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Thermischer Speicher
BMWi
Grubenwärmespeicher 4.7.2017

Darstellung der Grubengebäude Prosper-Haniel in Bottrop
© RAG AG

Wärme im Bergwerk speichern

Was passiert eigentlich mit Bergwerken, wenn sie ausgedient haben? Lassen sie sich als Speicher nutzen? Das wollen Forscher des Internationalen Geothermiezentrums nun herausfinden und testen im ehemaligen Steinkohlebergwerk Prosper-Haniel im Ruhrgebiet, ob er sich als Wärmespeicher eignet.

Projektstatus Numerische Modellierung des Grubengebäudes abgeschlossen.
Speichereffekt Temperaturänderung (sensible Wärme), Wasser (Grubenwasser)
Speicherkonstruktion ehemaliges Grubengebäude
Temperaturtyp Niedertemperatur
Speicherung/Ladung indirekt
Speicherzeit lang/saisonal
Zyklenzahl halbjährlich
Ladetemperatur 90 °C
Entladetemperatur 80 °C
Speicherkapazität 1,7 GWh/a
Energiespeicherdichte 210 kJ/m3
Projektlaufzeit Dezember 2014 bis November 2017

Die Idee, thermische Energie aus bestehenden und stillgelegten Kohlebergwerken zu gewinnen, ist nicht neu. Bisher wurde in keiner Pilotanlage die Möglichkeit der Wärmespeicherung innerhalb eines ehemaligen Steinkohlebergwerkes betrachtet. Zielsetzung eines Grubenwärmespeichers ist es, die saisonal anfallende Abwärme aus Industrie- und Kraftwerksprozessen (vornehmlich aus Kraft-Wärme-Kopplung) bzw. solar erzeugte Wärme in das Grubengebäude einzuspeichern und im Winter für den Bedarf der Wärmeversorgung von Wohn- und Gewerbegebieten zu nutzen.

  • Darstellung der Grubengebäude Prosper-Haniel in Bottrop © RAG AG
  • Schematische Nutzung der 7. Sohle als saisonaler Wärmespeicher © GZB
  • Platzierung der Abschlussdämme innerhalb der 7. Sohle © RAG AG

Projektkontext

Ein saisonaler Wärmespeicher innerhalb eines ehemaligen Steinkohlebergwerks wurde in Nordrhein-Westfalen und in Deutschland noch nicht umgesetzt, sodass hier das Projekt Geo-MTES (Mine Thermal Energy Storage) des Internationalen Geothermiezentrums (GZB) an der Hochschule Bochum in Kooperation mit der RAG und delta h Ingenieurgesellschaft eine Vorreiterstellung einnimmt. Das zentrale Ziel der Machbarkeitsstudie ist die Entwicklung eines technisch und wirtschaftlich umsetzbaren thermischen Speicherkonzeptes zur energetischen Nachnutzung des Bergwerks Prosper-Haniel in Form einer thermischen Speicherung.

Das Konzept sieht vor, saisonal nicht nutzbare Abwärme aus Industrie- und Kraftwerksprozessen und/oder auf umliegenden Bergwerksbrachflächen erzeugte solare Wärme in das Grubengebäude einzuspeisen und bei Bedarf im Winterhalbjahr zur Wärmeversorgung von Gewerbe- und Wohnimmobilien gegebenenfalls auch über bestehende Fernwärmenetze zu nutzen. Für die Etablierung solch untertägiger thermischer Speicher müssen im Grubengebäude entsprechende Infrastrukturmaßnahmen durchgeführt und geeignete Erschließungs- und Fördersysteme entwickelt werden. Voraussetzung hierfür ist das Vorhandensein eines noch vollständig zugänglichen und möglichst noch aktiven Bergwerks. Bis Ende 2018 ist das Steinkohlebergwerk Prosper-Haniel hierfür noch vollständig zugänglich, sodass gezielte Wärmespeicherkonzepte entwickelt und etabliert werden können. Als Grundlage eines saisonalen Wärmespeichers können innerhalb des Bergwerks Prosper-Haniel ungestörte Gebirgstemperaturen von 30 bis 50 Grad Celsius genutzt werden, da die Abbaubereiche bis auf eine Teufe von über 1.200 Meter reichen. Im Bergwerk Prosper-Haniel befinden sich 141 Kilometer Streckennetz und insgesamt 165 km2 Abbaugebiete, sodass großvolumige Wärmespeicher innerhalb des Grubengebäudes realisierbar sind.

