DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-025-00601-3
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Lukas Oppelt وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية وتطبيقاتها
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث إمكانية استخدام المناجم المهجورة المغمورة بالمياه الجوفية لتخزين الحرارة الموسمية، وهو مفهوم تم استكشافه في ألمانيا لأكثر من 30 عامًا ولكنه شهد تنفيذًا محدودًا. تقدم هذه المناجم سعات تخزين كبيرة بسبب أحجامها الكبيرة والاتصال الواسع بالصخور المحيطة، مما يجعلها حلاً واعدًا لتزويد الطاقة الحضرية، خاصة في المدن القريبة من مواقع التعدين. تقيّم دراسة جدوى أجريت في فريبيرغ ملاءمة منجم فضة سابق لتخزين الطاقة الحرارية، كاشفةً أن كفاءات التخزين التي تتراوح بين 50-60% يمكن تحقيقها، مشروطةً بعوامل جيولوجية وحرارية مثل حجم المنجم، وتدفق المياه، وحدود درجات الحرارة.
تحدد الدراسة أربعة أحياء في فريبيرغ يمكن أن تستفيد من هذا النهج، مع فحص مفصل لحي “باهنهوفسفورشتات”. يتم تسليط الضوء على دمج حرارة النفايات الصناعية كعنصر أساسي للجدوى الاقتصادية للنظام، مما قد يؤدي إلى استرداد التكاليف في غضون عشر سنوات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يقلل تنفيذ هذا النظام لتخزين الحرارة من استهلاك الوقود الأحفوري بأكثر من 50% وتمكين الحي من تحقيق الاكتفاء الذاتي لمدة تقارب تسعة أشهر كل عام.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاتجاهات الحضرية الكبيرة على مستوى العالم، حيث يعيش 57% من السكان في المناطق الحضرية، ونسب أعلى في أوروبا (73%) وأمريكا الشمالية (83%). في ألمانيا، ارتفعت نسبة السكان الحضريين من 73.1% في عام 1990 إلى 77.8% في عام 2024. في الوقت نفسه، تسعى ألمانيا لتحقيق إزالة الكربون الكاملة من نظامها الطاقي بحلول عام 2045، ومع ذلك يعتمد قطاع التدفئة حاليًا على مصادر الطاقة المتجددة فقط بنسبة 18% من إمدادات الطاقة الخاصة به. يقدم هذا السيناريو تحديات للمراكز الحضرية، حيث تؤدي الزيادة السكانية إلى زيادة الطلب على حلول التدفئة المحايدة مناخيًا.
لمعالجة هذه التحديات، تقترح الورقة استراتيجيات متنوعة، بما في ذلك تركيب مجمعات حرارية شمسية وألواح ضوئية، جنبًا إلى جنب مع مضخات الحرارة. ومع ذلك، تتطلب الطبيعة المتقطعة لمصادر الطاقة المتجددة دمج حلول تخزين حرارية، تقع بشكل مثالي ضمن المناطق الحضرية لتقليل خسائر النقل. تؤكد الدراسة على إمكانية استخدام المناجم المهجورة المملوءة بالمياه لتخزين الحرارة، خاصة في المناطق ذات الأنشطة التعدينية التاريخية، مثل منطقة الرور وفريبيرغ. تركز دراسة الحالة على فريبيرغ، حيث تحقق في الجدوى، والاكتفاء الذاتي، والجدوى الاقتصادية لدمج تخزين حرارة مياه المناجم في إمدادات الطاقة المحلية، مع آثار على سياقات حضرية مماثلة خارج منطقة الدراسة.
الطرق
توضح قسم المنهجية في ورقة البحث النهج المنهجي المتبع لتحليل الطلب على الحرارة ومصادر الطاقة المحتملة في المنطقة الحضرية لفريبيرغ. في البداية، تم تقسيم المشهد الحضري إلى 135 حيًا نظريًا بناءً على معايير مثل التجميعات البنية التحتية، والمسافة المكانية، واختلافات هيكل المباني. مكنت هذه التصنيف من تقييم أكثر دقة لمتطلبات الحرارة وسهلت تحديد التآزر، مثل استخدام حرارة النفايات من المناطق الصناعية لدعم التدفئة السكنية. في النهاية، تم اختيار أربعة أحياء للتحليل المفصل بناءً على كثافة الطلب على الحرارة، وهيكل العملاء، والجدوى الاقتصادية لدمج نظام تخزين الطاقة الحرارية القائم على مياه المناجم.
