De grond onder onze voeten is perfect voor de opslag van hernieuwbare energie. Maar voor deze onderaardse reservoirs ingezet kunnen worden, moeten we ze door en door begrijpen. Want aardbevingen zoals bij het winnen van gas in Groningen, dat moeten we voorkomen. Promovendi in Applied Geophysics & Petrophysics Milad Naderloo en Aukje Veltmeijer onderzoeken of aardbevingen, veroorzaakt door menselijk ingrijpen, voorspeld én voorkomen kunnen worden.
In een lab staat een gigantische metalen deur op een steekkarretje. Het doet denken aan de voorkant van een zwaar beveiligde kluis. “Hij weegt 900 kilogram, we hebben hem gewogen,” zegt Milad Naderloo lachend.
De deur is onderdeel van een krachtige machine waarmee Naderloo samen met mede PhD’er Aukje Veltmeijer de enorm hoge druk op zo’n 2500 meter diepte simuleren. Naderloo: “Niet veel mensen krijgen de kans om met zo’n fancy machine te werken.” Deze diepte is geologisch gezien interessant, want hier bevinden zich onderaardse reservoirs, zoals bijvoorbeeld de gasbel in Groningen. Maar ondergrondse reservoirs kunnen ook gebruikt worden om duurzame energie in op te slaan.
Een voorbeeld is waterstof. Dit gas is erg belangrijk voor de energietransitie, omdat het een manier is om (duurzaam opgewekte) energie op te slaan. Waterstof onderaards opslaan biedt mooie kansen: het is goedkoop, er is veel ruimte onder de grond en het kan voor lange termijn worden ingezet.
Ondergronds reservoir imiteren
Het gebruik van de reservoirs moet wel veilig gebeuren. “Situaties zoals in Groningen willen we nooit weer,” zegt Naderloo. Daarom doen Veltmeijer en Naderloo fundamenteel onderzoek naar het ontstaan van aardbevingen veroorzaakt door menselijk ingrijpen.
Oók zoeken ze manieren om de aardbevingen te voorkomen. Veltmeijer: “Ik hoop te kunnen voorspellen waar een aardbeving gaat plaatsvinden.” Dan kan een waarschuwingssysteem gemaakt worden. Vervolgens kan er iets aan de voorspelde aardbeving gedaan worden. Naderloo: “Ik wil een manier vinden om een heftige aardbeving om te zetten in een stuk of tien die zo klein zijn dat we ze niet voelen.” Maar hoe imiteer je een onderaards reservoir in het lab?
Eén van de ‘Harley Quinn’ samples in de machine omringd door sensoren
Milad sluit de deur
Harley Quinn samples
Het lab met de gigantische machine staat vol stukken steen. De ene grijsbruin, de andere rood. Veel onderzoekssamples hebben meerdere lagen in verschillende kleuren. “We noemen ze gekscherend ‘Harley Quinn samples’”, zegt Naderloo. De meeste bestaan uit twee schuin afgezaagde delen die op elkaar staan.
De steensamples zijn stuk voor stuk ‘mini-reservoirs’. Een onderaards reservoir bestaat uit poreus zandsteen dat als een soort spons werkt, in de kleine poriën kan water of gas aanwezig zijn. “Als dat water of gas de poriën verlaat, staat er minder druk op. Doordat de aardlagen er van boven op drukken, wordt het reservoir ingedrukt,” legt Veltmeijer uit.
Het risico op spanningen is het grootst bij een natuurlijke breuklijn, de plek waar twee aardlagen samenkomen. In de samples is dit de schuine zaagsnede. Zakt bij zo’n breuklijn de bodem in, dan kunnen de aardlagen gaan schuiven en kan een aardbeving ontstaan.
Veltmeijer en Naderloo onderzoeken de precieze samenhang tussen het inzakken van de bodem en het ontstaan van aardbevingen. Andere - bij DeepNL betrokken - wetenschappers kwamen dankzij modellen met de theorie dat de aardbevingen ontstaan langs de breuklijn, daar waar de ene steensoort in de andere overgaat. Naderloo en Veltmeijer toetsen deze theorie nu in het Geoscience & Engineering lab. Vele experimenten met kleine stukjes zandsteen gaven hen eerst een globaal inzicht in het voorspellen en voorkomen van aardbevingen. Daarna was het tijd om het mastersample te maken. Het duurde uiteindelijk twee jaar om een testopstelling te ontwikkelen.
