Variationen zur geothermischen Nutzung der ... - Geothermie

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Variationen zur geothermischen Nutzung der ... - Geothermie

Beitrag “Der Geothermiekongress 2009” Bochum, Germany, 17-19 November 2009

Variationen zur geothermischen Nutzung der Infrastruktur von

Klaus Gahlen

GeothermieZentrum Bochum

Steinkohlenbergwerken in Nordrhein-Westfalen

Keywords: Erdwärme im Steinkohlengruben, Wärmespeicherung, Grubenwassernutzung,

Rechtliche Bestimmungen und Voraussetzungen, Grubenwetternutzung

1 EINLEITUNG

Aufgrund seiner bergbaulich geprägten Struktur bietet das Ruhrgebiet günstige Merkmale für eine

geothermische Nutzung. Der zurückgehende Steinkohlenbergbau bietet zum einen bereits aufgrund

der durch ihn geschaffenen Hohlräume nicht nur erleichterte Zugänge zu den Erdwärmeträgern Luft

und Wasser, sondern auch die bestmögliche Kenntnis über die dortige Geologie und Hydrogeologie,

wodurch die „Ernte“ der Erdwärme eine erheblich Risikominimierung erfährt. Zum anderen stellt

sich die Abnehmersituation in dem dicht besiedelten Raum, insbesondere im unmittelbaren Umfeld

um die ehemaligen Bergwerke, häufig als besonders geeignet dar.

2 ZUSCHNITT UND INFRASTRUKTUR VON STEINKOHLENBERGWERKEN

Steinkohlenbergwerke in Nordrhein-Westfalen dienen der industriellen Gewinnung von Steinkohle.

Trotz oft unterschiedlicher Historie unterscheiden sie sich heute in Bezug auf Zuschnitt und Infrastruktur

nicht wesentlich voneinander. Die untertägige Ausdehnung von Grubenfeldern moderner

Bergwerke in NRW beträgt bei Teufen von maximal 1.550 Metern 1 (BW Ibbenbüren) bis zu 285 qkm

(BW Ost) bei einer Gesamtlänge des aufgefahrenen Streckennetzes von 125 km (BW Prosper-Haniel).

Die Bewetterung von Bergwerken erfolgt durch Grubenlüfter, die am Schachtkopf von Ausziehschächten

im Grubengebäude einen Unterdruck erzeugen. Hierdurch werden frische Wetter von

Übertage an den an das Grubengebäude angeschlossenen Einziehschächten angesaugt.

3 GEOTHERMIE

Gemäß der diesbezüglichen Definition des VDI i ist geothermische Energie die in Form von Wärme

gespeicherte Energie unterhalb der festen Oberfläche der Erde, Synonym: Erdwärme. Lediglich der

gewinnbare Teil in der Erdkruste wird der Geothermie zugerechnet. Oberflächennah kommen Anteile

aus der Sonneneinstrahlung auf die Erdoberfläche und aus dem Wärmekontakt mit der Luft

dazu.

Die natürlich vorkommende Erdwärme gilt nach dem Bundesberggesetz (BBergG) als Bodenschatz

2 . Energetisch angereicherte Wärmeträger, welche lediglich zu Speicherzwecken in den Boden

geleitet werden, unterfallen diesem Begriff demnach also nicht. Da allerdings auch hierbei ein

Wärmeaustausch mit dem umgebenden Gebirge stattfindet, werden oft auch diese Einrichtungen

als Geothermieanlagen betrachtet.

Die als geothermische Tiefenstufung bezeichnete Temperaturzunahme in Kelvin pro 100 m lässt

sich mit einem Zuwachs von rd. 3 K je 100 m, beginnend mit konstanten 10 - 12 °C etwa 15 bis 20

Meter unterhalb der sonnen- und klimabeeinflussten Geländeoberfläche, hinreichend genau beschreiben.

Zunehmend wird weltweit die Nutzbarkeit der jeweils örtlich anstehenden Erdwärme un-

1 Alle hier vorgestellten Bergwerks-Daten: RAG Deutsche Steinkohle; www.rag-deutsche-steinkohle.de

2 § 3 Abs. 3 Nr. 2 b) BBergG


tersucht. Die Wärmekapazitäten 3 des Gebirges sind je nach geologischen Gegebenheiten teilweise

recht unterschiedlich.

Tabelle 1: Wärmeleitfähigkeit 4 u. -kapazität von Luft, Wasser und einigen Gesteinen (Schloz) ii

Wärmeleitfähigkeit

λ [W / (m• K)]

spezif. Wärmekapazität,

volumenbezogen c

[MJ / (m 3 • K)]

Luft (0-20 °C, trocken) 0,02 0,0012

Wasser 0,59 4,12

Steinkohle 0,3 1,3 - 1,8

Kies nass 1,8 2,4

Granit 3,4 2,1 - 3,0

Steinsalz 5,4 1,2

Einen entscheidenden Einfluss auf die geothermische Nutzung stellt die Wärmeleitfähigkeit der Gesteine

innerhalb der Erdkruste dar. Die Wärmestromdichte der kontinentalen Kruste beträgt durchschnittlich

65 mW/m 2 . Die Wärmestromdichte ist proportional dem in der Erdkruste herrschenden

Temperaturgradienten von rd. 30 Grad pro Kilometer und lässt sich also wie folgt beschreiben: iii

q = k

ΔT


Δz

q Wärmestromdichte

k Wärmeleitfähigkeit (Materialkonstante); sie

beträgt für Gesteine der oberen Kilometer

der kontinentalen Erdkruste 2 bis 4 Watt pro

Meter und Grad Kelvin, im Mittel 2,2 W/m • K

Δ T

Temperaturgradient 0,03 K/m

Δz

Heute geht man davon aus, dass im Erdinneren, im Kern der Erde, Temperaturen von etwa 5000 -

6000 °C erreicht werden. Diese Wärmequelle gilt nac h menschlichem Ermessen als unerschöpflich.

