Voor het aardwarmteproject van VITO was 2020 een jaar met de rem op. Na de trilling met een kracht van 2,1 op de schaal van Richter op 23 juni 2019 heeft de centrale stil gelegen, maar het project niet. Het proefproject heeft altijd vooropgesteld dat de aardwarmtewinning geen trillingen zou (mogen) veroorzaken die aan de oppervlakte voelbaar zijn. De grens voor voelbare trillingen was ingesteld op 2,5 op de schaal van Richter. Om dit heel nauwkeurig te kunnen meten en absoluut niets aan het toeval over te laten, had VITO lokaal een netwerk met 7 seismometers geïnstalleerd. De registraties door dit netwerk werden continu, in real-time opgevolgd. De meest karakteristieke parameters voor bewegingen van de aardlagen in de diepe ondergrond dienden als basis van een veiligheidssysteem, een zogenaamd stoplichtsysteem. Indien de veiligheidsmarge voor de parameters bereikt zou worden, dan zou dit de werking van de centrale afzwakken tot zelfs helemaal stop zetten.
Een schat aan informatie
In 2020 zijn de onderzoekers in samenwerking met internationale experten in geïnduceerde seismiciteit (trillingen veroorzaakt door menselijke activiteit) alle registraties van de trillingen sinds het proefdraaien van de centrale tot op heden in detail gaan bestuderen, in totaal 266 trillingen, van – 1 tot 2,1 op de schaal van Richter. Het onderzoek spitst zich toe op het achterhalen van de mechanismen in de diepe ondergrond verantwoordelijk voor de trillingen en het correct inschatten van het risico op geïnduceerde seismiciteit als de centrale op volle kracht zou draaien.
Als ze de trillingen in kaart brachten bleken die in clusters voor te komen. De parameters van de gemeten trillingen werden ook vergeleken met de normen waar gebouwen in Vlaanderen aan moeten voldoen, alsook met de normen voor kernreactoren, gezien de directe nabijheid hiervan bij het Studiecentrum voor Kernenergie. Zelfs de zwaarste trillingen bleven ruimschoots onder deze normen. (factor 100 tot 1 000 )
Uit de analyse van de karakteristieken van de trillingen besluiten de experten dat de oorzaak te wijten is aan bewegingsvlakken, die in horizontale richting ten opzichte van mekaar schuiven. Dit komt niet overeen met het patroon van een bestaande breuk in de ondergrond. De hypothese dat het afgekoelde water in een breuk werd geïnjecteerd lijkt daardoor onwaarschijnlijk. Vermits de kracht van de trilling afhangt van de ondergrondse beweging, staat het onderzoeken van het mechanisme van de ondergrondse beweging hoog op de agenda.
De parameters van de trillingen werden ook vergeleken met de operationele parameters, die in de centrale werden opgetekend. Hieruit is gebleken dat injectiedruk een cruciale rol speelt in het veroorzaken van de trillingen. De injectie van het afgekoelde water onder druk zorgt voor een wijzing in krachten die op het gesteente inwerken. Het systeem past zich aan deze verstoring aan tot er een nieuw evenwicht bereikt wordt. Tijdens de langere werkingsperiode van de centrale stabiliseerde de injectiedruk, wat erop wees dat het systeem een dynamisch evenwicht had bereikt. Het abrupt uitvallen van de pomp door een stroomuitval een paar dagen voor 23 juni 2019, leidde tot plotse drukveranderingen in de ondergrond, met trillingen voor gevolg.
De afkoeling heeft ook een effect op de spanningstoestand in de ondergrond en kan ook tot trillingen leiden. In tegenstelling tot de druk, breidt de afkoeling zich systematisch uit. Een nieuw evenwicht wordt pas bereikt op het moment dat de natuurlijke warmtetoestroom en de warmtewinning in evenwicht zijn. Een dergelijk evenwicht wordt vaak niet bereikt.
Aanpassingen aan de centrale en het seismometernetwerk
De onderzoeksresultaten hebben geleid tot een aantal aanpassingen aan de aardwarmtecentrale op de Balmatt-site en aan het seismometernetwerk. De aanpassingen moeten in eerste instantie nog nauwkeuriger onderzoek naar de oorzaak van de geïnduceerde trillingen mogelijk maken alsook een zo correct mogelijke inschatting van de risico’s op aan het oppervlak voelbare trillingen.
Eerst en vooral is de centrale nu uitgerust met een spanningsbeveiliging om de gevolgen van een stroomuitval op te vangen. Bij een kortstondige spanningsdip in het elektriciteitsnet zal de pomp blijven doorwerken. Daarnaast is er ook een drukbehoudsysteem aangebracht op de injectieput. Ook als de pomp plots zou uitvallen, dan zal de druk in de put slechts geleidelijk verminderen. Het langzaam afbouwen van de injectiedruk voorkomt plotse drukschommelingen in de diepe ondergrond. Dit verkleint het risico op trillingen.
Ook het vrijkomen van gas uit het opgepompte water kan tot drukschommelingen leiden. De VITO-onderzoekers hebben de kans dat er ontgassing optreedt in de injectieput verlaagd door de werkingsdruk te verhogen en de injectietubing te verlengen. Bij de gebruikte werkingsdruk (40 bar) bleek op bepaalde punten in de installaties een deel van de opgeloste gassen vrij te komen. Door een aanpassing van een aantal elementen in de centrale kan de werkingsdruk nu worden opgevoerd (tot 55 bar). Bij deze druk blijven de gassen in oplossing.
Vanuit de vaststelling dat een hoger pompdebiet een verhoogde injectiedruk veroorzaakte wordt de pomp nu vervangen door een type dat lagere debieten kan leveren dan de huidige. Uiteraard heeft dit een invloed op het vermogen dat de centrale kan leveren, maar de warmteproductie is in deze onderzoeksfase van ondergeschikt belang. Eerst moeten de onderliggende mechanismen van de trillingen ontrafeld worden.
Een uiterst belangrijke aanpassing is het verfijnen van het seismometernetwerk. De onderzoekers kunnen nu een beroep doen op 11 seismometers, gepositioneerd op verschillende locaties en dieptes, gaande van 30 m tot 2 km diep. De registraties van dit fijnmaziger netwerk zullen inzichten verschaffen in de plaats waar de trillingen ontstaan. Bovendien zullen ze ook een betrouwbare extrapolatie mogelijk maken van de risico’s op trillingen (frequentie en kracht) indien het pompdebiet opnieuw zou worden opgedreven. Dit resultaat zal bepalen binnen welke operationele marges de centrale veilig kan werken.
Naar een veilige duurzame energiebron
Samengevat zijn dit de doelstellingen van de volgende fase van het aardwarmteproject van VITO:
- betrouwbare inschatting van de frequentie van trillingen;
- betrouwbare positionering van het punt waar de trillingen ontstaan;
- beter begrip van het haardmechanisme en de maximale kracht van de trillingen en de evolutie ervan na verloop van tijd;
- oriëntatie en dimensies van breukvlakken;
- beter begrip van de snelheidsverdeling en demping in ondiepe ondergrond en dus ook van mogelijke schade door de trillingen;
- bepalen van de relatie tussen warmteproductie en seismische activiteit wat een antwoord zal bieden op de vraag naar de haalbaarheid van aardwarmtewinning in de regio Mol-Dessel.
