Nu ook geïnduceerde aardbevingen in Vlaanderen

Om de aardbevingsdreiging te kunnen inschattten, is het belangrijk om te weten dat de magnitude van een aardbeving eigenlijk bepaald wordt door de omvang van het breukvlak dat doorbeweegt. Hoe groter het breukvlak, hoe sterker de mogelijk aardbeving. Een sterk opgebroken geothermisch reservoir, vol met kleine breukjes en spleten in alle richtingen, is dan eigenlijk ook de beste garantie dat de seismische activiteit beperkt blijft tot microaardbevingen.

Grote breuken moeten dus vermeden worden, ook voor de aardbevingsdreiging. Want dan kan het inderdaad fout lopen. Een illuster voorbeeld hiervan is een geothermisch HDR proefproject in de Zwitserse stad Basel. Al bij de eerste fracking testen van het diepe granietische reservoir (op zo'n 5 km diepte) liep het fout. Een aardbeving met een magnitude van 3.6 op de Richterschaal schudde op 8 december 2006 Basel dooreen. Deze aardbeving betekende het einde van de geothermische droom in Basel. Het geïnjecteerde water was immers gelekt naar een oude, doorlopende breuk in de diepe sokkel. De breuk verzwakte en schoot door, met de 'zwaardere' aardbeving tot gevolg. Ditzelfde proces - lekken naar oude sokkelbreuken -  zien we trouwens ook steeds terugkomen bij 'zwaardere' aardbevingen die gerelateerd worden met het fracken in het kader van de schaliegasontginning.

Ook hier kan de microseismiciteit ons ter hulp komen. De microseismiciteit 'toont' ons immers hoe de vloeistoffen onder druk migreren doorheen het reservoir. Als er dan een 'lek' zou ontstaan naar een grotere breuk, dan kunnen we dat registreren aan de hand van de (versnelde) migratie van de microaardbevingen in de richting van een grotere breuk. Dit laat dan toe om in te grijpen om zo de kans op zwaardere aardbevingen zoveel mogelijk te vermijden. Dit vormt de kern van een risicobeheersysteem, ook gekend als het Traffic Light System (TLS). Al is zo'n meet- en regelprotocol geen garantie dat er zich geen zwaardere aardbevingen zouden kunnen voordoen, zoals trouwens is gebleken in misgelopen project in Basel.

De seismische monitoring is dan ook een essentieel onderdeel van een geothermisch project. Microaardbevingen kunnen zo  een bondgenoot worden, eerder dan een bedreiging. In het kader van het Balmatt-pilootproject wordt daarom ook het seismische netwerk verder uitgebouwd. En een onderzoeksproject wordt opgestart om net die 'ontdekte' microseismiciteit als instrument te gebruiken om het gedrag van het geothermische reservoir te doorgronden.

Deze proactieve aanpak is de beste verzekering om geothermie in de Kempen een succes te laten worden. En ja, geïnduceerde aardbevingen zullen deel blijven uitmaken van dit verhaal.  En ja, de kans is niet verwaarloosbaar dat er geïnduceerde aardbevingen gevoeld zullen worden, en eventueel schade zou kunnen veroorzaken. Maar enkel door een proactieve aanpak kunnen we vermijden dat we in Groningse toestanden terechtkomen.

Injectietesten in het geothermisch pilootproject op de Balmatt-site te Mol veroorzaakten immers een zwerm van microaardbevingen op zo'n 4 km diepte in de directe omgeving van de injectieput. De sterkste aardbeving in die aardbevingszwerm had een magnitude van 0.9 op de Richterschaal.

Moeten we nu in paniek slaan? Dreigen hier nu ook Groningse toestanden? Stoppen we beter met geothermie in de Kempen? Niets van dit alles, wel integendeel ...

Dat de winning van aardwarmte - geothermie - aardbevingen kan veroorzaken, is niet echt een verrassing. Al meer dan 30 jaar ervaring wereldwijd met geothermie leert ons immers dat aardbevingsactiviteit eerder inherent is aan geothermie. Een klassieker is The Geysirs in Californië, het grootste geothermische veld in productie ter wereld, waar jaarlijks duizenden geïnduceerde microaardbevingen geregistreerd worden.

De belangrijkste karakteristiek van een geothermisch reservoir, diep in de ondergrond, is natuurlijk de aanwezige aardwarmte. Deze hangt in belangrijke mate af van de geothermische gradiënt in het gebied, dus de toename van de temperatuur met de diepte. In het Balmatt-pilootproject heeft het kalksteenreservoir een temperatuur van 138°C op een diepte van ongeveer 3600 meter (zie Diepe geothermie in de Kempen: what's next?, VITO, 13 januari 2017).

Dit geeft een geothermische gradiënt van ongeveer 40°C per kilometer. Ter vergelijking, in het geothermische veld van The Geysirs (Californië) spreken we over een geothermische gradiënt van ongeveer 100°C per kilometer. Maar die aardwarmte moet ook nog getransporteerd worden naar het aardoppervlak. Daarvoor zijn water en doorlatendheid van het reservoirgesteente van cruciaal belang. Het aanwezige water in het reservoir neemt immers de aardwarmte van het gesteente op.

Dit warme water wordt nu opgepompt via de productieput. Maar om de waterhuishouding in het geothermische reservoir op peil te houden, en zo een langdurige winning van de aardwarmte mogelijk te maken, dient 'koud' water ook terug in het reservoir geïnjecteerd te worden via injectieputten. Dit vormt uiteindelijk de basis van een doublet geothermisch systeem.

