Evaluation der Durchlässigkeit des Deckgebirges im Rahmen des geplanten Grubenwasseranstiegs an der Ruhr – die Emscher Formation im Fokus

Till Genth, Lisa Rose, Henning Jasnowski-Peters, Christian Melchers

Zusammenfassung:

Der Anstieg des Grubenwassers und damit verbunden die Reduzierung der Grubenwasserhaltungsstandorte sind Hauptbestandteil des Grubenwasserhaltungskonzepts im ehemaligen Steinkohlenrevier des Ruhrgebiets. Für ein nachhaltiges Grubenwassermanagement ist die Berücksichtigung der hydraulischen Durchlässigkeit potentiell von Grubenwasser infiltrierender Formationen unerlässlich. Das oberste Schutzziel, der Schutz der Trinkwasservorkommen, ist durch einen Abstand zum Grubenwasser von 150 Meter dauerhaft zu gewährleisten. Für ein umfassendes Bild der hydraulischen Verhältnisse des Deckgebirges erfolgt eine lithostratigraphische, petrologische und petrophysikalische Analyse der Grundwassermessstellen, die im Rahmen des integralen Monitorings der RAG AG zur Überwachung der Grundwassermessstände im Deckgebirge bereits erstellt wurden. Das Tonmineralogie-Inventar in einer überwiegend tonmergeligen Lithologie der Emscher Formation sowie erste Analysen der petrophysikalischen Kenngrößen Porosität und Permeabilität bzw. hydraulische Durchlässigkeit stehen dabei im Fokus. Die Emscher Formation ist über den Einzugsbereich des Grubenwasseranstiegs im Ruhrrevier trotz ihrer augenscheinlich monotonen Lithologie als faziell heterogen zu bezeichnen. Daher ist es wichtig, diese „Poroperm“-Daten und einen quantifizierten Anteil der Tonminerale über den gesamten Abschnitt der Emscher Formation zu erfassen. Diese Daten finden weiter Anwendung in der Evaluation der Bohrlochgeophysik und hydrogeologischen Modellierung.

Historische Bergbauinfrastruktur als Chance für die regionale Wasser- und Energieversorgung im Harz

Oliver Langefeld, Sandra Nowosad, Mareike Bothe-Fiekert

Zusammenfassung:

Der Harz mit seinen 1200 mm Jahresniederschlag auf der Clausthaler Hochfläche und seiner Speicherkapazität, die auf sechs Talsperren im Westharz und vier von der Harzwasserwerke GmbH (HWW) betriebenen Grundwasserwerken beruht, versorgt täglich rund zwei Millionen Menschen und zahlreiche Industriebetriebe mit Frischwasser. Der Harz ist aufgrund seiner guten Wasserqualität nicht nur für Gebiete mit nitratbelasteten Grundwasserleitern von besonderer wasserwirtschaftlicher Relevanz, sondern auch für Regionen im Regenschatten des Gebirges mit einer durchschnittlichen Jahresniederschlagsmenge von nur 481 mm. Wird das derzeitige Versorgungssystem nicht ausgebaut, befürchtet die HWW, dass infolge des Klimawandels und der gleichzeitig steigende Bedarf der Nutzerregion mittel- und langfristig die Versorgung und Qualität des Wassers einschränken werden und Hochwasserereignisse wie im Jahr 2017 in Goslar zunehmen werden. Das montane Erbe der Region, das bis weit ins 16. Jahrhundert zurückreicht, könnte hier Abhilfe schaffen. Regionen mit einer geringen Speicherkapazität der Böden und einem hohen Oberflächenabfluss können anthropogene, unterirdische Hohlräume als potenzielle Wasserspeicher nutzen, um so plötzliche Regenmassen gezielt abzupuffern und für den späteren Bedarf einzuspeichern. Der Harz eignet sich für ein solches Vorhaben als Reallabor, da hier durch die weitreichende Montanhistorie bereits zahlreiche Stollen und Grubengebäude vorhanden sind. Im Rahmen des Projekts Energie- und Wasserspeicher Harz (EWAZ) hat die Abteilung Hydrogeologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz (HYWAG) des Leichtweiß-Instituts (LWI) der Technischen Universität Braunschweig bereits ein räumlich hochauflösendes hydrologisches Wasserhaushaltsmodell mit einem Modell für den Betrieb einzelner Speicher oder zusammenhängender Speichersysteme im Westharz mit Klimamodellen kombiniert, um die Systemdienstleistungen: Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung, Trinkwasserversorgung sowie die Stromversorgung mittels Energiespeicher zu simulieren. In einem Zwischenergebnis, von einem aus insgesamt fünf Planungsvarianten konnte gezeigt werden, dass bereits ein multifunktionaler Pump-Speicher, der mit einer bestehenden Talsperre gekoppelt ist, in der Zukunft die Hochwasserleistung deutlich verbessert würde, zusätzlich zu Verbesserungen der anderen Systemleistungen. Die Voraussetzung ist jedoch, dass die Wasserqualität des eingespeicherten Wassers nicht durch bergbaulich beeinflusste Wässer herabgesetzt wird und dass das bereits existierende System belastbar ist. Für das System der Entwässerungsstollen im Oberharz liegen derzeit zwar vereinzelte Daten zur Wasserqualität vor, der aktuelle Zustand der Hohlräume ist jedoch aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit nicht ausreichend bekannt, um Aussagen übe r die aktuelle hydraulische Verbindung der Stollen und Grubengebäude untereinander sowie Wechselwirkungen durch mögliche Leckagen zwischen dem gefluteten Gruben- bzw. Stollenwasser zu treffen oder um die oberirdischen Einzugsgebiete abzugrenzen. Um die „Black box: Untergrund“ zu entschlüsseln, arbeitet daher ein stark interdisziplinäres Konsortium aus Forschern der TU Clausthal und der TU Braunschweig, Behörden - und Industriepartnern aus verschiedenen Bereichen (Wasserwirtschaft, Montanarchäologie, Geologie, Hydrogeochemie, Sensorik und Vermessung, Neuronale Netze) eng zusammen. Ziel ist es, die heterogenen Datenquellen in einem Bereich zusammenzuführen und unter einer gemeinsamen Datenbasis (Single Source of Truth) für alle Projektbeteiligten nachhaltig nutzbar zu machen und in einem digitalen Modell abzubilden. So soll ein ganzheitliches, adaptives Wassermanagement der Region unter Verminderung von Nutzungskonflikten ermöglicht werden, indem für unterschiedliche Fragestellungen verschiedene Handlungsoptionen generiert und deren Einfluss auf Wasserqualität und -quantität simuliert und miteinander verglichen werden, sodass der bisherige Wasserbedarf durch den Harz auch zukünftig sichergestellt werden kann.

Innovative Feldmethode zur quantitativen hydrochemischen Analyse von Grubenwasser

Nils Schlatter, Bernd G. Lottermoser

Zusammenfassung:

Die Analyse des anorganischen Lösungsinhalts von Grubenwasser zur Umweltüberwachung bedingt standardmäßig eine sachgemäße Probenahme, eine Analyse der Vor-Ort-Parameter, einen gekühlten Transport und eine in der Regel zeit- und kostenintensive Analyse im Labor. Dabei kann es auf dem Weg ins Labor, trotz sorgfältiger Kontrolle, zum Ausfallen gelöster Inhaltsstoffe kommen. Zuweilen ist es auch nicht möglich die Proben adäquat oder überhaupt zu transportieren, wenn ein entlegener Ort untersucht wird. In diesem Fall und auch, wenn Zeit und Kosten eine Rolle spielen, wäre es hilfreich die Konzentrationen umweltrelevanter Elemente schon in-situ messen zu können. Zurzeit existiert allerdings keine tragbare Feldmethode, um Wasserproben in Echtzeit quantitativ auf eine Vielzahl von Elementen zu analysieren.

Eine neue innovative Feldmethode zur quantitativen hydrochemischen Analyse von Grubenwasser stellt die Analyse mittels der transportablen Laser-induzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) dar. Die spektroskopische Methode wurde mit großen laborbasierten Geräten bereits erfolgreich für die quantitative Wasseranalyse im ng/L Bereich eingesetzt. Die Miniaturisierung und Weiterentwicklung ermöglicht nun handgehaltene Geräte, die überall eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu tragbaren Röntgenfluoreszenz-Spektrometern gibt es bisher kaum gesetzliche Einschränkungen bei Transport und Verwendung und es können auch leichte Elemente wie Lithium detektiert werden. Auf dieser Basis wurde eine Feldmethode entwickelt, um natürliche und anthropogene Wässer wie Grubenwasser auf alle gelösten anorganischen Bestandteile zu analysieren. Bei geeigneter Kalibrierung können gleichzeitig alle gelösten anorganischen Inhaltsstoffe bereits vor Ort simultan und in kürzester Zeit analysiert werden. Die Probenvorbereitung, Messung und Auswertung nehmen dabei nur wenige Minuten in Anspruch. Bisher konnten bereits eine Reihe von Elementen wie Li, Na, Mg, K, Ca, Zn und Sr erfolgreich kalibriert werden und damit Standardlösungen und Mineralwässer mit relativ geringen Nachweisgrenzen analysiert werden. In Zukunft ist Forschung zu weiteren umweltrelevanten Elementen, wie Cu, Ni, Pb, As, Se, Cd und Cr geplant. In diesem Zusammenhang soll die Methode schlussendlich an verschiedenen bergbaulich beeinflussten Wässern evaluiert werden.

„Grubenwasser ist dreckig“ – Meinungen zu Grubenwasser in der deutschen Bevölkerung

Elke Mugova, Christian Wolkersdorfer, Stefanie Walter (walter@hs-mittweida.de)

Zusammenfassung:

In diesem Poster wird das Meinungsklima zu Grubenwasser und Grubenflutung in drei deutschen Steinkohle-Nachbergbauregionen, Ibbenbüren, dem Ruhrgebiet und dem Saarland, beschrieben. Jede Region weist einzigartige geografische, politische und bergbaugeschichtliche Merkmale auf, und die Untertagebergwerke wurden 2018 (Ibbenbüren und Ruhrgebiet) bzw. 2012 geschlossen. Untersucht wurden die vorherrschenden Meinungen und Emotionen der Bevölkerung zu Grubenwasser, Grubenwasserbehandlung, Grubenflutung sowie die Akzeptanz der Sanierungsmaßnahmen und des Bergbauunternehmens. Die Studie basiert auf einer repräsentativen Telefon- und Online-Befragung mit 1.527 Teilnehmern in den jeweiligen Regionen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Meinungsbild der Bevölkerung gegenüber Grubenflutungen und Bergbauthemen in Ibbenbüren nicht wesentlich unterscheidet, aber im Vergleich zum Ruhrgebiet und dem Saarland insgesamt positiver ausfällt. Im Allgemeinen ist das Interesse an bergbaubezogenen Themen sowie an Fragen des Umweltschutzes oder der erneuerbaren Energien gering, aber diejenigen, die sich für eines der Themen interessieren, interessieren sich auch für die anderen. Die Teilnehmer gaben an, dass sie sich mehr Informationen über Grubenflutungen wünschen. Von den Akteuren, die sich mit Grubenwasser befassen, wird das Bergbauunternehmen am ehesten in der Lage gesehen, potenzielle Probleme zu lösen, während von den Politikern am wenigsten erwartet wird, dass sie sie lösen.

Der Begriff Grubenflutung wird von den Befragten etwas positiver gesehen als der Begriff Grubenwasserrückstau, aber nach dem Student’s t-Test gibt es keine statistisch signifikanten Unterschiede. Im Vergleich zu anderen Umfragen weltweit sind die Ergebnisse ähnlich, was darauf hindeutet, dass die Erfahrungen mit dem Bergbauunternehmen die Emotionen gegenüber Sanierungsmaßnahmen und die Risiken, die die Menschen ihnen zuschreiben, beeinflussen. Allerdings wünschen sich die Menschen transparente und verständliche Informationen, stehen der Grubenwasseraufbereitung positiv gegenüber und lehnen Grubenflutungen generell ab.

