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Geothermische Nutzung von Grubenwässern zur Nahwärmeversorgung

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze
3-D Bild der Erkundungsbohrung

3-D Bild der Erkundungsbohrung

© Staatsbetrieb Sächsisches Immobilien- und Baumanagement NL Zwickau (SIB)

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 3Realisierung
Standort des Netzes Stadtgebiet Zwickau, Gelände der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ)
Standort der Kommune Stadt Zwickau, 08056 Zwickau, Landkreis Zwickau, Sachsen
Kommune in Zahlen Fläche: 102,6 km²; Einwohner: 93.517
Träger Staatsbetrieb Sächsisches Immobilien- und Baumanagement, Niederlassung Zwickau
Netzbetreiber Zwickauer Energieversorgung (ZEV)
Erzeugung Geothermie
Heizungssysteme Niedertemperaturheizung in neu errichteter Laborhalle - derzeit durch Fernwärme gespeist, künftig durch dezentrale Wärmepumpe
Netzlänge ca. 0,25 km
Wärme-/Kälteabnehmer Westsächsische Hochschule Zwickau (WHZ)
Projektthemen

Projektbeschreibung

Das ehemalige Revier Zwickau stellte das bedeutendste Steinkohlenabbaugebiet in Sachsen dar. Während der mehrere Jahrhunderte andauernden Abbauphase entstanden zahlreiche unterirdische Hohlräume mit einem geschätzten Volumen von bis zu 40 Mio. m³. Mit der Einstellung der aktiven Förderung im Jahre 1978 erfolgte in den 1980er und 1990er Jahren die Flutung des bis zu 1.200 m tiefen Grubengebäudes. Nach der Gewinnung der Steinkohle wurden die Hohlräume, insbesondere im Gebiet des geplanten Bohransatzpunktes, mit unterschiedlichen Versatztechnologien und -materialien verfüllt. Das Resthohlraumvolumen im gesamten Grubengebäude des Zwickauer Reviers wird auf ca. 5 Mio. m³ geschätzt.

Im Untersuchungsgebiet sind von ursprünglich 2,5 Mio. m³ Hohlraum nach Versatz und Bergsenkung ca. 250.000 m³ Resthohlraum abzuleiten. Die Flutung des Grubengebäudes und der damit verbundene Anstieg des Flutungswasserspiegels verursacht ein unkontrolliertes Vermengen von Tiefenwässern aus dem Karbon mit oberflächennahen Schichten. Das Druckpotential des Flutungswassers liegt im Bereich der Geländeoberkante. In Senken kommt es daher zu diffusen Wasseraustritten von Tiefenwässern an der Tagesoberfläche.

Projektziele und Aufgaben

Mit dem Projekt sollen die noch weitgehend unbekannten Reservoireigenschaften des noch vorhandenen "Grubengebäudes" erforscht werden. Sie bilden die Grundlage für eine wirtschaftlichen Nutzung des geothermischen Potenzials und sollen künftig für den Neubau des Technikums I sowie für weitere geplante Neubauten der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ) Wärme bereitstellen. Bei entsprechenden Bedingungen eröffnet sich zusätzlich die Möglichkeit der Geothermienutzung für weitere Standorte im Zwickauer Stadtzentrum und der Südvorstadt. Vorteil des Versuchsstandortes ist die enge Kopplung möglicher Abnehmer mit dem Energiereservoir direkt unter der Stadt. Vergleichbare Nutzungen bestehen bisher nicht.

Zur realistischen Einschätzung der Nutzbarkeit des geothermischen Potenzials sind Angaben zu hydraulischen Parametern wie dem konkreten Druckwasserspiegel, der Durchlässigkeit der Resthohlräume im Karbon, zu kontinuierlichen Zulaufmengen und Temperaturen notwendig. Diese Daten können nur durch hydraulische Tests im Bereich des vorgesehenen Erschließungsniveaus ermittelt werden. Dazu ist eine Erkundungsbohrung bis in das ehemalige Streckenniveau erforderlich. Die Planung eines günstigen Bohransatzpunktes unter Berücksichtigung der geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen erfolgte bereits in Rahmen des EnEff:Wärme-Projekts "Fernwärmeversorgung unter Nutzung der Wärme aus Grubenwässern" durch die Hochschule Zwickau (WHZ) .

