Geothermische Grubenwassernutzung

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Elizabeth Fuhrmann
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1 Das Freiberger Grubengebäude Grundlagen für geothermische Grubenwassernutzung Planungen/Beispiele für geothermische Gruben(wasser)nutzung

2 Das Freiberger Grubengebäude Seit dem Jahre 1168 wird im Gebiet des heutigen Freiberg Bergbau betrieben Wassernutzung und Wasserhebung um 1871

3 Das Freiberger Grubengebäude +430 m NHN +200 m NHN -260 m NHN

Das Freiberger Grubengebäude Der Flutungsraum: ab 1969 ca. 2,5 Mio. m³ Ausdehnung ca. 7-10 km² Tiefe von ca. 460 m Hohlraumanteil im Gneis ca. 0,01.. 0,02 % abgebaute Gangfläche beträgt ca.

4 Das Freiberger Grubengebäude Der Flutungsraum: ab 1969 ca. 2,5 Mio. m³ Ausdehnung ca km² Tiefe von ca. 460 m Hohlraumanteil im Gneis ca. 0,01.. 0,02 % abgebaute Gangfläche beträgt ca. 2,8 km² 15. Sohle markiert das tiefste Niveau bei ca. 260 m NN jährliche Niederschlag ca. 800 mm Grundwasserneubildung ca. 13 % GW-EZG ca. 15 bis 20 km² geothermische Tiefenstufe:0,03 C/m verfügbare Wassermenge/-Temperatur? Wasserbeschaffenheit? Konzeption der Anlage?

5 Das Freiberger Grubengebäude Grundlage für die geothermische Grubenwassernutzung am Schacht Reiche Zeche: 1982: 22 C Vordringen von Kaltfronten in größere Tiefen Verlust von Reaktionswärme (Sulfatoxidation) 1997 (bis heute): 18 C 19 C

6 Das Freiberger Grubengebäude (a) Wassermenge Schacht Reiche Zeche: 180 m³/h (b) Wassermenge Rothschönberger Stolln (Vor Zutritt RZ): 600 m³/h

7 (Geothermische) Gruben(wasser)nutzung Beispiel (1) Reiche Zeche II Bauphase Beispiel (2) Schloss Freudenstein Betriebsphase Beispiel (3) Krankenhaus Betriebsphase Beispiel (4) Campus TUBAF Planungsphase (offene Entscheidung)

8 (1) Reiche Zeche (theoretische) Wärmeübertragungsleistung (P): P = Q c w ς ΔT Q Massenstrom [L s -1 ] c w spezifische Wärmekapazität des Wassers [kj (kg K) -1 ] 4,187 kj (kg K) -1 ς Dichte [kg L -1 ] ΔT Temperaturdifferenz (T Heizungsvorlauf -T Heizungsrücklauf ) Übertragungsverluste

9 Beispiel Reiche Zeche: Anforderung an die Wassermenge für P = 800 kw (a) Heizfall: ΔT = 3 K (bzw. 4 K) Q = P (c w ς ΔT) -1 = 800 kw (4,187 kj (kg K) -1 1 kg L -1 3 K) -1 = 64 L s -1 = 230 m³ h -1 (1) Reiche Zeche Schacht Reiche Zeche T = 18 C; Q = 50 m³ h -1 Rothschönberger Stolln T = 14 C; Q = 180 m³ h -1

10 (1) Reiche Zeche Beispiel Reiche Zeche: Anforderung an die Wassermenge für P = 200 kw (b) Kühlfall: ΔT = 3 K Q = P (c w ς ΔT) -1 = 200 kw (4,187 kj (kg K) -1 1 kg L -1 3 K) -1 = 16 L s -1 = 58 m³ h -1 Schacht Reiche Zeche T = 18 C; Q = 50 m³ h -1 Rothschönberger Stolln T = 14 C; Q = 180 m³ h -1

11 (1) Reiche Zeche Wärmepumpe/Abnehmer Prozess- Wasserkreislauf Wärmeübertrager Bergwasser Kreislauf

12 (1) Reiche Zeche

13 (1) Reiche Zeche Ausgangswasserbeschaffenheit: Wasseranalysen Hydrochemische Gleichgewichtsmodellierung (PHREEQC; IGW TUD) RZ: (leichte) Übersättigung von Al(OH) 3 (a) und SiO 2 RSS: (leichte) Übersättigung von Fe(OH) 3 (a) 1 g/m³

14 (1) Reiche Zeche Veränderung der Wasserbeschaffenheit bei Temperaturänderung: Erwärmung und Abkühlung des Wassers Kontakt mit der Atmosphäre (CO2-Entgasung ph-anstieg Calcitfällung) Präzipitatbildung: Reiche Zeche: Al(OH)3(a), ZnSiO3, Calcit Rothschönberger Stolln: Fe(OH)3(a), ZnCO3, Calcit Konsequenzen: Wartung (Reinigung) der Anlage notwendig Kontakt mit der Atmosphäre vermeiden (geschlossener Kreislauf) hohe Durchströmung der Wärmeübertrager erzielen Material des Wärmeübertragers

15 (1) Reiche Zeche Genehmigungen, Vorschriften, Gesetzlichkeiten: bergfreier Bodenschatz ( 3 Abs. 3 Satz 2 BBergG) weitere maßgebende Gesetze: Lagerstättengesetz, WHG, Sächs. WG Erlaubnis nach BBergG 7; Bewilligung nach 8

16 (2) Schloss Freudenstein (a) Heizfall: P = kw; ΔT > 4 K (b) Kühlfall: P = 120 kw; ΔT > 4 K

(3) Freiberger Krankenhaus Nutzung von Grubenluft ganzjährig konstante Temperatur der Zuluft gleichbleibende Luftfeuchtigkeit keimfreie Luft Nach 8 Jahren wird sich die Anlage, für die üblicherweise

17 (3) Freiberger Krankenhaus Nutzung von Grubenluft ganzjährig konstante Temperatur der Zuluft gleichbleibende Luftfeuchtigkeit keimfreie Luft Nach 8 Jahren wird sich die Anlage, für die üblicherweise eine Betriebszeit von 20 Jahren veranschlagt wird, amortisiert haben und das, obwohl auf dem Gelände des Krankenhauses ein neuer Schacht abgeteuft werden muss. Außerdem werden jährlich etwa bis Euro an Energiekosten eingespart."

18 (4) Zentrale Kälteversorgung Campus TUBAF Neuer Schacht Bohrungen Wiesenschacht GOK 410 mnn Schacht Alte Elisabeth Alter Tiefer Fürstenstolln 330 mnn Kaverne mit Pumpen und Wärmetauscher 202 mnn Rothschönberger Stolln

19 Quellen Kranz, K. & Dillenardt, J. (2010): Mine Water Utilization for Geothermal Purposes in Freiberg, Germany: Determination of Hydrogeological and Thermophysical Rock Parameters (Mine Water) Schaberg, A (1998): Nutzung von gefluteten Grubenräumen zur Langzeit- Wärmespeicherung Messtechnische und numerische Untersuchungen. Diss, Technische Univ. Bergakademie Freiberg, Germany, 157 pp Baacke, D. (2001): Geochemisches Verhalten umweltrelevanter Elemente in stillgelegten Polysulfiderzgruben am Beispiel der Grube Himmelfahrt in Freiberg/Sachsen TU Bergakademie Freiberg Wagenbreth, O. & Wächtler, E. (Hrsg.) (1985): Der Freiberger Bergbau, Technische Denkmale und Geschichte.

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