A scenario-based framework for characterising subsurface uncertainties in shallow mine thermal flow systems

Tief unter den Städten des Vereinigten Königreichs liegen die weiten, stillen Labyrinthe stillgelegter Kohleminen. Über ein Jahrhundert lang waren diese Tunnel die Adern der Industrie, doch heute sind sie mit Grundwasser geflutet und bilden einen verborgenen, unterirdischen Ozean. Wissenschaftler wissen seit langem, dass dieses Wasser Wärme speichert, die natürlich durch das Erdinnere erwärmt wird, und dass das Pumpen dieses Wassers an die Oberfläche eine saubere, kohlenstoffarme Methode zur Beheizung von Häusern und Gebäuden darstellen könnte. Dieses Konzept, bekannt als Grubenwasser-Geothermie, bietet einen vielversprechenden Weg zur Dekarbonisierung unserer Heizsysteme. Doch die Verwandlung dieser überfluteten Ruinen in zuverlässige Kraftwerke ist von Unsicherheiten geprägt. Die Unterwelt ist kein gleichmäßiger Schwamm; sie ist ein chaotisches Gemisch aus offenen Tunneln, eingestürzten Trümmern und festem Gestein, allesamt verborgen vor der Sicht. Ohne genau zu wissen, wie diese Räume miteinander verbunden sind, können Ingenieure nicht vorhersagen, ob das Wasser reibungslos zwischen den Brunnen fließen wird oder ob die Wärme zu schnell verschwindet, um nützlich zu sein.

Ein Team von Forschern der Heriot-Watt University und der Delft University of Technology hat dieses Problem angegangen, indem sie einen hoch entwickelten digitalen Zwilling einer überfluteten Mine in Glasgow erstellt haben. Unter Verwendung realer Daten von einer tiefen Messstation erschufen sie ein virtuelles Modell, um zu testen, wie verschiedene unterirdische Formen und Materialien den Wasser- und Wärmefluss beeinflussen. Ihre Arbeit offenbart eine überraschende Wahrheit über diese Systeme: Die Gesamtmenge der im Boden gespeicherten Wärme spielt eine weit geringere Rolle als die spezifischen Pfade, auf denen das Wasser tatsächlich fließen kann. In ihren Simulationen fanden sie heraus, dass das System schnell versagt, wenn die Tunnel zwischen einem Injektionsbrunnen und einem Produktionsbrunnen nicht direkt miteinander verbunden sind – völlig ungeachtet dessen, wie viel Wärme theoretisch in der Nähe verfügbar ist. Sie entdeckten auch, dass das umgebende Gestein eine entscheidende Rolle spielt und als thermische Batterie fungiert, die das System wieder aufladen kann, jedoch nur dann, wenn die internen Tunnel der Mine zu blockiert sind, als dass das Wasser frei von selbst fließen könnte.

Die Forscher begannen mit der Konstruktion einer detaillierten dreidimensionalen Karte des Untergrunds, wobei sie auf geologische Aufzeichnungen und Bohrlochdaten des Glasgow UK Geoenergy Observatory zurückgriffen. Sie verließen sich nicht auf eine einzige Vermutung darüber, was sich unter der Erde befand. Stattdessen erstellten sie ein Ensemble aus vielen verschiedenen möglichen Realitäten, von denen jede eine andere Anordnung der Geschichte der Mine darstellte. Einige Modelle wiesen weite, offene Tunnel mit wenigen Hindernissen auf, während andere teilweise Wände aus Kohle oder große Abschnitte enthielten, die mit Trümmern und Abraum, bekannt als Backfill, gefüllt waren. Sie simulierten die Bewegung von Wasser und Wärme durch diese virtuellen Minen über einen Zeitraum von zwölf Jahren und beobachteten, wie sich die Temperatur veränderte, während kaltes Wasser hineingepumpt und warmes Wasser herausgezogen wurde.

Die Ergebnisse verdeutlichten ein grundlegendes Spannungsverhältnis beim Entwurf dieser Systeme. Die Fähigkeit, Wasser durch die Mine zu pumpen, bekannt als Lieferfähigkeit (Deliverability), hängt davon ab, einen breiten, offenen Pfad zwischen den beiden Brunnen zu haben. Je offener die Tunnel sind, desto einfacher ist es, Wasser zu bewegen, und desto weniger Energie wird für das Pumpen benötigt. Diese hohe Durchflussrate ist jedoch mit einem Preis verbunden. Wenn der Pfad breit und offen ist, rast das in das System injizierte kalte Wasser direkt zum Produktionsbrunnen und erzeugt so einen „thermischen Kurzschluss“. Dies geschieht innerhalb weniger Jahre und führt dazu, dass die Wassertemperatur weit unter das Niveau sinkt, das für die Heizung erforderlich ist, noch bevor die gespeicherte Wärme der Mine vollständig genutzt wurde. Im Gegenzug führt ein Pfad, der durch Barrieren oder Trümmer blockiert ist, dazu, dass das Wasser eine längere, gewundene Route nehmen muss. Dies verlangsamt den Fluss und macht das Pumpen schwieriger, aber es verzögert auch die Ankunft des kalten Wassers, wodurch das System über einen viel längeren Zeitraum hinweg nutzbare Wärme erzeugen kann.

