Variationen zur geothermischen Nutzung der ... - Geothermie

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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.
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