Projekt 08545/01

Entwicklung, Erprobung und Demonstration eines Verfahrens zur energetischen Verwertung methanhaltiger Grubengase

Projektträger

G.A.S. Energietechnik GmbH
Hessenstr. 57
47809 Krefeld
Telefon: 02151/5255-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Grubengas besteht hauptsächlich aus Methan, Kohlendioxid und Stickstoff. Nach der Stilllegung einer Zeche wird das Gas weiterhin freigesetzt und kann gezielt durch in die verfüllten Schächte eingelassene Rohre abgeführt werden oder auch in manchen Fällen durch die Gesteinsschichten zur Oberfläche diffundieren. Methan ist ein sehr starkes Treibhausgas, dessen Potenzial 21mal höher ist als das von Kohlendioxid. Eine Umsetzung von Methan zu Kohlendioxid hat also eine deutliche Umweltentlastung zur Folge.
Das Ziel des Demonstrationsprojektes war es zu zeigen, dass es möglich ist, das Grubengas ständig dem alten Bergwerk zu entnehmen und einer energetischen Nutzung zuzuführen. Die Versuchsergebnisse sollten Aufschluss darüber geben, ob die Versorgung des Motors mit Grubengas unterbrechungsfrei möglich und die Gaszusammensetzung für die motorische Verwertung geeignet ist. Des Weiteren sollte auch die Auswirkung des Anlagenbetriebs auf die Atmosphäre untersucht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden zunächst Untersuchungen der Gasqualität und der verwertbaren Gasmengen durchgeführt. Die Gasanalysen haben ergeben, dass das Gas der motorischen Nutzung zugeführt werden kann. Es wurde zunächst eine Blockheizkraftwerksanlage mit 374 kWel installiert. Die ersten Monate des Betriebs galten der Optimierung der Anlagenfahrweise, der Anlagensteuerung und der Motorenleistung. Gleichzeitig wurden die ersten Betriebsergebnisse mit der bis dahin zum ersten Mal im Grubengasbereich installierten Verdichterstation auf Basis eines Drehkolbenverdichters erzielt.
Es wurden kontinuierlich Grubengasanalysen vorgenommen und die Betriebsparameter beobachtet. Die ersten Ergebnisse waren vielversprechend, so dass die Anlage nach ca. 1,5 Jahren auf eine Nennleistung von 941 kWel ausgebaut wurde.
Während des gesamten Anlagenbetriebes wurden außer der kontinuierlichen Betriebsdatenerfassung auch Rohgasanalysen und Abgasmessungen vorgenommen. Die Auswertung der Daten war Grundlage für die Berechnung der in Kohlendioxid-Äquivalenten erreichten Umweltentlastung und die Bewertung des Anlagenbetriebs.


