Wanneer tunnels door bergen worden gegraven, hebben we niet te maken met het grondwaterpeil, maar met het bergwaterpeil. Bergwater is afkomstig van neerslag en circuleert vanaf het bergoppervlak naar beneden. Onderweg wordt het verwarmd door de warmte van de aarde,
“Geothermische energie wordt grotendeels opgewekt door het verval van langlevende nucliden in het binnenste van de aarde,” zegt Thomas Geisler van het Instituut voor gesteente-mechanica en tunnels van de TU Graz. “Als zodanig is het een volledig natuurlijke warmtebron gevoed door het binnenste van de Aarde.”
In tegenstelling tot windturbines, die alleen energie leveren wanneer de wind waait, is deze geothermische energie in principe de klok rond en over de hele wereld beschikbaar. Dit betekent dat energie op permanente basis kan worden geleverd.
Tunnelwater als energieleverancier
Professor Thomas Marcher, hoofd van het Instituut voor gesteente-mechanica en tunnelbouw van de Technische Universiteit van Graz: “Als bergwater op een tunnelstructuur stuit, dan loopt het weg, of het sijpelt in de structuur. Daarom wordt het water dat binnenkomt afgevoerd. Hetzij door een open kanaal, hetzij door een pijp in het laagste gedeelte van de tunnel”.
In bestaande tunnelconstructies wordt het lekwater gewoonlijk gekoeld in een opvangbekken. Dat heeft te maken met milieubescherming. Pas wanneer het water een temperatuur heeft die vergelijkbaar is met die van het oppervlaktewater, mag het weer in de natuurlijke cyclus worden opgenomen. Bijvoorbeeld door het te laten weglopen in een rivier. De onderzoekers willen nu echter de warmte van dat tunnelwater gebruiken als energiebron. De onderzoeksresultaten moeten aantonen dat het zinvol is de tunnel als energieleverancier te gebruiken.
Pilotproject
Het eerste geothermische gebruik van tunnelwater werd in 1979 geregistreerd bij het zuidportaal van de Gotthard-basistunnel in Zwitserland. Maar tot nu toe is er geen vergelijkbaar project van deze omvang. Daarom is de uitdaging groot, aldus de onderzoekers. Het is immers niet mogelijk om zomaar een hoeveelheid aardwarmte aan het bergmassief te onttrekken. Langdurige koeling moet worden vermeden. Bovendien moet het systeem zo efficiënt mogelijk worden ontworpen.
De Brennertunnel heeft goede voorwaarden voor het pilotproject. Vanaf de Brennerpas, het hoogste punt van de tunnel, is er een natuurlijke helling naar Innsbruck, waar zich het tunnelportaal bevindt. Dit betekent dat het afgevoerde tunnelwater automatisch naar de stad stroomt. Er hoeft niet extra gepompt te worden. Zo is het idee ontstaan om het door de aarde verwarmde tunnelwater te gebruiken als energieleverancier voor de stad Innsbruck, aldus Marcher.
Derde tunnelbuis
Een ander voordeel is dat de tunnelstructuur zich zeer diep onder het aardoppervlak bevindt. “De hoogste deklaag ligt op ongeveer 1800 meter. Op deze diepten bereikt de temperatuur van de aarde ongeveer 20 tot 35 graden Celsius en neemt het water deze temperatuur aan,” aldus Marcher.
Ook interessant: Smart City-oplossingen voor de sneeuwgebieden
Bovendien heeft de Brennertunnel een bijzonder bouwkundig kenmerk. Hij heeft drie buizen en niet – zoals gebruikelijk – slechts twee richtingsbuizen. De derde, zogenaamde verkennende buis, werd vóór de twee hoofdbuizen gebouwd om de werkelijke geologische omstandigheden in de berg beter in kaart te brengen. Deze buis is niet alleen geschikt voor het afvoeren van het water. “Dankzij deze derde buis kunnen we op elk moment de tunnel binnengaan voor de warmtewinningen zonder het verkeer te hinderen. En dat is wel heel belangrijk, aldus Thomas Marcher.
Om de geothermische warmte als energieleverancier te kunnen gebruiken moet deze eerst worden gedistribueerd. Daartoe wordt de warmte in het tunnelwater met een warmtewisselaar overgedragen op het bestaande verwarmingsnet. Vervolgens wordt het met warmtepompen op het vereiste temperatuurniveau gebracht.
Bij de winning van geothermische energie wordt warmte onttrokken aan het gesteente. De onderzoekers willen daarom ook de langetermijneffecten op de thermofysische eigenschappen van het gesteente in kaart brengen. “We onttrekken slechts zoveel warmte aan het bergmassief als de natuurlijke warmtestroom toelaat. Anders kan langdurige afkoeling optreden en komt de efficiëntie van de energievoorziening in gevaar”, aldus Thomas Geisler.
Het bewakingssysteem voor het tunnelwater in de Brenner-basistunnel registreert de hydrologische parameters 24 uur per dag, legt Geisler uit. De gegevens variëren van stroomsnelheden en temperaturen tot chemische aspecten. Hierdoor kan het hydrogeologische model met voldoende gegevens worden gevoed en worden gekalibreerd.
Waterstromen scheiden
Met temperaturen tot 35 graden is de temperatuur van het tunnelwater al zeer hoog. Voor de energievoorziening moet het echter naar een nog hoger niveau worden getild. De onderzoekers streven twee maatregelen na om dit te bereiken: Een van de maatregelen is het optimaliseren van de natuurlijke temperatuur door het instromende water te scheiden in water met een hogere en lagere temperatuur. Het water met de hogere temperatuur bevindt zich natuurlijk dieper in de berg.
Het water dat dicht bij het portaal stroomt, heeft gewoonlijk een lagere temperatuur omdat de deklagen daar lager liggen. Het scheiden van deze instromen resulteert in een hogere gemiddelde temperatuur, legt Marcher uit. Een andere maatregel is het gebruik van absorptietechnologie. Aan de binnenwand van de tunnel worden bijvoorbeeld slangen bevestigd waarin een medium circuleert. Dit absorbeert de geothermische warmte en verhoogt de temperatuur van het tunnelwater. Geisler: “Dat betekent dat we dit tunnelwater verwarmen met natuurlijke energie die door de berg wordt geleverd.”
Ook interessant: Regeneratieve energie: van stroom gas maken
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
