image
image
image
image
image
Geothermisches Potenzial von
Grubenwässern und Herausforderungen
der Anlagentechnik
Geotermický potenciál důlních vod a
technologické výzvy
Konferenzband zur 2. Fachkonferenz des Projektes GeoMAP
Freiberg 26. November 2019
Herausgeber:
Lukas Oppelt, Sebastian Pose, Kristina Kaplin, Thomas Grab, Tobias Fieback

image
image
image
image
image
- 2 -
Inhaltsverzeichnis
Rejstřík
GeoMAP................................................................................................................................ 4
Projektpartner
Partneři projektu .................................................................................................................... 6
Webseiten
Webové stránky..................................................................................................................... 7
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. B. Merkel
....................................................................................................... 8
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
Msc.-Ing. A. Arab et al..........................................................................................................
25
Erdwärmesonden, Grundwasserwärme-pumpen und Grubenwasser – geo-thermische
Nutzungsmöglichkeiten in Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické
možnosti využití v Sasku a jejich specifika
Dipl.-Geoökol. K. Hofmann
...................................................................................................33
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur
Darstellung von Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro
zobrazování důsledků těžby a potenciálů nového využití
M.Sc. P. Ernst et al...............................................................................................................
46

image
image
image
image
image
- 3 -
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermie-
standorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití
geotermální energie in-situ
M.Sc. S. Pose et al...............................................................................................................
58
Methoden der Erkundungsarbeiten auf rekultivierten Flächen nach dem Bergbau
Metody průzkumných prací na rekultivovaných územích po hornické činnosti
doc. Ing. M. Klempa, Ph.D. et al...........................................................................................
83
Grubenwassergeothermieanlagen in Freiberg und Ehrenfriedersdorf
Zařízení pro geotermální využití důlních vod ve Freiberg a Ehrenfriedersdorfu
Dipl.-Wi.-Ing L. Oppelt et al.................................................................................................
101
Chemismus der Ablagerungsbildung an Wärmetauschern bei der Grubenwassernutzung
Chemismus vytváření usazenin na tepelných výměnících při využívání důlních vod
Dipl.-Ing. (FH) M. Grimmer et al.........................................................................................
115
Möglichkeiten der Nutzung des auf die Oberfläche gehobenen Grubenwassers im Ostrau-
Karwiner Bergbaurevier (OKD)
Možnosti využití důlních vod čerpaných na povrch v OKR
doc. Ing. Jindřich Šancer, Ph.D..........................................................................................
131

image
image
image
image
image
- 4 -
GeoMAP
Die
Durchführung
des
Projektes
GeoMAP
wird
durch
das
Kooperationsprogramm
Freistaat
Sachsen – Tschechische Republik 2014
– 2020 im Rahmen der europäischen
territorialen Zusammenarbeit aus dem
Europäischen
Fonds
für
Regionalentwicklung gefördert. An der
Umsetzung
des
Projekt
GeoMAP
arbeiten das Landesamts für Umwelt,
Landwirtschaft und Geologie, die TU
Bergakademie Freiberg und die TU
Ostrava
gemeinsam.
Die
TU
Bergakademie
Freiberg
ist
zur
Bearbeitung mit dem Lehrstuhl für
Technische Thermodynamik und dem
Lehrstuhl
für
Gebirgs-
und
Felsmechanik vertreten.
Realizace projektu GeoMAP probíhá za
finanční podpory Programu spolupráce
na podporu přeshraniční spolupráce
mezi Českou republikou a Svobodným
státem Sasko 2014 – 2020 v rámci
Evropské
územní
spolupráce
a
financována je z dotačních prostředků
Evropského fondu pro regionální rozvoj.
V rámci realizace projektu GeoMAP
spolupracují Saský zemský úřad pro
životní prostředí, zemědělství a geologii,
Technická
univerzita
-
Báňská
akademie ve Freibergu a Technická
univerzita v Ostravě. Technická
univerzita - Báňská akademie ve
Freibergu
je
zastoupena
katedrou
technické termodynamiky a katedrou
mechaniky hornin.
Das Projekt GeoMAP wird im Zeitraum
01/2019 bis 12/2020 durchgeführt und
dient dem Erfahrungsaustausch über
geowissenschaftliche Methoden und
Modellierungen als die wesentliche
Grundlage
für
weitumfassende
Betrachtungen
in
Bergbau-
und
Bergbaufolgegebieten.
Die Stilllegung und Flutung vieler Tief-
und
Tagebauanlagen
stellt
alle
Beteiligten
vor
große
Herausforderungen. Das Heben und
Senken des Erdbodens sowie Grund-
und Oberflächenwasserverschmutzung
sind oft die Folge und nicht zu
Projekt GeoMAP je realizován v období
01/2019 až 12/2020 a slouží k výměně
informací o geovědních metodách a
modelování jako zásadním podkladu
pro komplexní řešení v těžebních
oblastech a v oblastech, ve kterých byla
těžba zastavena.
Zastavení těžby a zatopení čtyř
hlubinných a povrchových dolů klade na
všechny zapojené instituce velké
požadavky. Častým důsledkem, který
nelze podceňovat, jsou pohyby terénu a
znečištění povrchových a podzemních
vod. Za účelem spojení kompetencí
bude
projektem
česko-saské

image
image
image
image
image
- 5 -
unterschätzen. Zur Verknüpfung der
Kompetenzen
wird
durch
das
sächsisch-tschechische
Kooperationsprojekt
GeoMAP
die
Untersuchung
des
Grund-
und
Grubenwasseranstiegs,
sowie
die
Möglichkeit der Grubenwassernutzung
untersucht. Im Rahmen dieses Projekts
werden die Auswirkungen in den
Bergwerksgebieten
im
sächsischen
Revier
Lugau/Oelsnitz
sowie
im
tschechischen Most untersucht.
Zu den wichtigsten Aktivitäten des
Projektes gehören:
Durchführung von 4 Projektinternen
Workshops zum Erfahrungs- und
Wissensaustausch
Durchführung von 4 öffentlichen
Fachkonferenzen
für
alle
interessierten
Personen
und
Organisationen
Erstellung von 3 Ausstellungs- und
Demonstrationsobjekten
Netzwerkarbeit
zur
langfristigen
Bewältigung
des
Grubenwasseranstiegs
in
Altbergbaugebieten
Ein wichtiger Teil dieses Projekts ist die
Zusammenarbeit
der
einzelnen
Projektpartner und der Aufbau eines
Netzwerkes um die Herausforderungen
in
den
Bergbaufolgelandschaften
langfristig erfolgreich zu gestalten.
spolupráce GeoMAP sledován nárůst
hladin podzemní a důlních vod a
možnosti využití důlních vod. V rámci
tohoto projektu budou vlivy těchto
procesů sledovány v těžebních
oblastech
saského
revíru
Lugau/Oelsnitz a v českém Mostě.
Mezi hlavní aktivity projektu patří:
Realizace 4 interních workshopů pro
výměnu informací a znalostí,
Realizace 4 veřejných odborných
konferencí pro všechny zájemce a
organizace,
Zpracování
3
výstavních
a
demonstračních objektů,
Síťová práce pro dlouhodobé řešení
nárůstu hladin podzemních vod v
oblastech stařin.
Důležitou součástí tohoto projektu je
spolupráce
jednotlivých
partnerů
projektu a vytvoření sítě pro úspěšně
řešení výzev v oblastech, ve kterých
byla zastavena těžba.

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
- 6 -
Projektpartner
Partneři projektu
Landesamt für Umwelt,
Landwirtschaft und Geologie (LfULG)
Zemský úřad pro životní prostředí,
zemědělství a geologii
TU Bergakademie Freiberg
Lehrstuhl für technische Thermodynamik
Lehrstuhl für Gebirgs- und Felsmechanik
Technická univerzita - Báňská
akademie Freiberg
Katedrou technické termodynamiky
Katedra mechaniky hornin
Technische Universität Ostrava
Technická univerzita v Ostravě

image
image
image
image
image
image
image
- 7 -
Webseiten
Webové stránky
TU Bergakademie Freiberg
Technická univerzita -
Báňská akademie Freiberg
Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft
und Geologie (LfULG)
Zemský úřad pro životní prostředí,
zemědělství a geologii
DE:
https://geothermie.iwtt.tu-
freiberg.de/projektbeschreibung.html
CZ:
https://geothermie.iwtt.tu-
freiberg.de/geomap-
projektbeschreibung_cz.html
DE:
https://www.geomap.sachsen.de/
CZ:
https://www.geomap.sachsen.de/cz/
index.html

image
image
image
image
image
- 8 -
Chemisches und thermisches Potential
von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
TU Bergakademie Freiberg – merkel@geo.tu-freiberg.de
1. Grundlagen
Bergbauwasser
ist
oberirdisches
Wasser oder Grundwasser, das durch
Bergbau
in
seiner
Fließbewegung,
seiner
Chemie
und/oder
seiner
Temperatur
beeinflusst
worden
ist.
Diese Beeinflussung kann sehr gering
sein, sodass eine Unterscheidung von
natürlichem Wasser kaum möglich ist.
Andererseits
kann
aber
die
Beeinflussung auch massiv ausfallen
und
die
Eigenschaften
des
Bergbauwassers
hinsichtlich
Fluiddynamik,
Wasserchemie
und
Korrosionseigenschaften
grundlegend
ändern. 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 wirtschaftliche Potential
der Nachnutzung dieser Wässer nach
einer aktiven Bergbauphase. Dieses
wirtschaftliche Potential kann sich nur
auf die nutzbare Wärmekapazität des
Wassers beziehen oder aber zusätzlich
auf ausgewählte Wasserinhaltsstoffe,
die
dem
Bergbauwasser
entzogen
1. Výchozí situace
Důlní vody jsou povrchovou nebo
podzemní vodou, jejíž tok, chemické
složení a/nebo teplota byla ovlivněna
důlní činností. Toto ovlivnění může být
velmi nízké, v důsledku čeho téměř není
možné rozlišit důlní a přírodní vody.
Míra ovlivnění však může být i masivní
a zásadně změnit vlastnosti důlních vod
z hlediska
dynamiky
proudění,
chemického složení a korozivních
vlastností. To jsou tři body, ke kterým je
třeba v případě využití důlních vod
přihlédnout.
Pojem „potenciál“ v názvu tohoto
příspěvku odkazuje na ekonomický
potenciál využití těchto vod po ukončení
aktivní fáze důlní činnosti. Tento
ekonomický potenciál se může týkat
pouze tepelné kapacity vody, nebo ale
navíc i vybraných látek, obsažených ve
vodě, které lze vodě odebrat nebo
využívání těchto vod pro jiné účely
(pitná voda, užitková voda, zavlažování
atd.). Jak odebírání tepla vodě, ale
především získávání určitých látek, ve
vodě obsažených [1], nebo jiná forma

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 9 -
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 Umwelt durch Wärme
und im Wasser enthalten Inhaltsstoff die
Motivation für die Durchführung einer
Maßnahme sein. Ebenso
ist eine
Kombination
von
unterschiedlichen
Beweggründen denkbar. Zusätzlich ist
die Frage des Korrosionspotentials von
Bergbauwässern zu sehen, denn dieses
kann dazu führen, dass Werkstoffe
(insbesondere Metalle und Beton) durch
das Bergbauwasser angegriffen 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 potentiellen Schäden durch
Bergbauwässer entstehen können.
Der Begriff Thermodynamik wir im
folgenden ausschließlich im Sinne der
chemischen
Thermodynamik
verstanden, also der mathematischen
Beschreibung
chemischer
využití, je realizováno především
z ekonomických hledisek.
Motivací pro realizaci některého
opatření
však
může
v určitých
případech být i zabránění kontaminaci
životního prostředí teplem a látkami,
obsaženými ve vodě. Stejně tak je ale
možná i kombinace různých důvodů.
Kromě toho je ale třeba přihlédnout
ke korozivnímu potenciálu důlních vod,
důsledkem kterého totiž může být
agresivita důlní vody vůči materiálům
(především kovy a beton). Opačně ale
může docházet k nežádoucímu srážení
důlních vod například na měřících
prvcích, v potrubí, čerpadlech nebo
tepelných výměnících. Z tohoto pohledu
lze pojem „potenciál“ chápat rovněž ve
smyslu toho, jaké potenciální škody
mohou důlní vody způsobit.
Pojem „termodynamika“ bude následně
používán pouze ve smyslu chemické
termodynamiky, tedy matematického
popisu
chemické
rovnováhy
jako
specifického stavu chemické kinetiky.

