de komende decennia zal de vraag naar gas alleen maar toenemen. natuurlijk gas heeft immers een laag koolstofgehalte, wat het aantrekkelijk maakt om de globale co2-emissies te reduceren. recente technologische ontwikkelingen zoals ‘fracking’ hebben de ontginning van schaliegas mogelijk gemaakt. maar de productie ervan houdt een aantal serieuze risico’s in voor het milieu. een duidelijke europese regelgeving is nodig om het evenwicht tussen energiewinning en vervuiling te bewaren.
Schaliegas (#41)
Bij de productie van schaliegas kunnen toxische en carcinogene producten in het grondwater terechtkomen
Schaliegas is een natuurlijk gas (voornamelijk bestaand uit methaan), dat afkomstig is van organisch rijke schalies. Dit zijn zeer fijnkorrelige gesteenten, soms ook wel ‘schiefers’ genoemd. Deze sedimentaire gesteenten ontstonden op plaatsen waar in het geologische verleden zeer rustige afzettingsomstandigheden heersten, waarbij kleine kleipartikels konden accumuleren, zoals in lagunes of getijdengebieden (vergelijkbaar met de huidige Waddenzee), in afgesloten zeebekkens (zoals de Zwarte zee) of onder diepe mariene omstandigheden (meer dan 100 meter waterdiepte). In deze gebieden is er bovendien vaak ook afzetting van grote hoeveelheden organisch materiaal omdat de omgeving zuurstofarm is. Alle zuurstof is hier reeds uit het water verdwenen als gevolg van de oxidatie van neerdwarrelende rottende organische bestanddelen. Eenmaal alle zuurstof is opgebruikt, blijft verder neerdwarrelend organisch materiaal intact en leidt het tot organisch rijke zwarte kleiafzetting. Deze sedimenten kunnen tot 10 procent ‘Totaal Organisch Koolstof’ (TOC) bevatten en vormen goede moedergesteenten voor aardolie en gas.
Na afzetting kunnen die sedimenten verder worden begraven onder jongere sedimenten tot enkele duizenden meters diepte. Tijdens die begraving zullen de fijnkorrelige sedimenten worden beïnvloed door zogenaamde ‘diagenetische’ processen. De partikeltjes worden samengedrukt door het gewicht van bovenliggende sedimenten, waardoor ze dichter bij elkaar komen te liggen en het water uit de sedimenten wordt gedreven. Tijdens dit proces neemt niet alleen de druk toe, maar ook de temperatuur. Als organische bestanddelen blootgesteld worden aan temperaturen van 80°C en meer, gaan die complexe verbindingen als het ware ‘breken’ (of ‘kraken’). Dit leidt tot de vorming van kleinere moleculen die vloeibaar (olie) of gasvormig zijn. Vanaf 120°C, bij begravingsdiepten van meer dan 3 kilometer wordt er vooral nog gas (methaan) aangemaakt, naast water en CO2.
In conventionele geologische scenario’s gaan deze lichtere vloeibare en gasvormige bestanddelen het ‘moedergesteente’ verlaten en opwaarts migreren. Ze zijn immers lichter dan het omgevende gesteente. Uiteindelijk kunnen ze accumuleren in een poreus reservoirgesteente, dat bedekt wordt door een niet-doorlatend gesteente zoals een zoutlaag. Bij gasschalies ligt dit echter anders. Hier is het gas niet volledig uit het moedergesteente kunnen ontsnappen. Het zit er als het ware nog in, door de zeer beperkte doordringbaarheid van het gesteente. Het gas zit in ultrakleine poriën en is adsorptief gebonden aan de gesteentecomponenten. Het kan ook in natuurlijke spleten en barsten blijven zitten, die niet met elkaar in verbinding staan en dus het gas vasthouden. Als nu het gesteente op grote schaal gebroken wordt en met een boring een onderdruk wordt aangebracht, dan kan desorptie optreden en zal een deel van het schaliegas vrijkomen. Dit kan trouwens ook gebeuren tijdens steenkoolwinning, waarbij mijngas (methaan) kan vrijkomen bij de exploitatie, omdat men de steenkool breekt en het gas de mijngangen wordt ingezogen. Schaliegas kan echter ook doelgericht worden geëxploiteerd. Een succesvolle exploitatie is in zekere mate risicorijk, en hangt zowel van geologische als technologische parameters af. Het zijn vooral een aantal recente technologische ontwikkelingen die de ontginning van schaliegas mogelijk hebben gemaakt, zoals het efficiënt ondergronds breken van gesteente (het zogenaamde ‘fracken’) en het horizontaal boren in een geschikte schalie, dat pas doeltreffend is sinds de jaren 1980.
