Geothermische Nutzung von Grubenwässern: Potentiale & Herausforderungen

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1 Geothermische Nutzung von Grubenwässern: Potentiale & Herausforderungen Die Grubenlandschaft in Sachsen Geothermieanlage Reiche Zeche /Freiberg Potentiale der Forschungsbohrung Zwickau Kolloquium Neue Materialien und Verfahren für die Energie- und Umwelttechnik, Zwickau

2 Grubenlandschaft in Sachsen: Hohlraumkarte Freiberg Zwickau/ Oelsnitz i. E. Aue/ Schneeberg Marienberg Annaberg Königstein Zinnwald Quelle: Sächsisches Oberbergamt

3 Grundlagen Grubenwassernutzung (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 ) 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

4 Das Freiberger Grubengebäude Reiche Zeche

5 Das Freiberger Grubengebäude Bergbau & Wasser Quelle: Wagenbreth, O. & Wächtler, E. Grube Himmelfahrt: Wassernutzung und Wasserhebung um 1871

6 Das Freiberger Grubengebäude: Der Rothschönberger Stoll Wasserlösestolln +430 m NHN +200 m NHN Quelle: Wagenbreth, O. & Wächtler, E m NHN

7 Das Freiberger Grubengebäude: Der Schacht Reiche Zeche 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 jährlicher 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? Quellen: Baacke, D. und Degner, T.

8 Grundlagenermittlung zur Grubenwassernutzung Reiche Zeche 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 Quellen: Baacke, D. und Degner, T.

9 Grundlagenermittlung zur Grubenwassernutzung Reiche Zeche (a) Wassermenge Schacht Reiche Zeche: 170 m³/h (b) Wassermenge Rothschönberger Stolln (Vor Zutritt RZ): 600 m³/h Quellen: Baacke, D. und Degner, T.

10 Grundlagenermittlung zur Grubenwassernutzung 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 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 Bohrung Grubenwassernutzung Reiche Zeche : Technische Umsetzung Campus TUBAF Reiche Zeche Alte Elisabeth Jonas-/ Georgenspat Stauraum Schloss Haupt- Stollnsohle Maschinenraum Schacht Alte Elisabeth

12 Grubenwassernutzung Reiche Zeche : Technische Umsetzung Prozess- Wasserkreislauf Wärmeübertrager Bergwasser Kreislauf - Bohrung: (147 m / 143 mm / Spülbohrverfahren) - Herstellung einer Bohrkammer (2 m x 2 m x 2 m / Sprengtechnologie) - Aufweitung: (550 mm bzw. 600 mm / Raiseboring) - Einbau der Rohre (PE-HD DN 225 x 20,5 mm bzw. DN Außendurchmesser 315 mm / Länge jeweils 36 m vorgefertigt; Einbau mit Kran / Rohranschlüsse verschweißt und nachisoliert / Verpressen (Kontraktorverfahren) mit Dämmer, 10 m-abschnitte kraftschlüssig)

13 Grubenwassernutzung Reiche Zeche : Technische Umsetzung Schacht Bohransatzpunkt IEC-Gebäude Quelle: Grab et al. (2010)

14 Das Zwickauer Grubengebäude Forschungsbohrung am Silberhof

15 Geologische Einordnung, Hydraulisches System Die Vorerzgebirgssenke: Landschaft und geologische Position (nach Wagenbreth et. al. 1990) (W: Wildenfels, Frankenberg-Wildenfelser Zwischengebirge, E: Erzgebirgskristallin, B: Bergaer Sattel), zitiert in Kloitsch Prinzipskizze wichtiger hydrodynamischer Prozesse in der Vorerzgebirgssenke (aus Kolitsch 2008)

16 Das Zwickauer Grubengebäude Tektonische Hauptstörungen Standort

17 Das Zwickauer Grubengebäude Schematischer Schnitt 3D-Modell; Quelle: LfULG

18 Grundlagenermittlung zur Grubenwassernutzung Forschungsbohrg Z. Leistungspumpversuch 26,7 g/l (Chlorid) 22 C 23,5 C 24 C 25 C 18,3 g/l

19 Grundlagenermittlung zur Grubenwassernutzung Forschungsbohrg Z.

20 Forschungsbohrung Zwickau Technische Umsetzung Quelle: Anger s Söhne

21 Grubenwassernutzung Forschungsbohrg. Z.: Technische Umsetzung

22 Vergleich

23 Vergleich. Reiche Zeche /FG Forschungsbohrung/Z Gegebenheiten: Wassertemperatur Entnahmebereich 18 C (Schacht), 14 C (Stolln) 23 C bis 25 C) 230 m u GOK, befahrbar 600 m u GOK, nicht befahrbar Druckverhältnisse frei (entspannt) (artes.) gespannt Wasserwegsamkeiten Niederschlagswasser neu gebildetes Grundwasser Klüfte/Störungszonen offene, geflutete Grubenbaue Rohstoff Erz Steinkohlen Niederschlagswasser+? neu gebildetes Grundwasser Klüfte/Störungszonen versetzte und verbrochene, geflutete Grubenbaue Teufenbereich -260 m NHN bis +350 m NHN -900 m NHN bis -300 m NHN Entstehungszeitraum Flutung seit 1168, maßgeblich Ende 19. Jhdt. bis Mitte 20. Jhdt., Ende: 1969 ca ca seit 1348, maßgeblich Ende 19. Jhdt. bis Mitte 20. Jhdt., Ende: 1978 ca bis Mitte 1990er Jahre

