| Abstract |
Die durch die Steinkohlenfoerderung geschaffenen Strukturen im Untergrund bieten die Moeglichkeit zur Erschliessung und Gewinnung des geothermischen Potentials der stillgelegten Zechen im Ruhrgebiet. Dabei kann ein Teil des etwa 165km² grossen und bis zu 1200m tiefen Demonstrationsobjektes, Zeche Prosper-Haniel in Bottrop, mit seinen ungestoerten Gesteinstemperaturen von bis zu 40°C, ueber ein geschlossenes Waermetauschersystem erschlossen werden. Auf diese Weise werden die Kosten umgangen, die normalerweise fuer die Erschliessung der Waermequelle durch die Bohrarbeiten anfallen. Die Nutzung eines geschlossenen Waermetauschersystems bietet zudem den grossen Vorteil, nur die zur Umwaelzung des Waermetraegerfluids benoetigte Energie aufbringen zu muessen, was zu enormen Einsparungen gegenueber dem reinen Hochpumpen des warmen Grubenwassers fuehrt. Zur Einbringung des Waermetauschersystems sind vollstaendig zugaengliche und, wenn moeglich, noch aktive Bergwerke notwendig. In Deutschland ist dies noch an fuenf Standorten bis zum Jahr 2018 der Fall. Fuer die erfolgreiche Umsetzung eines solchen Vorhabens ist die Kenntnis der Leistungsfaehigkeit eines derartigen geschlossenen Waermetauschersystems, unter den widrigen Bedingungen des untertaegigen Bergbaus, zwingend notwendig. Dabei hat zunaechst die Wahl des Waermetauschermaterials den ersten entscheidenden Einfluss auf die Dimensionierung des Waermetauschersystems zur Erbringung geforderter Waermeleistungen. Auch muss das Martial den korrosiven Grubenwassereigenschaften und eventuellen Steinschlaegen im Grubengebaeude standhalten. Weiteren Einfluss auf die Leistungsfaehigkeit hat die Stroemungsgeschwindigkeit des Grubenwassers in der Strecke und im Schacht des Bergwerks. Dabei steigt die erzielbare Waermeleistung mit steigender Stroemungsgeschwindigkeit weiter an. Bei geringen Stroemungsgeschwindigkeiten kommt der freien Konvektion, welche sich infolge von Temperaturunterschieden zwischen der Grubenwasser- und der Waermetauscheroberflaechen-temperatur einstellt, eine weitere grosse Bedeutung zu. Diese kann selbst bei stehendem Grubenwasser den Waermeuebergang entscheidend verbessern, denn anders als in einem Bohrloch hat das Grubenwasser genuegend Raum zur Verfuegung um freie Konvektion entstehen zu lassen. Die freie Konvektion ist alleinig vom Dichtegradienten im Grubenwasser abhaengig und dieser wiederum von der Temperatur und der Salzkonzentration des Grubenwassers. Daher wird die Frage nach den sich einstellenden Temperaturen um die Waermetauscherrohre und der Salzkonzentration angegangen. Besonders im Schacht kann es zu einer natuerlichen Schichtung des Grubenwassers kommen, wenn stark mineralisiertes Wasser am Schachtboden unter gering mineralisiertem Wasser zum Schachtausgang sich ansammelt. Es findet dann praktisch keine Vermischung des Grubenwassers im Schacht statt und die freie Konvektion kann bei zu grossem Salzgradienten voellig unterbunden werden. In einem solchen Fall waere damit auch der Waermeuebergang deutlich geringer. Diese Arbeit hilft dabei, bei gegeben Waermetauschermaterial die theoretisch moegliche Waermeleistung bei gewaehlter Waermetauscherauslegung zu bestimmen. |