‘Fracken’ van metersdikke organischrijke schalies, die aantoonbare hoeveelheden gas bevatten, veronderstelt dat deze gesteenten ook gemakkelijk kunnen breken. Meestal start men met een verkenningsboring om het potentieel van een schalielaag in te schatten. Daarna wordt de schalielaag doorboord, door een horizontale boring over een grote afstand (dit kan tot 3 kilometer gaan). Dankzij dit ‘horizontaal’ boren is het aantal boringen vanuit het aardoppervlak overigens aanzienlijk verminderd, wat ook tot een vermindering van storende operaties aan het oppervlak heeft geleid. Daarna worden de wanden van het boorgat verstevigd met een ‘casing’, een soort mantel die uit cement of staal bestaat. Tot slot gaat men in de schalie segment per segment (bijvoorbeeld over 100 meter) ‘fracken’. Dit gebeurt door onder extreem hoge druk water te injecteren in een segment, zodat het gesteente in de ondergrond breekt. Op die manier wordt een pad gecreëerd waarlangs het natuurlijke gas en eventuele andere fluïda kunnen migreren. Dit proces moet soms worden herhaald om een voldoende hoge gasproductie te kunnen garanderen. In het ideale geval ontstaan er rond het boorgat in alle richtingen talrijke kleine barsten en spleten, die tijdelijk worden opengehouden door de grote waterdruk. Samen met het water worden ook zand en eventueel ceramische partikels van een bepaalde diameter (de zogenaamde ‘proppant’) geïnjecteerd. Deze partikels zullen in de spleten en barsten terechtkomen, zodat die openblijven nadat de druk wordt weggenomen. Op die manier kan het gas via die spleten worden onttrokken. Vaak injecteert men ook tal van additieven om maximale desorptie van het gas te verkrijgen.
Eenmaal de gasproductie wordt gestart door een onderdruk aan te brengen, keert de richting van fluïdamigratie om. Het gas en het overtollige water met zijn additieven worden naar de oppervlakte gezogen, waar ze van elkaar worden gescheiden. Om na te gaan of het ‘fracken’ goed is verlopen, worden soms ook radiogene isotopen met een relatief korte halfwaardetijd geïnjecteerd. Op basis van hun verbreiding in de ondergrond, die gemeten kan worden rond de boring, kan de doeltreffendheid van het ‘fracken’ worden gekwantificeerd. Daarnaast kan ook een meting van de drukevolutie tijdens het ‘fracking’ heel wat informatie geven. Verder wordt ook microseismische monitoring toegepast, dit is het luisteren naar de gecreëerde spleten en barsten vanaf het aardoppervlak. Hydraulische fracturatie of ‘fracking’ gebeurde in het geologische verleden overigens ook vaak door natuurlijke processen zoals aardbevingen. Iedereen kent wel de witte aders in de gesteenten van de Ardennen of de Alpen. Dit zijn getuigen van het breken van het gesteente en een latere kristallisatie uit een fluïdum dat langs deze spleten circuleerde.