Der vom Erdinneren kontinuierlich ausgehende Wärmestrom an die Oberfläche der Erde liefert mit

30 Terawatt iv ein Mehrfaches des derzeitigen Weltverbrauchs an Primärenergie 5 .

4 ERDWÄRME IN STEINKOHLENGRUBEN

In den tiefen Bereichen der Grubenbaue des NRW-Steinkohlenbergbaus betragen die Gebirgstemperaturen

um 40 °C. In den aufgegebenen und zum Tei l bereits gefluteten Bergwerksbereichen, finden

Auskühleffekte durch aktive Bewetterungsmaßnahmen nicht mehr statt. Die langsam ansteigenden

Wassermengen stehen in einem intensiven Wärmeaustausch mit dem umgebenden Gebirge.

Bei einer möglichen Nutzung von Erdwärme werden auch andere Rechtsgebiete berührt. So muss

beispielsweise unter Einbeziehung des Wasserhaushaltsgesetzes und des Landeswassergesetzes

dem häufig diese Wärme nutzbar machenden Energieträger, dem Grundwasser, Rechnung getragen

werden.

3

Als Wärmekapazität wird das Vermögen eines Körpers bezeichnet, Energie in Form von thermischer Energie zu

speichern.

4

Die Wärmeleitfähigkeit ist bestimmt durch die Geschwindigkeit, mit der sich die Erwärmung an einem Punkt durch den

Stoff ausbreitet. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit ist eine temperaturabhängige Materialkonstante.

5

2006: 17.139 Mio. t SKE, Quelle: Gesamtverband Steinkohle, GVSt


3

Gahlen.

5 WÄRMESPEICHERUNG IM UNTERGRUND

Im Allgemeinen handelt es sich bei der Untergrundspeicherung um außerhalb des Erdkörpers entstandene

Wärme, welche mittels reinen Wassers lediglich im Erdboden eingespeichert wird, gelegentlich

evtl. unterstützt durch zusätzliche Erdwärmesonden. Gemäß Definition der VDI 4640 unterfällt

die Untergrundspeicherung dem Begriff der Erdwärme, allerdings im Allgemeinen nicht den

Bestimmungen des BBergG und damit der bergbehördlichen Zuständigkeit, da es sich hierbei um

keinen natürlich vorkommenden Bodenschatz handelt.

Erdspeichersysteme für die Versorgung von Wohn- und Gewerbegebieten mit warmem Wasser

werden in Deutschland bereits seit vielen Jahren gebaut. Für die Speicherung hochgrädigen Wassers

zur Stromerzeugung eignen sie sich aus Gründen erforderlicher Druckresistenz nicht. Als solar

unterstützte Nahwärmeversorgung (SuN) sind mittlerweile 11 derartige Langzeitwärmespeicheranlagen

(LZWSP) mithilfe des Bundes-Forschungsprogramms Solarthermie2000plus des BMU realisiert

v . Dennoch ist nach heutiger Einschätzung eine Marktreife vorläufig nicht zu erwarten.

Im Ruhrgebiet ist durch den jahrzehntelangen Abbau von Kohle und dem dafür hergestellten notwendigen

untertägigen Streckensystem ein weit verzeigtes Netz von unterirdischen Hohlräumen

entstanden. Es liegt nahe, diese Grubenräume hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit für eine saisonale Speicherung

von Niedertemperaturwärme zu untersuchen, vor allem an den Standorten, an denen

Schachtanlagen bereits stillgelegt sind. Untersuchungen vi hierüber haben für die Einspeicherung

von Wärmeenergie die oberen Bereiche von Tagesschächten ehemaliger Steinkohlenbergwerke als

die bestgeeigneten identifiziert. Allerdings liegen die spezifischen Kosten für derartige Speichersysteme

immer noch etwa doppelt so hoch wie diejenigen bereits ausgeführter Projekte zur

saisonalen Wärmespeicherung mit konventionellen Speicherbauwerken in Deutschland.

6 SONDENNUNTZUNG DURCH BOHRUNGEN UNTER TAGE / TIEFER TEUFEN

Für verschiedene untertägige Anwendungen ist die Erstellung von Bohrlöchern eine wichtige Voraussetzung.

Gegenüber Tagesbohrungen unterliegen Bohrarbeiten und -ausrüstungen aufgrund der

besonderen Platz- und Klimaverhältnisse unter Tage speziellen Anforderungen.

Bohrungen aus bergmännischen Hohlräumen heraus für die Gewinnung von Erdwärme bieten allerdings

den Vorzug, dass der Bohransatzpunkt bereits in einer gewissen Teufe liegt und diese

Bohrlänge daher im Vergleich zu Tagesbohrungen nicht mehr erstellt werden muss, sodass die

Bohrgeräte entsprechend kleiner dimensioniert sein können. Auch sind über Tage notwendige vorbereitende

Arbeiten, wie z.B. die Erstellung eines Bohrplatzes mit den erforderlichen Baustelleneinrichtungen,

nicht erforderlich und behördliche Auflagen für Bohrungen unter Tage im Allgemeinen

leichter einzuhalten.

6.1 RECHTLICHE VORAUSSETZUNGEN

Arbeiten zur Aufsuchung und Gewinnung von Bodenschätzen unterliegen grundsätzlich der Betriebsplanpflicht.

In NRW unterstehen sämtliche offenen, bewetterten oder begehbaren Bereiche

aktiver Steinkohlenbergwerke der Aufsicht durch die Bergbehörde. Im Falle der i.d.R. wohl zutreffenden

Annahme, dass untertägige Tätigkeiten im stillgelegten Steinkohlenbergbau im Rahmen einer

Bergbauberechtigung auf Erdwärme gestoßen werden, ist davon auszugehen, dass die nachfolgend

beschriebenen Bohrungen aus untertägigen Strecken sämtlich betriebsplanpflichtig sind.

