbende partijen.
18
Bronvermelding Hagoort KEMA NAM 1 NAM 2 TenneT
Hagoort, dr. ir. J., Aardbevingen in Groningen, verleden en toekomst Timmers, G. et al, CAES pre-feasibility study http://www.namplatform.nl Subsurface aspects of Subsidence and Induced Earthquakes, Appendix B: Pressure Maintenance http://www.tennet.eu/nl/news/article/norned-cable-off-to-a-promising-start.html)
Verantwoording gebruikte afbeeldingen Figuur 1 Figuur 2 Figuur 3 Figuur 4
http://www.namplatform.nl Subsurface aspects of Subsidence and Induced Earthquakes, Appendix B: Pressure Maintenance Subsurface aspects of Subsidence and Induced Earthquakes, Appendix B: Pressure Maintenance http://www.rigzone.com
19
