荷兰海尔伦市废弃煤矿矿井水地热能开发利用工程实践
时间：2022-02-07 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 世界煤炭 ★
荷兰海尔伦市废弃煤矿矿井水地热能开发利用工程实践
煤矿关闭或废弃后，其地下巷道往往会遭受水淹，积存大量矿井水。这些矿井水可以吸收并储存地球内部散发的热量以及自然界中的热量。因此，废弃矿井具有地热利用以及利用剩余地下空间进行蓄热和蓄冷的巨大潜力。
目前，荷兰、德国、英国和加拿大等地区都有通过热泵装置利用矿井水低温热能的实例。其中，荷兰海尔伦市废弃煤矿矿井水地热能开发利用工程最为成功，规模也最大。
1 背景
海尔伦市位于荷兰东南部的林堡省，历史上曾是重要的农业城市。19世纪后期以来，海尔伦市一度成为荷兰的矿业中心，煤矿产业逐渐在当地兴起，解决了数千人的就业问题，更为城市发展带来了勃勃生机。在全盛时期，海尔伦市曾有奥兰治纳苏(Oranje Nassau)I、III和IV 3座大型生产煤矿。但自20世纪70年代以来，受荷兰北部格罗宁根省天然气产业的影响，再加上本身设备成本较高、在竞争中不敌外国煤矿，这几处大型煤矿不得不相继关闭，最后1座煤矿于20世纪70年代中期关闭。煤矿关闭使得就业机会大幅减少，造成人口外流，加剧城市经济的衰落。煤矿关闭后，井口被封闭，煤炭开采留下的坑道和大量巷道被水淹没，成为当地一块块难看的伤疤。正是该地区在曾经的支柱产业煤炭产业衰落后如何面对实现经济转型与振兴、带动人员就业、消除煤炭开采带来的环境影响、能源结构的清洁化转型等挑战的战略抉择中，才推动了废弃矿井水开发利用项目的提出、实施与不断发展。
2 发展历程
1999年，海尔伦市提出了把废弃矿井水作为能源资源开发的初步设想。2000-2003年，这一构思得到立项与论证。2004年，海尔伦市政府启动矿井水开发利用(Minewater)项目。2004-2008年，开展了矿井水系统的研究、设计以及钻井试验和主干管网建设等工作，建成了一套试验性区域供热供冷系统。该系统主要由5口矿井水井和3套主干管网组成，于2008年10月投入运行。2008-2009年，海尔伦市政府决定成立一家公司并筹备该项目的未来商业化运作等相关事宜。2009-2011年，海尔伦市政府围绕矿井水商业化开发开展了经济可行性研究以及风险评估工作。2011年，海尔伦市政府最终决定全额出资成立一家独立的矿井水公司。2012-2013年，“矿井水2.0”复合可持续能源基础设施项目开展了概念设计与工程施工工作，并新接入了养老基金数据中心(APG)和Arcus学院两处建筑。2013年12月，矿井水公司(Mijnwater B.V.)成立。2014年之后，该项目进入“矿井水3.0”时代。
3 技术路线发展
该项目的总体技术路线以利用奥兰治纳苏煤矿煤炭开采留下的地下空间中储存的矿井水为主要能量介质，为周边现有和新建建筑物供冷(夏季)和集中供暖(冬季)，即实现区域供热供冷(District Heating and Cooling)。该项目得到海尔伦市政府的大力支持，拟实现的目标包括：长期最大化利用地热能，实现建筑物的可持续性供热和供冷；将废弃矿井热能资源利用纳入到海尔伦市可持续能源发展规划2040(碳中性城市)中；依托公司运营，建设成为成功的商业化案例，实现长期(±25年)的投资回报；促进本地就业；依托本地教育和研究机构的参与；不断提高社会参与度与居民的可持续发展意识。
该项目在不断改进完善过程中，经历了“矿井水1.0” (Minewater 1.0)、“矿井水2.0”(Minewater 2.0)阶段，目前为“矿井水3.0” (Minewater 3.0)阶段。
3.1 “矿井水1.0”阶段
综合各方信息来看，2013年5月以前该项目均处于 “矿井水1.0”阶段，主要是开展矿井水区域供热供冷的初步调查与试验探索。