Sofern über Tage angesetzte Bohrungen dem BBergG unterfallen, gilt für sie darüber hinaus die

Bergverordnung für Tiefbohrungen, Untergrundspeicher und für die Gewinnung von Bodenschätzen

durch Bohrungen im Land Nordrhein-Westfalen (Tiefbohrverordnung - BVOT) vom 31. Oktober

2006.

Im Übrigen sind Bohrungen, welche mehr als hundert Meter in den Boden eindringen sollen, und die

keine Aufsuchungs- oder Gewinnungsbohrungen sind, der Bergbehörde anzuzeigen. Hierbei ist es

unerheblich, ob es sich um Vertikal, Schräg- oder Horizontalbohrungen handelt. In besonderen

Fällen kann die Bergbehörde die Vorlage eines Betriebsplans verlangen.


6.2 TECHNISCHE BESCHREIBUNG

Für eine möglichst praxisnah ausgerichtete Beurteilung wurden zunächst tatsächlich existierende

bergmännische Hohlräume gesucht und der aus strategischen Gründen des Unternehmens offen

gehaltene Teilbereich einer Schachtanlage im östlichen Ruhgebiet ausgewählt. Hilfestellung leistete

die zuständige Fachabteilung der RAG Deutsche Steinkohle AG. Die geplanten untertägigen Bohrungen

wurden theoretisch auf das Niveau der 6. Sohle des Bergwerks mit einer Teufe von etwa -

1.200 m verlegt. Aus praktischen Erwägungen wurden mit 6“ (Zoll) (152 mm) und 500 m der gängige

maximale Durchmesser und die damit größte ausführbare Länge für die Geothermiebohrungen

festgelegt, die das Unternehmen unter den vorgegeben Umständen mit eigenem Bohrgerät stoßen

kann. Zum Vergleich sollten zusätzlich Bohrungen mittels eines marktgängigen Bohrgerätes für eine

Bohrlochgröße von 9“ (229 mm) betrachtet werden. Mit diesem wären Bohrlochlängen von je 800 m

möglich.

Mit dem gleichen Enddurchmesser von 9“ sollte die Vergleichsbohrung von Übertage ausgestattet

sein und ebenfalls die Endteufe von -2.000 m erreichen. Für diese Bohrung waren Kosten für die

Erstellung eines Bohrplatzes und einer üblichen Baustelleneinrichtung aufzunehmen. Für das weitere

Vorgehen wurde von der Fachabteilung das Setzen eines Standrohres und die weiteren Bohrungen

in den unterschiedlichen Gebirgsschichten mit den notwendigen Verrohrungen entsprechender

Längen geplant. Als letzter Schritt wurde das Einbringen einer vorgefertigten Wärmesonde

eingesetzt. Die Kosten für diese Arbeitschritte im Zusammenhang mit dem Bohren sind im Unternehmen

aufgrund umfangreicher Erfahrungen hinlänglich bekannt.

In gleicher Weise wurden die Arbeitsschritte für die Bohrungen aus der untertägigen Strecke festgelegt

und die diesbezüglichen Kosten notiert. In allen Fällen sind die Kosten für die individuell unmittelbar

notwendige Infrastruktur, Miet- und Personalkosten enthalten. Peripher entstehende Aufwendungen,

wie z.B. für die Förderspiele im Schacht oder Aufrechterhaltung der Transportwege,

sind für die Untertagebohrungen nicht enthalten, ebenso wenig wie diejenigen für das Anliefern des

Bohrgerätes mittels Tieflader oder für zusätzlich anfallende verkehrstechnische oder sonstige Maßnahmen

bei der Übertagebohrung.

Sämtliche für die Wärmegewinnung und den –transport notwendigen Bauteile, einschließlich der in

die Bohrungen einzubringenden Erdwärmesonden, sollen im Wege eines wärmeisolierten Ringleitungssystems

miteinander verbunden sein. Damit wird ein geschlossenes Fließsystem erreicht, sodass

der Umlauf des Wärmeträgermediums mit lediglich geringem Pumpaufwand zur Überwindung

der Rohrreibung bewerkstelligt werden kann. Als Werkstoff für die Sonden wurde Kunststoff, für die

daran angeschlossenen Sammelleitungen innerhalb des Ringverbundes Stahl angenommen. Üblicherweise

werden Erdwärmesonden in einem Stück geliefert und eingebaut. Hierfür kann nur relativ

flexibles Werkstoffmaterial verwendet werden. Kunststoff für die innerhalb der Bohrlöcher gegen die

Bohrlochwandungen fest verpressten Erdwärmesonden ist üblich und kann als ausreichend druckresistent

erachtet werden.

Aus Kostengründen wurden für die Sammelleitungen Stahlrohre in der entsprechenden Druckstufe

festgelegt.

6.3 GEGENÜBERSTELLUNG DER BETRACHTETEN VARIANTEN

Nach einem Kostenvergleich für die Erstellung der unterschiedlichen Bohrungen von Unter- und

Übertage einschließlich der Wärmesonden mit Einbau weist im Vergleich der Bohrungen bis zur

Endteufe von -2.000 m die Bohrung aus der Strecke heraus einen Kostenvorteil von über 400.000,-

Euro je Bohrung gegenüber der über Tage angesetzten auf. Je nach Wärmemengenbedarf ist allerdings

davon auszugehen, dass für ein größeres Versorgungsgebiet mehr als nur eine 9“-Bohrung

benötigt wird. Bereits bei 3 derartigen Bohrungen würde, trotz einer unterstellten Kosteneinsparung

durch Mehrfachnutzung der Bohrplatzeinrichtungen und des Bohrgerätes für mehrere Bohrungen,

eine Differenz von rd. 1 Mio. Euro entstehen.

