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Sollten Sie sich hier gerne sehen, schreiben Sie uns bitte eine E‑Mail an: kassel25@grubenwasser.org.
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What We Learned from Heating and Cooling a (Semi)-Flooded Mine Gallery: Thermal Energy Storage at Reiche Zeche
Disused mines offer a promising opportunity for sustainable underground thermal energy storage (MTES), repurposing legacy infrastructure to balance seasonal heat supply and demand. As part of the BMBF-funded MineATES project, a field-scale pilot was implemented in a controlled experimental drift section within the historic Reiche Zeche silver mine in Freiberg, Germany. Three thermal cycles—heating up to 38 °C and cooling down to 2 °C—were conducted in a 20 m³ basin embedded in grey gneiss at 147 m depth. Monitoring included 90+ temperature sensors, tracer-based flow characterization, hydrochemical sampling, and fouling assessments. Results show that conductive heat transfer dominated, with storage efficiencies up to 60%. Tracer tests revealed ongoing groundwater inflow, leading to advective heat losses, while thermal cycling induced iron and manganese precipitation and pH shifts in mine water. Fouling of heat exchanger surfaces caused up to 45% performance loss, mitigated by coatings. These findings demonstrate both the potential and complexity of operating MTES systems in hydraulically connected, geochemically dynamic mine environments.
Einzelheiten zu diesem Beitrag folgen in Kürze. Bitte kommen Sie in ein paar Tagen wieder.
Der Schlüsselstollen ist der Hauptentwässerungsstolln des Mansfelder Reviers, über den ca. ca. 250 kt/a an Salzen und ca. 150 t/a Zink sowie jeweils 2 – 3 t/a Cu und Pb der Saale zugeführt werden, was dort zur Überschreitung der UQN-Werte für Zink im Sediment führt.
Es wurde untersucht, ob sich die o.g. Metalle elektrochemisch abscheiden lassen bzw. ob eine Abtrennung mittels des RODOSAN(R)-Verfahrens möglich ist und welcher Aufwand für eine Entsalzung mit begleitender Erzeugung von Chlor, Natronlauge/Soda und Wasserstoff zu erwarten wäre. Dabei zeigte sich, dass die Abreinigung mittels galvanischer Abscheidung von Zn, Cu und Pb nicht befriedigend verläuft. Die Abtrennung mittels RODOSAN(R)-Verfahren gelingt hingegen sehr gut bei Restkonzentrationen im Bereich von 10 – 20 µg/L (1/1000 der Ausgangskonzentration) bei einem spezifischen Energieaufwand von ca. 1 kWh/m³ (Technikumsversuche).
Die weitergehende Teilentsalzung erfordert dagegen einen bedeutend höheren energetischen Aufwand, würde aber u.a. die Erzeugung von bis zu 160 kt/a HCl oder 158 kt/a Cl₂, 7 kt/a Wasserstoff und 25 kt/a CaCO₃ zulassen bei einem Bedarf von bis zu 200 kt/a CO₂, das in Form von NaHCO₃ gebunden oder (nach einer weiteren Prozessstufe) auch in Form von Natriumhydrogencarbonat gewonnen werden kann. Unsere Untersuchungen zeigen, dass dabei ein sehr reines Produkt hergestellt werden kann. In ähnlicher Weise lässt sich auch sog. Kreislaufwasser (NaCl/CaCl₂-Lösung) aus dem klassischen Solvay-Verfahren zur Gewinnung von Soda aus Steinsalz/Kalk und Koks unter Gewinnung von Natriumhydrogencarbonat entsalzen, wobei wiederum Calciumionen in CaCO₃ überführt werden, was eine Form des CCS (carbon capture and storage) darstellt. Die Ableitung solcher Wässer in die Vorflut führt in Mitteldeutschland ebenfalls zu erheblichen Umweltproblemen.
Die elektrochemische Behandlung saliner Wässer ist daher auch unter dem Aspekt des CCS von Interesse. Zunehmend rückt auch die Abtrennung von Arsen, Blei, Zink und anderen störenden Ionen bei Solebadeanstalten in den Fokus der Behörden. Auch hierfür ist das Verfahren anwendbar.