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 10 -
Gleichgewichte als spezieller Zustand
der chemischen Kinetik.
2. Hydraulische Veränderungen
Durch den Abbau von Bodenschätzen
(und
Abraum)
durch
Bergbau
im
Tagebau entstehen Defizite, 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 stufenartigen
Verlauf auf, weil im Bereich der
künstlichen Seen der Wasserspiegel
kein Gefälle hat. Dieses hat zum Teil
erhebliche
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 teilweise mit Versatz
gefüllt wurden. Diese bergmännischen
Tätigkeiten führen ebenso zu einer
signifikanten
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
2. Hydraulické změny
Těžbou
surovin
(a
skrývky)
v povrchových lomech vznikají deficity,
z nichž se po opětovném nárůstu stávají
jezera, a mají stálý vliv na podzemní
vodu. Hladina podzemní vody, která
před otevřením povrchového dolu
vykazovala průběžný sklon ve směru
proudění, vykazuje po důlní činnosti
stupňovitý průběh, protože v oblasti
umělých jezer nemá vodní hladina
žádný spád. To vede ke zčásti
významným důsledkům na vzdálenost
hladiny podzemní vody od povrchu
terénu.
V případě hlubinné těžby je z dolu
odváženo méně skrývky, i přesto zde
však vznikají šachty a horizontální ražby
(chodby) a oblasti, z nichž byla ruda
vytěžena a které byly zčásti vyplněny
základkou. I tyto důlní aktivity mají za
následek signifikantní změnu proudění
podzemní vody po zaplavení dolu (obr.
1). To má vliv na hydrauliku, chemické
složení a tepelný výkon. V důsledku
signifikantního
zvýšení
možností
proudění existuje podobně jako v oblasti
povrchových dolů změna sklonu
povrchu podzemní vody a změněná
výměna tepla s horninou v důsledku
zvýšeného
průtoku
vody
upřednostňovanými cestami proudění
(obr. 1). Díky tomu jsou staré zatopené

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 11 -
ähnlich wie im Bereich von Tagebauten
Veränderungen
der
Neigung
der
Grundwasseroberfläche
und
einen
veränderten Wärmeaustausch mit dem
Gestein
durch
einen
erhöhten
Wasserdurchfluss
auf
bevorzugten
Fließbahnen (Abb. 1). Das führt dazu,
dass alte geflutete tiefe Bergbaugebiete
aufgrund
der
hohen
Durchströmungsraten
potentielle
Gebiete
für
geothermische
Wärmenutzung sind. Andererseits kühlt
sich
der
Untergrund
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
Gesteins in Abhängigkeit von den
durchströmten
Strecken
des
Netzwerkes
(Grundwasserleiter
mit
doppelter Porosität) und der entzogenen
Wärmemenge ist daher notwendig. Bei
der numerischen Modellierung solcher
Systeme muss berücksichtigt werden,
dass
die
Strömung
aufgrund
unterschiedlicher Temperaturen und
Salzgehalte
des
Bergbauwassers
dichtegetrieben sein kann und daher ein
geeigneter
mathematische
Ansatz
verwendet werden muss.
oblasti dolů z důvodů vysoké míry
průtočnosti potenciálními oblastmi pro
geotermické využití. Na druhou stranu
se ale podloží poměrně rychleji ochladí,
pokud
jsou
voda
protéká
pouze
prostory, které vznikly v důsledku důlní
činnosti. Doba, po kterou je možno tyto
prostory takto využívat, se tím může
odpovídajícím
způsobem
zkrátit.
Z těchto důvodů je nutný průzkum a
modelování zatopených důlních děl
s ohledem
na
proudění
vody
a
ochlazování
hornin
v závislosti
na
protékaných chodbách (kolektor s dvojí
porozitou)
a
odebraném
teple.
V případě numerického modelování
těchto systémů je nutno zohlednit
skutečnost, že proudění může být
poháněno
hustotou
v důsledku
rozdílných teplot důlních vod a obsahu v
nich rozpuštěných solí a že je proto tedy
nutno použít jiný matematický postup.

image
image
image
image
image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 12 -
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 Strömung ist in dieser
Abbildung ebenso wenig wie doppelte Porosität berücksichtigt.
Obr. 1
Změny v hlubinné těžbě. Nízký spád v oblasti zatopeného dolu v důsledku vysoké rychlosti
proudění a proudění v upřednostňovaných průtokových cestách (vlevo nahoře: stav před důlní činností;
dole vpravo stav po zatopení dolu). Důsledkem může být rychlé ochlazení horniny a upřednostňované
průtokové cesty. Aspekt proudění, poháněného hustotou, je na tomto obrázku zohledněn stejně málo,
jako dvojí porozita.
3. Chemische Charakterisierung des
Bergbauwassers
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
atmosphärischer Luft in Bereiche, die
3. Chemické vlastnosti důlních vod
Celosvětově
nejznámější
a
nejzávažnější
chemické
změny
podzemní vody v hornických oblastech
jsou spojeny s oxidací sulfidických
minerálů (například pyritu). Tato
oxidace je vyvolána poklesem hladiny
podzemní vody. V důsledku toho se do
oblastí, které byly před zahájením důlní
činnosti zaplaveny podzemní vodou
nebo u nichž byl vyloučen aktivní

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 13 -
vor dem Bergbau durch Grundwasser
bedeckt waren oder zumindest von
einem aktiven atmosphärischen Kontakt
ausgeschlossen waren. Der in der
Atmosphäre mit 21 Vol% enthaltene
Sauerstoff triggert die Sulfid Oxidation
(Gl. 1), die sich dann vereinfacht 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)
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 Reaktionen sind niedrige pH
Werte (auch negative pH Werte sind
möglich
[2])
und
erhöhte
Sulfat-
Konzentrationen des Bergbauwassers.
Eine weitere - oft visuell erkennbare
Folge-
sind
rote
Eisenhydroxid-
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
atmosférický kontakt, dostane vzduch.
21% kyslíku, obsaženého v atmosféře,
vyvolá oxidaci sulfidů (rovnice 1), která
pak zjednodušeně pokračuje třemi
dalšími reakcemi (rovnice 2 až 4)
FeS
2
+ 7/2 O
2
+ H
2
O
Fe
2+
+ 2 SO
42-
+ 2 H
+
(rovnice 1)
Fe
2+
+ 1/4 O
2
+ H
+
Fe
3+
+ 1/2 H
2
O
(rovnice 2)
Fe
3+
+ 3 H
2
O
Fe(OH)
3
(s) + 3 H
+
(rovnice 3)
eS
2
+14
Fe
3+
+8 H
2
O
15
Fe
2+
+2 SO
42-
+ 16 H
+
(rovnice 4)
Z rovnic 2 až 4 lze snadno odvodit, že
další oxidace sulfidu probíhá díky
železu ve třetím stupni oxidace (Fe
III
).
Jedná se reakce, které stejně jako
oxidace v rovnici 1 jsou více či méně
urychlovány mikroorganismy. Přímým
důsledkem těchto čtyř reakcí jsou nízké
hodnoty pH (možné jsou i negativní
hodnoty pH [2] a zvýšené koncentrace
síranů v důlní vodách. Dalším, často
vizuálně patrným důsledkem, jsou
červené sraženiny hydroxidů železa,
které
jsou
způsobeny
nízkou
rozpustností Fe(OH
3
) ve vodě. Co již
není přímo patrné je skutečnost, že
kyselé vody mohou velmi dobře
obsahovat další minerály. Důsledkem
jsou často zvýšené koncentrace kovů
(například Mn, Pb, Cd, Ni, Zn, Cu, Al).
Zvýšený obsah arzénu je většinou
způsoben oxidací arzenopyritu (FeAsS).

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 14 -
1
HUS steht für Huminstoffe = HUS představuje huminové látky
somit
oft
erhöhte
Metall-
Konzentrationen (z.B. Mn, Pb, Cd, Ni,
Zn, Cu, Al). Erhöhte Arsengehalte sind
meist der Oxidation von Arsenopyrit
(FeAsS) geschuldet.
Eine wichtige Konsequenz aus den
niedrigen
pH-Werten
von
Bergbauwässern
sowie
deren
oft
besondere Zusammensetzung ist der
Fakt, dass die klassisch definierte
Alkalinität
(Säureneutralisation-
Kapazität der Kohlensäure) von Wasser
über die Titration mit einer Säure auf pH
4,3 zu falschen Ergebnissen führt.
Vielmehr ergibt sich das Neutralization
Potential NP für Bergbauwässer aus Gl.
5 (ergänzt nach [3]):
NP = 2 (CO
32-
) + HCO
3-
+ OH
-
- H
+
- HSO
4-
-
2Mn
2+
-
2Fe
2+
-2Cu
2+
-3Al
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
Kohlenstoff
in
gasförmiges CO
2(g)
umgewandelt. Das
CO
2
wird anschließend mittels eines
Důležitým důsledkem nízkých hodnot
pH důlních vod a jejich často
specifického složení je skutečnost, že
klasicky definovaná alkalita (kapacita
kyseliny uhličité k neutralizaci kyselin)
vody nad titrací s kyselinou na pH 4,3
vede
k chybným
výsledkům.
Neutralizační potenciál důlních vod
vyplývá spíše z rovnice 5 (doplněno
podle [3]):
NP = 2 (CO
32-
) + HCO
3-
+ OH
-
- H
+
- HSO
4-
-
2Mn
2+
-
2Fe
2+
-2Cu
2+
-3Al
3+
-
HUS
1
(rovnice 5)
(všechny koncentrace v mmol/L).
Důsledkem rovnice 5 je skutečnost, že
koncentraci HCO
3
v typických důlních
vodách nelze určit pomocí titrace
alkality.
Nejlepší a téměř jedinou
alternativou je určení TIC (Total
Inorganic
Carbon)
za
pomoci
analyzátoru
TIC/DOC.
Přitom
je
hodnota pH vzorku vody nejprve
nastavena na hodnotu < 2 a veškerý
anorganický uhlík přeměněn na plynný
CO
2(g)
.
CO
2
je následně pomocí
inertního plynu ze vzorku vytěsněn a
změřen v detektoru NDIR
2
jako TIC (C v
mg/L). Po provedeném měření je
odplyněný vzorek vody buď spálen,
nebo promíchán se silným oxidačním
činidlem. Tím dojde k přeměně
obsaženého uhlíku rovněž na CO
2(g)
a
jak bylo shora popsáno je v rámci
druhého měření určen DOC. Z TIC a

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 15 -
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 =
Nedisperzivní infračervený detektor (většinou se dvěma vlnovými délkami, to umožňuje jednoznačnou identifikaci
CO
2
kromě jiných infračerveně aktivních plynů.
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 Oxidationsmittel versetzt und
somit
der
enthaltene
organische
Kohlenstoff
ebenfalls
in
CO
2(g)
umgewandelt
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 betreffenden 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 niedrigen (negativen)
z hodnoty
pH
jsou
pak
pomocí
termodynamické rovnováhy vypočteny
koncentrace CO
3
2-
+ HCO
3-
(rovnice 5).
Ostatní ve vodě obsažené látky v rovnici
5 musejí být samozřejmě určeny
analyticky.
Důlní vody ale také nemusejí být nutně
kyselé. To může být způsobeno tím, že
v dotčené oblasti se žádné sulfidy jako
minerály nevyskytují, nebo se jedná o
hlubokou podzemní vodu, která se ještě
nedostala do kontaktu s atmosférickým
kyslíkem. Podzemní vody a důlní vody,
které pocházejí z hlubokých zvodní, lze
rozeznat díky nízkým (negativním)
hodnotám ORP
3
a nízké koncentraci
kyslíku. U těchto vod existuje v případě
jejich termického využití riziko, že se
voda dostane do kontaktu s kyslíkem a
v důsledku toho pak dojde k velmi
rychlému vysrážení železa a manganu
ve formě (hydro)oxidů železa a
manganu. K těmto problémům dochází
rovněž tehdy, pokud jsou důlní vody
oxidované pouze částečně (kinetický
efekt) nebo pokud se jedná o smíšené
vody. Přesná znalost chemického
složení vody jednotlivých přítoků a
zvodní v celém systému z prostorových
a časových hledisek je bezpodmínečně
nutná k tomu, aby bylo možno zamezit
různým překvapením při tepelném
využívání důlních vod.

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 16 -
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 Referenzelektrode.
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.=
ORP značí oxidačně redukční potenciál a je měřen v poli elektrodou, podobně jako elektroda pH. Přitom je jako
indikátorová elektroda běžně používána platina a Ag/AgCl jako referenční elektroda. Aby bylo možno vzájemně
porovnávat hodnoty různých redukčních elektrod a vody o různých teplotách, je nutno tuto hodnotu poté nutno
přepočítat na hodnotu eH při 25°C (potenciál vztažen na SHE (Standard Hydrogen Elektrode)), Bohužel se někdy
na tento přepočet zapomíná nebo dochází k záměně pojmů.
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)oxyden
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 unabdingbar,
um Überraschungen im Betrieb einer
Wärmenutzung von Bergbauwasser zu
vermeiden.
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
4. Koroze a scaling
Koroze materiálu v kontaktu s vodou je
téma, které se týká stavebních objektů a
strojů
a
které
je
v souvislosti
s využíváním důlních vod nutno
zohlednit. Zohlednit je třeba na jednu

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 17 -
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
Spannungs-
bzw.
Schwingungsrisskorrosion
unterscheiden muss.
Auch Kunststoffe sind keineswegs inert
gegen Korrosion; so ist z. B. Acrylglas
anfällig
gegenüber
Spannungsrisskorrosion, GfK-Laminat
bezüglich
Osmose
[4]
und
PVC
versprödet insbesondere unter UV-
Strahlung. Nahezu alle Kunststoffe
unterliegen
zudem
mikrobieller
Korrosion.
Eine
eingehende
Betrachtung der Korrosion und Alterung
aller Kunststoffe würde den Umfang
dieser 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,
Temperatur,
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 Spurenmetalle,
organische
Komponenten
incl.
strany kovy a na druhou stranu cement
a beton. Velmi důležitým aspektem jsou
i hlediska dodatečných parametrů, které
vedou k tomu, že je v závislosti na
materiálu nutno rozlišovat mezi plošnou
korozí, důlkovou korozí, vločkovou
korozí, případně vytvářením trhlin
v materiálech v důsledku kmitů.
Ani umělé hmoty nejsou v žádném
případě
vůči
korozi
rezistentní.
Například akrylátové sklo je náchylné na
vločkovou korozi, GFK laminát ve
vztahu k osmóze [4] a PVC zkřehne
především pod UV-zářením. Kromě
toho podléhají téměř všechny umělé
hmoty mikrobiální korozi. Komplexní
popis koroze a stárnutí všech umělých
hmot by přesáhl rozsah tohoto
příspěvku.
Koroze materiálů závisí extrémně na
kovech a jejich slitinách (železo, ocel,
měď, hliník atd.). Téměř pro všechny
kovy a jejich slitiny však platí, že vliv
mají
následující
parametry
vody
v kontaktu s materiálem: pH, teplota,
obsah plynů (O2, CO2, N2, H2, NH3,
SO2, H2S a intermediální fáze mezi SO
2
a H
2
S), ve vodě rozpuštěné anionty (Cl,
SO
4
, NO
3
, NO
2
, HCO
3
) a rovněž Si a
některé stopové kovy, organické
komponenty včetně detergentů a
mikroorganismů (především baktérií a
řas). Obecně platí, že vyšší hodnoty
(například teploty) a vyšší koncentrace
korozi podporují více. Nicméně existují i