Angesichts dieser Kostendifferenz war die Übertagebohrung nicht weiter zu betrachten. Im Vergleich

zu den von Unter Tage ausgehenden 9“-Bohrungen nimmt sich die Erstellung der vom Un-


5

Gahlen.

ternehmen mit eigenen Mitteln durchführbaren 6“-Bohrungen äußerst preiswert aus. Diese erreichen

allerdings lediglich eine Endteufe von 1.700 m. Unter Berücksichtigung der geothermischen

Tiefenstufung wird damit eine um etwa 10 K niedrigere Gebirgstemperatur angetroffen, als bei den

2.000-Meter-Bohrungen. Wegen des zudem geringeren Bohrdurchmessers beträgt das Verhältnis

des Bohrlochquerschnitts der 6“-Bohrungen zu dem der 9“-Bohrungen 1 : 2,27, welcher sich in ähnlicher

Abstufung auf die Anzahl der einzubringenden Wärmesonden auswirkt.

Mit dem GeothermieZentrum Bochum (GZB) 6 wurde die Problematik der Vergleichbarkeit der unterschiedlichen

Bohrlöcher im Hinblick auf den Wärmeertrag erörtert. Bei den daraufhin dort durchgeführten

Simulationsrechnungen war eine Vielzahl die Vergleichbarkeit beeinflussenden Parameter,

wie das unterschiedliche Strömungsverhalten innerhalb der jeweiligen Rohrquerschnitte und die

daraus resultierenden Widerstände, Fließgeschwindigkeiten und Wärmeaufnahmekapazitäten zu

beachten. Diese wurden unter Berücksichtigung der miteinander zu vergleichenden Ergebnisse

durch Annäherung mittels Iteration kontinuierlich verändert. Schließlich konnte das Verhältnis der

Durchmesser der beiden miteinander zu vergleichenden Bohrungen etwa gleichgestellt werden mit

der Anzahl der zu stoßenden Bohrungen. Für die Zirkulation gleichen Volumens je Meter eines

Wärmeträgermittels in den Sonden wäre also bei vergleichbarer Fließgeschwindigkeit eine 2,27-fache

Anzahl miteinander verbundener 6 “-Sonden notwendig. Unter Berücksichtigung der kürzeren

Bohrlochlängen ist nach den Simulationsrechnungen ein Verhältnis der Sondenanzahl von 3 : 10 zu

unterstellen. Von der -1.200-m-Sohle aus kann mit 3 Bohrungen von je 9“ Durchmesser auf 2.000 m

Teufe etwa die gleiche Wärmeenergie gewonnen werden, wie von dort mit 10 Bohrungen von je 6“

Durchmesser auf eine Teufe von 1.700 m.

In dem diesen Umstand berücksichtigenden Kostenvergleich beträgt die Differenz beider Systeme

lediglich 45.000,- Euro zugunsten der kürzeren 6“-Bohrungen.

7 GRUBENWASSERNUTZUNG

Im Steinkohlenbergbau findet der Mineralabbau allgemein in tief gelegenen Gebirgsschichten statt.

Durch Risse und Klüfte im Gebirge in die bergbaulichen Hohlräume eindringendes Grubenwasser

kann in Abhängigkeit vom zuvor durchströmten Gestein gelöste und ungelöste Minerale, oft auch

fein verteilte, abrasive Feststoffe enthalten. Um eine andauernde Absenkung des Grubenwasserspiegels

in den heute aktiven bergmännischen Bereichen zu gewährleisten, wurden für die Bergwerke

großräumige untertägige Wasserleit- und Sammelsysteme geschaffen, in denen das abgeleitete

Grubenwasser in so genannten Grubenwasserhaltungen gefasst und von dort nach Übertage

gepumpt wird. Hier wird das Wasser in die entsprechenden Oberflächengewässer als Vorfluter eingeleitet.

6 GeothermieZentrum Bochum; Lennershofstr. 140, 44801 Bochum


Abbildung 1: Aktiver Bergbau Ruhr: Grubenwasserhebung, Bergschäden, Poldermaßnahmen

Um den Einstau des Grubenwassers in das Deckgebirge zu vermeiden, wird in weiten Regionen

des Ruhrgebietes wahrscheinlich auch nach der Einstellung des Steinkohlenbergbaus der Pumpbetrieb

aufrechterhalten bleiben.

Besondere Aufmerksamkeit ist auf geflutete Grubenräume zu richten, wenn sie sich in Nachbarschaft

zu aktiven Bergwerksteilen befinden. Insbesondere Dämme, hinter denen das Wasser hoch

ansteigen soll, müssen aufwändig verschlossen und abgedichtet werden, damit sie dem Druck des

ansteigenden Wassers standhalten zu können.

Mit Gründung der RAG-Stiftung im Jahre 2007 übernahm die RAG Deutsche Steinkohle die mit dem

Kohleabbau zusammenhängenden Aufwendungen für die Wasserhaltungsmaßnahmen ohne zeitliche

Beschränkung. Mittels eines besonderen Systems von miteinander verbundenen Wasserprovinzen

der Bergwerke in unterschiedlichen Höhenniveaus wird den genannten Anforderungen

Rechnung getragen. Im Jahr 2007 wurde von der RAG Deutsche Steinkohle an ihren bergwerkseigenen

und den 8 zentralen Wasserhaltungen an der Ruhr eine Wassermenge vom 79,9 Mio. m 3

Grubewasser gehoben vii .

Die geologischen Randbedingungen in all den genannten Gebieten sind aufgrund der bergbaulichen

Explorationsmaßnahmen weitestgehend bekannt. Im Aachener Revier ist in absehbarer Zeit

mit einem selbsttätigen Einlauf in die Oberflächengewässer zu rechnen. Hingegen müssen in den

Gebieten aktiven Steinkohlenbergbaus die aus den jeweiligen Bereichen zufließenden Grubenwässer

in einem Gesamtsystem unter Einbeziehung der bergwerkseigenen Wasserhaltungen an strategisch

günstigen zentralen Wasserhaltungen gesammelt und zur Tagesoberfläche gepumpt werden.

