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2.Fachkonferenz des Projektes GeoMAP
„Geothermisches Potenzial von
Grubenwässern und Herausforderungen der
Anlagentechnik“
„Geotermický po-tenciál důlních vod a
technologické výzvy”
Freiberg, 26. November 2019
Veranstalter
Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
TU Bergakademie Freiberg
Gustav-Zeuner-Straße 7
09599 Freiberg
Kontakt
Dr.-Ing. Thomas Grab
+49 3731 39-3004
Thomas.Grab@ttd.tu-freiberg.de
geothermie.iwtt.
tu-freiberg.de

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
2. Odborná konference „Geotermický po-tenciál důlních vod a technologické výzvy”
26.11.2019
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GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-,
Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur
Darstellung von Bergbaufolgen und Nachnut-
zungspotenzialen
Priscilla Ernst; Sylvi Hädecke; Maria Ussath
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), Abteilung 10 Geologie, Referat 105
priscilla.ernst@smul.sachsen.de;
sylvi.haedecke@smul.sachsen.de
;
maria.ussath@smul.sachsen.de
Projektantrag im Rahmen des Kooperationsprogrammes Freistaat Sachsen - Tschechischer Republik
2014-2020
Prioritätsachse 4 - 11b) Verbesserung der institutionellen Kapazitäten von öffentlichen Behörden und
Interessenträgern und der effizienten öffentlichen Verwaltung durch Förderung der Zusammenarbeit in
Rechts- und Verwaltungsfragen und der Zusammenarbeit zwischen Bürgern und Institutionen
1. Über das Projekt
Das Projekt GeoMAP dient dem Erfahrungsaustausch über geowissenschaftliche Methoden
und Modellierungen als die wesentliche Grundlage für weitumfassende Betrachtungen in
Bergbau- und Bergbaufolgegebieten.
Ohne qualifizierte Datenerfassung und -auswertung sind
keine verlässlichen Aussagen und damit auch Prognosen wie z.B. zur Grubenflutung und zum
Grundwasseranstieg, zu Hebungen und Setzungen der Erdoberfläche, zu Böschungsrutschungen,
zu diversen Stofftransportvorgängen aber auch zur Nutzung von Grubenwässern möglich.
Sowohl in Sachsen als auch in Tschechien konnten diesbezüglich in den letzten Jahrzehnten um-
fangreiche Erfahrungen mit diversen methodenabhängigen Erfassungs-, Modellierungs- und Vi-
sualisierungs-programmen gesammelt werden. Es wurde stets deutlich, dass nur durch repräsenta-
tive Datensätze und deren hochqualifizierte Auswertung verlässliche Prognosen möglich sind. Es
wurde auch deutlich, dass die Aussagegenauigkeit diverser Methoden und Modellierungspro-
gramme von zahlreichen Rand- und Vorortbedingungen abhängen, die standortbezogen variieren
können.
Im Projekt sollen die Erfahrungen der Projektpartner zur Erfassung, Modellierung und Visualisie-
rung geowissenschaftlicher Daten in verschiedenen Bergbau-Modellregionen gegenseitig darge-
stellt und diskutiert werden. Ziel der Partner ist es, durch neue Impulse die Ermittlung und Aus-
wertung von Datensätzen und damit auch die Prognose der diversen Bergbaufolgeerscheinungen
zu verbessern.
2. Projektstruktur
2.1. Lead Partner
LfULG, A10, Referat 105 Hydrogeologie (Projektkoordination)
2.2. Weitere Projektpartner
PP 1a: TU Bergakademie Freiberg – Institut für Geotechnik, Lehrstuhl Gebirgs- und Felsme-
chanik/Felsbau, Gustav-Zeuner-Straße 1, 09599 Freiberg, amtierender Institutsdirek-
tor/Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Konietzky

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
2. Odborná konference „Geotermický po-tenciál důlních vod a technologické výzvy”
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PP 1b: TU Bergakademie Freiberg – Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik, Lehr-
stuhl für Technische Thermodynamik, Gustav-Zeuner-Str. 7, 09599 Freiberg, Lehrstuhlinha-
ber: Prof. Dr.-Ing. Tobias Fieback
PP 3:
Technická univerzita Ostrava – Hornicko-geologická fakulta (TU Ostrava - Fakultät
für Bergbau und Geologie, Außenstelle Most), Hauptsitz: 17.listopadu 15/2172, Ostrava-
Poruba, 708 33
3. Modellregionen
Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz: Diese Modellregion wird durch den Leadpartner LfULG
(LP) und den Projektpartner TU Bergakademie Freiberg, Institut für Geotechnik, (PP1a) bear-
beitet.
Braunkohlenrevier Most in Nordböhmen: Diese Modellregion wird durch den Projektpartner
TU Ostrava (PP2) bearbeitet.
Bergbaureviere im Erzgebirge mit vorhandenem Grubenwasser: Diese übergreifende Modell-
region wird durch den Projektpartner TU Bergakademie Freiberg, Institut für Wärmetechnik
und Thermodynamik, (PP1b) bearbeitet.
Darüber hinaus sind die gewonnenen Erkenntnisse jedoch auch in anderen Bergbaugebieten an-
wendbar.
4. Vier Arbeitspakete
Die geplanten Partnerworkshops (AP 1) dienen dem direkten Erfahrungsaustausch zwischen den
Institutionen der Projektpartner, wobei jeder Partner am Beispiel seines Modellgebietes für ein
spezielles Schwerpunktthema verantwortlich ist. In öffentlichen Fachkonferenzen (AP 2) sollen
auch Erkenntnisse aus anderen Bergbaulandschaften Deutschlands und Tschechiens integriert
werden. Zur weiteren Veranschaulichung und im Sinne der Nachhaltigkeit des Projektes erarbeitet
jeder Projektpartner weiterhin ein Anschauungsobjekt (AP 3), welches wesentliche Problemstel-
lungen seiner Modellregion erläutert und visualisiert. Diese Objekte sollen nach Ablauf des Pro-
jektes an zentralen Standorten ausgestellt und als Information für die Öffentlichkeit genutzt wer-
den. Die Netzwerkarbeit (AP 4) dient der Fortführung der Zusammenarbeit.
4.1. Durchführung von Partner-internen Workshops (W) mit Exkursionen bezogen auf die
Modellregionen
W1 + W5 (PP2): Methoden zur Erfassung / Bewertung / 3D-Darstellung von geologischen
Daten zu Tagebauflutung und Böschungsrutschungen in Tagebaugebieten (Braunkohlenrevier
Most)
W2 (LP): Möglichkeiten der Simulation von Grund- und Grubenwasseranstieg: Erfassung,
3D-Modellierung und -Visualisierung von geologischen Daten im Untertagebergbau (Stein-
kohlenrevier Lugau/Oelsnitz)
W3 (PP1a): Möglichkeiten der Simulation gebirgsmechanischer Prozesse wie Hebun-
gen/Senkungen als Folgen der Grubenflutung im Untertagebergbau (Steinkohlenrevier
Lugau/Oelsnitz)
W4 (PP1b): Grubenwasser als regenerative Energiequelle in der gesamten Bergbauregion
Erzgebirge/Krušnohoří (Exkursion ins Bergwerk Reiche Zeche in Freiberg)
4.2. Durchführung von öffentlichen Fachkonferenzen (K)
K1
(PP1a):
Anwendung
innovativer
computergestützter
Methoden
zur
3D-
Untergrunddarstellung sowie Simulations- und Prognosemodellierung diverser Bergbaufolgen
in Bergbaulandschaften
K2 (PP 2): Methoden der Untersuchung, Bewertung und Umweltüberwachung bei der Sanie-
rung und Rekultivierung in der Braunkohlentagebausanierung

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
2. Odborná konference „Geotermický po-tenciál důlních vod a technologické výzvy”
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K3 (PP1b): Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anla-
gentechnik
K4 (LP, Abschlussveranstaltung): Dynamik und Prozessmodellierung der Grubenflutung in
Bergbaufolgelandschaften Sachsens und Nordböhmens
4.3. Visualisierung durch Anschauungsobjekte
LP+PP1a: 3D-Untergrundmodell einschließlich Überwachungsmessstelle zum Grubenwas-
seranstieg im Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz (Standort: Ausstellungsobjekt im Bergbaumu-
seum Oelsnitz)
PP2: Feldlaboratorium zur Messung / Überwachung von Grund-/Grubenwasser, Rutschungen
und Rekultivierung im Braunkohlenrevier Most (Standort: Kippe Most)
PP1b: Aufbau eines miniaturisierten Versuchsstandes einer Wärmepumpe für Grubenwässer
(Standort: variabel, z.B. in Besucherbergwerken oder in Universitäten, öffentlichen Einrich-
tungen)
4.4. Netzwerkbildung
Im Rahmen von quartalsweisen Arbeitsberatungen soll das bereits in mehreren deutsch-
tschechischen Projekten wie VODAMIN, VODAMIN II und VitaMin entstandene Netzwerk ver-
stetigt werden. Ziel ist es, weitere zukünftige Projekte zum Thema zu initiieren (z.B. über
ERASMUS der Hochschuleinrichtungen).
5. GeoMAP im ehemaligen sächsischen Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz
Das derzeit in Flutung befindliche Steinkohlenbergbaurevier Lugau/Oelsnitz im Erzgebirgskreis
Sachsen ist bereits seit einigen Jahren Betrachtungsfeld umfangreicher geologischer, hydrogeolo-
gischer und bergmännischer Untersuchungen. In Bezug auf den stetig steigenden Grubenwasser-
pegel von Lugau/Oelsnitz besteht ein dringender Handlungsbedarf. Aus diesem Grund befasst
sich der vorliegende Beitrag mit den besonderen montanhydrogeologischen Umständen im Berg-
baurevier und den bisherigen Bestrebungen, eine Aussage zur Flutungsprognose zu erarbeiten.
Weiterhin wird ein Einblick in den aktuellen Arbeitsstand im EU-Projekt GeoMAP mit dem
Schwerpunkt auf den Herausforderungen bei der dreidimensionalen Modellierung und Visualisie-
rung von Bergbaufolgen gewährt.
GeoMAP knüpft an vorherige Untersuchungen an. Im Zuge dieses Projektes soll das bereits be-
stehende 3D-Modell des bergbaubeeinflussten Bereiches der Region aktualisiert und präzisiert
werden. Dabei sollen auch neue Daten mit einfließen, wie z.B. geophysikalische Messwerte, die
im Rahmen des EU-Projekte Vita-Min durch die Stadt Oelsnitz/Erzgebirge beauftragt und ge-
wonnen worden sind. Zudem wird eine umfangreiche Recherche in den sächsischen Archivbe-
ständen zur Vervollständigung der Datenlage erfolgen (z.B. alte bergmännische Grubenrisse).
Diese Arbeiten sind wesentliche Grundlage zur Verfeinerung des Modells und zur Darstellung der
äußerst komplexen Bedingungen im Untergrund. Die fortschreitend vertiefende Arbeit im Unter-
suchungsgebiet Lugau/Oelsnitz und der Fachaustausch mit anderen Bergbauregionen sind Vo-
raussetzungen dafür, dass Bergbaufolgen besser kalkuliert und behandelt werden können. Dies
gilt besonders unter dem Aspekt der zukünftigen Gefahrenabwehr und einer nachhaltigen Nut-
zung von Bergbaufolgelandschaften.
Das vergleichsweise kleine Revier ist durch große Abbauteufen, komplexe tektonische Störungen
und zahlreiche hydraulisch wirksame Einheiten und Strukturen geprägt. Diese Voraussetzungen
beeinträchtigten seinerzeit die bergmännischen Arbeiten und haben bis heute Einfluss auf die
Überwachung und Prognostizierung der Bergbaufolgeerscheinungen. Bereits vor Einstellung der
Abbauarbeiten im Jahr 1971 kam es zu Deformationen an der Tagesoberfläche, ausgelöst durch
die Bergbautätigkeit. Diese machten sich an der Oberfläche vor allem durch Erdrisse und bis zu
17 m tiefe flächenhafte Absenkungen, sowie die Entstehung von Poldern bemerkbar [Felix et al
2007]. Die dominierenden Senkungserscheinungen klangen nach 1971 nur langsam ab. Im Fol-

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
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genden kam es durch die Einstellung der Wasserhaltung und den Anstieg des Wasserspiegels im
Grubengebäude zu anhaltenden leichten Hebungen der Tagesoberfläche, wie Reviernivellements
ergaben. Die Flutung des Bergbaugebietes ist bis heute nicht abgeschlossen. Dies bedeutet, dass
der Wasserpegel in den vormals von der Wasserhaltung betroffenen Einheiten, in denen nun ca.
47 Mio. m3 Resthohlraum zu vermuten sind, immer noch steigt [Felix et al 2010].
Im Rahmen der damaligen Verwahrung der Grubenbaue bis 1974 wurden keine Einrichtungen für
ein Monitoring des Grubenwasserwiederanstieges vorgesehen. Der Flutungsverlauf konnte somit
lange Zeit weder überwacht noch beeinflusst werden. Aus diesem Grund errichtete der Freistaat
Sachsen 2003 nach umfangreichen Voruntersuchungen die erste Grubenwassermessstelle zur Be-
obachtung der Flutung. In den folgenden Jahren trugen EU-geförderte Projekte wie VODAMIN,
Vita-Min und aktuell GeoMAP dazu bei, den Wissensstand im Bereich der Bergbaufolgen im
Lugau/Oelsnitzer Revier auszubauen und gleichzeitig einen Wissensaustausch mit anderen von
Bergbau betroffenen Regionen in Deutschland und dem Nachbarland Tschechien zu generieren.
6. Fachliche Ziele des Projektes für das LfULG sind zusammenfassend (HL-
Vermerk)
Kenntniszugewinn zur Geologie, Hydrogeologie und Tektonik im Steinkohlerevier
Lugau/Oelsnitz
Räumliche Abgrenzung des vom Grund-/Grubenwasserwiederanstieg betroffenen Gebietes um
Lugau/Oelsnitz
Datenzugewinn für eine Qualifizierung des 3D-Strukturmodells zur Modellierung und Visua-
lisierung des Untergrundes (Geologie, Hydrogeologie, Tektonik, Grubengebäude) als Voraus-
setzung für eine gesicherte Prognose des Grund-/Grubenwasserwiederanstiegs im Steinkoh-
lenrevier Lugau/Oelsnitz sowie die Ausweisung von Gefährdungszonen
Literatur
[1]
Felix, M., Berger, H.-J.; Schubert, H.; Görne, S. u. a. (2007): Bergbaufolgen im ehemaligen Steinkohlerevier Lugau/Oelsnitz
unter besonderer Berücksichtigung des Grubenwasseranstiegs. - Unveröff., Sächs. Landesamt für Umwelt und Geologie;
Freiberg.
[2]
Felix, M., Berger, H.-J. (2010): Steinkohlebergbau und Bergbaufolgen im Steinkohlerevier Lugau/Oelsnitz. – Beitrag in Ge-
oprofil Bd. 13, Sächs. Landesamt für Umwelt und Geologie; Freiberg.

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
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Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen
und Grubenwasser - geothermische Nut-
zungsmöglichkeiten in Sachsen und deren Be-
sonderheiten
Karina Hofmann
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie –
karina.hofmann@smul.sachsen.de
1. Geothermie in Sachsen
Geothermie ist eine erneuerbare Energiequelle, deren Nutzung vor dem Hintergrund der Energiewende
viel zum Klimaschutz beitragen kann. Die oberflächennahe Geothermie beschreibt die Nutzung der in
der Erde in Form von Wärme gespeicherten Energie bis in Tiefen von maximal 400 m [2]. Im Gegen-
satz zur Nutzung tiefer Geothermie bis in Tiefen von 5 km, die auch zur Stromerzeugung dient, wird
die oberflächennahe Geothermie zu Heiz- und Kühlzwecken erschlossen.
Oberflächennahe Geothermie
wird im gesamten Freistaat hauptsächlich über Bohrungen mit einge-
brachten Erdwärmesonden bis in Tiefen von 200 m bereits genutzt und dient der Klimatisierung von
Gebäuden. Weitere Nutzungen erfolgen durch Grundwasserwärmepumpen, Erdwärmekollektoren und
andere Formen wie beispielsweise Phasenwechselsonden oder Energiepfähle. Die Hauptnutzungsfor-
men sind in Abb. 1 schematisch dargestellt.
Abb. 1: Überblick der Hauptnutzungsformen oberflächennaher Geothermie (GeoPLASMA-CE)

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Die häufigsten Nutzungsformen der
oberflächennahen Geothermie
in Sachsen sind zu etwa 90%
Erdwärmesonden, gefolgt von Erdkollektor- und Brunnenanlagen (Abb. 2).
Abb. 2: Kumulative Anzahl an Erdwärmeanlagen in Sachsen
Mit Stand 11/2019 sind in Sachsen 15.664 Erdwärmeanlagen mit einer Gesamtleistung von rund 180
Megawatt (thermisch) in Betrieb. Die Zuwachsraten betrugen in den letzten Jahren ca. 850 bis 900
Neuanlagen pro Jahr. Entsprechend der Einwohnerdichte ist eine Konzentration der installierten Anla-
gen in den Ballungszentren zu verzeichnen (siehe Karte).
Aufgrund des früheren intensiven Bergbaus existiert in Sachsen ein großes Potenzial an
Grubenwas-
sergeothermie
. In einer vom LfULG 2001 beauftragten, durch die Firma HGC durchgeführten Gru-
benwasserstudie erfolgte eine Datenrecherche von 48 vorhandenen Grubenbauen / Revieren zu natür-
lichen, technischen und bergrechtlichen Kriterien und darauf basierendem Ranking (HGC, 2001). Der-
zeit sind in Sachsen einige wenige Grubenwassergeothermieanlagen errichtet.
Abb. 3: Grubenwasseranlage Schloss Freudenstein (Foto: K. Hofmann, LfULG)

