Steenkoolmijnen, bronnen van groene energie?

Mijnen kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de levering van warm water aan huishoudens en bedrijven. Het is verstandig daarbij tevens gebruik te maken van andere bronnen van aardwarmte met een lage temperatuur en restwarmte van bedrijven

Warmwaterbronnen – Foto: Michael Bower (Pexels)

Tot op heden is het gebruik van steenkool verantwoordelijk voor 25 procent van de uitstoot van broeikasgassen door de industrie. Voormalige steenkoolmijnen gaan echter bijdragen aan een duurzame toekomst.  

In geothermische gebieden zoals IJsland en Nieuw-Zeeland (foto) wordt al jarenlang gebruik gemaakt van warme bronnen voor verwarming en om te baden. De aarde is een onuitputtelijke bron van warmte, als er maar tevens water beschikbaar is.

Een reusachtig reservoir

Na de sluiting van vele kolenmijnen gedurende de laatste decennia zijn hun schachten en gangen langzaam volgelopen met water. Hoe dieper, hoe warmer het water is, variërend van 10oC vlak onder het oppervlak tot 30oC op een diepte van 700 meter.

Sommige wetenschappers zijn van mening dat dit water een belangrijke bron is van duurzame energie, waardoor de oude mijnen ineens een groene uitstraling krijgen[1]. Het Durham Energy Instituteheeft op verschillende plaatsen experimenten uitgevoerd. Alleen al in het Verenigd Koninkrijk is in de vorige eeuw 15 miljard ton steenkool gewonnen, waardoor er een reservoir is ontstaan van twee miljard kubieke meter water met een temperatuur tussen de 12-20°C. Dit komt overeen met 38.500 terajoule aan warmte, genoeg om 650.000 huizen te verwarmen, aangenomen dat het water zijn temperatuur behoudt[2].

Een onderzoek van de McGill University in Montreal, Canada, schat dat elke kilometer mijngang die gevuld is met water, een vermogen van 150 kW heeft[3]. Interessant is ook een onderzoek naar de mogelijke bijdrage van ondergelopen mijnen aan de productie van energie door middel van modellering. Een relevante, maar verontrustend resultaat van dit onderzoek is dat de temperatuur van het water over een periode van 50 jaar met 7 – 8°C zal afnemen als de hele watervoorraad binnen een jaar heeft gecirculeerd[4].

Praktijkvoorbeelden

De Ropak-verpakkingsfabriek in Springhill, Nova Scotia, zet sinds 1998 met succes mijnwater in voor haar warmwatervoorziening[5]. Mijnwater wordt bij een temperatuur van 18°C met een snelheid van 4 liter per seconde uit een ondergelopen kolenmijn gepompt. Hierbij passeert het een warmtepompsysteem voordat het via een andere schacht wordt geïnjecteerd (zie afbeelding hieronder). Het betreft dus een volledig gesloten lus. In vergelijking met conventionele verwarmingssystemen bespaart het bedrijf jaarlijks CAD 45.000 of het equivalent van ongeveer 600.000 kWh.

Bronnen die de Ropac Company voorzien van warm water – Centre for the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies 

Een andere casestudy betreft Asturië (Noordwest-Spanje), waar een ziekenhuis en een universiteitsgebouw met succes worden verwarmd met behulp van mijnwater[6].

Het meest interessante en innovatieve veldexperiment bevindt zich echter in Nederland, in de gemeente Heerlen.

De ontwikkeling van de rol van mijnwater als geothermische bron

De gemeente Heerlen is ongeveer 15 jaar geleden begonnen met onderzoek naar de mogelijkheid om een ondergelopen kolenmijn te gebruiken als geothermische bron voor verwarming en koeling van gebouwen[7]. Een paar jaar later werd een bedrijf opgericht om de gebleken mogelijkheden te realiseren: Mijnwater BV.

Er werden vijf putten geboord: twee voor warm water, twee voor koud water en één om water terug te geleiden (figuur). Een distributienetwerk van zeven kilometer bestaande uit drie buizen, het zogenaamde backbone, voorzag de gebouwen en huizen van energie

De warm- en koudwaterbuffers van Mijnwater te Heerlen. Illustratie uit: Weg van gas: Kansen voor de nieuwe concepten Lage Temperatuur Aardwarmte en Mijnwater, CE Delft 2018.

