Hoe kunnen we verstoppingen bij aardwarmtewinning voorkomen?

In opdracht van Kennisagenda Aardwarmte, een Kenniscoördinatiegroep die vanuit bedrijfsleven en overheid is ingesteld ter bevordering van het duurzaam gebruik van aardwarmte, is Microbial Analysis gevraagd onderzoek te verrichten naar biologische oorzaken van verstoppingen bij geothermische systemen. 

Eén van de aanleidingen voor dit onderzoek is een probleem met een geothermisch systeem in het Zuid-Hollandse dorp Vierpolders. Al na tweeënhalve maand na ingebruikname ontstond een ernstige verstopping in de injectieput, zelfs zodanig dat het systeem niet meer kon functioneren. Onderzoek naar de oorzaak toonde de vorming van kalksteen, ijzeroxiden en –sulfiden aan. Daarnaast werden er grote hoeveelheden bacteriën aangetroffen. Om van het probleem af te komen werd het systeem behandeld met biociden en zuur. Deze behandeling zorgde voor een heftige reactie waarbij gevaarlijke hoeveelheden waterstofsulfide (H2S) ontstonden. Binnen het onderzoek hebben we ons gefocust op de oorzaak van de verstoppingproblemen en de vorming van waterstofsulfide. Daarnaast hebben we gekeken naar maatregelen om deze problemen in de toekomst te voorkomen.

Processen begrijpen om problemen te voorkomen

Om te begrijpen wat er in Vierpolders precies is gebeurd, hebben wij gekeken naar de bacteriële samenstelling van zowel het verstoppingsmateriaal bij de injectiebron als het productiewater. Uit de analyses blijkt dat de meest aangetroffen bacteriesoorten een aantal sulfaatreducerende bacteriestammen zijn, die voorkomen in de diepere lagen van de ondergrond. Deze bacteriën gedijen prima in extreme omstandigheden zoals: een hoge temperatuur, de afwezigheid van zuurstof en een hoog zoutgehalte. Ook zijn ze in staat om waterstofsulfide te vormen. De hoeveelheid en activiteit van de bacteriën in het verstoppingsmateriaal was hoog, zelfs zo hoog dat alleen de hoeveelheid biomassa op zichzelf de verstopping al zou kunnen verklaren.

Omdat de problemen juist zijn ontstaan in de injectiebron is ook onderzocht of condities van buitenaf de groei van deze bacteriën heeft gestimuleerd. Onder andere is de procedure voor de productie van het systeem onder de loep genomen. Eén van de procedures is dat natriumbisulfiet aan het systeem wordt toegevoegd om zuurstof te verwijderen en zo roestvorming te voorkomen. Mogelijk is de oorzaak voor extra groei juist de toevoeging van natriumbisulfiet, omdat hierdoor de sulfaatreducerende bacteriën onbedoeld zijn gestimuleerd.

Onze conclusie is dat de vorming van H2S hoogstwaarschijnlijk een combinatie van biologie en chemie is. Enerzijds produceren de aangetroffen bacteriën H2S, anderzijds wordt door de toevoeging van HCl de in het systeem aangetroffen ijzersulfide omgezet waarbij H2S vrijkomt.

​ Lessen voor de toekomst

Hoewel de condities per geothermisch systeem van elkaar kunnen verschillen, zijn er aantal duidelijke lessen te leren van het systeem in Vierpolders:

• Onderzoek en monitor de aanwezige micro-organismen voordat een systeem wordt gestart om mogelijke problemen (verstopping, H2S vorming en microbiologische corrosie) te voorkomen en biologische mechanismes die in het systeem plaatsvinden te begrijpen. Neem vanaf het begin preventieve maatregelen zoals het toevoegen van corrosieremmers en biociden.
• Vermijd het gebruik van zuurstofverwijderaars met een zwavelbron, omdat deze mogelijk kunnen dienen als energiebron voor de bacteriën in het systeem.
• Vermijd lange perioden van stilstand, omdat dit bacteriële groei kan stimuleren.
• Wees voorzichtig met het injecteren van zuren en houd daarbij rekening met het vrijkomen van H2S.

Inmiddels is er een aanvullend project gestart om de microbiologie in zes andere geothermische putten te doorgronden, zodat we met die kennis beter in staat te zijn om microbiologische problemen te beheersen en voorkomen. 

Hoe maken we de winning van aardwarmte nog duurzamer?

In opdracht van Kennisagenda Aardwarmte hebben wij ook gekeken naar de mogelijkheid om de winning van aardwarmte nog duurzamer te maken, zonder het gebruik van biociden. Hierbij hebben wij, door uitgebreid onderzoek van bestaande data, een groot aantal methoden beoordeeld zoals verandering van temperatuur of pH, wegconcurreren met andere “minder schadelijke” bacteriën, UV-behandeling, membraanfiltratie etc. De conclusie uit dit onderzoek is dat deze alternatieven methoden nog niet haalbaar of toereikend zijn bij geothermie. Het gebruik van biociden blijft daarmee voorlopig noodzakelijk.