Sinds 2006 wordt op meerdere locaties in Nederland aardwarmte (‘geothermie’) uit diepe gesteentelagen gewonnen. Aardwarmtewinning is veelal gericht op de glastuinbouw, maar ook de eerste voorbeelden van geothermie in de bebouwde omgeving hebben zich inmiddels aangediend. Het Staatstoezicht op de Mijnen (SodM) ziet toe op de veiligheid van de huidige en toekomstige geothermische projecten, en hanteert daarbij strenge veiligheidsnormen voor seismiciteit en grondwaterverontreiniging. Een project dat door SodM niet veilig wordt geacht vindt geen doorgang.

Geothermie zal in de toekomst een steeds belangrijkere energiebron vormen voor een duurzame verwarming van de bebouwde omgeving. Verwacht wordt dat het aantal geothermische projecten in Nederland snel zal groeien. Voor een veilige en verantwoorde verdere ontwikkeling en opschaling van de Nederlandse aardwarmtewinning is het van belang om onderzoek te blijven doen en daarmee onze kennis van de processen in de ondergrond te vergroten.
 
Inzicht in effecten van winning van aardwarmte op de ondergrond

In aardwarmteprojecten wordt veelal gebruikt gemaakt van een zogenaamd ‘geothermisch doublet’. Een geothermisch doublet bestaat uit twee diepe geothermische putten: Een productieput en een injectieput. Tijdens de levensduur van een geothermisch doublet wordt op enkele kilometers diepte (uit de productieput) warm grondwater uit het gesteente (het ‘reservoir’) onttrokken, dat na koeling via de injectieput weer in het reservoir wordt geïnjecteerd. Tijdens deze onttrekking en her-injectie zullen er in het diepe gesteente druk- en temperatuurveranderingen optreden. Doordat er her-injectie van het water plaatsvindt, zullen de drukveranderingen in het grondwater op diepte over het algemeen beperkt blijven tot de directe omgeving van de geothermische putten. Daarmee zullen ook de effecten van de drukveranderingen kleinschalig zijn en beperkt blijven tot de directe omgeving van de putten. Langdurige her-injectie van het afgekoelde grondwater in de warme ondergrond leidt tot afkoeling van het gesteente. Hierdoor kan het gesteente ‘inklinken’ en kunnen er spanningsveranderingen in de ondergrond optreden. Met de duur van de herinjectie zal ook het gebied waarover het gesteente afkoelt groter worden.

Het is van belang om, voor zowel de nieuwe als al bestaande werkende doubletten, meer zicht te krijgen op de grootte van de druk- en afkoelingseffecten, en hoe de daaraan gerelateerde spanningsveranderingen de stabiliteit van breuken en de doorlatendheid van afsluitende lagen kunnen beïnvloeden. Hiermee ontstaat meer inzicht in de kans op het eventuele optreden van ongewenste effecten, zoals voelbare seismiciteit (aardbevingen) en verontreiniging van het grondwater door lekkages vanuit het reservoir naar omliggende lagen. Meer kennis over de kans op deze effecten helpt operators om risicobeheersing verder te verbeteren en de impact van een project op de omgeving zo klein mogelijk te houden.

Onderzoek naar effecten van druk- en temperatuurveranderingen in de ondergrond

Bestaande en toekomstige geothermische doubletten in Nederland (zullen) produceren uit verschillende typen gesteente. De geologische eigenschappen van het gesteente verschillen per type reservoir en per regio. De combinatie van de geologische eigenschappen van het reservoir (zoals bijvoorbeeld de diepteligging, reservoir dikte, initiële druk, -temperatuur, en -spanningen, en de consistentie of stijfheid van het gesteente) en de manier waarop uit het reservoir aardwarmte geproduceerd wordt (bijvoorbeeld de injectie- en productiesnelheden en de temperatuur van het injectiewater) bepalen in grote mate de veranderingen in waterdruk,- temperatuur- en spanningen in het gesteente. In dit project onderzoeken we de eigenschappen van de verschillende typen reservoirs. Daarnaast gebruiken we modellen om de verwachte druk-temperatuur en spanningsveranderingen voor de verschillende typen reservoirs te analyseren. Ook besteden we aandacht aan het ontwerp van kosten-effectieve monitoringseffecten, zoals grondwater- en seismische monitoring, om eventuele ongewenste effecten vroegtijdig te kunnen detecteren en voorkomen.

Onderzoeksvragen

Binnen Nederland is de laatste jaren veel ervaring en kennis opgebouwd met het modelleren van zowel de stabiliteit van breuken en seismiciteit, als de integriteit van het reservoirgesteente en afsluitende lagen .Deze modellen zijn vooral ontwikkeld met behulp van data uit de olie- en gaswinning; in dit project zullen de modellen worden aangepast en uitgebreid, zodat zij ook specifiek voor de analyse van geothermische doubletten gebruikt kunnen worden. Daarbij besteedt dit onderzoeksproject specifiek aandacht aan vragen als: Hoe groot is het gebied dat gedurende de levensduur van een geothermisch doublet afkoelt? Welke spanningsveranderingen zijn hieraan gerelateerd? In hoeverre kan deze spanningsverandering de stabiliteit van breuken nabij en op grotere afstand van het doublet negatief beïnvloeden? Kunnen breuken gereactiveerd worden, over welk oppervlak, en kan dit, gezien de geleidelijke aard van de spanningsveranderingen, resulteren in voelbare seismiciteit? Wat is de gewenste minimale afstand van het doublet tot een breukstructuur? Hoe beïnvloedt het oorspronkelijke spanningsveld in de ondergrond de kans op seismiciteit; zijn er verschillen per regio of per type reservoir? Hoe beïnvloeden de druk- en temperatuursveranderingen de doorlatendheid van de afsluitende lagen boven het reservoir, en daarmee de kans op lekkage? 

Naast modelleringen worden binnen dit project kosten-effectieve technieken voor seismische en grondwater-monitoring ontworpen, waarbij onder meer wordt gekeken naar het gebruik van glasvezel. Deze monitoringsnetwerken kunnen worden ingezet om eventuele risico’s op seismiciteit en verontreiniging van het grondwater te mitigeren. Ook kunnen monitoringsgegevens gebruikt worden om de modellen te valideren en ons begrip van de processen die op diepte spelen te vergroten.
 
Beoogde resultaten van dit onderzoeksproject binnen WarmingUp

• Inzicht in de effecten van drukveranderingen en afkoeling op breukbeweging, seismiciteit en integriteit van afsluitende lagen
• Een workflow om de risico’s op seismiciteit en lekkage te kunnen kwantificeren
• Kosten-effectieve monitoringstechnieken voor mitigatie van ongewenste milieu-effecten