Die Stadtwerke Bochum Holding GmbH beabsichtigt auf dem Gelände Mark 51°7 in Bochum eine geothermische Anlage zu errichten, die Grubenwasser aus dem stillgelegten Kohlebergwerk Dannenbaum zum Heizen und Kühlen nutzt.

Hierfür wurden im Zeitraum 2021 bis 2022 die Strecken der 4. und 8. Sohle des Grubengebäudes Dannenbaum mit je einer Bohrung bohrtechnisch und hydraulisch erschlossen. Die Schächte der Zeche Dannenbaum waren nach ihrer Stilllegung im Jahr 1958 verfüllt und die Grube geflutet worden. Als erste der zwei Bohrungen wurde die Bohrung GT2 in die 4. Sohle des Grubengebäudes bis auf 343 m abgeteuft. Im Anschluss wurde die Bohrung GT1 vom gleichen Bohrplatz aus bis 864 m in die 8. Sohle zielgenau abgeteuft. In beiden Bohrungen deuteten das plötzliche Abfallen des Wasserspiegels sowie der Verlust der Meißelbelastung in der erwarteten Bohrtiefe auf ein erfolgreiches Antreffen der nur 3 m hohen Strecken hin.

Um den hydraulischen Anschluss zum Grubengebäude genauer zu untersuchen, wurden in 2023 unter Einsatz einer 300 m tief installierten Förderpumpe und unter Einbindung beider Bohrungen Pumpversuche konzipiert und erfolgreich umgesetzt. Diese demonstrierten, dass das Bergwerk im Bereich der erschlossenen Sohlen hydraulisch zugängig ist und dass die für den zukünftigen Betrieb angestrebten Betriebsraten bis zu 160 m³/h unter laminaren Strömungsverhältnissen und mit nur geringen Druckdifferenzen umgesetzt werden können. Gleichzeitig zeigten sich trotz ähnlicher Geometrie der Strecken Unterschiede in den hydraulischen Eigenschaften der Bohrungen.

In unserem Vortrag werden wir über die bohrtechnische Erschließung des Bergwerks sowie die Ergebnisse der Pumpversuche im Detail berichten.

Das Projekt D2Grids wird durch INTERREG Nordwesteuropa-Mittel unterstützt.

Obwohl die Sanierung von Bergwerken mit Herausforderungen verbunden ist, kann sie auch einzigartige Chancen bieten. Eine davon ist die große Menge an Grubenwasser, die durch die Flutung der Grubenhohlräume entsteht und die darin gespeicherte Wärme. Diese Energie kann mit Hilfe von Wärmepumpen auf ein für die Raumheizung oder die Warmwasserbereitung nutzbares Temperaturniveau angehoben werden. Durch die Bereitstellung einer umweltfreundlichen, sicheren und stabilen Wärmeversorgung könnte diese alternative Wärmequelle eine entscheidende Komponente zur Steigerung der Attraktivität einer vom Bergbau geprägten Region sein.

Im Allgemeinen eine solche energetische Nachnutzung eines stillgelegten Bergwerks mit hohen Kosten verbunden. Daher muss besonderes Augenmerk auf eine angemessene Gestaltung der Grubenwassersysteme gelegt werden.

Die in der Literatur vorhandenen Berechnungsmodelle neigen dazu, das Wärmepotenzial zu unterschätzen, da in einfachen Modellen nicht alle Mechanismen der Wärmebereitstellung einbezogen werden konnten. Da die Berechnung der nachhaltigen Wärmeentnahme für viele Interessensgruppen dennoch unabdingbar ist, müssen benutzerfreundliche Ansätze entwickelt werden, welche in der Lage sind eine praxisrelevantere Datenbasis zu schaffen.

In dieser Studie wird ein Vorgehen diskutiert, nach welchem die notwendigen Mechanismen der Wärmebereitstellung in einem Berechnungsmodell berücksichtigt werden können. Zur Unterstützung der analytischen Ansätze werden numerische Berechnungen durchgeführt. So entsteht eine Validierungsbasis, um die Ergebnisse des vereinfachten Modells zu überprüfen und das Modell entsprechend zu optimieren. Das daraus resultierende erweiterte, einfach zu handhabende Modell soll dazu beitragen, die Technologie der Grubenwassernutzung mit Wärmepumpen zu weiter zu verbreiten.

Grubenwässer bieten insbesondere in Deutschland ein großes energetisches Potenzial zum Heizen und Kühlen. Jedoch führen sie standortabhängig verschiedene Frachten mit sich (z.B. gelöste, ungelöste Stoffe, Bakterien, etc.), diese können zum Ausbilden von Fouling im Wärmeübertrager führen. Die Effizienz einer Grubenwassergeothermieanlage wird dadurch wesentlich beeinträchtigt, da der Auslegungswert der Wärmeleistung nicht mehr erreicht werden kann. Die Dicke der Biofilme kann dabei bis zu 1000 µm betragen. Ein Biofilm von ca. 250 µm führt bereits zu einer Reduktion der übertragenen Wärmemenge um ca. 50 %. Zusätzlich entstehen für jede Reinigung Wartungs- und Stillstandskosten.