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2. Nutzungsmöglichkeiten und Besonderheiten geothermischer Anlagen
Oberflächennahe Geothermie lässt sich zum Heizen und Kühlen mit einem Erdwärmesystem nutzen
und steht wetterunabhängig stabil zur Verfügung. Die Möglichkeit der unterirdischen Wärmepeiche-
rung zur Nutzung von Überschusswärme in der nächsten Heizperiode in Gebieten mit wenig Grund-
wasserfluss ist ebenfalls ein großer Vorteil. Oberflächennahe Geothermie kann sowohl in privaten als
auch gewerblichen Gebäuden eingesetzt werden und eignet sich zudem für die thermische Vernetzung
ganzer Gebiete.
Für die
Anzeige und Erlaubnis von Erdwärmeanlagen
ist ein wasserrechtliches Anzeige- oder Er-
laubnisverfahren erforderlich und die Bohrung ist nach Lagerstättengesetz (sowie bei Bohrungen >
100 m auch nach Bergrecht) anzuzeigen [1]. Ebenfalls muss bei Bohrtiefen > 100 m im Bereich po-
tenzieller Wirtsgesteine jeweils das Einvernehmen beim Bundesamt für kerntechnische Entsorgungs-
sicherheit (BfE) eingeholt werden. In Sachsen existiert hierfür das elektronische Verfahren ELBA.Sax
mit dem der Antragsteller mit einer elektronischen Anzeige alle Rechtsbereiche bedienen und das Ver-
fahren
durch
die
zuständigen
Behörden
vollelektronisch
abgewickelt
werden
kann
(www.bohranzeige.sachsen.de).
Generell ist es wichtig, eine Erdwärmeanlage anhand der zu erwartenden (hydro-)geologischen Gege-
benheiten und der Energiebilanz des Gebäudes fachgerecht zu planen. Weiterhin ist die Kenntnis
eventuell vorhandener Restriktionsflächen (z.B. Wasserschutzgebiete) nötig.
Bei
Erdwärmesondenanlagen
wird ein sogenanntes einstufiges Antragsverfahren durchgeführt. Bei
Anlagen mit einer Gebäudeheizlast ≥30 kW wird zusätzlich eine Erstbohrung mit Temperaturprofil-
messung und Thermal-Response-Test mit anschließender Anlagendimensionierung mittels Fachsoft-
ware gefordert. In grundwasserbeeinflussten sowie in dichtbesiedelten Gebieten kann auch eine ther-
mohydraulische Modellierung gefordert werden.
Eine Besonderheit bei
Grundwasserwärmepumpen
im Antragsverfahren ist, dass dieses in der Regel
zweistufig erfolgt. Das heißt, es muss zunächst eine Brunnenbohrung angezeigt werden, an dem die
erforderlichen Tests durchgeführt werden können. Hierzu zählen u.a. ein Pumpversuch und eine che-
mische Grundwasseranalyse. Wenn diese Parameter für den Betrieb die Anforderungen qualitativ und
quantitativ erfüllen, wird in einem zweiten Verfahrensschritt die Gesamtanlage mit den geplanten
Brunnenbohrungen angezeigt.
Bei
Grubenwasseranlagen
wird die zuständige Genehmigungsbehörde immer im Einzelfall über die
notwendigen Schritte entscheiden, sodass hier kein standardisiertes Verfahren in Sachsen vorliegt. Die
Wärmegewinnung aus Grubenwasser ist grundsätzlich auch eine physikalische Benutzung bzw. Mit-
benutzung eines Gewässers. Gewässerbenutzungen bedürfen einer wasserrechtlichen Erlaubnis, ohne
deren Vorlage die Arbeiten nicht begonnen werden dürfen. Ist ein Betriebsplan erforderlich, werden
im bergrechtlichen Zulassungsverfahren auch alle anderen betroffenen Behörden von der Bergbehörde
beteiligt. Stellt eine der im Betriebsplan beschriebenen Tätigkeiten (z. B. Bohrungen, Wasserentnah-
me, Temperaturänderung des Wassers, Pumpversuche) einen Benutzungstatbestand im Sinne des
Wasserhaushaltsgesetzes dar, entscheidet die Bergbehörde auch über die dafür erforderliche wasser-
rechtliche Erlaubnis im Einvernehmen mit der Wasserbehörde.
Als besondere Herausforderung bei der Grubenwassergeothermie ist vor allem das Antreffen des anvi-
sierten Schachtes beim Bohrvorgang zu erwähnen. Weiterhin sind je nach Anlagentyp Probleme mit
der Grubenwasserchemie im Sinne der Verockerung bzw. des Zusetzen der Wärmetauscher aufgetre-
ten. Hier besteht noch Forschungsbedarf, um diese individuelle Nutzungsform der Geothermie noch
effizienter und langlebiger zu betreiben.

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3. Strategien zur verstärkten Nutzung von Geothermie und deren Qualitätssi-
cherung
Im durch Interreg Central Europe geförderten
EU-Projekt GeoPLASMA-CE
wurden von Juni 2017
bis September 2019 mit insgesamt 11 Partnern aus 6 Ländern harmonisierte Methoden zur Darstellung
des Potenzials oberflächennaher Geothermie sowie Strategien erarbeitet (
https://portal.geoplasma-
ce.eu
). Neben den Projektergebnissen der Pilotgebiete, welche interaktiv im Webprotal verfügbar sind,
wurden auch Handbücher für eine erfolgreiche Implementierung oberflächennaher Erdwärme und ein
Katalog für Erfolgskriterien und Qualitätsstandards erstellt. Im Ergebnis dessen wurde verdeutlicht,
dass die Hauptvoraussetzungen für ein integriertes Managementkonzept die Kenntnis des geothermi-
schen Potenzials, ein unterstützender rechtlicher Rahmen, angemessene Qualitätsstandards, Informati-
onen zu bestehenden Anlagen und gut ausgebildetes Personal sind [3]. Diese Voraussetzungen müssen
im gesamten Lebenszyklus einer Erdwärmeanlage erfüllt sein (s. Abb. 4).
Abb. 4: Hauptschwerpunkte im Lebenszyklus einer Erdwärmeanlage [3]
Ein ideales integriertes Managementkonzept berücksichtigt alle Installationen und deren Einfluss auf
den Untergrund und verwendet Informationen aus vorhandenen Erdwärmeanlagen in der Planungs-
phase.
Qualitätsstandards
müssen die Sicherheit, Nachhaltigkeit und Effizienz einer Anlage während ihrer
gesamten Lebensphase gewährleisten. Daher müssen moderne Verfahren und Spezifikationen alle
Aspekte wie Planung, Materialauswahl und zugelassene Techniken oder Methoden abdecken. Obliga-
torische Qualitätskontrollmaßnahmen wie Berichterstattung und Überwachung von Anlagen müssen
definiert und deren Einhaltung durchgesetzt werden.
4. Fazit
Die Nutzungsmöglichkeiten oberflächennaher Geothermie in Sachsen sind aufgrund der vorhandenen
geologischen Verhältnisse als gut einzuschätzen, vielseitig und bereits etabliert. Beim Nutzungsum-
fang bestehen noch erhebliche Ausbauchancen, insbesondere bei Neubau- aber auch bei Sanierungs-
vorhaben.

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Der frühere intensive Bergbau im Erzgebirge sowie in den Steinkohlerevieren Zwickau, Lugau-
Oelsnitz und Freital hinterließ ein großes Potenzial für Grubenwassergeothermie. Bergmännische
Verwahrungsarbeiten in der Umgebung gefluteter Grubenabschnitte sollten weiterhin Möglichkeiten
einer thermischen Nutzung des Grubengebäudes mit in Betracht ziehen.
Erdwärmeanlagen müssen innerhalb des gesetzlichen Rahmens und unter Berücksichtigung aller gel-
tenden Qualitätsstandards nach dem Stand der Technik ausgelegt werden. Ein verantwortungsbewuss-
tes Management ermöglicht eine nachhaltige und effiziente Nutzung.
Die oberflächennahe Geothermie kann als Schlüsseltechnologie in städtischen und ländlichen Gebie-
ten angesehen werden, die nicht mit Fernwärme oder Gas versorgt werden können. Der geringe Flä-
chenverbrauch, minimale Emissionen, die Möglichkeit zum kombinierten Heizen und Kühlen, sowie
die Kompatibilität mit anderen erneuerbaren Energien geben der Geothermie einen deutlichen Vorteil
gegenüber anderen Heiz- und Kühltechnologien.
Zusammenfassen ist festzustellen, dass Geothermie die Effizienz im Wärmesektor (Heizung und Küh-
lung) von Gebäuden erheblich steigern kann und einen Beitrag zur Umweltpolitik leistet. Die benötig-
ten Ressourcen liegen direkt unter unseren Füßen. Wir müssen sie nur nutzen.
Literatur
[1]
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), 08/2014: Erdwärmesonden Informationsbro-
schüre zur Nutzung oberflächennaher Geothermie. Dresden
[2]
VDI 4640 Blatt 2 (2019): Thermische Nutzung des Untergrundes Erdgekoppelte Wär-mepumpenanlagen. - VDI-
Gesellschaft Energie und Umwelt, Fachbereich Energie-technik, Düsseldorf
[3]
GeoPLASMA,
09/2019:
Handbuch
für
eine
erfolgreiche
Implementierung
oberflächennaher
Erdwärme
(
https://www.interreg-central.eu/Content.Node/GeoPLASMA-CE.html
)
Abkürzungsverzeichnis
ELBA.Sax
Elektronische Bohranzeige Sachsen
kW
Kilowatt
BfE
Bundesamt für kerntechnische Entsorgungssicherheit
GeoPLASMA-
CE
Shallow
Geo
thermal Energy
PL
anning,
As
sessment and
MA
pping Strategies in
C
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Chemismus der Ablagerungsbildung an Wär-
metauschern bei der Grubenwassernutzung
Nils Hoth; Marlies Grimmer; Janith Abeywickrama
TU Bergakademie Freiberg
nils.hoth@mabb.tu-freiberg.de
;
marlies.grimmer@mabb.tu-freiberg.de
;
janith.abeywickrama@mabb.tu-
freiberg.de
1. Einleitung
Im einem Projekt innerhalb des Vodamin II – Förderprogramms befasst sich mit der Frage der ge-
othermalen Nutzung von Bergbauwässern aus dem Tiefbau. Hierbei sollen vor allem störende
Einflüsse auf die Wärmeübertrageranlage (in Folge Ausfällungen) vermindert werden. An einigen
Wärmeübertrageranlagen ist über einen längeren Zeitraum ein Leistungsabfall, welcher durch so-
genanntes Fouling entsteht, zu verzeichnen. Fouling ist gekennzeichnet durch Ablagerungen auf
den Wärmeübertragerplatten. Verantwortlich dafür sind Änderungen wesentlicher Umgebungspa-
rameter (z. B. Druck, Temperatur, Redoxzustand) in der Anlage, die zur Verschiebung chemi-
scher Gleichgewichte in den betrachteten Grubenwässern führen. Es ist zu untersuchen, zu wel-
chen konkreten Veränderungen es kommt, also wie sich chemische Quasigleichgewichte ändern,
mit resultierenden z. B. typischen Fe-Ausfällungen. Darauf basierend sind erfolgversprechende
Gegenmaßnahmen abzuleiten, die dieses Problem vermindern.
Diesbezüglich beschäftigt sich unser Teilprojekt, an unterschiedlichen Standorten, mit der Unter-
suchung der chemischen Beschaffenheit der Grubenwässer und der Ablagerungen an den Platten.
Dies um das Potential zur Ablagerungsbildung zu ermitteln und für zukünftige Geothermieanla-
gen Gegenmaßnahmen zur Minderung der Problemstellung abzuschätzen.
Um die Wässer zu charakterisieren, wurden mehrere wiederholende Probenahmen an verschiede-
nen, aktiv betriebenen Anlagen unternommen und dabei eine umfangreiche Analytik durchge-
führt. Neben der analytischen Datenerhebung ist es wichtig, das Redoxsystems des Standortes ge-
nau zu betrachten und zu verstehen, denn oftmals sind nicht hohe Elementkonzentrationen auto-
matisch für die Ablagerungsneigung verantwortlich, sondern deutliche Redoxmilieu- und Druck-
änderungen.
2. Auswertung der Daten vom Standort Ehrenfriedersdorf
Für eine Betrachtung hier werden nur Messwerte des Standortes Ehrenfriedersdorf herangezogen,
da es für die beiden Geothermieanlagen dort sowohl Wasser- als auch Feststoffanalysen gibt.
Folglich kann für diese Anlagen eine Korrelation zwischen der Wasserbeschaffenheit und den sich
daraus ergebenden Rückständen hergestellt werden.
2.1. Kurzzusammenfassung der Ergebnisse aus dem Besucherbergwerk und sich daraus erge-
bende Fragestellungen
In USSATH ET AL. (2019) sind für den Standort „Besucherbergwerk Ehrenfriedersdorf“ bereits
umfangreiche Analysen ausgewertet worden. Die diesbezüglich wichtigsten Ergebnisse daraus
sollen hier noch einmal zusammengefasst werden:
Das Grubenwasser ist pH-neutral und eher gering mineralisiert (ELF max. 600 µS/cm).
Als Hauptionen wurden Kalzium, Kalium, Magnesium, Natrium sowie Sulfat, Chlorid und
Silizium identifiziert. Es zeigen sich jedoch kaum gerichtete Änderungen der Konzentration
zwischen Zu- und Ablauf.

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
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Bei den gelösten (<0,45 µm filtriert) Elementgehalten für Eisen, Mangan, Aluminium kommt
es hingegen zu gerichteten Konzentrationsänderungen, wenn die Differenzen auch klein sind
(c diff
max
= 0,15 mg/L). Diese Abnahmen zeigen sich auch für Arsen, Kupfer, Nickel und
Zink.
Weiterhin gibt es einen geringen Anteil dieser Elemente, der sich leicht abfiltrieren lässt und
somit partikulär als „Schwebstoff“ vorliegt.
Außerdem ist eine Reduzierung des Gesamtgehaltes an organischem Kohlenstoff (TOC) zwi-
schen Zu- und Ablauf ersichtlich.
Es kann geschlussfolgert werden, dass verschiedene Foulingarten stattfinden. Zum einen Se-
dimentation von nicht echt gelösten, partikulären Inhaltsstoffen sowie Ausfällungen in Folge
chemischer Oberflächenreaktionen, für die ein mikrobiologisches Fouling (also mit Einfluss
von Bakterien) wahrscheinlich ist.
Die Ausfällungen auf den Wärmetauschern lassen sich rein visuell durch zwei Arten unter-
scheiden: schwarze, schwer entfernbare Verkrustungen direkt auf den Wärmeüberträgerplat-
ten sowie rötliche, frische (nasse) Ablagerungen.
Anhand durchgeführter sequentiellen Extraktionen und gestützt auf hRFA-Messung an diesen
Ausfällungsmaterialien ist festzuhalten, dass die schwarzen Ausfällungen Mangan dominiert
sind und der „leicht-reduzierbaren“ Fraktion in der sequentiellen Extraktion zugeordnet sind.
Die darüber abgelagerten roten Ausfällungen sind als amorphe und leicht kristalline Eisen-
hydroxide anzusprechen. Hierbei sind As und Mn als angelagert zu betrachten. Ein Teil des
Fe wird auch in der „organisch gebundenen Fraktion“ extrahiert.
Aus diesen Ergebnissen/ Interpretationen ergaben sich für die Weiterführung des Projektes fol-
gende Fragestellungen:
Welchen Anteil des Fouling entsteht durch echte Ausfällungen und was ist auf reine Ablage-
rung von kolloidal gebundenen Elementen zurückzuführen?
Wie groß sind diese Kolloide? Mit welchem Verfahren können diese ggf. vorher entfernt wer-
den?
Wie kann bakteriell induziertes Fouling nachgewiesen werden?
2.2. Weiterentwickeltes Vorgehen zur Optimierung der Datenerhebung
Um eine Verbesserung der Untersuchung zu erreichen wurde zunächst das Analysenspektrum er-
weitert.
Um eine Angabe zum Biofouling geben zu können, wurde ein MO-Bart-Test der Firma Hach ge-
nutzt. Damit kann eine schnelle Aussage zur mikrobiellen Aktivität von auf Eisen bezogenen
(IRB) sowie sulfatreduzierenden (SRB) und schleimbildenden Bakterien getroffen werden.
Weiterhin ist es Ziel von jeder Wasserprobe verschiedene Filterstufen (unfiltriert; 1,2 µm; 0,8 µm;
0,45 µm und 0,2 µm) zur Elementbestimmung mittels MPAES abzufüllen, um die Größe der Kol-
loide genauer zu kennzeichnen.
Aufgrund der Eigenschaften der Feststoffproben (frische Niederschläge, amorph statt kristallin)
ist eine klassische Mineralphasenanalyse nicht möglich. Jedoch wurden eine genauere Charakteri-
sierung durch REM-EDX- Untersuchungen durchgeführt. Hierzu bedurfte es nur einer geringen
Mengen „ideal gewonennen“ Ablagerungsmaterials. Diese Untersuchungsmethodik lässt eine
ortsaufgelöste Visualisierung mit Elementanalyse zu.
Weiterhin wurde auch an einer weiteren Anlage in der Oberschule Ehrenfriedersdorf Feststoffe
beprobt, um eine Bestätigung bisher erhaltener Ergebnisse zu erhalten.