Mit dem Temperaturtiefenprofil in der Hand erkunden wir mit Schachtkamera und ROV (Remotely Operated Vehicle) die ehemalige untertägige Arbeitswelt. Ziel ist es, die Ursachen und somit Interpretationsansätze der gemessenen Signale zu untersuchen. Mit zunehmender Teufe ändern sich die Anforderungen an Technik und Herangehensweise und es stellt sich die Frage: Welche Orte lassen sich mit einem kabelgebundenem Tauchfahrzeug erreichen? In dieser Session, zur Kassel25, begeben wir uns auf den langen Weg zu kartierten Dämmen und in einer Teufe von 225m befahren wir außerdem eine Pumpenkammer. Tauchfahrten in geflutete Bergwerksschächte 4.0.
Die Knauf Gips KG plant den untertägigen Abbau einer Gipslagerstätte im Raum Altertheim in der Nähe von Würzburg im Kammer-Pfeiler-Bau. Zur Bewertung potenzieller Auswirkungen auf die hydrogeologischen Verhältnisse – insbesondere auf die Mittleren Dolomite, einen bedeutenden Grundwasserleiter für die Trinkwasserversorgung – wurden von der DMT umfassende geowissenschaftliche Untersuchungen durchgeführt. Dazu zählen Bohrungen, geohydraulische Tests, chemisch-mineralogische Analysen und Laugungstests.
Im Rahmen dieser Arbeiten wurde ein gekoppeltes reaktives Stofftransportmodell mit COMSOL Multiphysics entwickelt, das die Wechselwirkungen zwischen Grundwasserströmung, Gipsauflösung und der Entwicklung der Kluftöffnungsweiten realitätsnah abbildet. Das Modell stützt sich auf Labor- und Felddaten, darunter hydrogeochemische Analysen, Durchlässigkeitsbeiwerte und Batch-Tests zur Gipsauflösung. Das numerische Modell ermöglicht die Simulation zeitlich variabler Veränderungen der Kluftgeometrie. Die Ergebnisse zeigen, dass die durch Gipsauflösung verursachten Änderungen der Kluftöffnungsweite selbst nach vielen Jahrzehnten sehr gering sind und sich auf den Einstrombereich der repräsentativen Klüfte fokussieren. Die Auswirkungen auf die Durchlässigkeit der Klüfte ist ebenfalls sehr gering – ein relevanter Aspekt für die Planung des Bergwerks und den Schutz empfindlicher Wasserressourcen.
Die Modellierung erlaubt eine quantifizierte Bewertung der Gipsauflösung und ihrer hydraulischen Effekte in sulfatführenden Gesteinen. Sie trägt wesentlich zum Verständnis geochemisch-hydraulischer Prozesse bei und liefert eine belastbare Grundlage zur vorausschauenden Bewertung möglicher Auswirkungen auf den regionalen Grundwasserhaushalt. Damit wird ein wichtiger Beitrag zur dauerhaften Sicherung der Trinkwasserversorgung im Umfeld des geplanten Bergwerks geleistet.
Das Grubenwassermanagement stellt eine der größten Herausforderungen in Bergbaufolgelandschaften dar. In diesem Zusammenhang kommt den Entwässerungsstollen eine zentrale Bedeutung zu, deren Instandhaltung für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung entscheidend ist. Um die Funktionsfähigkeit des tiefsten und längsten Entwässerungsstollens im ehemaligen Freiberger Revier (Sachsen, Deutschland) sicherzustellen, erfolgt seit März 2021 die Sanierung dieses sogenannten Rothschönberger Stollns. Dieser Stollen ist sowohl für stabile geotechnische als auch hydraulische Verhältnisse im gesamten Revier sowie an der Tagesoberfläche von entscheidender Bedeutung.
Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeiten zwischen natürlichen Karstlandschaften und anthropogen geschaffenen Grubenbauen etablieren wir das Konzept des „anthropogenen Karsts“. Dieses ermöglicht es uns, mithilfe von Methoden der Karsthydrologie die hydraulische Reaktion des Rothschönberger Stollns auf Prozesse wie Niederschlag, Schneeschmelze und anthropogene Eingriffe zu untersuchen.