Al snel werd duidelijk dat water dat teruggepompt werd in de mijn zowel de temperatuur van zowel het ondergrondse warme en koude water beïnvloedde, conform de voorspellingen van de Poolse modelleringsstudie die hierboven vermeld werd.

Het bedrijf is niet bij de pakken neer gaan zitten en heeft in plaats daarvan het concept Mijnwater 2.0ontwikkeld. De belangrijkste uitgangspunten van dit nieuwe concept zijn:

• In plaats van de levering van lauwwarm mijnwater, werd de uitwisseling van energie tussen gebouwen – het optimale gebruik van restwarmte en -koude – de belangrijkste motor van het project.

• De ondergelopen mijn fungeert als een buffer voor warmte- en koudeopslag.

• Water dat wordt terug geleverd aan het mijnwaterreservoir is op temperatuur gebracht van het koude dan wel het warme deel daarvan. Daarom zijn alle putten geschikt gemaakt voor zowel het onttrekken als het teruggeleiden van water.

• De retourleiding (oranje buis in bovenstaande figuur) is niet langer nodig en wordt ingezet voor de toevoer en afvoer van warm of koud mijnwater om de capaciteit van het backbone te vergroten.

• Het distributiesysteem is gelaagd. In eerste instantie wisselen gebouwen binnen dezelfde cluster overschotten uit van warm en koud water. Vervolgens wisselen clusters onderling hun overschotten uit en uiteindelijk verschaft het backbone de clusters water uit de ondergrondse buffers (figuur hieronder)

• Het beheer van de toevoer van warm en koud water is volledig vraaggestuurd en geautomatiseerd.

Clusters en backbone – Illustratie: Weg van gas: Kansen voor de nieuwe concepten Lage Temperatuur Aardwarmte en Mijnwater, CE Delft 2018.

Op dit moment worden honderden huishoudens en ongeveer tien bedrijven en instellingen bediend door het netwerk. Contracten zijn al getekend voor de toevoeging van nog eens 1000 huishoudens.

Individuele dan wel collectieve warmtepompen worden ingezet om de temperatuur van het water te verhogen van 25 naar 60°C. Dit maakt verwarming mogelijk van matig tot tamelijk goed geïsoleerde huizen (label B -C) zonder grote veranderingen in het verwarmingssysteem. Dit is een belangrijke toegevoegde waarde ten opzichte van all-electric oplossingen. Deze zijn vooralsnog alleen toepasbaar in zeer goed geïsoleerde huizen en gebouwen (label A – A++). In dit geval gebruiken warmtepompen buitenlucht en ze verwarmen het water tot ongeveer 30°C.

Gedurende het laatste decennium is het mijnwatersysteem veranderd van rechtstreeks gebruik van warm mijnwater (Mijnwater 1.0) naar een smart thermal griddat in de eerste plaats restwarmte en -koude van deelnemende bedrijven en instellingen gebruikt (Mijnwater 2.0). De mijn heeft daarin een bufferfunctie (opslag en reserve) voor water 25°C en 16°C. De temperatuur blijft vrijwel zeker constant omdat er minder water wordt onttrokken en de buffers ver genoeg van elkaar af liggen. Bij deze methode kunnen ook andersoortige buffers worden gebruikt, zoals goed geïsoleerde aardlagen. Er is dan veel gelijkenis met zogeheten warmtekoudeopslag (WKO). 

verrijking van het smart thermal grid door aardwarmte

Het concept Mijnwater 2.0 is uitgebreid bestudeerd door CE Delft[8]. De conclusie is dat ongeveer 4,6 miljoen huishoudens in Nederland en ook veel bedrijven kunnen worden bediend door een concept als dit, zeker als het wordt gecombineerd met de inzet van aardwarmte met een lage temperatuur (ongeveer 20 – 30°C).