Hierbei ist auf die unterschiedlichen Zusammensetzungen der jeweils mit individuellen Stofffrachten

behafteten Wässer zu achten. Diese sind in Abhängigkeit von den aktuell abgebauten Flözpartien

und bergmännischen Tätigkeiten in den unterschiedlichen geologischen Horizonten Änderungen ihrer

chemischen und physikalischen Eigenschaften unterworfen. Je nach Ausgangstiefe der zu hebenden

Wässer weisen diese Temperaturschwankungen im Jahresverlauf zwischen 15 und 35 Kelvin

auf. Ihre Hebungskosten sind dem Kostenträger Kohle zugeschlagen. Da die geothermisch erwärmten

Grubenwässer aus betrieblichen Gründen ohnehin an die Tagesoberfläche gepumpt werden,

stehen sie der Wärmenutzung unter besonders günstigen Bedingungen zur Verfügung.

Im Oktober 2008 wurde im niederländischen Heerlen die weltweit bisher größte und erste zum Zwecke

der Grubenwassernutzung errichtete Gewinnungsanlage eingeweiht. Hier werden 350 Wohnungen,

ein Gemeindezentrum sowie mehrere Büro- und Geschäftsräume mithilfe des Grubenwas-


7

Gahlen.

sers geheizt und im Sommer gekühlt. Die Investitionskosten von rd. 16 Mio. Euro sind etwa zur

Hälfte aus Fördermitteln der EU und die andere Hälfte von örtlichen Investoren finanziert worden.

Das Wasser wird hierbei nicht aus betrieblichen oder Nachsorgegründen abgepumpt und weggeleitet,

sondern der primäre Grubenwasserkreislauf bewegt sich über mehrere eigens zu diesem

Zweck gestoßene Bohrlöcher im Stadtgebiet Heerlerheide als Förder- und Reinjektionsverbindungen

zu den rd. 700 m bzw. rd. 250 tiefen Grubenwasserhorizonten. Die Wärmeübergabe des Grubenwassers

findet in einer Heizzentrale auf einen Sekundärkreislauf statt, welcher dann den einzelnen

Verbrauchern zugeleitet wird.

Hierzulande dient die Erwärmung des Gebäudes der „Zollverein School of Management and Design“

in Essen als gelungenes Beispiel für die Grubenwassernutzung.

Im sächsischen Ehrenfriedersdorf wird das Besucherbergwerk einer Zinngrube mittels Grubenwassers

geothermisch erwärmt. In einem ehemaligen Steinkohlenbergwerk in Springhill, im Nordwesten

der kanadischen Provinz Nova Scotia konnten durch einen Tagesbruch Zugänge zu oberflächennahen

Teilen der Grubenbaue ermöglicht und Wasser mit einer Temperatur von 21 °C gewonnen werden.

In diesen beiden Fällen handelt es sich um vollständig geflutete Bergwerke, bei denen die heutigen

Grubenwassernutzungen eher Zufallsreaktionen als die Ergebnisse systematischer Verfolgung kontrollierten

Grubenwasseranstiegs darstellen.

8 RECHTLICHE BESTIMMUNGEN UND VORAUSSETZUNGEN BEI DER GRUBENWASSER-

NUTZUNG

Die Gewinnung von Erdwärme unterliegt den Bestimmungen des Bundesberggesetzes.

Bei der Nutzung der im Grubenwasser enthaltenen geothermischen Wärme im Zusammenhang mit

den für den Steinkohlenbergbau notwendigen Wasserhebungsmaßnahmen kann es sich um Tätigkeiten

im Rahmen der bergrechtlich zugelassenen Steinkohlengewinnung handeln. Die Wärmeenergie

liegt also bereits im erleichterten Zugriff über Tage vor. Zusätzliche kostenintensive Aufwendungen

für Exploration, Bohrungen in die Grubenbaue des Steinkohlenbergwerks und die Wasserhebung

entfallen.

Soll Erdwärme mittels Grubenwassernutzung aus stillgelegten und hinsichtlich der Steinkohlengewinnung

nicht mehr den Bestimmungen des Bundesberggesetzes unterfallenden Steinkohlenbergwerken

gewonnen werden, so muss für die Wärmegewinnung eine eigene Bergbauberechtigung

erwirkt werden. Der Inhaber einer solchen Bergbauberechtigung wird damit zum Bergbauunternehmer

eines „Erdwärme-Bergwerks“.

Die Hebung und Einleitung des aus den Steinkohlenbergwerken an die Tageoberfläche gepumpten

und in die Vorfluter geleiteten Grubenwassers erfüllt den Tatbestand der Gewässerbenutzung nach

§ 3 des „Gesetzes zur Ordnung des Wasserhaushalts (Wasserhauhaltsgesetz, WHG)“ und sind

damit, wie auch die Reinjektion des gehobenen Wassers in den Untergrund, erlaubnispflichtig. Für

die unter Bergaufsicht stehenden Betriebe in Nordrhein-Westfalen ist für seine Einhaltung ebenfalls

die landesweit tätige Bergbehörde zuständig, also die Abteilung Bergbau und Energie in Nordrhein-

Westfalen der Bezirksregierung Arnsberg.

9 AERATION

Aeration beschreibt den natürlichen Auftrieb erwärmter Luftmassen. Auslöser und Antrieb der Aeration

ist im Druckunterschied der aufsteigenden Luftmassen begründet. Sie wird heute vielfach als

natürliche Ent- und Belüftung mittels Abfuhr großer Wärmemengen aus Bauwerken genutzt. Aufgrund

der physikalischen Veränderung seines Zustandes dient hier der erwärmte Wärmeträger

selbst als Antriebsmedium.


9.1 NUTZUNG IN AUFWINDKRAFTWERKEN

Aufwindkraftwerke gehören in den Bereich der solarthermischen Stromerzeugung. Sie arbeiten

nach dem „Gewächshausprinzip“ bei dem sich die Erdoberfläche und damit die darüber befindliche

Luft unterhalb eines Glasdaches durch Sonneneinstrahlung aufheizt. Die erwärmte Luft strömt zu

einem Kamin und treibt dadurch Turbinen an. Ein kontinuierlicher 24-Stunden-Betrieb dieser Anlagen

kann mittels ausgelegter gefüllter Wasserschläuche gewährleistet werden.

