Gutes Klima unter Tage

Untertägige Klimatisierung des Bergwerks Pniowek

Die dezentralen Kälteanlagen im Kohlenbergwerk Pniowek reichten nicht mehr aus, um die Grube zu bewettern und angemessene Arbeitsbedingungen zu schaffen. Eine moderne, grubengasbefeuerte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung sorgt nun für das richtige Klima unter Tage.

18. Mai 2001

Das zum polnischen Grubenkonzern Jastrzebie Spolka Weglowa (JSW) gehörende Kohlenbergwerk Pniowek liegt etwa 15 km von der oberschlesischen Stadt Jastrzebie entfernt. Das Bergwerk wurde 1974 in Betrieb genommen und ist mit einer Tagesfördermenge von über 14.000 t Kokskohle des Typs 35,1 eine führende Abbaustätte der JSW. Der Abbau dort ist mit vielfältigen Gefahren verbunden, unter anderem verursacht durch den weltweit höchsten Methangehalt der Kohle. Während des Abbaus fallen auf Pniowek jährlich etwa 126 Mio. m3 Methangas an. Der Explosionsgefahr wird einerseits durch Verdünnung des Methans durch Bewetterung, andererseits durch Methangasabsaugung entgegengewirkt. Darüber hinaus erfolgt der Kohleabbau unter sehr schweren klimatischen Bedingungen.

Kohleabbau unter harten Bedingungen

Die früher angewandten vorbeugenden Maßnahmen zur Verbesserung der klimatischen Verhältnisse sind im Wesentlichen eine intensivere Bewetterung der Abbaustätten sowie dezentral in den Streben und Vortrieben eingesetzte Kälteanlagen. Die insgesamt installierte Kälteleistung von 2.400 kW war nicht ausreichend und der technische Aufwand sehr kostenintensiv. Um die Wirtschaftlichkeit des Bergwerks Pniowek und somit auch die Arbeitsplätze der Belegschaft langfristig zu sichern sowie die Förderkosten zu senken, hat die JSW nach alternativen Lösungen gesucht.

Neben der bereits zuvor beschriebenen dezentralen, untertägigen Kühlung besteht die Möglichkeit, mittels zentraler übertägiger Kälteanlagen, eine auch für die Zukunft ausreichend große Menge an Kühlmedium, meist Wasser, zu erzeugen. Das Wasser wird nach Untertage gefördert, über ein verzweigtes Rohrnetz den an exponierten Stellen angeordneten Wasser-/Luftwärmetauschern, auch Wetterkühler genannt, zugeführt und entzieht dort den Wettern seine Wärmeenergie. Das erwärmte Wasser wird anschließend nach über Tage gefördert und der Kreislauf beginnt von Neuem. Vorteile der übertägigen Kälteanlagen sind die einfache Energieversorgung, die weniger energieintensive Ableitung der Kondensationswärme an die Umgebung sowie die relativ einfache Erweiterung durch modularen Aufbau.

Mitte der neunziger Jahre wurde von den Verantwortlichen der JSW der Entschluss gefasst, auf Pniowek eine übertägige, modular aufgebaute Kälteanlage mit einer Gesamtkälteleistung von etwa 5 MW zu bauen. Für die erste Ausbaustufe mit einer Kälteleistung von 2,5 MW wurde unter Tage ein etwa 16 km langes Rohrleitungsnetz mit fünf Wärmetauschern installiert. In der zweiten Ausbaustufe wird das Rohrnetz erweitert und die Zahl der Wetterkühler verdoppelt.

Energieerzeugungsanlage ist über Tage aufgestellt

Der Energiedienstleister Saarberg-Fernwärme GmbH (SFW), ein Unternehmen des deutschen Ruhrkohle-Konzerns (RAG), erhielt im Dezember 1998 von der JSW- Energiegesellschaft, der Spolka Energetyczna Jastrzebie (SEJ), den Auftrag für den Bau der neuen Kälteanlage. Die in Saarbrücken ansässige SFW konnte sich zusammen mit ihrer Tochtergesellschaft SFW-Energia, Gliwice, insbesondere durch das offerierte Anlagenkonzept bei der Auftragsvergabe gegen namhafte europäische Wettbewerber durchsetzen.

Die Gesamtanlage besteht aus zwei parallel geschalteten, nahezu identischen Modulen, im weiteren Ausbaustufen genannt, wobei in der Endausbaustufe eine untertägige Kälteleistung von 5 MW mit einer Kaltwasservorlauf- beziehungsweise Kaltwasserrücklauftemperatur von 1,5 beziehungsweise 18 °C zur Verfügung stehen.

