Hydrogeochemische Modellierung von Grubenwasser aus stillgelegten Steinkohlebergwerken: Konventionelle geothermische Nutzung und Wärmespeicherung

Felix Jagert1
1 International Geothermal Centre (GZB)

P 2.2 in Grubenwasser

Nach dem Ende des deutschen Steinkohlenbergbaus Ende 2018 verbleiben im Ruhrrevier, dem Aachener und Erkelenzer Revier und in den Revieren Saar und Ibbenbüren eine Vielzahl von unterirdischen Hohlraumstrukturen aus gefluteten Schächten, Stollen und Baufeldern bis ca. 1700 m Teufe. Diese im Vergleich zur natürlichen Klüftung deutlich verbesserte Gebirgsdurchlässigkeit bietet ein großes Potenzial für lokale Nahwärmenetze auf Niedertemperaturniveau, indem das Grubenwasser thermisch mittels Wärmetauscher und Wärmepumpen genutzt wird.

Die Art der thermischen Nutzung ist abhängig von den Standortgegebenheiten (z. B. geplante Neubaugebiete, Abnehmerstruktur, Temperaturniveau, Förderhöhe) und muss individuell geprüft werden. Neben der konventionellen Nutzung als Wärmequelle kann auch eine Wärmespeicherung in Grubengebäuden in Betracht gezogen werden, sodass das natürliche Temperaturniveau weiter angehoben wird.

Die Nutzung von Grubenwasser zu thermischen Zwecken kann aufgrund der chemischen Beschaffenheit zu Mineralausfällungen und/oder Korrosion in Anlagenteilen und somit zu erhöhtem Wartungsaufwand bzw. längeren Standzeiten der Anlage und zu unerwarteten Kosten führen. Der Mineralisierungsgrad der Grubenwässer ist teufenabhängig und damit abhängig vom betrachteten Standort und dem Anlagenkonzept. In der Regel handelt es sich um sulfatreiche Brackwässer und Salzwässer, seltener auch um sulfat- oder bariumreiche Solen.

Für diese Untersuchung wurde das hydrogeochemische Rechenprogramm PHREEQC mit verschiedenen thermodynamischen Datenbanken eingesetzt, um eine Abschätzung von Ausfällungen und Korrosion für zukünftige Anlagen vorzunehmen. Kinetische Hemmung und thermodynamische Unsicherheiten in den Datenbanken, sowie die Annahme eines Equilibrium-Zustandes in der Modellierung ermöglichen prinzipiell keine präzisen quantitativen Vorhersagen.

Die geochemischen Reaktionen wurden für verschiedene Ionenstärken, die die Grubenwässer aufweisen können, sowie für verschiedene Druck- und Temperaturbedingungen und für die Mischung von verschiedenen Wässern unterschiedlicher Sohlen simuliert. Es wurden Sättigungsindizes der typischen Mineralphasen Calcit, Gips/Anhydrit, Baryt, Coelestin, Quarz, Pyrit, Goethit, Eisen- und Manganoxide für Temperaturen zwischen 10 – 90 °C betrachtet.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Abkühlung der Grubenwässer trotz des hohen Härtegrades unproblematisch für den Betrieb bleibt. Die Aufwärmung von Grubenwasser bei der Wärmespeicherung kann die Fällung von Calcit und Gips/Anhydrit bewirken, sodass eine maximale Einspeichertemperatur von ca. 75 – 90 °C empfohlen wird. Ein obertägig geschlossenes System ohne Sauerstoffeintrag oder CO2-Entgasung wird empfohlen. Die pH-Werte bleiben stabil, jedoch kann unter reduzierenden Bedingungen H2S vorhanden sein, welches korrosiv auf Eisen wirkt. Der Einsatz korrosionsbeständiger Edelstähle oder Titan wird empfohlen.



Appelo, C.A.J. (2015): Principles, caveats and improvements in databases for calculating hydrogeochemical reactions in saline waters from 0 to 200 °C and 1 to 1000 atm. Applied Geochemistry 55 (2015) 62-71. doi.org/10.1016/j.apgeochem.2014.11.007.

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WEDEWARDT, M. (1995): Hydrochemie und Genese der Tiefenwässer im Ruhrrevier. DMT-Berichte aus Forschung und Entwicklung, 39, 250 S., Bochum.