Eine derartige Pilotanlage hat mehrere Jahre erfolgreich im spanischen Manzanares gearbeitet und

den Nachweis der Funktionalität von Aufwindanlagen erbracht. Wirtschaftliche Einsetzbarkeit ist

aufgrund der Erfahrungen allerdings erst mit Großprojekten, wie sie in Australien und Afrika geplant

sind, möglich.

9.2 GRUBENWETTERNUTZUNG

Durch den Dichteunterschied der untertägigen Wetter in bergmännischen Hohlräumen zur Umgebungsluft

an den Schachtköpfen von Ein- und Ausziehschächten kann natürliche Konvektion 7

auftreten. Diese ist oft sehr gering, äußerst unzuverlässig und kann sich in Abhängigkeit von den

äußeren Temperatur- und Barometerständen ändern, stillstehen, oder sich klima- und jahreszeitenabhängig

mehrmals im Jahr umkehren. Dennoch war diese natürliche Antriebsquelle auf ihre nutzbare

Wirkung hin zu untersuchen.

Bei Vernachlässigung eines möglichen barometrischen Druckunterschiedes zwischen einem Ein-

und einem Ausziehschacht gleicher Länge in einem Wettersystem ergibt sich ein Volumenstrom am

Ausziehschacht als Produkt aus dem Volumenstrom am Einziehschacht mit dem Quotienten aus

Aus- und Einziehtemperatur:

T

Vaus = Vein


T

& &

aus

ein

Bei der Energiegewinnung durch Aufwindkraftwerke wird die kinetische Energie bewegter Luftmoleküle

von dem Rotor einer durch den Wetterstrom angetriebenen Turbine in Rotationsenergie umgesetzt

und somit in elektrische Energie umgewandelt. Die Antriebsenergie der Turbine ist unmittelbar

abhängig von der Größe des Volumenstroms und damit vom Druckunterschied innerhalb des Gesamtsystems

vor und hinter der Turbine. Er wird durch die aufsteigenden Wetter am Ausziehschacht

und von der Differenz zwischen der Bergwerks- und der Außentemperatur am Schachtkopf

sowie dem Strömungswiderstand und dem Volumenstrom im Schacht und den wetterführenden

Strecken unter Tage bestimmt.

Über die unterschiedlichen Dichten der Wetter in Abhängigkeit von den Temperaturen kann der

Auftrieb im Ausziehschacht ermittelt werden:

Δ = ρ − ρ ) • g • ΔH

PA ( m;

ein m;

aus

ΔΡ A Auftrieb

ρ mittlere Dichte im Einziehschacht

m; ein

ρ m; aus mittlere Dichte im Ausziehschacht

g Erdbeschleunigung

Δ H einfache Auftriebshöhe

7 Ein „freier Konvektionsstrom“ entsteht, wenn sich z.B. Temperatur- oder Dichteunterschiede in Gasen oder

Flüssigkeiten ausgleichen; F.A. Brockhaus GmbH, Mannheim, 1986


9

Gahlen.

Für die Ermittlung des insgesamt auf eine Windkraftanlage wirkenden Auftriebdrucks im Ausziehschacht

(∆pA;gesamt) ist allerdings der Druckverlust der Wetter auf dem Weg durch das Grubengebäude

zu berücksichtigen:

Δ A;

gesamt

p = Δp

− Δp

A

GB

Δ pGB

hier: Druckverlust durch Einzelwiderstände

innerhalb des Grubengebäudes

in Pa

Bei der Ermittlung des untertägigen Druckverlustes spielt die Äquivalente Grubenweite (A) eine erhebliche

Rolle und findet umgeformt wie folgt Eingang in die Auftriebsberechnung viii :


ρ - ⎜

1,

193672


( − ρ ) • g • ΔH

Δ p A;

gesamt = m;

ein m;

aus

kg V&


• ⎟

3

m A ⎟


Der Wettervolumenstrom (V & ) bezieht sich auf die individuellen Messstelle, zum Beispiel auf den

Einbauort des Ventilators.

9.3 ÜBERTRAGUNG AUF REALE VERHÄLTNISSE

Auch hier wurde für die Ermittlung der Möglichkeit einer Aufwindnutzung ein für eine solche Datenerhebung

günstiger Bergwerksbereich im Ruhrgebiet gesucht. Der Betriebsbereich sollte von der

aktiven Steinkohlengewinnung abgekoppelt sein, gleichzeitig aber noch über einen voraussichtlich

längeren Zeitraum geöffnet bleiben. Die Voraussetzungen erfüllt ein Teilabschnitt des Grubengebäudes

eines ehemaligen Bergwerks im östlichen Ruhrgebiet.

Die Wetter strömen durch den Schacht auf die -1.030-m-Sohle ein, erwärmen sich in dem gering

verzweigten Streckensystem und steigen nach dem Durchströmen der etwa 6 km langen Verbindungsstrecke

am Ausziehschacht wieder auf. Personen halten sich in diesem gesamten Betriebsbereich

niemals unkontrolliert auf.

Sämtliche für die Auftriebsermittlung notwendigen Daten stellte die RAG Deutsche Steinkohle aus

ihrem Fundus der kontinuierlichen und der regelmäßig wiederkehrenden Datenerhebungen in dem

Betriebsbereich zur Verfügung. Betrachtet wurde ein Zeitraum von rd. 3 ½ Jahren. Abhängig von

den sich ändernden Außentemperaturen, schwankte der Volumenstrom im Ausziehschacht um bis

zu 28 %. Die dabei festgestellte Temperatur am Schachtfuß des Ausziehschachtes hingegen zeichnete

sich mit rd. 32 °C als äußerst konstant aus. A uch jahreszeitliche Schwankungen waren hier

nicht erkennbar. Für eine Auftriebsermittlung wurde daher die Betrachtung der Umgebungstemperaturen

am Kopf und Fuß des Ausziehschachtes als ausreichend identifiziert.

