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Grubengas

Grubengas ist eine Folge und eine Begleiterscheinung des Untertagebergbaus. Beim Steinkohlebergbau handelt es sich hauptsächlich um Methan (CH4), beim Erzbergbau um das radioaktive Edelgas Radon.

Zusammensetzung des Grubengases
Bestandteil unverritzte Kohle aktives Bergwerk stillgelegte Schächte
Methan (CH4) 90 - 95 Vol.-% 25 - 60 Vol.-% 30 - 95 Vol.-%
Kohlendioxid (CO2) 2 - 4 Vol.-% 1 - 6 Vol.-% 1 - 15 Vol.-%
Kohlenmonoxid (CO) 0 Vol.-% 0,1 - 0,4 Vol.-% 0 Vol.-%
Sauerstoff (O2) 0 Vol.-% 7 - 17 Vol.-% 0 Vol.-%
Stickstoff (N2) 1 - 8 % 4 - 40 % 5 - 32 %

Vor etwa 300 Millionen Jahren waren große Teile Nordwesteuropas mit einem Meeresbecken überdeckt. Das flache Meer verlandete und es bildeten sich Moorlandschaften. In dem feucht-warmen Klima gerieten abgestorbene organische Pflanzenmaterialien unter die Wasseroberfläche. Unter Luftabschluss folgte die Vertorfung. Auf dieser Schicht setzten sich wieder Sedimente ab. Dieser Prozess wiederholte sich mehrfach und führte zu der Flözstruktur. Durch den Druck der abgelagerten Sedimentschicht setzte eine Inkohlung ein. Kohlenstoff und der im organischen Material enthaltene Wasserstoff bildeten das Methangas. Je nach der Durchlässigkeit der Deckschichten verblieb das Methan als Flözgas in der Kohle.

Das Grubengas ist das Flözgas, das durch den Bergbau und das daraus resultierende Verritzen der Kohle freigesetzt wird. Der Kohleabbau führt zu einer Auflockerung und Druckreduzierung der Flöze mit der Folge, dass das Methangas in die bewetterten Strecken von Bergwerken hineindiffundiert und die Wetter sich mit Methan anreichern. Zur Vermeidung einer gefährlichen explosiblen Konzentration von Methan in den Wettern wird das Gas aus den Flözen vor dem Abbau durch Anlegen eines Unterdrucks abgesaugt. Daneben werden auch nicht mehr genutzte und durch Dämme abgetrennte Strecken an die Absaugung angeschlossen. Dieses abgesaugte Gas wird als Grubengas bezeichnet. Da die Bohrungen, Abdämmungen und auch die Rohrleitungsverbindungen nur bedingt dicht zur bewetterten Strecke abgetrennt sind, wird immer ein erheblicher Luftanteil mit angesaugt. Daher hat das Grubengas aus aktiven Bergwerken immer einen hohen Luftgehalt; das Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff entspricht der Zusammensetzung der Atmosphäre. Die zulässige Untergrenze des Methangehaltes liegt bei 22 Vol.%, da bei geringeren Werten eine Abschaltung der Absaugung erfolgt. Damit soll vermieden werden, dass die obere Explosionsgrenze (OEG) von Methan (15 Vol.-%) unterschritten wird und dann ein explosives Gasgemisch gefördert wird. Diese Form der Gasabsaugung wird als Starkgasabsaugung bezeichnet, da die Konzentration des Methans über der oberen Explosionsgrenze liegt. Die Vorschriften zum Explosionsschutz müssen beachtet werden.

Das aus stillgelegten Schächten abgesaugte Gas hat eine deutlich andere Zusammensetzung. Da aufgrund der eingestellten Bewetterung kein direkter Zugang von Luft zum Kohlenflöz mehr besteht, enthält dieses Grubengas kaum freien Sauerstoff. Der Sauerstoff, der beim Abbau der Kohle oder nach Stilllegung des Bergwerkes durch offene Schächte in die bestehenden Hohlräume eingedrungen ist, reagiert mit dem Kohlenstoff zu CO2. Neben dem Methan enthält dieses Gas somit den im CO2 gebundenen Sauerstoff und den molekularen Stickstoff.

Im Steinkohlebergbau kann eine unzulässig hohe Konzentration von Grubengas in den Wettern zu einer Schlagwetterexplosion führen. Durch die Bewetterung der Grubenbaue wird der Methangehalt unter 1 % gehalten, so dass keine explosionsfähigen Gemische entstehen können. Ein explosionsfähiges Gemisch entsteht bei einem Methangehalt von 4 bis 15 Vol.-% in der Luft.

Sämtliche elektrischen Anlagen in den Untertageanlagen des Steinkohlenbergbaus müssen schlagwettergeschützt ausgeführt sein. Zugelassene schlagwettergeschützte elektrische Geräte dürfen keine Funken erzeugen oder Oberflächentemperaturen haben, die ein explosionsfähiges Methan-Luft-Gemisch zünden können.

Das Volumen des Grubengasausstritts in der Bundesrepublik pro Jahr wird auf rund 1,5 Milliarden m³ geschätzt.

Energetische Nutzung

Grubengas als gefährliches explosionsfähiges Gas wird aus den untertägigen Bereichen der Zechen durch den Wetterstrom verdünnt. Die Wetter werden durch Grubenlüfter nach Übertage abgesaugt und in die Atmosphäre abgeleitet. Durch Wetterkurzschlüsse, schlecht bewetterbare Strecken oder beim Abbau plötzlich austretender hoher Methangasmengen kam es in der Frühzeit des Bergbaus oft zu Schlagwetterexplosionen. Oft folgten der Gasexplosion aufgrund des aufgewirbelten Kohlenstaubes Staubexplosionen, die noch eine wesentlich verheerendere Wirkung haben und zu Verletzungen und Todesfällen führen.