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 18 -
Detergentien und Mikroorganismen (vor
allem Bakterien und Algen). Generell
gilt, dass mit höheren Werten (z.B. der
Temperatur)
und
höheren
Konzentrationen 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 geschuldet. Wichtig ist auch,
dass bei der Bewertung nicht nur
einzelne
Parameter
und
deren
Konzentration
singulär
betrachtet
werden;
es
muss
vielmehr
die
Kombination
von
verschiedenen
Parametern berücksichtigt werden (z. B.
pH, Biofilme und die Konzentrationen
von H
2
S und Cl, sowie 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 einer bestimmten
Kornzusammensetzung.
Vielfach
ist
Beton auch ein Verbundwerkstoff durch
Kombination
mit
einer
zugfesten
odchylky. V případě hodnoty pH stoupá
riziko koroze většinou spolu s nižšími
hodnotami, to je však zapříčiněno pouze
stupnicí pH. Důležité je při hodnocení
nesledovat samostatně pouze jednotlivé
parametry a jejich koncentrace, spíše je
nutno zohlednit kombinaci různých
parametrů (například pH, biofilm a
koncentrace
H
2
S
a
Cl,
napětí
v materiálu, případně nehomogenity
v materiálu), protože příslušné efekty se
mohou ovlivňovat nelineárně. Čistě
termodynamický
pohled
v mnoha
případech nemá smysl. To ztěžuje
vyhodnocení, protože pro kineticky
řízené procesy často nejsou k dispozici
dostatečná data (rychlost reakce) pro
kinetické modely a zkoušky se tak
stávají nezbytnými.
Normální
beton
obsahuje
cement
(3 CaO ∙ 2 SiO
2
∙ 3 H
2
O) jako pojivo a
částice látek pro určitou zrnitost. Beton
je často kompozitním materiálem díky
kombinaci
s
pevným
armováním
(například
z oceli
nebo
také
z umělohmotných,
textilních
či
skleněných vláken). V případě koroze
betonu a cementu, způsobené důlní
vodou, je nutno sledovat jednak korozi
betonu jako takového, ale na druhou
stranu i korozi armování. Beton má
sklony
k vytváření
jemných
vlásenkových trhlin, které se v důsledku
„uvolňujícího“
a
„rozvolňujícího“
působení mohou časem rozšiřovat a

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 19 -
Bewehrung (z. B. aus Stahl oder auch
Kunststoff-, Textil oder Glasfasern). Bei
der Korrosion von Beton und Zement
durch
Bergbauwasser
muss
somit
einerseits die Korrosion des Betons an
sich aber andererseits auch die der
Bewehrung betrachtet werden. 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) [5] 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
postupně poškodit beton i armaturu.
Příčinou jsou především kyseliny,
případně kromě trhacího působení
zmrzlé vody (mráz) především vytváření
sádry, případně etringitu. Rozhodující
koncentrace pro vytváření sádry
(CaSO4 ∙ 2 H2O) a etringitu (3 CaO ∙
Al2O3 ∙ 3 CaSO4 ∙ 32 H2O) [5] jsou
koncentrace Ca, SO
4
a AI ve vodě.
Především obsah SO
4
je v normě DIN
EN 206-1/DIN 1045-2 rozhodujícím
kritériem s limitními hodnotami expozice
600, případně 1500 mg/L a vyžaduje
použití specifických druhů betonu
s vysokou hustotou. V případě hodnot
SO
4
> 1500 mg/L se používá směs
cementu a popílků. Typické důlní vody
mají v důsledku zvětrávání pyritu
z důvodů kyselé hodnoty pH a vysokého
obsahu SO
4
jak potenciál uvolňující, tak
rozvolňující. Důlní vody jako takové mají
sice pouze málokdy dostatečně
vysokou
koncentraci
k tomu,
aby
umožnily vytváření sádry, nicméně
koncentrace Ca se může v důsledku
uvolňování betonu na kontaktní ploše
s betonem
a
především
ve
vlásenkových trhlinách, velmi rychle
zvýšit, dosáhnout termodynamické
rovnováhy sádry a rozvinout rozvolňující
působení. Koroze betonu ve spojení
s podzemní vodou představuje velmi
komplexní téma, které hraje významnou
roli při řešení otázek, které souvisejí
s toxickými odpady, včetně odpadů

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 20 -
des sauren pH-Wertes und der hohen
SO
4
-Gehalte sowohl eine „lösendes“ als
auch „treibendes“ Potential haben. Das
Bergbauwasser selbst 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
thermodynamische
Gips-
Gleichgewicht erreichen und seine
sprengende Wirkung entfalten. Beton-
Korrosion
in
Verbindung
mit
Grundwasser ist ein sehr komplexes
Thema, das in der Langzeitverwahrung
von
toxischen
Rückständen
incl.
radioaktiver Abfälle [6] eine große Rolle
spielt und auch die Bildung von
Biofilmen beeinflusst wird [7]. In diesen
Bereichen gesammelte Erfahrungen
können
auch
für
geothermische
Anwendung
von
Bergbauwässern
genutzt werden.
Im
Bereich
der
geothermischen
Nutzung von Bergbauwässern stellt die
Bildung von mineralischen 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
radioaktivních [6] a je ovlivňováno i
vytvářením biofilmů [7]. Zkušenosti,
získané rovněž v těchto oblastech,
mohou být využity i pro geotermické
využívání důlních vod.
V oblasti geotermického využití důlních
vod představuje vytváření minerálních
sraženin další velké téma, protože jimi
může být řádný provoz zařízení
významně narušen. Tyto sraženiny,
označované jako scales, se často
vytvářejí
na
plochách
rozhraní
(například metalické povrchy) ve formě
narůstajících
tenkých
vrstviček.
V důsledku výskytu těchto sraženin je
nutno provoz na dočasnou dobu
přerušit. Tyto sraženiny je pak nutno
odstranit
mechanickými
nebo
chemickými zásahy, případně je nutné
určité díly zařízení (čerpadla, filtry,
tepelné výměníky) vyměnit za nové.
S tím jsou spojené náklady a prostoje.
Sraženiny mohou vznikat tehdy, pokud
jsou důlní vody celkově nebo na jednom
určitém místě v důsledku okrajových
podmínek (tlak, teplota, obsah plynů) ve
vztahu
k určité
minerální
fázi
termodynamicky přesycené. Při znalosti
kompletního chemického složení vody
(koncentrace látek včetně plynů) lze
z těchto dat vypočítat termodynamicky
za využití vhodné termodynamické
datové sady index nasycení pro téměř
každý minerál [8]. Index nasycení > 0
signalizuje
přesycení
konkrétního

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 21 -
Folge dieser Ausfällungen muss der
Betrieb zeitweise unterbrochen werden
und
die
Ausfällungen
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
einer
bestimmten
Mineralphase
thermodynamisch
übersättigt
ist.
Bei
Kenntnis
der
kompletten
Wasserchemie
(Konzentration aller Inhaltsstoffe incl.
der Gaskonzentrationen) kann aus
diesen Daten der Sättigungsindex (SI)
für
nahezu
jedes
Mineral
thermodynamisch unter Nutzung eines
geeigneten
thermodynamischen
Datensatzes berechnet werden [8]. Ein
SI > 0 signalisiert eine Übersättigung
bezüglich des jeweiligen Minerals; aber
ob es zu einer Ausfällung kommt, ist
damit nicht gesagt. Einerseits gibt es
Minerale, die bei den gegebenen
Temperatur- 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
minerálu.
Ale
jestli
dojde
k jeho
vysrážení tím není řečeno. Na jednu
stranu existují minerály, které se za
daných teplot a tlaků nevysrážejí a na
druhou stranu může být vysrážení
extrémně pomalé, což je pak pro provoz
zařízení pro geotermické využití
nepodstatné. Proto je důležité znát
kinetiku
vysrážení
pro
každý
potenciálně přesycený minerál na
základě časových řad, tak, jako to je
důležité i pro rozpouštění minerálů ve
vodě o určitém složení, pokud index
nasycení <0 , čímž je dána tendence k
rozpuštění minerálu a tento minerál se v
celém
systému
také
vyskytuje.
Typickými sraženinami v závislosti na
chemickém složení vody a okrajových
podmínkách jsou hydroxidy, oxidy,
sulfáty, sulfidy, karbonáty, SiO
2
, silikáty
a jílové minerály.
Jílové minerály a
hydroxidy ale zpravidla sraženiny
nevytvářejí, ale vyskytují se ve vodě
jako velmi jemné částice nebo vločky a
mohou způsobit zanesení filtrů,
případně poškození čerpadel. Pro
vyhodnocení se zpravidla využívá XRD
(rentgenová
difraktometrie),
XRF
(rentgenová
fluorescence)
a
REM
(rastrový elektronový mikroskop).
Alternativou
k mechanickému
a
chemickému odstranění sraženin je
možnost průběžných opatření, která
vzniku sraženin zabrání. Možné a
celosvětově používané jsou různé
metody: změna hodnoty pH například

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 22 -
übersättigte 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 Zusammensetzung 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
Ausfällungen
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
Untersuchung 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
Möglichkeit
durch
kontinuierliche
Maßnahmen,
die
Entstehung von Scales zu verhindern.
Verschiedene Methoden sind denkbar
und weltweit im Einsatz: Veränderung
des
pH-Wertes
z.B.
durch
kontinuierliche Zugabe einer Säure (z.B.
CO
2
),
Zugabe
von
Ausfällungsinhibitoren [9] oder durch
Optimierung
des
Temperatur-
průběžným
přidáváním
kyseliny
(například CO
2
), přidávání inhibitorů [9]
nebo
optimalizace
managementu
teploty. Možné je využití ultrazvuku,
kterým lze ovlivnit kinetiku srážení [10].

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 23 -
managements. Denkbar ist auch die
Anwendung von Ultraschall, um Einfluss
auf die Ausfällungskinetik zu nehmen
[10].
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 vergleichsweise niedrig
(< 50°C) und diese Wässer sind daher
nicht für die Verstromung geeignet. 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
alternative
und
„erneuerbare“ Energie bezeichnet.
5. Závěr
Využívání důlních vod pro geotermické
účely je v porovnání s využíváním
podzemní a termální vody relativně
nové. Celosvětově však v tomto směru
v současné době probíhá řada aktivit a
výzkumných projektů. To samozřejmě
souvisí i s tím, že v celosvětovém
měřítku existuje stále více hornických
oblastí, ve kterých je utlumována těžba
a které jsou zatápěny. Ve srovnání
s ostatními projekty, především pak
projekty
hlubinné
geotermie,
jsou
teploty relativně nízké (< 50°C), tyto
vody tak nejsou vhodné pro výrobu
elektrické energie. Specifickou výzvou
je pak často chemické složení vody. To
je v různých územích velmi rozdílné,
silně proměnlivé však může být i v rámci
jedné hornické oblasti. To se může
projevovat ve vytváření vrstev vody
podle teploty a hustoty. Tak jako
v každém
geotermickém
projektu
naskýtá se i ve využití důlních vod
otázka udržitelnosti. Geotermie je sice
zásadně označována jako alternativní a
„obnovitelný“ zdroj energií. To, do jaké
míry je ale dána udržitelnost ve vlastním
slova
smyslu,
závisí
na
mnoha
faktorech konkrétního projektu [11].
Pouze
pečlivé
a
svědomité
vyhodnocení, plánování a vědecká

image
image
image
image
image
Chemisches und thermisches Potential von Bergbauwasser
Chemický a termický potenciál důlních vod
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
- 24 -
Inwieweit die Nachhaltigkeit aber im
eigentlichen Sinne des Wortes gegeben
ist, hängt von vielen Faktoren in einem
Projekt ab [11]. Nur eine sorgfältige und
gewissenhafte Prüfung, Planung und
wissenschaftliche Begleitung kann ein
Garant
für
eine
nachhaltige
energetische und sonstige Nutzung der
Ressource sein.
podpora
mohou
být
garantem
udržitelného energetického a jiného
využití tohoto zdroje.
Literatur/Literatura
[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 under 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 modeling 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, p. .
[11]
L. Rybach und M. Mongillo, „Geothermal sustainability-A review with identified research needs,“
in Transactions - Geothermal Resources Council, 2006.

image
image
image
image
image
- 25 -
Preventing calcite precipitation in deep
geothermal energy plants
Msc.-Ing. Alireza Arab
TU Bergakademie Freiberg –araba@geo.tu-freiberg.de
Prof. Dr. habil. Broder Merkel
TU Bergakademie Freiberg – merkel@geo.tu-freiberg.de
Abstract
Scaling (i.e. precipitation of carbonates) poses a great challenge in geothermal energy
production. These scales may form on the submergible pump, riser and well head, but
also on the above ground equipment such as valves, pipes and the heat exchanger. If
left untreated, the scales can block wells, block pipelines, and destroy the pump and
heat exchanger. Therefore, preventing precipitation and preserving and improving
geothermal pathways during long term operation is a key task. Current methods of
scale removal such as mechanical removal or acid dissolution are time-consuming and
require the plant to be shut down which leads to high production costs and other
complications. Two strategies to avoid calcite scaling can be the injection of carbon
dioxide or an inhibitor at a certain depth in the production well. These two strategies
were investigated during two research projects. As part of the BMUB funded research
project, LERWTG (
L
angfristige Verbesserung und
E
rhaltung von
R
eservoir-
W
egsamkeiten in der
T
iefen
G
eothermie), kinetic batch experiments were performed
to examine the interactions between carbonate rock (from the Malm strata in
Kirchweidach, Germany) with water and CO
2
under reservoir conditions. Additionally,
casing material and borehole cementation which come into contact with CO
2
saturated
water were tested under the same conditions. Also, in a pilot plant, cooled geothermal
CO
2
enriched water passed through rock filled columns which were sequentially heated
up to reservoir temperature. Adding carbon dioxide will shift the calcite carbon dioxide
equilibrium and keep the saturation index of calcite below zero during ascending of
geothermal water and prevent precipitation. The investigation of NC47-1B (Niederrhein
Chemie) as an inhibitor in geothermal plants in the Bavarian Molasse basin is the major
aim of another ongoing BMWi funded joint research project EvA-M (
E
insatz
v
on
A
usfällungsinhibitoren im
M
olassebecken). As part of this project, thermodynamic and
kinetic modeling of the processes in a geothermal plant utilizing NC47-1B as inhibitor
is done. This includes kinetic modeling of calcite precipitation, complexation of Ca
and/or slowing calcite precipitation by NC47-1B as well as microbial degradation of the
inhibitor over time. The simulation was done by means of PHREEQC. Inhibitors can