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
2. Odborná konference „Geotermický po-tenciál důlních vod a technologické výzvy”
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2.3. Generelles Verständnis zum pH-Redox-Zustand
Generell ist es wichtig, das Redoxsystem der Grubenwässer in Bezug auf pH-Wertverhältnisse
und deren jeweilige Änderungen zu verstehen. Die genaue Einschätzung kann dann nur durch eine
hydrogeochemische Modellierung – z. B. mit PHREEQC (PARKHURST & APPELO 1999) erfolgen.
Einen ersten generellen Blick erlauben aber die vereinfachten (weil ohne genaue Matrixeffekte)
pH-Eh Diagramme in Abb. 1 für Fe, Mn (aus BROOKINS 1988).
Abb. 1: ph-Eh Diagramm für das System Fe-O-H (links) und Mn-O-H (rechts) (aus Brookins
[1988])
Aus Abb. 1 geht für Fe der wesentliche Übergangsbereich zwischen dem gelösten Fe
2+
und festen,
zunächst eher amorphen Fe-Hydroxidphasen hervor. Liegt man bei etwa pH-neutralen Werten mit
Eh-Werten um 0 bis + 200 mV noch im Bereich des gelösten Fe
2+
, so kommt es bei Anstieg der
Eh-Werte (> 300 mV) schnell zum Übergang in Richtung Ausfällung der Fe-Hydroxide. Dies ist
somit typisch bei steigendem oxidativen Einfluss (O2-Einfluss oder Vermischung von Wässern) im
Zulaufbereich oder unmittelbar im Wärmetauscher.
Diesbezüglich ist zusammenzufassen, dass diese Problemstellung typisch durch zunehmende oxi-
dativere Bedingungen im unmittelbaren Zulauf und im Wärmetauscher entstehen. Im ersten Blick
sind die Verhältnisse für Mn eher in Richtung noch oxidativerer Verhältnisse verschoben. Dies
heißt der Übergang von Mn
2+
zu festen Mn-Ausfällung bedarf, bei pH-neutralen Verhältnissen,
noch höheren Eh-Werten. Hier ist aber gleich darauf hinzuweisen, dass die genauen Umstände die
zur Festphasenausfällung führen nur durch eine hydrogeochemische Modellierung, die die gesamte
Grubenwasserbeschaffenheit einbezieht, verstanden werden kann.
3. Weiterführende ausgewählte Untersuchungsergebnisse zum Standort Ehren-
friedersdorf
3.1. Wasseruntersuchungen
Im April 2019 wurde eine Beprobung an der Wärmeübertrageranlage in der Oberschule Ehren-
friedersdorf durchgeführt. Dabei wurden sowohl unfiltrierte, als auch 0,45 µm und 0,2 µm filtrier-
te Wasserproben genommen und analysiert.

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
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Abb. 2: Vergleich der Elementkonzentrationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten (oben) und in
unterschiedlichen Filtrationsstufen der Probenahme im April 2018 (rechts)
In Abb. 2 ist oben ein Vergleich der gelösten Bestandteile Arsen, Eisen und Mangan der Zulauf-
wässer (rot) und Ablaufwässer (blau) zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt. Die roten Pfei-
le weisen aus, wo eine Minderung der Konzentration stattfand. Genauer gesagt, diese Elemente
haben sich zu diesem Zeitraum an den Platten der Anlage abgelagert.
Das untere Diagramm zeigt ebenfalls den Vergleich zwischen Zulaufwässern (orange-gelbliche
Farben) und Ablaufwässern (blaue Farben). Es wird aber vor allem deutlich das die wesentlichen
Fe-Gehalte und auch der für As, Ni, Zn bei Einsatz eines 0,45 µm-Filters entfernt wird. Diese Be-
standteile sind also nicht echt gelöst, sondern liegen kolloidal gebunden vor.
Weiterhin wurden am Standort Oberschule mittels Bakterientest am Zu- und Ablauf sowohl Ei-
senreduzierer, als auch schleimbildende Bakterien nachgewiesen.
Es ist folglich davon auszugehen, dass im Bergbauwasser relevante Bakterienkolonien vorhanden
sind und Biofouling stattfindet. Die Identifizierung von Eisen bezogenen Bakterien deckt sich
auch mit den Erkenntnissen aus den Feststoffanalysen. Da ein Teil des Eisens organisch gebunden
ist und sowohl eine Minderung des TOC, als auch der Fe-Konzentration zwischen Zu- und Ablauf
analysiert wurde.

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3.2. Genauere Untersuchungen der Feststoffausfällungen
Weiterhin wurde versucht die Ablagerungen (Krusten) gezielt zu „gewinnen“ und mittels REM
(gekoppelt mit EDX-Analyse) zu untersuchen. Abb. 3 zeigt Detailaufnahmen dazu auf. Im oberen
Bereich der Abb. sind zunächst diese Ablagerungsbildungen generell dargestellt. Dies wird durch
das REM-Foto unten links in Abb. 3 untersetzt. Es wird sehr gut die Zweiteilung der Ablagerung
deutlich, die sich auch makroskopisch schon abzeichnete. Dabei zeigten die Messungen im ge-
kennzeichneten Bereich 1 viel höhere Mn- Gehalte, verglichen mit Bereich 2. Der Bereich 2 ist
klar als Fe-Hydroxide zu kennzeichnen, die vor allem auch As gebunden haben, untergeordnet
auch Ca, Mg, Mn. Im Mn-reichen Messungsbereich 1 ist auch deutlich Fe enthalten und in gerin-
gerem Niveau werden Al, Ca, As und Zn nachgewiesen.
Abb. 3: REM Aufnahme zu separierten Ablagerungen (Probenahme 29.1.2019 Wärme¬tauscher
Besucherbergwerk Ehrenfriedersdorf) – (oben) Abbildung der „netzartigen“ Mn-reicheren Ausfäl-
lungen als Basisschicht und der eher glatteren, äußeren Fe-reicheren Ausfällungen – (unten, links)
Detailaufnahme an der EDX-Messungen erfolgte - (unten, rechts) schematischer Aufbau der Ab-
lagerungen
Der Teil der Probe mit den dunkelbraunen, schwärzlichen Ablagerungen, weist eine sehr raue stark
verästelte (kristalline) Oberfläche auf und enthält laut Elementanalyse bis zu 43% Mn, 16% Fe, 4%
As, 4% Ca und 2% Al. Der untere „glattere Bereich“ (rote Sedimentation) besteht zu etwa 47% aus
Fe, 15,5% As, 2% Ca und 2% Mn. Eine ganz genaue Angabe zu den Kohlenstoff-Gehalten ist auf
Grund der Messmethodik und Probenvorbereitung zwar schwierig, jedoch kann festgehalten wer-
den, dass der C-Gehalt in den Fe-reichen-Bereichen deutlich höher (etwa doppelt so hoch) ist, ver-
glichen mit den Mn- reichen Bereichen.
4. Zusammenfassende Schlussfolgerungen und Ausblick
Aus den bisherigen Untersuchungen können folgende Hauptaussagen getroffen werden:
Messung Bereich 1
Messung Bereich 2

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Hohe Elementkonzentrationen in den Bergbauwässern müssen nicht automatisch zu umfang-
reichen Ablagerungen führen.
Die analysierten Wässer zeigten eine Verringerung der Konzentration von Fe, Mn und As
beim Prozess des Wärmetausches aus.
Die Verringerung der Konzentrationen von Fe, Mn aber auch Ni, Al, As, Cu und Zn durch
Filtration, zeigt auf dass sich dies auf partikuläre Gehalte bezieht. Diese sind somit als
Schwebstoffe zu verstehen.
Bei den Schwebstoffen handelt es sich mind. teilweise um organische Bestandteile wie auch
Bakterien, die z.B. Eisen zur Energiegewinnung für ihren Stoffwechsel nutzen.
Das Fouling kann folglich in zwei Arten unterteilt werden. An der Stahloberfläche der Wär-
meübertragerplatten finden chemische Reaktionen – echte Ausfällungen/ Kristallisation –
statt, die als dunkelbraun-schwärzliche Ablagerungen identifiziert wurden. Diese sind Man-
gan-dominiert und als „leicht reduzierbare Phasen“ (Braunstein) gebunden. Zusätzlich findet,
als darauf liegende Schicht eine Ausfällung von Eisenhydroxiden statt, welche als rote, amor-
phe Ablagerung erkennbar sind.
Die weitere Foulingart ist das biologische Fouling, welches durch Bakterien induziert ist. Es
wird sich hier nicht um eine klassische Bakterienbesiedlung handeln, sondern wohl eher um
Sedimentation von Schwebanteilen/ Kolloiden bspw. unterstützt durch Strömungsänderungen
zwischen den Wärmeübertragerplatten.
Die Konsequenz der Ergebnisse ist, dass eine Verminderung der Ablagerungen auf den Wärmetau-
schern durch eine Filterstufe erreicht werden kann. Ob es sich hierbei um eine Mikro- oder Nano-
filterstufe handeln sollte, kann nach weiteren Analysen (mit dem erweiterten Filterset) festgelegt
werden. Da echte Ausfällungen nicht verhindert werden können, sind in Zukunft Versuche zur Op-
timierung der Plattenreinigung angedacht, um Empfehlungen diesbezüglich geben zu können. Nach
weiteren Wasserprobenahmen mit dem kompletten erweiterten Analysenset, werden diese Daten
genutzt, um mittels PhreeqC die hydrogeochemischen Wechselwirkungen zu modellieren. Dabei
wird der Fokus zunächst auf Eisen- und Manganphasen liegen und der Einfluss der Variierung von
Temperatur und Druck untersucht werden. Die modellierten Daten müssen dann mit dem Realsys-
tem abgeglichen werden. Erst wenn diese übereinstimmen, kann das Modellvorgehen auf andere
Standorte angewandt werden.
5. Literatur
[1] BROOKINS, D.G.:[1988] “Eh-PH diagrams for geochemistry.” Springer-Verlag, Berlin.
[2] PARKHURST, D.L. & APPELO, C.A.J. [1999]: „User’s guide to PHREEQC 2“, U.S. GeologicalSur-
vey, Water Resources Investigations Report, 99-4259, Denver-Colorado., 1999
[3] USSATH, M., GRIMMER, M. & HOTH, N. [2019]: Vodamin II - Untersuchungen zum Einfluss der
Wasserchemie auf den Anlagenbetrieb – bisherige Untersuchungsergebnisse und Prognosen zur
Ablagerungsbildung, Workshop „Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Nutzung von Gru-
benwässern“, Freiberg 04.04.2019

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Metody
průzkumných
prací
na
rekul-
tivovaných územích po hornické činnosti
Martin Klempa; Pavel Pospíšil; Aleš Poláček
VŠB – Technická univerzita Ostrava
martin.klempa@vsb.cz
;
pavel.pospisil@vsb.cz
;
ales.polacek@vsb.cz
1. Úvod
Rychlé ukončení těžby uhlí a následná likvidace dolů zatopením a zasypáním jam v letech 1991 –
1993 v ostravské oblasti vyvolalo celou řadu technických problémů. Bylo nutné řešit udržení hla-
diny podzemních vod na kótě - 358 m B.p.v. centrálním čerpáním důlních vod na dole Ostrava v
jámě bývalého závodu Jeremenko. Cílem čerpání je trvalé snižování hladiny podzemních vod
karbonské zvodně tak, aby nedocházelo k přelivu podzemních vod do petřvaldské brachysyn-
klinály a odtud pak do dolů karvinské oblasti. Dalším úkolem stabilizace výše hladiny podzem-
ních vod v ostravské kotlině je zabránit komunikaci nově obnovené karbonské zvodně s
přípovrchovými kvarterními vodami a také s možným ovlivněním podzákladí staveb. Pro pozoro-
vání hydrogeologické situace v bývalých DP likvidovaných dolů je zřízena monitorovací síť.
V místech, kde uhlonosný karbon vychází na povrch nebo pokryvný útvar dosahuje mocnosti
několika metrů až prvních desítek metrů, a zejména v lokalitách bývalých jam a štol, proniká na
povrch metan. Z minulosti, ale i z nedávné doby (bývalá jáma Hugo ve Slezské Ostravě) jsou
známy případy zapálení i exploze metano – vzdušné směsi v souvislosti s pronikáním CH
4
do
lidských obydlí i průmyslových objektů.
Plynodajnost ostravských dolů je dlouhodobě sledována od roku 1895, kdy činila 130 000 m
3
/den.
Zvyšování těžby a rozšiřování DP (především dolů Heřmanice aj. Šverma) se projevilo i ve
vzrůstající plynodajnosti, která dosáhla maxima v roce 1966 (533 000 m
3
/den). S postupem
likvidačních prací se snížila plynodajnost na větraných lokalitách na cca 120 000 m
3
/den. Metan
hromadící se v důlních prostorách, jejichž objem se odhaduje asi na 100 miliónů m
3
, proniká spo-
lu s dalšími plyny (např. CO
2
a CO) na povrch únikovými cestami, jimiž jsou především bývalé
jámy. Ze zhruba 280 likvidovaných jam v ostravské části (celkový počet jam a štol se blíží 400) je
z pohledu úniku CH
4
považováno za nejnebezpečnější 55 jam. Jsou proto prováděna nákladná o-
patření k odfuku metanu do ovzduší z těchto míst. Je velmi pravděpodobné, že se stoupáním
vodní hladiny po stanovenou úroveň a s konsolidací hornicky ovlivněného masivu bude docházet
k dalšímu vytěsňování CH
4
na povrch. Po ustálení vodní hladiny karbonské zvodně lze očekávat
pozvolný pokles exhalace. Karbonský masiv bude však nesporně nadále trvale produkovat metan.
Proto je dlouhodobé monitorování exhalace metanu nezbytným opatřením.
Určité nebezpečí představuje rovněž narušení stability neúplně, nedostatečně nebo nevhodně
likvidovaných jam a jejich blízkého okolí, případně starých mělkých jam, které se nepodařilo do-
sud přesně lokalizovat. Např. v roce 1973 došlo k neřízené devastaci svrchní části jámy Salma II v
DP Heřmanice, v roce 1979 jámy Hedvika Dolu J. Fučík, do níž byla stržena i těžní věž.
2. Typické příklady narušení stability nedostatečně nebo nevhodně
likvidovaných jam
2.1. Jámy mělké
Mělké jámy do 10 m, které nemají komunikaci s dalšími důlními prostory, jsou zcela zasypány
dnes již zhutnělým materiálem, bez nebezpečí výstupu metanu na povrch, se označí pouze infor-
mační tabulkou se základními identifikačními údaji.

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2.2. Jámy kutací, nálezné
V jámách kutacích, po jejich dohledání, se vrtáním ověřuje stav a druh zásypového materiálů.
Pokud jsou zjištěny nedostatky v založení důlních děl v založení důlních děl, případně výstup
důlních plynů je nezbytné zpracovat projekt ne rekonstrukci.
2.3. Jámy se sníženou stabilitou
Je-li zjištěna snížená stabilita zásypového materiálu, zpravidla se projevují přímo v ústí jámy, je
nezbytná rekonstrukce.
2.4. Jámy nebezpečné ujetím zásypového materiálu nebo okolních hornin
V tomto případě se evidentně jedná o volné prostory v jámovém stvolu. V důsledku poklesu zásy-
pového materiálu může dojít i k deformaci jámové ohlubně. I tento případ vyžaduje zjednání náp-
ravy.
2.5. Horizontální a úklonná stará důlní díla
Likvidace a zajištění horizontálních a úklonných důlních děl je složitější v tom, že je nutno zajistit
těsnost a stabilitu nejen ústí, ale často i v poměrně značné jejich délce. Problém spočívá v tom, že
k výstupu důlního plynu může docházet nejen v ústí díla, ale v důsledku závalu i podél průběhu
důlního díla.
3. Metodické aspekty dohledávání horizontálních důlních děl v malých
hloubkách
Výsledky, uvedené v této kapitole představují pokus o první systematické zkoumání možností
vybraných geofyzikálních metod, konkrétně metody elektrické rezistivitní tomografie a georadaru
na vyhledávání horizontálních důlních děl v malých hloubkách pod povrchem. Tato aktuální prob-
lematika je značně komplikovaná, protože vzájemně spolupůsobí celá řada faktorů, které se případ
od případu mění:
3.1. Faktory vyplývající z fyzikální charakteristiky horninového prostředí v místě měření ve
vztahu k použité geofyzikální metodě
Jedná se o princip geofyzikální metody (využívané fyzikální pole), způsob měření, možnost
využití v závislosti na fyzikální charakteristice geologického prostředí, v němž se vyhledávané
důlní dílo nachází. Podmínky pro prováděné geofyzikální měření z hlediska způsobilého povrchu
pro realizaci zvolené geofyzikální metody. Výsledky mohou být ovlivněny hydrogeologickými
poměry v místě měření. Tyto se mohou měnit v závislosti na ročním klimatickém cyklu. Různé
období pro měření, z tohoto pohledu větší obsah vody v konkrétním důlním díle, může být přízni-
vým faktorem, který umožní jeho jinak problematickou nebo nejednoznačnou lokalizaci.
3.2. Geometrické faktory
Je to především poloha samotného důlního díla v horninovém masívu vzhledem ke zvolené síti
profilů, případně jednotlivým profilům, jeho současné rozměry (stav) důlního díla a jeho hloubka
pod povrchem, jeho skutečná pozice (orientace důlního díla) v prostoru. Ideálním případem je z
tohoto pohledu situace, kdy pod horizontálním povrchem se nachází horizontální důlní dílo.
Obvyklým případem však může být horizontální důlní dílo pod různě ukloněným povrchem
terénu, nebo ukloněné důlní dílo pod horizontálním povrchem.
Reálná podoba důlního díla v místě měření výrazně ovlivňuje výsledky měření. Máme tím na
mysli skutečnost, že průřez důlního díla (modelově je můžeme nahradit horizontálním válcem s
průměrem obvykle 2 - 3 m) může být buďto zachován od vzniku důlního díla do současné doby,
nebo se podoba důlního díla může měnit v závislosti na zvoleném zajištění důlního díla (použitá

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ano ne výztuž). Odlišné geomechanické vlastnosti horninového prostředí mohou znamenat v
příznivých případech vytvoření zóny uvolněného napětí kolem důlního díla, která se konkrétně
může projevit až propadáním stropu a tedy k vytvoření příznivějších podmínek pro naplnění
hlavního cíle geofyzikálního měření – vymezení místa s existencí důlního díla.
Na základě nastíněné, poměrně komplikované a dosti složité problematiky, která je rozhodujícím
faktorem, který se promítá do výsledku každého měření, pro účely tohoto projektu bylo pro-
vedeno rozdělení vyhledávaného důlního díla do dvou skupin:
1. Taková důlní díla, jejichž rozměry, průběh je zachován a odpovídá stavu, kdy bylo důlní dílo
vybudováno anebo lze toto předpokládat s velkou pravděpodobností. Tato skupina je před-
stavována ložiskem moravských posidoniových břidlic - Štola „G“ Svatoňovice.
2. Důlní dílo vykazuje v prostoru nejasným průběhem a rozměry. Nelze vyloučit v některých
místech výraznou změnu jeho průřezu (důsledek nepříznivých geomechanických vlastností –
částečné propadání stropu, případně některých v místech jeho zavalení). Tato skupina je před-
stavována ložiskem moravských posidoniových břidlic - Dřevěná štola, Čermná ve Slezsku.
4. Geofyzikální průzkum při dohledávání horizontálních důlních děl v malých
hloubkách
Dokumentovaná štola se nachází cca 1,5 km jihozápadně od obce Čermná ve Slezsku u silnice do
Nových Oldřůvek a bezejmenné vodoteče (přítoku vodoteče Budišovka). Je osamocena, dobře vi-
ditelná v západním svahu od silnice, bez břidlicového odpadu. Severně cca 0,5 km jsou situovány
ústí SDD štoly Žlutý květ a dvou jam. Předpokládaná délka štoly je cca 134 m. V blízkosti ústí
jsou pozůstatky haldoviny. Byla zajištěna kovovou mříží; v době průzkumu byla zničena a přístup
k ústí štoly byl zatarasen spadlými stromy (Obr. č. 1).
Obr. č. 1: Čelní pohled na zavalený vchod důlního díla
5. Metoda ERT
Délka profilů byla podmíněna jednak zvolenou metodikou měření a také požadavkem na dosažení
optimálního hloubkového dosahu vzhledem k předpokládané hloubce lokalizovaného důlního
díla. Z rešerše historických pramenů vyplývá, že předpokládané důlní díla se nachází v případě
navrženého profilu P I cca v hloubce 5 - 7 m, v případě profilu P II v hloubce cca 10 - 12 m, v
případě profilu P III v hloubce cca 20 m.
První experimentální měření metodou ERT bylo provedeno na dvou profilech P I a P II. Výsledky
jsou znázorněny ve formě vertikálních izoohmických řezů. V tomto případě bylo použito
uspořádání dipól-dipól (dále DD) kombinace W-SCH (Wenner-Schlumberger). Vzdálenost mezi
elektrodami byla 1,5 a 3m.

