Sachstand zur Machbarkeitsstudie einer Nachfolgenutzung ... · Pumpspeicherwerke in NRW. Perspektiven für die Region? Prof. Dr.-Ing. André Niemann Essen, 28.01.2013

Pumpspeicherwerke in NRW. Perspektiven für die Region? Prof. Dr.-Ing. André Niemann Essen, 28.01.2013

Sachstand zur Machbarkeitsstudie einer Nachfolgenutzung der Anlagen des Steinkohlebergbaus im Ruhrgebiet als Pumpspeicherwerke

Sachstand zur Machbarkeitsstudie einer Nachfolgenutzung der Anlagen des Steinkohlebergbaus

im Ruhrgebiet als Pumpspeicherwerke

Prof. Dr.-Ing. André Niemann Essen, 28.01.2014

Quelle: Voith Hydro Quelle: RAG



Sachstand zu untertägigen Pumpspeicherwerken im Ruhrgebiet Ausgangssituation, Untersuchungsumfang und Einführung in die Systeme

Rechtliche Rahmenbedingungen und Akzeptanz Sachstand zur rechtlichen und sozio-ökonomischen Einschätzung

Wie weiter? – Ein Ausblick auf das weitere Vorgehen

Untersuchte technische Konzepte und Herausforderungen (laufend) Variantenvorstellung, Kavernenbau, Speicherräume und Energieableitung

Gliederung



Projekttitel: „Entwicklung eines Realisierungskonzeptes für die Nutzung von Anlagen des Steinkohlebergbaus als unterirdische Pumpspeicherkraftwerke“ Projektlaufzeit: 36 Monate – aktuell: Förderung der 1.Phase (ergebnisoffen, 18 Monate) Förderbescheidübergabe durch das NRW-Klimaschutzministerium am 23.11.2012 Industriebeteiligung ist vorgesehen



Beteiligte Einrichtungen und Fachgebiete

• Universität Duisburg-Essen:

– Fachgebiet für Wasserbau und Wasserwirtschaft

– Fachgebiet für Geotechnik

– Fachgebiet für Geologie

– Fachgebiet für Elektrische Anlagen und Netze

– Fachgebiet für aquatische Ökologie

• Ruhr-Universität Bochum:

– Lehrstuhl Energiesysteme und Energiewirtschaft

– Institut für Berg- und Energierecht

– Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik, Fachgebiet Hydrogeologie

• Rhein-Ruhr Institut für Sozialforschung und Politikberatung e.V. (RISP)

• RAG AG

• DMT GmbH & Co. KG

Projekthomepage: www.upsw.de



Übersicht der aktuell in Bearbeitung befindlichen Arbeitspakete



Bildquelle: GVSt : Steinkohle 2013

Aktive Bergwerke der RAG im Ruhrrevier (2014)

1: Bergwerk Prosper-Haniel, Bottrop – Ende der Förderung im Jahre 2018 2: Bergwerk Auguste-Victoria, Marl – Ende der Förderung im Jahre 2015



Infrastruktur: Wasserhaltung der RAG AG im gesamten Ruhrgebiet

Bildquelle: RAG/DMT

• dauerhafte Wasserregulierung erforderlich (Gesamtkonzept)

• Nutzung/Ertüchtigung und Erweiterung bestehender Wasserhaltungen

• Wasserhaltung heute meist zwischen 450 bis 1.200 m (Deckgebirge folgend)

• Parallelaufgabe: Minimierung der Ewigkeitslasten

Große Flexibilität bei der Wahl der Anlagenkonzeption im Ruhrgebiet



Systematisierung von Pumpspeicherkonzepten: offenes/ geschlossenes System • geschlossenes System:

• offenes System:

• Kontrolliertes und ertüchtigtes System

• Kein/wenig direkter Kontakt zum Grubengebäude

• Wasserwirtschaftlich geschlossenes System

• (Verluste sind auszugleichen)