Der Simulationszeitraum von 2015 bis 2023 wird hierbei von insgesamt vier verschiedenen linearen Speichermodellen simuliert, wobei eine Unterteilung in einen anthropogen unbeeinflussten Zeitraum von 2015 bis 2020 sowie einen durch Sanierungsarbeiten beeinflussten Simulationszeitraum von 2021 bis 2023 erfolgt. Letzterer umfasst unter anderem die wöchentliche Aufstauung und kontrollierte Abgabe von Grubenwasser mithilfe eines unterirdischen Stauraums.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Modellansatz mit linearen Speichermodellen eine rechnerisch effiziente Methode zur Simulation der Grubenwasserdynamik des Rothschönberger Stollns darstellt und dass etablierte Methoden der Karsthydrologie auf künstliche Strukturen und technische Eingriffe im Untergrund angewendet werden können.
Der Klimawandel erfordert eine umfassende Transformation aller CO2-emittierenden Sektoren, auch der Bergbausanierung der LMBV einschließlich deren Wasserbehandlung. Das Ziel Deutschlands und der gesamten EU ist es, bis 2045 die netto CO2-Emmisionen bis auf null zu senken.
Die Wasserbehandlung von bergbaubeeinflussten Fluss-, See- sowie gehobenen Grundwässern ist auf verschiedene Weise mit der Emission von CO2 verbunden. Diese resultieren, aus
• dem Energieverbrauch für den Abbau, die Aufbereitung und den Transport von Kalkprodukten,
• der thermischen Abtrennung von CO2 aus den Feststoffen im Falle der Branntkalkherstellung,
• der Freisetzung der CO2-Komponente aus karbonatischen Neutralisationsmitteln bei deren Lösung im Wasser und
• dem für die Applikation der Neutralisationsmittel benötigten Energiebedarf (Anlagenbetrieb, Schiffsdiesel etc.).
Die Applikation erfolgt im Wesentlichen durch In-Lake-Neutralisation in Bergbaufolgeseen (BFS) oder durch Wasserbehandlungsanlagen (WBA) oder Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA) sowie in Flusswasserkläranlagen zur Behandlung azidischer Grund-, Fluss- und Sickerwässer. Die in den einzelnen Phasen der Neutralisationsmittel (NM)-Applikation freigesetzten CO2-Mengen wurden quantifiziert und den einzelnen NM-Arten sowie den verschiedenen Applikationsarten zugeordnet.
In den Jahren 2015 bis 2022 wurden von der LMBV 280.000 t kalkbasierte Neutralisationsmittel im Rahmen der In-Lake-Neutralisationen (77 %) sowie in den Wasserbehandlungsanlagen (23 %) eingesetzt. Insgesamt wurde dadurch im Betrachtungszeitraum 188 kt CO2 freigesetzt.
Es wurde herausgearbeitet, dass durch den Brennprozess bei der Herstellung von Branntkalk und Kalkhydrat vergleichsweise viel CO2 freigesetzt wird. Zudem ist bei den Teilschritten der Herstellung, des Transports und der Applikation die Art der Stromerzeugung der zur Anwendung kommende Energie entscheidend.
Insgesamt wird bei der Wasserbehandlung von BFS mittels In-Lake-Technik weniger CO2 emittiert als bei der Wasserbehandlung in WBAs und GWRAs.
Auf Basis der fertiggestellten CO2-Bilanz werden nun Maßnahmen zur Minderung des CO2-Fußabdrucks der Wasserbehandlungsmaßnahmen der LMBV geprüft bzw. Optimierungen zum NM-Verbrauch umgesetzt.