Die gesellschaftliche Wahrnehmung gegenüber Grubenwasser – Herausforderungen und Chancen

Elke Mugova, Christian Wolkersdorfer, Stefanie Walter

Zusammenfassung:

In diesem Beitrag wird erstmals das Meinungsklima zu Grubenwasser und Grubenflutung in drei deutschen Steinkohle-Nachbergbauregionen, Ibbenbüren, dem Ruhrgebiet und dem Saarland, beschrieben. Jede Region weist einzigartige geografische, politische und bergbaugeschichtliche Merkmale auf, und die Untertagebergwerke wurden 2018 (Ibbenbüren und Ruhrgebiet) bzw. 2012 geschlossen. Untersucht wurden die vorherrschenden Meinungen und Emotionen der Bevölkerung zu Grubenwasser, Grubenwasserbehandlung, Grubenflutung sowie die Akzeptanz der Sanierungsmaßnahmen und des Bergbauunternehmens. Die Studie basiert auf einer repräsentativen Telefon- und Online-Befragung mit 1.527 Teilnehmern in den jeweiligen Regionen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Meinungsbild der Bevölkerung gegenüber Grubenflutungen und Bergbauthemen in Ibbenbüren nicht wesentlich unterscheidet, aber im Vergleich zum Ruhrgebiet und dem Saarland insgesamt positiver ausfällt. Im Allgemeinen ist das Interesse an bergbaubezogenen Themen sowie an Fragen des Umweltschutzes oder der erneuerbaren Energien gering, aber diejenigen, die sich für eines der Themen interessieren, interessieren sich auch für die anderen. Die Teilnehmer gaben an, dass sie sich mehr Informationen über Grubenflutungen wünschen. Von den Akteuren, die sich mit Grubenwasser befassen, wird das Bergbauunternehmen am ehesten in der Lage gesehen, potenzielle Probleme zu lösen, während von den Politikern am wenigsten erwartet wird, dass sie sie lösen.

Der Begriff Grubenflutung wird von den Befragten etwas positiver gesehen als der Begriff Grubenwasserrückstau, aber nach dem Student’s t-Test gibt es keine statistisch signifikanten Unterschiede. Im Vergleich zu anderen Umfragen weltweit sind die Ergebnisse ähnlich, was darauf hindeutet, dass die Erfahrungen mit dem Bergbauunternehmen die Emotionen gegenüber Sanierungsmaßnahmen und die Risiken, die die Menschen ihnen zuschreiben, beeinflussen. Allerdings wünschen sich die Menschen transparente und verständliche Informationen, stehen der Grubenwasseraufbereitung positiv gegenüber und lehnen Grubenflutungen generell ab.

Auswirkungen von klimatischen Faktoren auf Grubenwasser

Nele Pollmann (DMT), Christoph Klinger (DMT), Christine von Kleinsorgen (RAG)

Zusammenfassung:

Die Auswirkungen des Klimawandels und der damit einhergehenden Veränderungen der klimatischen Parameter werden in allen Bereichen relevanter. Die Relevanz von Untersuchungen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf den Untertagebergbau hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Das Ziel dieser Studie ist es, die klimatischen Auswirkungen auf die Quantität und Qualität des Grubenwassers zu untersuchen. Daher wurde eine Methode entwickelt, um numerische Modellierungen mit dem etablierten BoxModell zur Vorhersage des Klimaeinflusses auf das Grubenwasser durchzuführen.

Viele Grubenentwässerungssysteme weisen saisonal schwankende Zuflussmengen auf, was einen klimatischen Zusammenhang nahelegt. Es ist zudem bekannt, dass das in das Grubengebäude einströmende Wasser unterschiedlicher Herkunft sein kann. Einerseits gibt es gering salinare Wässer, die der Herkunft aus oberflächennahen Schichten und damit als von der Grundwasserneubildung beeinflusst zugeordnet werden können; andererseits gibt es auch stark salzhaltige Wässer, die als Schichtwasser von Prozessen an der Oberfläche weitgehend entkoppelt zufließen. Bisher wurde im BoxModell dieser Umstand nur bedingt berücksichtigt.

Für eine Berücksichtigung klimatischer Effekte ist es erforderlich, instationäre Zuflüsse in das Grubengebäude zu berücksichtigen. Die Verbindung zwischen klimatischen Einflüssen und dem Sickerwasser in die Bergwerke ist die Grundwasserneubildung, die über eine entsprechende Berechnung mit dem Grundwassermodell SPRING in das BoxModell integriert wird.

Auch wenn in die Grundwasserneubildungsberechnung zahlreiche klimatische Faktoren einfließen, zeigen Untersuchungen, dass Niederschlag eine Schlüsselrolle bei den Auswirkungen auf die Menge und Qualität des Grubenwassers spielt. Wesentliches Ziel ist es, den Einfluss von Niederschlägen und der damit verbundenen Grundwasserneubildung auf die Grubenwassermenge und -qualität durch numerische Modellierung und Simulation anhand verschiedener Anwendungsgebiete zu untersuchen. Dafür wurde ein Verfahren entwickelt, um die Speicher- und Sickerprozesse im über dem Bergwerk befindlichen Gebirge adäquat in ein Gesamtkonzept zu integrieren. Das Verfahren ermöglicht ein verbessertes Verständnis zur Herkunft der Zuflüsse in die Bergwerke sowie eine Berücksichtigung klimatischer Trends und Unstetigkeiten für Grubenwassermenge und Stofffrachten.

Die Wasserhaushaltssanierung im Lausitzer Braunkohlerevier unter Berücksichtigung von Klimawandel und Kohleausstieg

Dr. Oliver Totsche, Katja Kunze, Dr. Susann Wilhelm

Zusammenfassung:

Kernpunkt der Wasserhaushaltssanierung der LMBV in den Braunkohlerevieren Ostdeutschlands ist die Wiederauffüllung des Grundwasserabsenkungstrichters, die Herstellung von Bergbaufolgeseen, deren Anbindung an die Gewässersysteme sowie die Verbesserung der bergbaulich beeinflussten Wasserbeschaffenheiten.

Der fortgeschrittene Stand der Wasserhaushaltssanierung wird durch zwei tiefgreifende Änderungen wesentlich beeinflusst werden. Dies sind zum einen die Folgen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt, insbesondere die prognostisch verstärkt auftretenden Trockenperioden aber auch in Häufigkeit und Intensität zunehmenden Hochwasserereignisse. Zum anderen ist es der politisch beschlossene Ausstieg aus der Kohleverstromung und damit die Beendigung des Braunkohlebergbaus in Deutschland, was wiederum mittelfristig die Einstellung der bergbaubedingten Wasserhebung und dessen Ableitung in Oberflächengewässern zur Folge hat.

Zukünftig wird der Abfluss in den Vorflutern durch die schrittweise Reduzierung des Sümpfungswassers zurückgehen. Zudem besteht zeitgleich ein erhöhter Wasserbedarf für die Flutung der verbliebenen Restlöcher des derzeit noch aktiven Bergbaus sowie die Auffüllung des Absenkungstrichters.

Auch der Sanierungsbergbau der LMBV wird einen langfristigen Wasserbedarf für die wasserwirtschaftliche Nachsorge insbesondere zum Halten von Seewasserständen und der Gewährleistung der Wasserbeschaffenheiten benötigen.

Hinsichtlich der bevorstehenden Herausforderungen werden neue Strategien und Handlungsmöglichkeiten im Wassermanagement notwendig, um die Ansprüche der Wassernutzer entlang der Spree bis nach Berlin auch unter Berücksichtigung ökologischer Belange priorisiert abdecken zu können.

Bereits seit dem Jahr 2000 erfolgt die Bewirtschaftung des Wasserhaushalts in der Lausitz auf Basis länderübergreifender Bewirtschaftungsgrundsätze. Die Flutungszentrale Lausitz der LMBV nimmt bei der Koordination und Ausführung der Flussgebietsbewirtschaftung schon heute eine wesentliche Schlüsselpositon ein. Die Braunkohletagebaue stellen bei der notwendigen Anpassung des Wasserhaushalts einerseits ein Problem dar. Andererseits können sie durch die Nutzung als Speicher zum Hochwasserrückhalt und zur Niedrigwasseraufhöhung in Trockenzeiten auch zur Lösung der wasserwirtschaftlichen Herausforderungen beitragen.

Daher wird aufgezeigt, wie die LMBV in die gemeinsamen Anstrengungen des Bundes, der Länder, des noch aktiven Bergbaus und privater Initiativen zur zukunftsfähigen Anpassung des Lausitzer Wasserhaushalts eingebunden ist.

Ewigkeitslasten und Risiken durch Altbergbau und Flutung der Saargruben

Peter Lehnert

Zusammenfassung:

Ewigkeitskosten, Ewigkeitslasten, Ewigkeitsaufgaben, das ist, was der aktive Bergbauungelöst zurücklässt. Er lässt es zurück auf ewig und damit zu Lasten der nächsten Generationen. Ist es da nicht unsere Pflicht und Schuldigkeit, so weit und so ernsthaft wie möglich die ungeklärten Fragen und Aufgaben, die uns mit dem Auslaufen des Bergbaues in den ehemaligen Revierländern gegenüberstehen, zu lösen?

Sind wir doch die Generation(en), die vom wirtschaftlichen Aufschwung der Bundesrepublik an der Saar und an der Ruhr bis in die 70er Jahre hinein von der Kohle – so oder so –profitiert haben.

Quartierslösungen mittels Wärme aus Grubenwasser

Timm Wunderlich, Lukas Oppelt, Thomas Grab, Sebastian Pose, Tobias Fieback

Zusammenfassung:

Die Nutzung von regenerativen Energien für die Versorgung von Gebäuden mit Wärme und Kälte gewinnt immer mehr an Bedeutung. Der Gesetzgeber achtet vermehrt auf eine Versorgung mit regenerativer elektrischen- sowie Wärmeenergie von Wohngebäuden und Quartieren. Der Strukturwandel sowie die Neubauoffensive im Wohnungsbau bedürfen neuer und weiterer Technologien für eine nachhaltige erneuerbare und unabhängige Versorgung, um weitere Potenziale heben zu können. [1]

Geflutete Bergwerke oder Grundwasserpumpstationen stellen durch oftmals große Wasservolumina ein ganzjährig hohes Wärmepotenzial dar. Die verfügbaren Temperaturniveaus bieten ein beständiges Potential für eine Quartiersversorgung mit regenerativer Gebäude – und Prozesskühlung, sowie die Nutzung als Heizungswärme mittels Wärmepumpentechnik. [2]

Für eine Quartierslösung mittels Grubenwasser erfolgt eine Gegenüberstellung der Technologien in Vergleich zu konventionellen Heiz- und Kühlanwendungen (z. B. Heizöl oder Gas mit den jeweiligen ökonomischen und ökologischen Kriterien. Darüber hinaus wird der Vergleich zu Versorgungsquellen wie z.B. der Energie aus nachwachsenden Rohstoffen, welche vergleichsweise niedrige Betriebskosten aufweist, oder den regenerativen Energien aus Wind und Photovoltaik gezogen. Fossile Energieträger weisen dahingehend höhere Betriebskosten auf, welche für die Gesamt CO2-Bilanz eines Quartiers höhere Wirkungsgrade bewirken. Der Betrieb einer Grubenwasser- oder Grundwasserpumpstation, ist durch die Planung und der daraus resultierenden Jahresarbeitszahl (JAZ) entscheiden, wie maßgeblich die Emissionen in Zusammenhang mit der Nutzenergie beeinflusst werden. Die jährlichen Betriebskosten des Systems basieren auf elektrischer Energie und bieten in Verbindung mit der JAZ die größte Hebelwirkung für die Beeinflussung. Mithilfe von konstruierten Szenarien kann der Einfluss der betrieblichen Kosten für unterschiedliche Anwendungsfälle veranschaulicht werden, um zukünftige Handlungsmöglichkeiten abzuleiten und aufzuzeigen. [3]

Speziell werden auf die Hebel der JAZ (beeinflusst durch Temperaturhub zwischen Grubenwasser- und Vorlauftemperatur, Länge der Wärmetransportstrecke, Deckung Heiz-/ oder Kühlbedarf, etc.), sowie die bezogenen Strompreise betrachtet. Eine Eigenstromerzeugung bzw. die steigende CO2 – Steuer, wie auch eine Unabhängigkeit vom weltweiten Energiemarkt ist in den Vergleich mit einbezogen.

