The reuse of abandoned coal mines: geological and mining aspects from decision-making to the operation phase

Colas, Elisa; Kukla, Peter; Amann, Florian

doi:43765

The reuse of abandoned coal mines: geological and mining aspects from decision-making to the operation phase

Colas, Elisa^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Elisa Colas, Master

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Kukla, Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Amann, Florian (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10353
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/996058/files/996058.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)449163970 - Zyklische Prozesse in unterirdischen Pumpspeicherwerken (449163970) (449163970)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die in dieser Dissertation vorgestellte Forschung untersucht die innovative Nutzung aufgegebener Kohleminen zur Energiespeicherung und -produktion. Dies adressiert den Bedarf an Energiespeicherung, der durch intermittierende erneuerbare Energiequellen entsteht, sowie die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Umnutzung ehemaliger Bergbaustätten. Zunächst liegt der Fokus auf der Wiederverwendung der Mine als Unterbecken für Untergrund-Pumpspeicherkraftwerke (UPSK) und wurde erweitert, um das Potenzial der Mine als Speicher für Druckluftenergiespeicherung (CAES), Wärmespeicherung und geothermische Nutzung zu betrachten. Die Wiederverwendung dieser Minen bietet eine Gelegenheit, da die Schließung von Kohleminen in ganz Europa zahlreiche unterirdische Räume mit Potenzial für alternative Nutzungen hinterlassen hat. Diese verlassenen Minen stellen jedoch erhebliche Herausforderungen dar, da die Bergbaustrukturen durch Verwitterung, Auflösung, Hydratation, Auslaugung, Senkung und andere Nachbergbausprozesse degradiert sind. Diese Faktoren erschweren die Stabilität, Sicherheit und Machbarkeit der Nutzung dieser Räume als Unterbecken in UPSK-Systemen. Zudem verschärfen komplexe geologische Bedingungen, wie variable Gesteinseigenschaften, Störungszonen und hydrogeologische Charakteristika, diese Herausforderungen und erfordern einen gründlichen und integrierten Ansatz zur Standortbewertung und -vorbereitung. Die Forschung hebt die entscheidenden Prozesse im Zusammenhang mit zyklischem Pumpen und Entladen innerhalb von UPSK-Systemen hervor, einschließlich hydraulischer Entladeprozesse, zyklischer Belastung, Nässe- und Trocknungszyklen sowie thermischen Spannungen. Diese Prozesse sind entscheidend, um die langfristige Stabilität und Produktivität der Speicherbecken zu gewährleisten. Frühere detaillierte Simulationen und experimentelle Studien werden zusammengefasst, um das mechanische Verhalten des Gesteins unter diesen zyklischen Bedingungen zu verstehen und Einblicke in potenzielle Versagensmechanismen und Minderungsstrategien zu geben. Darüber hinaus stellt die Studie verschiedene numerische Lösungen und empirische Methoden vor, um diese zyklischen Prozesse zu mildern und das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen geologischen Bedingungen und technischen Systemen zu verbessern. Aus wirtschaftlicher Perspektive wird die Machbarkeit der Umnutzung aufgegebener Minen untersucht, wobei günstige Gesteinseigenschaften, reduzierte Grundstückskosten und potenzielle Einnahmen aus ausgegrabenem Material berücksichtigt werden. Kosten-Nutzen-Analysen werden durchgeführt, um die wirtschaftliche Tragfähigkeit verschiedener Umnutzungsszenarien zu bewerten, wobei sowohl Anfangsinvestitionen als auch langfristige Betriebskosten berücksichtigt werden. Die Studie untersucht auch potenzielle Einnahmequellen aus dem Verkauf von Nebenprodukten wie ausgegrabenem Gestein und der Bereitstellung von Zusatzdiensten wie Netzstabilisierung. Das in dieser Dissertation entwickelte Wirtschaftsmodell berücksichtigt verschiedene Risikofaktoren und Sensitivitätsanalysen, um robuste und realistische Bewertungen der Projektmachbarkeit zu liefern. IV Dann beschreibt die Dissertation den umfassenden Arbeitsablauf, der entwickelt wurde, um diese Herausforderungen zu bewältigen, einschließlich fortschrittlicher geologischer Modellierung, Stabilitätsbewertungen und wirtschaftlicher Analysen. Ein wesentlicher Bestandteil der Studie ist die Entwicklung eines 3D-Geologiemodells, das die Stratigraphie, tektonischen Strukturen und Bergbaudaten der Prosper-Haniel-Mine visualisiert. Dieses Studienbeispiel bietet einen multidisziplinären Ansatz, um die geologischen, hydrologischen und technischen Faktoren zu verstehen, die für die Umwandlung aufgegebener Kohleminen in effektive Energiespeicherreservoirs entscheidend sind. Darüber hinaus hilft dieses Modell bei der Bewertung der Stabilität unterirdischer Tunnel und dient als grundlegendes Werkzeug für weitere Erkundungen und Entscheidungsprozesse. Das Modell integriert Daten, einschließlich historischer Bergbauberichte, geologischer Untersuchungen und seismischer Erhebungen, um eine detaillierte und dynamische Darstellung der Untergrundbedingungen zu bieten. Die Studie unterstreicht die Bedeutung interdisziplinärer Zusammenarbeit und fortschrittlicher Datenanalysen zur Optimierung des Umnutzungsprozesses, mit dem Ziel, den Übergang zu einer widerstandsfähigeren und nachhaltigeren Energieinfrastruktur zu unterstützen. Zusammenarbeit zwischen Geologen, Ingenieuren, Ökonomen und Politikern ist entscheidend, um die vielfältigen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Umnutzung aufgegebener Minen zu überwinden. Zusammenfassend trägt diese Dissertation zu einem umfassenderen Verständnis der Nutzung aufgegebener Kohleminen zur Energiespeicherung bei, indem sie eine detaillierte Untersuchung der geologischen und technischen Herausforderungen bietet und praktische Lösungen zur Verbesserung der Machbarkeit solcher Projekte präsentiert. Die Ergebnisse betonen das Potenzial aufgegebener Minen, eine entscheidende Rolle in der Zukunft der nachhaltigen Energiespeicherung zu spielen, fördern die effektive Wiederverwendung vorhandener unterirdischer Räume und unterstützen die Integration erneuerbarer Energiequellen. Die Forschung bietet einen wertvollen Rahmen für politische Entscheidungsträger, Branchenbeteiligte und Forscher und hebt die strategische Bedeutung der Umnutzung ehemaliger Industrieflächen im Kontext globaler Energiewenden und ökologischer Nachhaltigkeit hervor.