Mithilfe entsprechender Computerprogramme der RAG Deutsche Steinkohle für die Berechnungen

von Wetternetzen konnten die Simulationsberechnungen für Auftriebsberechnungen nach den vorliegenden

Angaben durchgeführt werden. Aus den Ergebnissen der computersimulierten Versuchsreihen

wird erwartungsgemäß Folgendes erkennbar:

� Die Zu- und Abnahme des Auftriebsdrucks und die Wettervolumenströme im Ausziehschacht

verlaufen annähernd kongruent gleichförmig und verhalten sich gegenläufig zur Außentemperatur

über Tage.

� Mit zunehmendem Wettervolumenstrom steigt der Druckverbrauch durch den zunehmenden

Wetterwiderstand.

2


Abbildung 2: Jahreszeitabhängiger Auftrieb im Schacht

9.4 PRAKTISCHE DURCHFÜHRUNG

Die jeweilige Leistung einer Windkraftanlage (WKA), auch Windenergieanlage (WEA) genannt, welche

die Luftströmung auf den Rotor überträgt, wird beschrieben durch:

1

= ρ π

2

2

P • • r • •

v

3

P Leistung

ρ Luftdichte in kg/m 3

r Radius der wirksamen Rotorenfläche

v Strömungsgeschwindigkeit

Hieraus folgt, dass bei installierten Windkraftanlagen mit unveränderlichen Abmessungen und annähernd

gleich bleibender Dichte der strömenden Luft die Anlagenleistung ausschließlich von der

Strömungsgeschwindigkeit abhängt und mit deren Anwachsen in der 3. Potenz zunimmt.

Bei der Suche nach einer für den vorgesehenen Zweck der Aufwindnutzung im Schacht geeigneten

WKA am Markt kamen nur entsprechend klein bauende Anlagen in Betracht. Beispielhaft soll hier

die 1 kW-Anlage Airdolphin Mark-Zero Z-1000 der Fa. Dr. Laackman Industrievertretungen e.K. 8

vorgestellt werden, welche gemeinsam mit dem Unternehmen auf Tauglichkeit für das angestrebte

Vorhaben hin untersucht wurde. Zur technischen Optimierung wurden im Schacht modellhaft strö-

8 „dein-windkraftwerk“, Fa. Dr. Laackman Industrievertretungen e.K., Zum Scheider Feld 53 • D - 51467 Bergisch

Gladbach


11

Gahlen.

mungsgünstige querschnittseinengende Schachteinbauten in Form von Leitblechen unterstellt und

in die Berechnungen der Wettergeschwindigkeit des Auftriebstroms einbezogen sowie der Mindestwetterquerschnitt

im Schacht auf 3,45 m 2 festgelegt.

Auf Basis dieses Schachtquerschnitts wurden die Berechnungen der sich einstellenden Wettergeschwindigkeiten

durch den natürlichen Auftrieb im Schacht für den gesamten Betrachtungszeitraum

modellhaft erstellt. Die Berechnungen führten zu folgendem Ergebnis:

In dem für die Anlage optimierten Schacht stellten sich in 7 der betrachteten ersten 12 Monate auftriebsbedingte

nutzbare Wettergeschwindigkeiten zwischen 12,5 und 20 m/s ein.

Die Ermittlung der Kosten für Einbau- und Wartungskosten der Anlage und Zusatzeinrichtungen im

Schacht wurde gemeinsam mit dem Hersteller und der zuständigen Fachabteilung der RAG Deutsche

Steinkohle durchgeführt. Erfahrungen über die Standzeiten der WKA liegen bislang nicht vor

und wurden zunächst mit 7 Jahren veranschlagt. Bei der angenommenen Betriebszeit einer derartigen

Gesamteinrichtung von 25 Jahren, bedürfte der Einsatz einer aufwindbetriebenen WKA in einem

Bergbauschacht mit Unterstützung des „Gesetzes zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren

Energien im Strombereich und zur Änderung damit zusammenhängender Vorschriften“ (EEG

neu) - ohne Kapitaldienst - eines jährlichen Zuschusses von 6893,84 Euro.

Für die vorangegangenen Betrachtungen einer geothermischen Nutzung durch Auftriebskräfte der

Wetter im Schacht wird die Aufrechterhaltung eines Grubengebäudes, bestehend aus mindestens 2

Schächten und einer Verbindungsstrecke in ausreichende Länge und Tiefe, vorausgesetzt. Dieses

sowie die Verhinderung von Grubenwasserzuläufen in die betrachteten Grubenbaue wird vom Unternehmer

derzeit aus anderen unternehmerischen Gründen gewährleistet und geht hier daher als

ohnehin anfallende „Sowieso-Kosten“ nicht in die Berechnungen mit ein.

Anstelle des hier betrachteten Einbauortes im Ausziehschacht könnte die WKA selbstverständlich

auch im Einziehschacht installiert werden. Allerdings ist in dem Fall zu beachten, dass aufgrund des

temperaturbedingten Dichteunterschieds der Luft dort eine geringere Wettergeschwindigkeit

herrscht.

9.5 RECHTLICHE BESTIMMUNGEN UND VORAUSSETZUNGEN

Neben zahlreichen diesbezüglichen Verwaltungsrichtlinien der nordrhein-westfälischen Bergbehörde

ist der übergeordnete untergesetzliche Rahmen für die sicherheitlichen Belange bei der Grubenbewetterung

in der „Bergverordnung für alle bergbaulichen Bereiche (Allgemeine Bundesbergverordnung

- ABBergV)“ ix und der „Bergverordnung für die Steinkohlenbergwerke (BVOSt) des Landes

Nordrhein Westfalen“ x vom 10. Januar 2000 festgelegt.