Het gebruik van ‘fracking’ voor de winning van schaliegas creëert echter ook tal van problemen voor het milieu, met potentiële grond- , water- en luchtvervuiling tot gevolg. Zo kunnen gassen en gebruikte chemicaliën aan het aardoppervlak migreren, en is potentieel ondeskundige behandeling van afvalwater een aandachtspunt. In Frankrijk was dit reden genoeg om recent nog een reeks licenties in te trekken voor prospectie naar gasschalie. De winning van gas uit schalies creëert echter ook werkgelegenheid en industriële activiteiten. Net als bij oliewinning, moet dus ook hier een maatschappelijke kosten-batenanalyse worden gemaakt. Iedereen is er zich van bewust dat tal van maatschappelijke verworvenheden niet gerealiseerd zouden zijn zonder het delven van olie, maar weinigen stellen de vraag naar welke ‘milieuprijs’ we hiervoor betalen. Pas bij een ongeluk, zoals met de ‘Deepwater Horizon’ in 2010 in de Golf van Mexico, worden we met de neus op de realiteit gedrukt. Ondanks strikte regelgeving en veiligheidsmaatregelen kunnen we geen activiteiten ontplooien met een nulrisico. Menselijk falen moet steeds worden ingecalculeerd, los van de vraag of het maatschappelijk verantwoord is om olie zomaar te verbranden. Maar dat is een ander onderwerp. Bij de winning van schaliegas zijn er een hele reeks potentiële problemen. In elke boring wordt een gemiddelde van 20 miljoen liter water (of ongeveer 8 olympische zwembaden van 2 meter diepte) geïnjecteerd, samen met een 200 000 liter zuren en andere producten. Verscheidene van deze ‘fracking’-additieven zijn carcinogeen, toxisch en mutageen, en vaak wordt hun samenstelling geheimgehouden. Bij deze operaties wordt niet één, maar vaak een tiental boringen geplaatst op een gebied van enkele hectare. Uiteraard vormt het injecteren van dergelijke grote hoeveelheden water een serieus probleem voor toepassing in woestijngebieden.
‘Fracking’ gaat ook gepaard met een hele reeks miniaardbevingen, met gerapporteerde intensiteiten van magnitude 2 op de schaal van Richter
‘Fracking’ gaat ook gepaard met een hele reeks miniaardbevingen, met gerapporteerde intensiteiten van magnitude 2 op de schaal van Richter. Dat is in grootteorde te vergelijken met een trilling van een zeer zware vrachtwagen die met relatief hoge snelheid over een vluchtheuvel raast. Hierdoor kunnen er kleine scheurtjes ontstaan in gebouwen. In realiteit is er vaak een goede geologische verklaring voor het ontstaan van die storende neveneffecten op de locaties van die miniaardbevingen, en in bijna alle gevallen kunnen ze worden vermeden. Het spreekt voor zich dat een grondige geologische voorstudie absoluut noodzakelijk is om miniaardbevingen in te schatten, en als ze onvermijdelijk zijn, ze op gecontroleerde wijze te laten optreden met een zo laag mogelijke impact op het milieu. Bij ‘fracking’ van schalielagen kunnen ook bovenliggende gesteenten breken, wat niet wenselijk is.
Volgens sommige onderzoekers zijn er eenduidige aanwijzingen dat rond actieve schaliegaswinningen het grondwater verhoogde concentraties van methaan bevat. De vraag is hier of dit methaan gedurende een vrij korte periode over enkele duizenden meters opwaarts kan migreren, zeker als men bedenkt dat de techniek in de ondergrond een onderdruk aanlegt, en dus de fluïdacirculatie eerder naar beneden gericht is. Ondiepe gaslekkage en insijpelen van opgepompt afvalwater rond de boring kunnen het grondwater vervuilen. Volgens sommige tegenstanders verklaart dit de methaanconcentraties in de bodems nabij de ontginningen van schaliegas . Dit kan bijvoorbeeld gebeuren als het cement in het boorgat niet correct werd aangebracht. Volgens anderen wordt de aanwezigheid van methaan in het grondwater toegewezen aan natuurlijke bacteriogene processen, want methaan komt ook in grondwater voor waar er geen schaliegaswinning is. Het is algemeen bekend dat als organisch materiaal ontbindt in een zuurstofarme omgeving, er bijna altijd ook methaangas ontstaat. Maar als de eerste stelling juist is, dan zorgt ‘fracking’ wellicht voor een verhoogde uitstoot van methaan in de atmosfeer – een broeikasgas, en dus met een nadelig effect op ons klimaat. Volgens sommige auteurs zou de uitstoot van deze gasbron over een bestek van twintig jaar erger zijn dan de uitstoot gerelateerd aan steenkool en olie. Van al het geproduceerde schaliegas zou tussen de 3,6 en 7,9 procent weglekken in de atmosfeer. Zelfs als dit maar enkele procenten zou zijn, zou schaliegas nog maar een heel klein milieuvoordeel hebben ten opzichte van steenkool als energiedrager.