تم نمذجة الطلب على الحرارة للأحياء المختارة باستخدام نهج مدفوع بالبيانات، مستفيدًا من “أطلس المباني DBI” للحصول على بيانات المباني عالية الدقة. ركزت الدراسة على الحي F2، حيث تشمل مصادر الحرارة المحتملة الطاقة الحرارية الشمسية، وحرارة النفايات الصناعية، واستعادة الحرارة المتعلقة بالتبريد. تم اقتراح قسم مغمور بالمياه من منجم كخزان لتخزين الحرارة، بسعة تخزين قصوى تبلغ 3000 ميغاوات ساعة. أولى النموذج الأولوية لمصادر الطاقة بناءً على التوافر والكفاءة، مع دمج مضخة حرارة لرفع درجة الحرارة لتلبية احتياجات التدفئة. تم تحليل سيناريوهين لتقييم الجدوى المالية لنظام التخزين الحراري، مع الأخذ في الاعتبار مراحل البنية التحتية المختلفة وتكوينات شبكات التدفئة المركزية، مع وبدون دعم تمويلي عام.
النتائج
تكشف النتائج من دراسة الحالة في فريبيرغ عن رؤى كبيرة حول أداء تخزين الطاقة الحرارية لمياه المناجم (MTES) تحت سيناريوهين. في السيناريو A، يعتمد الحي بشكل كبير على الوقود الأحفوري خلال الشتاء، مع استخدام أقصى للطاقة الأحفورية بنسبة 80% على الرغم من توفر المكاسب الشمسية وحرارة النفايات الصناعية. يبدأ MTES في الشحن في منتصف أبريل، لكنه لا يصل أبدًا إلى السعة الكاملة، مما يشير إلى أنه أكبر من اللازم بالنسبة لمصادر الحرارة المتاحة. بحلول الصيف، تكون الطاقة المخزنة كافية لتزويد الحي بشكل مستقل حتى منتصف أكتوبر، مما يظهر دوره كحل لتخزين الطاقة على المدى القصير. في المقابل، يظهر السيناريو B أنه مع زيادة حرارة النفايات الصناعية، يتم شحن التخزين بالكامل بحلول نهاية يونيو، مما يسمح بمستوى أعلى من الاكتفاء الذاتي للطاقة بنسبة 78%. يمكّن هذا السيناريو الحي من تلبية طلبه الصيفي دون استخدام التخزين الحراري، مما يمدد مدة التخزين إلى حوالي 2.5 شهر.
اقتصاديًا، تقدم كلا السيناريوهين خيارات قابلة للتطبيق، حيث يحقق السيناريو A فترات استرداد أقل من 10 سنوات لنظام التخزين الحراري وحده. تتراوح القيمة الحالية الصافية (NPV) لهذا السيناريو بين 11 إلى 15 مليون يورو، اعتمادًا على الدعم المالي. يتطلب السيناريو B، بينما يحتاج إلى فترة استرداد أطول تتراوح بين 20-21 سنة بدون دعم، أن يحقق NPV يصل إلى 20 مليون يورو. تتأثر الجدوى الاقتصادية بشكل كبير بتكاليف الاستثمار المرتبطة بمصادر الحرارة الجديدة وشبكات التدفئة المركزية. من الجدير بالذكر أن البنية التحتية الحالية يمكن أن تعزز الجدوى الاقتصادية، خاصة في المراكز الحضرية حيث تكون المباني متصلة بالفعل بأنظمة التدفئة المركزية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على إمكانية أن تسهم أنظمة MTES في تحقيق الاستقلالية الطاقية والاستدامة الاقتصادية في تطبيقات التدفئة المركزية.
