Onderzoekers van EPFL en het Zwitserse Federale Bureau voor Energie hebben strategieën bedacht om het aardbevingsrisico in verband met geothermische energie te verminderen, CO ₂ opslag en andere menselijke activiteiten die diep onder de grond plaatsvinden.

Hoewel de meeste aardbevingen te wijten zijn aan natuurlijke oorzaken, sommige worden - direct of indirect - veroorzaakt door menselijke activiteit. Deze kleine trillingen, bekend als "geïnduceerde seismiciteit, " zijn een van de grootste uitdagingen van diepe geothermie, CO ₂ opslag, en andere activiteiten waarbij gassen en vloeistoffen diep onder de grond worden geïnjecteerd.

Onderzoekers van EPFL's Laboratory of Soil Mechanics (LMS) en het Swiss Federal Office of Energy (SFOE) hebben nieuwe strategieën bedacht om het risico op door de mens veroorzaakte aardbevingen te verminderen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Geofysisch tijdschrift internationaal .

Op maat gemaakte diepe geothermische reservoirs

Diepe geothermische systemen zorgen voor een duurzame, hernieuwbaar, koolstofvrije energiebron en zijn in overeenstemming met de energiestrategie van de Zwitserse regering voor 2050 en haar belofte om CO2-neutraal te worden. Maar de technologie die in Zwitserland wordt gebruikt, bekend als Enhanced Geothermal Stimulation (EGS), heeft te maken gehad met tegenslagen na aardbevingen in Bazel in 2006 en in St. Gallen in 2013.

EGS omvat een proces dat hydraulische injectie wordt genoemd, waar vloeistof onder druk wordt geïnjecteerd in hete, droog, ondoordringbare rots - ongeveer 3 km of meer onder het aardoppervlak - om een ​​kunstmatig geothermisch reservoir te creëren. Het probleem is dat dit proces microseismiciteit kan veroorzaken, of kleine trillingen en aardbevingen.

Omdat het water ondergronds wordt geïnjecteerd en de rotsmatrix vult, de interstitiële poriedruk neemt toe. "Er is een algemeen aangenomen overtuiging dat dit de enige oorzaak is van geïnduceerde seismische activiteit, " zegt Barnaby Fryer, een doctoraatsassistent bij het LMS en de hoofdauteur van het artikel. "Maar het is niet zo eenvoudig. Tektonische stress, of foutgeometrie en beweging, speelt ook mee."

Een delicate evenwichtsoefening

Storingen worden veroorzaakt door verticale en horizontale krachten die op delen van de aardkorst inwerken. Ze vallen in een van de drie categorieën:normale of extensionele fouten (waarbij de twee secties uit elkaar trekken), omgekeerde of compressiefouten (waarbij de twee secties tegen elkaar duwen), en strike-slip fouten (waarbij de twee secties horizontaal bewegen).

Het gezamenlijke EPFL- en SFOE-team ging ervan uit dat fouten stabieler zijn - en de kans op een aardbeving daarom kleiner - wanneer de differentiële spanning (d.w.z. het verschil tussen de maximale en minimale spanningen) lager is. "Die observatie riep een voor de hand liggende vraag op, " zegt Gunter Siddiqi, plaatsvervangend afdelingshoofd energieonderzoek bij de SFOE en de tweede auteur van het artikel. "Met wat voor soort storing hebben we te maken, en wat kunnen we doen om grote aardbevingen en bevingen te beperken?"

De onderzoekers kwamen op het idee om het reservoir te 'trainen' voordat het stimulatieproces begint. In het geval van een omgekeerde fout, die hoge horizontale spanningen met zich meebrengt, koude vloeistof wordt ondergronds geïnjecteerd gedurende een periode van minimaal 12 maanden. "Als het reservoir afkoelt, de steen trekt samen, " legt Fryer uit. "Dit verlaagt de horizontale krachten die erop werken, waardoor differentiële spanning wordt verminderd en aardbevingen minder waarschijnlijk worden."

De druk verhogen

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, het injecteren van hogedrukvloeistoffen in de aardkorst veroorzaakt niet altijd aardbevingen. "In bijna alle reservoirs, het zijn alleen de horizontale spanningen die significant veranderen, " zegt Fryer. "Bij een normale storing, verticale spanningen zijn veel groter dan horizontale spanningen. Als je een vloeistof in de rots injecteert, de interstitiële druk stijgt. Dit, beurtelings, verhoogt de horizontale spanningen en sluit de kloof tussen de horizontale en verticale waarden."

Met andere woorden, het op deze manier injecteren van vloeistoffen kan de storing daadwerkelijk stabiliseren, op voorwaarde dat de spanningen in het reservoir voldoende reageren op veranderingen in de interstitiële druk. "Daarom is het zo belangrijk om de eigenschappen van een reservoir te begrijpen voordat je begint met injecteren, ", voegt Frits eraan toe.

Veelbelovende toepassingen

Dit onderzoek levert belangrijke inzichten op voor de industrie, mogelijk bedrijven helpen manieren te bedenken om de kans op geïnduceerde seismische activiteit te verminderen. "Het begrijpen van elk mogelijk scenario en dienovereenkomstig handelen zou de weg kunnen effenen voor een aantal veelbelovende real-world toepassingen, ' zegt Siddiqi.