• In weiten Teilen kontrolliertes und

ertüchtigtes/ausgebautes System

• Kontrollierter Übergang in das Grubengebäude

• Nutzung/Erweiterung der bestehenden Grubenwasserhaltung

• Wasserwirtschaftlich auf dauerhafte Wasserzufuhr ausgelegtes System



2. Bewertungsmatrix und Standortpräferenz; Workshop – Standortfaktoren; Definierte vorläufige Standorte zur Vertiefung

3. Dimensionierung der M+E Technik; Kavernengröße und –Lage; Anordnung; Workshop Gesamtanlagendefinition: Definition des unteren Speichers

4. Anforderungen an Bau und Betrieb sowie Arbeitsschutzanforderungen

( )

Projektphilosophie: „Nur bewährte Technik, neu ist der Standort“ Vorgehensweise bei der Bearbeitung des technischen Konzepts

1. Bewertung der vorh. Schächte & Strecken sowie der aktiven Bergwerksinfrastruktur

Lage; Zustand; Ertüchtigungserfordernisse Ziel: Möglichst weitgehende Integration vorhandener Infrastruktur







Gliederung



Variantenuntersuchung: Betrachtung von drei Anlagenkonfigurationen

• Variante 1: geschlossenes System, neu-aufgefahrener Speicherring (12-26 km) im Bergwerk Prosper-Haniel; Tiefenlage -581 bis -607 m

• Variante 2: geschlossenes System in der 6. Sohle vom Bergwerk Prosper-Haniel; Tiefe -971 bis -1.008 m

– 2a: Nutzung noch aktiver Strecken (18,1 km, 453.000 m3)

– 2b: Nutzung noch aktiver Strecken und Aktivierung bereits geschlossener Strecken (24,5 km, 611.000 m3)

– 2c: Nutzung des gesamten Streckennetzwerks der 6. Sohle (30 km, 748.000 m3)

• Variante 3: offenes System am Bergwerk Auguste Victoria, Wasserabführung über zentrale Wasserhaltung



Beispielvariante: Speicherkonzept Bergwerk Prosper-Haniel

Variante 1: Neu aufgefahrener Speicherring zwischen der 3. und 4. Sohle. • System ist unbeeinflusst von

äußerem Wasserdruck, da oberhalb der zukünftigen Wasserhaltung

• gezielte Auslegung und Gestaltung

Kenndaten des Speicherkonzepts: • Gesamtlänge: 12 - 26 km • Volumen: 450.000 – 1.000.000 m3

• Fallhöhe: 581-607 m • Leistung: ca. 200 - 250 MW Bottrop



Schacht 10

Schacht 9

Schacht 1/2

Förderberg

Bergwerk Prosper-Haniel: Haniel, Schacht 1 • Druckschacht • Bewetterung

Haniel, Schacht 2 • Kavernenzugang • Entrauchung

Prosper IV, Schacht 9 • Entlüftung • Revision

Prosper II, Förderberg • Bau und Betriebszugang inkl.

Energieableitung und Netzanbindung

Bildquelle: RAG Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bergwerk_Prosper-Haniel



Schacht 10

Schacht 9

Schacht 1/2

Förderberg/ Prosper II

Bergwerk Prosper-Haniel: Haniel, Schacht 1 • Druckschacht • Bewetterung

Haniel, Schacht 2 • Kavernenzugang • Entrauchung

Prosper IV, Schacht 9 • Entlüftung • Revision

Prosper II, Förderberg • Bau und Betriebszugang

inkl. Energieableitung und Netzanbindung

Bildquelle: RAG

Bottrop

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bergwerk_Prosper-Haniel



Kavernenbau

Dimensionierung:

• Kaverne für die Maschinensätze sowie eine separate Transformatorkaverne (in allen verfolgten Anlagenvarianten)

• unterschiedliche Lage und Dimensionierung der Kaverne je nach Konzeption von ein, zwei oder vier Maschinensätzen

– Bestimmung der maximalen und der optimalen Kavernengröße

– Bestimmung der Lage und Orientierung

– Identifizierung der entsprechenden Zugänge

• Auswahl der Methoden und Geräte für den Kavernenbau

Bildhinweis: Bau der Kraftkaverne M II, PSW Vianden, Bauherr RWE



Lage und Größe möglicher Kavernen – Ausarbeitung von Varianten Bewertungskriterien:

