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

Diep onder de steden van het Verenigd Koninkrijk liggen uitgestrekte, stille labyrinten van verlaten kolenmijnen. Meer dan een eeuw lang waren deze tunnels de slagaders van de industrie, maar vandaag de dag zijn ze overstroomd met grondwater, waardoor er een verborgen, ondergrondse oceaan is ontstaan. Wetenschappers weten al lang dat dit water warmte vasthoudt, die natuurlijk wordt opgewarmd door het binnenste van de Aarde, en dat het oppompen ervan naar de oppervlakte een schone, koolstofarme manier kan bieden om woningen en gebouwen te verwarmen. Dit concept, bekend als mijnbouw-geothermische energie, biedt een veelbelovend pad om onze verwarmingssystemen te decarboniseren. Het omzetten van deze overstroomde ruïnes in betrouwbare elektriciteitscentrales is echter gehuld in onzekerheid. De ondergrondse wereld is geen uniforme spons; het is een chaotische mix van open tunnels, ingestorte puin en massief gesteente, die allemaal verborgen liggen voor het zicht. Zonder precies te weten hoe deze ruimtes met elkaar verbonden zijn, kunnen ingenieurs niet voorspellen of water soepel tussen putten zal stromen of dat de warmte te snel zal verdwijnen om nuttig te zijn.

Een team van onderzoekers van de Heriot-Watt University en de Delft University of Technology heeft dit probleem aangepakt door een geavanceerde digitale tweeling te bouwen van een overstroomde mijn in Glasgow. Met behulp van echte gegevens van een diep monitoringsstation creëerden zij een virtueel model om te testen hoe verschillende ondergrondse vormen en materialen de stroming van water en warmte beïnvloeden. Hun werk onthult een verrassende waarheid over deze systemen: de totale hoeveelheid warmte die in de grond is opgeslagen, doet er veel minder toe dan de specifieke paden waarlangs het water daadwerkelijk kan reizen. In hun simulaties ontdekten zij dat als de tunnels tussen een injectieput en een productieput niet direct met elkaar verbonden zijn, het systeem snel faalt, ongeacht hoeveel warmte er theoretisch in de buurt beschikbaar is. Ze ontdekten ook dat het gesteente rondom de mijn een cruciale rol speelt; het fungeert als een thermische batterij die het systeem kan opladen, maar alleen als de interne tunnels van de mijn te geblokkeerd zijn om het water vrij te laten bewegen.

De onderzoekers begonnen met het construeren van een gedetailleerde driedimensionale kaart van de ondergrond, gebaseerd op geologische registers en boorgatgegevens van de Glasgow UK Geoenergy Observatory. Zij vertrouwden niet op één enkele gok van wat er onder de grond lag. In plaats daarvan bouwden zij een ensemble van vele verschillende mogbare realiteiten, waarbij elke realiteit een andere arrangement van de geschiedenis van de mijn vertegenwoordigde. Sommige modellen bevatten brede, open tunnels met weinig obstakels, terwijl andere gedeeltelijke muren van steenkool of grote secties gevuld met puin en afvalgesteente bevatten, ook wel backfill genoemd. Ze simuleerden de beweging van water en warmte door deze virtuele mijnen over een periode van twaalf jaar, waarbij ze observeerden hoe de temperatuur veranderde terwijl koud water werd ingepompt en warm water werd onttrokken.

De resultaten benadrukten een fundamentele spanning bij het ontwerpen van deze systemen. Het vermogen om water door de mijn te pompen, ook wel de leverbaarheid genoemd, hangt af van het hebben van een breed, open pad tussen de twee putten. Hoe opener de tunnels, hoe gemakkelijker het is om water te verplaatsen, en hoe minder energie er nodig is om het te pompen. Echter, deze hoge stroomsnelheid brengt een prijs met zich mee. Wanneer het pad breed en open is, stroomt het koud water dat in het systeem wordt geïnjecteerd rechtstreeks naar de productieput, wat een "thermische kortsluiting" veroorzaakt. Dit gebeurt binnen slechts enkele jaren, waardoor de watertemperatuur onder het niveau daalt dat nodig is voor verwarming, nog voordat de opgeslagen warmte van de mijn volledig is gebruikt. Omgekeerd, als het pad geblokkeerd wordt door barrières of puin, wordt het water gedwongen een langere, meer kronkelende route te nemen. Dit vertraagt de stroming, waardoor het moeilijker is om te pompen, maar het vertraagt ook de aankomst van het koude water, waardoor het systeem veel langer nuttige warmte kan produceren.