Für die Bewetterung untertägiger Arbeitsstätten wird verlangt, dass ständig eine gesunde, atembare

und den körperlichen Beanspruchung der Beschäftigten angemessene Atmosphäre aufrechterhalten

bleibt. Diese Anforderungen sind im Allgemeinen nur durch Haupt- und Sonderbewetterungen

mittels maschineller Lüfter sicherzustellen.

9.6 WEITERE BEISPIELE FÜR DIE GRUBENWETTERNUTZUNG

Neben dem Ziel der unmittelbaren Energiegewinnung sind auch weitere Nutzungsmöglichkeiten xi

von Grubenwettern denkbar. Das Kreiskrankenhaus im sächsischen Freiberger wird seit einigen

Jahren mit Luft aus den Grubenbauen der Himmelfahrt Fundgrube klimatisiert xii . Das Projekt wurde

von Mitarbeitern des Instituts für Bergbau der Technischen Universität Bergakademie Freiberg begleitet.

Zwar handelt es sich hier um ein ehemaliges Silberbergwerk, aber ähnlich oberflächennah

aufgefahrene Grubenbaue sind auch in anderen Bergbauzweigen zu finden. Die in dem hier beschriebenen

Beispiel jahreszeitlich unabhängig mit einer konstante Temperatur von 10°C und relativen

Luftfeuchte von rd. 95 Prozent gleichmäßig klimatisierten Wetter sind frei von Staub, Abgasen

und Pollen. Mit der Erwärmung beim Verbraucher auf 21 °C erreicht die Luft bei einer relativen

Luftfeuchte von etwa 50 % optimale Eigenschaften für OP-Säle und Patientenzimmer.

Eine weitere denkbare Möglichkeit für die Verwendung warmer Grubenwetter ist der Einsatz von

Wärmepumpen, welche unter zusätzlicher Energiezufuhr die erwärmte Luft am Ausziehschacht auf


ein nutzbares Temperaturniveau heben. Auf die Beschreibung der Funktionsweise von Wärmepumpen

soll hier verzichtet werden. Abhängig von der baulichen Infrastruktur um den Ausziehschacht

herum wäre dabei sowohl eine zentrale Wärmeerzeugung mit anschließendem Nahwärmesystem

denkbar, als auch die unmittelbarere Abholung der Primärwärme aus dem Schacht und Verteilung

auf die einzelnen, den umliegenden Gebäuden zugeordneten, Wärmepumpen.

10 ZUSAMMENFASSUNG

Die vorgestellten Überlegungen stellen den heutigen Stand der Möglichkeiten für die geothermische

Nutzung der Infrastruktur von Steinkohlenbergwerken in Nordrhein-Westfalen dar. Eine Vielzahl von

derartigen Projekten steht unmittelbar vor der Aufnahme der Tätigkeiten für ihre praktische Umsetzung.

Nicht zuletzt der Erfolg des mit Grubenwasser beheizten niederländischen Stadtteils Heerleheide

lässt den Durchbruch für großräumige Nutzungen des in Nordrhein-Westfalen vorhandenen

enormen und relativ einfach zugänglichen Erdwärmereservoirs in der Folge des zurückgehenden

Steinkohlenbergbaus erwarten.

Klaus Gahlen, GeothermieZentrum Bochum, Lennershofstraße 140, 44801 Bochum;

kcgahlen@web.de

Quellenangaben

i Verein Deutscher Ingenieure, Richtlinie 4640 „Thermische Nutzung des Untergrundes“

ii Schloz, Dr. Wilhelm: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg für Akademie für Natur- und Umweltschutz

BW, Vortrag Erneuerbare Energien/Geothermie am 13.05.2004

iii

Rummel, F., Kappelmeyer, O., Erdwärme - Energieträger der Zukunft? Fakten-Forschung-Zukunft; Verlag C.F.

Müller, Karlsruhe, 2. Auflage 1993, ISBN 3-7880-7493-0

iv

Akademie für Natur- und Umweltschutz Baden-Württemberg

v

Schmidt, Thomas u. Mangold Dirk; Solare Nahwärme mit Langzeit-Wärmespeicherung in Deutschland, in „erneuerbare

energie“, 4/08, S. 28-32 der AEE Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE – Dachverband, A-8200

Gleisdorf, Feldgasse 19

vi

Eikmeier, B, Ziolek, A., Mohr, M., Unger, H, Saisonale Wärmespeicherung in Grubenräumen -Grundlagen und

Standortdiskussion-, Ruhruniversität Bochum, Lehrstuhl für Nukleare und Neue Energiesysteme, Selbstverlag des

Lehrstuhls, 1998, ISBN 3-9806267-2-5

vii

Uhl, Otto, Vortrag „Wasserhaltungen der RAG Deutsche Steinkohle“, 2. Sitzung des AK „Bergbau Infrastruktur -

Geothermische Fragen“ der Energie-Agentur NRW, 13.Oktober 2008

viii

Wesely, Reinhard.“Belüftung für die Wettertechnik”; www.grubenbewetterung.de

ix

V. v. 23.10.1995 BGBl. I S. 1466; zuletzt geändert durch Artikel 1 V. v. 24.01.2008 BGBl. I S. 85; Geltung ab

01.01.1996

x

Bergverordnung zur Neubekanntmachung der BVOST, BVOBr und BVOESSE v. 13.09.2001, veröffentlicht 2001 in

allen Amtsblättern der Bezirksregierungen des Landes NRW

xi

Gahlen, Klaus: „Nutzung der Infrastruktur von Steinkohlenbergwerken zu geothermischen Zwecken“ Der

Geothermiekongress 2007 - Energie für alle Fälle : Tagungsband 29. - 31. Oktober 2007, Bochum. - 1. Aufl. - Geeste. -

(2007), S. 207 - 215

xii

Jahresbericht Bergbehörde Sachsen 2001

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