Maar ook de doorlatendheid - de permeabiliteit - van het reservoirgesteente is belangrijk. Niet alleen moet het warme water naar de productieput kunnen 'stromen', een groter contactoppervlak tussen water en gesteente verzekert een optimale warmteoverdracht van gesteente aan het water. Een 'ideaal' geothermisch reservoir zit dan ook vol met barsten, spleten en breukjes ... zoveel mogelijk en liefst in alle richtingen. Grote, doorlopende breuken zijn best te vermijden om verschillende redenen, maar daarover later meer.

Die doorlatendheid durft het echter wel eens te laten afweten. Dan dient er te worden ingegrepen. De permeabiliteit moet dan 'gestimuleerd' worden. We spreken dan van 'enhanced geothermal systems' (EGS). Deze permeabiliteitsverbetering kan door de injectie van water bij eerder lage drukken. Hierdoor worden de aanwezige barsten, spleten en breukjes opengeperst om het water onder druk makkelijker door te laten.

Maar dit kan ook door de injectie van water bij (zeer) hoge drukken, waarbij het gesteente gaat breken en er dus bijkomende permeabiliteit gecreëerd wordt. Dit klinkt vertrouwd , niet? Inderdaad, dit hydraulisch stimuleren van het reservoir kennen we allemaal. Het is namelijk 'fracken'. Dus ja, ook voor onze 'groene' geothermie wordt er gefrackt! Dit 'fracken' gebeurt echter vooral bij 'Hot Dry Rock' (HDR) geothermie, waarbij men eigenlijk in de diepe, warme - en droge - kristallijne sokkel zelf een hydrothermaal reservoir aanlegt door het massaal injecteren van water onder hoge druk.

U merkt het al. We hebben het over het openpersen van bestaande spleten en breukjes, en zelfs het breken van het gesteente. Daarbij komt elastische vervormingsenergie vrij ... en aardbevingen zijn het gevolg. Het induceren van aardbevingen is dus inherent aan gestimuleerde geothermische reservoirs. Gelukkig gaat het hier voornamelijk om microaardbevingen (met magnitudes kleiner dan 2.0 à 3.0 op de Richterschaal). Deze microaardbevingen kennen verschillende oorzaken. Vooreerst is er natuurlijk de verhoging van de vloeistofdruk in het reservoir, voornamelijk rond de injectieput. Deze veroorzaakt dat de effectieve spanning die spleten en breukjes dicht houden zodanig verlaagd wordt dat ze opengaan of lichtjes doorbewegen.

Hiervoor zijn - afhankelijk van het lokale spanningsveld in de aardkorst - slechts kleine overdrukken van enkele MPa nodig. Terwijl de vloeistofdruk vanuit de injectieput weg migreert, wordt de wolk van microaardbevingen in het gestimuleerde deel van het reservoir rond de injectieput groter. Al die microaardbevingen vertellen ons dan ook dat het stimuleren van het reservoir vlot verloopt. Sterker nog, het zijn net die microaardbevingen die het mogelijk maken om de evolutie van het geothermische reservoir nauwgezet op te volgen, en dus ook te kunnen inschatten wanneer het eventueel fout dreigt te lopen.

Die microseismiciteit vormt het enige instrument waarover we eigenlijk beschikken om het reservoir, diep in de ondergrond, te beheren. Bij hoge injectiedrukken gaat het gesteente breken, wat natuurlijk aardbevingen veroorzaakt, net zoals bij het 'fracken' van schaliegasreservoirs. Temperatuursveranderingen door het injecteren van 'koud' water kan het reservoirgesteente (thermo-elastisch) doen samentrekken. Ook dit veroorzaakt kleine spanningsverschillen op spleten en breukjes, en kan dus aanleiding geven tot aardbevingen. Ook gewoon de volumeverandering in het reservoir door het oppompen van het warme water kan spanningsverstoringen teweegbrengen.

En tenslotte kan er een chemische verweringoptreden van de breukvlakken. Als het geïnjecteerde water 'vreemd' is, en dus een andere chemische samenstelling dan het formatiewater dat aanwezig is in het reservoir, dan kunnen chemische reacties optreden, die mogelijk inspelen op de wrijvingsweerstand van de breukvlakken, en dus uiteindelijk ook weer tot aardbevingen kunnen leiden. Vandaar dat er doorgaans overwogen wordt om het 'eigen' formatiewater, dat opgepompt wordt, terug te injecteren.

Foto boven: Microseismische activiteit in The Geysirs geothermisch veld (Californië). Elk groen puntje vertegenwoordigt een aardbevingshaard van een microaardbeving. De rode sterren een aardbeving met een magnitude groter dan 2.0 op de Richterschaal. De zwermen van microseismiciteit concentreren zich voornamelijk rond de injectieputten.

Een geothermisch systeem is dus gebaat bij een groot volume van relatief gebroken reservoirgesteente, vol met kleine breukjes en barsten. Tijdens de productie van het reservoir groeit dus het gestimuleerde reservoir, wat gepaard gaat met een microseismische activiteit. Grote breuken worden beste vermeden, vooreerst omdat ze mogelijk preferentiële paden gaan vormen voor de vloeistofbewegingen in het reservoir. Als het water veel te snel 'stroomt' door het reservoir, heeft het onvoldoende tijd op de warmte van het gesteente op te nemen. Het geothermisch systeem verliest zo aan capaciteit. Maar natuurlijk houden grote breuken ook een grotere aardbevingsdreiging in.