Ook kolen in Groningen

Als er lange tijd aardgas is gewonnen in Groningen, moeten daar ook flink wat steenkool zitten. Anders was er immers geen aardgas gevormd. Waar is die steenkool dan gebleven? Nou, die zit er nog! 

Van Harry Sistermans (Pieter Groen, Katwijk) komt de volgende vraag: Mijn 3 vwo-leerlingen leg ik het inkolingsproces uit. Het hele riedeltje van veen tot steenkool, waarbij uiteindelijk ook gas vrijkomt dat in Groningen gevangen zit onder een niet-doorlatende aardlaag. Nu stelde Mees (inmiddels 4 vwo) dat er dan dus onder het Groningse gas ook steenkool ook zou moeten zitten. Klopt dat? En waar is de steenkool gebleven waaruit het Groningse gas is vrijgekomen?

Het antwoord vergt een beetje meer uitleg over het inkolingsproces en daarna over de Nederlandse situatie. In een actueel methodeboek voor de onderbouw staat niet veel meer dan: ‘aardgas wordt uit steenkool geperst’. De werkelijkheid is wat complexer en om zulke goede vragen van leerlingen te kunnen beantwoorden is het handig er een beetje scheikunde bij te pakken. 

Inkolingsproces

Vooropgesteld: steenkool ontstaat uit plantenresten die in een zuurstofarm moeras terechtkomen, niet goed verteren en geleidelijk bedolven raken tot op kilometers diepte. We weten dit, omdat in steenkool altijd fossiele afdrukken van planten (stengels, bladeren enzovoorts) te vinden zijn en omdat we alle tussenstadia (veen, bruinkool) ook aantreffen. Nu bestaat veen in een moeras makkelijk voor 90% uit water en dat wordt er inderdaad uit geperst als de druk toeneemt. Maar dat is pas het begin van het inkolingsproces. Plantenresten bestaan zoals alle organische materie bijna helemaal uit koolstof, zuurstof en waterstof. Zo bestaat lignine (de stof die hout stevig maakt) voor 64% uit koolstof (C), 30% zuurstof (O) en 6% waterstof (H). Cellulose (waaruit planten grotendeels bestaan) bevat 44% koolstof, 50% zuurstof en ook weer 6% waterstof. 

Naarmate plantenresten dieper begraven raken, neemt de temperatuur toe, gemiddeld met 30° C/km. Tijdens die verwarming gebeuren er globaal twee dingen waarbij de moleculen in het plantenmateriaal veranderen. Eerst verdwijnt er water (H2O) en kooldioxide (CO2). Als je begint met een mengsel van C, O en H, en je haalt er H2O uit, neemt in wat er overblijft (het residu) de hoeveelheid C naar verhouding toe. Als je er CO2 uithaalt, verdwijnt er wel C, maar omdat er twee keer zo veel O verdwijnt, neemt naar verhouding alsnog de hoeveelheid C toe in het residu. Dat is inmiddels bruinkool geworden. 

Water en kooldioxide zijn voor ons geen interessante stoffen, maar als er op deze manier genoeg O en H ontsnapt is (en de temperatuur hoog genoeg is), verandert er iets aan het inkolingsproces en begin er methaan (CH4) te ontsnappen. Methaan is ook wel bekend als aardgas en dit is voor ons wél economisch interessant. Het materiaal is op dat moment al meer ontwikkeld dan bruinkool en verandert daardoor nog meer. Het ontsnappende methaan neemt een beetje C mee, maar vooral (vier keer zo veel) H, waardoor het residu naar verhouding alsnog meer koolstof overhoudt. Uiteindelijk vormt zich zo antraciet oftewel steenkool (figuur 1).

Eindresultaat is dat steenkool naar verhouding veel meer koolstof bevat dan de initiële plantenresten. Voor ons is dat interessant: de verbranding van fossiele brandstoffen is erop gebaseerd dat koolstof uit de grond reageert met zuurstof in de lucht, waarbij kooldioxide ontstaat en warmte vrijkomt. Dus hoe meer koolstof en hoe minder zuurstof, des te beter de brandstof (de klimaatverandering even buiten beschouwing gelaten).

Al met al is er ook een boel CH4 ontsnapt uit de steenkool en dat moet nu ergens anders zitten. Gezien de lage dichtheid en de vluchtige toestand en het feit dat de moleculen erg klein en compact zijn, beweegt dat aardgas zich makkelijk door doorlatend gesteente en meestal zal het ontsnappen naar het aardoppervlak en de atmosfeer. Maar het kan ook gevangen raken onder een niet-doorlatend gesteente. In de Nederlandse ondergrond zijn dat vaak zoutlagen. Dat zout is in het Perm gevormd in een Rode Zee-achtige setting. Hoewel zout zich in de keuken prima laat strooien, gedraagt het zich in de ondergrond bij hoge druk heel anders: bijna als een vloeistof. De zoutkristallen smelten als het ware aan elkaar en laten geen enkel gaatje of barstje. Door die eigenschap kan een zoutlaag gas (of olie) eronder gevangenhouden. Dit is precies de situatie die zich in Groningen voordoet. 

Groningse steenkool

Dan de vraag: waar is de Groningse steenkool gebleven? Het eenvoudige antwoord luidt: dat zit er gewoon nog. Het is hetzelfde Carboongesteente dat in Zuid-Limburg en België dicht aan het oppervlak te vinden is, alleen zit het in Groningen ruim 3 kilometer onder de grond (figuur 2). Daardoor is het nooit economisch interessant geweest (en sowieso technisch erg uitdagend) om in Groningen steenkool te winnen. Maar juist doordat er zo veel gesteente boven de Groningse steenkool zit, was het mogelijk het aardgas dat eruit kwam, op te vangen. In Limburg is het aardgas allang naar de atmosfeer ontsnapt. 

De Groningse ondergrond vertelt daarmee ook wel een interessant verhaal. Ooit, 300 miljoen jaar geleden, was het blijkbaar een tropisch moerasgebied – net als heel Noordwest-Europa, want overal zit of zat die steenkool. Daarna is Groningen blijkbaar een woestijn geworden, want er ligt vooral zand op de steenkool, met een periodiek droog dampende zee, want er ligt zout op en in het zand. En weer later was het een Bahama-achtig gebied met afzetting van fossielrijke kalksteen, dezelfde kalksteen als in Winterswijk aan het oppervlak ligt. Bedenk daarbij dat het oorspronkelijke moeras niet 3 kilometer onder zeeniveau lag, maar op of iets boven zeeniveau, anders hadden er geen planten kunnen groeien. De Groningse steenkool ligt nu zo diep, omdat de bodem in wat nu Noord-Nederland is, sinds het Carboon kennelijk vrijwel permanent aan het dalen is geweest. 

De BBC-documentaire-reeks Wild Europe (2005) geeft in de eerste aflevering (Genesis) een heel leuk overzicht van deze geologische geschiedenis. Zeer de moeite waard.