Erste Bergbauspuren im kristallinen und sedimentären Spessart sind aus dem 15. Jahrhundert bekannt. Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts wurden im heute bayerischen und hessischen Mittelgebirgsteil Eisen, Kupfer, Silber und Blei, sowie Kobalt, Mangan und Schwerspat abgebaut. Im Gegensatz zum Erzgebirge oder dem Harz war der Bergbau im Spessart von geringerer Bedeutung und die Anzahl der Literatur darüber hält sich demzufolge in Grenzen. Montanhydrogeologische Arbeiten über den Spessart fehlen bisher gänzlich und auch die hydrogeologische Literatur ist überschaubar. Ziel der hier vorgestellten Studie war es, Grubenwasseraustritte bei historischen Bergwerken im Spessart zu lokalisieren und diese hydrogeochemisch zu charakterisieren. Auf der Basis von historischen Karten und der Auskunft von Bergbauhistorikern wurden zwischen Aschaffenburg und Bieber 14 Altbergbaue identifiziert, bei denen mit dem Austritt von Grubenwasser zu rechnen war. Letztendlich konnte an sieben dieser Lokalitäten Grubenwasser entnommen werden, wobei diese teilweise durch den Einsatz einer Wärmebildkamera von Quellaustritten unterschieden wurden. Neben den Hauptionen und Spurenelementen (0,45 µm Membranfilter) wurden die vor-Ort-Parameter Temperatur, elektrische Leitfähigkeit (EL), pH-Wert, Redoxspannung und Sauerstoffkonzentration gemessen sowie an allen Lokalitäten mit Grubenwasseraustritten die Durchflüsse ermittelt. Diese bewegten sich zwischen 3 und 19 L/min mit Wassertemperaturen zwischen 9 und 11 °C. EL reichte von 86 µS/cm an der Schwerspatgrube Erichstollen bis zu 652 µS/cm am Oberen Kahler Stollen. Alle pH-Werte sind zirkumneutral und reichten von 6,7 bis 7,7. An keiner der Wasseraustritte wird eine Umweltqualitätsnorm überschritten. Am Oberen Kahler Stollen beträgt die SO4-Konzentration 40 mg/L bei einer Ca- und Mg-Konzentration von 78 mg/L und 36 mg/L. Mittels multivariater Statistik (PCA, Clusteranalyse) lassen sich drei Gruppen von Grubenwässern isolieren, die ein Spiegelbild der geologischen Verhältnisse des Spessarts sind. Aufgrund der derzeitigen Datenlage lässt sich insgesamt feststellen, dass es keine problematischen Grubenwasseraustritte im Spessart gibt. Die geringen Frachten schließen zudem eine chemische oder geothermale Nutzung der Grubenwässer aus.
Mit dem Critical Raw Materials Act (CRMA), den die Europäische Union am 3.5.2024 verabschiedet hat, soll die Industrie für eine einheimische Evaluierung kritischer Rohstoffe beispielsweise durch Recyclingmaßnahmen oder einem Screening bestehender oder neu anfallender bergbaulicher Reststoffe (z.B. Halden) sensibilisiert werden. Untersuchungen belegen, dass u.a. die Absetzbecken des ehemaligen Anthrazit-Bergwerks in Ibbenbüren nennenswerte Mengen an kritischen und wertvollen Metallen enthalten. Auch Grubenwasserschlämme des ehemaligen Erz-Bergwerks Meggen im Sauerland wurden beprobt.
Die verfahrenstechnische Machbarkeit einer direkten Rohstoffgewinnung aus getrockneten Grubenwasserschlämmen durch Plasmareduktion wurde in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (Düsseldorf) geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass diese Methode einen Großteil des im Grubenwasserschlamm enthaltenen Eisens als hochreines Eisenpellet klimaneutral extrahiert werden kann. Gleichzeitig reichert sich in der anfallenden Restschlacke die weiteren ursprünglich im Grubenwasserschlamm enthaltenen Metalle an. Seltene Erden konnten beispielsweise um den Faktor 100 gegenüber dem Grubenwasserschlamm angereichert werden.
Eine Weiterentwicklung dieser Technologie hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und Formiergasverbrauchs sowie im Hinblick auf ein Upscaling des gesamten Prozesses kann eine Lösung der im CRMA formulierten Ziele sein: Bergbauliche Reststoffe wie beispielsweise Grubenwasserschlämme, können direkt bei ihrer Entstehung aufbereitet und verwertet werden, um eine Deponierung dieser Schlämme zu reduzieren. Dadurch, dass die Entsorgung und damit die entsprechenden Kosten reduziert werden können, kann die Vermarktung des hochreinen Eisens als Rohstoff für die Produktion von grünem Stahl einen Teil der Extraktionskosten kompensieren. Eine denkbare Vermarktung der an kritischen Metallen einschließlich Seltenen Erden angereicherten Schlacke stellt eine zusätzliche Gewinnmöglichkeit dar.