Beiträge zur 1. Grubenwassertagung kassel22

Bei der ersten Grubenwassertagung kassel22 stellten zwei Nachwuchswissenschaftler:innen ihre Forschung vor. Thorben Bergmann trug zum Grubenwasseranstieg und der verbundenen Methanausgasung vor, während Mareike Bothe-Fiekert zum Potential des Harzes zum Wasser- und Energiemanagement vortrug und eine Session leitete. Im weiteren sind die Beiträge vorgestellt und Materialien verfügbar gemacht.

Bergmann, Thorben; Langefeld, Oliver; Teichert, Barbara; Möllerhern, Stefan

Abstract

Das Projekt „Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs auf die Methanausgasung aus den Steinkohlenbergwerken“, das gemeinsam von der THGA Bochum und der TU Clausthal bearbeitet wird, untersucht das langfristige Ausgasungsverhalten von Methan im Rahmen des Grubenwasseranstiegsprozesses. Neben der sekundäre Methanproduktion durch anaerobe Bakterien, liegt ein Schwerpunkt dieses Projektes auf der Beschreibung des dynamischen Ausgasungspotentials des thermogenen Methans aus der Steinkohle (desorbierbarer Gasinhalt) in Abhängigkeit des Grubenwasseranstiegs. Diese Beschreibung wird durch den Einsatz von Adsorptionsisothermen realisiert, die für jedes Flöz, unter Berücksichtigung der Lagerstättenbedingungen (Teufe, Reifegrad der Kohle, Feuchtegehalt und Gasinhalt) individuell bestimmt werden. Bei Adsorptionsisothermen handelt es sich um eine mathematische Beschreibung des Adsorptionsverhaltens von Gasen an Feststoffen bei einer konstanten Temperatur in Abhängigkeit des umgebenen Gas- bzw. Umgebungsdrucks. Die benötigten Parameter, die für die Modellierung der Adsorptionsisothermen benötigt werden, sowie deren Abhängigkeit von den vorliegenden Lagerstättenbedingungen, werden aus zuverlässigen Literaturquellen und vorliegenden Bohrkerndaten entnommen. Für die Modellierung des Ausgasungspotentials werden, unter Verwendung der Adsorptionsisothermen, die jeweiligen Gasdrücke der Flöze verwendet. Die Ermittlung dieser Flözgasdrücke erfolgt durch die Anwendung etablierte Ansätze aus der Steinkohlenforschung und unter Einbeziehung der vorliegenden Bohrkerndaten der untersuchten Steinkohlenlagerstätte.

Mithilfe des entwickelten Modells ist die Abschätzung des Ausgasungspotentials der einzelnen Flöze einer beliebigen Steinkohlenlagerstätte während des Grubenwasseranstiegs möglich. Zudem ist, unter der Einbindung einer etablierten kumulativen Ausgasungsgradberechnung, eine Abschätzung des dynamischen Ausgasungsverhaltens der einzelnen Flöze während des Wasseranstiegs möglich. Hierbei wird zwischen der Ausgasung der Flöze im gebirgsfeuchten Zustand und der Ausgasung bei Überstauung mit Grubenwasser unterschieden.

Die für das Ausgasungsmodell benötigten modellierten Gasdrücke und die damit verbundenen Gasinhalte zeigen eine hohe Übereinstimmung mit den Messdaten der in Vergangenheit durchgeführten Explorationsbohrungen und den damit verbunden Gasinhaltsbestimmungen. Die Ergebnisse des Ausgasungsmodells zeigen eine nichtlineare Abnahme des Ausgasungspotentials mit steigendem hydrostatischen Wasserdruck. Neben den ermittelten Parametern der Adsorptionsisothermen hat die Änderungsrate der Grubenwasseranstiegsgeschwindigkeit einen erheblichen Einfluss auf den Verlauf des Ausgasungspotentials.