image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 26 -
be used to either form chelate complexes with polyvalent metal ions, in particular with
calcium, or inhibit the formation of crystals or do both. The use of the inhibitor as a
means of precipitation prevention will lower production costs due to minimizing plant
downtimes and breakdowns as well as damages to system components such as
pumps, valves and measuring instruments.
Keywords
: reactive transport modeling, carbonate reservoir, scale formation, inhibitor,
carbon dioxide
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 respect to calcite (Eq. 1). Depending on the flow rate and casing
diameter, a certain amount of calcite 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 precipitation 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 permeability or the permeability is reduced due to
precipitation, heat cannot be exploited from the geothermal reservoir (Tester et al.
2007).
Ca(HCO
3
)
2
(aq)
CO
2
(g) + H
2
O (l) + CaCO
3
(s)
[1]
One method of countering calcite precipitation could be adding of CO
2
to the
geothermal water to increase the CO
2
partial pressure and under-saturate the water
with respect to calcite. Carbon dioxide 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 CO
2
to geothermal water was
investigated in the BMUB funded research project, LERWTG (
L
angfristige
Verbesserung und
E
rhaltung von
R
eservoir-
W
egsamkeiten in der
T
iefen
G
eothermie)
(Arab et al. (2017)).
Scale inhibitors that are used in geothermal energy production can be inorganic or
organic substances. Organics have the advantage to decompose over time. In the

image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 27 -
ideal case, decomposition starts after reinjection of the geothermal water into the
aquifer and ends up as inorganic compounds 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 (Federal Ministry for Economic
Affairs and Energy) funded joint research project, EvA-M (
E
insatz
v
on
A
usfällungsinhibitoren im
M
olassebecken), thermodynamic and kinetic modeling of the
processes in a geothermal plant utilizing NC47-1B as inhibitor is done which includes
kinetic modeling 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 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 representative 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 experiments 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 solutions

image
image
image
image
image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 28 -
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 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.
Control
unit
and
pumps
Compresse
d air pipe
CO
2
detector
Bottle
heater
contro
l unit
Gas
bottle
with
industrial 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

image
image
image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 29 -
The water flow in the plant was approximately 10 ml/s and the CO
2
inflow was adjusted
to approximately 1.5 Nl/min
4
. 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 liters. 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
concentrations 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 molecular 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
4
Normal liter per minute is unit of volumetric flow rate of gas corrected to “normalized” conditions of
temperature and pressure.

image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 30 -
equation is necessary 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 % 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 research 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 precipitation in the production well and in the heat exchanger should be
used.

image
image
image
image
image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 31 -
Fig. 3
Results of modeling with different parameters (P1 and F). P1 is the ratio of surface to water 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).
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 under-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 factors
for policymakers.
a
c
d
b

image
image
image
image
image
Preventing calcite precipitation in deep geothermal energy plants
M.Sc.-Ing. Alireza Arab et al.
- 32 -
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 kinetic constants of the inhibitor are
known. All results available to date suggest that the biodegradable 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 bypass
experiments to determine optimal inhibitor concentrations and predict outcomes.
References
Arab, A., Eichinger, F., Kaulisky, A., Mair, C., Merkel, B. (2017): Langfristige Verbesserung und
Erhaltung von Reservoirwegsamkeiten in der Tiefen Geothermie (LERWTG). Abschlussbericht
LERWTG, Technische Universität Bergakademie Freiberg, Freiberg, Germany: p 51.
Bacci, G., Korre, A., Durucan, S. (2011): An experimental and numerical investigation into the impact of
dissolution/precipitation mechanisms on CO2 injectivity in the wellbore and far field regions, International
Journal of Greenhouse Gas Control 5, 579-588.
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
step Geochim.
Cosmochim. Acta
60, 3375-3381
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.
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.

image
image
image
image
image
- 33 -
Erdwärmesonden, Grundwasserwärme-
pumpen und Grubenwasser – geo-
thermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla
podzemní vody a důlní vody - geotermické
možnosti využití v Sasku a jejich specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
Sächsisches Ladesamt 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 Gegensatz 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
eingebrachten
Erdwärmesonden bis in Tiefen von 200
m bereits genutzt und dient der
Klimatisierung von Gebäuden. Weitere
Nutzungen
erfolgen
durch
1. Goetermie v Sasku
Geotermie je obnovitelným zdrojem
energií, jehož využití může na pozadí
transformace energetiky významně
přispět k ochraně klimatu.
Mělká geotermie popisuje využití
energie, uložené v zemi ve formě tepla,
až do hloubky maximálně 400 m [2].
Oproti využití hlubinné geotermie do
hloubek 5 km, která rovněž slouží
k výrobě energie, je mělká geotermie
využívána pro účely vytápění a
chlazení.
Mělká
geotermie
je
v celém
Svobodném státě Sasko již využívána a
to především prostřednictvím vrtů, do
nichž jsou spuštěny geotermické sondy
do hloubek 200 m a slouží ke klimatizaci
budov. Další formy využití pracují
pomocí
tepelného
čerpadla
na
podzemní
vodu,
geotermálních

image
image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 34 -
Grundwasserwärmepumpen,
Erdwärmekollektoren
und
andere
Formen
wie
beispielsweise
Phasenwechselsonden
oder
Energiepfähle.
Die
Hauptnutzungsformen sind in Abb.
1
schematisch dargestellt.
kolektorů a další forem, jako jsou
například výměníky s fázovou změnou
nebo energetické piloty. Hlavní formy
využití jsou schematicky zobrazeny na
obr. 1.
Abb. 1
Überblick der Hauptnutzungsformen oberflächennaher Geothermie (GeoPLASMA-CE)
Obr. 1
Přehled hlavních forem využití mělké geotermie (GeoPLASMA-CE)
Erdwärme kann in geschlossenen Systemen mit
Sonden oder horizontalen Kollektoren genutzt
werden. Eine andere Möglichkeit ist der Einsatz
von zwei Brunnen als offenes System.
Geotermální teplo lze využívat v uzavřených
systémech se sondami A, nebo horizontálními
kolektory B. Další možností je možnost využití
vrtů C jako otevřeného systému.

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 35 -
Das Wasser fließt durch Sonden oder
Kollektoren und wird dabei durch das Erdreich
erwärmt. Brunnenanlagen pumpen Grundwasser
zur Oberfläche und nutzen es direkt als
Wärmequelle.
Voda protéká sondou nebo kolektorem a přitom
je ohřívána okolní horninou. Vrty čerpají
podzemní vodu na povrch a využívají jí jako
přímý zdroj tepla.
Die Wärme des Wärmeträgers wird an die
Wärmepumpe übertragen. Durch Verdichtung
des Kältemittels wird die Temperatur von ca. 10
Grad auf über 60 Grad angehoben.
Teplo je z tepelného výměníku přenášeno na
tepelné čerpadlo. Stlačením chladiva dojde ke
zvýšení teploty z cca 10 stupňů na více než 60
stupňů
Die Energie kann zur Raumheizung oder zur
Erwärmung des Brauchwassers genutzt werden.
Energie může být pro vytápění místností nebo
přípravu teplé užitkové vody využívána přímo.
Kollektor horizontal in einer Tiefe von ca. 1,50
Meter verlegt
Kolektor položen vodorovně v hloubce přibližně
1,50 metrů
Geschlossene Systeme
Uzavřené systémy
Sonden vertikal in Tiefen von 100 Metern und
mehr eingebracht
Sondy se vkládají svisle v hloubkách 100 metrů
a více
Offene Systeme
Otevřené systémy
Grundwasser-Brunnen bestehend aus einem
Förder- und einem Reinjektionsbrunnen von ca.
25 Meter Tiefe
Studna podzemní vody sestávající z produkční
studny a injektážní studny hluboké asi 25 metrů
Stromanschluss
Elektrické připojení
Wärmepumpe
Tepelné čerpadlo
Wasseranschluss
vodovodů
Warmwasserspeicher
Nádrž na horkou vodu
Fußbodenheizung
Podlahové vytápění
Brauchwasser
Procesní voda
Die häufigsten Nutzungsformen der
oberflächennahen
Geothermie
in
Sachsen
sind
zu
etwa
90%
Erdwärmesonden,
gefolgt
von
Erdkollektor-
und
Brunnenanlagen
(Abb. ).
Nejčastější formou
mělké geotermie
v Sasku
jsou
ze
zhruba
90%
geotermální
sondy,
následované
geotermálními kolektory a vrty (Obr.2).

image
image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 36 -
Abb. 2
Kummulative Anzahl an Erdwärmeanlagen in Sachsen.
Obr. 2
Kumulativní počet geotermálních zařízení v Sasku
Anzahl der Erdwärmeanlage
Počet zařízení pro využití geotermální energie
Prozentuale Verteilung der
Erdwäremnutzungstypen
Procentuální rozdělní typů využívání geotermální
energie
Erdwärmesonden
Geotermální sondy
Erdwärme-Kollektoranlagen
Geotermální kolektory
Wasser-Wasser-Anlagen
Zařízení voda-voda
Direktverdampfanlagen
Zařízení s přímým výparníkem
Grubenwassernutzung
Využití důlních vod
Thermalswassernutzung
Využití termálních vod
Sonstige (nicht näher definiert)
Ostatní (není blíže definován)
Jahr
Rok
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
K listopadu roku 2019 bylo v Sasku
v provozu
15.664
geotermálních
zařízení s zhruba 180 megawatty
(termicky). Nárůst činil v uplynulých
letech cca 850 až 900 nových zařízení

image
image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 37 -
Jahr.
Entsprechend
der
Einwohnerdichte ist eine Konzentration
der
installierten
Anlagen
in
den
Ballungszentren zu verzeichnen (siehe
Karte).
Aufgrund
des
früheren
intensiven
Bergbaus existiert in Sachsen ein
großes
Potenzial
an
Grubenwassergeothermie. In einer vom
LfULG 2001 beauftragten, durch die
Firma
HGC
durchgeführten
Grubenwasserstudie
erfolgte
eine
Datenrecherche von 48 vorhandenen
Grubenbauen / Revieren zu natürlichen,
technischen
und
bergrechtlichen
Kriterien
und
darauf
basierendem
Ranking (HGC, 2001). Derzeit sind in
Sachsen
einige
wenige
Grubenwassergeothermieanlagen
errichtet.
za rok. Podle hustoty osídlení je možno
zaznamenat koncentraci instalovaných
zařízení v aglomeracích (viz mapa).
Geotermální využití důlních vod
představuje díky dříve intenzivnímu
hornictví představuje v Sasku velký
potenciál. Ve studii, zpracované firmou
HGC, kterou zadal Saský zemský úřad
pro životní prostředí, zemědělství a
geologii v roce 2001, byla provedena
rešerše dat ze 48 existujících důlních
děl / revírů ohledně přírodních,
technických a hornoprávních kritérií, na
základě kterých byl vytvořen ranking
(HGC, 2001). V současné době existuje
v Sasku několik málo zařízení pro
geotermální využití důlních vod
.
Abb. 3
Grubenwasseranlage Schloss Freudenstein (Foto: K. Hofmann, LfULG)
Obr. 3
Zařízení pro geotermální využití důlních vod na zámku Freudenstein (foto: K. Hofmann, Saský
zemský úřad pro životní prostředí, zemědělství a geologii)

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 38 -
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
Wärmepeicherung zur Nutzung von
Überschusswärme in der nächsten
Heizperiode in Gebieten mit wenig
Grundwasserfluss 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
Erlaubnisverfahren 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 potentieller Wirtsgesteine
jeweils
das
Einvernehmen
beim
Bundesamt
für
kerntechnische
Entsorgungssicherheit (BfE) eingeholt
werden. In Sachsen existiert hierfür das
elektronische Verfahren ELBA.Sax mit
dem
der
Antragsteller
mit
einer
elektronischen
Anzeige
alle
2. Možnosti využití a specifika
geotermálních zařízení
Mělkou geotermii lze využít pro vytápění
a chlazení pomocí zemského tepla,
které je stabilně k dispozici nezávisle na
počasí. Velkou výhodu představuje
možnost uložení přebytkového tepla pro
jeho využití během následující topné
sezony v podzemí s nízkým průtokem
podzemní vody. Mělká geotermie může
být využívána jak v soukromých, tak i v
komerčních budovách a je kromě toho
vhodná pro termické propojení celých
oblastí.
Pro
ohlášení
a
povolení
geotermálních
zařízení
je
nutno
provést vodoprávní ohlašovací a
schvalovací řízení a vrt je třeba ohlásit
v souladu se zákonem o ložiscích (a
v případě vrtů > 100 m také podle
horního práva) [1]. Stejně tak v případě
hloubky vrtů > 100 m v oblasti
potenciálních hostitelských hornin je
nutno získat souhlas Spolkového úřadu
pro bezpečnost technické likvidace
jaderného odpadu (Bundesamt für
kerntechnische Entsorgungssicherheit
(BfE).
V Sasku je pro tyto účely
zavedeno
elektronické
řízení
ELBA.Sax, prostřednictvím kterého
mohou žadatelé pomocí elektronického
ohlášení vyřešit veškeré právní
problémy, celé řízení může být

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 39 -
Rechtsbereiche bedienen und das
Verfahren
durch
die
zuständigen
Behörden vollelektronisch abgewickelt
werden
kann
(www.bohranzeige.sachsen.de).
Generell
ist
es
wichtig,
eine
Erdwärmeanlage
anhand
der
zu
erwartenden
(hydro-)geologischen
Gegebenheiten 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
Temperaturprofilmessung und Thermal-
Response-Test
mit
anschließender
Anlagendimensionierung
mittels
Fachsoftware
gefordert.
In
grundwasserbeeinflussten
sowie
in
dichtbesiedelten Gebieten kann auch
eine thermohydraulische 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
příslušnými orgány prováděno zcela
elektronicky
(www.bohranzeige.sachsen.de).
Obecně je důležité, naplánovat
geotermální zařízení odborně podle
očekávaných
(hydro-)geologických
podmínek
a
energetické
bilance
budovy.
Dále
je
nutná
znalost
případných restrikcí v území (například
zóny ochrany zdroje pitné vody).
V případě
geotermálních sond
je
prováděno
jednostupňové
řízení.
V případě topného zatížení budov je
navíc
požadováno
provedení
primárního vrtu s měřením teploty
profilu
a
test
teplotní
odezvy
s
následným nadimenzováním zařízení
pomocí
odborného
softwaru.
V oblastech, ovlivněných podzemní
vodou a v hustě osídlených oblastech
může být požadován termohydraulický
model.
Specifikem
schvalovacího
řízení
tepelných čerpadel na podzemní
vodu
je, že je zpravidla dvoustupňové.
To znamená, že je nejprve třeba ohlásit
vyhloubení vrtu, na kterém bude možno
provádět potřebné testy. Mezi tyto
zkoušky patří například čerpací zkouška
a
analýza
chemického
složení
podzemní vody. V případě, že tyto
parametry
splňují
kvalitativní
a

