Grubenwasser für die Wärmewende - Fraunhofer IEG trifft gezielt Bergwerk in 120 Metern Tiefe
Ehemalige Bergwerke könnten künftig einen Beitrag zur Wärme- und Kälteversorgung von Wohn- und Gewerbeeinheiten leisten. Das Fraunhofer IEG hat in Bochum nun vier Bohrungen in ein ehemaliges, geflutetes Kohlebergwerk erfolgreich abgeschlossen. Mit seiner mobilen Bohranlage BO.REX traf das Team in rund 120 Metern Tiefe nur wenige Meter breite Stollen: Zielgenaues Bohren ist also auch mit Bohranlagen der oberflächennahen Geothermie kostengünstig möglich. Die Bohrungen zeigen, dass sich geflutete Bergwerke mit konventioneller Geothermie-Bohrtechnik erschließen lassen und damit als Wärmequelle oder Wärmespeicher für Wohnungen, Rechenzentren und anderes Gewerbe nutzbar werden können.
»Der Untergrund ist eine bisher zu wenig beachtete Ressource in der Wärmetransformation. Das Projekt hat gezeigt, dass sich Grubenwasser auch in nicht mehr zugänglichen Bergwerken mit konventioneller Bohrtechnik erschließen lässt. Statt aufwendiger Richtbohrtechnik aus der Erdöl- und Erdgas-Industrie können wir auch mit mittelgroßen Anlagen Zugang zu gefluteten Bergwerken schaffen«, erläutert Florian Hahn, Leiter des Kompetenzzentrums »Bergbaufolgenutzung« am Fraunhofer IEG. Auch wenn es natürliche geologische Formationen gibt, die genug Wasser für Wärmeanwendungen führen, bieten Bergwerke in der Regel höhere Förderraten. Zudem liegen sie oft in urbanen Gebieten, also dort, wo die Wärme zum Heizen oder als Prozesswärme gebraucht wird. Aber auch zur Langzeit-Speicherung von Wärme, etwa aus Rechenzentren sind Grubenwasserspeicher bestens geeignet, nach dem Motto »Heizen im Winter, Kühlen im Sommer«.
»Wir erreichen nun selbst schmale Grubenhohlräume mit einer mobilen Anlage zuverlässig«, sagt Jonas Güldenhaupt, Leiter des Bohrbetriebs am Fraunhofer IEG. »Die Möglichkeit, geflutete Bergwerke wieder zugänglich zu machen, eröffnet Projektentwicklern und Betrieben neue Wege, Grubenwasser für ihre Wärme- oder Kälteversorgung zu erschließen. Wir verbinden Wissen über den Untergrund mit eigener Bohr- und Messtechnik, um komplexe Fragestellungen im Untergrund zu lösen.«
Von Ewigkeitskosten zu ewigem Nutzen
Die hohe Zielgenauigkeit mit einer mittelgroßen Anlage ist besonders bemerkenswert. In rund 120 Metern Tiefe wurden nur wenige Meter breite bergbauliche Hohlräume getroffen. Fraunhofer IEG plante vier Bohrungen und führte sie mit der mobilen Bohranlage BO.REX aus (Bochum Research and Exploration Drilling Rig). Trotz einer Zugkraft von 40 Tonnen und einer Masthöhe von über 12 Metern ist die Bohranlage nur 2,5 Meter breit und erlaubt dadurch den zielgenauen Einsatz auch auf kleinen Freiflächen zwischen Gebäuden. Speziell angepasste Beschwerungsgewichte am Bohrgestänge, genaue Untergrundkenntnisse und exakte Vorplanung halfen, den Bohrmeißel zum gefluteten Bergwerksbereich in die Tiefe zu führen.
Ehemalige Bergwerke gelten bisher vor allem als Ewigkeitsaufgabe des Bergbaus. Die Bohrungen zeigen, dass ehemalige Bergwerke künftig Teil der Energieinfrastruktur für die Wärmewende sein können. Die Möglichkeit geflutete Bergwerke über Bohrungen zu erschließen, kann für Stadtwerke, Kommunen, Bergwerkseigentümer und Projektentwickler eine wichtige Option zur Wärme- und Kälteversorgung sein.
Untergrund ist Ressource für die Wärmewende
Alte Bergwerke füllen sich nach dem Ende der bergbaulichen Aktivitäten mit Wasser. Grubenwasser kann viel Wärmeenergie speichern: Geflutete Bergwerke können so eine große »Geobatterie« darstellen. Im Projekt PUSH-IT prüfen Forschende, wie sich ein Bergwerk mit wenig Aufwand als Speicher für überschüssige Wärme erschließen und nutzen lässt. Die Bohrungen schaffen Zugänge zum Grubenwasserkörper, über diese kann das Wasser gefördert und nach seiner Nutzung wieder an anderer Stelle eingeleitet werden.
Stefan Klein, Projektleiter des Bochumer PUSH-IT-Projekts, hat mit seinem Team neuste Mess-Sensoren in den Bohrungen installiert und mit einer Unterwasserdrohne die bergbaulichen Hohlräume untersucht. Die Aufnahmen zeigen typische klare und trübe Wasserschichten sowie die seitlichen Felswände und belegen, dass die Bohrungen wie geplant in die richtigen Hohlräume eingedrungen sind. Alle Ergebnisse der Untersuchungen sollen für weitere angewandte Forschung am Standort genutzt werden. Die Bohrungen bilden auch die Grundlage für den kommenden Speichertest. Er soll zeigen, welche thermische Speicherkapazität der Standort erreichen kann. Erst danach lässt sich bewerten, ob und wie das Bergwerk künftig als Wärmequelle oder Wärmespeicher für lokale Nutzer wie Rechenzentren oder Gebäude im Bochumer Süden dienen kann und ob Investitionen in obertägige Infrastruktur wirtschaftlich sind.
Europäisches Projekt zur Wärmespeicherung
PUSH-IT steht für »Piloting Underground Storage of Heat In geoThermal reservoirs«. Das Projekt erprobt an sechs Standorten drei Arten unterirdischer Wärmespeicher. Der Bochumer Standort besitzt ein altes geflutetes Bergwerk, welches als Grubenwärmespeicher dienen soll. Das Fraunhofer IEG und die Ruhr-Universität Bochum entwickeln den Standort gemeinsam. Das Projekt mit 18 europäischen Partnern läuft von Januar 2023 bis Dezember 2026. Das Förderkennzeichen lautet 101096566. Die EU fördert PUSH-IT am Fraunhofer IEG mit 3,8 Mio. Euro, das Gesamtbudget beträgt 17,9 Mio. Euro.
Zum Projekt:
www.ieg.fraunhofer.de/de/projekte/push-it
www.push-it-thermalstorage.eu
www.cordis.europa.eu/project/id/101096566
Zur Bohranlage:
www.ieg.fraunhofer.de/de/forschungsinfrastruktur/bohrbetrieb
Weitere Projekte zur Erschließung von Grubenwasser:
www.ieg.fraunhofer.de/bergbaufolgenutzung
Großzeche angebohrt:
www.ieg.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/2023/energiekonzept-grubenwasser-mark51-7
Großwärmepumpe an Zeche angeschlossen:
www.ieg.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/2023/gross-waermepumpe-waermewende
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Florian Hahn florian.hahn@ieg.fraunhofer.de
Jonas Güldenhaupt jonas.gueldenhaupt@ieg.fraunhofer.de
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