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Druhé měření metodou ERT bylo provedeno na profilu P III. Výsledky jsou znázorněny ve formě
vertikálních izoohmických řezů. V tomto případě bylo použito uspořádání W-SCH a DD se vzdá-
leností mezi elektrodami 3 m.
Reálný hloubkový dosah měření při použitém systému zvoleného počtu elektrod a použité
metodice měření a vzdálenosti elektrod od sebe 1,5 m a 3 m u vybraných profilů byl cca min. 15
m. Odpovídal předpokládané hloubce výskytu horizontálního důlního díla. Takto jsou i vyneseny
výsledky interpretace na jednotlivých profilech (Obr. č. 2).
PI
P II

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P III
Obr. č. 2: Interpretované vertikální izoohmické řezy na profilu P I, P II a P III
6. Metoda GPR
Výsledky jsou znázorněny ve formě radargramů na obr. č. 3. Použita byla nestíněná anténa s frek-
vencí 50 MHz.
PI

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PIII
Obr. č. 3: Radargram z profilu PI a PIII s vyznačeným reflexem stropu
Radargram z profilu PI naznačuje zastižení důlního díla v hloubce cca 10 m, radargram na profilu
P III pak v hloubce cca 20 m. V obou případech radarový obraz znázorňuje více podobných re-
flexů. Přiřazení určitého k důlnímu dílu se jeví jako nejednoznačné a opírá se o konfrontaci s
výsledky metody ERT. Na základě získaných výsledků pouze georadarem nelze polohu důlního
díla věrohodně vymezit.
7. Závěry
Pro geofyzikální průzkumné práce k dohledání SDD je k dispozici rozsáhlý soubor metod, které
využívají k diagnostice geotechnického prostředí fyzikálních polí, a to jak přirozených, tak uměle
vyvolaných. Principy, na jejichž základě tyto metody pracují, jsou obecně využívány v mnoha
jiných oborech. Podle fyzikální podstaty průzkumných polí lze geofyzikální metody rozdělit na
metody:
gravimetrické,
magnetometrické,
radiometrické,
geotermometrické,
geoelektrické,
seismické,
metody karotážní.

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Dále jsou rozeznávány varianty podle umístění zdroje pole a měřící jednotky při měření -
povrchové (pěší), vrtní, důlní, vrt - povrch, podzemní dílo - povrch, podzemní dílo - vrt, vrt - vrt,
automobilní apod.
V převážné většině jsou to metody operativní a relativně levné. Nejčastěji jsou orientovány na
získání spojitého obrazu mezi dokumentačními díly (rýhami, šachticemi, průzkumnými vrty, mí-
sty odběru vzorků, body polních geotechnických zkoušek, apod.).
Fyzikální projev nehomogenity horninového prostředí se označuje jako geofyzikální anomálie.
Optimální situace při průzkumu nastává v případě, kdy anomálie odpovídá změnám toho
fyzikálního parametru prostředí, který je přímo předmětem průzkumného zájmu (přímá indikace).
Detekční schopnost geofyzikální metody je však vázána jednak na teoretické možnosti
průzkumného prostředku (pole), jednak na aktuální technickou úroveň zařízení, jímž jsou měření
realizována. Jsou některé geotechnické parametry, které je velmi obtížné indikovat za určitých
podmínek přímo.
Na základě zhodnocení získaných výsledků měření metodou ERT a GPR, lze konstatovat, že
uvedené metody jsou na vyhledávání horizontálních důlních použitelné. Nicméně z metodického
hlediska se ukázalo, že hlavní faktory, které ovlivní konečný výsledek měření a tím i kvantitativní
interpretaci, je skutečná podoba důlního díla v místě měření a jeho hloubka pod povrchem.
Rozměr důlního díla, v našem případě cca 2 m krát 2 m určuje optimální vzdálenost mezi elektro-
dami 2 m a jeho hloubka pod povrchem v tomto případě nesmí překročit 10 m, tedy cca pětináso-
bek jeho průměru. To znamená, že úspěšnost měření je podmíněná kvalitou informace o
dohledávaném důlním díle. Dále je vhodné při měření využít možností použité aparatury a zvolit
alespoň dvě uspořádání elektrod, v našem případě kombinaci Wenner- Schlumberger a dipól-
dipól. Nelze vyloučit, že i změněná podoba důlního díla v různých místech jeho lokalizace ovlivní
i optimální volbu vzdálenosti mezi elektrodami. Jako účelné se dále ukázalo použití georadaru, i
když terénní podmínky v místech měření pro pohyb antény byly značně komplikované. Jedná se
zejména o ty případy, kdy metoda ERT již důlní dílo nezastihne a georadar ano. Jedná se o větší
hloubky důlního díla, ale současně musí platit, že odpory hornin, v nichž se hledané důlní dílo na-
chází, jsou větší než 100 ohm. Věrohodnost získaných výsledků se tak opírá v rámci možností o
výsledky dvou principiálně odlišných metod a různých metodik použitých při vlastním měření.
Toto by mělo vycházet v maximální míře ze studia předchozích podkladů o prováděné hornické
činnosti v daném místě, pokud jsou samozřejmě k dispozici.

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
2. Odborná konference „Geotermický po-tenciál důlních vod a technologické výzvy”
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Chemisches und thermisches Potential von
Bergbauwasser
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
TU Bergakademie Freiberg –
merkel@geo.tu-freiberg.de
1. Grundlagen/Einführung
Bergbauwasser ist oberirdisches Wasser oder Grundwasser, das durch Bergbau in seiner Fließbe-
wegung, seiner Chemie und/oder seiner Temperatur beeinflusst worden ist. Diese Beeinflussung
kann sehr gering sein, sodass eine Unterscheidung von natürlichem Wasser kaum möglich ist. An-
dererseits kann aber die Beeinflussung auch massiv ausfallen und die Eigenschaften des Bergbau-
wassers hinsichtlich Fluiddynamik, Wasserchemie und Korrosionseigenschaften grundlegend än-
dern. Dies sind drei Punkte, die bei einer Nutzung von Bergbauwässern zu beachten sind.
Der Begriff „Potential“ im Titel dieses Beitrages versteht sich einerseits im Hinblick auf das wirt-
schaftliche Potential der Nachnutzung dieser Wässer nach einer aktiven Bergbauphase. Dieses
wirtschaftliche Potential kann sich nur auf die nutzbare Wärmekapazität des Wassers beziehen o-
der aber zusätzlich auf ausgewählte Wasserinhaltsstoffe, die dem Bergbauwasser entzogen werden
können oder seine Nutzung für andere Zwecke (Trinkwasser, Brauchwasser, Bewässerung etc.).
Sowohl der Entzug von Wärme aber vor allem die Gewinnung bestimmter Inhaltsstoffe [1] oder
die sonstige Nutzung erfolgt vor allem unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten.
Andererseits kann in bestimmten Fällen auch die Verhinderung einer Kontamination der Um-welt
durch Wärme und im Wasser enthalten Inhaltsstoff die Motivation für die Durchführung einer
Maßnahme sein. Ebenso ist eine Kombination von unterschiedlichen Beweggründen denkbar. Zu-
sätzlich ist die Frage des Korrosionspotentials von Bergbauwässern zu sehen, denn dieses kann
dazu führen, dass Werkstoffe (insbesondere Metalle und Beton) durch das Bergbauwasser ange-
griffen werden. Umgekehrt kann es auch zu unerwünschten Ausfällungen aus Bergbauwasser zum
Beispiel an Messgeräten, Rohrleitungen, Pumpen oder Wärmetauschern kommen. So gesehen
kann der Begriff Potential auch in dem Sinne verstanden werden, welche potenziellen Schäden
durch Bergbauwässer entstehen können.
Der Begriff Thermodynamik wird im Folgenden ausschließlich im Sinne der chemischen Thermo-
dynamik verstanden, also der mathematischen Beschreibung chemischer Gleichgewichte als spe-
zieller Zustand der chemischen Kinetik.
2. Hydraulische Veränderungen
Durch den Abbau von Bodenschätzen (und Abraum) durch Bergbau im Tagebau entstehen Defizi-
te, die nach dem Wiederanstieg zu Tagebaurestseen werden und einen nachhaltigen Einfluss auf
das Grundwasser haben. Der Grundwasserspiegel, der vor dem Tagebau eine quasi kontinuierliche
Neigung in Fließrichtung zeigte, weist nach dem Tagebau einen stufen-artigen Verlauf auf, weil
im Bereich der künstlichen Seen der Wasserspiegel kein Gefälle hat. Dieses hat zum Teil erhebli-
che Konsequenzen auf den Abstand des Grundwassers zur Geländeoberfläche.
Beim tiefen Bergbau wird weniger Abraum aus einem Bergwerk transportiert; dennoch entstehen
hier Schächte und horizontale Auffahrungen (Strecken) sowie Bereiche der Auserzungen, die teil-
weise mit Versatz gefüllt wurden. Diese bergmännischen Tätigkeiten führen ebenso zu einer signi-
fikanten Veränderung der Grundwasserströmung nach der Flutung eines Bergwerkes (Abb.1). Das
hat wiederum Konsequenzen auf Hydraulik, Chemismus des Wassers und Wärmeaustrag. Durch
die signifikante Erhöhung der Wegsamkeiten gibt es ähnlich wie im Bereich von Tagebauten Ver-

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
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änderungen der Neigung der Grundwasseroberfläche und einen veränderten Wärmeaustausch mit
dem Gestein durch einen erhöhten Wasserdurch-fluss auf bevorzugten Fließbahnen (Abb. 1).
Das führt dazu, dass alte geflutete tiefe Bergbaugebiete aufgrund der hohen Durchströmungsraten
potenzielle Gebiete für geothermische Wärmenutzung sind. Andererseits kühlt sich der Unter-
grund aber auch vergleichsweise schneller ab, wenn nur die durch den Bergbau entstandenen
Hohlräume durchströmt werden. Dadurch kann die Nutzungszeit entsprechend verkürzt sein. Eine
Erkundung und Modellierung gefluteter Bergwerke im Hinblick auf die Durchströmung und die
Abkühlung des Ge-steins in Abhängigkeit von den durchströmten Strecken des Netzwerkes
(Grundwasserleiter mit doppelter Porosität) und der entzogenen Wärmemenge ist daher notwen-
dig. Bei der numerischen Modellierung solcher Systeme muss berücksichtigt werden, dass die
Strömung aufgrund unterschiedlicher Temperaturen und Salzgehalte des Bergbauwassers dichte-
getrieben sein kann und daher ein geeigneter mathematische Ansatz verwendet werden muss.
Abb. 1: Veränderungen im tiefen Bergbau. Geringes Gefälle im Bereich der gefluteten Grube
durch hohe Fließgeschwindigkeiten und Fließen auf bevorzugten Wegen (oben links: Zustand vor
Bergbau; unten rechts Zustand nach Flutung des Bergbaugebietes). Eine Folge kann ein schnelles
Abkühlen des Gesteins um die bevorzugten Fließbahnen sein. Der Aspekt dichtegetriebener Strö-
mung ist in dieser Abbildung ebenso wenig wie doppelte Porosität berücksichtigt.
3. Chemische Charakterisierung des Bergbauwassers
In Die bekannteste und folgenreichste chemische Veränderung des Grundwassers weltweit in
Bergbaugebieten ist mit der Oxidation sulfidischen Mineralen (z. B. Pyrit) verbunden. Diese wird
ausgelöst durch die Absenkung des Grundwassers und der damit verbundenen Zufuhr von atmo-
sphärischer Luft in Bereiche, die vor dem Bergbau durch Grundwasser bedeckt waren oder zu-
mindest von einem aktiven atmosphärischen Kontakt ausgeschlossen waren. Der in der Atmo-
sphäre mit 21 Vol% enthaltene Sauerstoff triggert die Sulfid Oxidation (Gl. 1), die sich dann ver-
einfacht über drei weitere Reaktion (Gl.2 bis 4) fortsetzt.
FeS
2
+ 7/2 O
2
+ H
2
O
Fe
2+
+ 2 SO
42-
+ 2 H
+
(Gl. 1)
Fe
2+
+ 1/4 O
2
+ H
+
Fe
3+
+ 1/2 H
2
O
(Gl. 2)
Fe
3+
+ 3 H
2
O
Fe(OH)
3
(s) + 3 H
+
(Gl. 3)
FeS
2
+ 14
Fe
3+
+ 8 H
2
O
15
Fe
2+
+ 2 SO
42-
+ 16 H
+
(Gl. 4)

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Aus den Gl. 2 bis 4 ist unschwer zu erkennen, dass die weitere Oxidation von Sulfid durch Eisen
in der Oxidationsstufe drei (Fe
III
) erfolgt. Dies sind Reaktionen, die wie auch die Oxidation in Gl.
1 durch Mikroorganismen mehr oder weniger beschleunigt werden. Die direkte Folge der 4 Reak-
tionen sind niedrige pH Werte (auch negative pH Werte sind möglich [1])und erhöhte Sulfat-
Konzentrationen des Bergbauwassers. Eine weitere - oft visuell erkennbare Folge- sind rote Ei-
senhydroxid-Ausfällungen, die der geringen Wasserlöslichkeit von Fe(OH
3
) geschuldet sind.
Nicht direkt sichtbar ist, dass saure Wässer sehr gut weitere Minerale lösen können. Die Folge
sind somit oft erhöhte Metall-Konzentrationen (z.B. Mn, Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Al). Erhöhte Arsen-
gehalte sind meist der Oxidation von Arsenopyrit (FeAsS) geschuldet.
Eine wichtige Konsequenz aus den niedrigen pH Werten von Bergbauwässern sowie deren oft be-
sondere Zusammensetzung ist der Fakt, dass die klassisch definierte Alkalinität (Säureneutralisa-
tion-Kapazität der Kohlensäure) von Wasser über die Titration mit einer Säure auf pH 4,3 zu fal-
schen Ergebnissen führt. Vielmehr ergibt sich das Neutralization Potential NP für Bergbauwässer
aus Gl. 5 (ergänzt nach [2]):
NP = 2 (CO
3
2-
) + HCO
3-
+ OH
-
- H
+
- HSO
4-
-2 Mn
2+
- 2 Fe
2+
- 2 Cu
2+
-3 Al
3+
- HUS
1
(Gl.
5)
(alle Konzentrationen in mmol/L)
Als Konsequenz aus Gl. 5 kann die HCO
3
-Konzentration in typischen Bergbauwässern nicht
mittels Titration der Alkalinität bestimmt werden. Die beste und fast einzige Alternative ist die
Bestimmung des TIC (Total Inorganic Carbon) mithilfe eines TIC/DOC Analysators. Dabei wird
eine Wasserprobe zunächst auf einen pH-Wert < 2 angesäuert und der gesamt anorganische Koh-
lenstoff in gasförmiges CO
2(g)
umgewandelt. Das CO
2
wird anschließend mittels eines Inertgases
aus der Probe ausgetrieben und in einem NDIR
2
Detektor als TIC (C in mg/L) gemessen. Ist diese
Messung erfolgt, wird die entgaste Wasserprobe entweder verbrannt oder mit einem starken Oxi-
dationsmittel versetzt und somit der enthaltene organische Kohlenstoff ebenfalls in CO
2(g)
umge-
wandelt und wie oben beschreiben in einer zweiten Messung der DOC bestimmt. Aus dem TIC
und dem pH-Wert werden dann über das thermodynamische Gleichgewicht die CO
3
2-
+ HCO
3-
-
Konzentrationen berechnet (Gl.5). Die anderen Wasserinhaltsstoffe in Gl. 5 müssen natürlich
ebenfalls analytisch bestimmt werden.
Bergbauwässer müssen aber nicht zwingend sauer sein. Dies kann daran liegen, dass in dem be-
treffenden Gebiet entweder keine Sulfide als Minerale vorliegen oder aber es sich um tiefe
Grundwässer handelt, die noch nicht mit atmosphärischem Sauerstoff in Berührung gekommen
sind. Grundwässer und Bergbauwässer, die aus tiefen Grundwasserleitern stammen, sind an nied-
rigen (negativen) ORP
3
-Werten und geringen Sauerstoff-Konzentrationen erkennbar. Bei solchen
Wässern besteht bei einer thermischen Nutzung die Gefahr, dass das Wasser im Zuge der Nutzung
mit Sauerstoff in Kontakt kommt und es dann sehr schnell zu einer Ausfällung von Eisen und
Mangan in Form von Eisen- und Mangan(hydro)oxiden kommt. Zu solchen Problemen kommt es
auch, wenn Bergbauwässer nur teilweise oxidiert sind (kinetischer Effekt) oder es sich um
Mischwässer handelt. Eine genaue Kenntnis der Wasserchemie einzelner Zuflüsse und der
Grundwasserleiter im gesamten System unter räumlichen und zeitlichen Gesichtspunkten ist somit
1
HUS steht für Huminstoffe
2
Nicht-dispersiver Infra-Rot Detektor (meist mit zwei Wellenlängen, wodurch eine eindeutige Erkennung von
CO
2
neben anderen Infra-Rot aktiven Gasen möglich ist.
3
ORP steht für Oxidation Reduction Potential und wird im Feld mit einer Elektrode ähnlich wie der pH-
Elektrode gemessen. Dabei wird Platin normalerweise als Indikatorelektrode genutzt und Ag/AgCl als Referen-
zelektrode. Dieser Wert muss dann auf den eH-Wert bei 25°C umgerechnet werden (Potenzial bezogen auf SHE
(Standard Hydrogen Elektrode)), um Werte verschiedener Redox-Elektroden und Wässer unterschiedlicher
Temperaturen miteinander vergleichen zu können. Leider wird manchmal das Umrechnen vergessen oder es
werden die Begriffe verwechselt.