Anfallendes Grubengas als Brennstoff genutzt

Das Außergewöhnliche dieses Projektes ist die Art der Kaltwassererzeugung, die durch eine Reihenschaltung von zwei Absorptionskältemaschinen (AKM) und einer Kompressionskältemaschine (KKM) realisiert wird. Die Wärme für den Antrieb der AKM wird in einem ebenfalls je Ausbaustufe gelieferten motorischen und grubengasgefeuerten Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Leistung von 3,2 MWel elektrisch und 3,5 MWth erzeugt. Die Nutzung des Abfallproduktes Grubengas als Brennstoff für die komplette Energieerzeugung bedeutet eine Reduzierung des Grubengasabfackelns um rund 8 Mio. m3/a.

Im Vergleich zu bislang ausgeführten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungs-(KWKK)- Anlagen wird im vorliegenden Fall die Motorkühlwasserwärme mit einer Temperatur von 85 °C (Warmwasser) ausschließlich der AKM1 zugeführt. Die AKM2 nutzt die komplette Motorabgaswärme bei einer Temperatur von 125 °C (Heißwasser). Im Fall der BHKW-Wärmeeinspeisung in das Grubenheiznetz können beide Wasserkreisläufe gekoppelt werden, um die gewünschte Vorlauftemperatur von 125 °C einzuhalten.

Für den optimalen ökonomischen und ökologischen Anlagenbetrieb wurden fünf Betriebsfälle realisiert, die dazu einen kontinuierlichen und nahezu unterbrechungsfreien Volllastbetrieb der Kälteanlage bei Teillast oder Stillstand der BHKW ermöglichen. Dies gewährleistet einen Brennstoffausnutzungsgrad von etwa 80 % für alle Betriebsfälle.

Beim Einsatz einer Brennstoffenergie von 8.442 kW, Grubengas mit einem CH4-Gehalt von 50 Vol.-% vorausgesetzt, werden insgesamt etwa 80 % der Brennstoffenergie in Strom und Wärme umgewandelt. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt dabei rund 38 %, der thermische etwa 42 %. Die elektrische Stromerzeugung liegt somit bei rund 3.200 kW.

Kälteerzeugung aus Wärme senkt Strombedarf

Bei einem Eigenbedarf der KWKK-Anlage von insgesamt 394 kW können etwa 2.800 kW in das Grubennetz eingespeist werden. Der Strombedarf der KKM liegt nur bei etwa 160 kW, da 80 % der Gesamtkälteleistung von 2.850 kW thermisch erzeugt werden. Würde man die Gesamtkälteleistung ausschließlich mittels KKM erzeugen, so würde man etwa die vierfache elektrische Energie benötigen, eine KKM-Leistungsziffer von 4,5 vorausgesetzt.

Die Jahresbilanz unter Annahme von 8.000 Vollastbetriebsstunden ergäbe einen CO2- Ausstoß von rund 43.200 t/a für ein Kohlekraftwerk. Dieser Wert liegt um rund 50 % höher als der Ausstoß der KWKK-Anlage. Die SO2-Emission für die KWKK-Anlage ist null, da kein Schwefel im Grubengas enthalten ist. Im Fall des Kohlekraftwerks beträgt die absolute Freisetzung rund 230 t/a SO2 (Rohemission).

Betriebsparameter laut Vertrag erreicht

Die Inbetriebnahme der Ausbaustufe 1 wurde planmäßig im Mai 2000 begonnen, der 72-stündige Probebetrieb konnte am 12. Juni 2000 erfolgreich beendet werden. Während des Inbetriebnahme- und Probebetriebzeitraumes hat sich gezeigt, dass die Anlage die vertraglichen Betriebsparameter erreicht und die angenommenen Betriebsfälle problemlos gefahren werden können. Die KWKK-Anlage auf der Grube Pniowek bietet somit ein überaus weites Spektrum an Betriebsmöglichkeiten und sichert rund um die Uhr die Kälteversorgung.

Der Beitrag enstand auf Basis eines Manuskripts

von Dipl.-Ing. Bernard Barteczko, Prokurist der SFW-Energia Sp. z.o.o.;

Dr.-Ing. Stanislaw Nawrat, Technischer Vorstand der Jastrzebska Spolka Weglowa S.A.;

Ing. Henryk Rzepski, Vorstandsvorsitzender der Spolka Energetyczna „Jastrzebie“ S.A. und

Dr.-Ing. Jürgen Schöler, Projektleiter Pniowek und Leiter der Abteilung Wärmetechnik der Saarbrg-Fernwärme GmbH

Erschienen in Ausgabe: 12/2000