Er bestaat uiteraard ook een gevaar van luchtvervuiling in de buurt van plaatsen waar schaliegas wordt gewonnen. Die zijn vergelijkbaar met de gevaren rond winningen van conventioneel olie en gas. Het gaat hier om mogelijke emissies van particulaire bestanddelen, stikstofoxides, zwaveloxide, CO2 en CO. Maar ook het schaliegas zelf kan ontsnappen, waarbij dan methaan, ethaan en volatiele organische bestanddelen vrijkomen (de zogenaamde VOC’s met bijvoorbeeld benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xyleen, de BTEX-verbindingen).
Chemische additieven vormen ongeveer 1 procent van alle fluïda die tijdens het hydraulische ‘fracking’ geïnjecteerd worden. Een groot deel van de geïnjecteerde chemicaliën zijn ongevaarlijk, zoals bepaalde gels, bepaalde schuimtypes, CO2, stikstofgas en viscositeitverhogende producten. Sommige van deze producten gebruiken we zelfs dagelijks in het huishouden, zoals detergenten of zepen. Welke additieven geïnjecteerd worden hangt vaak af van de eigenschappen van de schalies. Zuren worden bijvoorbeeld geïnjecteerd om bepaalde gesteentecomponenten deels op te lossen. Ook zullen de toegevoegde additieven wijzigen naargelang de ‘fracking’-operatie moet worden herhaald. In een later stadium zal men oxidatieve en enzymbrekende additieven toevoegen, om het terugvloeien van het geïnjecteerde fluïda te bevorderen. Sommige van die additieven zijn echter carcinogeen of toxisch (in functie van hun samenstelling maar ook in relatie tot hun concentratie), althans indien ze in het grondwater of zonder verdere behandeling in het oppervlaktewater zouden terechtkomen. Het gaat dan om producten als benzeen, lood, ethyleenglycol (antivries), methanol, boorzuren, 2-butoxyethanol, en de eventueel geïnjecteerde radiogene isotopen, zoals bijvoorbeeld antimoon-, kobalt en jodiumisotopen.
In principe zijn firma’s die ‘fracking’-operaties doorvoeren, verplicht alle chemicaliën aan te geven. Van de ongeveer 800 additieven die ooit gerapporteerd werden, is ongeveer 80 procent potentieel eco- en/of humaantoxicologisch schadelijk. Als die producten op enkele duizenden meters diepte blijven zitten, is er geen direct probleem, maar als ze in het ondiepe grondwater of aan het aardoppervlak komen, dan stelt zich natuurlijk wel een acuut probleem. Het injecteren van schadelijke stoffen op grote diepte in de ondergrond is op zich erg bedenkelijk. In de Verenigde Staten moeten die producten worden vermeld op de zogenaamde ‘Material Safety Data Sheet’ (MSDS). De plaatselijke wetgeving laat soms echter toe dat niet alle additieven opgegeven moeten worden, onder het voorwendsel van commerciële geheimhouding. Het spreekt voor zich dat sommige erg schadelijke additieven iets vaker onder deze geheimhouding vallen dan bijvoorbeeld detergenten. Maar als men de samenstelling van deze additieven niet kenbaar maakt, dan is het voor de wetgever bijna onmogelijk om de juiste regelgeving uit te werken. Als deze stoffen aan het oppervlak of in het grondwater terechtkomen, zal detectie al heel toevallig moeten zijn, omdat het gaat om lage concentraties. Meer en meer overheden dringen dan ook aan op een open politiek. Maar praktijken waar een deel van de geïnjecteerde additieven niet worden bekendgemaakt zijn, in de Verenigde Staten althans, meer de regel dan de uitzondering.