In Verbindung mit zunehmender Mechanisierung des Steinkohlenbergbau und dem einhergehenden größeren Anfall von Methan im Wetterstrom begann man in den 40er Jahren das Gas gezielt abzusaugen. Dafür wurden Bohrlöcher von den Abbaustrecken her in das Flöz gebohrt. Diese Bohrungen werden an eine Gassammelleitung angeschlossen über die das Grubengas nach Übertage gefördert wird. Gassauger sind meistens übertage aufgestellt und fördern das Gas über Flammendurchschlagsicherungen an die Atmosphäre oder einer Gasverwertungsanlage zu. Als Gassauger werden Drehkolbengebläse oder Wasserringpumpen eingesetzt. Die Absaugung ist nur freigegeben, wenn die untere Explosionsgrenze mit einem Sicherheitszuschlag (min. 22 Vol.-% Methan) nicht unterschritten wird.

Die Verwertung von Grubengas erfolgte zunächst ausschließlich durch die Verbrennung des Gases in Dampfkesseln. Grubengas fiel aber in sehr unterschiedlicher Menge an. Außerdem ist der Gasgehalt der Flöze stark schwankend, und eine Gasabsaugung wurde wegen des Aufwandes nur dann an einer Abbaustrecke installiert, wenn eine nicht ausreichende Verdünnung des Grubengases im Wetterstrom prognostiziert wurde. Da die Gasverwertung nicht unternehmerisches Ziel der Zechen war, stand die anfallende Gasmenge in keiner Relation zu möglichen Verwertbarkeit. Entweder musste die Kesselanlage mit zugekauftem Erdgas beheizt werden oder überschüssiges Gas wurde Übertage an der Atmosphäre abgefackelt.

Erste weitergehende Grubengasnutzung mit Stromerzeugung wurde auf der Zeche Haus Aden 1/2 in Oberaden bei Bergkamen in den 80er Jahren vorangetrieben. Das Grubengas wurde auf 12 bar verdichtet und in einer Gasturbine mit angetriebenen elektrischen Generator verbrannt und somit zur energetisch hochwertigen Stromerzeugung genutzt. Auf der Zeche Ewald 3/4 (Herten) wurde das abgesaugte und verdichtete Gas einem Motorheizkraftwerk der Stadtwerke Gelsenkirchen zugeleitet und zur Stromerzeugung genutzt.

Bis in die 80er Jahre wurden die stillgelegten Schächte des Steinkohlenbergbaus mit Lockermassen verfüllt. Das durch die Schachtfüllsäule mitrierende Gas strömt bis zur Schachtplatte und wird von dort über eine eingebrachte Rohrleitung an die Atmosphäre geleitet. Die Mündung der Entgasungsleitung ist mit einer dauerbrandsicheren Flammendurchschlagsicherung versehen. Je nach Luftdruckbedingungen strömt entweder Grubengas an die Atmosphäre oder es wird Luft angesaugt. Die Entgasungsleitung wurde errichtet, um ein unkontrolliertes Ausströmen von Grubengas zu vermeiden. Es besteht nämlich die Gefahr, dass sich das Gas in Kellerräumen gefährlich anreichern kann. Später verfüllte Schächte wurden mit betonhaltiger und somit dauerstandfester kohäsiver Füllmasse verschlossen, um den oftmals auftretenden Abgang der Füllsäule auszuschließen. Meistens wurden vorhandene Schachtrohrleitungen durch die Füllsäule genutzt, um die angesammelten Grubengase abzuleiten. Allerdings war die Ausführung z. B. durch fehlenden Anschlüsse zu den abgedämmten Sohlen oder den geringen Rohrleitungsquerschnitt nicht für eine Gasnutzung optimiert. Oft ist die nutzbare Gasmenge aufgrund des erreichbaren Unterdrucks und des mit steigendem Gasstroms steigenden Druckabfalls in der Rohrleitung begrenzt.

Die Wirtschaftlichkeit der Nutzung von Grubengas aus stillgelegten Schächten wurde lange Zeit bezweifelt. Es gab einige Schächte, aus denen bei Tiefdrucklagen merkliche Mengen Grubengas ausströmten. Erkennbar ist dies durch Strömungsgeräusche und Schlierenbildung in der Atmosphäre aufgrund unterschiedlicher Lichtbrechung. Das erste Projekt zur energetischen Nutzung von Grubengas wurde 1997 durch die Stadtwerke Herne in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut Umsicht initiiert. An dem stillgelegten und mit einer Entgasungsleitung ausgestatteten Schacht Mont Cenis 3 in Herne-Sodingen wurde eine Grubengasabsauganlage errichtet. Das Gas kann 2 Jenbacher-Gasmotoren zugeführt werden. Die elektrische Leistung jedes Moduls beträgt 253 kW elektrische und 378 kW thermische Leistung. Die Motorenabwärme kann an dem Standort (Akademie Mont Cenis) direkt genutzt werden. Der erfolgreiche Betrieb führte im Ruhrgebiet in der Folgezeit zu einem Boom bei der energetischen Nutzung von Grubengas. Diese Entwicklung wurde weiter forciert, da die Anlagen nach dem (Erneuerbare-Energien-Gesetz - EEG) gefördert werden. Methan als Hauptbestandteil des Grubengas hat einen 21-fach stärkeren Treibhauseffekt als CO2. Daher trägt die Verbrennung des Grubengases auch zur Verringerung des Treibhauseffektes bei.

In den meisten Fällen sind die Grubenabsauganlagen und Gasmotoren in mobilen Container eingebaut. So können die Standorte der Anlagen bei Versiegen der Gasquelle geändert werden.