Ontwikkeling van poriënstructuur in steenkool tijdens ondergrondse thermische behandeling: een experimenteel onderzoek

Steenkool transformeren van klimaatprobleem naar klimaatinstrument

Steenkool wordt doorgaans gezien als een belangrijke motor van klimaatverandering, maar dit onderzoek verkent een manier om diepe, niet-gemijnde kolenlagen om te zetten in een schonere energiebron en een langdurig reservoir voor kooldioxide (CO2). Door steenkool ondergronds zachtjes te verwarmen in plaats van boven de grond te verbranden, kunnen we bruikbare brandstoffen produceren en tegelijkertijd een koolstofrijk, sponsachtig materiaal achterlaten dat CO2 veilig kan opsluiten. Deze studie stelt een eenvoudige maar cruciale vraag: wanneer steenkool op locatie wordt verwarmd, hoe verandert dan de binnenste “poriën”structuur en hoe goed zou die daarna CO2 kunnen opslaan?

Steenkool verwarmen zonder op te graven

De aanpak, ondergrondse thermische behandeling van steenkool genoemd, verwarmt kolenlagen langzaam in een zuurstofvrije omgeving tot temperaturen tot 600 °C. In plaats van de kolen te mijnen, zouden ingenieurs warmte injecteren via putten, de vrijkomende gassen en vloeistoffen afvangen en vervolgens dezelfde putten gebruiken om CO2 terug in het nu-behandelde pakket te injecteren. Het overgebleven vaste materiaal, bekend als pyrolitische koolstof (char), gedraagt zich enigszins als een stijve, op koolstof gebaseerde spons vol poriën van verschillende grootte. Die poriën bepalen hoeveel brandstof tijdens verwarming kan worden geproduceerd en hoeveel CO2 het gesteente daarna kan vasthouden, dus het begrijpen van hun ontwikkeling is essentieel voor het ontwerpen van een veilige, lage-koolstofmethode.

Inzicht in het verborgen doolhof van steenkool

Om dit verborgen poriënnetwerk te onderzoeken, namen de auteurs laaggradige steenkool uit Binnen-Mongolië en verwarmden monsters zeer langzaam tot acht doeltemperaturen tussen 30 °C en 600 °C onder heliumgas. Ze gebruikten vervolgens drie aanvullende laboratoriumtechnieken: CO2-adsorptie om de allerkleinste poriën (kleiner dan 2 nanometer) te onderzoeken, stikstofadsorptie om middelgrote poriën te karakteriseren en kwikintrusie om grotere poriën en scheuren in kaart te brengen. Samen stelden deze methoden hen in staat veranderingen in het totale poriënavolume, de interne oppervlaktemaat en de complexiteit van het poriënnetwerk te volgen terwijl de steenkool verschillende verwarmingsstadia doorliep.

Van krimpende ruimte naar groeiende spons

De resultaten laten zien dat steenkool niet eenvoudigweg “opengaat” bij verwarming; in plaats daarvan doorloopt de interne ruimte verschillende fasen. In eerste instantie, wanneer de temperatuur stijgt van kamertemperatuur tot ongeveer 350 °C, daalt het totale poriënavolume zelfs terwijl de interne oppervlakte licht toeneemt. Vloeistoffen die in een vroeg stadium ontstaan, sijpelen in grotere poriën en verstoppen die deels, terwijl een bescheiden aantal nieuwe zeer kleine poriën verschijnt. Tussen ongeveer 350 °C en 450 °C keert deze trend zich om: gassen en afgebroken vloeistoffen ontsnappen, waardoor nieuwe holtes ontstaan en zowel grote als kleine poriën zich uitbreiden. Boven ongeveer 450 °C, en vooral bij 600 °C, ontwikkelt de steenkool veel meer van de kleinste poriën samen met een heropleving van grote poriën, zodat zowel het totale volume als het oppervlak duidelijk toenemen en het poriënnetwerk beter verbonden raakt.

Drie sleutelstadia in de transformatie van steenkool

Door deze metingen te koppelen aan een standaardindicator voor de rijpheid van steenkool, identificeerden de onderzoekers drie stadia in het ondergrondse verwarmingsproces. In de eerste fase (lage rijpheid) gaat ruimte verloren doordat vloeistoffen middelgrote en grote poriën vullen. In de tweede fase (middelmatige rijpheid) snijdt de snelle afbraak van organisch materiaal en de gasafgifte nieuwe kanalen uit, wat het poriënavolume en de connectiviteit scherp verhoogt. In de laatste, gasgenererende fase bij hogere rijpheid zorgen voortdurende gasafgifte en structurele herordening voor een dichte populatie van zeer kleine poriën naast uitdijende grote poriën. Zeer kleine poriën leveren het grootste deel van het interne oppervlak waar CO2-moleculen kunnen hechten, terwijl grotere poriën fungeren als snelwegen die helpen dat CO2 in en door het gesteente beweegt.

Wat dit betekent voor het opslaan van koolstof ondergronds

Simpel gezegd verandert zorgvuldig ondergronds verwarmen een relatief compact stuk steenkool in een ingewikkelder, meerlagige spons. De studie concludeert dat behandeling bij hogere temperaturen binnen het geteste bereik het aantal microscopische hoekjes waar CO2 kan worden vastgehouden sterk vergroot en de doorgangen verbetert die het gas door de laag laten verspreiden. Die combinatie zou kunnen maken dat ondergrondse thermische behandeling van steenkool bruikbare brandstoffen oplevert en tegelijkertijd een ondergronds filter achterlaat dat CO2 op lange termijn kan opslaan, waardoor steenkool verschuift van een puur klimaatprobleem naar onderdeel van een bredere koolstofbeheersstrategie.

Bronvermelding: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

Trefwoorden: ondergrondse thermische behandeling van steenkool, CO2-opslag, steenkoolporiën, schone steenkooltechnologie, koolstofsequestratie