Zur Reduktion dieser Ablagerungen und der damit verbundenen Kosten sollen die Oberflächen der Wärmeübertrager durch andere Materialien oder Beschichtungen modifiziert werden. Die Auswahl der Oberfläche erfolgt dabei auf Basis einer prädiktiven Analyse des Grubenwassers. Dafür wurde eine Bewertungsmatrix entwickelt, die einen möglichen Grubenwassergeothermiestandort hinsichtlich der Gefahr von Ineffektivität durch Fouling bewertet. In Kombination mit verschiedenen Oberflächenkriterien wie Kontaktwinkel oder Oberflächenenergie wurden auf Basis der prädiktiven Analyse bisher 19 verschiedene Materialien und Oberflächen ausgewählt. Diese wurden anschließend in sechs Versuchsreihen In-Situ mit einem mobilen Wärmepumpenversuchsstand international an vier verschiedenen ehemaligen Bergwerksstandorten getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die gezielte Auswahl der Oberfläche auf Basis der prädiktiven Analysen das Fouling im Vergleich zu Standardmaterialien um mehr als 70 % reduziert werden kann. Zudem wird deutlich, dass standortabhängig für die Kühlanwendung andere Oberflächen zu empfehlen sind, als für die Heizanwendung.

Deutschland steht insbesondere im Gebäudesektor vor großen Herausforderungen, wenn eine klimaneutrale Wärmeversorgung gelingen soll. Quartierslösungen und lokale Energieversorgungssysteme werden hierbei in den Fokus rücken. Insbesondere (kalte) Wärmenetze, die erneuerbare Wärmeenergiequellen einbinden können, sind essenziell für die Quartiersversorgung der Zukunft. Eine der wenigen erneuerbaren grundlastfähigen Wärmeenergiequellen, die im Gebäudesektor eine Rolle spielen wird, ist Geothermie. Da Deutschland über Jahrhunderte durch den Bergbau geprägt wurde, sind an vielen Standorten durch den Strukturwandel umfangreiche Nachsorgemaßnahmen (z.B. Abpumpen/Reinigen von Wässern zum Grundwasserschutz) notwendig. Für geeignete Quartiere kann hierbei die in den Wässern verfügbare Wärmeenergie als Energiequelle und Wärmespeicher genutzt werden. Dies ermöglicht gleichzeitig eine Zwischenspeicherung von saisonalen Energieüberschüssen aus fluktuierenden erneuerbaren Energien im Untergrund. Damit werden die Versorgungsmöglichkeiten von Gebäuden und Quartieren erheblich gesteigert.

Um künftige Versorgungsmöglichkeiten ortsscharf zu prüfen, ist es nötig, neben den Untergrundanalysen, auch obertägige Versorgungsanalysen mittels Geoinformationssystemen (GIS) durchzuführen. Hierbei werden automatisierte Methoden zur Verschneidung von Wärmebedarfen und -dargebot sowie der Simulation von geothermiebasierten Energienetzen via GIS entwickelt, um eine Planungsgrundlage für Quartierskonzepte zu erhalten. Erste Ergebnisse zeigen, dass neben Geothermie weitere erneuerbare Wärmequellen in die Berechnung von Versorgungskonzepten einbezogen werden müssen, um die erneuerbare Energiequote der Quartiersversorgung weiter zu erhöhen und die Wirtschaftlichkeit von Versorgungskonzepten steigern zu können. So sind insbesondere ortskonkrete Potenziale von Abwärme, Biogasanlagen oder solarthermischen Flächen, aber auch Kühlbedarfe im Quartier im Wärme-, bzw. Wärmespeicherkonzept zu berücksichtigen. Zur Evaluierung von netzgebundenen Versorgungsmöglichkeiten werden verschiedene Kriterien der Standort- und Quartiersbewertung geprüft. Diese werden für drei Reallaborstandorte (Silbergrube Reiche Zeche Freiberg, Zinngrube Ehrenfriedersdorf, Steinkohlengrube Lugau/Oelsnitz) ausgewählt und validiert.

Als Ergänzung zum Projekt der Tiefengeothermie am Standort Weisweiler (Kooperationsprojekt), werden die Wärmepotentiale im Rheinischen Revier und die Nachnutzung von Grubenwasser aus einer Steinkohlenzeche im Ruhrgebiet im Rahmen von zwei begleitenden Masterarbeiten näher betrachtet.

Warme Wässer in den tiefen Liegendleitern, also unterhalb der Braunkohlenflöze, des Tertiär sind seit Längerem bekannt. An einzelnen Standorten wird bereits Wärme aus Sümpfungswasser der Tagebaue gewonnen. Mit Beendigung der Tagebaue entfällt sukkzessive die so zur Verfügung gestellten warmen Wässer. Das Rheinische Revier ist in seiner Geologie bei der RWE Power AG sehr gut bekannt und viele Daten stehen zur Verfügung. Hier gilt es nun eine grundlegende Betrachtung durchzuführen, ob und wie die Wärme genutzt werden kann.

Für einen Standort in Dortmund wird die Möglichkeit der Nutzung von Grubenwasser am Beispiel der Zeche Friedrich Wilhelm zur Wärmegewinnung untersucht. Dazu werden Grubenbilder aufgearbeitet und bewertet und mit geologischen Daten kombiniert. Neben der Erstellung eines Grobkonzeptes zur Wärmenutzung wird auch die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung und das Genehmigungsregime behandelt.