Een vergelijking tussen standaard geothermisch boren en boren naar aardwarmte met lage temperatuur – Illustratie: Visser & Smit Hanab

Het gebruik van aardwarmte met lage temperatuur (afkomstig tussen 250 – 1250 meter onder het oppervlak) is een welkome aanvulling op de meer gebruikelijke winning van aardwarmte vanaf een diepte tussen 1250 – 4000 meter en lager, waarvoor een veel complexere en duurdere boring is vereist. De winning van aardwarmte met lage temperatuur wordt aangevuld met zogenaamd horizontaal boren[9]. Het voordeel is dat het boren van putten voor winning en retourstroom kan plaatsvinden vanaf één plek en de capaciteit wordt verhoogd[10](figuur boven)

Onderstaande video demonstreert de winning van aardwarmte met lage temperatuur

De combinatie van een smart thermal grid en de winning van aardwarmte op lage temperatuur heeft vier kenmerken:

• Warmte en koude uitwisseling tussen gebruikers binnen en tussen clusters.

• Clusters staan in verbinding met buffers van warm en koud water.

• Winning van aardwarmte met lage temperatuur.

• Geavanceerde software die vraag en aanbod regelt.

Dit concept is om verschillende redenen aantrekkelijk:

• De schaalbaarheid; de aanleg kan starten met losse clusters, die later verbonden worden met een of meer backbones.

• De ruimere beschikbaarheid en kennis van warmtebronnen met lage temperatuur in de ondergrond in vergelijking met bronnen op grotere diepte en het relatieve gemak van hun winning.

• Toepasbaarheid in matig tot tamelijk goed geïsoleerde huizen, die dan aardgasvrij kunnen worden zonder kostbare isolatie en met gebruik van bestaande verwarmingssystemen.

• De mogelijkheid van warmte- en koudeopslag.

Hoe zit het de kolenmijnen?

Rechtstreeks onttrekken van water uit voormalige kolenmijnen blijkt riskant, vanwege de kans dat de temperatuur van het warme mijnwater geleidelijk daalt en die van het koude water stijgt. Voormalige kolenmijnen nabij plaatsen met een grote vraag naar warm en koud water kunnen worden gebruikt als buffer als onderdeel van een smart thermal grid

De waarde van het concept van smart thermal grids, zeker in combinatie met de winning van aardwarmte met hoge temperatuur, is echter niet beperkt tot gebieden waar in het verleden steenkool werd gewonnen. Los van het aardgas is stukken dichterbij gekomen.


[1]https://www.dur.ac.uk/news/newsitem/?itemno=37069

[2]https://www.citymetric.com/horizons/coal-power-dirty-abandoned-mines-could-help-create-clean-energy-future-3624

[3]http://www.thinkgeoenergy.com/abandoned-coal-mines-as-source-for-geothermal-direct-use-for-heating/

[4]Zbigniew MaJolepszy: Modelling of geothermal resources within abandoned coalmines, Upper ˜˜Silesia, Poland. Faculty of Earth Sciences, University of Silesia,

[5]https://www.nrcan.gc.ca/sites/oee.nrcan.gc.ca/files/pdf/publications/infosource/pub/ici/caddet/english/pdf/R122.pdf

[6]https://www.sciencedirect.com/science/journal/00489697

[7]Minewater 2.0 project in Heerlen the Netherlands: transformation of a geothermal mine water pilot project into a full scale hybrid sustainable energy infrastructure for heating and cooling. Paper 8th International Renewable Energy Storage Conference and Exhibition, IRES 2013 

https://www.mijnwater.com/wp-content/uploads/2014/04/Energy-procedia_IRES-2013_Verhoeven-V20012013-Final-1.pdf

[8]Weg van gasKansen voor de nieuwe concepten LageTemperatuurAardwarmte en Mijnwater https://www.mijnwater.com/wp-content/uploads/2018/09/CE_Delft_3K61_Weg_van_gas_DEF_LageTemperatuurAardwarmte_en_Mijnwater_20180720.pdf

[9]https://www.bpnieuws.nl/artikel/8015039/lage-temperatuur-aardwarmte/

[10]https://www.bndestem.nl/moerdijk/boren-naar-aardwarmte-in-zevenbergen-wat-we-hier-doen-is-uniek~ac6d00f9/