Het was een verdrietig moment, maar het zag er prachtig uit.
Poging één
De grootste uitdaging van Veltmeijer en Naderloo: hoe zet je steen van binnenuit onder druk? Het idee was om water in het gesteente te pompen, maar dan moet het reservoir niet lekken. Poging één: het zandsteen omringen met beton. Dat ging niet zoals gehoopt. Om te testen of het zandsteen waterdicht was afgesloten, bevestigden Naderloo en Veltmeijer twee kranen aan het zandsteen en pompten zo water met blauwe inkt in en uit het sample. Het beton bezweek al snel onder de druk en de inkt vloeide aan alle kanten naar buiten.
Het beton verstevigen was geen optie. Veltmeijer: "IJzerdraad zou het akoestische signaal verstoren. Dat is een probleem, omdat we een aardbeving of verschuiving in het sample waarnemen met geluidssensoren.” Labtechnicus Marc Friebel kwam met een nieuw idee. Hij bedacht een rubberen rand om het zandsteen heen te maken, ingeslepen in beton. “Dat werkte verrassend goed,” zegt Veltmeijer. “Maar mogelijk beïnvloedt het rubber hoe het steen bij de breuklijn heen en weer schuift,” zegt Naderloo. Dus de zoektocht ging verder.
Mastersample
De oplossing bleek een soort hoes van aluminium. Het voordeel is dat aluminium de geluidssignalen niet dempt, en het materiaal scheurt ook niet onder druk. “We waren zo blij toen we het blok eindelijk hadden gesealed!,” vertelt Naderloo. Het zandsteen, omringd door beton en een jasje van aluminium, werd met nóg een laag beton vergroot tot exact dertig bij dertig centimeter. Zo paste het precies in de drukmachine. Naderloo: “Na elke laag beton moest het meer dan een maand uitharden.” Tijdrovend, want de eerste keer barstte het beton. Maar na nog een poging was het ‘mastersample’ eindelijk klaar.
Vanuit een technisch oogpunt ben ik heel blij. We zijn nu op een punt dat de hele opstelling werkt en dat opent deuren voor veel meer experimenten.
De druk opvoeren
Met het mastersample kunnen ze nu de theorie van de modelleurs gaan testen. Naderloo: “Een spannend moment.” Ze zetten het sample in de drukmachine. Friebel takelt de enorme deur op zijn plek en brengt het sample geleidelijk op druk, alsof het zich op zo’n drie kilometer diepte bevindt. Via de kranen wordt water tot hoge druk in de steen gepompt - en er plots weer uitgelaten. Ondertussen meten twintig geluidssensoren in de machine of er een verschuiving - of zelfs een kleine aardbeving – gaande is.
Er zijn vier weken voor nodig om alle data van de sensoren, opgeslagen in een hoge toren van harde schijven, te verwerken. De uitslag na de eerste test: geen verschuiving, geen aardbeving. Het blijft voorlopig dus nog de vraag of de aardebeving exact op het voorspelde punt plaatsvindt. De onderzoekers laten zich er niet door uit het veld slaan en gaan de proefopstelling nu aanpassen om de blokken toch in beweging te laten komen.
Ze lopen in het lab nog even langs hun mastersample. “Er moet weer water op”, zegt Veltmeijer. Het sample is zorgvuldig met natte doeken omwikkeld, om het goed te houden voor nieuwe experimenten. Veltmeijer en Naderloo doen er alles aan om te voorkomen dat het beton uitdroogt en opnieuw barst.
Gepubliceerd: augustus 2023
Aukje Veltmeijer
Milad Naderloo
DeepNL
Het onderzoek van Naderloo en Veltmeijer is onderdeel van DeepNL, jaren geleden in het leven geroepen naar aanleiding van de aardbevingsproblematiek in Groningen. Het doel van het onderzoeksprogramma is het vergaren van fundamentele kennis over de gevolgen van menselijk handelen op de dynamiek in de diepe aardlagen. In totaal zijn er zo’n twintig projecten gaande op universiteiten verspreid door het hele land.