Im Großteil des zentralen und nördlichen Ruhrgebiets sind zukünftige Grubenwasserflurabstände mit Teufen von 600 Metern zu erwarten, sodass auch bei Wassertemperaturen von bis zu 35 Grad Celsius der energetische Aufwand für die Hebung zu hoch, im Vergleich zu der gewonnenen thermischen Energie, ist. Eine Möglichkeit der Effizienzsteigerung ist eine deutliche Erhöhung der Grubenwassertemperaturen durch Einspeicherung von saisonaler Wärme in das Grubengebäude. Dies wurde bislang jedoch noch nicht realisiert.

Bergwerk Prosper-Haniel:

Da es sich bei Prosper-Haniel um ein aktives und noch vollständig zugängliches Bergwerk handelt, stellt es einen immensen Vorteil im Hinblick auf eine geothermische Erschließung und Nutzung als thermischer Speicher dar:

  • Einerseits wurden durch den Kohleabbau und die Erstellung des unterirdischen Wegenetzes (Gesteins- und Flözstrecken), in dem ansonsten relativ dichten Karbon-Gestein, erhöhte Wasserwegsamkeiten geschaffen. Diese verbessern das Wärmetransportvermögen des Untergrundes erheblich.
  • Anderseits ist eine vergleichsweise einfache technische Erschließung des Grubengebäudes, aufgrund der derzeitig noch offenen Schächte und Strecken möglich.

Aufgrund der hohen Siedlungsdichten im Umfeld des Bergwerks kann eine sehr gute Abnehmerstruktur für die im Untergrund gespeicherte Wärme prognostiziert werden. Dabei kann die Wärme zur Versorgung von umliegenden Wohn- und Gewerbegebieten, z. B. durch Kopplung mit der Fernwärmeschiene Ruhr oder mit der Einbindung in den „InnovationCity Ruhr“ Prozess, genutzt werden. Nachfolgend soll ein Pilotspeicherkonzept näher erläutert werden:

  • Speicherkonzept 7. Sohle (Dublette innerhalb des Schachts 10): Für die Umsetzung einer möglichen Pilotanlage könnte, die an Schacht 10 angrenzende 7. Sohle (siehe grüne Markierung in Abb. 1) als saisonaler Wärmespeicher genutzt werden.

Hierfür könnte im Sommer Überschusswärme aus einer Biogaskraftanlage eingespeichert und im Winter für die Gebäude- und Warmwasserheizung eines lokalen „Mini-Nahwärmenetzes“ Bottrop-Kirchhellens genutzt werden. Für die Konzeptionierung eines Wärmespeichers müssten innerhalb der 7. Sohle zwei Abschlussdämme gesetzt werden, um eine hydraulische Entkopplung von der geplanten Grubenwasserhaltung zu erzielen.

Im Vergleich zu Flözstrecken und Abbaubereichen kann innerhalb der 7. Sohle mit wesentlich geringeren Konvergenzen (höheren Standfestigkeiten) gerechnet werden, da es sich hierbei um eine Gesteinsstrecke handelt. Innerhalb des Wärmespeichers können ungestörte Gebirgstemperaturen von bis zu 50 Grad Celsius antizipiert werden, da sich die Sohle auf einer Teufe von 1.159 Meter unter Normalnull NN befindet. Um die Effizienz des Speichers zu erhöhen soll die Injektionsverrohrung mit einer Turbine ausgestattet werden, um einen Teil der Pumpenergie zurückgewinnen zu können. Wird von einer Einspeisung mit einer Temperaturdifferenz von 50 K gerechnet, ergibt sich zum jetzigen Zeitpunkt eine nutzbare Wärmemenge von circa 1,7 GWh/a.