المناقشة
تستكشف الأبحاث التي أجريت في فريبيرغ، ساكسونيا، إمكانية أنظمة تخزين الطاقة الحرارية لمياه المناجم كوسيلة لإزالة الكربون من إمدادات الطاقة الحضرية. المدينة، التي لها خلفية تاريخية في تعدين خام الفضة، قد بدأت نظام تخزين مياه المناجم على نطاق تجريبي الذي أظهر كفاءات تخزين تتراوح بين 50-60%. تؤكد الدراسة على أهمية دمج مثل هذه الأنظمة في البنية التحتية للطاقة الحضرية، خاصة في تحديد الطاقة المتاحة للتخزين وتأثيرها على مزيج إمدادات الحرارة. تشير النتائج إلى أنه مع الدمج المناسب لمصادر الحرارة، مثل الطاقة الحرارية الشمسية وحرارة النفايات الصناعية، يمكن تحقيق مستويات الاكتفاء الذاتي للطاقة تصل إلى 78% مع حجم تخزين حراري يبلغ 10,000 م³.
تسلط المناقشة الضوء على الحاجة إلى تحسين نمذجة سلوك التخزين الحراري لتقليل الشكوك المتعلقة بفرضيات تخزين الطاقة. ستوسع الأبحاث المستقبلية المختبر الواقعي في منجم “رايش زيشه” لجمع المزيد من البيانات حول التفاعل بين الماء والصخور، مما يعزز قابلية نقل النتائج إلى مناطق حضرية أخرى. تعتمد الجدوى الاقتصادية لتنفيذ مثل هذه الأنظمة على البنية التحتية الحالية؛ بينما يمكن أن يؤدي الاستثمار المنخفض في شبكات التدفئة إلى فترات استرداد تبلغ حوالي سبع سنوات، قد تتطلب الشبكات الجديدة دعمًا عامًا. تختتم الدراسة بأن المناجم المهجورة تمثل طريقًا واعدًا لإزالة الكربون من الطاقة الحضرية، خاصة في ضوء التغيرات المتوقعة في الطلب على التدفئة والتبريد بسبب تغير المناخ.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-025-00601-3
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Lukas Oppelt et al.
Primary Topic: Geothermal Energy Systems and Applications
Overview
The research paper discusses the potential of utilizing abandoned, groundwater-flooded mines for seasonal heat storage, a concept that has been explored in Germany for over 30 years but has seen limited implementation. These mines offer significant storage capacities due to their large volumes and extensive contact with surrounding rock, making them a promising solution for urban energy supply, particularly in cities near mining sites. A feasibility study conducted in Freiberg evaluates a former silver mine’s suitability for thermal energy storage, revealing that storage efficiencies of 50-60% can be achieved, contingent on geological and thermal factors such as mine volume, water flow, and temperature limits.
The study identifies four districts in Freiberg that could benefit from this approach, with a detailed examination of the “Bahnhofsvorstadt” district. The integration of industrial waste heat is highlighted as essential for the economic viability of the system, which could potentially lead to amortization within ten years. Additionally, the implementation of this thermal storage system could reduce fossil fuel consumption by over 50% and enable the district to achieve self-sufficiency for approximately nine months each year.
Introduction
The introduction highlights the significant urbanization trends globally, with 57% of the population residing in urban areas, and even higher rates in Europe (73%) and North America (83%). In Germany, the urban population has risen from 73.1% in 1990 to 77.8% in 2024. Concurrently, Germany is striving for complete decarbonization of its energy system by 2045, yet the heating sector currently relies on renewable sources for only 18% of its energy supply. This scenario presents challenges for urban centers, where increasing populations heighten the demand for climate-neutral heating solutions.