[1] Koalitionsvertrag, Bundesregierung der Bundesrepublik Deutschland: 2021-2025

[2] T. Wunderlich; L. Oppelt; T. Grab; T. Wenzel; P. Heinrich; R. Manig; T. Fieback: Energieversorgung von Gebäuden mit Grubenwasser: Chancen zur CO2-neutralen Wärmeversorgung, Geothermische Energie, Nr. 102, Jg. 31, S. 26-29 (2022)

[3] L. Oppelt, T. Grab, T. Wunderlich, T. Storch, T. Fieback: Mine Water Geothermal Energy - Abandoned Mines As A Green Energy Source, CLIMA 2022-Proceedings, Rotterdam, 2022, DOI: 10.34641/clima.2022.55

Die Zeit läuft – Grubenwasseranstieg in Lugau/Oelsnitz

Maria Ussath

Zusammenfassung:

Das ehemalige sächsische Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz befindet sich seit über 50 Jahren in einem ungesteuerten Flutungsprozess der bis zu 1200 m tief reichenden, bergmännischen Auffahrungen. Der stetig steigende Grubenwasserspiegel wird, sofern keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, nach bisherigen Erkenntnissen zu Vernässungen in besiedelten Teilen der betroffenen Gemeinden und einer qualitativen Beeinträchtigung der Oberflächengewässer in diesem Gebiet führen.

Seit der Einstellung der Grubenentwässerung 1971 erfolgt die Flutung des Grubengebäudes, die aufgrund komplexer geologischer Verhältnisse sehr langsam abläuft. Bisherige Untersuchungen prognostizieren, dass der Gruben- bzw. Grundwasserspiegel um das Jahr 2032 die Erdoberfläche im besiedelten Hegebachtal (+320 m NHN) erreichen wird und bis auf eine Höhe von 360 m NHN ansteigen kann. Vor allem im Bereich der tieferen Tallagen aber auch im Bereich von Schwächezonen (Störungen, Schächte, Erdrisse) ist ein Austritt von Grubenwasser, eine Beeinflussung des Grund- und Oberflächenwassers sowie eine Schädigung von Gebäuden und Infrastruktur zu befürchten. Von besonderer Bedeutung ist dabei die chemische Zusammensetzung des aufsteigenden Grubenwassers, welches insbesondere im tieferen westlichen Teil des Reviers auffallend hohe Salzgehalte aufweist (Messwerte GrWM Oelsnitz 2022: Natrium ˜ 4.700 mg/l, Chlorid ˜ 13.000 mg/l).

Zur Erweiterung des Kenntnisstandes und um die Flutungsentwicklung detaillierter und lokal differenzierter prognostizieren zu können ist eine Weiterentwicklung der gegenwärtigen Flutungsprognose (DMT GmbH Co. KG), welche auf einem 3D-Grubenwasseranstiegsmodell basiert erforderlich. Als geometrische Grundlage des geplanten, neuen Volumen-/Stofftransportmodells soll ein aktualisiertes 3D-Untergrundmodell (geologisches Strukturmodell) dienen, welches die relevanten hydrogeologischen Einheiten und deren Parametrisierung beinhaltet und ergänzend Ergebnisse aus geophysikalischen Untersuchungen einbeziehen. Die Volumen- und Stofftransportmodellierung wird unter Berücksichtigung neuer hydrogeologischer Daten und der Erkenntnisse aus langjährigen Isotopenanalysen erfolgen. Aus dieser Modellierung resultierende Prognosen und Empfehlungen sind ein grundlegender Bestandteil einer vorausschauenden und effizienten Gefahrenabwehr im Revier Lugau/Oelsnitz. Dieser Beitrag zur kassel22 stellt die allgemeine Problematik und den aktuellen Sachstand zum 3D-Strukturmodell im Revier aus Sicht des Geologischen Dienstes in Sachsen vor.

Möglichkeiten der Inwertsetzung und nachhaltigen Nutzung des Energiepotentials von Hebungswasser sowie der Infrastruktur auf Bergbaustandorten mit Wasserhaltung

Schiffer Rolf, WohnlichStefan, Rudakov Dmytro

Zusammenfassung:

Nutzungen erneuerbarer Energieträger stoßen auf ehemaligen Zechengeländen, auf Landschaftsbauwerken und ähnlichen Bergbauflächen bereits auf positive Resonanz.

Im Vortrag wird an Beispielen des deutschen Steinkohlebergbaus verdeutlicht, wie vorhandenes Energiepotential gehobener Grubenwässer genutzt wird bzw. werden kann. Es werden Anregungen für die Nutzung und Nachnutzung stillgelegter Bergbauareale gegeben und gleichzeitig die Möglichkeit von Synergien betrachtet, durch die eine Nutzung ermöglicht werden kann.

Der Vortrag stellt Technologien sowie additive Ansätze für eine nachhaltige Nutzung bzw. Weiterentwicklung am Markt befindlicher technischer Systeme vor, die im Rahmen eines von der Stiftung Bergbau und Wasser geförderten Projektes identifiziert und bewertet wurden.

Es wird eine Auswahl von Technologien herausgearbeitet, die für einen künftigen Einsatz infrage kommen könnten, auch wenn diese Ansätze derzeit zum Teil noch als eher experimentell zu bewerten sind. – Sie bergen neben der reinen Wärmenutzung unter Umständen auch das Potenzial zur Erzeugung von elektrischem Strom und sind damit geeignet, einen nachhaltigen Beitrag zu Klimaschutz und Energieversorgung zu leisten. So bieten hinsichtlich der Anwendung von Einzeltechnologien bei einer Verstromung aktuell in der Entwicklung befindliche elektrochemische Verfahren sowie turbinenbasierte Anwendungen die besten Chancen.

Ein vielversprechendes Konzept für eine Nutzung der an Standorten vorhandenen Energiepotentiale birgt der Einsatz einer standortspezifisch zu adaptierenden Systemtechnologie, durch die eine möglichst umfängliche und effiziente Nutzung des vorhandenen Energiepotentials sowie ggf. nutzbarer additiver Energiequellen erfolgen kann. – Hierzu wird eine Übersicht gegeben und diskutiert.

Planung und Umsetzung der Grubenentwässerung des ersten Braunkohlentagebaus in Pakistan / Tharwüste

Bernd Bräutigam, Waqas A. Aziz, Nawab Abid, Nimra Hussain, Saad Hussain

Zusammenfassung:

Im Jahr 2019 wurde erstmals in einem Tagebau Braunkohle in der Tharwüste im Südosten Pakistans aufgeschlossen. Seither wird in einer Teufe zwischen 140 m und 200 m im Abbaublock 2 der Fa. SECMC Braunkohle mittels Löffelbagger gewonnen und mit Trucks ins nahegelegene, neu gebaute Kraftwerk transportiert. Damit leistet die Verstromung von Braunkohle einen wesentlichen Beitrag zur Energiesicherung des Landes. Neben den Fragen zur Wirtschaftlichkeit der Kohlegewinnung (Teufe, Lagerungsverhältnisse, Kohlequalität) waren von Beginn an die Klärung der Kühlwasserbereitstellung für das Kraftwerk und die Tagebauentwässerung zwei weitere wesentliche Randbedingungen für das Gelingen des Vorhabens.

Gemäß den Planungen für den Kohleabbau in mehreren Tagebauen ist das Grubenwasser maximal zu recyceln um nicht nur den Kühlwasserbedarf unter Wüstenbedingungen zu decken, sondern auch für die Trinkwasserversorgung und landwirtschaftliche Nutzung eingesetzt zu werden. Da das Grundwasser eine Gesamtmineralisation von durchschnittlich 6 g/L (NaCl 5 g/L) aufweist, ist für die Trink- und Kühlwassernutzung eine Entsalzung zwingend. Derzeit werden ca. 80.000 m³ Grubenwasser pro Tag gefördert, wovon 50.000 m³/d als Kühlwasser für das Kraftwerk (660 MW) genutzt und ca. 30.000m³/d abgeschlagen bzw. zur Bewässerung eingesetzt werden.

Mit Inbetriebnahme des ersten Tagebaus wurde (noch ohne Nutzung als Kühlwasser) das gehobene Grundwasser zunächst in eine vorbereitete Geländesenke gepumpt. In der Folge entwickelte sich dort ein neues Biotop auf ca. 14 ha Fläche, eine Fischzucht wurde aufgebaut. Für die direkte landwirtschaftliche Nutzung des salzhaltigen Wassers wurden Versuchsflächen mit salzwasserresistenten Pflanzensorten angelegt und ein Pflanzprogramm „Thar Million Tree“ iniziiert, wovon bereits 60 % umgesetzt sind. Aufgesalzenes, nicht mehr recycelbares Kühlwasser wird in natürliche Salzseen abgeleitet, wo es weitestgehend verdunstet.

Ein Verfahren zur Bewertung und Voreinstufung des geothermischen Potenzials stillgelegter Bergwerke am Beispiel des Ruhrreviers

Dmytro Rudakov, Oleksandr Inkin, Rolf Schiffer, Stefan Wohnlich

Zusammenfassung:

Die vorgestellten Ergebnisse dienen der Bewertung des nutzbaren geothermischen Potenzials stillgelegter Bergwerke und aktiver Zentralenwasserhaltungen (ZWH) aufgrund einer Basisanalyse hydrogeologischer und geothermischer Bedingungen. Die Bewertungsmethode betrifft die Möglichkeiten zur Gewinnung der Erdwärmeenergie mit offenen geothermischen Systemen mit und ohne Rücklauf des thermisch genutzten Grubenwassers in die Bergwerke sowie auch geschlossenen Systemen mit Erdwärmesonden (EWS).

Das zur Bewertung herangezogene energetische Kriterium gründet sich auf der Energiebilanz beim Betrieb des geothermischen Systems und schließt den Verbrauch der erforderlichen elektrischen Energie aus konventionellen Quellen ein. Weitere Kriterien schließen eine Leistungszahl der Wärmepumpen (COP), thermische Leistung, Betriebsertrag und die Reduzierung der CO2-Emissionen ein; die Standorte werden aufgrund einzelner Kriterien oder auch ihres Mittelwertes. Das ermöglicht die Evaluierung geothermischer Systeme hinsichtlich energetischer, wirtschaftlicher und ökologischer Aspekte, einschließlich der zusätzlich gewonnenen Wärmeenergie, um Vorzugsstandorte einzustufen.

Eine Bewertungsmatrix zur quantitativen Analyse der Leistungs- und Kostenindikatoren beim Betrieb der geothermischen Systeme wurde entwickelt. Die Berechnungen und Voreinstufung des Erdwärmenutzungspotentials erfolgten für 28 Schächte im Ruhrrevier plus EBV und 8 ZWHs. Die energetische Effektivität offener Systeme ohne Wasserrücklauf in die Bergwerke liegt im Vergleich zu den offenen Zirkulationssystemen durchschnittlich höher; die jedoch effektiver im Vergleich zu den koaxialen und U-förmigen EWS in den Füllsäulen und bewässerten Zonen sind.

Die identifizierten Vorzugsstandorte werden im Weiteren durch numerische Modellierung vor der Installierung der geothermischen Systeme detaillierter untersucht.

Wasser – komplexe Aufgaben bei der bergrechtlichen Nachsorge am Beispiel eines zentralen Standortes der früheren Kohleveredlung in der Lausitz – Schwarze Pumpe

Sven Arnold, Karsten Handro, Rolf Luding

Zusammenfassung:

Auf dem Gelände des heutigen Industrieparks Schwarze Pumpe (ISP) wurde im Zeitraum 1955 bis 1970 inmitten der Lausitzer Heide ein Verbundbetrieb von Industrieanlagen (Gaswerke, Kokereien, Brikettfabriken) zur Braunkohlenveredlung errichtet und bis in die 1990er Jahre betrieben. Die Brennstoffversorgung erfolgte durch die umliegenden Braunkohletagebaue. Von diesen Anlagen gingen erhebliche Verunreinigungen des Bodens und Grundwassers mit aromatischen Kohlenwasserstoffen, Mineralölkohlenwasserstoffen und Phenolen aus. Mit der Umstrukturierung der Energiewirtschaft wurden ab 1990 schrittweise große Teile der Veredlungsanlagen stillgelegt und anschließend rückgebaut. Die Sicherung und Sanierung der Altlasten liegt heute in der Verantwortung der Lausitzer und Mitteldeutschen Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV). Die Sanierungsmaßnahmen der LMBV dienen vorrangig dem Ziel der Gefahrenabwehr für die abstromigen Schutzobjekte wie z. B. eine Trinkwasserfassung, Oberflächenwasser und dem Grundwasser, aber auch der Flächenvorbereitung für unterschiedliche industrielle und gewerbliche Folgenutzungen.