Die vielleicht auffälligste Erkenntnis ergab sich, als die Forscher das gesamte Volumen des Leerraums in der Mine konstant hielten, aber die Art und Weise änderten, wie dieser Raum miteinander verbunden war. In einem Szenario erschufen sie eine Mine, in der die Tunnel weitgehend isoliert voneinander lagen, was das Wasser zwang, die Hauptspeicherbereiche zu umgehen. Obwohl die im Boden gespeicherte Gesamtwärmemenge identisch mit der einer gut vernetzten Mine war, verlor das System mit schlechter Konnektivität die nutzbare Wärme zwanzigmal schneller. In diesen Szenarien mit geringer Konnektivität sank die thermische Produktionslebensdauer von über drei Jahren auf nur wenige Wochen, während die Fähigkeit zum Pumpen des Wassers nahezu unverändert blieb. Dies demonstriert, dass die bloße Anwesenheit von Wärme im Boden nicht ausreicht; die Wärme muss sich in dem spezifischen Teil der Mine befinden, den das Wasser tatsächlich erreichen kann.

Die Studie untersuchte auch die Rolle des Gesteins, das die Minentunnel umgibt. In einigen Modellen wurde das Gestein als eine dichte, versiegelte Barriere behandelt, die das Wasser nicht durchdringen konnte. In anderen wurde das Gestein als „undicht“ betrachtet, was es dem Wasser ermöglichte, in die Minentunnel einzusickern und daraus wieder auszutreten. Wenn die Minentunnel selbst blockiert oder schlecht verbunden waren, wurde das undichte Gestein zu einer lebenswichtigen Ressource. Das Wasser sickerte in das umgebende Gestein ein und entzog der massiven thermischen Masse der Erde selbst Wärme. Dieser Prozess wirkte wie eine natürliche Aufladung und verlängerte die Lebensdauer des Systems erheblich. In den am stärksten blockierten Szenarien verdoppelte diese geologische Aufladung die Zeit, in der das System Wärme produzieren konnte. Wenn die Minentunnel jedoch bereits weit offen waren, hatte das umgebende Gestein kaum eine Auswirkung, da das Wasser den einfachen Weg durch die Tunnel bevorzugte.

Die Forscher untersuchten auch die Auswirkungen des Backfills, also des Schutts und des Abraumgesteins, das oft in stillgelegten Minen zurückgelassen wird. Sie fanden heraus, dass die Materialeigenschaften dieses Backfills, wie etwa seine Porosität oder Durchlässigkeit, kaum eine Bedeutung hatten, sofern es nicht direkt im Pfad des Wasserflusses platziert war. Wenn der Backfill seitlich angeordnet war, floss das Wasser einfach darum herum, und seine Zusammensetzung hatte keinen Einfluss auf die Leistung des Systems. Erst wenn der Backfill die Hauptroute zwischen den Brunnen blockierte, wurde er zu einem signifikanten Hindernis, das den Fluss verlangsamte und die Wärmerückgewinnung veränderte. Dies deutet darauf hin, dass die Lage von Hindernissen weitaal wichtiger ist als deren chemische oder physikalische Beschaffenheit.

Diese Erkenntnisse stellen die Art und Weise in Frage, wie Ingenieure traditionell das Potenzial einer Mine für Geothermie bewerten könnten. Anstatt lediglich das gesamte Volumen an Wasser und Wärme im Boden zu berechnen, legt die Studie nahe, dass die Priorität darauf liegen muss, die spezifischen Verbindungen zwischen den Injektions- und Produktionspunkten zu kartieren. Der kritischste Faktor ist das „gespülte Volumen“ (swept volume) – jener spezifische Teil der Mine, den das zirkulierende Wasser tatsächlich berührt. Wenn das Wasser die Wärme nicht erreichen kann, ist diese Wärme effektiv verloren. Die Studie deutet darauf hin, dass ein erfolgreiches Projekt ein sorgfältiges Gleichgewicht erfordert: genug Konnektivität, um Wasser fließen zu lassen, aber genug Komplexität oder Barrieren, um zu verhindern, dass das kalte Wasser direkt hindurchrast.

Die Arbeit unterstreicht zudem die Bedeutung der Unsicherheit bei diesen Projekten. Da die unterirdische Architektur stillgelegter Minen oft schlecht dokumentiert ist, ist das Vertrauen auf ein einziges Modell riskant. Der Ansatz der Forscher, viele verschiedene Szenarien zu testen, bietet einen sichereren Weg, um das Spektrum möglicher Ergebnisse zu verstehen. Er zeigt, dass eine Mine, die auf dem Papier vielversprechend aussieht, in der Praxis scheitern kann, wenn die verborgenen Tunnel nicht wie erwartet verbunden sind. Umgekehrt kann eine Mine, die blockiert scheint, dennoch rentabel sein, wenn das umgebende Gestein die notwendige thermische Aufladung gewährleisten kann.

Letztendlich liefert diese Forschung ein klareres Bild davon, wie man alte Minen in neue Energiequellen verwandeln kann. Sie verlagert den Fokus von der Gesamtmenge der verfügbaren Wärme hin zu den spezifischen Pfaden, die diese Wärme einfangen können. Durch das Verständnis, dass die Geometrie der Tunnel und die Beschaffenheit des umgebenden Gesteins die primären Kontrollfaktoren sind, können Ingenieure bessere Systeme entwerfen. Sie können die Standorte der Brunnen so wählen, dass sie die verbundenen Flusspfade maximieren und gleichzeitig natürliche Barrieren nutzen, um die Lebensdauer des Systems zu verlängern. Die Studie bestätigt, dass das Potenzial der Grubenwasser-Geothermie zwar bedeutend ist, ihre Realisierung jedoch ein tiefes Verständnis der verborgenen, komplexen Welt unter unseren Füßen erfordert.