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unabdingbar, um Überraschungen im Betrieb einer Wärmenutzung von Bergbauwasser zu ver-
meiden.
4. Korrosion und Scalings
Korrosion von Werkstoffen im Kontakt mit Wasser ist ein Thema in Bezug auf Bauwerke und
Maschinen, das im Zusammenhang mit der Nutzung von Bergbauwasser zu berücksichtigen ist.
Dabei sind einerseits Metalle und andererseits Zement und Beton zu berücksichtigen. Ein sehr
wichtiger Aspekt sind auch die Aspekte von zusätzlichen Parametern, die dazu führen, dass man
in Abhängigkeit von den Werkstoffen zwischen Flächenkorrosion, Lochkorrosion und Span-
nungs- bzw. Schwingungsrisskorrosion unterscheiden muss.
Auch Kunststoffe sind keineswegs inert gegen Korrosion; so ist z. B. Acrylglas anfällig gegen-
über Spannungsrisskorrosion, GfK-Laminat bezüglich Osmose [3] und PVC versprödet insbeson-
dere unter UV-Strahlung. Nahezu alle Kunststoffe unterliegen zudem mikrobieller Korrosion. Ei-
ne eingehende Betrachtung der Korrosion und Alterung aller Kunststoffe würde den Umfang die-
ser Abhandlung sprengen.
Die Korrosion von Metallen ist extrem vom Metall und der Metalllegierung abhängig (Eisen,
Stahl, Kupfer, Aluminium etc.). Für fast alle Metalle und Metalllegierungen gilt aber, dass die
folgenden Parameter des Wassers im Kontakt mit dem Material einen Einfluss haben: pH, Tempe-
ratur, Gasgehalte (O
2
, CO
2
, N
2
, H
2
, NH
3
, SO
2
, H
2
S und intermediäre Phasen zwischen SO
2
und
H
2
S), im Wasser gelöste Anionen (Cl, SO
4
, NO
3
, NO
2
, HCO
3
) und auch Si sowie einige Spuren-
metalle, organische Komponenten incl. Detergentien und Mikroorganismen (vor allem Bakterien
und Algen). Generell gilt, dass mit höheren Werten (z.B. der Temperatur) und höheren Konzent-
rationen die Korrosion stärker gefördert wird; aber es gibt auch Abweichungen davon. Beim pH-
Wert steigt das Korrosionsrisiko meist mit kleineren Werten, aber dies ist nur der pH-Skala ge-
schuldet. Wichtig ist auch, dass bei der Bewertung nicht nur einzelne Parameter und deren Kon-
zentration singulär betrachtet werden; es muss vielmehr die Kombination von verschiedenen Pa-
rametern berücksichtigt werden (z. B. pH, Biofilme und die Konzentrationen von H
2
S und Cl, so-
wie Spannungen im Werkstoff bzw. Inhomogenität im Werkstoff), da sich die jeweiligen Effekte
nicht-linear beeinflussen können. Eine rein thermodynamische Betrachtung ist in vielen Fällen
nicht sinnvoll. Dies erschwert die Evaluierung, weil für kinetische gesteuerte Prozesse oft keine
ausreichenden Daten (Reaktionsraten) für kinetische Modelle zur Verfügung stehen und somit
Versuche dann unabdingbar sind.
Normaler Beton enthält Zement (3 CaO ∙ 2 SiO
2
∙ 3 H
2
O) als Bindemittel und Gesteinspartikel ei-
ner bestimmten Kornzusammensetzung. Vielfach ist Beton auch ein Verbundwerkstoff durch
Kombination mit einer zugfesten Bewehrung (z. B. aus Stahl oder auch Kunststoff-, Textil oder
Glasfasern). Bei der Korrosion von Beton und Zement durch Bergbauwasser muss somit einer-
seits die Korrosion des Betons an sich aber andererseits auch die der Bewehrung betrachtet wer-
den. Beton neigt zur Bildung von feinen Haarrissen, die sich durch „lösenden“ und „treibenden“
Angriff (Terminologie der Bauindustrie) mit der Zeit erweitern können und den Beton und die
Bewehrung sukzessive schädigen können.
Für einen „lösenden“ Angriff sind vor allem Säuren verantwortlich während für den „treibenden“
Angriff neben der sprengenden Wirkung von gefrorenem Wasser (Frost) vor allem die Bildung
von Gips bzw. Ettringit eine Rolle spielt. Für die Bildung von Gips (CaSO4 ∙ 2 H
2
O) und Ettringit
(3 CaO ∙ Al
2
O
3
∙ 3 CaSO
4
∙ 32 H
2
O) [4] sind die Konzentrationen von Ca, SO
4
und Al im Wasser
die entscheidenden Konzentrationen. Insbesondere der SO
4
-Gehalt ist in der DIN EN 206-1/DIN
1045-2 das entscheidende Kriterium mit Expositionsgrenzwerten von 600 bzw. 1500 mg/L und
erfordert die Verwendung speziellen Betonarten mit hoher Dichtigkeit. Bei SO
4
-Werten > 1500
mg/L wird eine Mischung von Zement und Flugasche verwendet. Ein typisches Bergbauwasser
als Folge der Pyrit Verwitterung hat somit aufgrund des sauren pH-Wertes und der hohen SO
4
-
Gehalte sowohl eine „lösendes“ als auch „treibendes“ Potential haben. Das Bergbauwasser selbst

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hat zwar in den wenigsten Fällen ausreichend hohe Ca-Konzentration, um eine Gipsbildung zu
ermöglichen. Die Ca-Konzentration kann sich aber durch den „lösenden“ Angriff des Betons in
der Kontaktfläche zum Beton und insbesondere in Haarrissen sehr schnell erhöhen und das ther-
modynamische Gips-Gleichgewicht erreichen und seine sprengende Wirkung entfalten. Beton-
Korrosion in Verbindung mit Grundwasser ist ein sehr komplexes Thema, das in der Langzeit-
verwahrung von toxischen Rückständen incl. radioaktiver Abfälle [5] eine große Rolle spielt und
auch die Bildung von Biofilmen beeinflusst wird [6]. In diesen Bereichen gesammelte Erfahrun-
gen können auch für geothermische Anwendung von Bergbauwässern genutzt werden.
Im Bereich der geothermischen Nutzung von Bergbauwässern stellt die Bildung von minerali-
schen Ausfällungen ein weiteres großes Thema dar, denn der kontinuierliche Betrieb kann
dadurch erheblich gestört werden. Solche als Scales bezeichneten Ausfällungen bilden sich häufig
auf Grenzflächen (z. B. metallischen Oberflächen) in Form von aufwachsenden dünnen Schichten.
Als Folge dieser Ausfällungen muss der Betrieb zeitweise unterbrochen werden und die Ausfäl-
lungen z.B. durch mechanische oder chemische Behandlungen entfernt werden oder bestimmte
Anlagenteile (Pumpen, Filter, Wärmetauscher) auch erneuert werden. Dies ist mit Kosten und
Ausfallzeiten verbunden.
Zu Ausfällungen kann es kommen, wenn das Bergbauwasser insgesamt oder an einer bestimmten
Stelle durch Veränderungen der Randbedingungen (Druck, Temperatur, Gasgehalt) bezüglich ei-
ner bestimmten Mineralphase thermodynamisch übersättigt ist. Bei Kenntnis der kompletten Was-
serchemie (Konzentration aller Inhaltsstoffe incl. der Gaskonzentrationen) kann aus diesen Daten
der Sättigungsindex (SI) für nahezu jedes Mineral thermodynamisch unter Nutzung eines geeigne-
ten thermodynamischen Datensatzes berechnet werden [7]. Ein SI > 0 signalisiert eine Übersätti-
gung bezüglich des jeweiligen Minerals; aber ob es zu einer Ausfällung kommt, ist damit nicht
gesagt. Einerseits gibt es Minerale, die bei den gegebenen Temperaturen und Druckbedingungen
nicht ausfallen und andererseits kann die Ausfällungsreaktion extrem langsam sein, sodass es für
den Betrieb einer geothermischen Wärmenutzungsanlage unbedeutend ist. Es ist somit für jedes
potentiell übersättigtes Mineral wichtig, die Kinetik der Ausfällung an Hand von Zeitraten zu
kennen, so wie es auch für die Lösung von Mineralen durch ein Wasser einer bestimmten Zu-
sammensetzung auch von Bedeutung ist, falls der SI <0 ist und somit die Tendenz zur Lösung des
Minerals gegeben ist und dieses Mineral im Gesamtsystem auch vorhanden ist. Typische Ausfäl-
lungen sind in Abhängigkeit von der Wasserchemie und den Randbedingungen Hydroxide, Oxide,
Sulfate, Sulfide, Carbonate, SiO
2
, Silikate und Tonminerale. Tonminerale und Hydroxide bilden
in der Regel aber keine Scales, sondern befinden sich als feinste Partikel oder Flocken im Wasser
und können zum Zusetzen von Filtern bzw. der Beschädigung von Pumpen führen. Zur Untersu-
chung kommen üblicherweise XRD (Röntgendiffraktometrie), XRF (Röntgenfluoreszenz) und
REM (Rasterelektronen-Mikroskop) zum Einsatz.
Als Alternative zur mechanischen und chemischen Entfernung von Scales gibt es auch die Mög-
lichkeit durch kontinuierliche Maßnahmen, die Entstehung von Scales zu verhindern. Verschiede-
ne Methoden sind denkbar und weltweit im Einsatz: Veränderung des pH-Wertes z.B. durch kon-
tinuierliche Zugabe einer Säure (z.B. CO
2
), Zugabe von Ausfällungsinhibitoren [8] oder durch
Optimierung des Temperaturmanagements. Denkbar ist auch die Anwendung von Ultraschall, um
Einfluss auf die Ausfällungskinetik zu nehmen [9].
5. Fazit
Die Nutzung von Bergbauwasser für geothermische Anwendungen ist im Vergleich zur Nutzung
von Grund- und Thermalwasser vergleichsweise neu. Es sind aber weltweit zurzeit Aktivitäten
und Forschungsprojekt in dieser Richtung festzustellen. Dies hat natürlich auch damit zu tun, dass
es weltweit im zunehmenden Maße Bergbaugebiete gibt, die aufgegeben und geflutet wurden. Im
Vergleich zu anderen und insbesondere tiefen Geothermie-Projekten sind die Temperaturen ver-
gleichsweise niedrig (< 50°C) und diese Wässer sind daher nicht für die Verstromung geeignet.

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Eine besondere Herausforderung stellt häufig die Wasserchemie dar. Sie ist einerseits von Gebiet
zu Gebiet sehr unterschiedlich und kann auch innerhalb eines Bergbaugebietes stark variieren.
Dies kann sich auch in Temperatur- und Dichtschichtungen ausdrücken und somit eine besondere
Herausforderung darstellen. Wie in jedem Geothermie Projekt stellt sich auch bei der Nutzung
von Bergbauwasser die Frage der Nachhaltigkeit. Geothermie wird zwar grundsätzlich als alterna-
tive und „erneuerbare“ Energie bezeichnet. Inwieweit die Nachhaltigkeit aber im eigentlichen
Sinne des Wortes gegeben ist, hängt von vielen Faktoren in einem Projekt ab [10]. Nur eine sorg-
fältige und gewissenhafte Prüfung, Planung und wissenschaftliche Begleitung kann ein Garant für
eine nachhaltige energetische und sonstige Nutzung der Ressource sein.
Literatur
[1] J. López, M. Reig, O. Gibert und J. Cortina, „Recovery of sulphuric acid and added value metals (Zn, Cu and rare earths)
from acidic mine waters using nanofiltration membranes,“ Separation and Purification Technology, Bd. 212, pp. 180-190,
2019.
[2] D. Nordstrom, C. Alpers, C. Ptacek und D. Blowes, „Negative pH and extremely acidic mine waters from Iron Mountain,
California,“ Environmental Science and Technology, Bd. 34, Nr. 2, pp. 254-258, 2000.
[3]
Werner Stumm; James Morgan, Aquatic chemistry, 3rd Hrsg., Wiley, 1970.
[4] J. Wang, H. Gangarao, R. Liang und W. Liu, „Durability and prediction models of fiber-reinforced polymer composites un-
der various environmental conditions: A critical review,“ Journal of Reinforced Plastics and Composites, Bd. 35, Nr. 3, pp.
179-211, 2016.
[5] J. Göske, H. Pöllmann und R. Wenda, „Ettringit- und Thaumasittreiben in Betonwerkstoffen: Analytische Betrachtung und
Ursachenermittlung mittels Röntgendiffraktometrie und Rasterelektronenmikroskopie,“ Beton- und Stahlbetonbau, Bd. 102,
Nr. 5, pp. 321-329, 1 5 2007.
[6] G. Littlejohn, D. Bruce, C. Brawner, O. Olivier, A. Swart und M. Wells, „Recommendations for site investigation, design,
construction, testing, monitoring and maintenance of permanent intruded concrete plugs,“ Journal of the Southern African
Institute of Mining and Metallurgy, Bd. 106, Nr. 5, pp. 367-371, 2006.
[7] J. Márquez, M. Sanchez-Silva und J. Husserl, „Review of reinforced concrete biodeterioration mechanisms,“ in Proceedings
of the 8th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures, FraMCoS 2013, 2013.
[8]
B. Merkel, B. Planer-Friedrich und D. Nordstrom, Groundwater geochemistry (Second Edition): A practical guide to model-
ing of natural and contaminated aquatic systems, 2008.
[9]
Q. Han, X. Peng und Y. Yang, Influence of emulsion on the corrosion and scaling on pipelines of cooling system deep coal
mine: A experiment study, Bd. 902, 2014, pp. 105-110.
[10] M. Andhika und S. Regenspurg, Characterization of silica precipitation kinetics under high temperature geothermal field
conditions using ultrasonic techniques, 2013.
[11] L. Rybach und M. Mongillo, „Geothermal sustainability-A review with identified research needs,“ in Transactions - Geo-
thermal Resources Council, 2006.