• Geologie (Schichtenfolge und Tektonik)

• Spannungszustand

• Raumlage der Kaverne

• Raumlage des Trennflächengefüges zur Kaverne

(Verschneidung)

• Abmessungen der Kaverne

• Anteile fester Gebirgsschichten an den

Kavernenflächen



Untersuchung der Kavernenverortung am Bergwerk Prosper Haniel mit Anbindung an die Schächte Franz-Haniel 1 & 2

3. Sohle; Niveau -487,6 m NN



Abmessungen der Kaverne (Konzept) und Vergleich mit bestehenden Füllorten

- 529 m u.NN

- 505 m u.NN

- 531 m u.NN

Schacht 1

Flöz B1 (41K)

Flöz A (ca. 160K)

Flöz Zollv.1 (ca. 220K+B)

60 m

25

m

NW SO

Kohle

Schieferton (allgemein)

Sandschiefer

Sandstein (allgemein)

Kleintektonik und tektonische Beanspruchungdieses Gebirgsausschnittes sind unbekannt

Je nach Ausbildung der Sandsteinschichten

ist auch eine Überhöhung der Firste möglich

Variante 5A

ca

. 25

m

Schacht 10

7.Sohle

60 m 20 m

25

m



Dimensionierung der Maschinen- und Trafokaverne

Herausforderungen: • Maschinensatzkonfiguration ist von realisierbarer Kavernengröße abhängig • Zugänge für Bau und Wartung (Kranbahnen, Revisionskonzept, Betrieb) • Stabilität der Kaverne bei ausreichender Größe • weitere Kaverne für Transformator notwendig • Kontrolle der atmosphärischen Randbedingungen für den Betrieb und Klimatisierung



Beispielkonzeption der Maschinen und Trafokaverne

Schacht Haniel 1

Schacht Haniel 2

Standort: Betriebsbereich Haniel Schacht Haniel 1 und 2 Verbindung zum Förderberg am Standort Prosper 2 als Zugang Schacht 1: • Druckschacht/-schächte • Bewetterung

Schacht 2: • Kavernenzugang • Entrauchung • Revision

Maschinenkaverne

Druckschacht



Source: RAG

Variante 1

Beschreibung Neue (Speicher-) Sohle Prosper-

Haniel

Gesamtlänge untere Speicherstrecke [km]

15

Volumen unterer Speicher [m3] 600.000

Fallhöhe [m] 581-607

Ausbaudurchfluss [m3/s] 40

Leistung [MW] 215

Energie pro Speicherzyklus [MWh] 880

Geschwindigkeit Maschine [U/min] 564-636

Kavernentiefe [m NN] -550

Spannungsquelle [kV] 13,8

Dauer Speicherzyklus [h] 4,1

Beispielkenndaten einer Variante auf dem Bergwerk Prosper-Haniel

Schacht 1

Schacht 2

Schacht 1/2

Förderberg

Bildquelle: RAG



Querschnitt des Schachtes Franz Haniel 1 mit zwei Druckschächten

Bildquelle: enbw.com

Schacht Franz Haniel 1:

• zwei gepanzerte Druckrohre • teilweise Verfüllung mit Beton und

Verankerung im Gebirge • verbleibender Querschnitt für Nutzung

weiterer Infrastruktur und Rauchabzug/Bewetterung

Dinnen,min = 6,0 m

Verankerungen

Derzeitiger Ausbau, divers

Verfüllung mit Beton

DS1 Ø1,6m

DS2 Ø1,6m

Druckschacht

Wetterschacht/ Infrastrukturleitungen



Lage der im Konzept neu aufzufahrenden Speicherstrecke (Darstellung Grün, aktueller Suchhorizont)



Querschnitte der Ausbaukonzepte für den Ringspeicher

Vortrieb mit TBM Bergmännischer Vortrieb

Temporärer Ausbau (z.B. Ausbaubögen, Spritzbeton, Spieße,…)

Endgültiger Ausbau (Schalbeton, Spritzbeton)