这一时期，在岩巷中钻了5口井，其中：2口(HH1和HH2)位于海尔伦的北部，深度在地表以下700 m，用来抽出地下28℃的热水，于2006年2月开始施工，6月完工，7月进行了成功测试；2口(HLN1和HLN2)位于海尔伦的南部，深度为250 m，用来抽放温度约为16℃的冷水；第5口井(HLN3)位于海尔伦的中部，深度350 m，用来回注温度介于18℃～22℃的冷却后的热水以及升温后的冷水。同时，还建成了总长度约为8 km的矿井水系统主干网，并通过这一主干网将矿井水中的能量输送至与建筑物能源站。该主干网包括3套配水管网，第1套为隔热水管，用于输送从热水井HH1和HH2抽出的热水；第2套为非隔热水管，用于输送从冷水井HLN1和HLN2抽出的冷水；第3套为非隔热式回水管，用于将用过的冷/热矿井水会送到回注井HLN3。能源站位于终端用户侧，通过热交换器实现能量交换。2012年以前，仅有热水井HH1、冷水井HLN1以及回水井HLN3投入使用，为海德综合中心(HHC)和中央统计局办公室(CBS)以及两个终端用户供能。
“矿井水1.0”阶段的项目存在诸多局限性，例如：储能介质只有矿井水，可能存在能量和压力不足等问题；功能较为单一，不能充分地按需供能，只在夏天制冷、冬天供热，能量在不断被消耗衰减；不同建筑物之间不能进行热交换等。
3.2 “矿井水2.0”阶段
“矿井水2.0”阶段如图1所示，是“矿井水1.0”的升级，初步实现了智能化集中控制，并自2013年6月开始投入运行。
(1)能量交换。在建筑物群落内部建设局域管网，局域管网内不同建筑物间可进行即时能量交换，主干管网与各局域管网间进行能量交换。这样每一栋建筑由原来的单一用能者身份变为兼具用能者和供能者两种身份。建筑物在接受局域管网热能的同时向局域管网供冷，供局域管网中其他需要致冷的建筑使用。局域管网是一个闭环系统，可以使用清水，无需使用诸如不锈钢或塑料(PE或PP)等能防止矿井水腐蚀的特殊材料，可以极大地节省成本。
(2)能量储存和再生。将热水井HH1和冷水井HLN1作为抽水井来向主干管网供热及供冷，剩余的热能和冷能分别通过原来的热水井HH2和冷水井HLN2回注到矿井水库中进行储存，原来的回注井HLN3仅在个别情况下启用。
(3)多联产。考虑到矿井水系统的能量容量有限，为了实现海尔伦市可持续能源发展规划目标，拟在该矿井水区域供热供冷系统中接入其他可再生能源资源例如生物质能和/或太阳能(光伏和热)以及余热等。也就是说，把单一矿井水地热能区域供热供冷系统发展成复合多联产区域供热供冷系统。目前已经提出了多种方案，有些已经取得一定进展，例如增加生物质热电联产以及新增数据中心余热闭环回收利用设施等。这些新接入的能量源会就近接入局域管网。
(4)增加压力和热容量。已经采取的措施包括更换冷热水井水泵；使用加压系统；利用现有的回水管来补加和处置热矿井水；把新接入的建筑Arcus和APG建成闭环局域管网集群，并在每一栋建筑内加装循环泵，用来实现局域管网内不同建筑间以及与主干管网的能量交换；在部分集群安装增压泵；在冷热水注入井采用了更先进的注入阀。
(5)基于需求的全自动控制(智能化)。根据能量需求，实现温度、流量和压力3个水平上的全自动控制，并通过中央监控系统以及互联网实现可视化操作及相关监测。
图1 矿井水2.0阶段项目及用户
3.3 “矿井水3.0”阶段
“矿井水3.0”阶段主要是落实“矿井水2.0”阶段的一些未完成的升级措施，并通过对供需双侧的智能化控制，实现各建筑物集群间以及与主干管网间的实时能量交换和储存，最终实现各集群的能量自给自足。
3.4 关键技术
该项目中的区域致冷供热系统自2008年初步建成投入运行至今，经历了十余年的发展，正在朝着智能化供能管网的方向发展。这其中的关键技术为智能区域致冷供热控制器。该控制器被设计为具备自学能力，可以分析历史数据、预测未来行为并发出相关指令并进行操作。例如，如果系统中新接入了太阳能集热器，控制器就会进行评估并将收集到的能量送到适当的缓存区或建筑。通过智能控制器的操作，提升区域能源效率。这一智能控制技术可被应用于区域致冷供热网络，调节冷/热能生产和消费方的供需平衡，集成诸如可再生能源(生物质能、建筑物顶部太阳能集热和光伏)、废热和储能系统等多种不同效能的能量源，根据网络需要可实施调峰、市场互动和能量平衡等某一种或多种控制策略。
4 管理与运营