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
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Grubenwassergeothermieanlagen in Freiberg
und Ehrenfriedersdorf
Lukas Oppelt; Sebastian Pose; Thomas Grab; Tobias Fieback
TU Bergakademie Freiberg
lukas.oppelt@ttd.tu-freiberg.de
;
sebastian.pose@ttd.tu-freiberg.de
;
thomas.grab@ttd.tu-freiberg.de
;
tobias.fieback@ttd.tu-freiberg.de
Zusammenfassung
Aktuell werden insgesamt fünf Grubenwassergeothermieanlagen in Freiberg und Ehrenfriedersdorf
durch ein Monitoring des Lehrstuhls für Technischer Thermodynamik der TU Bergakademie Freiberg
betreut. Bei allen fünf Anlagen besteht die Möglichkeit, das Grubenwasser zum Heizen einzusetzen,
bei zwei Anlagen ist auch Kühlen mit Grubenwasser möglich. Für die Anlage an der Oberschule Eh-
renfriedersdorf ergeben sich für die Heizperiode solide Arbeitszahlen (≈1,3 bei einer Gaswärmepum-
pe). Für die Anlage an der Reiche Zeche in Freiberg sind Arbeitszahlen >5 erreichbar. Der Vorteil
liegt dabei darin, dass das Grubenwasser parallel zum Heizen und Kühlen eingesetzt werden kann.
1. Einleitung
Im Rahmen des Projektes VODAMIN II (SAB-Antragsnummer: 100304269) erfolgt durch den
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der TU Bergakademie Freiberg ein Monitoring von
fünf Grubenwasseranlagen in Freiberg und Ehrenfriedersdorf. Als regenerative Energiequelle
sorgt eine energetische Nutzung von Grubenwasser für eine Reduktion des CO2-Ausstoßes (Je-
ssop et al. 1995). Außerdem ist es in den Gruben über das gesamte Jahr nahezu unerschöpflich
vorhanden (Grab et al. 2018). Die Wässer, die durch die fünf Anlagen genutzt werden weisen
Temperaturen zwischen 10 und 19 °C auf. Damit bestehen verschiedene Nutzungsmöglichkeiten:
mittels Wärmepumpen wird ein Temperaturniveau zur Beheizung einer Schule oder eines Kran-
kenhauses bereitgestellt. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit das Wasser direkt zum Kühlen
einzusetzen.
2. Bestehende Anlagen
Zwei Anlagen befinden sich in der Stadt Ehrenfriedersdorf im Erzgebirge, drei in Freiberg. Tab. 1
gibt einen Überblick über die wesentlichen Kenngrößen der einzelnen Anlagen:
Tab. 1: Wesentliche Kennwerte der Grubenwasseranlagen in Freiberg und Ehrenfriedersdorf
Anlage
Inbetrieb-
nahme
Grubenwasser-
temperatur in °C
Leistung Heizen
in kW
Leistung Küh-
len in kW
Besucherbergwerk
Ehrenfriedersdorf
1992,
1998
1
10
120
--
Oberschule Ehren-
friedersdorf
1994
10
95
--
Schloss
Freuden-
stein Freiberg
2009
10
126
120
Kreiskrankenhaus
Freiberg
2014
10
860
--
1
Erweiterung der Anlage von 16 auf 120 kW (Rottluff 1998)

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2.Fachkonferenz „Geothermisches Potenzial von Grubenwässern und Herausforderungen der Anlagentechnik“
2. Odborná konference „Geotermický po-tenciál důlních vod a technologické výzvy”
26.11.2019
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Anlage
Inbetrieb-
nahme
Grubenwasser-
temperatur in °C
Leistung Heizen
in kW
Leistung Küh-
len in kW
Reiche Zeche Frei-
berg
2013
19/14
175
100
Wie die Tabelle zeigt, werden drei Anlagen nur zum Heizen eingesetzt, bei zwei besteht auch die
Möglichkeit zur Kühlung. Die Besonderheiten der einzelnen Anlagen werden nachfolgend erläu-
tert.
Das Prinzip einer Grubenwassergeothermieanlage zur Bereitstellung von Wärme ist beispielhaft
am Analgenschema des Besucherbergwerks Ehrenfriedersdorf zu erkennen (siehe Abb.
1
). Dort
wird das Wasser durch Pumpen im Bereich der 2.Sohle entnommen und einem Wärmeübertrager
zugeführt, der sich ebenfalls auf der 2. Sohle befindet. Im Wärmeübertrager wird thermische
Energie vom Grubenwasser auf einen Zwischenkreislauf übertragen. Dieses Fluid wird an die
Oberfläche gepumpt und anschließend das Temperaturniveau durch eine Wärmepumpe erhöht.
Nur so ist eine Nutzung zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung möglich. Das Grubenwasser
wird nach dem Wärmeübertrager wieder zurückgeführt.
Abb. 1: Anlagenschema der Grubenwassergeothermieanlage des Besucherbergwerks Ehrenfrie-
dersdorf
Die anderen Anlagen haben einen ähnlichen Aufbau. Bei der Oberschule Ehrenfriedersdorf gibt es
die Besonderheit, dass keine aktive Hebung des Grubenwassers mit Pumpen notwendig ist. Durch
die Flutung der stillgelegten Bergwerke steht das Grubenwasser inzwischen höher als die Förder-
bohrung. Dadurch war es auch möglich den Wärmeübertrager im Keller des Schulgebäudes zu
positionieren, wodurch der Zugang erleichtert wird.
Für die Anlage von Schloss Freudenstein wurde der Alte Tiefe Fürstenstollen angestaut, um so
das notwendige Grubenwasser entnehmen zu können. Auch hier wird das zum Heizen notwendige
Temperaturniveau über eine Wärmepumpe erreicht. Im Kühlfall wird die Wärmepumpe ausge-
koppelt.

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Im Freiberger Kreiskrankenhaus und bei der Anlage der Reichen Zeche wird Grubenwasser aus
dem Rothschönberger Stolln genutzt. Bei der Reichen Zeche (Anlagenschema in Abb. 2) besteht
aber auch die Möglichkeit aufsteigende Tiefenwässer aus dem Schacht Reiche Zeche zu nutzen.
Diese haben mit rund 19 °C höhere Temperaturen als das Grubenwasser im Rothschönberger
Stolln (an der Reichen Zeche 14 °C, am Krankenhaus etwa 10 °C).
Die unterschiedlichen Entnahmemöglichkeiten an der Anlage der Reichen Zeche bieten verschie-
dene Möglichkeiten beim Betrieb der Anlage. Wie im Anlagenschema zu erkennen, gibt es einen
getrennten Heiz- und Kühlkreislauf. Es kann so also gleichzeitig geheizt und gekühlt werden. Für
die Wahl der Wasserquelle ist der größere Bedarf entscheidend. Bei überwiegendem Kühlbedarf
soll das kältere Wasser aus dem Rothschönberger Stolln, bei überwiegendem Heizbedarf das
wärmere Wasser aus dem Schacht Reiche Zeche genutzt werden. Neben diesen beiden Varianten
existiert auch noch die Möglichkeit, nur den Zwischenkreislauf zu nutzen, was in temporärer zur
Deckung des Heiz- und Kühlbedarfs ausreicht.
Abb. 2: Analgenschema der Grubenwassergeothermieanlage an der Reiche Zeche Freiberg
3. Ergebnisse des Monitorings
In ist die monatliche Arbeitszahl der Grubenwassergeothermieanlage an der Ehrenfriedersdorfer
Oberschule dargestellt. Prinzipiell gibt die Arbeitszahl den Quotienten aus dem Nutzen der Anla-
ge (Wärme, Kälte) und dem Aufwand (zugeführte elektrische Energie, Gas) an. Wie ersichtlich,
liegt die Arbeitszahl der Anlage von September bis Mai zwischen 1,2 und 1,4. Das bedeutet, dass
mit einer Kilowattstunde zugeführter Energie 1,2 bis 1,4 Kilowattstunden thermische Energie zum

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Gas
Strom
Wärme
Arbeitszahlen
Durchschnittstemperatur
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Ø-Temperatur in °C
Ø Tagesarbeitszahl
Arbeitszahlen
Durchschnittstemperatur
-60
-40
-20
0
20
40
60
Wärme-/ Gasenergie-
menge/ elektrische
Leistung in MWh
Heizen bereitgestellt werden können. Da die konkrete Anlage nur zum Heizen genutzt wird, sind
die Ergebnisse der Sommermonate hinsichtlich der Effizienz nicht aussagekräftig.
In den kalten Monaten von Oktober bis März wird durchgehend eine Wärmemenge von rund
40 MWh pro Monat bereitgestellt. In diesem Zeitraum werden auch die höchsten Arbeitszahlen
berechnet.
Ein wesentlicher Punkt bei der Analyse der Anlage sind die Gaswärmepumpen. Die Arbeitszahlen
sind nicht mit denen einer elektrischen Wärmepumpe vergleichbar. Der Hersteller der Gas-
Wärmepumpen in Ehrenfriedersdorf gibt einen Umrechnungsfaktor von 2,5 an (ROBUR 2019).
Eine Arbeitszahl der Anlage von 1,3 entspricht also in etwa der Arbeitszahl von 3,3 bei einer
elektrischen Wärmepumpe. Da die Anlage bereits seit den 90iger Jahren in Betrieb ist dies einem
soliden Wert.
Abb. 3: Monatliche Arbeitszahl und durchschnittliche Außentemperatur, sowie Bestandteile der
Jahresarbeitszahl für die Grubenwassergeothermieanlage der Oberschule Ehrenfrieders-
dorf (08/2018–10/2019)
Für die Anlage der Reichen Zeche ist in Abb.
4
der Verlauf von Tagesarbeitszahl (durchschnittli-
che Arbeitszahl der letzten 24 h) und Außentemperatur (ebenfalls über die letzten 24 h gemittelt)
für eine Woche im Oktober 2018 dargestellt.
Diese Betrachtung zeigt, dass an der Reichen Zeche Arbeitszahlen >5 regelmäßig erreicht werden.
Der wesentliche Grund ist hier in der Kombination aus Heizen und Kühlen zu sehen. Da das Ge-
samtsystem betrachtet wird, besteht für die Bereitstellung der Wärme der Strombedarf der Wär-
mepumpe und der Grubenwasserpumpen sowie der Pumpen im Zwischenkreislauf als Aufwand.
Die Nutzung zum Kühlen ist damit vorwiegend ein zusätzlicher Nutzen bei geringem gestiegenem
Aufwand. Da zum Kühlen keine Wärmepumpen benötigt werden, steigt nur der Strombedarf der
Grubenwasser- und Zwischenkreislaufpumpen geringfügig an. Somit ergeben sich durch die
Kombination aus Heizen und Kühlen die vergleichsweise hohen Arbeitszahlen. Wie auch dem
Analgenschema in Abb. 2 zu entnehmen ist, wird das abgekühlte Wasser nach dem Heizkreislauf
an einen Kältespeicher abgegeben und damit dann noch dem Kühlkreislauf zugeführt. Somit
ergibt sich ohne zusätzlichen Aufwand ein weiterer Benefit.

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Abb. 4: Tagesarbeitszahl und durchschnittliche Außentemperatur an der Anlage der Reichen Ze-
che (04.10.2018–10.10.2018)
Wie bereits beschrieben existieren zwei Orte um Grubenwasser zu entnehmen (Rotschönberger
Stolln und Schacht Reiche Zeche) und die Möglichkeit nur den Zwischenkreislauf zu nutzen. Für
die drei Varianten gibt es jeweils die Möglichkeiten nur zu Heizen, nur zu Kühlen und zu Heizen
und zu Kühlen. In Summe ergeben sich damit neun verschiedene Betriebsmodi. In Abb. 5 sind
diese vereinfacht dargestellt, es sind die Anteile für nur Heizen, nur Kühlen und der Kombination
für den Zeitraum Januar 2016 bis Dezember 2018 dargestellt. Zeiträume mit fehlerhaften Mes-
sungen, beispielsweise bedingt durch Defekte einzelner Anlagenteile, bilden den Bereich „Sonsti-
ges“. Wie die Grafik zeigt, wird über den Großteil der Zeit sowohl geheizt, als auch gekühlt. In
etwa einem Viertel des betrachteten Zeitraumes wird nur gekühlt.
Abb. 5: Anteile der Betriebsmodi Heizen, Kühlen, Heizen + Kühlen und Sonstiges an der Anlage
Reiche Zeche Freiberg (01/2016–12/2018)
Die Betriebsmodi, bei denen nur gekühlt wird, liegen dabei vorwiegend in den warmen Monaten
(Mai-September) vor. Insgesamt zeigt die Untersuchung, dass die Kühlung von Serverräumen,
wie es bei der Anlage der Reichen Zeche der Fall ist, eine nahezu durchgehende Nutzung der An-
lage zum Kühlen hervorruft. Somit werden Stillstandszeiten minimiert.
0
5
10
15
20
25
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
04.10.2018
05.10.2018
06.10.2018
07.10.2018
08.10.2018
09.10.2018
10.10.2018
Temperatur in °C
Tagesarbeitszahl
Tagesarbeitszahl
Außentemperatur
Kühlen
23%
Heizen
1%
Heizen +
Kühlen
74%
Sonstiges
2%

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4. Fazit
Problematisch sind bei den Anlagen technische Probleme und daraus resultierende Stillstandszei-
ten. Dadurch, dass sich ein Großteil der Anlagenkomponenten unter Tage befindet, wird die Zu-
gänglichkeit und damit der Reparaturaufwand erschwert. Dennoch zeigt sich, dass die Anlagen,
wenn sie laufen, solide bis sehr gute Ergebnisse liefern. Insbesondere die Kombination aus Hei-
zen und Kühlen sorgt für eine hohe Effizient der Anlage. Zudem ist zu beachten, dass es sich um
eine Arbeitszahl der gesamten Anlagen handelt. Dies inkludiert beispielsweise auch den elektri-
schen Aufwand für Grubenwasserpumpen, die Kennzahl bezieht sich nicht allein auf die Wärm-
pumpe. Zukünftig gilt es die Messwerte der Anlagen weiter zu analysieren und beispielsweise
Rückschlüsse auf die Fahrweise und den Betrieb ziehen zu können.
5. Literatur
[1]
Jessop, A. M., MacDonald, J. K., Spence, H.: Clean Energy from Abandoned Mines at Springhill, Nova Scotia. Energy
Sources. 17(1), 93–106 (1995)
[2]
Grab et al.: Energetische Nutzung von Grubenwasser aus gefluteten Bergwerken. Handbuch Oberflächennahe Geothermie.
Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. 523-586 (2018)
[3]
Rottluff: Neue Wärmepumpenanlage im Besucherbergwerk Zinngrube Ehrenfriedersdorf. Geothermische Energie - Mittei-
lungsblatt der Geothermischen Vereinigung e. V. 6(21) (1998)
[4]
ROBUR 2019 – GAHP WS: Gasbetriebene Brennwert-Absorpionswärmepumpe + Wasser als Erneuerbare Energiequelle.
https://www.roburshk.de/warmepumpe/gas_absorptions_wasser_wasser_
waermepumpe_gahp_ws. Zugegriffen: November
2019

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Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-
Untersuchung von potenziellen Geothermie-
standorten
Sebastian Pose; Thomas Grab; Marlies Grimmer; Lisa-Marie
Wilde; Tobias Fieback
TU Bergakademie Freiberg
sebastian.pose@ttd.tu-freiberg.de
;
thomas.grab@ttd.tu-freiberg.de
;
marlies.grimmer@mabb.tu-freiberg.de
;
lisa-marie.wilde@ttd.tu-freiberg.de
;
tobias.fieback@ttd.tu-freiberg.de
1. Einleitung
Mit der Einstellung des Bergbaus kommt es häufig zu einem Wiederanstieg des Grundwassers.
Dieser Prozess birgt eine Reihe von Problemen, welche von der Verunreinigung des Grundwas-
sers bis hin zu Hebungen und Senkungen der Oberfläche reichen können. Entgegen diesen Gefah-
ren bietet der unterirdische Wasserspeicher aber auch ein hohes thermisches Potential, welches
regenerativ und ressourcenschonend zur Heizung und Kühlung unterschiedlicher Gebäuden und
Anlagen genutzt werden kann.
Aufgrund des bereits im Jahre 1969 eingestellten Silberbergbau im Revier Freiberg ist die Flutung
der Bergwerksanlagen bereits abgeschlossen. Somit steht in einer Tiefe von 228 m ein Volumen-
strom von ca. 350 m³/h mit durchschnittlich 18 bis 20 °C im Schacht Reiche Zeche zur Verfü-
gung. Im Freiberger Revier sind bereits 3 Grubenwassergeothermieanlagen realisiert und unterlie-
gen einer regelmäßigen Wartung und Überwachung. In Ehrenfriedersdorf kommen noch einmal 2
Anlagen dazu.
Die Wartung ist notwendig, da es aufgrund der Grubenwasserchemie zur Bildung von Ablagerun-
gen und Verunreinigungen auf den Anlagenteilen kommt. Problematisch sind diese vor allem in
den Wärmeübertragern, da durch die Ablagerungen ein Leistungsabfall und somit eine sinkende
Wirtschaftlichkeit zu verzeichnen ist. Im Rahmen des EU-Projekts Vodamin II werden Untersu-
chungen zur Wasserchemie und den entstehenden Verunreinigungen durchgeführt. Aufgrund des
Betriebs der Anlagen lassen sich Untersuchungen nicht immer in definierten Zeitabständen reprä-
sentativ durchführen.
Um dieses Problem zu lösen wurde ein mobiler Wärmeübertragerversuchsstand im Rahmen des
Projektes GeoMAP konstruiert und aufgebaut. Dieser bietet die Möglichkeit das vorhandene Gru-
ben- und Grundwasser direkt an unterschiedlichen Standorten zu nutzen und zu untersuchen. So-
mit können während einer kurzen Testphase direkte und zuverlässige Aussagen über die zu erwar-
tende Verschmutzung, notwendige Wartungsintervalle, benötigte Materialen und Betriebsweisen
getroffen werden. Durch den Einsatz unterschiedlicher Plattenmaterialien und spezielle Beschich-
tungen in den Wärmeübertragern des Versuchsstandes soll eine fundierte Auslegung und Auswahl
für jeden einzelnen Standort getroffen werden. Weiterhin lässt sich ein Zusammenhang zwischen
dem Grubenwasserchemismus und den auftretenden Ablagerungen herstellen. Somit soll sich zu-
künftig ohne den Einsatz einer Versuchsanlage das optimale Material und Betriebsverhalten der
Grund- und Grubenwasseranlage mit Hilfe von Simulationen ableiten lassen.

