Ehemalige Kohlebergwerke könnten künftig zur Wärmeversorgung von Gebäuden und Gewerbebetrieben beitragen. Das Fraunhofer-Institut für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien (IEG) mit Sitz in Aachen hat dafür einen Schritt gemacht. Im europäischen Forschungsprojekt „PUSH-IT“ gelang es den Forschenden in Bochum, mit vier Bohrungen gezielt die wassergefüllten Hohlräume eines stillgelegten Bergwerks zu erreichen. „PUSH-IT“ steht für „piloting underground storage of heat in geothermal reservoirs“.

Die Herausforderung bestand darin, in rund 120 Metern Tiefe nur wenige Meter breite Grubenstollen zu treffen. Dafür setzte das Institut seine mobile Bohranlage „BO.REX“ ein. Laut Fraunhofer IEG zeigen die Ergebnisse, dass sich auch nicht mehr zugängliche Bergwerke mit herkömmlicher Geothermie-Bohrtechnik erschließen lassen. Aufwendigere Richtbohrverfahren, wie sie etwa die Erdöl- und Erdgasindustrie einsetzt, seien dafür nicht zwingend erforderlich.

„Der Untergrund ist eine bisher zu wenig beachtete Ressource in der Wärmetransformation“, erklärt Florian Hahn, Leiter des Kompetenzzentrums Bergbaufolgenutzung am Fraunhofer IEG. Vor allem in ehemaligen Bergbauregionen sieht er Potenzial: Die unterirdischen Anlagen liegen häufig in dicht besiedelten Gebieten und damit in der Nähe möglicher Wärmeabnehmer.

Grubenwasser als Wärmequelle und Speicher

Nach dem Ende des Bergbaus füllen sich viele stillgelegte Gruben mit Wasser. Dieses kann Wärme aus dem umgebenden Gestein aufnehmen und über längere Zeiträume speichern. Das eröffnet laut den Forschenden zwei Nutzungsmöglichkeiten: Zum einen lässt sich die vorhandene Wärme mithilfe von Wärmepumpen für die Gebäudeheizung oder gewerbliche Anwendungen nutzen. Zum anderen könnten die unterirdischen Hohlräume überschüssige Wärme aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben.

Als mögliche Wärmequellen für eine solche Speicherung nennt das Fraunhofer IEG unter anderem Rechenzentren. Deren Abwärme könnte in das Grubenwasser übertragen und zeitversetzt genutzt werden. Ein Vorteil gegenüber manchen natürlichen Grundwasservorkommen liegt laut Institut darin, dass ehemalige Bergwerke häufig größere Wassermengen für die Förderung bereitstellen können.

Für Stadtwerke und Kommunen könnte sich daraus die Möglichkeit ergeben, lokale Wärmequellen zu erschließen und in Versorgungskonzepte einzubinden. Voraussetzung sei allerdings, dass die Gruben ausreichend Wasser führen und die technischen sowie wirtschaftlichen Bedingungen am Standort stimmen.

Mobile Bohranlage für beengte Standorte

Die Bochumer Arbeiten liefern zunächst Erkenntnisse über den Zugang zu den unterirdischen Hohlräumen. Die eingesetzte Bohranlage besitzt eine Zugkraft von 40 Tonnen und einen mehr als zwölf Meter hohen Mast. Mit einer Breite von 2,5 Metern lässt sie sich auch auf kleineren Freiflächen zwischen Gebäuden einsetzen.

Damit die Bohrungen ihr Ziel erreichten, nutzte das Forschungsteam detaillierte Untergrundkenntnisse und speziell angepasste Beschwerungsgewichte am Bohrgestänge. Die genaue Planung sollte verhindern, dass der Bohrmeißel an den schmalen Stollen vorbeigeführt wird.

Die neuen Zugänge ermöglichen es, Grubenwasser an die Oberfläche zu fördern und nach der thermischen Nutzung an anderer Stelle wieder einzuleiten. Welche Wassermengen und Temperaturen sich dabei dauerhaft nutzen lassen, ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Speichertest soll Wirtschaftlichkeit klären

Unter der Projektleitung von Stefan Klein hat das Forschungsteam Messsensoren in den Bohrungen installiert. Außerdem untersuchten die Wissenschaftler die gefluteten Hohlräume mit einer Unterwasserdrohne. Deren Aufnahmen zeigen unterschiedliche Wasserschichten und die seitlichen Felswände. Sie bestätigen laut Institut, dass die Bohrungen die vorgesehenen Bereiche getroffen haben.

Als nächster Schritt ist ein Speichertest geplant. Er soll Aufschluss darüber geben, welche Wärmemengen das Bergwerk aufnehmen und wieder abgeben kann. Erst danach lässt sich beurteilen, ob der Standort künftig Gebäude oder Rechenzentren im Bochumer Süden mit Wärme versorgen beziehungsweise als Speicher für die Abwärme dienen kann. Auch die Wirtschaftlichkeit der notwendigen Infrastruktur ist noch nicht geklärt.

Im Rahmen von „PUSH-IT“ werden an sechs europäischen Standorten drei Arten unterirdischer Wärmespeicher erprobt. Den Bochumer Standort entwickeln das Fraunhofer IEG und die Ruhr-Universität Bochum gemeinsam.

Das Projekt läuft seit Januar 2023 und soll im Dezember dieses Jahres enden. Es verfügt über ein Gesamtbudget von 17,9 Millionen Euro. Auf die Förderung des Fraunhofer IEG entfallen nach Institutsangaben 3,8 Millionen Euro aus EU-Mitteln. (ds)