Misschien wel de meest opvallende bevinding kwam naar voren toen de onderzoekers het totale volume van de lege ruimte in de mijn constant hielden, maar de manier waarop die ruimte verbonden was, veranderden. In één scenario creëerden zij een mijn waarbij de tunnels grotendeels geïsoleerd waren van elkaar, waardoor het water de hoofdopslaggebieden moest omzeilen. Zelfs wanneer de totale hoeveelheid warmte die in de grond is opgeslagen identiek was aan die van een goed verbonden mijn, verloor het systeem met een slechte connectiviteit de nuttige warmte twintig keer sneller. In deze scenario's met een slechte verbinding daalde de thermische productielevensduur van ruim drie jaar naar slechts enkele weken, terwijl het vermogen om water te pompen bijna onveranderd bleef. Dit demonstreert dat de loutere aanwezigheid van warmte in de grond niet genoeg is; de warmte moet zich in het specifieke deel van de mijn bevinden dat het water daadwerkelijk kan bereiken.

De studie onderzocht ook de rol van het gesteente rondom de mijn-tunnels. In sommige modellen werd het gesteente behandeld als een dichte, afgesloten barrière waar water niet doorheen kon dringen. In andere modellen werd het gesteente als "lekbaar" beschouwd, waardoor water in en uit de mijntunnels kon sijpelen. Wanneer de mijntunnels zelf geblokkeerd of slecht verbonden waren, werd het lekbare gesteente een vitale bron. Het water zou in het omliggende gesteente sijpelen en zo warmte onttrekken aan de enorme thermische massa van de aarde zelf. Dit proces fungeerde als een natuurlijke herlading, waardoor de levensduur van het systeem aanzienlijk werd verlengd. In de meest geblokkeerde scenario's verdubbelde deze geologische herlading de tijd dat het systeem warmte kon produceren. Echter, als de mijntunnels al wijd open waren, had het omliggende gesteente weinig effect, omdat het water de voorkeur gaf aan de gemakkelijke weg door de tunnels.

De onderzoekers keken ook naar de impact van backfill, het puin en afvalgesteente dat vaak achtergelaten wordt in verlaten mijnen. Ze ontdekten dat de materiaaleigenschappen van deze backfill, zoals de porositeit of doorlatendheid, er nauwelijks toe deden, tenzij het direct in de loop van de waterstroom lag. Als de backfill zich aan de zijkant bevond, stroomde het water er simpelweg omheen, en had de samenstelling geen effect op de prestaties van het systeem. Het was pas wanneer de backfill de hoofdroute tussen de putten blokkeerde, dat het een significante hindernis werd, waardoor de doorstroming werd verminderd en de warmteverwinning werd veranderd. Dit suggereert dat de locatie van obstakels veel belangrijker is dan hun chemische of fysieke samenstelling.

Deze bevindingen dagen de manier uit waarop ingenieurs traditioneel het potentieel van een mijn voor geothermische energie beoordelen. In plaats van simpelweg het totale volume aan water en warmte dat in de grond is opgeslagen te berekenen, suggereert de studie dat de prioriteit moet liggen bij het in kaart brengen van de specifieke verbindingen tussen de injectie- en productiepunten. De meest kritische factor is het "geveegde volume" (swept volume)—het specifieke deel van de mijn dat het circulerende water daadwerkelijk raakt. Als het water de warmte niet kan bereiken, is die warmte effectief verloren. De studie geeft aan dat een succesvol project een zorgvuldige balans vereist: genoeg connectiviteit om water te laten stromen, maar genoeg complexiteit of barrières om te voorkomen dat het koude water rechtstreeks door de mijn raast.

Het werk onderstreept ook het belang van onzekerheid bij deze projecten. Omdat de ondergrondse architectuur van verlaten mijnen vaak slecht gedocumenteerd is, is het vertrouwen op een enkel model riskant. De aanpak van de onderzoekers om vele verschillende scenario's te testen, biedt een veiligere manier om het bereik van mogelijke uitkomsten te begrijpen. Het laat zien dat een mijn die op papier veelbelovend lijkt, in de praktijk kan falen als de verborgen tunnels niet verbonden zijn zoals verwacht. Omgekeerd kan een mijn die geblokkeerd lijkt, toch levensvatbaar zijn als het omliggende gesteente de nodige thermische herlading kan bieden.

Uiteindelijk geeft dit onderzoek een duidelijker beeld van hoe we oude mijnen in nieuwe energiebronnen kunnen veranderen. Het verlegt de focus van de totale hoeveelheid beschikbare warmte naar de specifieke paden die de opvang van die warmte mogelijk maken. Door te begrijpen dat de geometrie van de tunnels en de aard van het omliggende gesteente de primaire beheersfactoren zijn, kunnen ingenieurs betere systemen ontwerpen. Ze kunnen putlocaties kiezen die de verbonden stroompaden maximaliseren, terwijl ze natuurlijke barrières gebruiken om de levensduur van het systeem te verlengen. De studie bevestigt dat hoewel het potentieel voor mijnbouw-geothermische energie groot is, de realisatie ervan een diep begrip vereist van de verborgen, complexe wereld onder onze voeten.