Arbeitsprogramm
  • Geologische und hydrologische Untersuchungen zum Aufschluss des Grubenwassers und zur Erkundung des in den 1970er Jahren verwahrten Bergbaus:
    Dabei werden Erkenntnisse für die detaillierte Planung des Vorhabens erbracht und Schlussfolgerungen für die weitere Erschließung von Grubenwasser als Energiequelle in der Stadt Zwickau gewonnen. Die Forschungsbohrung wird in eine Verbruchzone des Grubengebäudes vorgetrieben. Es werden Untersuchungen der Hebebedingungen und Beschaffenheit des anstehenden Grubenwassers durchgeführt. Positive Ergebnisse der Bohrung und hydrogeologischen Tests können den Ansatz für weniger aufwändige Erschließungstechnologien liefern, die auch im innerstädtischen Bereich angewendet werden können.
  • Einsatz und Felderprobung von Kunststoff-Wärmetauschern, die auf die chemische Beschaffenheit der Grubenwässer, die als Wärmequelle verfügbar sind, abgestimmt sind:
    In Kunststoffwärmetauschern sind Werkstoffe mit vielseitig gestaltbaren Eigenschaften in Bezug auf chemische und mechanische Widerstandsfähigkeit einsetzbar. Sie sind dauerhaft und kostengünstiger zu fertigen als Wärmetauscher aus hochwertigen Metallen. Die Wärmetauscher werden im Rahmen des BMWI-geförderten Projekt „Energieeffiziente Fernwärmeversorgung unter Nutzung der Wärme aus Grubenwässern und anderen natürlichen Wärmequellen“ entwickelt und im Labor geprüft. Das Pilotprojekt vertieft und vervollständigt planungsmethodische Ansätze und Werkzeuge für die Wärmetauscherauslegung.
  • Entwicklung eines Systems zur Erfassung und Verteilung von Wärme auf niedrigem Temperaturniveau zum Zweck der Gebäudeklimatisierung:
    Bei der Entwicklung von Leitungssystemen für ein Nahwärmenetz auf niedrigem Temperaturniveau stehen der Einsatz geeigneter wie preiswerte Rohrmaterialien, möglichst geringe Wärmeverluste durch eine Wärmedämmung sowie eine Kostengünstige, gut mechanisierbare Verlegung im Vordergrund.
  • Entwurf eines Betriebsregimes für das künftige Wärmeverteilsystem und von Strategien für die Prozesssteuerung von Systemen mit mehreren Quellen und Senken.
  • Optimierung des Betriebs nach exergetischen wie ökonomischen Kriterien.

Die Planung und Realisierung erfolgt nach einem Arbeitsplan, der mit dem Forschungsprojekt der WHZ koordiniert ist. Dadurch können Erkenntnisse aus den hydrogeologischen Untersuchungen in die Systementwicklung einfließen.

Vorbereitende Planung, Realisierung

In vergleichbaren Forschungsprojekten wie im niederländischen Heerlen werden Plattenwärmetauscher aus Titan eingesetzt, um dem dortigen Grubenwasser Wärme zu entziehen und es anschließend über eine Schluckbohrung wieder in das Grubengebäude zurückzuführen. Die Wärme wird in Verteilschienen mit unterschiedlicher Temperatur an den Verbraucher geleitet. Im Gegensatz dazu fokussiert das Zwickauer Konzept auf Kunststoffwärmetauscher und die Wärmeverteilung auf niedriger Temperaturniveau. Mit dezentralen Wärmepumpen wird das aktuell benötigte Temperaturniveau erzeugt. Das Wärmenetz kann als Quelle und Senke arbeiten.

Der regionale Energieversorger Zwickauer Energieversorgung (ZEV) wird den Betrieb der Energieversorgungsanlage inkl. Wärmenetz übernehmen, die im Pilotprojekt entstehen wird. Das Versorgungsnetz ist als Zweileitersystem erdverlegter Rohrleitungen konzipiert - als sog. „kalte Fernwärme“ (Temperaturen VL/RL von ca.  23/10 °C).

Zur Vorbereitung der Planung wurde eine Studie zur energetischen und ökologischen Beurteilung der Wärmenutzung  aus Grubenwässern innerhalb der Fernwärmeversorgung der Stadt Zwickau in Auftrag gegeben. Das Energieberatungsunternehmen SEF zeigt darin auf, dass die Betriebsvariante mit einer Wärmepumpe von 150 kW Leistung für die Wärmeversorgung des Technikumneubaues der WHZ untern Nutzung des Grubenwassers im Vergleich zu weiteren untersuchten Varianten die geringste jährliche CO2-Emission hat. Die zweite wesentliche Erkenntnis: Der Betrieb einer Nahwärmetrasse auf niedrigem Temperaturniveau zur Versorgung des Technikums ist wirtschaftlich, wenn die Grubenwasserübergabe als Schnittstelle des Bilanzkreises gewählt wird.

Am 28. September 2011 fand die feierliche Unterzeichnung des Kooperationsvertrags zwischen der Stadt Zwickau und dem Freistaat Sachsen statt. Sie war zugleich Auftakt des Baubeginns am 3. Oktober.

Mit der Erkundungsbohrung wurde am 27. September 2012 begonnen; mit einer Aussage zum Bohrergebnis wird im Mai 2013 gerechnet.

Kenndaten Energie

vorher Potenzial nachher Einheit
Anschlussleistung   0,60   MW
Netz-Vorlauftemperatur   24,00   °C
Netz-Rücklauftemperatur   10,00   °C