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2. Grundlagen der Grubenwassernutzung und Wasserchemie im Freiberger Re-
vier
Bei Grubenwasser handelt es sich um alle im Bergwerk anfallenden Wässer (Summe aus Oberflä-
chen-; Sicker- und Grundwässer im Bergwerk). Diese lassen sich nach und während des aktiven
Bergbaus nutzen. Im Falle des aktiven Bergbaus muss das Bergwerk von Grubenwasser freige-
pumpt werden (Wasserhaltung), welches energetisch verwertet werden kann. Bei einer Stilllegung
des Bergwerksbetriebs kann es entweder zu einem Wiederanstieg des Grubenwassers oder zu ei-
ner dauerhaften Wasserhaltung kommen. Diese kann notwendig sein um den Schutz des Grund-
wassers, sowie der Bodenstabilität zu gewährleisten. Die dauerhafte Wasserhaltung kann natürlich
durch Wasserlösestolln oder als Ewigkeitsaufgabe durch Pumpen realisiert werden.
Im Bergwerksrevier Freiberg gibt es bereits 3 unterschiedlich realisierte Grubenwassergeother-
mieanlagen die genutzt werden. Diese sind des Lehrbergwerks „Reiche Zeche, des Kreiskranken-
haus Freiberg und das Schloss Freudenstein. Weiterhin gibt es eine Speisung der Belüftungsanla-
ge für das Kreiskrankenhaus Freiberg aus dem Bergwerksverbund Freiberg.
Aufgrund von gelösten und mitgeführten Mineralien kommt es zur Verschmutzung der Wärme-
übertrager. Im Freiberger Revier basiert der Grubenwasserchemismus auf einem leicht minerali-
sierten Wasser mit den folgenden Parameter aus Tab. 1:
Parameter
Einheit
Rothschönberger
Stolln
Freiberg
Schacht
Reiche Zeche
Freiberg
Hauptstolln
Umbruch
Freiberg
Besucher
bergwerk
Ehrenfriedersdorf
Wassertemperatur
°C
13,7
19,2
9,4
10,5
Volumenstrom
m³/h
1200-1800
300-370
108-200
El. Leitfähigkeit
μS/cm
876,7
1545
827,1
607
pH-Wert
-
7,4
6,0
7,1
6,9
Chlorid
mg/l
61,8
91,9
86,46
25,5
Sulfat
mg/l
269
630
250,12
165
Arsen
μg/l
2,0
145
6,31
287
Eisen
μg/l
60
650
130
70
Cadmium
μg/l
21
40
39,8
<30
Kupfer
μg/l
8
10
20
<10
Nickel
μg/l
29
30
40
20
Zink
μg/l
3571
7200
4947
640
Tab. 1: Ausgewählte Wasserparameter von Grubenwässern im Freiberger Revier und Ehrenfrie-
dersdorf
Diese Werte sind für eine Prognose der Verschmutzung der Bergwerkswasser nur bedingt nütz-
lich. Die Elemente können in gelöster Form oder als Partikel vorliegen. Durch eine Wasserpro-
bennahme mit einem Filter kann diese Unterscheidung getroffen werden. Für die Wasserprobe in
Ehrenfriedersdorf hat sich gezeigt das Al, Cu, Fe, Ni, Mn und Zn vorwiegend als ungelöste Parti-
kel vorliegen. Dies ist optisch im klaren Wasser nicht zu erkennen. Diese Konzentrationen sind
der Ausgangspunkt für die Untersuchung und die Bildung der Ablagerungen.
3. Mechanismen der Verschmutzung und Bildung der Ablagerungen
In Wärmeübertragern haben die Ablagerungen eine negative Auswirkung auf die Leistung der
Gesamtanlage und müssen durch regelmäßige Wartungen entfernt werden. Die Bildung dieser

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kann im Bereich der Grubenwassergeothermie durch drei Mechanismen, die Kristallisation, das
Partikel- und das Biofouling erfolgen.
Das Kristallisationsfouling basiert auf einer Ausfällung und Ablagerung von im Wasser gelösten
Salzen auf der Werkstoffoberfläche. Eine Ursache dafür ist die Verschiebung der Löslichkeits-
grenzen bedingt durch eine Druck- bzw. Temperaturänderung. Diese lassen sich nur schwer ver-
meiden und sind bei der geothermischen Grubenwassernutzung unabdingbar.
Bei dem Partikelfouling werden bereits in Wasser vorhandene Schwebstoffe und Partikel orga-
nisch bzw. anorganischer Natur durch vorhanden Kräfte (Adhäsion, Gravitation, Diffusion, Träg-
heitseffekte oder Turbulenz) an die benetze Oberfläche gebunden. Diese könnten durch geeignete
Filter dem Wasser entzogen werden, jedoch ist dies aufwändig und wartungsintensiv.
Als Biofouling wird eine Ablagerung von schleimbildenden Bakterien an der Oberfläche bezeich-
net, was zur Ausbildung eines Biofilms führt. Die so beeinflusste Oberfläche bietet zusätzlich ei-
nen größeren Angriffspunkt für die bereits genannten Foulingmechanismen. Dieser Verschmut-
zungsmechanismus kann nicht ausgeschlossen werden, da Mikroorganismen unter sämtlichen Be-
dingungen anzutreffen sind.
Bei der Bildung von Ablagerungen kommt es zu einem charakteristischen zeitlichen Verlauf. Zu
Beginn der Verschmutzung ist eine Induktionszeit vorhanden, bei der keine nennenswerte Ver-
schmutzung auftritt. In diesem Zeitraum werden auf der sauberen Oberfläche erste Nukleations-
keime gebildet, bzw. erfolgt die erste Besiedlung mit Bakterien. Glatte Oberflächen und eine hohe
Oberflächenenergie weißen eine besonders hohe Inkubationszeit auf. Anschließenden wächst der
Foulingwiderstand durch eine kontinuierliche Verschmutzung an. Dem gegenüber steht ein Ab-
tragungsprozess durch auftretenden Scherkräfte bzw. Erosion der Strömung. Bei den meisten An-
lagen kommt es zu einer asymptotischen Annäherung einer maximalen Verschmutzung. Das sich
damit eingestellte Gleichgewicht ist mit einem Performanceverlust der Anlage im Bereich des
Druckverlusts und des Wärmeübergangs verbunden. Somit ist die Anlage nicht mehr wirtschaft-
lich und effektiv zu betreiben, was eine Wartung und Reinigung der betroffenen Komponenten
bzw. den Austausch ganzer Baugruppen notwendig macht (Wilde 2019).
Die unterschiedlichen Mechanismen der Verunreinigung werden im Folgenden am Beispiel der
Wärmeübertrageranlage in Ehrenfriedersdorf beschrieben und zeigen sich durch zwei prägende
Erscheinungsformen. Es treten zum einen eine braune schleimige gleichverteilte Schicht auf, so-
wie harte schwarze ungleichverteile Partikel und Anhaftungen auf. Die unterschiedlichen Ablage-
rungen sind in der Abb. 1 und sowie die Zusammensetzung in Abb. 2 im Vergleich zu einer unbe-
nutzten Wärmeübertragerplatte dargestellt. In letzter ist zu sehen, dass der Hauptbestandteil der
braunen Ablagerungen Eisen ist, welches als leicht kristallines Eisenhydroxid vorliegt Weiterhin
ist zu erkennen, dass ein konstanter Teil des Eisens als organisch gebundene Phase vorliegt. Die
schwarzen Ablagerungen weisen einen wesentlich höheren Mangananteil auf, welche überwie-
gend als leicht reduzierbare Fraktion vorliegt.

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a)
b)
c)
Abb. 1: Vergleich der Wärmeübertragerplatten der Grubenwassergeothermieanlage in Ehrenfrie-
dersdorf a) vor dem Einsatz ohne Ablagerungen, b) verschmutzte Platten direkt nach dem
Einsatz mit einem gleichmäßigen braunen Biofilm sowie einzelnen schwarzen Partikeln
und c) verschmutzte Platte nach einer Reinigung mit einem Hochdruckreiniger mit
schwarzen Ablagerungen
a)
b)
Abb. 2: Ergebnisse der sequentiellen Extraktion der Wärmeübertragerablagerungen in Ehrenfrie-
dersdorf nach (Graupner und Kassahun et al. 2007) mit den einzelnen Löslichkeitsstufen
für a) die braunen Ablagerungen sowie b) die schwarzen schwer zu entfernenden Ablage-
rungen, welche nach der Stufe Va vollständig aufgelöst waren
In der Abb. 1 ist zu sehen, dass ein Großteil der Ablagerungen auf den Wärmeübertragerplatten
gleichverteilt und leicht durch mechanische Reinigung zu entfernen ist. Dabei handelt es sich um
lockere Eisenverbindungen. Weiterhin gibt es vermehrt schwarze Phasen und Partikel, vor allem
im Einlaufbereich. Diese sind wesentlich härter und bilden eine kristalline Phase, welche nach der
Reinigung verbleibt. Vor allem im Einlaufbereich der Wärmeübertragerplatte kommt es zu einer
vermehrten Bildung der schwarzen erhöht manganhaltigen Ablagerungen. Der Unterschied der
einzelnen Phasen lässt sich an einer REM-EDX-Aufnahme der genommenen Proben feststellen.
Dabei wurde eine getrocknete Probe mit beiden Anteilen untersucht.
0
5
10
15
20
25
30
Al
As
Fe
Mn
Si
Zn
extrahierter Gehalt in %
I
II
IIIa
IIIb
IV
Va
Vb
0
5
10
15
20
25
30
Al
As
Fe
Mn
Si
Zn
extrahierter Gehalt in %
I
II
IIIa
IIIb
IV
Va

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a)
b)
Abb. 3: REM-EDX-Aufnahme der getrockneten Proben mit den braunen und schwarzen Ablage-
rungen, wobei auf der Detailaufnahme b) unten der komprimierte lockere Anteil der Ei-
senphase, sowie der obere Bereich bestehend aus der ausgefällten Manganablagerung
Die Kenntnis des Bildungsmechanismus der Ablagerungen ist für eine Verhinderung dieser
zwangsläufig notwendig. Wenn man die Wasserwerte vor und nach dem Wärmeübertrager ver-
gleicht lässt sich darüber eine Aussage treffen. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Filterstu-
fen kann festgestellt werden, ob es sich um gelöste oder suspendierte Stoffe handelt. Bei den un-
tersuchten Proben in Abb. 4 ist zu erkennen, dass ab einer Filterstufe von 0,45μm ein Großteil der
Aluminiumverbindung herausgefiltert werden kann. Dieser liegt als Partikel vor. Die auftretende
Differenz der Konzentrationen zwischen Vor- und Rücklauf, lässt sich durch ein Auskristallisie-
ren erklären. Das Gleiche tritt beim Mangan und Zink auf.
Abb. 4: Ergebnisse der Wasseranalyse des Wärmeübertrager in Ehrenfriedersdorf für den Vorlauf
und den Rücklauf mit unterschiedlichen Filterstufen
Aufgrund der unterschiedlichen Erscheinungsform und Zusammensetzung der Ablagerung wird
davon ausgegangen, dass sich die Bildungsmechanismen unterscheiden. Um das Biofouling nach-
zuweisen werden die Wasserproben mit einem Bakterientest auf eisenumsetzende und schleimbil-
dende Bakterien mit BART-Tests untersucht. Durch diese kann die Belastung des Wassers mit
den auftretenden Bakterien bestimmt werden und somit eine Prognose für die zu erwartende Ver-
unreinigung getroffen werden. Diese Tests sind einfach zu handhaben und liefern innerhalb kurzer
Zeit ein quantitatives Ergebnis. Somit kann die Standortwahl beschleunigt und mit aussagekräfti-
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Al
As
Mn
Zn
Konzentration [mg/L]
Vorlauf unfiltriert
Vorlauf 0,45μm-filtriert
Vorlauf 0,2μm-filtriert
Rücklauf unfiltriert
Rücklauf 0,45μm-filtriert
Rücklauf 0,2μm-filtriert
es gibt Kolloide im Grubenwasser, die
sich im WÜ ablagern,
echt gelöste Ionen,
die Minerale bilden (Ausfällung)
ausgefällte schwarze Phase
Lockere braune Phase

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gen Daten erstellt werden. Es hat sich gezeigt das sowohl eisenverwertende als auch schleimbil-
dene Bakterien im moderaten Maße vorhanden sind. Somit ist das Biofouling eine Ursache für die
Bildung von Ablagerungen. Weiterhin hat sich aufgrund der Zusammensetzung der Ablagerung
gezeigt, dass die braunen eisenhaltigen Verbindungen teils organisch gebunden sind und teilweise
als Partikel vorliegen. Somit wird als Bildungsursache für die Eisenphase das Partikelfouling an-
genommen. Für die Bildung der Phase mit dem erhöhten Mangangehalt hat sich das Kristallisati-
onsfouling herausgestellt, da Mangan nicht als Partikel gebunden vorliegen und eine Differenz der
Konzentrationen zwischen Vor- und Rücklauf auftritt.
4. Aufbau eines mobilen geothermischen Versuchsstandes
Wie bereits in den vorhergehenden Kapiteln beschrieben ist eine zuverlässige Prognose der Ver-
schmutzung im Wärmeübertrager von vielen Parametern, wie den Wasserwerten, Betriebsparame-
tern oder Mikroorganismen abhängig. Somit ist eine experimentelle Untersuchung im Labor nur
wenig aussagekräftig um den Gesamtprozess der Wärmeübertragerverschmutzung zu verstehen.
Da bereits Grubenwassergeothermieanlagen in Betrieb sind, ist eine Kooperation mit den Betrei-
bern zur Untersuchung an bestehenden Anlagen eine Methode um reale Ergebnisse zu erzielen.
Dies gestaltet sich schwierig, da die Anlagen nicht für ein intensives Monitoring ausgerüstet sind
und für den Anlagenbetreiber eine regelmäßige Untersuchung der Wärmeübertrager mit erhöhten
Aufwand verbunden ist. Für den Betrieb der Anlagen ist der Wärmebedarf die regelnde Größe.
Somit stehen die Anlagen zu Teilen des Jahres still oder sind nur im Teillastbetrieb eingesetzt.
Dies verlängert die Zeiten der Verschmutzung und bedeutet eine zusätzliche Verzögerung.
Aufgrund dieser Ursachen ist eine unabhängige Untersuchung von potentiellen Grubenwasser-
standorten unter realen Bedingungen nur durch einen eigens dafür entwickelten Versuchsstand
möglich. Mit diesem soll eine repräsentative Beprobung des Waser und der Ablagerungen sowie
dem Test unterschiedlicher Materialen und Beschichtungen ermöglicht werden.
Somit haben sich für die Konstruktion des Versuchsstands folgende Anforderungen ergeben:
Mobiler Einsatz der Anlage mit Zugang zum Bergwerk und einfachen Anschlussbedingungen
Messung der Verschmutzung des Wärmeübertragers und der Anlagenparameter zur Untersu-
chung der Verschmutzung und dem Wirkungsgrad der Anlage
Einfacher Zugang zu den Wärmeübertragern mit der Möglichkeit der Demontage und der Pro-
bennahme von Wasser und Ablagerungen
Einsatz von korrosionsfesten Materialien bei allen Grubenwasser berührenden Teilen
Schutz der Anlagenkomponenten gegen äußere Einflüsse (Feuchtigkeit, Blitzschutz, Über-
spannung, …)
Aufnahme und Speicherung der Messwerte über den Messzeitraum, sowie umgebungsunab-
hängige Übertragung der Daten
Aufgrund dieser Anforderungen ist der Versuchsstand entworfen und gebaut worden. Der Ver-
suchsstand benötig lediglich einen 230V Anschluss und kann damit autonom mit der Möglichkeit
eines Fernzugriffs betrieben werden. Der Versuchsstand basiert auf einer Wärmepumpenanlage
mit dem dargestellten Fließschema in Abb. 5. Dabei wird ein offenes System verwendet. Dieses
verfügt über einen Kältemittelkreislauf, zwei Zwischenübertragerkreisläufe und einen Grubenwas-
serkreislauf. Aufgrund der im Freiberger vorherrschenden Parameter wurden die Auslegungspa-
rameter mit 12 °C Grubenwassertemperatur verwendet.

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Abb. 5: Schema der Grubenwassergeothermieanlagen zur Untersuchung der Wärmeübertragerver-
schmutzung mit der Angabe der Auslegungsparameter von Temperatur T, Volumenstrom
V, sowie Wärmeströme Q und Leistung P
Die Verwendung der Zwischenübertragerkreisläufe erhöht den Aufwand, bietet jedoch die Mög-
lichkeit des direkten Zugriffes auf die Wärmeübertrager. Nur so ist es möglich mit geringem Auf-
wand die Ablagerungen und Mechanismen der Verschmutzung zu untersuchen. Die Anlage ver-
fügt über 3 grubenwasserentnahmestellen. Somit können direkt vor bzw. nach dem Wärmeüber-
trager die Wasserparameter und –zusammensetzung untersucht werden. Durch die Verwendung
von Plattenwärmeübertragern wird die schnelle Zugänglichkeit und ein großes Flächen zu Leis-
tungsverhältnis erreicht. Somit kann die Anlage kompakt gebaut werden, was einen Einsatz im
Grubengebäude ermöglicht. Weiterhin lassen sich durch einen Austausch der Wärmeübertrager-
platten unterschiedliche Materialien und Beschichtungen während eines Testlaufs untersuchen.
Der Aufbau des Versuchstandes hat 4 Hauptkomponenten, die Wärmepumpe, Grubenwasserpum-
pe, die Wärmeübertrager sowie die Sensoren. Diese sind in der Abb. 6 im 3D-Modell sowie dem
Versuchsstand markiert. Gemessen wird bei der Anlage der Volumenstrom, der Druckverlust über
den Wärmeübertrager, sowie die Temperaturen aller Fluide. Somit kann eine Bilanzierung der
Wärmeverluste durch die zeitabhängige Verschmutzung der Wärmeübertrager erfolgen. In der An-
lage wird das Grubenwasser durch die Grubenwasserpumpe angesaugt und der Volumenstrom
wird aufgeteilt. Somit kann ein Heizen und Kühlen mit einer Anlage realisiert und auf je einem
Wärmeübertrager die Ablagerungen die einzelnen Betriebsfälle bzw. Jahreszeiten untersucht wer-
den.

