Modderen met olie

Op de diepste diepten zetten bacteriën ruwe olie om. Ze maken er methaan van. Een oplossing voor het energieprobleem? Karel Knip

De winning van teerzand in Alberta, Canada (links) en een klompje teerzand (rechts)(foto). foto ap Associated Press

De doorbraak waarop een wereld in olienood jaren heeft zitten wachten? Een oplossing voor het snel groeiende energieprobleem? Wie een blik wierp op de persberichten en commentaren die deze week werden uitgegeven bij een Nature-artikel over methaanproductie in aardolie zou het haast geloven. Maar er blijkt nog weinig aanleiding voor opluchting of feestvreugde.

Een onderzoeksgroep van de University of Newcastle upon Tyne, aangevuld met Noren en Canadezen, heeft ontdekt hoe op grote diepte in aardoliereservoirs bacteriën en archaea (primitieve micro-organismen) aardolie afbreken en in methaan omzetten. Zij deden laboratoriumproefjes met monsters aardolie uit de Noordzee waaraan wat modder werd toegevoegd uit de rivier voor de deur, de Tyne dus. Plus wat brak water, een pH-regelaar en essentiële voedingsstoffen. Als toetreding van zuurstof zorgvuldig werd vermeden, kwam bij temperaturen tussen 20 en 35 graden een heel bescheiden productie van methaan (CH4) op gang die twee jaar aanhield.

restanten

Aan de hand van de omzettingsproducten die ontstonden en van de restanten aardolie die achterbleven en nog wat aanvullende klassieke proefjes wist de groep te achterhalen langs welke biochemische routes (het zijn er een paar) de methaan ontstaat.

Dat is vooral van ecologisch belang, want het zijn bekènde biochemische routes en het zijn ook min of meer bekende organismen die er gebruik van maken. Dat het dáár en onder die omstandigheden gebeurt, dat was nog niet bekend. Maar de groep, aangevoerd door D. Martin Jones en Ian M. Head, gaat in haar slotconclusie een stap verder. Zij besluit dat het proces gemanipuleerd en versneld kan worden en de weg opent naar grootschalige methaanproductie. De in niet rendabele reservoirs achtergebleven aardolie kan alsnog in methaan worden omgezet. Ook teerzanden kunnen goedkoop in productie worden genomen.

Nature-redacteur Sanderson wist de onderzoekers nog wildere uitspraken te ontlokken: Nu we weten wat er in de diepte met de aardolie gebeurt kunnen we zelfs goedkoop waterstof gaan maken (nature.com/news). Want in een deel van de ondergrondse biochemische reacties vormen micro-organismen waterstof (H2). Ter plekke wordt dat steeds snel omgezet, maar als je die omzetting zou kunnen remmen of ontmoedigen dan zou je zomaar waterstof kunnen produceren. Over het hoe zwijgt de groep.

Voor de buitenstaander is de aanwezigheid van microbiële activiteit op dieptes van wel 3 tot 4 kilometer in de aardkorst, waar temperaturen heersen die tot boven de 80 graden Celsius kunnen oplopen, misschien wel het interessantste nieuws. In het gebied waar de aardolie en het brakke water waarop de olie meestal drijft met elkaar in contact staan, leeft een microbiële flora die nog maar nauwelijks is beschreven. ‘Een ondergrondse biosfeer die wacht op de onderzoekers van 21ste eeuw’, zoals Head en Jones eerder schreven in een heel leesbaar overzichtsartikel (Nature, 20 november 2003).

pest

Dat er leven moest zijn in de diepe aardolie werd al in de jaren dertig aangenomen. De olie in veel reservoirs vertoont duidelijke sporen van zware microbiële aantasting en omzetting. Goedbeschouwd zijn de micro-organismen de pest voor de aardolie: ze breken vooral de dunst vloeibare bestanddelen af en laten de olie ingedikt en verrijkt aan zwavel, zuren en metalen achter. Aardolie die lang heeft blootgestaan aan microbiële inwerking is van inferieure kwaliteit. Aangenomen wordt dat de taaie oliesubstantie (‘teer’) die het hoofdbestanddeel is van de teerzanden in Canada en Venezuela een restproduct is van miljoenen jaren microbiële omzetting. Het proces verloopt uiterst langzaam.

Er bestaat ook ongerepte olie waarin weinig of geen micro-organismen tot ontwikkeling kwamen, doordat er onvoldoende water beschikbaar was of doordat de olie simpelweg te heet is. Of te heet is geweest en daardoor gepasteuriseerd raakte: paleo-pasteurisatie. Boven de tachtig graden gaan de microben snel te gronde.

zuurstof

Tot begin jaren zeventig is stilzwijgend aangenomen dat de olieafbraak een aeroob proces was, een proces dat zuurstof nodig heeft. Tot die tijd bestond namelijk de indruk dat het vooral de minst diepe olie was die het zwaarst door bacteriën werd aangetast. De benodigde zuurstof zou door oppervlaktewater worden aangevoerd. Een essentiële voedingsstof als fosfaat zou door de bacteriën uit omringende mineralen (vooral veldspaat) worden vrijgemaakt.

Bij nader inzien blijkt de grootste microbiële activiteit op de diepste diepte in het reservoir voor te komen. En berekeningen toonden aan dat daar onmogelijk genoeg zuurstof kan worden aangevoerd. Het proces dat in methaanproductie uitmondt, verloopt dus anaeroob. Zelfs ‘obligaat’ anaeroob: de betrokken organismen zijn niet bestand tegen zuurstof. Het vermoeden is bevestigd door nabootsing van de heersende omstandigheden in het laboratorium, onder strikte afwezigheid van zuurstof dus. Dan ontstonden de typische reactieproducten die ook in de diepe ondergrond zijn gevonden.

De anaerobe methaanvorming is tot dusver alleen goed beschreven voor modders en moerassen en de magen van herkauwers. Die in aardolie moest nog worden aangepakt en dat is nu gebeurd. Voor een optimale methaanproductie moeten diverse organismen samenwerken en reactieproducten aan elkaar doorgeven. De langketenige alkanen (koolwaterstoffen) waaruit aardolie in hoofdzaak bestaat, worden omgezet in acetaat en waterstof. Het acetaat kan op zijn beurt worden omgezet in waterstof en CO2. Maar acetaat kan ook worden omgezet in methaan en CO2. Tenslotte kan ook methaan ontstaan uit een reactie tussen waterstof en CO2. Dat laatste blijkt in de diepe ondergrond zelfs de voornaamste methaanvormende reactie te zijn. In de handboeken worden al deze reacties samengevat onder ‘de anaerobe koolstofcyclus’.

Het is vooralsnog volstrekt onduidelijk hoe deze reacties zijn te gebruiken om methaan (laat staan waterstof) uit de teerzanden van Canada en Venezuela vrij te maken. De taaiheid van de teer bemoeilijkt de toestroom van microben en voedingstoffen naar de alkanen. Maar het is juist het dun maken van de teer (door middel van verhitting) die zoveel energie kost. Ook de bloggers op de Nature-site laten weten hun twijfels te hebben.