Zur Sanierung des Grundwasserschadens wird bereits seit 1997 eine komplexe hydraulische Maßnahme zur Hebung kontaminierten Grundwassers und dessen Abreinigung realisiert („Pump&Treat“). Dazu kamen u.a. dezentrale MPPE-Anlagen (Makro Poröse Polymer Extraktion) zum Einsatz, bei denen das teilgereinigte (BTEX, PAK) Wasser im Sinne eines hydraulischen Spülkreislaufes anstromig reinfiltriert wurde. Seit 2016 werden die anfallenden Wässer in der am Standort betriebenen Industriekläranlage vollständig biologisch gereinigt und in den Vorfluter Spree eingeleitet.

Eine noch bis Ende 2022 laufende Bodensanierung umfasst die Quellstärkenreduzierung mittels Bodenaustauschs (ca. 300.000 t) bis in die gesättigte Bodenzone (ca. 14 m unter GOK). Die Abreinigung des kontaminierten Bodens erfolgt über eine eigens für den Standort konzipierte vakuumthermische Reinigungsanlage. Einer gesonderten Behandlung werden das dabei anfallende sogenannte Spundwandkastenwasser und das Wasser aus der statischen Entwässerung unterzogen. Das Ziel der Maßnahme ist die signifikante Verkürzung der Laufzeit der hydraulischen Sanierungsmaßnahme.

Seit 1994 wird zur Sanierungsüberwachung ein umfangreiches Montanhydrologisches Monitoringprogramm (MHM) durchgeführt, welches die Überwachung der Grundwasserhydraulik, der Schadstoffausbreitung und der natürlichen Rückhalte- und Selbstreinigungsprozesse umfasst. Des Weiteren wird seit 1996 ein komplexes Grundwasserströmungs- und Schadstofftransportmodell betrieben. Dieses führt die Erkenntnisse aus dem MHM zusammen und dient der Beurteilung der weiteren Entwicklung des Grundwasserschadens sowie der Wirksamkeit der Sanierungsmaßnahmen.

Eine langfristig bestehende Herausforderung am Standort stellt die Instationarität der hydraulischen Randbedingungen dar. Die umliegenden Bergbauaktivitäten (Tagebauentwässerung, Flutung Tagebaurestseen) beeinflussen nicht nur die regionalen Grundwasserstände, sondern auch die regionale Grundwasserfließrichtung. So änderte sich im Zeitraum 2007 – 2010, verbunden mit erheblichen Konsequenzen für die laufende Sanierung, die Grundwasserfließrichtung von Nordwest nach Nordost. Lokal wird die Grundwasserdynamik auch durch den Betrieb von Entwässerungsgräben sowie die hydraulische Sanierungsmaßnahme selbst beeinflusst. Diese führt wiederum, zusammen mit einem komplexen hydrogeologischen System aus grundwasserleitenden und geringleitenden Schichten, zu einer räumlich stark differenzierten vertikalen Grundwasserdynamik. Besondere Herausforderungen resultieren darüber hinaus auch aus der Größe und der Lage des ca. 6 km² umfassenden Industriestandortes, der fast zu gleichen Teilen im Land Brandenburg und dem Freistaat Sachsen gelegen ist und den für beide Teile geltenden bergrechtlichen Nachsorgeverpflichtungen.

Effektive energetische Nutzung von Grubenwasser durch optimiertes Wärmeübertragerdesign

Lukas Oppelt, Timm Wunderlich, Thomas Grab, Sebastian Pose, Tobias Fieback

Zusammenfassung:

Die Nutzung von Bergbauwässern als regenerative Energiequelle zeigt eine wesentliche Möglichkeit der Nachnutzung von gefluteten Bergwerken auf. Besonders in Zeiten einer steigenden Anzahl an stillgelegten Bergwerken (z.B. Kohle) bieten die darin befindlichen Grubenwässer auch ein großes Potenzial für eine regernative, stabile und unabhängige Wärme- und Kälteversorgung. Zur Gewinnung der Wärme ist dabei oft ein Wärmeübertrager zwischen Grubenwasser und Heizkreislauf notwendig. [1] Durch den standortspezifischen Chemismus des Grubenwassers entstehen auf den Oberflächen im Wärmeübertrager Ablagerungen (Fouling). Diese führen dann zu einer Reduktion der übertragenen Wärmemenge, wodurch die Effizienz und Wirtschaftlichkeit einer Anlage wesentlich beeinträchtigt wird. [2] Die Dicke der Biofilme kann dabei bis zu 1000 µm betragen. [3] Ein Biofilm von ca. 250 µm führt bereits zu einer Reduktion der übertragenen Wärmemenge um ca. 50 %. [4] Die Effektivität einer solchen Anlage wird dadurch wesentlich beeinflusst. Zusätzlich entstehen für jede Reinigung Wartungs- und Stillstandskosten.

Zur Reduktion der durch das Fouling verursachten Kosten und folglich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit im Wettbewerb zu fossilen Energieträgern werden aktuell zur Verringerung bis hin zur Vermeidung dieser Verschmutzungen spezielle Oberflächenbeschichtungen erprobt. Anhand von verschiedenen Oberflächenkriterien wie Kontaktwinkel oder Zeta-Potenzial wurden bisher insgesamt 15 verschiedene Materialien und Oberflächen ausgewählt, die nun In-Situ an verschiedenen Grubenwasserstandorten mit einem mobilen Wärmepumpenversuchsstand untersucht und deren Ergebnisse präsentiert werden. Dabei wird ersichtlich, dass durch optimierte Materialauswahl die übertragene Wärmemenge trotz Fouling um bis zu 80 % verbessert werden kann. Zudem wird deutlich, dass standortabhängig die Kühlanwendung mehr Fouling verursachen kann als die Nutzung des Grubenwassers zum Heizen.

[1] L. Oppelt, T. Grab, T. Wunderlich, T. Storch, T. Fieback: Mine Water Geothermal Energy - Abandoned Mines As A Green Energy Source, CLIMA 2022-Proceedings, Rotterdam, 2022, DOI: 10.34641/clima.2022.55

[2] L. Oppelt, T. Grab, S. Pose, T. Storch, T. Fieback: Mine water geothermal energy as a regenerative energy source - status quo and results from five years of monitoring, Oil Gas EUROPEAN MAGAZINE, 47. Edition, 1/2021, S 15-19, März 2021, DOI: 10.19225/2103054

[3] K. Nandakumar et. al: Biofouling and Its Prevention: A Comprehensive Overview. In: Biocontrol Science Vol. 8. Nr. 4, S. 133–144. (2003)

[4] Goodman, P. D.: Effect of chlorination on material for seawater cooling system: a review of chemical reactions. Bra. Corr. J. 22, 56-62 (1987)

Vorschläge für ein revierweites Monitoringkonzept der Grubenwasserflutungen ehemaliger Steinkohlenbergwerke im Ruhrgebiet

Dr. Michael Denneborg, Dr. Uwe Boester

Zusammenfassung:

Im Zuge des Nachbergbaus an Ruhr und Saar müssen Auswirkungen der Flutung der ehemaligen Bergwerke nach Einstellung der tiefen Grubenwasserhaltungen überwacht werden. Aktuell ist ein Ansteigen der Grubenwasserstände bis zu definierten Grubenwasserständen vorgesehen, die auf Risikoüberlegungen beruhen. Die Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs können die drei Umweltbereiche Wasser, Bodenbewegung und Gasaustritte betreffen.

Im Rahmen eines Monitoringkonzeptes müssen für diese drei Bereiche Ziele festgelegt werden, anhand derer eine Gefährdung auszuschließen und ein plan- und erwartungsgemäßer Grubenwasseranstieg bzw. die Zieleinhaltung festgemacht werden kann. Für eine solche Zieleinhaltung gilt es für die drei Umweltbereiche in Maß und Zahl Indikatoren zu definieren, die – im Gegensatz zu einer Vielzahl von Einzelmesswerten – schnell und nachvollziehbar die Auswirkungen des Grubenwasseranstieges abbilden. Ein auf dieser Basis definiertes Bewertungssystem (Ampelsystem) ermöglicht dann die Entscheidung und Kommunikation, ob der Grubenwasseranstieg und seine Auswirkungen plan- und erwartungsgemäß verlaufen. Letztlich sind Handlungsoptionen erforderlich, die bei abweichenden bzw. absehbar abweichenden Entwicklungen rechtzeitig die Umsetzung von Maßnahmen erlauben, die negative bzw. unerwünschte Entwicklungen verhindern oder korrigieren.

Ein solches großräumiges Monitoring ermöglicht die Gesamtschau der raum- und zeitbezogenen Entwicklung, Prognose, Kontrolle und Bewertung des Grubenflutungsprozesses. Es bildet damit auch die Grundlage für eine transparente Kommunikation mit der Öffentlichkeit und den Entscheidungsträgern.

Für das Ruhrrevier werden auf Basis nationaler und internationaler Erfahrungen und wissenschaftlicher Forschung Abwägungsprozesse, Risikoanalysen und sich hieraus ergebende mögliche Ziele, Indikatoren, Bewertungssysteme und Handlungsoptionen vorgestellt. Der Betrachtungsschwerpunkt betrifft den Umweltbereich Wasser.

MineATES – Nutzung von Grubenwasser für die Speicherung von Energie (Wärme / Kälte)

Traugott Scheytt, Ceren Maden, Christian Engelmann, Martin Binder, Alireza Arab

Zusammenfassung:

Stillgelegte Bergwerke haben ein erhebliches Potenzial als Energie- und Rohstoffquelle und bieten darüber hinaus die Möglichkeit einer steuerbaren, (über-)saisonalen Ein- und Ausspeicherung von Wärme im Sinne von ATES (Aquifer Thermal Energy Storage). Man kann derartige Systeme als eine Art großskalige „Wärme-Akkus“ verstehen, welche den jahreszeitlichen Versatz zwischen Wärmedargebot und -nachfrage (z.B. Kühlen im Sommer; Heizen im Winter) ausgleichen können. Trotz etlicher Studien zu diesem Thema, wird Grubenwasser dennoch bisher nicht oder nur marginal zur Speicherung genutzt. Im Rahmen des vom BMBF geförderten F&E-Projektes MineATES mit mehreren Partnern an der TU Bergakademie Freiberg (Lehrstühle Bodenmechanik, Thermodynamik und Hydrogeologie) und dem DBI GUT sollen die notwendigen Grundlagen und Anforderungen an das Systemverständnis herausgearbeitet werden, welche für eine fachlich korrekte und zugleich wirtschaftliche Nutzung von bergbaulichem ATES für geothermische Zwecke notwendig sind. Die Untersuchungen im Projekt MineATES finden primär im Lehr und Forschungsbergwerk Reiche Zeche Freiberg statt. Besondere Projektschwerpunkte von MineATES liegen zum einen auf Monitoring-Untersuchungen zu den thermischen, hydraulischen und hydrogeochemischen Auswirkungen von ATES im Bergwerk sowie auf der Bewertung der Beständigkeit der Wärmeübertrager-Technik als essenzielle Untertage-Übertage-Schnittstelle und wichtiges Bindeglied im Kontakt zu Grubenwässern. Hierzu werden technische Pilotskala-Versuche zur Ein- und Ausspeicherung der Wärme sowie zu ATES-Betriebsszenarien (Heiz- und Kühlzyklen) durchgeführt. Zum anderen werden adaptive numerische Modelltools zur Abbildung der Prozesse im Bergwerk und zur Identifikation optimaler Betriebsparameter entwickelt. Komplementär dazu werden GIS-gestützte Analysen zur Bewertung der äußeren Randbedingungen durchgeführt; dies bezieht die Erfassung des Wärmedargebots und der Wärmenachfrage im Untersuchungsgebiet Freiberg mit ein, aber auch die Möglichkeiten der Verteilung.

