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Grubengas im stillgelegten Bergbau

Grubengas in Bereichen des stillgelegten Bergbaus

Einleitung

Die Nordwanderungen des Steinkohlenbergbaus und die fortlaufenden Stilllegungen der Schachtanlagen im Ruhrgebiet lassen in Gebieten des Altbergbaus ein neues Problem auftreten. Nach der Stilllegung von Steinkohlebergwerken wird in diesen Bereichen weiterhin Grubengas frei, welches durch die vom Bergbau geschaffenen, Klüften, Spalten im Gebirge sowie Schächte und Entgasungsleitungen in die Atmosphäre aus.

Grubengas aus stillgelegten Steinkohlenbergwerken ist weitgehend frei von Sauerstoff O2, der Methangehalt CH4 liegt zwischen 10 und 90 Vol. %, Kohlendioxid CO2 liegt in Konzentrationen zwischen 4 bis 22 Vol. % vor. Der verbleibende Anteil ist Stickstoff N2. Spurenstoffe wie Schwefelwasserstoff H2S, Kohlenmonoxid CO treten in Mengen von weniger als 50 ppm, höhere Kohlenwasserstoffe CnHm in der Regel in Mengen von weniger als 0,5% auf.

Eine Abschätzung der frei werdenden Grubengasmengen bzw. des Restpotenziale aus dem stillgelegten Steinkohlenbergbau ist auf Grund mangelnden Datenmaterials äußerst schwierig. Eine Statistik aus dem Jahre 1984 gibt für den Bereich der Bezirksregierung Arnsberg Abteilung 6 Bergbau und Energie in NRW, eine Menge von 120 Mio. m³ CH4/a an. Der erfolgreiche Betrieb von Grubengasnutzungsanlagen an stillgelegten Schachtanlagen lassen jedoch eine weitaus größere Menge realistisch erscheinen.

Mit weiteren Bergwerkschließungen wird die aus stillgelegten Gruben austretende Gasmenge weiter zunehmen.

Gefährdungen an der Erdoberfläche durch Grubengas

Bei der Schließung von Bergwerken werden in neuerer Zeit Entgasungsleitungen vor der Verfüllung in die Schächte eingebaut. Sie enden unterhalb der Schachtverfüllung, welche sich oft bis in 200m bis 300m Tiefe erstrecken, jedoch den untersten Punkt der Schachtsäule nicht erreichen. Das sich Untertage ansammelnde Gas kann durch diese Entgasungsleitungen kontrolliert in die Umwelt entweichen. Oberhalb des Schachtes wird das Gas über eine dauerbrandsichere Flammenrückschlagsperre abgeleitet, um eine evtl. Rückzündung in das Bergwerk zu vermeiden.

In alten Bergbaugebieten, in denen die Wasserhaltung eingeschränkt oder eingestellt wurde, kommt es zum Anstieg des Wasserspiegels unter Tage. Bedeckt das Wasser nun die Öffnung des Entgasungsrohres, kann das weiterhin entstehende Gas nicht mehr abgeleitet werden. Dieses Gas drängt dann durch das Deckgebirge in die Atmosphäre. Hierbei werden die Wege mit dem geringsten Widerstand genutzt. Es steht zu vermuten, dass dies Risse und Spalten im Gebirge sind, die durch den vorhergehenden Kohleabbau in großer Zahl geschaffen wurden. Auch natürliche Störungszonen können als bevorzugte Gaswege unterstellt werden. Diese Gaswege sind in den ehemaligen Kohlenabbaugebieten in großer Zahl flächendeckend geschaffen worden.

Diese diffusen Ausgasungen sind abhängig von der Wetterlage und verändern sich mit dem atmosphärischen Luftdruck. Bei dem Wechsel von einem Hochdruck- zu einem Tiefdruckgebiet ist besonders mit Gasaustritten an der Erdoberfläche zu rechnen. Wie bereits erwähnt, wird in alten Steinkohlenbergwerken permanent Gas durch Desorption freigesetzt. In den alten Gruben stellt sich daher ein konstanter Gasdruck ein. Er ist unabhängig von der Atmosphäre und durch die Möglichkeit der Gasableitung (Entgasungsort, Deckgebirge, Klüftigkeit, etc.) bestimmt. Aus Untersuchungen in der Ukraine ist bekannt, dass sich in diesen alten Gruben Gas mit einem Druck von bis zu 40 Bar befinden kann. Eine Übertragung der ukrainischen Bedingungen auf deutsche Verhältnisse ist ohne Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen nicht korrekt. Grundsätzlich ist jedoch die Möglichkeit der Entstehung von höheren Gasdrücken zu unterstellen.