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 40 -
werden können. Hierzu zählen u.a. ein
Pumpversuch und eine chemische
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.
Mitbenutzung
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,
Wasserentnahme,
Temperaturänderung
des
Wassers,
Pumpversuche)
einen
Benutzungstatbestand im Sinne des
Wasserhaushaltsgesetzes
dar,
kvantitativní požadavky na provoz, je ve
druhém kroku provedeno ohlášení
celkového zařízení s plánovanými vrty.
V případě
zařízení, využívajícího důlní
vody
, rozhoduje příslušný schvalovací
orgán o krocích, které jsou v daném
konkrétním případě nutné, čili v tomto
případě
v Sasku
neexistuje
standardizované řízení. Získávání tepla
z důlní vody představuje současně
rovněž fyzikální využití, případně
spoluvyužití vody. Využívání vod
podléhá vodoprávnímu povolení, bez
jehož předložení nelze práce zahájit. Je-
li vyžadován provozní řád, pak se řízení
k vydání
hornoprávního
povolení
zúčastní rovněž všechny ostatní
dotčené orgány. V případě, kdy některá
z činností, popsaných v provozním řádu
(například vrty, odběr vody, změna
teploty
vody,
čerpací
zkoušky)
představuje skutkovou podstatu ve
smyslu zákona o vodním režimu
(Wasserhaushaltsgesetz), pak báňský
úřad
rozhoduje
po
dohodě
s vodoprávním
orgánem
rovněž
o potřebném vodoprávním povolení.
Zvláštní výzvou geotermálního využití
důlních vod je především zastižení
avizované šachty během vrtacích prací.
Dále se v závislosti na typu zařízení
vyskytly
problémy
s chemickým
složením podzemní vody ve smyslu

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 41 -
entscheidet die Bergbehörde auch über
die dafür erforderliche wasserrechtliche
Erlaubnis im Einvernehmen mit der
Wasserbehörde.
Als besondere Herausforderung bei der
Grubenwassergeothermie ist vor allem
das
Antreffen
des
anvisierten
Schachtes
beim
Bohrvorgang
zu
erwähnen. Weiterhin sind je nach
Anlagentyp
Probleme
mit
der
Grubenwasserchemie im Sinne der
Verockerung bzw. des Zusetzens der
Wärmetauscher
aufgetreten.
Hier
besteht noch Forschungsbedarf, um
diese individuelle Nutzungsform der
Geothermie
noch
effizienter
und
langlebiger zu betreiben.
zaokrování,
případně
zanášení
tepelných výměníků. Zde existuje ještě
potřeba dalšího výzkumu k tomu, aby
bylo možno tuto individuální formu
využití geotermální energie provozovat
efektivnější a dlouhodobě.
3. Strategien zur verstärkten Nutzung
von
Geothermie
und
deren
Qualitätssicherung
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
3.
Strategie
pro
intenzivnější
využívání geotermální energie a
zajištění kvality
V rámci
projektu
GeoPLASMA-CE
,
podpořeného Evropskou unií v rámci
programu INTERREG Central Europe, byly
od června 2017 do září 2019 ve spolupráci
11 partnerů z celkem 6 zemí zpracovány
strategie a harmonizované metody pro
popis
potenciálu
mělké
geotermie
(
https://portal.geoplasma-ce.eu
).
Kromě
výsledků projektu za pilotní území, které
jsou na internetovém portálu dostupné
v interaktivní formě, byly zpracovány rovněž
příručky pro úspěšnou implementaci mělké
geotermie a katalog kritérií úspěšnosti a
standardy
kvality.
Ve
výsledku
bylo

image
image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 42 -
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
geothermischen
Potenzials,
ein
unterstützender
rechtlicher
Rahmen,
angemessene
Qualitätsstandards, Informationen zu
bestehenden
Anlagen
und
gut
ausgebildetes Personal sind [3]. Diese
Voraussetzungen müssen im gesamten
Lebenszyklus einer Erdwärmeanlage
erfüllt sein (s. Abb. 4).
podtrženo, že hlavními předpoklady pro
integrovaný koncept managementu je
znalost
geotermického
potenciálu,
podpůrný právní rámec, přiměřené
standardy kvality, informace o stávajících
zařízeních a dobře kvalifikovaný personál
[3]. Tyto předpoklady musejí být splněny
během
celého
životního
cyklu
geotermálního zařízení (viz Abb. ).
Abb. 4
Hauptschwerpunkte im Lebenszyklus einer Erdwärmeanlage [3].
Obr. 4
Hlavní priority během životního cyklu geotermálního zařízení [3].

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 43 -
Planung
Plánování
Genehmigung
Povolení
Installation
Instalace
Betrieb
Provoz
Monitoring
Monitoring
Informationssystem
Infočmační systém
Ein
ideales
integriertes
Managementkonzept berücksichtigt alle
Installationen und deren Einfluss auf
den
Untergrund
und
verwendet
Informationen
aus
vorhandenen
Erdwärmeanlagen
in
der
Planungsphase.
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.
Obligatorische
Qualitätskontrollmaßnahmen
wie
Berichterstattung und Überwachung
von Anlagen müssen definiert und
deren Einhaltung durchgesetzt werden.
Ideální
integrovaný
koncept
managementu zohledňuje veškeré
instalace a jejich vliv na podloží a
využívá informace z dostupných
geotermálních zařízení, která se
nacházejí ve fázi plánování.
Standardy
kvality
musejí
zajistit
bezpečnost, udržitelnost a efektivitu
zařízení během celého životního cyklu
zařízení. Moderní postupy a specifikace
tak musejí pokrývat veškeré aspekty,
jako je plánování, volba materiálu a
schválené techniky či metody. Závazná
opatření v oblasti kontroly kvality, jako je
reporting a monitoring zařízení, musejí
být definována a jejich dodržování je
třeba prosadit.
4. Fazit
Die
Nutzungsmöglichkeiten
oberflächennaher
Geothermie
in
Sachsen
sind
aufgrund
der
vorhandenen
geologischen
Verhältnisse als gut einzuschätzen,
4. Závěr
Možnosti využití mělké geotermie
v Sasku je možno z důvodů zdejších
geologických podmínek hodnotit jako
dobré, mnohostranně již etablované.
Z hlediska rozsahu využití existuje ještě

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 44 -
vielseitig und bereits etabliert. Beim
Nutzungsumfang
bestehen
noch
erhebliche
Ausbauchancen,
insbesondere bei Neubau- aber auch
bei Sanierungsvorhaben.
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
geltenden
Qualitätsstandards nach dem Stand der
Technik
ausgelegt
werden.
Ein
verantwortungsbewusstes
Management
ermöglicht
eine
nachhaltige und effiziente Nutzung.
Die oberflächennahe Geothermie kann
als Schlüsseltechnologie in städtischen
und ländlichen Gebieten angesehen
werden, die nicht mit Fernwärme oder
Gas versorgt werden können. Der
geringe Flächenverbrauch, minimale
Emissionen,
die
Möglichkeit
zum
kombinierten Heizen und Kühlen, sowie
významná šance pro další rozvoj,
především v rámci novostaveb nebo i
sanací.
Intenzivní hornická činnosti v Krušných
horách a v černouhelných revírech
Cvikov (Zwickau), Lugau-Oelsnitz a
Freital v minulosti zanechala velký
potenciál pro geotermální využití
důlních vod. Zajišťování důlních děl
v okolí zatopených úseků dolů má i
nadále
zohledňovat
možnosti
termického využití důlních objektů.
Geotermální zařízení proto musejí být
v rámci
legislativního
rámce
a
s přihlédnutím ke všem platným
standardům
kvality
projektována
v souladu
s dosaženým
stavem
techniky. Zodpovědný management
umožňuje efektivní a udržitelné využití.
Mělká geotermie může být v městských
a venkovských oblastech, které nelze
zásobovat centrálním vytápěním nebo
plynem, považována za klíčovou
technologii. Nízká spotřeba plochy,
minimální
emise,
možnost
kombinovaného vytápění a chlazení a
kompatibilita s ostatními obnovitelnými
zdroji
poskytují
geotermii
výrazné
přednosti oproti ostatním technologiím v
oblasti vytápění a chlazení.
Souhrnně lze konstatovat, že geotermie
může významným způsobem zvýšit

image
image
image
image
image
Erdwärmesonden, Grundwasserwärmepumpen und Grubenwasser – geothermische Nutzungsmöglichkeiten in
Sachsen und deren Besonderheiten
Geortermální sondy, tepelná čerpadla podzemní vody a důlní vody - geotermické možnosti využití v Sasku a jejich
specifika
Dipl.-Geoökol. Karina Hofmann
- 45 -
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 Kühlung)
von Gebäuden erheblich steigern kann
und einen Beitrag zur Umweltpolitik
leistet. Die benötigten Ressourcen
liegen direkt unter unseren Füßen. Wir
müssen sie nur nutzen.
efektivitu v oblasti vytápění a chlazení
budov a přispět tak k ekologické politice.
Nutné zdroje leží přímo pod našima
nohama, stačí je jen využít.
Literatur/Literatura
[1]
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), 08/2014:
Erdwärmesonden Informationsbroschüre zur Nutzung oberflächennaher Geothermie. Dresden
[2]
VDI 4640 Blatt 2 (2019): Thermische Nutzung des Untergrundes Erdgekoppelte
Wärmepumpenanlagen. - VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt, Fachbereich Energietechnik,
Düsseldorf
[3]
GeoPLASMA, 09/2019: Handbuch für eine erfolgreiche Implementierung oberflächennaher
Erdwärme
(
https://www.interreg-central.eu/Content.Node/GeoPLASMA-CE.html
)
Symbol- und Abbildungsverzeichnis
Seznam symbolů a zkratek
ELBA.Sax
Elektronische Bohranzeige Sachsen - Elektronické ohlášení vrtu v Sasku
kW
Kilowatt - Kilowatti
BfE
Bundesamt für kerntechnische Entsorgungssicherheit - Federální úřad pro
bezpečnost nakládání s jaderným odpadem
GeoPLASMA
-CE
Shallow
Geo
thermal
Energy
PL
anning,
As
sessment
and
MA
pping Strategies in
C
entral
E
urope

image
image
image
image
image
- 46 -
GeoMAP-Projektvorstellung:
Modellierungs-, Visualisierungs- und
Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und
Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP:
Modelovací, vizualizační a prognostické
nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst
Sächsisches Ladesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Freiber, Abteilung 10 Geologie,
Referat 105 – priscilla.ernst@smul.sachsen.de
Sylvi Hädecke
Sächsisches Ladesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Freiber, Abteilung 10 Geologie,
Referat 105 – sylvi.haedecke@smul.sachsen.de
Maria Ussath
Sächsisches Ladesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Freiber, Abteilung 10 Geologie,
Referat 105 – 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
Žádost o poskytnutí dotace v rámci
Programu spolupráce Česká republika –
Svobodný stát Sasko 2014-2020
(Prioritní osa 4 – 11b) Posilování
institucionální kapacity orgánů veřejné
správy a zúčastněných subjektů a
účinné veřejné správy

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 47 -
Förderung der Zusammenarbeit in
Rechts- und Verwaltungsfragen und der
Zusammenarbeit zwischen Bürgern und
Institutionen
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 umfangreiche
Erfahrungen
mit
diversen
methodenabhängigen
Erfassungs-,
Modellierungs-
und
Visualisierungs-
programmen gesammelt werden. Es
wurde stets deutlich, dass nur durch
repräsentative Datensätze und deren
hochqualifizierte
Auswertung
verlässliche Prognosen möglich sind.
Es wurde auch deutlich, dass die
Aussagegenauigkeit diverser Methoden
und
Modellierungsprogramme
von
Projekt GeoMAP slouží k výměně
informací o geovědních metodách a
modelování jako zásadním podkladu
pro komplexní řešení v těžebních
oblastech a v oblastech, ve kterých
byla
těžba
zastavena.
Bez
kvalifikovaného
sběru
dat
a
vyhodnocování není možno formulovat
spolehlivé závěry a tím ani prognózy
například k zatápění dolů a nárůstu
hladiny podzemní vody, ke zdvihům a
poklesům terénu, svahovým sesuvům a
různým procesům transportu látek, ale i
využívání důlních vod.
Jak v Česku, tak i v Sasku byly v
uplynulých desetiletích v těchto
oblastech získány rozsáhlé zkušenosti s
různými programy na sběr dat,
modelování či vizualizaci. Pokaždé se
jasně ukázalo, že spolehlivé prognózy
lze formulovat pouze na základě
reprezentativních datových sad a jejich
vysoce kvalifikovaném vyhodnocení.
Rovněž tak bylo jasné, že výpovědní
přesnost nejrůznějších metod a
programů pro modelování závisí na celé
řadě okrajových a místních podmínek,
které se mohou v závislosti na dané
lokalitě lišit.