Geo und IT – Praktische und systematische Gedanken zur Einrichtung und dem Betrieb zukunftsweisender Geomonitoringsysteme

Stephan Bökelmann

Zusammenfassung:

Monere heißt warnen: Monitoring-Systeme helfen Nutzern, Warnungen und Informationen besser einordnen und damit besser reagieren zu können. Die Geowissenschaften stellen für Monitoring-Systeme ein interessantes F&E-Feld dar. Leider gibt es keine etablierten Entwurfsmuster, weswegen jedes geowissenschaftliches Team sein eigenes Süppchen kocht. Darunter leidet zum Einen die Langlebigkeit der Systeme, zum Anderen ergeben sich handfeste Probleme: Die Folgen für Datenaustausch, Interoperabilität, Wartbarkeit und Resilienz sowie auch IT-Security sind nicht absehbar. Dabei gibt es Auswege aus dem Dilemma: Kostengünstig als Open-Source-Lösung verfügbar, modularisiert und schon für halbe Nerds umsetzbar.

Elektroingenieur Stephan Bökelmann (33) und sein Team haben in den vergangenen Jahren viele Monitoringsysteme unterschiedlicher Größen gebaut: Angefangen bei kleinskaligen Labormonitoringsystemen, über Installationen bei weltmarktführenden Maschinenherstellern, Beschleunigeranlagen am CERN und der GSI bis hin zu europaweiten Infrastrukturprojekten mit der DB-Netz. In seinem Vortrag fasst er die gesammelten Erkenntnisse zusammen.

Der Vortrag beleuchtet die modularisierte Architektur professioneller Monitoringsysteme und verweist an geeigneten Stellen auf etwaige Standardtechnologien, die sich als

als Open-Source Lösungen kostengünstig in vielen Forschungsprojekte anwenden lassen.

Stephan Bökelmann achtet bei der Toolauswahl auf niedrige Einstiegshürden: Wer digital vernetzte Systeme in einem Büro, wie Sharepoint und Co, nutzen kann, kann auch die Tools einsetzen.

Stephan Bökelmann stellt keine Anleitung vor, um ein neues Monitoringsystem zu designen. Sein Talk ist der 5000ft-View, um Arbeitspakete und Arbeitsaufwände bei der Umsetzung von Monitoringsystemen für Forschungsprojekte besser einschätzen zu können. Außerdem hilft er den Zuhörern, um im Kollegium mit ein wenig IT-technischem Nerdwissen glänzen zu können.

Ionenaustauschbasierte Rückgewinnungstechnik für Wertmetalle aus Grubenwässern mit komplexer chemischer Zusammensetzung – Beitrag zur Umweltentlastung und Kreislaufwirtschaft

Nils Hoth, Janith Abeywickrama

Zusammenfassung:

Die Nachfrage nach Rohstoffen steigt Tag für Tag. Dies betrifft vor allem auch Wertelemente, die im Umbau der Energieversorgung eine wesentliche Rolle spielen. Bezüglich dieses Umbaus sind vor allem auch Kobalt und Kupfer zu nennen (Batterie- und Leitungssysteme).

Vom Bergbau beeinflusste Wässer sowie anfallende Reststoffe weisen oft, gerade in Bezug auf Metallgehalte, ein Schadstoffpotential auf. Somit ist es eine ideale Vorgehensweise die Wasseraufbereitung, in Bezug auf diese Metalle/ Elemente mit ihrer wirklichen Rückgewinnung zu verknüpfen. Die Wiederverwendung dieser Metalle ist im Sinne der Kreislaufwirtschaft ein doppelt lohnendes Ziel, da gleichzeitig auch noch die negativen Umweltauswirkungen vermindert werden.

Es wurde eine Reihe von Festbett-Ionenaustausch-Experimenten im Labormaßstab durchgeführt, um die Anwendbarkeit chelatbildender Ionenaustauscherharze für die selektive Rückgewinnung von Wertmetallen aus verschiedenen Bergbauabwässern zu bewerten. Die hier vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf Wässer aus Haufenlaugungsmaterial einer chilenischen Kupfermine

Während des gesamten Beladungsprozesses wurde eine signifikante (Ab)Trennung von Kobalt und Kupfer erreicht. Weiterhin wurde keine Affinität zu Erdalkali- und Alkali-Ionen festgestellt, welche die Wirksamkeit mindern würde. Außerdem wurde im zweiten Zyklus kein signifikanter Abfall der Harzkapazität beobachtet.

Die Rückspülung der Harze nach Beladung (= Entladung) führte zur Rückgewinnung von mehr als 80% des Kupfers mit einer Spitzenkonzentration von 18 g/L. In der zweiten Stufe wurde die Kobaltkonzentration auf bis zu 5,7 g/L erhöht. Insgesamt wurden erfolgreiche Versuche zur sequentiell, „chromatografischen“ Entladung der Harze durchgeführt. Dabei wurde mehr als 96% des im Bergbauwasser gelösten Kobalts selektiv zurückgewonnen. Es erfolgte dabei eine Aufkonzentration um das fast 190-fache. Unsere Ergebnisse unterstreichen optimierte Parameter und Strategien zur Herstellung von konzentrierten Lösungen, die als Zwischenprodukte auf dem Weg zur Wertmetallerzeugung zu verstehen sind.

Optimierung der H2S-Behandlungsstufe am RAG-Standort Robert Müser

Kai Börsting

Zusammenfassung:

Die Watergenics UG ist ein 2019 in Berlin gegründetes Start-up mit der Mission, Wasserqualität sichtbar zu machen - überall und jederzeit. Dies soll mit Hilfe innovativer Sensorik und maschinellem Lernen erreicht werden. Die RAG AG formte sich 1968 aus einer Konsolidierung einer Vielzahl von (Bergbau-)Unternehmen- und Anteilen und förderte bis zur Einstellung der Produktion im Jahre 2018 als größtes Unternehmen seiner Art Steinkohle. Gemeinsam mit der eigens für die Finanzierung gegründeten RAG-Stiftung reguliert die RAG die langfristigen Folgen aus über 200 Jahren Steinkohlenbergbau.

Kern dieser Zusammenarbeit war eine Grubenwasseranalyse zur Optimierung der H2SBehandlungsstufe am Standort Robert Müser. Mithilfe der installierten innovativen Messtechnik der Watergenics UG konnte eine Echtzeitmessung der H2S-Konzentration erfolgen, wodurch frühzeitig H2S-Konzentrationsspitzen erkannt werden konnten, die zu einer Geruchsbelastung am Auslauf des Grubenwassers in die Harpener Teiche führten. Eine auf diesen Messungen durchgeführte Datenanalyse ergab verschiedene Korrelationen der H2S-Konzentration mit weiteren Parametern wie der Pumpenaktivität oder der Durchflussrate. Mithilfe dieser Korrelationen konnte eine optimierte Dosierung von H2O2 zur Behandlung von H2S berechnet und in der Praxis angewandt werden.

Im Rahmen dieses Vortrags möchten wir detaillierter auf die verschiedenen Herausforderungen eingehen, welche im Verlauf der Zusammenarbeit bewerkstelligt werden mussten. Hierzu zählen u.a der Einbezug der Komplexität des Wasserbehandlungssystems am Standort sowie sehr anspruchsvolle (Umwelt-)Bedingungen, wie beispielsweise ein sehr hoher Wasserdruck in den Stahlrohren aufgrund der Pumpmaßnahmen. Zudem soll der innovative Charakter des neuen Messsystems, sowohl hardwareseitig als auch auf Softwareebene (Maschinelles Lernen) sowie die praktische Anwendbarkeit anhand dieses Projekts aufgezeigt werden.

Ein Schachtkopf als Überlaufbauwerk, Sicherung eines Luftschachtes in Witten

Nikolaus Linder, Peter Hogrebe, Ingo Milas, Armin Hunke

Zusammenfassung:

Bei der Untersuchung lokaler Vernässung der Kellerräume eines Wohngebäudes in Witten fanden sich Hinweise auf einen ehemaligen Luftschacht des Steinkohlenbergbaus. Im Rahmen der Erkundungsarbeiten wurde der Luftschacht lokalisiert und als Ursache für den Wasserzufluss in das Gebäude ausgemacht. Bei hohen Grubenwasserständen trat an dem ehemaligen Schacht Grubenwasser zu Tage aus. Der Wasserzufluss in die Gebäudebereiche erfolgte über die Füllsäule sowie über den nicht konsolidierten Bereich zwischen Schachtwandung und Gebirge und ist vermutlich auf einen überstauten Grubenwasserspiegel zurückzuführen.

Da unterhalb der Gebäude Bodenausspülungen sowie in der Schachtsäule Hohlräume im Rahmen der Erkundungsarbeiten angesprochen wurden, waren gerade diese Bereiche zu sichern, da eine Standsicherheit der Tagesoberfläche im unmittelbaren Schachtbereich nicht zu gewährleisten war. Daneben war die langfristige Standsicherheit des Wohngebäudes bei weiter andauerndem Wasserzufluss und den dadurch bedingten Ausspülungen ebenfalls gefährdet.

Zur Sicherung der Situation musste eine Schachtkopfsicherung mit der Funktion eines Überlaufs für das Grubenwasser hergestellt werden. Hierzu wurde ein kombiniertes Sicherungs- und Drainagebauwerk konzipiert und umgesetzt, welches zum einem eine standsichere Abdeckung der beiden aufgefundenen Schachtsäulen nach heutigem Stand der Technik hergestellt und zum anderen den Wasseraufstieg bei überstautem Grubenwasserspiegel fasst und über eine Rohrleitung in die Vorflut ableitet.

Franziska Erbstollen: Ergebnisse des Monitorings und raum-zeitliche Datenanalyse

Tobias Rudolph, Peter Hogrebe, Peter Goerke-Mallet, Detlef Engel

Zusammenfassung:

Wasserlösestollen, im Ruhrrevier unter der Bezeichnung „Erbstollen“ bekannt, sind in vielen Bergbaurevieren in der ganzen Welt zur geordneten Ableitung von Grubenwasser in Funktion. Ihre Wirkung lässt sich mit dem eines untertägigen Drainagesystems vergleichen, dass seine Funktion auch nach der Beendigung der bergbaulichen Tätigkeit behält und ausübt. Wasserlösestollen sind schon von ihrer Grundkonzeption auf eine sehr lange Nutzungsdauer ausgelegt. Wie die Untersuchungsarbeiten des Forschungszentrums Nachbergbau (FZN) der Technischen Hochschule Georg Agricola gezeigt haben, lassen sich im Ruhrrevier insgesamt etwa 150 Erbstollen identifizieren.

Gemeinsam mit der für Gefahrenabwehr aus verlassenen Grubenbauen zuständigen nordrhein-westfälischen Bergbehörde, der Bezirksregierung Arnsberg, Abt. 6 Bergbau und Energie in NRW, arbeitet das FZN daran, die von den Erbstollen ausgehenden Risiken für die Sicherheit der Tagesoberfläche und der Gewässer möglichst umfassend zu beschreiben. Allein die physische Existenz der Erbstollen, ob aktuell wasserführend oder trocken, macht es erforderlich, die Befassung mit ihrer Wirksamkeit als Ewigkeitsaufgabe einzustufen. Hier kann der Spruch: „Einmal Wasserlösestollen, immer Wasserlösestollen“ zitiert werden.

Die Arbeiten zum schrittweisen Aufbau eines Risikomanagementsystems stehen im Zusammenhang mit einem Tagesbruch auf dem Franziska-Erbstollen im Jahr 2015 und einem Wasserausbruch am Edeltraut Erbstollen, der sich im Jahr 2017 ereignete. Im Zuge der Wiederherstellung einer zuverlässigen Wasserableitung im Franziska-Erbstollen wurde eine Messeinrichtung zur Erfassung verschiedener Parameter – wie u.a. der abgeleiteten Wassermenge, auf fernmesstechnischer Basis errichtet. Die Analyse der Abflussmengen offenbarte ein untypisches, nämlich niederschlagsunabhängiges Verhalten.

Der Beitrag beschreibt die in den letzten Jahren durchgeführten Monitoring-Maßnahmen, deren Ergebnisse und die vorgenommenen raum-zeitlichen Analysen.

Besonders hervorzuheben sind Infiltrationstests, hydrochemische Untersuchungen in der Wassersäule des Schacht Haard sowie UAV-Einsätze und GNSS-Messungen zur Klärung von Höhenverhältnissen.

Die Arbeiten verfolgen das Ziel, das Verständnis über die Wirkungsweise dieses Erbstollens auf ein zufriedenstellendes Niveau zu entwickeln. Tatsächlich ist dieses Ziel noch nicht erreicht. Das Gesamtsystem des Franziska-Erbstollens weist einen besonderen Grad an Komplexität auf, der weitere Untersuchungen erforderlich macht.