Ergebnisse und Diskussion

Nach einiger Verzögerung in der Genehmigungsphase des Demonstrationsprojektes wurden mit dem Betrieb der Anlage durchweg gute Erfahrungen gemacht.
Die Gasförderung mit Drehkolbenverdichter hat sich als sehr zuverlässig erwiesen. Betriebsstörungen wurden von der Förderanlage nicht verursacht. Der Einbau einer Wasserabscheidung erwies sich am Standort Minister Achenbach 4 als nicht notwendig. Die bis direkt vor dem Verdichter stetig steigend verlegte Rohrleitung leitet entstehendes Kondensat sicher wieder in den Schacht zurück. Auch auf der Druckseite des Verdichters fällt kein Kondensat an, da die Verdichtungswärme ausreicht, den Wassergehalt des Gases in der Dampfphase zu halten. Mit der bei dieser Demonstrationsanlage gewählten und für sicherheitstechnisch ausreichend begutachteten Gasförderanlage wurde ein exemplarischer Standard geschaffen, der für nachfolgende Anlagen eine technische Lösung aufzeigt. Neben einer hohen Anlagen- und Betriebssicherheit wird mit dieser Konzeption eine preiswerte Gasförderanlage demonstriert, die zudem auch einen niedrigen elektrischen Eigenbedarf aufweist.
Die Beurteilung der Qualität und der Verfügbarkeit von Grubengas war auch eines der Projektziele. Während des Betriebs ist die Methankonzentration der Gase kontinuierlich von 55 auf ca. 70 Vol% gestiegen. Das Gas ist weitgehend sauerstofffrei. Anorganische und organische Spurenstoffe sind in Mengen von weniger als 50 ppm nachweisbar. Die Gasqualität ist also sehr gut geeignet für die motorische Nutzung. Es wurde ferner festgestellt, dass das Gas trotz des weiterhin steigenden Wasserstandes der Zeche zu entnehmen war. Der Grubendruck ist jedoch nach dem Absaufen der obersten Sohle unter der Schachtverfüllung stark gesunken und sinkt kontinuierlich weiter.
Durch die Anpassung der Motorsteuerung und des Gasmischsystems konnten bereits im ersten Betriebsjahr mehr als 7.000 Betriebsstunden erzielt werden. Die Schwierigkeiten der ersten Betriebsmonate mit erhöhten Ausfallzeiten waren im Wesentlichen auf Undichtigkeiten des Rohrleitungssystems zurückzuführen. Die guten Betriebserfahrungen des ersten Jahres waren Anreiz für die Umrüstung der Motorenanlage auf eine Nennleistung von 941 kWel. Die Anlage arbeitet mit ihrer Sollleistung und weist mit den geleisteten Betriebsstunden eine gute Zuverlässigkeit auf.
Die Emissionen der Blockheizkraftwerksanlage wurden kritisch beobachtet. Die Analysen ergaben, dass sie alle Anforderungen der TA-Luft erfüllen.
Die erzielte Umweltentlastung wurde durch die Umrechnung der eingesparten Menge an freigesetztem Methan in Kohlendioxid-Äquivalenten dargestellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Anlage am Schacht Minister Achenbach 4 wurde in vielen Fachvorträgen des Kompetenzfeldes Schwachgasnutzung des Fraunhofer UMSICHT erwähnt. Besonderes Interesse fanden die im Rahmen des Projektes durchgeführten Oberhausener Grubengastage. An der zweitägigen Veranstaltung nahmen ca. 150 Personen teil. Weitere Präsentationen des Themas Grubengasnutzung im Radio und Fernsehen steigerten das Interesse von Behörden und Wirtschaft an diesem Thema.
Des Weiteren wurde das Konzept der Grubengasnutzung und die Demonstrationsanlage in Lünen im Rahmen eines Projektes Jugend und die Umwelt mit den Gymnasiasten aus Stralsund und der Frankfurter Allgemeine Zeitung der Öffentlichkeit dargestellt.


Fazit

Das Ziel des Projektes, die energetische Nutzung von Grubengas an einem alten Bergwerk zu demonstrieren, ist voll erfüllt. Die Versuchsergebnisse belegen, dass die Versorgung des Motors mit Grubengas unterbrechungsfrei möglich und die Gaszusammensetzung für die motorische Verwertung unproblematisch ist. Die durchgeführte Abgasmessung ergab, dass die Emissionsgrenzwerte dieser Anlage sogar ohne zusätzliche Sekundärmaßnahmen erheblich unter den zulässigen Grenzwerten lagen.
Die durch den Anlagenbetrieb in der Zeit vom 17.01.99 bis 30.05.01 vermiedenen Treibhausgasemissionen von insgesamt 38.020 t CO2 also 2,65 Mio. m3 zeigen deutlich die erzielte Umweltentlastung.
Durch den Erfolg des Vorhabens konnten viele Anreize für die Entwicklung von Folgeprojekten gegeben werden. Wir gehen davon aus, dass innerhalb der nächsten 2 Jahre die Grubengasnutzung an der Ruhr so sehr intensiviert wird, dass eine äquivalente CO2-Emissionsersparnis von 2 bis 3 Mio. t/a erreicht wird.