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 48 -
zahlreichen
Rand-
und
Vorortbedingungen
abhängen,
die
standortbezogen variieren können.
Im Projekt sollen die Erfahrungen der
Projektpartner
zur
Erfassung,
Modellierung
und
Visualisierung
geowissenschaftlicher
Daten
in
verschiedenen
Bergbau-
Modellregionen gegenseitig dargestellt
und diskutiert werden. Ziel der Partner
ist
es,
durch
neue
Impulse
die
Ermittlung
und
Auswertung
von
Datensätzen und damit auch die
Prognose
der
diversen
Bergbaufolgeerscheinungen
zu
verbessern.
V rámci projektu mají být vzájemně
představeny a diskutovány zkušenosti
partnerů projektu z oblasti sběru,
modelování a vizualizace geovědních
dat v různých modelových hornických
regionech. Cílem partnerů projektu je,
zlepšit prostřednictvím nových impulsů
získávání a vyhodnocování datových
sad a tím i prognózy různých jevů v
oblastech, ve kterých byla ukončena
důlní činnost.
Projektstruktur:
Lead Partner: LfULG, A10, Referat
105 Hydrogeologie
(Projektkoordination)
Weitere Projektpartner sind:
PP 1a:
TU Bergakademie
Freiberg – Institut für Geotechnik
Lehrstuhl Gebirgs- und
Felsmechanik/Felsbau
Gustav-Zeuner-Straße 1, 09599
Freiberg
Amtierender Institutsdirektor /
Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr.-Ing. habil.
Heinz Konietzky
Struktura projektu:
Hlavní příjemce: Saský zemský úřad
pro životní prostředí, zemědělství a
geologii,
A10,
referát
105,
hydrogeologie (koordinace projektu)
Dalšími partnery projektu jsou:
PP 1a:
Technická
univerzita
-
Báňská akademie ve Freibergu,
Geotechnický
ústav/Katedra
mechaniky hornin
Gustav-Zeuner-Straße
1,
09599
Freiberg
Ředitel ústavu / vedoucí katedry:
Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Konietzky

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 49 -
PP 1b:
TU Bergakademie
Freiberg – Institut für Wärmetechnik
und Thermodynamik
Lehrstuhl für Technische
Thermodynamik
Gustav-Zeuner-Str. 7, 09599
Freiberg
Lehrstuhlinhaber: 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
PP 1b:
Technická
univerzita
-
Báňská akademie ve Freibergu,
Ústav
tepelné
techniky
a
termodynamiky
Katedra technické termodynamiky
Gustav-Zeuner-Str.
7,
09599
Freiberg
Vedoucí katedry: Prof. Dr.Ing. Tobias
M. Fieback
PP 3:
Technická
univerzita
Ostrava
Hornicko-geologická
fakulta
Pobočka Most
Hlavní sídlo: 17.listopadu 15/2172,
Ostrava-Poruba, 708 33
Modellregionen:
-
Steinkohlenrevier
Lugau/Oelsnitz:
Diese Modellregion wird durch den
Leadpartner LfULG (LP) und den
Projektpartner
TU
Bergakademie
Freiberg, Institut für Geotechnik,
(PP1a) bearbeitet.
-
Braunkohlenrevier
Most
in
Nordböhmen: Diese Modellregion
wird durch den Projektpartner TU
Ostrava (PP2) bearbeitet.
-
Bergbaureviere im Erzgebirge mit
vorhandenem Grubenwasser: Diese
übergreifende
Modellregion
wird
durch
den
Projektpartner
TU
Modelové regiony:
-
černouhelný revír Lugau/Oelsnitz:
tento modelový region je řešen
hlavním příjemcem projektu, kterým
je Saský zemský úřad pro životní
prostředí, zemědělství a geologii
(LfULG),
a
partnerem
projektu,
Geotechnickým ústavem Technické
univerzity - Báňské akademie ve
Freibergu.
-
Hnědouhelný revír Most v Severních
Čechách: tento modelový region je
řešen
partnerem
projektu
Technickou univerzitou v Ostravě
(PP2).

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 50 -
Bergakademie Freiberg, Institut für
Wärmetechnik und Thermodynamik,
(PP1b) bearbeitet.
-
Darüber hinaus sind die gewonnenen
Erkenntnisse jedoch auch in anderen
Bergbaugebieten anwendbar.
-
Hornické revíry v Krušných horách s
výskytem důlních vod: tento
přesahující modelový region je řešen
partnerem
projektu,
Ústavem
termodynamiky Technické univerzity
- Báňské akademie ve Freibergu
(PP11b).
-
Získané
poznatky
jsou
však
aplikovatelné i v jiných hornických
regionech.
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 Problemstellungen
seiner
Modellregion
erläutert
und
visualisiert. Diese Objekte sollen nach
Ablauf des Projektes an zentralen
Standorten
ausgestellt
und
als
Information für die Öffentlichkeit genutzt
Čtyři pracovní celky:
Plánované
workshopy
partnerů
(pracovní celek 1) slouží k přímé
výměně zkušeností mezi institucemi
partnerů projektu, přičemž každý
partner zodpovídá na příkladu svého
modelového území za speciální hlavní
téma. V rámci veřejných
odborných
konferencí
(pracovní celek 2) mají být
integrovány
poznatky
z ostatních
hornických revírů v Česku a Německu.
Pro další znázornění a ve smyslu
udržitelnosti projektu vytvoří kromě toho
každý partner projektu
prezentační
objekt
(pracovní celek 3), pomocí
kterého vysvětlí a vizualizuje podstatné
problémy svého modelového regionu.
Tyto objekty mají být po ukončení
projektu
vystaveny
na
centrálních
místech a sloužit k informování
veřejnosti.
Síťovací práce
(pracovní
celek
4)
slouží
k pokračování
spolupráce.

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 51 -
werden. Die
Netzwerkarbeit
(AP 4)
dient
der
Fortführung
der
Zusammenarbeit.
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 (Steinkohlenrevier
Lugau/Oelsnitz)
-
W3
(PP1a):
Möglichkeiten
der
Simulation
gebirgsmechanischer
Prozesse wie Hebungen/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)
1. Realizace interních partnerských
workshopů (W) s exkurzemi, které
se
vztahují
k modelovým
regionům
-
W1 + W5 (PP2): Metody sběru /
vyhodnocování
/
trojrozměrné
prezentace
geologických
dat
k zatápění povrchových dolů a
sesuvům
svahů
v oblastech
povrchové těžby (hnědouhelný revír
Most).
-
W2 (LP): Možnosti počítačové
simulace nárůstu hladin podzemních
a důlních vod: sběr, trojrozměrné
modelování
a
vizualizace
geologických dat v hlubinné těžbě
(černouhelný revír Lugau/Oelsnitz).
-
W3 (PP1a): Možnosti simulací
mechanických procesů hornin, jako
jsou zdvihy / poklesy terénu jako
důsledek zatápění hlubinných dolů
(černouhelný revír Lugau/Oelsnitz).
-
W4 (PP1b): Důlní vody jako
obnovitelný zdroj energií v celém
hornickém regionu Krušnohoří /
Erzgebirge (exkurze do dolu Reiche
Zeche ve Freibergu).

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 52 -
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
Sanierung und Rekultivierung in der
Braunkohlentagebausanierung
-
K3
(PP1b):
Geothermisches
Potenzial von Grubenwässern und
Herausforderungen
der
Anlagentechnik
-
K4 (LP, Abschlussveranstaltung):
Dynamik und Prozessmodellierung
der
Grubenflutung
in
Bergbaufolgelandschaften Sachsens
und Nordböhmens
3. Visualisierung
durch
Anschauungsobjekte
-
LP+PP1a:
3D-Untergrundmodell
einschließlich
Überwachungsmessstelle
zum
Grubenwasseranstieg
im
Steinkohlenrevier
Lugau/Oelsnitz
(Standort:
Ausstellungsobjekt
im
Bergbaumuseum Oelsnitz)
-
PP2: Feldlaboratorium zur Messung /
Überwachung
von
Grund-
/Grubenwasser, Rutschungen und
2. Realizace veřejných odborných
konferencí (K)
-
K1 (PP1a): Aplikace inovativních,
počítačem podporovaných metod
pro
trojrozměrné
zobrazování
podloží a simulace a modelování
prognóz různých důsledků důlní
činnosti v hornických krajinách.
-
KS (PP 2): Metody průzkumu,
vyhodnocení a monitoringu sanace a
rekultivace při sanaci hnědouhelných
lomů.
-
K3 (PP1b): Geotermální potenciál
důlních vod a výzvy technického
řešení zařízení.
-
K4 (LP, závěrečná konference):
Dynamika a modelování procesů
zatápění dolů v krajinách po důlní
činnosti v Severních Čechách a
v Sasku.
3. Vizualizace a ukázkové objekty
-
LP+PP1a: 3D model podloží včetně
monitorovacího měrného profilu pro
sledování nárůstu hladiny důlní vody
v černouhelném
revíru
Lugau/Oelsnitz (umístění: Ukázkový
objekt
v Hornickém
muzeu
v Oelsnitz).
-
PP3: Terénní laboratoř pro měření /
sledování podzemních / důlních vod,
sesuvů
a
rekultivací
v hnědouhelném
revíru
Most
(umístění: výsypka Most)

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 53 -
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
Einrichtungen)
4. Netzwerkbildung
Im
Rahmen
von
quartalsweisen
Arbeitsberatungen soll das bereits in
mehreren
deutsch-tschechischen
Projekten wie VODAMIN, VODAMIN II
und VitaMin entstandene Netzwerk
verstetigt werden. Ziel ist es, weitere
zukünftige Projekte zum Thema zu
initiieren (z.B. über ERASMUS der
Hochschuleinrichtungen).
-
PP1b:
Vybudování
miniaturního
zkušebního zařízení tepelného
čerpadla pro důlní vody (umístění:
variabilní,
například
v návštěvnických štolách nebo na
univerzitách,
ve
veřejných
institucích).
4. Vytváření sítí
V rámci čtvrtletních pracovních setkání
mají být upevněny sítě, vzniklé v rámci
několika česko-německých projektů,
jako jsou VODAMIN, VODAMIN II a
VitaMin. Cílem je inicializace dalších
perspektivních projektů k tomuto tématu
(například prostřednictvím programu
ERASMUS vysokoškolských institucí).
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, hydrogeologischer und
bergmännischer Untersuchungen. In
Bezug auf den stetig steigenden
Grubenwasserpegel
von
Lugau/
Oelsnitz
besteht
ein
dringender
Handlungsbedarf. Aus diesem Grund
befasst sich der vorliegende Beitrag mit
GeoMAP
v
bývalém
saském
černouhelném revíru Lugau/ Oelsnitz
Černouhelný revír Lugau/Oelsnitz v
okrese Erzgebirgskreis v Sasku, který je
v současné době zatápěn, je již několik
let oblastí, ve které probíhá řada
komplexních
geologických,
hydrogeologických
a
hornických
výzkumů. Ve vztahu na neustálý nárůst
hladiny důlních vod zde existuje
naléhavá potřeba řešení řady otázek. Z
tohoto důvodu se tento příspěvek
zabývá
specifickými
montáně-
hydrogeologickými podmínkami tohoto
revíru a dosavadním úsilím o vytvoření

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 54 -
den
besonderen
montanhydro-
geologischen
Umständen
im
Bergbaurevier
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
Visualisierung
von
Bergbaufolgen
gewährt.
GeoMAP
knüpft
an
vorherige
Untersuchungen an. Im Zuge dieses
Projektes soll das bereits bestehende
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 gewonnen worden sind.
Zudem
wird
eine
umfangreiche
Recherche
in
den
sächsischen
Archivbeständen 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
Untersuchungsgebiet
Lugau/Oelsnitz
prognózy zatápění revíru. Dále bude v
příspěvku
poskytnut
náhled
do
aktuálního stavu řešení projektu
GeoMAP, podpořeného z EU, se
zaměřením na výzvy v oblasti
trojrozměrného
modelování
a
vizualizace důsledků těžební činnosti.
Projekt
GeoMAP
navazuje
na
předcházející výzkumy. V rámci tohoto
projektu má být provedena aktualizace
a upřesnění stávajícího trojrozměrného
modelu té části regionu, která byla
ovlivněna důlní činností. Přitom mají být
zohledněna rovněž nová data, jako
například
naměřené
geofyzikální
hodnoty, jejichž získání bylo zadáno a
realizováno
městem
Oelsnitz/Erzgebirge v rámci projektu
Vita-Min, podpořeného EU. Kromě toho
bude provedena rozsáhlá rešerše
v saských
archivních
fondech
za
účelem doplnění dat (například staré
důlní mapy). Tyto práce představují
podstatný základ pro upřesnění modelu
a popis velmi komplexních podmínek v
podloží. Pokračující detailní práce v
řešeném území Lugau/Oelsnitz a
odborná komunikace a výměna s
ostatními montánními regiony jsou
předpokladem pro lepší prognózu a
řešení důsledků těžební činnosti. To
platí především z hlediska budoucího
zamezení
rizikům
a
z pohledu

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 55 -
und der Fachaustausch mit anderen
Bergbauregionen
sind
Voraussetzungen
dafür,
dass
Bergbaufolgen besser kalkuliert und
behandelt werden können. Dies gilt
besonders unter dem Aspekt der
zukünftigen Gefahrenabwehr und einer
nachhaltigen
Nutzung
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 Folgenden
kam es durch die Einstellung der
Wasserhaltung und den Anstieg des
Wasserspiegels im Grubengebäude zu
anhaltenden leichten Hebungen der
udržitelného využívání oblastí, ve
kterých byla ukončena hornická činnost.
Relativně malý revír je charakterizován
velkými hloubkami těžby, komplexními
tektonickými poruchami a četnými
hydraulicky působícími jednotkami a
strukturami. Tyto předpoklady svého
času komplikovaly důlní činnost a mají
dodnes vliv na monitoring a prognózu
jevů, které jsou důsledky těžební
činnosti. Již před zastavením těžby v
roce 1971 došlo k deformacím povrchu
terénu, které byly vyvolány hornickou
činností. Tyto deformace se na povrchu
projevovaly především trhlinami a až 17
m hlubokými poklesovými kotlinami a
vznikem poldrů [Felix et al 2007].
Dominující poklesové jevy odezněly po
roce 1971 jen velmi pozvolna. Následně
došlo v důsledku zastavení čerpání
vody a nárůstem hladiny vody v důlních
objektech
k přetrvávajícím lehkým
zdvihům povrchu terénu, jak vyplynulo
z měření nivelizace. Zatápění revíru
není dodnes ukončeno. To znamená, že
hladina vody v jednotkách, ze kterých
byla předtím voda odčerpávána, v nichž
lze předpokládat výskyt zhruba 47 Mio.
m3 zbytkového vyrubaného prostoru,
dosud stále stoupá [Felix et al 2010].
V rámci tehdejšího zajištění důlních děl,
realizovaného do roku 1974, nebyla
předpokládána žádná zařízení pro
monitoring nárůstu hladiny důlních vod.