Diese Grubengasmigrationen stellen eine Gefahrenquelle für die Bevölkerung dar, da es zur Bildung brennbarer und explosiver Gemische kommen kann. Bei der Migration des Gases durch das Deckgebirge wird der Weg des geringsten Widerstandes genommen. Damit sind im oberflächennahen Bereich besonders Rohr- und Kabeltrassen als Verteilwege gefährdet, die bewusst in lockeren Sand- und Kiesschichten verlegt sind, damit das Regenwasser besser versickern kann und somit auch hervorragend gasfähig sind.

Besonders im Westen der Stadt Dortmund und in öffentlichen Teilen von Bochum liegt bereits eine akute Bedrohung vor. Hier werden bereits lokale Gasabsauganlagen betrieben, um eine ausreichende Sicherheit der Bevölkerung zu garantieren. Diese Maßnahmen werden derzeit vom Landesoberbergamt bezahlt. Gasaustritte an der Erdoberfläche sind jedoch auch in allen anderen Teilen des Ruhrgebiets (z. B. Herne, Duisburg, Moers) bekannt. Auch aus Erfahrungen, die z. B. in den ehemaligen Bergbaugebieten in der Ukraine und in Tschechien gemacht wurden, wird die Gefährdung durch diffuse Gasmigration an die Erdoberfläche deutlich. Hier fanden bereits mehrere Unglücke durch Gasexplosionen statt.

Problemlösungen und Erfahrungen

Die Nutzung von Grubengas aus dem stillgelegten Steinkohlenbergbau gewinnt erst langsam an Bedeutung, wobei das Saarland in diesem Bereich ein gutes Vorbild ist. Im Jahre 1999 wurden aus den Gruben an der Saar durch Besaugung lebender und stillgelegter Gruben etwa 400 Mio. m3 gewonnen. Mit einem Verbundsystem zur Grubengasnutzung wurden 1999 ca. 350 Mio. m3 einer energetischen Nutzung zugeführt. Mit dieser Menge wurden rund 20 % des Gasverbrauches des Saarlandes gedeckt.

Zum heutigen Zeitpunkt erstreckt sich die energetische Nutzung von Gas aus stillgelegten Zechen im Ruhrgebiet auf ca. 100 Anlagen. In Lünen wird auf dem Gelände der Schachtanlage Minister Achenbach ein Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer elektrischen Leistung von 374 kW betrieben. Von den Stadtwerken Herne werden auf der ehemaligen Schachtanlage Mont Cenis zwei Gasmotor-Blockheizkraftwerke (BHKW) mit einer Gesamtleistung von 506 kWel und 756 kWth betrieben. Die positiven Ergebnisse mit der ersten Anlage und die Auswertung von Absaugversuchen führten zu einer Erweiterung der Anlage. Im März 2000 ging ein weiteres BHKW mit einer elektrischen Leistung von rund einem MW in Betrieb.

Zur Vermeidung von diffusen Gasmigrationen an der Erdoberfläche ist unseres Erachtens eine dauerhaft gesicherte Ableitung des weiterhin entstehenden Grubengases notwendig. Dies kann durch eine gerichtete Besaugung alter Steinkohlenbergwerke erfolgen.

Nach den bisher vorliegenden Erfahrungen mit einer aktiven Besaugung an der alten Schachtanlage Mont Cenis in Herne kann erwartet werden, dass ein gut verwertbares Gas gefördert werden kann. Findet die Entgasung der Gruben nur durch den Luftdruckwechsel statt (natürliche Entgasung) wird im Mittel aufs Jahr bezogen eine Menge von ca. 150 m2/h frei. Bei einer Besaugung der Grube wurde über einen Versuchszeitraum von mehr als drei Monaten eine Menge von 1.400 m2/h gefördert. Hierbei stellt sich ein Methangehalt des Grubengases von ca. 80 Vol.% ein. Dieser Methangehalt schwankte bei gleicher Förderleistung nur um +/- 3 Vol.%. Bei sinkender Förderleistung nahm der Methangehalt im Mittel wieder ab, so dass bei Förderleistungen von ca. 250 m2/h ein Methangehalt von 60 – 65 Vol.% gemessen wird. Auch an dem Standort der Zeche Minister Achenbach Schacht 4 in Lünen wird bei einer Förderleistung von ca. 170 m2/h ein Methangehalt von 60 – 65 Vol.% erreicht. Beide Schächte zeigten bei natürlicher Entgasung Methangehalte von 0 – 45 Vol.%. Bei stetiger Besaugung der Gruben wurde in beiden Fällen in den ersten 3 Betriebsmonaten ein kontinuierliches Ansteigen des Methangehaltes des geförderten Grubengases registriert werden.