Ca. 6,0 m

Ca. 6,5 m Daußen = 8,0 m Dinnen = 7,0 m

Überprofil; verpresst

mit Mörtel

Tübbinge evtl. Beschichtung



Schacht 1

Schacht 2

Betriebsbereich Haniel Oberbecken könnte auf Betriebsgelände der RAG errichtet werden Schacht 1: • Druckschacht • Bewetterung

Schacht 2: • Kavernenzugang • Entrauchung

Bildquelle: Google Maps

Bildquelle:ZfK



Überlegungen zur Konzeption des Oberbeckens

• Dimensionierung abhängig von

unterem Speichervolumen

(ca. 2-4 ha)

• Verortung auf Betriebsgelände der

RAG möglich, bestehende Nutzung

• Anbindung an 110 kV

Spannungsnetz bereits vorhanden

110 kV Leitung

Schacht 1

Schacht 2

Beispielhafte Anordnung des Oberbeckens



„Woher kommt das Wasser?“ – Wasserwirtschaftliches Rahmenkonzept

WWK – Wasserverband Westdeutsches Kanalnetz

Bildquelle: WSV

Grundlage: Nutzung der bestehenden Brauchwasserversorgungs-kontingente der RAG aus dem Westdeutschen Kanalnetz ergo: keine direkte Anbindung an natürliche Fliessgewässer

Bildquelle: WSV



Überlegungen zur Konzeption zur Energieableitung

Förderberg/ Prosper II

220 kV Leitung

380 kV Leitung

• Mehrere Spannungsebenen in 500

bis 1.000 Meter Entfernung

• Kabelführung von

Maschinenkaverne Trafokaverne

Förderberg über Tage

• Absicherung der

Hochspannungskabel im Förderberg







Gliederung



• Haupteinordnung für Bau und Betrieb in Berg- oder Wasserrecht

Derzeitiger Sachstand: Wasserrecht

• In beiden Systemkonfigurationen (offen/geschlossen) muss die Bereitstellung von Wasser zu Zwecken der Einspeisung und Ausgleich von Verlusten geregelt sein.

Wasserkontingente und Entnahmeentgeld

• Laufende Untersuchung von Anforderungen, die in einem Planfeststellungsverfahren von Bedeutung sind

Untersuchung von Baurecht, Kreislaufwirtschaftsrecht, Bergrecht, Naturschutzrecht, Immissionsrecht, etc.

• Ergebnis dieses Arbeitspaketes: Aufzeigen des bestehenden Rechtsrahmens und des gesetzgeberischen Handlungsbedarfs

Rechtliche Rahmenbedingungen



Fragen zur Akzeptanz eines Großprojektes dieser Art

• Teilaufgabe im Vorhaben ist die Einschätzung eines solchen Großprojektes bezüglich der Akzeptanz der Bevölkerung

• Ausgiebige Untersuchung mittels einer repräsentativen Bevölkerungsbefragung (Stichprobenbasis: 10.000 EW)

• Detaillierte Beschreibung der vorläufigen Ergebnisse Arbeitspaketes folgt im Laufe der Veranstaltung durch den Beitrag des RISP







Gliederung



Anforderungen der Betriebs- und Arbeitssicherheit für Bau und Betrieb

• Betriebssicherheit ist dauerhaft zu gewährleisten

• Konzepte für die Anlagenrevision

• Dauerhafter Umgang mit Gebirgsmechanik

• Gewährleistung der Explosionsschutzanforderungen

• Auslegung der Bewetterung für alle Betriebszustände

• Entrauchungs- und Entfluchtungsmöglichkeiten,

• u. a.



Nachweisführung des Speicherverhaltens mittels numerischer Verfahren

Druckverhältnisse Geschwindigkeitsauswertung – Streamlines

Open FOAM – 3D-Simulation – Bsp. Saugrohr



Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Glückauf!

Quelle: Google Maps

Documents

Sachstand zur Machbarkeitsstudie einer Nachfolgenutzung ... · Pumpspeicherwerke in NRW. Perspektiven für die Region? Prof. Dr.-Ing. André Niemann Essen, 28.01.2013