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 56 -
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
Beobachtung 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.
Průběh zatápění tak nebylo možno po
dlouhou dobu ani monitorovat, ani
ovlivnit. V roce 2003 tak Svobodný stát
Sasko zřídil po rozsáhlých přípravných
průzkumech za účelem sledování
zatápění první profil pro měření důlních
vod. Během následujících let přispěly
projekty,
podpořené
EU,
jako
VODAMIN,
Vita-Min
a
aktuálně
GeoMAP, k rozvoji stavu znalostí v
oblasti důsledků hornické činnosti v
revíru Lugau/Oelsnitzer a současně k
zahájení výměny poznatků s ostatními
regiony v Německu a sousedním
Česku, které byly rovněž postiženy důlní
činností.

image
image
image
image
image
GeoMAP-Projektvorstellung: Modellierungs-, Visualisierungs- und Prognosewerkzeuge zur Darstellung von
Bergbaufolgen und Nachnutzungspotenzialen
Představení projektu GeoMAP: Modelovací, vizualizační a prognostické nástroje pro zobrazování důsledků těžby a
potenciálů nového využití
Priscilla Ernst et al.
- 57 -
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
Visualisierung
des
Untergrundes
(Geologie, Hydrogeologie, Tektonik,
Grubengebäude) als Voraussetzung
für eine gesicherte Prognose des
Grund-
/Grubenwasserwiederanstiegs
im
Steinkohlenrevier
Lugau/Oelsnitz
sowie
die
Ausweisung
von
Gefährdungszonen
Odborné cíle projektu pro Saský
zemský úřad pro životní prostředí,
zemědělství a geologii lze shrnout
následovně:
získání dalších poznatků o geologii,
hydrogeologii
a
tektonice
v černouhelném
revíru
Lugau/Oelsnitz,
územní vymezení oblasti, dotčené
nárůstem hladiny podzemní / důlní
vody v okolí Lugau/Oelsnitz,
získání dalších dat pro kvalifikaci
trojrozměrného strukturního modelu
pro modelování a vizualizaci podloží
(geologie, hydrogeologie, tektonika,
důlní objekty) jako předpokladu pro
zajištěnou
prognózu
nárůstu
podzemní
/
důlní
body
v černouhelném
revíru
Lugau/Oelsnitz
a
vymezení
ohrožených oblastí.
Literatur/Literatura
[Felix et. al 2007] 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.
[Felix & Berger 2010] Felix, M., Berger, H.-J. (2010): Steinkohlebergbau und Bergbaufolgen im
Steinkohlerevier Lugau/Oelsnitz. – Beitrag in Geoprofil Bd. 13, Sächs. Landesamt für Umwelt und
Geologie; Freiberg

image
image
image
image
image
- 58 -
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-
Situ-Untersuchung von potentiellen
Geothermie-standorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro
výzkumy potenciálních lokalit pro využití
geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose
TU Bergakademie Freiberg – Sebastian.Pose@ttd.tu-freiberg.de
Dr.-Ing. Thomas Grab
TU Bergakademie Freiberg – Thomas.Grab@ttd.tu-freiberg.de
Dipl.-Ing. (FH) Marlies Grimmer
TU Bergakademie Freiberg – Marlies.Grimmer@mabb.tu-freiberg.de
M.Sc. Lisa-Marie Wilde
TU Bergakademie Freiberg – Lisa-Marie.Wilde@ttd.tu-freiberg.de
Prof. Dr.-Ing. Tobias Fieback
TU Bergakademie Freiberg – tobias.Fieback@ttd.tu-freiberg.de
Keywords:
Grubenwasser, Geothermie, Wärmeübertrager, Ablagerungen, Fouling,
Erdwärmenutzung, Plattenwärmeübertrager
Klíčová slova:
Důlní vody, geotermie, tepelný výměník, usazeniny, fouling, využití
geotermální energie, deskový tepelný výměník
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 Grundwassers bis
hin zu Hebungen und Senkungen der
1. Úvod
Po útlumu důlní činnosti dochází často
k nárůstu hladiny podzemní vody. Tento
proces v sobě skrývá řadu problémů,
které mohou sahat od znečištění
podzemní vody až po zdvihy a poklesy
povrchu terénu. Oproti těmto rizikům
nabízí podzemní zásobník vody také

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 59 -
Oberfläche reichen können. Entgegen
diesen Gefahren 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 Volumenstrom von
ca. 350 m³/h mit durchschnittlich 18 bis
20 °C im Schacht Reiche Zeche zur
Verfügung. Im Freiberger Revier sind
bereits
3
Grubenwasser-
geothermieanlagen
realisiert
und
unterliegen
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
Ablagerungen
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
Untersuchungen
zur Wasserchemie
vysoký geotermální potenciál, který lze
využít regenerativně a ekologicky pro
vytápění a chlazení různých budov a
zařízení.
Díky zastavení těžby stříbra v revíru
Freiberg v roce 1969 je zatápění důlních
zařízení již ukončeno. V hloubce 228 m
tak je v šachtě Reiche Zeche k dispozici
objemový průtok cca 350 m³/h o
průměrné teplotě 18 až 20 °C. Ve
Freiberském revíru již byla realizována
3 zařízení pro geotermální využití
důlních vod, která podléhají pravidelné
údržbě a monitoringu. V lokalitě
Ehrenfriedersdorf to jsou ještě další dvě
zařízení.
Jejich údržba je nutná, protože
z důvodů chemického složení důlních
vod dochází k vytváření usazenin a
znečištění na jednotlivých dílech
zařízení. Problematická jsou tato
znečištění
především
v tepelných
výměnících,
protože
v důsledku
usazenin
lze
zaznamenat
pokles
výkonu a tím i pokles hospodárnosti
zařízení. V rámci projektu Vodamin II,
podpořeného EU, jsou prováděny
analýzy chemického složení vody a
vznikajících
usazenin.
Z důvodu
provozu zařízení nelze výzkumy
provádět
vždy
v definovaných
intervalech.
Aby bylo možno tento problém vyřešit,
byl
v rámci
projektu
GeoMAP
zkonstruován
a
sestaven
mobilní

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 60 -
und
den
entstehenden
Verunreinigungen
durchgeführt.
Aufgrund des Betriebs der Anlagen
lassen
sich
Untersuchungen
nicht
immer in definierten Zeitabständen
repräsentativ durchführen.
Um dieses Problem zu lösen wurde ein
mobiler
Wärmeübertragerversuchsstand
im
Rahmen
des
Projektes
GeoMAP
konstruiert und aufgebaut. Dieser bietet
die
Möglichkeit
das
vorhandene
Gruben- und Grundwasser direkt an
unterschiedlichen Standorten zu nutzen
und zu untersuchen. Somit können
während einer kurzen Testphase direkte
und zuverlässige Aussagen über die zu
erwartende
Verschmutzung,
notwendige
Wartungsintervalle,
benötigte
Materialen
und
Betriebsweisen getroffen werden. Durch
den
Einsatz
unterschiedlicher
Plattenmaterialien
und
spezielle
Beschichtungen
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 zukünftig ohne den
Einsatz einer Versuchsanlage das
optimale Material und Betriebsverhalten
der Grund- und Grubenwasseranlage
zkušební tepelný výměník, který
poskytuje možnost využít a analyzovat
dostupnou důlní a podzemní vodu přímo
na různých stanovištích. Během krátké
testovací fáze tak je možno formulovat
přímé
a
spolehlivé
závěry
o
očekávaném
znečištění,
nutných
intervalech
údržby,
potřebném
materiálu a způsobech provozu.
Využitím různých materiálů pro desky
výměníku a specifické povrchové
úpravě tepelných výměnků tohoto
pokusného zařízení má být možno
stanovit fundované vystrojení a výběr
pro každou specifickou lokalitu. Kromě
toho
lze
zjistit
souvislosti
mezi
chemismem důlních vod a vyskytujícími
se usazeninami. Do budoucna tak má
být možno odvozovat optimální materiál
a provoz zařízení pro geotermální
využití důlních a podzemních vod za
pomoci simulací bez nutnosti nasazení
zkušebního zařízení.

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 61 -
mit Hilfe von Simulationen ableiten
lassen.
2.
Grundlagen
der
Grubenwassernutzung
und
Wasserchemie im Freiberger Revier
Bei Grubenwasser handelt es sich um
alle im Bergwerk anfallenden Wässer
(Summe aus Oberflächen-; 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 freigepumpt werden
(Wasserhaltung), welches energetisch
verwertet werden kann. Bei einer
Stilllegung des Bergwerksbetriebs kann
es entweder zu einem Wiederanstieg
des Grubenwassers oder zu einer
dauerhaften Wasserhaltung kommen.
Diese kann notwendig sein um den
Schutz des Grundwassers, 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
Grubenwassergeothermieanlagen
die
genutzt
werden.
Diese
sind
des
Lehrbergwerks „Reiche Zeche, des
Kreiskrankenhaus Freiberg und das
Schloss Freudenstein. Weiterhin gibt es
eine Speisung der Belüftungsanlage für
2. Základy využití důlních vod a
chemického
složení
vod
ve
Freiberském revíru
V případě důlních vod se jedná o
veškeré vody, které se v dole vyskytují
(souhrn povrchových, průsakových a
podzemních vod v dole). Tyto vody lze
využívat po i během aktivní fáze těžby.
V případě aktivní důlní činnosti musí být
z dolu odčerpávána důlní voda, kterou
lze energeticky využít.
V případě
útlumu dolu může nastat buď opětovný
nárůst hladiny důlní vody, nebo trvalé
čerpání vod. To může být nutné tehdy,
pokud se jedná o zajištění ochrany
podzemní vody a stability půdy. Stálé
odčerpávání důlních vod může být
samozřejmě
realizováno
pomocí
odvodňovacích štol, nebo také jako
stálý úkol pomocí čerpadel.
V hornickém revíru Freiberg existují
lokality se třemi různě provedenými
zařízeními pro geotermální využití
důlních vod, která se používají. Jedná
se o výukový důl „Reiche Zeche“,
okresní nemocnici ve Freibergu a
zámek Freudenstein. Kromě toho je
z propojených dolů napájeno ventilační
zařízení
okresní
nemocnice
ve
Freibergu.
Z důvodů minerálů, které jsou ve vodě
rozpuštěné a transportované, dochází

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 62 -
das Kreiskrankenhaus Freiberg aus
dem Bergwerksverbund Freiberg..
Aufgrund von gelösten und mitgeführten
Mineralien
kommt
es
zur
Verschmutzung der Wärmeübertrager.
Im
Freiberger
Revier
basiert
der
Grubenwasserchemismus auf einem
leicht mineralisierten Wasser mit den
folgenden Parameter aus Tab. 1.
ke znečišťování tepelných výměníků.
Chemické složení důlních vod vychází
ve
Freiberském
revíru
z lehce
mineralizované vody s následujícími
parametry, které jsou uvedeny v tabulce
1.
Tab. 1
Ausgewählte Wasserparameter von Grubenwässern im Freiberger Revier und
Ehrenfriedersdorf
Tab. 1
Vybrané parametry důlních vod ve Freiberském revíru a v lokalitě Ehrenfriedersdorf
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
Parameter
Parametr
Wassertemperatur
Teplota vody
Volumenstrom
Objemový průtok
El. Leitfähigkeit
Elektrická vodivost
pH-Wert
hodnota pH
Chlorid
Chlorid

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 63 -
Sulfat
Sulfat
Arsen
Arzén
Eisen
Železo
Cadmium
Kadmium
Kupfer
Měď
Nickel
Nikl
Zink
Zinek
Einheit
Jednotka
Schacht
Šacha
Besucherbergwerk
Návštěvnický důl
Diese Werte sind für eine Prognose der
Verschmutzung der Bergwerkswasser
nur bedingt nützlich. Die Elemente
können in gelöster Form oder als
Partikel
vorliegen.
Durch
eine
Wasserprobennahme 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 Partikel vorliegen. Dies ist
optisch im klaren Wasser nicht zu
erkennen. Diese Konzentrationen sind
der
Ausgangspunkt
für
die
Untersuchung und die Bildung der
Ablagerungen.
Tyto hodnoty lze pro vytvoření prognózy
znečištění důlních vod využít pouze
zčásti. Prvky se mohou vyskytovat
v rozpuštěné formě nebo ve formě
částic. Odběrem vzorků pomocí filtru lze
toto rozlišit. V případě vzorků vody z
lokality Ehrenfriedersdorf se ukázalo, že
Al, Cu, Fe, Ni Mn a Zn se zde vyskytují
převážně jako nerozpuštěné částice.
Opticky to v čiré vodě patrné není. Tyto
koncentrace představují výchozí bod
pro analýzu a vytváření usazenin.
3. Mechanismen der Verschmutzung
und Bildung der Ablagerungen
In
Wärmeübertragern
haben
die
Ablagerungen
eine
negative
Auswirkung
auf
die Leistung
der
Gesamtanlage
und
müssen
durch
3. Mechanismy znečištění a vytváření
usazenin
Usazeniny mají v tepelných výměnících
negativní vliv na výkon celkového
zařízení a musejí být pravidelnou
údržbou odstraňovány. K vytváření