Regenerierung einer 784 m tiefen Grubenwassermessstelle im durchbauten Steinkohlengebirge

Joachim G. ten Thoren

Zusammenfassung:

Mit der Optimierung der Grubenwasserableitung der RAG Aktiengesellschaft im Ruhrgebiet kommt der Beobachtung der Grubenwasserbewegung und dessen Qualität an den Schlüsselstellen der untertägigen Überleitung eine wesentliche Rolle zu.

Im Jahr 2015 wurde hierzu eine 780 m tiefe Bohrung als Grubenwassermessstelle im bergbaulich stark beanspruchten Steinkohlengebirge hergestellt, die einen offenen Grubenraum erschließt und so eine direkte Verbindung des Grubengebäudes mit der Tagesoberfläche darstellt. Das hierbei erschlossene Grubenwasser und die zirkulierenden Grubenwetter führten bereits nach wenigen Monaten zu intensiven Alterungserscheinungen mit Aufwachsungen innerhalb der eingesetzten Filterstrecke, die zu deutlichen Nutzungseinschränkungen führten und eine alsbaldige Funktionsuntüchtigkeit der Messstelle erwarten ließen.

Im Vortrag wird der Aufbau der Messstelle vorgestellt und es werden die Gründe der raschen Alterungserscheinungen diskutiert.

Als Erfahrungsbericht wird dargestellt, wie nach Abwägung der Möglichkeiten zur Sanierung im Jahr 2020 entschieden wurde, eine mechanische Reinigung der Messstelle vornehmen zu lassen. Die Bergung eines zwischenzeitlich eingebrachten Drucksensors, dessen Übertragungskabel von Anbackungen der Rohrwandung zunehmend überwachsen wurde, stellte hierbei eine zusätzliche Herausforderung bei der Ausführung des Arbeitsprogramms zur Regenerierung der Messstelle dar und führte letztendlich zu einer vollständigen Umstellung der vorgesehenen Reinigungsarbeiten.

Eine Zusammenstellung der an dieser und ähnlichen Messstellen gemachten Erfahrungen und die daraus für die tägliche Arbeit abzuleitenden Konsequenzen schließt den Vortrag ab.

Integrales Monitoring des Grubenwasseranstiegs in NRW

Ulrich Behrens

Zusammenfassung:

Nachdem der Grubenwasseranstieg seit vielen Jahren an vielen Stellen des Ruhrgebiets ohne Beteiligung der Öffentlichkeit stattgefunden hat, wird nach Druck von Umweltverbänden und der Politik derzeit ein „Integrales Monitoring“ durch Wirtschafts- und Umweltministerium unter Beteiligung der Bergbehörde in Arnsberg/Dortmund aufgebaut.

Mit großem Aufwand und in vielen Arbeitsgruppen werden die Bereiche Wasser, Ausgasung und Bodenbewegung in den Blick genommen.

Während einerseits größtmögliche Transparenz beschworen wird, stellen die beteiligten Umweltverbände immer wieder fest, dass es – häufig unter dem Vorwand(?) des Datenschutzes – zur Verweigerung von Daten kommt, die womöglich dem Unternehmer wie auch der Genehmigungsbehörde unangenehm sein könnten. Die Sorge der Behörden, Details aus dem Integralen Monitoring könnten womöglich Hinweise auf Ursachen von Bergschäden liefern, ist allgegenwärtig.

Die Verweigerung wichtiger Einzeldaten zur Einleitung führt dazu, dass weder die Bergbehörde noch die Öffentlichkeit Prognosen des Unternehmers überprüfen kann. Möglicherweise erforderliche Änderungen des Grubenwasserkonzepts aufgrund falscher Annahmen dürfen scheinbar nicht zur Diskussion gestellt werden.

Auch die Frage, ob das Verfahren ein reines Monitoring ist, oder ob sich aus den Ergebnissen Folgen für das Agieren des Unternehmers in Form von Nebenbestimmungen ergeben können, wurde erst auf nachdrückliches Insistieren der Umweltverbände bejaht.

Schließlich ist die Bereitstellung von Daten auch mehr als zwei Jahre nach Beginn des Integralen Monitorings noch nicht endgültig gelöst. Dabei ist zunehmend ein Bemühen der Bergbehörde zu konstatieren. Die Umsetzung im Projektinformationssystem aber ist noch zu unübersichtlich. Häufig wird die interessierte Öffentlichkeit noch auf eine website des Unternehmers verwiesen (geodaten.rag.de). Das Webportal des Integralen Monitorings (www.grubenwasser-steinkohle-nrw.de) bietet keinerlei grafische Oberfläche. Eine Einbindung in vorhandene Portale des Landes (www.elwasweb.nrw.de) ist aber inzwischen teilweise geschehen.

Im Rahmen der Diskussionen in den verschiedenen Arbeitsgruppen sind als wichtige Erkenntnis grundsätzliche Mängel bei der Umsetzung von Grubenwasserkonzepten deutlich geworden:

- eine Reinigung von Grubenwasser soll von Unternehmerseite möglichst vermieden werden – die Behörde toleriert das

- Erlaubnis von Grubenwasseranstiegen in Abschlussbetriebsplänen erfolgt ohne Verknüpfung zur nötigen wasserrechtlichen Genehmigung der Einleitung;

- wasserrechtliche Einleitungsgenehmigung zu Walsum erfolgt unter Negierung möglicher Problemfälle;

- Kontrolle der Einleitung durch die Bergbehörde unzureichend

Fazit: positiver Ansatz – noch viele Baustellen – Transparenz unzureichend

Dichteschichtung in gefluteten Untertagebergwerken

Elke Mugova, Christian Wolkersdorfer

Zusammenfassung:

Die Schichtung von Gewässern mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften wird als Stratifikation bezeichnet. Dieser physikalische Effekt ist von Seen oder Ozeanen bekannt, tritt aber auch in gefluteten unterirdischen Bergwerken auf und wurde in der Vergangenheit untersucht. Diese Übersicht gibt einen Überblick über die Untersuchungsmethoden, die Strömungsdynamik, die Entwicklung und den Abbau der Schichtung. Außerdem wird die Barrierewirkung der Schichtung erörtert, d. h., dass weniger mineralisierte Wasserkörper (CF-Wasserkörper) an der Oberfläche von höher mineralisierten Wasserkörpern (WM-Wasserkörper) in den unteren Teilen des Bergwerks getrennt werden. Diese Trennung führt dazu, dass weniger mineralisiertes Wasser aus dem gefluteten Bergwerk abfließt und die Grubenwasseraufbereitung reduziert werden oder entfallen kann. Es werden verschiedene Möglichkeiten zur Untersuchung der Grubenwasserschichtung diskutiert, darunter Tracerversuche, kameragestützte Tiefenprofilmessungen und tiefenabhängige Grubenwasserprobenahmen. Es werden Studien zur freien Konvektion und zur natürlichen Schichtung sowie solche zur künstlichen Schichtung zur Einkapselung des minderwertigen Wassers in den tieferen Grubenbereichen vorgestellt. In der Literatur wurde kein Prognoseinstrument für das Vorhandensein oder die Entwicklung von Schichtungen in gefluteten Bergwerken gefunden. Es werden Referenzen und eine Diskussion über die Langzeitstabilität der Schichtung und ihre mögliche Umsetzung gegeben. Die Schlussfolgerungen zeigen, dass eine genaue Vorhersage der Grubenwasserschichtung derzeit nicht in allen Details möglich ist, aber dort, wo eine Schichtung auftritt, ist sie meist über einen längeren Zeitraum stabil, da der Dichteunterschied zwischen den CF- und WM-Schichten deren Vermischung

Literatur: Mugova, E. & Wolkersdorfer, Ch. (2022): Density Stratification and Double-Diffusive Convection in Mine Pools of Flooded Underground Mines – A Review. – Water Res., 6 fig., 2 tab., doi:10.1016/j.watres.2021.118033

Integrales Monitoring für den Grubenwasseranstieg im Steinkohlenbergbau in Nordrhein-Westfalen aus Sicht der Bergbehörde

Wolfgang Dronia, Jürgen Kugel, Philipp Hensel, Martin Wissen

Zusammenfassung:

Mit der Einstellung des Steinkohlenbergbaus in Nordrhein-Westfalen zum Ende des Jahres 2018 wurden für das Wasserhaltungssystem, welches zur Trockenhaltung der Bergwerke eingerichtet wurde, Veränderungen in Gang gesetzt. Zielrichtung der planerischen Umsetzung ist in erster Linie die Zusammenfassung von Grubenwasserprovinzen im Ruhrrevier mit untertägigem Durchfluss der Grubenwässer im Hinblick auf die Entlastung der Vorfluter, insbesondere der Emscher. Die Zielgrubenwasserstände werden vor allem unter der Prämisse des Schutzes der Tagesoberfläche (Bodenbewegungen, Gasaustritte) gewählt und um einen ausreichenden Sicherheitsabstand zu den nutzbaren Trinkwasservorkommen zu erhalten.

Die zentralen Optimierungsmaßnahmen sind die Neuordnung der Zentralwasserhaltungsprovinzen durch Stilllegung und Zusammenlegung einzelner Zentralwasserhaltungen, das Anheben des Pumpniveaus und der Umbau von Grubenwasserhaltungen zu Brunnenbetrieben. Langfristig werden fünf Wasserprovinzen entstehen.

Um den Grubenwasseranstieg, die Kontrollierbarkeit und die möglichen Auswirkungen hat sich in NRW eine breite öffentliche Diskussion entwickelt. In aktuellen Zulassungen von bergrechtlichen Abschlussbetriebsplänen sowie in wasserrechtlichen Erlaubnissen zum Heben und Einleiten von Grubenwasser sind für die einzelnen Wasserhaltungen bereits eine Reihe von Monitoringmaßnahmen festgeschrieben. Hierauf setzt das integrale Monitoring auf, das sich von der singulären Überwachung der einzelnen Standorte der heutigen Wasserhaltungen löst und so letztendlich alle künftigen Wasserhaltungsprovinzen über-greifend in den Blick nimmt.

Als Ergebnis einer Reihe von Vorgesprächen im Jahr 2019 wurde eine Vereinbarung im Februar 2020 zwischen den nordrhein-westfälischen Ministerien für Wirtschaft und Umwelt und der RAG AG für die Errichtung und Durchführung eines integralen Monitorings für den Grubenwasseranstieg im Steinkohlenbergbau in Nordrhein-Westfalen getroffen. Mit der ersten Sitzung der landesweiten Entscheidungsgruppe hat sich das integrale Monitoring für den Grubenwasseranstieg in NRW im August 2020 konstituiert.

Aus Sicht der Bergbehörde sollen die Entstehung, die Organisation, die thematischen Schwerpunkte sowie der aktuelle Stand der Entwicklung dieses komplexen Monitoringsystems dargelegt werden.

Methanausgasungen aus stillgelegten Steinkohlebergwerken: Differenzierung der Methanquelle mit Hilfe der Kohlenstoffisotopie

B.M.A. Teichert, C. Melchers, H. Jasnowski-Peters, S. Möllerherm, S. Schlömer, T. Bergmann, O. Langefeld

Zusammenfassung:

Der aktive Steinkohlenbergbau endete im Saarland 2012 und im Ruhrgebiet und in Ibbenbüren 2018. Die Einstellung der Abbautätigkeiten und des damit verbundenen Abpumpens des Grubenwassers führt langfristig zu einem Anstieg des Wasserspiegels im Grubengebäude. Die Auswirkungen sind zum Teil allerdings nicht vollständig erfasst. Dadurch treten in der Bevölkerung immer wieder Irritationen und Ängste auf, dass es zu negativen Effekten in ihrer sozialen oder in der natürlichen Umgebung kommen könnte. Eine mögliche Folge ist das Hochdrücken von Methan-haltigem Grubengas durch das steigende Wasser wie bei einem Kolben („Methan Piston-Effekt“). Durch Absaugung des Grubengases soll ein unkontrolliertes, diffuses Ausgasen verhindert werden.