Forschungsfokus

Die Idee, thermische Energie aus bestehenden und stillgelegten Kohlebergwerken zu gewinnen, wird bereits seit längerer Zeit, wenngleich auch bisher im verhältnismäßig geringen Umfang erforscht. In keiner Pilotanlage wurde bisher die Möglichkeit der Wärmespeicherung innerhalb eines ehemaligen Steinkohlebergwerkes betrachtet.

Die thermische Nutzung des Grubenwassers aus bestehenden Wasserhaltungsmaßnahmen wie in Essen (ehem. Zeche Zollverein) oder in Bochum (ehem. Zeche Robert Müser) weist energetisch die höchste Effizienz auf, da hier keine zusätzlichen Pumpkosten zu veranschlagen sind. Ein weiterer Ausbau findet aktuell nur eingeschränkt statt. Das „offene“ Nutzungskonzept des Mijnwater-Projekts konnte in den Niederlanden realisiert werden, da das Grubengebäude nach Stilllegung bereits weitestgehend geflutet ist. Bei einem Flurabstand des Grubenwassers von weniger als 150 Meter ist das Verhältnis zwischen gewonnener thermischer Energie und eingesetzter Energie (Pumpenenergie) trotz geringer Grubenwassertemperaturen von ca. 28 Grad Celsius positiv zu bewerten. Allerdings muss das Grubenwasser mittels Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden. Im Gegensatz zum Mijnwater-Projekt werden im Großteil des zentralen und nördlichen Ruhrgebiet die Grubenwasserflurabstände teilweise mit z. T. mehr als 600 Meter langfristig deutlich größer sein, sodass auch bei Wassertemperaturen von bis zu 35 Grad Celsius der energetische Aufwand für die Hebung zu hoch, im Vergleich zu der gewonnenen thermischen Energie ist. Eine Möglichkeit die Effizienz zu steigern, ist eine deutliche Erhöhung der Grubenwassertemperaturen durch Einspeicherung von saisonaler Wärme in das Grubengebäude, was bisher jedoch noch nicht realisiert worden ist.

Optimierung

Für den weiteren Ausbau der Erneuerbaren Energien ist die Entwicklung von Speicherkapazitäten von hoher Priorität. Bisher ungenutzte Bergwerksstrukturen bieten, vor allem im Ruhrgebiet, ein vielversprechendes Potential für die Wärmespeicherung, da ein hohes Maß an saisonal ungenutzter Abwärme aus Kraftwerks- und Industrieprozessen, zur „Nachnutzung“ bereitstünde. Neusten Kenntnissen zufolge wird deutschlandweit jährlich ein ungenutztes Wärmepotential von circa 500 PJ an die Umwelt abgegeben. Daher müssen fundamentale Erkenntniswerte in Bezug auf Wärmespeicherung in ehemaligen Bergwerksstrukturen gewonnen werden, um diese Technologie weiter zu entwickeln und etablieren zu können. Bei einer technischen und wirtschaftlichen Umsetzung einer Pilotanlage wären die Ergebnisse mit Bezug auf Auslegung und Betrieb eines saisonalen Wärmespeichers innerhalb eines ehemaligen Steinkohlebergwerks auf viele weitere Standorte in Deutschland und weltweit skalierbar.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

22. August 2017
Intersolar South America

12. September 2017
Energiespeicher & Energieeffizienz 2017

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

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Projektadressen

Ansprechpartner
Weitere Adressen

Infobox

Links und Literatur

Projektdarstellung auf der Seite des GZB

Publikation

bbr - Jahresmagazin 2015 - Geo-MTES: Saisonale Wärmespeicherung in Steinkohlebergwerken am Beispiel des Bergwerks Prosper-Haniel

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.