Folien zum Beitrag

Bothe-Fiekert, Mareike; Nowosad, Sandra; Langefeld, Oliver

Abstract

Der Harz mit seinen 1200 mm Jahresniederschlag auf der Clausthaler Hochfläche und seiner Speicherkapazität, die auf sechs Talsperren im Westharz und vier von der Harzwasserwerke GmbH (HWW) betriebenen Grundwasserwerken beruht, versorgt täglich rund zwei Millionen Menschen und zahlreiche Industriebetriebe mit Frischwasser. Der Harz ist aufgrund seiner guten Wasserqualität nicht nur für Gebiete mit nitratbelasteten Grundwasserleitern von besonderer wasserwirtschaftlicher Relevanz, sondern auch für Regionen im Regenschatten des Gebirges mit einer durchschnittlichen Jahresniederschlagsmenge von nur 481 mm. Wird das derzeitige Versorgungssystem nicht ausgebaut, befürchtet die HWW, dass infolge des Klimawandels und der gleichzeitig steigende Bedarf der Nutzerregion mittel- und langfristig die Versorgung und Qualität des Wassers einschränken werden und Hochwasserereignisse wie im Jahr 2017 in Goslar zunehmen werden. Das montane Erbe der Region, das bis weit ins 16. Jahrhundert zurückreicht, könnte hier Abhilfe schaffen. Regionen mit einer geringen Speicherkapazität der Böden und einem hohen Oberflächenabfluss können anthropogene, unterirdische Hohlräume als potenzielle Wasserspeicher nutzen, um so plötzliche Regenmassen gezielt abzupuffern und für den späteren Bedarf einzuspeichern. Der Harz eignet sich für ein solches Vorhaben als Reallabor, da hier durch die weitreichende Montanhistorie bereits zahlreiche Stollen und Grubengebäude vorhanden sind. Im Rahmen des Projekts Energie- und Wasserspeicher Harz (EWAZ) hat die Abteilung Hydrogeologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz (HYWAG) des Leichtweiß-Instituts (LWI) der Technischen Universität Braunschweig bereits ein räumlich hochauflösendes hydrologisches Wasserhaushaltsmodell mit einem Modell für den Betrieb einzelner Speicher oder zusammenhängender Speichersysteme im Westharz mit Klimamodellen kombiniert, um die Systemdienstleistungen:Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung, Trinkwasserversorgung sowie die Stromeversorgung mittels Energiespeicher zu simulieren. In einem Zwischenergebnis, von einem aus insgesamt fünf Planungsvarianten konnte gezeigt werden, dass bereits ein multifunktionaler Pump-Speicher, der mit einer bestehenden Talsperre gekoppelt ist, in der Zukunft die Hochwasserleistung deutlich verbessert würde, zusätzlich zu Verbesserungen der anderen Systemleistungen. Die Voraussetzung ist jedoch, dass die Wasserqualität des eingespeicherten Wassers nicht durch bergbaulich beeinflusste Wässer herabgesetzt wird und dass das bereits existierende System belastbar ist. Für das System der Entwässerungsstollen im Oberharz liegen derzeit zwar vereinzelte Daten zur Wasserqualität vor, der aktuelle Zustand der Hohlräume ist jedoch aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit nicht ausreichend bekannt, um Aussagen über die aktuelle hydraulische Verbindung der Stollen und Grubengebäude untereinander sowie Wechselwirkungen durch mögliche Leckagen zwischen dem gefluteten Gruben- bzw. Stollenwasser zu treffen oder um die oberirdischen Einzugsgebiete abzugrenzen. Um die "Blackbox: Untergrund" zu entschlüsseln, arbeitet daher ein stark interdisziplinäres Konsortium aus Forschern der TU Clausthal und der TU Braunschweig, Behörden- und Industriepartnern aus verschiedenen Bereichen (Wasserwirtschaft, Montanarchäologie, Geologie, Hydrogeochemie, Sensorik und Vermessung, Neuronale Netze) eng zusammen. Ziel ist es, die heterogenen Datenquellen in einem Bereich zusammenzuführen und unter einer gemeinsamen Datenbasis (Single Source of Truth) für alle Projektbeteiligten nachhaltig nutzbar zu machen und in einem digitalen Modell abzubilden. So soll ein ganzheitliches, adaptives Wassermanagement der Region unter Verminderung von Nutzungskonflikten ermöglicht werden, indem für unterschiedliche Fragestellungen verschiedene Handlungsoptionen generiert und deren Einfluss auf Wasserqualität und -quantität simuliert und miteinander verglichen werden, sodass der bisherige Wasserbedarf durch den Harz auch zukünftig sichergestellt werden kann.

Poster zum Beitrag