Aufgrund von speziellen Bildungsbedingungen, kann zukünftig aber auch eine sekundäre Methangasproduktion nicht ausgeschlossen werden. Ähnlich wie bei Schwefelwasserstoff (H2S) kann Methan durch Bakterien biogen gebildet werden, da organisches Material in Form von Kohle oder Holz und anoxische Bedingungen vorhanden sind. Eine entsprechende H2S-Produktion ist z.B. auf den ehemaligen Bergwerken „Friedlicher Nachbar“ und „Robert Müser“ bereits heute zu beobachten.

Das Projekt untersucht das langfristige Ausgasungsverhalten von Methan im Rahmen des Grubenwasseranstiegsprozesses. Ein Schwerpunkt liegt auf der systematischen Erfassung sowohl des thermogenen Methans aus der Kohle, als auch des sekundären, biogenen Bildungspotentials von Methan. Die Chancen und Risiken der biogenen Methanbildung werden bewertet. Ziel ist es, das langfristige Ausgasungsverhalten von Methan im Rahmen des Grubenwasseranstiegsprozesses zu bestimmen. Erste Ergebnisse geben einen Hinweis auf Änderungen im Verhältnis von thermogenem zu biogenem Methan mit fortschreitender Zeit. Hierfür wird die Kohlenstoffisotopen-Signatur des Methans genutzt.

Haben Sie Ideen? Warum verbessert sich allmählich die Wasserqualität in unterschiedlichen Bergwerkstiefen?

Christian Wolkersdorfer, Elke Mugova (christian@wolkersdorfer.info)

Zusammenfassung:

Wir möchten mit Ihnen diskutieren.

Methanausgasungen aus stillgelegten Steinkohlebergwerken: Modellierung des dynamischen Ausgasungspotentials

Thorben Bergmann, Oliver Langefeld, Barbara Teichert, Christian Melchers, Stefan Möllerherm

Zusammenfassung:

Das Projekt „Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs auf die Methanausgasung aus den Steinkohlenbergwerken“, das gemeinsam von der THGA Bochum und der TU Clausthal bearbeitet wird, untersucht das langfristige Ausgasungsverhalten von Methan im Rahmen des Grubenwasseranstiegsprozesses. Neben der sekundäre Methanproduktion durch anaerobe Bakterien, liegt ein Schwerpunkt dieses Projektes auf der Beschreibung des dynamischen Ausgasungspotentials des thermogenen Methans aus der Steinkohle (desorbierbarer Gasinhalt) in Abhängigkeit des Grubenwasseranstiegs. Diese Beschreibung wird durch den Einsatz von Adsorptionsisothermen realisiert, die für jedes Flöz, unter Berücksichtigung der Lagerstättenbedingungen (Teufe, Reifegrad der Kohle, Feuchtegehalt und Gasinhalt) individuell bestimmt werden. Bei Adsorptionsisothermen handelt es sich um eine mathematische Beschreibung des Adsorptionsverhaltens von Gasen an Feststoffen bei einer konstanten Temperatur in Abhängigkeit des umgebenen Gas- bzw. Umgebungsdrucks. Die benötigten Parameter, die für die Modellierung der Adsorptionsisothermen benötigt werden, sowie deren Abhängigkeit von den vorliegenden Lagerstättenbedingungen, werden aus zuverlässigen Literaturquellen und vorliegenden Bohrkerndaten entnommen. Für die Modellierung des Ausgasungspotentials werden, unter Verwendung der Adsorptionsisothermen, die jeweiligen Gasdrücke der Flöze verwendet. Die Ermittlung dieser Flözgasdrücke erfolgt durch die Anwendung etablierte Ansätze aus der Steinkohlenforschung und unter Einbeziehung der vorliegenden Bohrkerndaten der untersuchten Steinkohlenlagerstätte.

Mithilfe des entwickelten Modells ist die Abschätzung des Ausgasungspotentials der einzelnen Flöze einer beliebigen Steinkohlenlagerstätte während des Grubenwasseranstiegs möglich. Zudem ist, unter der Einbindung einer etablierten kumulativen Ausgasungsgradberechnung, eine Abschätzung des dynamischen Ausgasungsverhaltens der einzelnen Flöze während des Wasseranstiegs möglich. Hierbei wird zwischen der Ausgasung der Flöze im gebirgsfeuchten Zustand und der Ausgasung bei Überstauung mit Grubenwasser unterschieden.

Die für das Ausgasungsmodell benötigten modellierten Gasdrücke und die damit verbundenen Gasinhalte zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den Messdaten der in Vergangenheit durchgeführten Explorationsbohrungen und den damit verbunden Gasinhaltsbestimmungen. Die Ergebnisse des Ausgasungsmodells zeigen eine nichtlineare Abnahme des Ausgasungspotentials mit steigendem hydrostatischen Wasserdruck. Neben den ermittelten Parametern der Adsorptionsisothermen hat die Änderungsrate der Grubenwasseranstiegsgeschwindigkeit einen erheblichen Einfluss auf den Verlauf des Ausgasungspotentials.

Natürliche Tracerstudien zur Bestandsaufnahme und als Monitoring-Tool der Evaluation von Grubenwassermigration – der geplante Grubenwasseranstieg im Ruhrrevier

Henning Jasnowski-Peters, Christian Melchers

Zusammenfassung:

Das hydrogeochemische Monitoring des Grubenwasseranstiegskonzeptes im Ruhrrevier ist eine zentrale Aufgabe des Nachbergbaus. In erster Linie gilt es mit Hilfe von natürlichen Spurenelementen, sog. natürlichen Tracern, die im Grubenwasser aufgrund der Interaktion mit dem Nebengestein und als Produkte von in-situ Prozessen enthalten sind, die Fließwege des Grubenwassers während des Grubenwasseranstiegs zu verfolgen. Der Grubenwasseranstieg im Ruhrrevier ist in Bezug auf Anstiegshöhen in den jeweiligen Wasserprovinzen und Deckgebirgsmächtigkeit und Lithologie als sehr heterogen zu bezeichnen. Umso wichtiger ist es, ein genaues Bild der durch Grubenwasser in der Vergangenheit bereits veränderten Hydrogeochemie einzelner Formationen zu gewinnen und Grubenwasser im Untergrund eindeutig zu identifizieren. In diesem Rahmen stehen im Ruhrrevier die Abgrenzung von Grubenwasser zum regionalen Cenomanium-Turonium Aquifer und zum Formationswasser der Emscher Formation (Unterconiacium-Mittelsantonium) eine wichtige Rolle. Die Bestandsaufnahme durch ein exaktes hydrogeochemisches Monitoring ermöglicht es in Zukunft Prognosen von Grubenwasseranstiegsmodellen und deren Chemismus zu verbessern. Mittels Hydrogeochemie lassen sich Rückschlüsse über das Ausmaß von in-situ Prozessen wie die Sulfidoxidation, die den Grubenwasserchemismus maßgeblich beeinträchtigt, während des Grubenwasseranstiegs ziehen. Als „geochemisches Auge“ in den Untergrund besitzen diese Tracer einen hohen Stellenwert in einer zwar gut überwachten, aber nur noch limitiert zugänglichen Grubenbauinfrastruktur. Es werden eigene und Literaturdaten aus den letzten 60 Jahren für eine kombinierte Tracerstudie vorgestellt. Diese Tracerstudie bildet einen bedeutenden Pfeiler des Monitorings für einen kontrollierten und nachhaltigen Grubenwasseranstieg an der Ruhr.

Innovative Geotextilien für die Behandlung von Schlämmen und Wasser im Bergbau

Hendrik Geißler, Stefan Niewerth, Simon Ebbert

Zusammenfassung:

Schlämme kennzeichnen sich durch einen gewissen Feststoffanteil in einer Suspension, wohingegen Gruben- bzw. Dränwasser zumeist keine oder nur einen geringen Anteil dieser gelösten Partikel aufweist. Stammen die Flüssigkeiten aus dem Bergbau, sind sie zumeist mit (Halb-)Metallen, wie z.B. Aluminium, Eisen, Kupfer oder Nickel, angereichert. Für die Entwässerung und (Nach-)Behandlung kann der Einsatz innovativer, geotextiler Lösungen wirtschaftlich und ökologisch vorteilhaft sein. Im Rahmen des Beitrags werden zwei Systemlösungen näher erläutert: a) Schlammentwässerung mit geotextilen Entwässerungsschläuchen und b) Wasserbehandlung mit aktiven Geoverbundstoffen.

Beim Einsatz geotextiler Entwässerungsschläuche wird mithilfe der Schwerkraft eine Flüssigkeit von den darin enthaltenen Feststoffen getrennt. Dank des durchlässigen Entwässerungsgewebes kann das Wasser abfließen, während die festen, i.d.R. konditionierten Partikel zurückgehalten werden. Im Vergleich zu anderen Entwässerungstechniken ergeben sich hierbei höhere Prozesskapazitäten und geringere Investitions- und Wartungskosten. So muss z.B. außer der Pumpenergie, die ohnehin aufgebraucht werden muss, keine weitere Energie ins System eingebracht werden, da die Entwässerung über die Gravitation erfolgt. Darüber hinaus kann das entwässerte Material dauerhaft im Schlauch gelagert werden, was betriebliche Vorteile mit sich bringen kann.

Als zweite geotextile Lösung werden aktive Geoverbundstoffe für die Entfernung von (Halb-)Metallen aus Dränwasser vorgestellt. Die großflächigen Schadstofffiltermatten sind durchlässig für das Wasser, nicht aber für gelöste Metalle. Bei einer kontrollierten Durchsickerung der Geoverbundstoffe, lässt sich die Konzentration der gelösten Metalle stark reduzieren, wie ein Testprojekt in einer stillgelegten Nickelmine in Finnland zeigt. Zukünftig können so z.B. Vertikalflussreaktoren oder konstruierte Feuchtgebiete ausgestattet oder nachgerüstet werden. Natürlich ist auch eine Kombination von Entwässerungsschläuchen und aktiven Geoverbundstoffen möglich und effizient, wie ein Sanierungsprojekt aus der Schweiz zeigt. Neben den Grundprinzipien beider Systemlösungen wird der Beitrag die Implementierung geotextiler Entwässerungsschläuche in das Wasserhaushalts- und -managementsystem der ehemaligen Talvivaara Mine in Finnland (heute Terrafame) aufzeigen. Aus Europas größter Nickelmine stammen große Mengen an Gipsschlamm als Prozessnebenprodukt aus dem Heap-Leaching-Verfahren.

Abtrennung von Arsen, Fluorid und von Ionen der Übergangsmetalle aus Grubenwasser der Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf

Friedrich, Hans - Jürgen Stopp, Roland, Jenk, U.

Zusammenfassung:

Die Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf, gelegen im oberen Erzgebirge südlich von Chemnitz, gehört mit einer Fracht von ca. 1,1 t/a zu den Hauptemittenten für Arsen im Einzugsbereich der Freiberger Mulde. In erheblichem Umfang werden auch Fluorid, Sulfat sowie Eisen, Mangan und Aluminium in die Vorflut eingetragen. Im Rahmen des recomin(R)-Verbundprojektes TERZINN werden verschiedene Verfahrensansätze zur Abtrennung dieser Schadstoffe untersucht und erprobt. Neben kostengünstigen Verfahren für die in-situ-As-Abtrennung werden auch elektrochemische Membranverfahren für die gemeinsame Abtrennung von Fluorid- und Sulfatanionen weiterentwickelt. Bisherige Ergebnisse zeigen, dass mittels solcher Verfahren >98 % des Arsens und zwischen 70 und 90% des Fluorids bzw. Sulfats bei moderatem energetischem Aufwand abgetrennt werden können. Eisen- und Aluminiumionen werden dabei vollständig als Hydroxide abgetrennt. Das Grubenwasser enthält darüber hinaus keine wertvollen Metalle in für eine Gewinnung relevanter Konzentration. Allerdings stellt das Grubenwasser selbst mit einem Aufkommen von mehreren Mio. m3 jährlich eine bisher unbeachtete Ressource dar, die angesichts zurückgehenden Wasserdargebots für die Trinkwasserversorgung und für die Entwicklung der Wasserstofftechnologie zunehmend in den Fokus rückt. Für die weitere Erprobung von Wasserbehandlungsverfahren wird noch in diesem Jahr ein Untertage-Technikum im Tiefen Sauberger Stolln eingerichtet.

