Deutschland wurde über Jahrhunderte durch den Bergbau geprägt; an vielen ehemaligen Standorten sind durch den Strukturwandel nun teils umfangreiche Nachsorgemaßnahmen notwendig. Doch diese stillgelegten Bergwerke halten zugleich ein erhebliches Potenzial als Energie- und Rohstoffquelle bereit und bieten darüber die Möglichkeit einer steuerbaren, (über-)saisonalen Ein- und Ausspeicherung von Wärme im Sinne von ATES (Aquifer Thermal Energy Storage). Man kann derartige Systeme als eine Art großskalige „Wärme-Akkus“ verstehen, welche den jahreszeitlichen Versatz zwischen Wärmedargebot und -nachfrage (z.B. Kühlen im Sommer; Heizen im Winter) ausgleichen können.

Die weitestgehend künstlich angelegten Bergbau-Hohlräume sind geometrisch i.d.R. sehr gut zu beschreiben. Die hydraulische sowie die hydrochemisch-geochemische Charakterisierung ist untertage direkt realisierbar. Im Vergleich zum nicht-bergbaulichen ATES verringert sich das Fündigkeitsrisiko somit erheblich; dieses ist in natürlichen Grundwasserkörpern oftmals zu hoch für eine effiziente Nutzung von ATES. Allerdings besteht auch beim bergbaulichen ATES noch ein Mangel an hochwertigen, in-situ durchgeführten und hinreichend exakt aufgelösten Untersuchungen in Reallaboren, um die Funktionsweise und den möglichst wirtschaftlichen Betrieb von ATES auch unter ungünstigen Bedingungen (z.B. chemisch aggressive Grubenwässer) umfänglich zu verstehen sowie mögliche Anpassungsmaßnahmen abzuleiten.

Das nun vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte F&E-Projekt MineATES (Juli 2022 – Juni 2025) hat es sich daher zum Ziel gesetzt, diese bestehenden Lücken systematisch zu schließen. MineATES wird hierzu die notwendigen Grundlagen und Anforderungen an das Systemverständnis herausarbeiten, welche für eine fachlich korrekte und zugleich wirtschaftliche Nutzung von bergbaulichen ATES für geothermische Zwecke notwendig sind. Am Vorhaben MineATES beteiligt sind u.a. die drei Wissenschaftler Prof. Dr. Traugott Scheytt, Prof. Dr. Thomas Nagel und Dr.-Ing. Thomas Grab von der Technischen Universität Bergakademie Freiberg (TU BAF), sowie die DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH, vertreten durch Dipl.-Wi.-Ing. Thomas Wenzel. Weitere Akteure sind das Sächsische Oberbergamt sowie Betreiber von gezielt für die Untersuchungen ausgewählten (ehemaligen) Bergbaustandorten.

Die Untersuchungen im Projekt MineATES finden primär in der Silbergrube Reiche Zeche Freiberg statt (Abb. 1) – dem weltbekannten Lehr- und Forschungsbergwerk der TU BAF. Mit der Reichen Zeche verfügt die Bergakademie über ein mit 30 Teillaboren umfassend ausgerüstetes, tiefes Reallabor für u.a. geothermische Untersuchungen. Weitere Referenzuntersuchungen sind in der Zinngrube Ehrenfriedersdorf und in der Steinkohlengrube Lugau/Oelsnitz vorgesehen.

Besondere Projektschwerpunkte von MineATES (Abb. 2) liegen zum einen auf Monitoring-Untersuchungen zu den thermischen, hydraulischen und hydrogeochemischen Auswirkungen von ATES im Bergwerk sowie auf der Bewertung der Beständigkeit der Wärmeübertrager-Technik als essenzielle Untertage-Übertage-Schnittstelle und wichtiges Bindeglied im Kontakt zu Grubenwässern. Hierzu werden technische Pilotskala-Versuche zur Ein- und Ausspeicherung der Wärme sowie zu ATES-Betriebsszenarien (Heiz- und Kühlzyklen) durchgeführt. Zum anderen werden adaptive numerische Modelltools zur Abbildung der Prozesse im Bergwerk und zur Identifikation optimaler Betriebsparameter entwickelt. Komplementär dazu werden GIS-gestützte Analysen zur Bewertung der äußeren Randbedingungen durchgeführt; dies bezieht die Erfassung des Wärmedargebots und der Wärmenachfrage im Untersuchungsgebiet Freiberg mit ein, aber auch die Möglichkeiten der Verteilung. Auf kombinierter Grundlage aller Erkenntnisse, und unter Berücksichtigung gesetzlicher Anforderungen, wird abschließend ein Kriterienkatalog zur Ableitung von Planungs- und Monitoring-Handlungsempfehlungen erarbeitet werden. Dieser soll es planerischen und ausführenden Institutionen nach Projektende ermöglichen, die Bewertung eines Standorts anhand klarer Kriterien hinsichtlich ihres Potenzials als Wärmespeicher durchzuführen.