Durch die Besaugung der Schächte konnte kein Abfallen des Gasdruckes im Grubengebäude gemessen werden. Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die bisherigen Fördermengen kleiner sind als die freigesetzte Grubengasmenge. Diese Folgerung wird dadurch unterstützt, dass in Zeiten niedrigen Luftdruckes auch weiterhin zusätzlich Grubengas aus der Flammensperre in die Umwelt entweicht. Erfahrungen mit möglichen Fördermengen liegen nach unseren Erkenntnissen an keinem Standort im Ruhrrevier vor.

Im Saarland werden auch stillgelegte Gruben besaugt. In einem Grubenfeld wird dabei ein Unterdruck von ca. 180 mBar erreicht. Um diesen Unterdruck konstant zu halten (Fördermenge = freigesetzte Gasmenge) wird eine Gasmenge von ca. 3.500 m2/h gefördert. Auch wird werden Methangehalte von ca. 80 Vol.% gemessen.

Fazit und Forderungen

Die Nutzung des aus den alten Gruben ausströmenden Gases stellt eine Umweltentlastung dar. Wird es keiner Nutzung zugeführt, entweicht dieses Methan in die Umwelt, wo das hohe Treibhauspotential von Methan zur Wirkung kommen kann. Bei Nutzung wird das Methan zu CO2 und Wasser verbrannt. Die Abgase stellen eine GWP Minderung um den Faktor 18,25 dar, wobei es sich um eine wesentlich niedrigere Umweltbelastung handelt.

Zusätzlich zur Entlastung der Umwelt wird das Gefährdungspotential durch diffus austretendes Grubengas vermindert. Dies wird dann erreicht, wenn in den ehemaligen Bergbaubereichen ein dauerhafter Unterdruck in den alten Grubenräumen gehalten werden kann.

Mit der Einordnung der Stromerzeugung aus Grubengas unter das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) mit einer auskömmlichen Stromvergütung können vielseitige positive Aspekte erreicht werden:

  • Schaffung eines neuen Industriezweiges. Vergleichbar mit den Folgen der Einordnung des Deponiegases zu den regenerativen Energien
  • Neu-Betätigungen und Arbeitsplätze im Bergbaubereich. Es wird der Aufbau und der Betrieb dezentraler Energieerzeugungsanlagen bewirkt. Für jede installierten MWel werden zwei Arbeitsplätze geschaffen. Pro MWel installierter Leistung werden zwei Arbeitsplätze geschaffen.
  • Reduzierung der klimaschädlichen Emissionen. Die Erzeugung von 1 MWel durch Grubengas ergibt eine Umweltentlastung (vermiedener Methanausstoß) von ca. 20.000 t CO2 pro Jahr.
  • Entlastung der öffentlichen Aufwendungen für die Gefahrenabwehr. Die Maßnahmen zur Energieerzeugung bewirken im Anwendungsbereich gleichzeitig eine Gefahrenminimierung.
  • Aufbau einer exportfähigen Technik In den weltweit zunehmenden Gebieten mit stillgelegtem Steinkohlebergbau bieten sich häufig ähnliche Problemstellungen.

  • Eine Quantifizierung des Umfanges ist unserer Meinung nach derzeit nicht möglich, da zuverlässige Aussagen zu Kernfragen wie z. B.

  • der möglichen Menge der Gasförderung,
  • der Einwirkbereiche der Besaugung und
  • des Einflusses steigender Wasserpegel

  • nicht geklärt wurden. Abschätzungen, die im Rahmen von Zechenstilllegungen bisher gemacht wurden, müssen nach neueren Erkenntnissen in Frage gestellt werden. Auch liegen bisher keine Erkenntnisse zu der Zeitdauer der Ausgasungen vor. Die Schachtanlage Mont Cenis ist bereits vor mehr als 20 Jahren geschlossen worden und derzeit hat es den Anschein, als ob die freiwerdende Gasmenge steigen würde.