The research presented in this thesis explores the innovative utilisation of abandoned coal mines for energy storage and production. This addresses the energy storage needs driven by intermittent renewable energy sources and the challenges associated with repurposing former mining sites. First, a focus has been placed on the reuse of the mine as a lower reservoir for Underground pumped Storage Hydropower (UPSH), and has been enlarged to have a larger view of the potential use of the mine as a reservoir for Compressed Air Energy Storage) CAES, heat storage and geothermal use. The reuse of these mines is an opportunity because the closure of coal mines across Europe has resulted in numerous underground spaces with potential for alternative uses. However, these abandoned mines present significant challenges due to the degradation of mine structures, including weathering, dissolution, hydration, leaching, subsidence, and other post-mining processes. These factors complicate the stability, safety, and feasibility of using these spaces as lower reservoirs in UPSP systems. Moreover, the complex geological conditions, such as variable rock mass properties, fault zones, and hydrogeological characteristics, further exacerbate these challenges, necessitating a thorough and integrated approach to site evaluation and preparation. The research highlights the critical processes involved in cyclical pumping and discharge within UPSPs, including hydraulic discharge processes, cyclic loading, wetting and drying cycles, and thermal stresses. These processes are essential to ensuring the long-term stability and productivity of the storage reservoirs. Detailed simulations and experimental studies previously conducted are compiled in order to understand the mechanical behaviour of the rock mass under these cyclical conditions, providing insights into potential failure mechanisms and mitigation strategies. Furthermore, the study presents various numerical solutions and empirical methods to mitigate these cyclical processes, enhancing the understanding of the interaction between geological conditions and engineered systems. From an economic perspective, the feasibility of repurposing abandoned mines is examined, with considerations given to favorable rock mass properties, reduced land acquisition costs, and potential revenue from excavated materials. Cost-benefit analyses are performed to evaluate the economic viability of different repurposing scenarios, considering both initial investment and long-term operational costs. The study also explores potential revenue streams from the sale of by-products such as excavated rock and the provision of ancillary services like grid stabilization. The economic model developed in this thesis incorporates various risk factors and sensitivity analyses to provide robust and realistic assessments of project feasibility. Then, the thesis details the comprehensive workflow developed to address these challenges, incorporating advanced geological modelling, stability assessments, and economic analyses. A key component of the study is the development of a 3D geological model that visualizes the stratigraphy, tectonic structures, and mining data of the Prosper-Haniel mine. This study example provides a multi-disciplinary approach to understanding the geological, hydrological, andIIengineering factors critical to transforming abandoned coal mines into effective energy storage reservoirs.In addition, this model aids in assessing the stability of underground tunnels and serves as a foundational tool for further exploration and decision-making processes. The model integrates data, including historical mining records, geological surveys, and seismic surveys, to provide a detailed and dynamic representation of the subsurface conditions.The study underscores the importance of interdisciplinary collaboration and advanced data analytics in optimizing the repurposing process, aiming to support the transition towards a more resilient and sustainable energy infrastructure. Collaborative efforts between geologists, engineers, economists, and policymakers are crucial to overcoming the multifaceted challenges associated with repurposing abandoned mines.In summary, this thesis contributes to the broader understanding of utilizing abandoned coal mines for energy storage, offering a detailed examination of the geological and engineering challenges and presenting practical solutions to enhance the viability of such projects. The findings emphasize the potential of abandoned mines to play a crucial role in the future of sustainable energy storage, promoting the effective reuse of existing underground spaces and supporting the integration of renewable energy sources. The research provides a valuable framework for policymakers, industry stakeholders, and researchers, highlighting the strategic importance of repurposing former industrial sites in the context of global energy transitions and environmental sustainability.

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