Ook ‘blow-outs’ (explosies aan de boorput), oppervlaktelekken van opslaglocaties en een onzorgvuldige behandeling van ‘fracking’-water kunnen het grondwater vervuilen. Ongeveer 20 procent van de geïnjecteerde vloeistoffen komt terug naar boven in de eerste twee weken na het opstarten van de productie. Naast water komen er ook andere bestanddelen naar boven die in relatie staan met de organisch rijke schalies, zoals koolwaterstoffen, zware metalen, natuurlijke zouten en radioactieve elementen (organische fasen concentreren immers vaak radioactieve elementen). Die waterstromen worden vaak tijdelijk opgevangen in open watercontainers vooraleer ze worden behandeld, gerecycleerd en weggevoerd. Veel is echter niet geweten over de mogelijke negatieve effecten van deze operaties, en het is pas recent dat er over dit onderwerp artikelen met ‘peer review’ verschijnen in de wetenschappelijke literatuur.
Natuurlijk zijn er ook nieuwe ontwikkelingen die proberen dergelijke problemen te voorkomen en op te lossen. Eén voorbeeld is ‘propaanfracking’, waarbij men een dikke gel aanmaakt van geliquifieerd propaan (zoals lpg). Zoals met ‘waterfracking’ wordt de gel met ‘proppant’ ondergronds geïnjecteerd. In tegenstelling tot water zet de gel zich echter opnieuw om tot een gas en komt terug aan de oppervlakte samen met het gewonnen gas, waar het opgevangen wordt en gerecycleerd. Hierbij brengt het geen boorchemicaliën, zouten en radioactieve bestanddelen mee naar de oppervlakte, zoals bij water wel het geval is. Daarnaast wordt ook de gasproductie verhoogd, want het propaan blokkeert de poriën niet, wat met water wel kan gebeuren. Voorts zijn de volumes geïnjecteerd materiaal slechts 25 procent van de volumes met water. Het grote nadeel is echter dat het aanmaken van geliquifieerd propaan initieel meer kost, zelfs als men het achteraf kan recupereren en opnieuw verkopen. Bovendien is het ook explosief.
Het niet openbaar maken van chemicaliën die gebruikt worden tijdens ‘fracking’-operaties, onder het voorwendsel van commerciële competitiviteit, is maatschappelijk onaanvaardbaar
Als conclusie kunnen we stellen dat het niet openbaar maken van chemicaliën die gebruikt worden tijdens ‘fracking’-operaties, onder het voorwendsel van commerciële competitiviteit, maatschappelijk onaanvaardbaar is, zeker als de volksgezondheid hierdoor in het gedrang kan komen. Het opleggen van een moratorium van ‘fracking’-operaties in dichtbevolkte gebieden is echter ook geen optie. Onderzoek naar het effect van ‘fracking’ moet hand in hand gaan met een duidelijke regelgeving op Europees vlak, zonder de volksgezondheid in gevaar te brengen. Hierover werd in september 2012 een interessant rapport uitgebracht door de Europese Commissie (‘Support to the identification of potential risks for the environment and human health arising from hydrocarbons operations involving hydraulic fracturing in Europe’). Schaliegaswinning kan ook alleen nadat de betrokken bevolking grondig is geïnformeerd en actief betrokken wordt bij het opzetten van die operaties. Hier kunnen wetenschapsjournalisten een belangrijke rol spelen, bijgestaan door betrokken wetenschappers. In deze context heeft onze maatschappij zeker geen nood aan niet-wetenschappelijk gefundeerde negatieve campagnes, die vaak meer weerklank krijgen in de pers. Men moet er zich echter wel van bewust zijn dat menselijke fouten kunnen gebeuren tijdens het boren, het plaatsen van de ‘casings’, het doorvoeren van de ‘fracking’-operaties, de productie van gas en de behandeling van fluïda die tijdens gasproductie aan de oppervlakte worden gebracht. Er is dus nood aan het systematisch toepassen van ‘best practices’. Daarnaast moet het onderzoek naar de winning van niet-conventioneel gas samengaan met de ontwikkeling van technologieën die het waterverbruik en andere schadelijke effecten kunnen verminderen.
‘Support to the identification of potential risks for the environment and human health arising from hydrocarbons operations involving hydraulic fracturing in Europe’. Rapport uitgebracht door de Europese Commissie, 2012.
http://ec.europa.eu/environment/integration/energy/pdf/fracking%20study.pdf
Rudy Swennen is als geoloog verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License