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Abb. 6: 3D-Modell sowie Abbildung der realen Versuchsanlage zur Untersuchung der Wärme-
übertragerverschmutzung bei der geothermischen Grubenwassernutzung mit einer Be-
schriftung der wichtigsten Komponenten
Für die weitere Projektlaufzeit lassen sich unterschiedliche Beschichtungen und Plattenmaterialien
testen. Aktuell sind 8 unterschiedliche Plattenpaare verbaut. Dabei handelt es sind um verschiede-
ne Edelstähle, Titan, Nickelbasislegierungen und eine antibakterielle Beschichtung. Somit kann
für unterschiedliche Standorte und Grubenwasserchemismen das Verschmutzungsverhalten unter-
sucht werden. Das oberflächen- und materialabhängige Foulingverhalten soll in Zusammenhang
mit verschiedenen Oberflächenkennwerten gebracht werden (z.B. Kontaktwinkel, Oberflächen-
energie) die im Vorfeld der Versuche gemessen werden.
5. Ergebnisse der Untersuchungen des Versuchsstands und der Ursache der Ab-
lagerungsbildung
Im Rahmen der Untersuchung des Projekts Vodamin II soll die Ursache für die Verschmutzung in
den Wärmeübertragern ermittelt werden. Zu diesem Zweck wurden Strömungssimulationen im
Bereich der Wärmeübertragerplatten und der Gesamtanlage durchgeführt, um einen Zusammen-
hang zwischen den Strömungsparametern und den Ablagerungen zu ermitteln. Dazu wird eine
numerische Simulation auf Basis der Plattengeometrie durchgeführt. Diese ist in der Abb. 7 dar-
gestellt. Bei der Untersuchung der Feststoffproben hat sich gezeigt, dass ein symmetrisches Abla-
gerungsmuster auftritt. Dieses konnte mit der Simulation erzeugt werden, um die auftretenden
Geschwindigkeiten und Wirbelstärken zu vergleichen.

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Abb. 7: Berechnungsgebiet für die Numerische Simulation der Wärmeübertragerplatten und Be-
schreibung der Plattengeometrie in mm
Die Berechnung erfolgt mit der Konstruktionssoftware SolidWorks und dient der Verdeutlichung
von Strömungsabläufen und Änderungsbereichen. Eine quantitative Zuordnung und Bestimmung
der Parameter ist nicht Ziel der Untersuchung. Ausgewertet wird dabei das letzte Drittel der
durchströmten Platte, da es zu Beginn zur Einlaufprozessen und Abweichungen kommen kann.
Die Maße der Berechnungsgeometrie basieren auf den real eingesetzten Wärmeübertragerplatten.
Für die Berechnung wird eine laminar bzw. turbulente stationäre Strömung mit Wasser an einer
strukturierten Wand betrachtet. Der Eingangsvolumenstrom von 0,3 m³/h je Platte ergibt sich aus
den realen Anlagenparametern. Der Wärmeübergang wird nicht berücksichtigt und hat somit kei-
nen Einfluss. Dieser kann bei der Betrachtung der Strömungsverhältnisse vernachlässigt werden.
Bei dem Partikelfouling spielt der Temperatureinfluss keine Rolle. Die auftretenden wandnahen
Geschwindigkeiten zeigen, dass es Totwassergebiete gibt, in denen eine Ablagerung zu erwarten
ist. Weiterhin treten vermehrt Scherspannungsunterschiede auf, wodurch ein erhöhter Abtrag der
Foulingschicht zu erwarten ist. Dieser ist in der Abb. 8 zu erkennen. Weiterhin sieht man das im
Bereich der Anströmung und des Staupunktes zwischen den einzelnen Platten ein besonders ho-
hes Potential zur Ablagerung besteht.
Abb. 8: Vergleich der nach dem Reinigen mit einem Hochdruckreiniger verbliebenen Ablagerun-
gen mit den Strömungsparametern Scherspannung, dynamischer Druck und der Ge-
schwindigkeit auf einer Wärmeübertragerplatte
Um den Einlaufbereich zu untersuchen, wurde vereinfacht ein Vergleich zwischen den Strö-
mungsprofilen zwischen der ersten und der letzten Platte des Versuchsstandes simuliert. Diese
Simulation basiert auf der Geometrie des Versuchsstandes sowie den für die Auslegung verwen-

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deten Volumenströmen mit einer vereinfachten Plattengeometrie. Diese unterschieden sich von
den Werten der für die reale Plattengeometrie. In Abb. 9 zeigt sich, dass vor allem um den Ein-
strömbereich eine starke Änderung der Geschwindigkeit auftritt. Dies deckt sich mit der Position
der auftretenden Ablagerungen aus Kapitel 4. Über den Rest der Wärmeübertragerplatten ist ein
gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil entlang der Stromlinie zu erkennen. Somit lässt sich die
angenommene Vereinfachung für die Berechnung der einzelnen Wärmeübertragerplatten bestäti-
gen.
Abb. 9: Temperatur und Geschwindigkeitsverlauf a) Einströmplatte und b) der letzten Platte des
Wärmeübertragers mittig im Wärmeübertragerkanal mit einer vereinfachten Plattengeo-
metrie ohne Strukturierung
Der Vergleich der auftretenden Ablagerungen bestätigt die drei genannten Verschmutzungsme-
chanismen. Wie in Kapitel 3 beschrieben ist das Partikelfouling, in Kombination mit dem Biofou-
ling zu beobachten. Dabei können die braunen eisenhaltigen Ablagerungen auf einen bakterienin-
duzierten Anlagerungsprozess zurückgeführt werden. Durch eine Variation der Strömungsge-
schwindigkeit bzw. das Spülen mit Druckluft lassen sich dies beseitigen. Das Kristalisationsfou-
ling wird als Ursache für die Bildung der schwarzen kristallinen Ablagerungen, welche durch eine
Verschiebung der Löslichkeitsgrenze erfolgt. Diese Ablagerungen lassen sich nur chemisch ent-
fernen.
Für die weitere Untersuchung soll die Verknüpfung des Wärmeübergangs bei der numerischen
Lösung der realen Plattengeometrie berücksichtigt werden, um den lokale Temperaturgradienten
zu ermitteln. Weiterhin sollen die eingesetzten unterschiedlichen Plattenmaterialien und Beschich-
tung erweitert werden und bei verschiedenen Grubenwasserchemismen untersucht werden.
6. Literatur
[1]
Graupner T., Kassahun A., Rammlmair D., Meima J. A., Kock D., Furche M., Fiege A., Schippers A., Melcher F. Formation
of sequences of cemented layers and hardpans within sulfide-bearing mine tailings (mine district Freiberg, Germany), p.
2486-2508, Appl. Geochem., 22 (2007)
[2]
Wilde, L.: Untersuchung zum Fouling in Wärmeübertragern bei der geothermischen Grubenwassernutzung, Masterarbeit,
TU Bergakademie Freiberg, Freiberg (2019)

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Preventing calcite precipitation in deep geo-
thermal energy plants
Alireza Arab; Broder Merkel
TU Bergakademie Freiberg –
araba@geo.tu-freiberg.de
;TU Bergakademie Freiberg –
merkel@geo.tu-
freiberg.de
1. Introduction
When groundwater, which is in equilibrium with calcite and carbon dioxide, is pumped from 2 to
4 km depth to the surface, the pressure decreases and the water becomes supersaturated with re-
spect to calcite (Eq. 1). Depending on the flow rate and casing diameter, a certain amount of cal-
cite will precipitate according to the kinetics of the calcite precipitation which can be up to two
orders of magnitude slower than calcite dissolution (Dreybrodt et al. (1991)). This can lead to pre-
cipitation of scales on the well pipe walls leading to clogging of wells, reducing injectivity, and
damaging the pumping system. Besides, experience from existing plants in the region show that in
addition to precipitation on pipe walls and heat exchanger surfaces, a suspension of carbonate
crystals is formed. These crystals can precipitate inside the fractures and disturb the continuous
production as well as causing technical damage. A small reduction in porosity due to precipitation
can cause significant permeability reduction (Bacci et al. 2011). If there is not sufficient permea-
bility or the permeability is reduced due to precipitation, heat cannot be exploited from the geo-
thermal reservoir (Tester et al. 2007).
Ca(HCO3)2 (aq)
CO2 (g) + H2O (l) + CaCO3 (s)
[1]
One method of countering calcite precipitation could be adding of CO2 to the geothermal water to
increase the CO2 partial pressure and under-saturate the water with respect to calcite. Carbon di-
oxide addition will boost the negative saturation index (SI) which may also dissolve calcite in the
aquifer in the near field of the injection well on the other side. This innovative idea of adding CO2
to geothermal water was investigated in the BMUB funded research project, LERWTG (Langfris-
tige Verbesserung und Erhaltung von Reservoir-Wegsamkeiten in der Tiefen Geothermie) (Arab
et al. (2017)).
Scale inhibitors that are used in geothermal energy production can be inorganic or organic sub-
stances. Organics have the advantage to decompose over time. In the ideal case, decomposition
starts after reinjection of the geothermal water into the aquifer and ends up as inorganic com-
pounds after a short time. However, the formation of biofilms in particular in the geothermal plant
(constructing materials) and the aquifer has to be considered as well. In the ongoing BMWi (Fed-
eral Ministry for Economic Affairs and Energy) funded joint research project, EvA-M (Einsatz
von Ausfällungsinhibitoren im Molassebecken), thermodynamic and kinetic modeling of the pro-
cesses in a geothermal plant utilizing NC47-1B as inhibitor is done which includes kinetic model-
ing of calcite precipitation, complexation of calcium and/or slowing calcite precipitation by
NC47-1B (Niederrhein Chemie) as well as microbial degradation of the inhibitor over time.
2. Methodology
2.1. LERWTG
2.1.1. Sample Material Description
The sample materials used in the batch experiments consisted of rock cuttings from the injection
well (GT1) and production well (GT2a), analog representative rocks and a drill core, steel well

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casing, and well concrete. In the bypass system (pilot plant), analog samples were used because
the amount of drilling material would have been insufficient for filling the columns. The repre-
sentative rock materials were taken from Ziegenfelder (Frankendolomite, Malm Delta), a quarry
located in the same geological formation as the geothermal wells in Kirchweidach. XRD data
based on qualitative and semi-quantitative analysis with the Rietveld method was performed on
all the rock samples to obtain mineral compositions. The steel casing sample was analyzed by
EDX.
2.1.2. Batch experiments
Two different types of autoclaves (shown in figures 1 and 2) at a pressure of 40Mpa (400 bar) and
a temperature of 105 °C were used to perform both batch kinetic and endpoint experiments. The
kinetic experiments were done using GT1 and GT2 rock samples to investigate the effect of CO
2
on the reservoir rock and obtain the change of concentrations over time. The endpoint experi-
ments were done to also determine the effect of CO
2
and water on the sample material (analog
rock, drill core, steel casing and well concrete) after a predefined period, which was assumed to
be sufficient to reach quasi equilibrium. Upon completion of all the experiments, the sampled so-
lutions were tested for their chemical composition by means of ICP-MS and IC. The amount of
CO
2
dissolved in the water was also measured in some experiments.
Fig. 1: Autoclave at TU Bergakademie Freiberg which was used for batch experiments
2.1.3. Bypass system
During the operation of the bypass system, thermal water was diverted from the pipeline of the
geothermal plant and enriched with CO
2
before entering five cylinders (reaction columns) that
were filled with analogue A2 rock samples. The water gradually heated up while going through
the reaction columns and the test path. The actual scheme of the plant and bypass system are
Control unit
and pumps
Compressed
air pipe
CO
2
detector
Bottle
heater
control
unit
Gas bottle with indus-
trial gas heater
Removed autoclave top
Assemble
autoclave
without heat covers
Autoclave with
heat covers
Autoclave heater
control unit
Reactor chamber with Teflon
beaker and sample inside

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shown in Figure 3a while figure 3b shows one of the reaction columns before completion and the
details of each of the columns are given in table 2. The bypass system was technically tested and
optimized during a period of 3 months, and the actual experimental ran for 6 months.
The water flow in the plant was approximately 10 ml/s and the CO
2
inflow was adjusted to ap-
proximately 1.5 Nl/min
1
. This amount of CO
2
corresponds to a gas content of 2500 Nml/l water
and as a result, a pH value of 4.8 to 5.5 is achieved. The pore volume in the total system is 403 li-
ters. Therefore, the thermal water had a residence time of 11.2 h in the reaction columns. The
pressure in the bypass system was set to a range of 5 to 6 bar.
Fig. 2: (a) Bypass system in Kirschweidach and (b) Reaction columns while being set up
2.2. EvA-M
The log_k values were determined from laboratory experiments with different inhibitor concentra-
tions at different temperatures by measuring electrical conductivity, pH, free Ca
2+
ions by means
of nano-membrane separation, and LC-OCD. LC-OCD is a liquid chromatography method that
includes, in addition to UV/Vis (UV), fluorescence (FL) and conductivity (LF), a carbon-selective
detector and in part also an OND (organic nitrogen detector). This type of liquid chromatography
is based on size-exclusion chromatography (SEC) and ultimately provides a distribution of mo-
lecular masses over time. The combination of the detectors enables a distinction between Natural
Organic Matter (NOM) and Specific Organic Matter (SOM).
A 1D reactive transport model using PHREEQC and a modified Plummer-Wigley-Parkhurst
(PWP) equation (Plummer et al. (1978)) was built. A modification to the PWP equation is neces-
sary because the situation in a geothermal power plant is not easily comparable to an aquifer. For
example, at the beginning of commissioning, there is carbonate precipitation in the production
well, in the heat exchanger, or the injection well. Therefore, there are no crystallization seeds
available at which crystal growth can begin. Thus, an empirical factor (F) based on the work of
Dreybrot et al. (1996) was implemented into the model which becomes effective only in the case
of supersaturation. This made it possible to simulate the extraction of groundwater with a realistic
precipitation of calcite scales in the production well and in the heat exchanger.
3. Results
3.1. LERWTG
Laboratory experiments showed that rock material underwent a preferred dissolution of major
rock forming minerals caused by increased pCO
2
. Casing material showed a weight loss of 1.7 %
1
Normal liter per minute is unit of volumetric flow rate of gas corrected to “normalized” conditions of tempera-
ture and pressure.

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during the test period of 28 days and no indications of passivation on the casing surface were
found. As for the concrete samples, results demonstrated that there is a weight gain of 5-10 wt. %,
which is associated with carbonation of the cement.
During the 6 months operational period, redox potential, EC, pH, flow and temperature in the inlet
and outlet of the columns were monitored. Water was sampled continuously and analyzed for
main cations, DOC, and acid / base capacity. The pilot plant system which was used in this re-
search allowed for flexible simulations of boundary conditions and tracking of the corresponding
reactions during the reinjection of geothermal thermal water back into the aquifer.
3.2. EvA-M
The results of the 1D model extracting groundwater with a realistic precipitation of calcite scales
in the production well and in the heat exchanger are shown in Fig 3. The effects of the ratio of
surface to water (P1) and F on the model outcome are depicted in different scenarios (a-d). The
green curve indicates the SI of calcite while the red curve shows calcite precipitation. As the hot
water moves up to the surface, the pressure decreases and SI
calcite
increases which indicates calcite
precipitation. In the heat exchanger, the water is cooled to 60 °C and this changes the SI
calcite
from
supersaturation to undersaturation. For the final calibration, the estimation of carbonate precipita-
tion in the production well and in the heat exchanger should be used.
Fig. 3: Results of modeling with different parameters (P1 and F). P1 is the ratio of surface to wa-
ter and F is the scaling factor. The effects of the P1 ratio and F on the outcome of the model are
depicted in different scenarios (a-d).
a
b
c
d

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4. Conclusions
Overall results showed that by adding CO
2
, precipitation of carbonate minerals and the formation
of scales which deteriorate the transmissivity of reservoir pathways can be prevented due to un-
der-saturation with respect to carbonates. Furthermore, this suggested approach could eventually
become a safer and resource-conserving alternative to current techniques especially due to the fact
that above ground energy production is not interrupted while CO
2
is being added. This and the
positive CO
2
storage as by-effect (Carbon Capture, Utilization and Storage) can be important fac-
tors for policymakers.
Carbonate precipitation can be described by a reactive mass transfer model that takes into account
both thermodynamic and kinetically controlled chemical reactions. It is also possible to integrate
the influence of biodegradable inhibitors into the model. Thus, by such a reactive mass transport
model, the optimal inhibitor concentrations can be determined when the thermodynamic and ki-
netic constants of the inhibitor are known. All results available to date suggest that the biode-
gradable polycarboxylates inhibitor is effective as a complexing agent as well as by means of
sorption on calcite crystals. Reliable numerical models can be built using data from batch and by-
pass experiments to determine optimal inhibitor concentrations and predict outcomes.
5. References
[1]
Arab, A., Eichinger, F., Kaulisky, A., Mair, C., Merkel, B. (2017): Langfristige Verbesserung und Erhaltung von Reser-
voirwegsamkeiten in der Tiefen Geothermie (LERWTG). Abschlussbericht LERWTG, Technische Universität Bergakade-
mie Freiberg, Freiberg, Germany: p 51.
[2]
Bacci, G., Korre, A., Durucan, S. (2011): An experimental and numerical investigation into the impact of dissolu-
tion/precipitation mechanisms on CO2 injectivity in the wellbore and far field regions, International Journal of Greenhouse
Gas Control 5, 579-588.
[3]
Dreybrodt, W., Eisenlohl, L., Madary, B., Ringer, S. (1996): Precipitation kinetics of calcite in the system CO
2
-H
2
O-CaCO
3
:
The conversion to CO
2
by the slow process H
+
+ HCO
3-
CO
2
+ H
2
O as a rate limiting ste.p Geochim.
Cosmochim. Acta
60,
3375-3381
[4]
Plummer L. N., Wigley T. L. M., Parkhurst D. L. (1978): The kinetics of calcite dissolution in CO
2
-water systems at 5 to 60
°C and 0.0 to 1.0 atm. CO
2
, Amer. J. Sci., 278, 537-573.
[5]
Tester, Jefferson W.; Anderson, Brian J.; Batchelor, Anthony S.; Blackwell, David D.; DiPippo, Ronald; Drake, Elisabeth
M. et al. (2007): Impact of enhanced geothermal systems on US energy supply in the twenty-first century. In
Philosophical
transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences
365 (1853), pp. 1057–1094. DOI:
10.1098/rsta.2006.1964.