To address these challenges, the paper suggests various strategies, including the installation of solar thermal collectors and photovoltaic panels, alongside heat pumps. However, the intermittent nature of renewable energy sources necessitates the incorporation of thermal storage solutions, ideally situated within urban areas to reduce transport losses. The study emphasizes the potential of utilizing disused, water-filled mines for thermal storage, particularly in regions with historical mining activities, such as the Ruhr area and Freiberg. The case study focuses on Freiberg, investigating the feasibility, self-sufficiency, and economic viability of integrating mine water heat storage into the local energy supply, with implications for similar urban contexts beyond the study area.
Methods
The methodology section of the research paper outlines the systematic approach taken to analyze the heat demand and potential energy sources in the urban area of Freiberg. Initially, the urban landscape was divided into 135 theoretical quarters based on criteria such as infrastructural groupings, spatial distance, and building structure differences. This classification enabled a more accurate assessment of heat requirements and facilitated the identification of synergies, such as utilizing waste heat from industrial areas to support residential heating. Ultimately, four quarters were selected for detailed analysis based on their heat demand density, customer structure, and economic viability for integrating a mine water-based thermal energy storage system.
The heat demand for the selected quarters was modeled using a data-driven approach, leveraging the “DBI Building Atlas” for high-resolution building data. The study focused on quarter F2, where potential heat sources included solar thermal energy, industrial waste heat, and cooling-related heat recovery. A groundwater-flooded section of a mine was proposed as a thermal storage reservoir, with a maximum storage capacity of 3000 MWh. The model prioritized energy sources based on availability and efficiency, incorporating a heat pump to elevate the temperature for heating needs. Two scenarios were analyzed to evaluate the financial viability of the thermal storage system, considering various infrastructure stages and configurations for district heating networks, with and without public funding support.
Results
The results from the Freiberg case study reveal significant insights into the performance of mine water thermal energy storage (MTES) under two scenarios. In Scenario A, the district relies heavily on fossil fuels during winter, with a maximum of 80% fossil energy usage despite the availability of solar gains and industrial waste heat. The MTES begins charging in mid-April, but never reaches full capacity, indicating it is oversized for the available heat sources. By summer, the stored energy is sufficient to supply the district autonomously until mid-October, demonstrating its role as a short-term energy storage solution. In contrast, Scenario B shows that with increased industrial waste heat, the storage is fully charged by the end of June, allowing for a higher energy autarky of 78%. This scenario enables the district to meet its summer demand without utilizing thermal storage, extending the storage duration to approximately 2.5 months.
Economically, both scenarios present viable options, with Scenario A achieving payback periods under 10 years for the thermal storage system alone. The net present value (NPV) for this scenario ranges from 11 to 15 million euros, depending on subsidies. Scenario B, while requiring a longer payback period of 20-21 years without subsidies, can yield an NPV of up to 20 million euros. The economic feasibility is heavily influenced by the investment costs associated with new heat sources and district heating networks. Notably, existing infrastructure can enhance economic viability, particularly in urban centers where buildings are already connected to district heating systems. Overall, the study underscores the potential of MTES systems to contribute to energy autonomy and economic sustainability in district heating applications.
Discussion
The research conducted in Freiberg, Saxony, explores the potential of mine water thermal energy storage systems as a means to decarbonize urban energy supply. The city, with a historical background in silver ore mining, has initiated a demonstration-scale mine water storage system that has shown storage efficiencies of 50-60%. The study emphasizes the importance of integrating such systems into urban energy infrastructure, particularly in identifying available energy for storage and its impact on the heat supply mix. The findings suggest that with appropriate integration of heat sources, such as solar thermal energy and industrial waste heat, energy autarky levels of up to 78% could be achieved with a thermal storage volume of 10,000 m³.
The discussion highlights the need for improved modeling of thermal storage behavior to reduce uncertainties related to energy storage assumptions. Future research will expand the real-world laboratory at the “Reiche Zeche” mine to gather more data on the interaction between water and rock, enhancing the transferability of results to other urban areas. The economic viability of implementing such systems is contingent on existing infrastructure; while low investment in heating networks can lead to payback periods of around seven years, new networks may require public subsidies. The study concludes that abandoned mines present a promising avenue for urban energy decarbonization, especially in light of anticipated changes in heating and cooling demands due to climate change.