24 Vergleich. Reiche Zeche /FG Forschungsbohrung/Z Nutzung Erkundungs- und Planungszeitraum Bauherr Nutzung Bergwasserkreislauf avis. Entnahmerate Status Freistaat Sachsen SIB NL Chemnitz Heizung + Kühlung; IEC-Gebäude TU Bergakademie FG geschlossen; Wasserrückführung in RSS 230 m³/h (Heizung) 58 m³/h (Kühlung) Betriebsbeginn Mitte Freistaat Sachsen SIB NL Zwickau Heizung; beispielsweise. Technikum Westsächs. Hochschule Zwickau offen; Wasserhebung 20 m³/h Anträge auf (a) Nutzung der Geotherm. Energie: Oktober 14, (b) Auf Entnahme & (c) Einleitung IV/ 14

25 Vergleich. Reiche Zeche /FG Forschungsbohrung/Z Parameter Schacht RZ (04/2009) RSS (12/2008) FBZ Spannweite* ph-wert 6,08 7,10 6,19 bis 6,93 Temperatur 18,5 C 13,7 C 23 C bis 25 C** Chlorid 111,0 mg/l 42,6 mg/l mg/l bis mg/l Sulfat 781,0 mg/l 214 mg/l 214 mg/l bis 443 mg/l Nitrat 1,34 mg/l 5,50 mg/l 215 mg/l bis 310 mg/l Calcium 266,0 mg/l 80,2 mg/l 4050 mg/l bis 6110 mg/l Magnesium 54,5 mg/l 23,9 mg/l 1100 mg/l bis 1200 mg/l Kalium 9,96 mg/l 4,20 mg/l 97,9 mg/l bis 122 mg/l Eisen 0,06 mg/l 0,55 mg/l 130 mg/l bis 150 mg/l Mangan 5,12 mg/l 0,54 mg/l 3,4 mg/l bis 4,8 mg/l Natrium 52,60 mg/l 20,40 mg/l 4997 mg/l bis 7812 mg/l Aluminium 0,75 mg/l <0,05 mg/l 0,16 mg/l bis 1,2 mg/l Hydrochemische Gleichgewichtsmodellierung (PHREEQC; IGW TUD) RZ: (leichte) Übersättigung von Al(OH) 3 (a) und SiO 2 RSS: (leichte) Über-sättigung von Fe(OH) 3 (a) 1 g/m³

26 Fazit & Untersuchungsbedarf

27 Wassergüte: Konsequenzen, Beispiel Anlage 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

28 Quellen Kranz, K. & Dillenardt, J. (2010): Mine Water Utilization for Geothermal Purposes in Freiberg, Germany: Determination of Hydrogeological and Thermophysical Rock Parameters (Mine Water) Baacke, D. (2001): Geochemisches Verhalten umweltrelevanter Elemente in stillgelegten Polysulfiderzgruben am Beispiel der Grube Himmelfahrt in Freiberg/Sachsen TU Bergakademie Freiberg Grab, Th., Storch, Th., Kleutges, J., Grötzsch, S. und Groß, U. (2010): Geothermieanlage zur Grubenwassernutzung für Heizung ( kw) und Kühlung ( kw) Wagenbreth, O. & Wächtler, E. (Hrsg.) (1985): Der Freiberger Bergbau, Technische Denkmale und Geschichte Degner, T. (2003): Prognose von geochemischen Auswirkungen der Nachnutzung stillgelegter Bergbau-Stolln-Systeme am Beispiel des Freiberger Grubenreviers Meier, Dr.-Ing. habil G., (2005): Wasser führende Stollen im Altbergbau / Havarien Analyse Sicherung; Water leading galleries in abandoned mines / disaster analysis securing, Ingenieurbüro Dr. G. Meier, Wegefarth / Freiberg, in Tagungsband 5. Altbergbau- Kolloquium 03. bis TU Clausthal, S. 201 bis 222, Verlag Glückauf Essen 2005 Sächsisches Oberbergamt (2011): Kartenmaterial auf Folie 2 und 4, Foto auf Folie 20, Abbildung auf Folie 21. Konrad, Ch., Grund, K., Burghardt, D., Manke, T., Kluge, H., Beckert, A., Bachmann, S. (2010): Geothermische Grubenwassernutzung für den Standort reiche Zeche in Freiberg, Tagungsband Sächsischer Geothermietag, Zwickau/Oelsnitz, und Steinkohlenbergbau Zwickau e.v. (2000): Der Steinkohlenbergbau im Zwickauer Revier Kolitsch, S. (2008): Hydrogeologische Analyse und großräumige Modellierung des weiteren Vorerzgebirgssenkenraumes, Diss. TUBAF

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!