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 64 -
regelmäßige
Wartungen
entfernt
werden. Die Bildung dieser 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
Löslichkeitsgrenzen bedingt durch eine
Druck-
bzw.
Temperaturänderung.
Diese lassen sich nur schwer vermeiden
und sind bei der geothermischen
Grubenwassernutzung unabdingbar.
Bei dem Partikelfouling werden bereits
in Wasser vorhandene Schwebstoffe
und
Partikel
organisch
bzw.
anorganischer Natur durch vorhanden
Kräfte (Adhäsion, Gravitation, Diffusion,
Trägheitseffekte 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
bezeichnet,
was
zur
Ausbildung eines Biofilms führt. Die so
beeinflusste
Oberfläche
bietet
zusätzlich einen größeren Angriffspunkt
für
die
bereits
genannten
Foulingmechanismen.
Dieser
Verschmutzungsmechanismus
kann
těchto usazenin při geotermálním
využití důlních vod může docházet třemi
mechanismy: krystalizací, srážením
částic a biofoulingem.
Krystalizační fouling spočívá ve
vysrážení a usazení ve vodě
rozpuštěných solí na povrchu materiálu.
Příčinou je posunutí mezí rozpustnosti
v důsledku změny tlaku, případně
teploty. Tomu lze zamezit pouze obtížně
a v případě geotermálního využití
důlních vod to je i nutné.
V případě foulingu částic jsou ve vodě
nerozpuštěné látky a částice organické,
případně anorganické povahy vázány
na vlhký povrch prostřednictvím
existujících
sil
(adheze,
gravitace,
difuse,
efekty
setrvačnosti
nebo
turbulence) . Tyto látky lze z vody
odstranit pomocí vhodných filtrů, je to
však nákladné a náročné na údržbu
Jako
biofouling
je
označována
usazenina bakterií, vytvářejících sliz, na
povrchu, což vede k vytváření biofirmu.
Takto ovlivněný povrch nabízí navíc
větší plochu pro působení shora
zmíněných foulingových mechanismů.
Mechanismus vzniku znečištění nelze
vyloučit, protože mikroorganismy lze
zastihnout za všech podmínek.
Během vytváření usazenin dochází
k charakteristickému
časovému
průběhu. Na začátku znečištění, během
indukční fáze, není žádné významnější

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 65 -
nicht
ausgeschlossen
werden,
da
Mikroorganismen
unter
sämtlichen
Bedingungen 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
Verschmutzung
auftritt.
In
diesem
Zeitraum werden auf der sauberen
Oberfläche
erste
Nukleationskeime
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 Abtragungsprozess
durch auftretenden Scherkräfte bzw.
Erosion der Strömung. Bei den meisten
Anlagen
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 wirtschaftlich und
effektiv zu betreiben, was eine Wartung
und
Reinigung
der
betroffenen
Komponenten bzw. den Austausch
ganzer Baugruppen notwendig macht.
(Wilde 2019)
znečištění patrné. V tomto období se na
kyselém povrchu vytvářejí první zárodky
nukleace, případně dochází k prvnímu
osídlení bakteriemi. Mimořádně velkou
inkubační dobu vykazují hladké povrchy
a vysoká povrchová energie. Následně
narůstá prostřednictvím kontinuálního
znečištění odpor foulingu. Proti tomu
působí proces abraze v důsledku
působících smykových sil, případně
eroze proudění. V případě většiny
zařízení
dochází
k asymptotnímu
přiblížení maximálnímu znečištění.
Takto vzniklá rovnováha je spojena se
ztrátou performance zařízení v oblasti
ztráty tlaku a přechodu tepla. Tím jíž
není možné zařízení provozovat
hospodárně a efektivně, což si vyžádá
zásah v rámci údržby a vyčištění
dotčených
komponent,
případně
výměnu celých modulů. (Wilde 2019)S
Nejrůznější mechanismy znečištění
budou následně popsány na příkladu
tepelného
výměníku
v lokalitě
Ehrenfriedersdorf. Tyto mechanismy se
vyznačují dvěma charakteristickými
formami
výskytu.
Jednak
dochází
k výskytu hnědé šlemovité rovnoměrně
rozložené vrstvy a tvrdých černých
nestejnoměrně rozložených částic a
k přilnutí
materiálu.
Nejrůznější
usazeniny jsou zobrazeny na obr. 1,
jejich
složení
v
porovnání
s nepoužívanou deskou tepelného
výměníku je zobrazeno na obr. 2. Na
posledním obrázku je patrné, že hlavní

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 66 -
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, sowie harte
schwarze ungleichverteile Partikel und
Anhaftungen auf. Die unterschiedlichen
Ablagerungen sind in der Abb.
und
sowie die Zusammensetzung in Abb. im
Vergleich
zu
einer
unbenutzten
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
überwiegend
als
leicht
reduzierbare Fraktion vorliegt.
součástí hnědých usazenin je železo,
které
je
rozeznatelné
jako
lehce
krystalinický hydroxid železa. Dále je
patrné, že konstantní část železa se zde
vyskytuje jako organicky vázaná fáze.
Černé usazeniny vykazují výrazně vyšší
podíl manganu, který se zde vyskytuje
převážně ve formě lehce redukovatelné
frakce.

image
image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 67 -
a)
b)
c)
Abb. 1
Vergleich der Wärmeübertragerplatten der Grubenwassergeothermieanlage in Ehrenfriedersdorf
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.
Obr. 1
Porovnání desek tepelného výměníku ze zařízení pro geotermální využití důlních vod v lokalitě
Ehrenfriedersdorf a) před provozem bez usazenin, b) znečištěné desky bezprostředně po provozu s
rovnoměrným hnědým biofirem a jednotlivými černými částicemi a c) znečištěná deska po vyčištění
vysokým tlakem s černými usazeninami.

image
image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 68 -
a)
b)
Abb. 2
Ergebnisse der sequentiellen Extraktion der Wärmeübertragerablagerungen in Ehrenfriedersdorf
nach (Graupner und Kassahun et al. 2007) mit den einzelnen Löslichkeitsstufen für a) die braunen
Ablagerungen sowie b) die schwarzen schwer zu entfernenden Ablagerungen, welche nach der Stufe
Va vollständig aufgelöst waren
Obr. 2
Výsledky sekvenční extrakce usazenin z tepelného výměníku z lokality Ehrenfriedersdorf podle
(Graupner und Kassahun et. al. 2007) s jednotlivými mezemi rozpustnosti pro a) hnědé usazeniny a b)
černé, těžce odstranitelné usazeniny, které se po stupni Va zcela rozpustily.
extrahierter Gehalt in %
extrahovaný obsah v %
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
Na obr. 1 je patrné, že velká část
usazenin
na
deskách
tepelného
výměníku je rozložená rovnoměrně a
lze je lehce odstranit čištěním. Přitom se
jedná o uvolněné sloučeniny železa.
Dále se zde ve větší míře vyskytují
černé fáze a částice, a to především
v oblasti nátoku. Tyto jsou podstatně
tvrdší a vytvářejí krystalickou fázi, která
po
čištění
zůstává.
Především
v nátokové
oblasti
desky
dochází
k většímu vytváření černých usazenin
s vyšším obsahem manganu. Rozdíl
mezi jednotlivými fázemi lze zjistit
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

image
image
image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 69 -
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.
pomocí snímku REM-EDX. Sušený
vzorek byl analyzován s oběma podíly.
a)
b)
Abb. 3
REM-EDX-Aufnahme der getrockneten Proben mit den braunen und schwarzen Ablagerungen,
wobei auf der Detailaufnahme b) unten der komprimierte lockere Anteil der Eisenphase, sowie der obere
Bereich bestehend aus der ausgefällten Manganablagerung
Obr. 3
Snímek REM-EDX sušených vzorků s hnědými a černými usazeninami, přičemž na detailním
snímku b) je dole komprimovaný rozvolněný podíl železné fáze, a horní oblast, sestávající z
vysrážených usazeniny manganu.
Die
Kenntnis
des
Bildungsmechanismus
der
Ablagerungen ist für eine Verhinderung
dieser zwangsläufig notwendig. Wenn
man die Wasserwerte vor und nach dem
Wärmeübertrager vergleicht lässt sich
darüber eine Aussage treffen. Durch
den Einsatz von unterschiedlichen
Filterstufen kann festgestellt werden, ob
es sich um gelöste oder suspendierte
Stoffe handelt. Bei den untersuchten
Proben in Abb. ist zu erkennen, dass ab
Znalost
mechanismu
vytváření
usazenin je pro zamezení jejich vzniku
nutná. Pokud porovnáme hodnoty vody
před a po tepelném výměníku, lze k této
otázce formulovat závěry. Využitím
různých stupňů filtrace lze zjistit, zda se
jedná
o
rozpuštěné,
nebo
suspendované
látky.
V případě
analyzovaných vzorků na obr. 4 je
patrné, že od stupně filtrace 0,45μm lze
vyfiltrovat velkou část sloučenin hliníku.
Ten se vyskytuje ve formě částic. Rozdíl
ausgefällte schwarze Phase=
Vysrážená černá fáze
Lockere braune Phase=
Rozvolněná hnědá fáze

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 70 -
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
Auskristallisieren erklären. Das Gleiche
tritt beim Mangan und Zink auf.
koncentrací mezi přítokem a odtokem
lze vysvětlit vykrystalizováním. To samé
lze konstatovat v případě manganu a
zinku.
Abb. 4
Ergebnisse der Wasseranalyse des Wärmeübertrager in Ehrenfriedersdorf für den Vorlauf und
den Rücklauf mit unterschiedlichen Filterstufen
Obr. 4
Výsledky analýzy vody z tepelného výměníku v lokalitě Ehrenfriedersdorf pro přítok a odtok
s různými filtračními stupni.
Konzentration
Koncentrace
Vorlauf
Přítok
Rücklauf
Odtok
filtriert
Filtrováno
unfiltriert
Nefiltrováno
es gibt Kolloide im Grubenwasser, die sich im
WÜ ablagern,
Podzemní voda obsahuje koloidy, které se
usazují na tepelném výměníku
echt gelöste Ionen die Minerale bilden
(Ausfällungen)
Reálně rozpuštěné ionty, vytvářející minerály
(vysrážení)
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)

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 71 -
Aufgrund
der
unterschiedlichen
Erscheinungsform
und
Zusammensetzung der Ablagerung wird
davon ausgegangen, dass sich die
Bildungsmechanismen unterscheiden.
Um
das
Biofouling
nachzuweisen
werden die Wasserproben mit einem
Bakterientest auf eisenumsetzende und
schleimbildende 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 Verunreinigung getroffen
werden. Diese Tests sind einfach zu
handhaben und liefern innerhalb kurzer
Zeit ein quantitatives Ergebnis. Somit
kann die Standortwahl beschleunigt und
mit aussagekräftigen Daten erstellt
werden. Es hat sich gezeigt das sowohl
eisenverwertende
als
auch
schleimbildene 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 angenommen. Für die
Bildung der Phase mit dem erhöhten
Mangangehalt
hat
sich
das
Kristallisationsfouling herausgestellt, da
Mangan nicht als Partikel gebunden
Z důvodů různých forem a složení
usazenin lze vycházet z toho, že se
mechanismus jejich vzniku liší. Pro
doložení biofoulingu jsou vzorky vody
analyzovány pomocí bakteriového testu
na bakterie, přeměňující železo a na
bakterie, vytvářející šlem pomocí testu
BART. Těmito testy lze určit zatížení
vody vyskytujícími se bakteriemi a
formulovat tak prognózu očekávaného
znečištění Provádění těchto testů je
jednoduché a poskytují během krátké
doby kvantitativní výsledky. Díky tomu
lze urychlit volbu stanoviště a podložit jí
validními daty. Ukázalo se, že jak
bakterie, přeměňující železo, tak i
bakterie, vytvářející šlem, se vyskytují
mírně. To znamená, že biofouling je
příčinou vytváření usazenin. Na základě
složení usazenin se dále ukázalo, že
hnědé železité sloučeniny jsou zčásti
vázány organicky a zčásti se vyskytují
ve formě částic. Lze tedy vycházet
z toho, že příčinou tvorby železité fáze
je fouling částic. V případě vytváření
fáze se zvýšeným obsahem manganu
se jako příčina ukázal být krystalizační
fouling, protože mangan se nevyskytuje
vázaný jako částice a vyskytuje se rozdíl
koncentrací mezi přítokem a odtokem.

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 72 -
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
Verschmutzung im Wärmeübertrager
von
vielen
Parametern,
wie
den
Wasserwerten,
Betriebsparametern
oder Mikroorganismen abhängig. Somit
ist eine experimentelle Untersuchung im
Labor nur wenig aussagekräftig um den
Gesamtprozess
der
Wärmeübertragerverschmutzung
zu
verstehen.
Da
bereits
Grubenwasser-
geothermieanlagen in Betrieb sind, ist
eine Kooperation mit den Betreibern 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
4. Vybudování mobilního zkušebního
geotermálního modulu
Jak bylo popsáno v předcházejících
kapitolách, závisí spolehlivá prognóza
znečištění v tepelném výměníku na
řadě parametrů, jako jsou hodnoty,
vody,
provozní
parametry
nebo
mikroorganismy.
Experimentální
analýza v laboratoři má pro pochopení
celkového procesu znečištění tepelného
výměníku malou vypovídací schopnost.
Jelikož již existují zařízení pro
geotermální využití důlních vod, která
jsou v provozu, je jednou z metod
k dosažení
reálných
výsledků
kooperace s jejich provozovateli při
výzkumu stávajících zařízení. To je
obtížné, protože zařízení nejsou
vybavena pro intenzivní monitoring. A
pravidelné analýzy tepelných výměníků
jsou pro provozovatele těchto zařízení
spojeny se zvýšenými náklady. Řídící
veličinou pro provoz zařízení je potřeba
tepla. Díky tomu jsou tato zařízení po
část roku mimo provoz, nebo jsou
v provozu
pouze
částečně.
To
prodlužuje
doby
znečištění
a
představuje to další zdržení.
S ohledem na tyto příčiny je nezávislé
posouzení potenciálních lokalit pro
využívání důlních vod za reálných

image
image
image
image
image
Wärmeübertragerversuchsstand zur In-Situ-Untersuchung von potentiellen Geothermiestandorten
Mobilní zkušební tepelný výměník pro výzkumy potenciálních lokalit pro využití geotermální energie in-situ
M.Sc. Sebastian Pose et al.
- 73 -
Verschmutzung und bedeutet eine
zusätzliche Verzögerung.
Aufgrund dieser Ursachen ist eine
unabhängige
Untersuchung
von
potentiellen
Grubenwasserstandorten
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 Untersuchung
der
Verschmutzung
und
dem
Wirkungsgrad der Anlage
Einfacher
Zugang
zu
den
Wärmeübertragern
mit
der
Möglichkeit der Demontage und der
Probennahme
von
Wasser
und
Ablagerungen
Einsatz
von
korrosionsfesten
Materialien bei allen Grubenwasser
berührenden Teilen
Schutz der Anlagenkomponenten
gegen
äußere
Einflüsse
(Feuchtigkeit,