该项目在概念提出、论证、试验项目建设阶段主要受海尔伦市政府推动，并综合考虑了海尔伦市能源发展战略与规划、废弃煤矿区的修复及二次开发利用等因素。试验项目的资金来源主要包括欧盟、荷兰经济事务部、林堡省以及海尔伦市政府。在“矿井水1.0”阶段，项目建设、试验运行得到资助金额共计约1960万欧元，包括：欧盟Interreg IIIB计划资金640万欧元，欧盟第六框架计划下EC REMINING-lowex项目资金350万欧元；荷兰国家能源研究补贴计划(EOS)资金30万欧元，UKR Unique Opportunity Regulation资金60万欧元，城市整修投资预算资金130万欧元，林堡省资金40万欧元；其他来源资金还包括海尔伦市投资资金200万欧元，海尔伦市股份资金510万欧元。
在该项目试验运行阶段，海尔伦市政府筹划并全额出资成立矿井水公司(Mijnwater B.V.)以公用事业单位的身份来运营管理该项目。同时，海尔伦市政府计划在条件成熟时退出，该项目将由共用事业性质转变为完全基于市场供需的商业化运作。
2018年9月，海尔伦市政府将所矿井水公司股份出售给林堡能源基金(LEF)。
图2 项目早期的运营模式
该项目运营模式如图2所示。其中向建筑供暖和致冷有两种可能的收费方式，一种是建筑业主(用能方)支付一定的固定费用，便可以接入矿井水系统，在日常生活中自行操作热泵装置采暖，类似于购买热泵等装置，再分摊一部分设备的运营费用；而另一种则是各项相关供能设备(例如热泵和调节锅炉房)归矿井水公司所有，由其进行运行管理，通过该项目中采用矿井水供能替代燃气锅炉、电冷装置所节省的费用以及满足海尔伦市严格的城市能源要求的条件下所节省的相关改造费用归矿井水公司所有。
5 综合效益
到2018年底，接入到该系统的室内供热致冷面积估计在80万 m2左右。一些大型建筑为：海德综合中心，包括住宅、超市、办公室、公共设施、餐饮等，面积为3万 m2；中央统计局办公室办公楼，面积为2.2万 m2；APG，面积为3.2万 m2； Arcus学院新建的培训中心，面积为3万 m2；以及林堡省南部医疗卫生服务中心(GGD)和林堡省南部共享服务中心。
该项目的实施有良好的环境效益。通过矿井水地热能的开发利用，可以降低区域内建筑物集群对传统化石能源的需求和使用，削减温室气体排放。其中，仅矿井水抽放和冷热水循环过程中需要用电，而这些电力可以通过太阳能光伏发电来满足，这一过程的温室气体排放量也基本可忽略。据测算，在供热面积达到80万 m2时，与传统采暖致冷方式相比，温室气体排放可削减65%。
6 启示与结语
海尔伦市废弃煤矿矿井水地热能开发利用项目为欧洲乃至全球废弃矿井地热能的开发利用发挥了重大示范作用，树立了煤炭资源城市实现转型与可持续发展的典范，对我国煤炭资源枯竭城市的转型发展以及废弃矿井资源开发利用有着重要的启发和借鉴意义。
据不完全统计，我国典型的煤炭资源枯竭城市至少有37座。这些城市曾经靠单一传统煤炭产业支撑发展，经过长期过度开发使用，如今面临着资源枯竭、产业衰退的尴尬局面，亟需寻找新的经济增长点，培育接替产业。另外，我国有大量的废弃煤矿。近些年来，在实施能源革命推进能源供给侧结构性改革过程中，关闭了大量煤矿。到2015年底，全国约有1.2万处煤矿。到2018年底，全国煤矿数量减少到5800处左右。这些废弃和关闭煤矿中，依然有大量的各类资源可供开发利用，其中就包括矿井水地热能。
总体而言，海尔伦项目对我国废弃矿井资源开发利用的启发及借鉴意义体现在：规划方面，需要多方统筹，例如综合考虑产业转型、人员就业、消除煤炭开采带来的环境影响、能源结构的清洁化转型以及合理和持续利用采矿后基础设施等方面；技术路线方面，需充分考虑相关能源供应量的问题，采取多联产或多能耦合的方式，以保障满足需求并具备灵活性，并最终实现智能化的能源系统；管理运营方面，早期需要大量的政府或官方公益性投入，随着规模的不断扩大，逐步实现商业化运营。
[1] 刘文革,韩甲业,于雷等.欧洲废弃矿井资源开发利用现状及对我国的启示[J].中国煤炭, 2018,44(6):138-141，144.
[2] 任辉, 吴国强. 我国关闭/废弃矿井资源综合利用形势分析与对策研究[J]. 中国煤炭地质，2019，31(2):1-6，81.
Practice on geothermal energy development and utilization from abandoned coal mine water in Heerlen of Netherlands
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