Das Salzlösungsmonitoring der Schachtanlage Asse II – Einblicke in das Überwachungsprogramm

Martina Gielgen, Dr. Vitaly Zakharchuk

Zusammenfassung:

Die Schachtanlage Asse II ist ein ehemaliges Salzbergwerk, in dem von 1967 bis 1978 im Auftrag des Bundesforschungsministeriums schwach- bis mittelradioaktive Abfälle eingelagert wurden. Die Rückholung der Gebinde wurde 2013 gesetzlich festgeschrieben.

Derzeit werden im Baufeld an der Südflanke der Asse, auf die sich dieser Tagungsbeitrag beschränkt, pro Tag ca. 12,8 m³ Salzlösung gefasst. Davon werden täglich ca. 12,3 m³ Salzlösung an der Hauptfassungsstelle (L658008) im Abbau 3 der 658-m-Sohle aufgefangen. Prognosen über die Zutrittsentwicklung sind auf Grund der Unkenntnis der exakten Migrationspfade und der Interaktion mit den Gesteinseinheiten des Nebengebirges sowie des Salzkörpers nur schwer zu erstellen. Daher wurde vom Betreiber der Schachtanlage ein umfangreiches Geomonitoringprogramm entwickelt, das sowohl die konstante Überwachung der Zutrittsmenge pro Tag als auch in-situ Messungen chemischer und physikalischer Parameter sowie regelmäßige Analysen der chemischen Zusammensetzung der Zutrittslösung beinhaltet.

Im Bereich des Salzlösungsmonitorings werden seit 1988 geochemische Daten gesammelt und ausgewertet, die einen genaueren Einblick in die Genese der Zutrittslösung sowie fachliche Hinweise auf deren Herkunft geben. Durch die konstante Überwachung der in-situ-Werte und der chemischen Zusammensetzung können Veränderungen frühzeitig erkannt werden. Sofern erforderlich können anschließend sofortige Maßnahmen ergriffen werden. Aus einer Kombination mit den derzeit erforschten präzisen geochemischen Charakteristika der im Grubengebäude anstehenden Gesteine und des Nebengebirges soll im Zuge der Langzeitsicherheitsanalysen der Schachtanlage Asse II u.a. ein geochemisches Modell entwickelt werden, das Rückschlüsse auf mögliche Fließpfade zulässt.

Hydrogeochemische Charakterisierung der Teilwasserkörper der Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf als Basis für die langfristige Wasserbehandlung

Marlies Grimmer, Nils Hoth, Katiana Doeana, Andy Tauber

Zusammenfassung:

Im Erzgebirge sowie anderen Altbergbau-Revieren fallen durch den Bergbau beeinflusste Wässer mit (wenn auch geringen) Arsen- oder Metallgehalten wie bspw. Cu, Ni oder Zn an. Diese gehen über die alten Hauptentwässerungsstolln ohne Vorbehandlung in die Vorfluter über, so dass diese keinen „guten ökologischen Status“ aufweisen können.

Aus vorangegangenen externen Studien ist zu entnehmen, dass es ökologisch und ökonomisch sinnvoll sein kann, die Punktquellen direkt vor-Ort zu behandeln. Das Projekt TERZINN verfolgt daher das Ziel am Standort Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf Verfahren zur Behandlung des am Standort anfallenden Wassers weiterzuentwickeln und im Rahmen von Demonstrationsanlagen vor Ort zu erproben. Für die Planung der Wasserreinigung ist es wichtig, dass Langzeitverhalten der zu behandelnden Wässer zu verstehen und somit Unterschiede der Teilwasserkörper genau zu charakterisieren. Die Schwierigkeit solcher Altbergbaustandorte liegt jedoch in der Zugänglichkeit der Grubenteile. Durch Flutung und Verwahrung gestaltet es sich schwierig, die Teilwasserkörper beproben und damit charakterisieren zu können.

Diesbezüglich wurde die Zinnerzgrube Ehrenfriedersdorf zunächst sinnvoll in Teilkörper untergliedert und an allen noch zugänglichen Stellen Wasserproben genommen. Damit lässt sich die Grube zunächst gut horizontal gegliedert hydrogeochemisch charakterisieren und gliedern/ unterscheiden. Dabei konnte punktuell auch ein hydraulisch entkoppelter Bereich beprobt werden. Weiterhin wurde an zwei ausgewählten Stellen eine Tiefenprobenahme durchgeführt, um ggf. auch eine sich ausgebildete Schichtung ausweisen zu können.

Ein Augenmerk der Wasseranalyse lag auch auf der Arsenspeziesidentifizierung. Damit verknüpft sich die Fragestellung, wie kann die Wasserprobe konserviert und analysiert werden um die in-situ As-Speziesverteilung, gerade für Fe-reiche Wässer identisch zu messen.

Aus diesen umfangreichen Daten wird ein hydrogeochemisches Verständnis auch zur Arsen- und Eisenspeziesverteilung entwickelt. Die Wässer der Grube werden umfänglich charakterisiert. Ziel ist in einem späteren Schritt eine modellbasierte Prognose zu erstellen, um die Konzentrationsentwicklung vorauszusagen.

Ringversuch zur Bestimmung natürlicher und künstlicher Radionuklide in hochsalinaren Lösungen aus der Schachtanlage Asse II

Schkade, U.-K., Hofmann, P., Fleischer, S., Zakharchuk, V.

Zusammenfassung:

Basierend auf den Strahlenschutzgesetz (StrlSchG §161)) gehört neben der „Entwicklung und Festlegung von Probenentnahme-, Analyse-, Mess- und Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Umweltradioaktivität“ auch „die Durchführung von Vergleichsmessungen und Vergleichsanalysen“ zu den Aufgaben der Leitstellen des Bundes zur Überwachung der Umweltradioaktivität.

Zur Umsetzung dieser Aufgaben wurde von den Leitstellen K (Leitstelle für Fragen der Radioaktivitätsüberwachung bei erhöhter natürlicher Radioaktivität (ENORM)) und H (Leitstelle für die Überwachung der Radioaktivität in Trinkwasser, Grundwasser, Abwasser, Klärschlamm und Abfällen) beim Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS) ein Sonderringversuch zur Bestimmung von natürlichen und künstlichen Radionukliden in hochsalinaren Lösungen aus der Schachtanlage Asse II durchgeführt.

Ein Ringversuch ist definiert als eine Vergleichsanalyse an gleichartigen Objekten (hier: homogenisierte Salzlösung zweier Messstellen), die an einzelne Labore gesandt und von diesen gemessen (hier: Aktivitätskonzentration natürlicher und künstlicher Radionuklide) werden. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgt durch den Veranstalter nach festgelegten Verfahren, z. B. der NORM DIN 38402. Der Wert der Messgröße kann bekannt sein, z. B. bei einem Normal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), oder aus den Messergebnissen der Labore geschätzt werden.

Im Vortrag wird vordergründig der Aufwand beschrieben, eine homogene Salzlösung herzustellen, die den Anforderungen als Ringvergleichsmaterial genügt. Zudem wird die Motivation der Leitstellen, sich mit dem eher außergewöhnlichen Probenmaterial zu beschäftigen und die Beweggründe der Betreibergesellschaft, die Leitstellen in ihrem Bemühen zu unterstützen und die Ringvergleichsergebnisse vorgestellt.

Analyse eines Temperaturtiefenprofils

Thomas Heinze, Thorsten Gökpinar

Zusammenfassung:

Die Messung von Temperaturtiefenprofilen in Bergwerksschächten ist eine der gängigsten Methoden zur Untersuchung des Wasserkörpers, denn die Wassertemperatur ist eine wichtige Einflussgröße im Hinblick auf andere physio-chemische Größen, wie elektrische Leitfähigkeit, und ein Indikator für hydraulische Zustände, wie eine Dichteschichtung. Darüber hinaus ist der Temperaturgradient über die Tiefe ein möglicher treibender Faktor für Wasserbewegungen im Schacht. Auch Zu- und Abflüsse auf Tiefbausohlen in den Schacht lassen sich zum Teil über die Temperatur detektieren. Die Aufnahme eines Temperaturtiefenprofils ist im Vergleich mit anderen Messverfahren schnell und in hoher Auflösung tiefen-referenziert möglich.

In diesem Beitrag zeigen wir eine detaillierte Analyse von Temperaturtiefenprofilen im Hinblick auf die Identifikation von hydraulischen Prozessen in der Grube Neuhoffnung in Bad Ems. Die Ergebnisse lassen Rückschlüsse auf hydraulische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Grubenteilen zu und ermöglichen auch die Identifikation von Wasserzutritten entlang einzelner Tiefbausohlen. Entsprechende Interpretationen des Temperaturtiefenprofils werden durch Beobachtungen mittels einer Schachtkamera und dem Vergleich mit bekannten Daten überprüft. Wir diskutieren darüber hinaus die Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit der aufgenommenen Temperaturdaten.

Tauchfahrten in geflutete Bergwerksschächte 2.0

Thorsten Gökpinar

Zusammenfassung:

Es sind die von Menschenhand geschaffenen Grubengebäude, die sich mit dem Wiederanstieg des Grubenwassers zu neuen und unbekannten Systemen entwickelt haben. Angetrieben durch die Hydraulik strömen diese Wässer durch alte Strecken, Baue und Schächte. Doch welche Wege nehmen sie genau? Bei der Erforschung dieser Systeme ist der Blick in die Schächte mittels Schachtkameras unverzichtbar geworden und bringt Licht in die sonst stockfinstere Umgebung. Erste Einblicke stellte die RUB-Hydrogeologie in einem Vortrag zur Tagung der FH-DGGV 2018 vor. Zur kassel22 erscheint nun ein Update, das neben Fehlerkorrekturen sowie neuen stehenden und bewegten Bildern aktuelle Erkenntnisse durch weiterentwickelte Technik und die eine oder andere spannende Geschichte aus der montanen Unterwasserwelt enthält.

Grubenwasserhebewerk Bergkamen – Architektur für eine Ewigkeitsaufgabe

Erster Preisträger des Wettbewerbs „Aus der Tiefe in die Höhe - Grubenwasserhebewerk als städtebauliche Landmarke“

Zusammenfassung:

Nach Abschluss der Bergbautätigkeit der ehemaligen Schachtanlage Haus Aden in Bergkamen wird das Heben des Grubenwassers am Standort notwendig. Zur Grubenwasserhaltung muss ein Hebewerk errichtet werden, das den Abriss des Fördergerüstes notwendig machte. Damit ist das letzte sichtbare Zeichen der Bergbaugeschichte an diesem Standort nicht mehr existent.

An dem Standort der Haus Aden entsteht auf der ehemaligen Bergbaufläche die Wasserstadt Aden, ein innovatives Wohn- und Arbeitsquartier, das in seinem städtebaulichen, ökologischen und sozialen Anspruch beispielgebend für den Strukturwandel in der Stadt Bergkamen und der Region sein wird und internationale Aufmerksamkeit erzeugt. Mit diesem Projekt sind hohe Qualitätsstandards an Städtebau und Baukultur eingeführt, woran die Architektur des Hebewerkes anknüpfen und hinsichtlich des architektonischen und städtebaulichen Anspruchs Signalwirkung entfalten soll. Die Fernwirkung des Hebewerkes als Landmarke und die anspruchsvolle architektonische Gestaltung eines neuen bergbaulichen Funktionsbauwerkes sind geeignet, zusätzliche überregionale öffentliche Aufmerksamkeit zu wecken. Das Vorhaben soll sowohl dem historischen Bergbauerbe, als auch der Transformation des ehemaligen Zechengeländes in ein modernes Wohn- und Arbeitsquartier gerecht werden.

In Kooperation mit der RAG Aktiengesellschaft wird erstmals das Thema „Ewigkeitsaufgabe“, das für den Standort prägend ist, in eine Architektursprache mit nationaler bzw. internationaler Wahrnehmbarkeit umgesetzt. Zur Sicherstellung dieser hohen Qualitätsanforderungen wird ein Wettbewerbsverfahren vorgeschaltet, welches die äußere Gestaltung des Hebewerkes zum Inhalt hat. Die Preisgerichtssitzung ist im Juni 2022, so dass ganz aktuell diese Architektur aus erster Hand vorgestellt werden kann.

Aufgrund der nationalen Bedeutung wurde dieses Projekt mit dem Titel „Aus der Tiefe in die Höhe - Grubenwasserhebewerk als städtebauliche Landmarke“ in die Förderung aus dem Bundesprogramm „Nationale Projekte des Städtebaus“ des Bundesministeriums des Inneren, für Bau und Heimat aufgenommen.