Kohlebrand - Innovative Technologien zur Erforschung, Löschung und Überwachung von Kohlebränden in Nord China
Das LIAG beteiligt sich seit 2003 an einem BMBF Verbundvorhaben zur Bekämpfung von untertage Kohlebränden in China. In der ersten Projektphase stand das Prozessverständnis der Kohlebrände im Vordergrund der wissenschaftlichen Untersuchungen. Das LIAG hat als Zielsetzung in dieser ersten Projektphase als Schwerpunkt die Brandsimulation durch numerische Berechnungen bearbeitet. Begleitend wurden geothermische Messungen in den Brandgebieten durchgeführt. Hierzu wurden auch neue Hochtemperatur-Messtechniken entwickelt.
Ein wesentliches Ziel der in der zurzeit laufenden Projekt Phase B im Institut durchgeführten Arbeiten ist die Gewinnung von Kenntnissen zur Effizienz von Löschmethoden. Das Institut konzentriert sich dabei auf die experimentelle und numerische Untersuchung von veränderten Transportphänomenen (Wärme und Gas), die im Zuge von Löschaktivitäten auftreten. Hier wird insbesondere auf die Verminderung von Sauerstofftransport durch großräumige Abdeckung an der Bodenoberfläche und die Abdichtung von Brandherden gegen Sauerstoffzufuhr eingegangen. Als innovatives Löschverfahren wird die Injektion von Salzwasser vorgeschlagen. Durch die Verwendung von Salzwasser wird sowohl der Brandherd gekühlt als auch abgedichtet, so dass sich hierdurch zwei Effekte kombinieren lassen.
Numerische Modellrechnungen verfolgen das Ziel, die Verwendung verschiedener Abdeck- und Abdichtungsmaterialien im Hinblick auf deren Löscheffizienz zu prognostizieren. Besonderes Ziel ist dabei, ein hohes Maß an Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf ähnliche Löschszenarien sicher zu stellen. Die Modellrechnungen orientieren sich an den begleitenden experimentellen Untersuchungen. So werden Abdichtungsversuche mit Salzwasser durchgeführt aus denen sich Parameter (Permeabilitäten) ergeben, die den Abdichtungsfortschritt beschreiben.
Aufbauend auf die in der laufenden Projektphase durchgeführten Berechnungen sind Mehrphasenströmungen im Umgebungsgestein Gegenstand numerischer und experimenteller Untersuchungen. Mehrphasenströmungen treten infolge von Fluid-injektionen auf, da hier die gleichzeitige Strömung von Wasser und Gas (eingeschlossen Wasserdampf) auftritt. Prognostische Modellrechnungen verfolgen das Ziel, die infolge von Fluidinjektionen auftretende Energieabgabe zu bestimmen, um daraus die notwendige Dauer einer Injektion ableiten zu können, bis ein Brandherd genügend gekühlt ist. Diese Modellrechnungen werden durch Vorort-Untersuchungen ergänzt. Aus den Vorort-Untersuchungen lassen sich zum einen hydraulische Parameter als Eingabegröße ins numerische Modell ableiten (WP 3160). Zudem gestatten das Temperaturmonitoring während der Löschaktivitäten (link) in Bohrlöchern, die benachbart zur Injektionsbohrung abgeteuft wurden, Aussagen über die Wasser- und Dampfausbreitung, sowie die erzielte Auskühlung. Schliesslich gibt das Hochtemperaturlogging unmittelbar vor der Löschaktion Auskunft über die Energieausbreitung im Umgebungsgestein, die infolge des Kohlebrandes erfolgt ist. Die Energieausbreitung ist einerseits entscheidend für die Festlegung der Injektionsdauer.
Weiterhin werden Löschaktivitäten unterstützt und begleitet, um die vorher gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse in die Praxis zu übertragen. Die zusätzliche Durchführung von Vorort-Modellierungen ermöglicht die interaktive Optimierung der durchgeführten Löscharbeiten.
Die Nachhaltigkeit verwendeter Löschaktivitäten ist weiterer Untersuchungsgegenstand. Hier verfolgen Modellrechnungen das Ziel, die weitere Entwicklung des gelöschten Flözes in Abhängigkeit der vorangegangenen Aktivitäten zu prognostizieren. Gefahrenpotentiale für Wiederentzündung werden hier erkannt. Hierbei kommt der modellmäßigen Betrachtung von später auftretenden Rissbildungen in Abdeckungen und Versiegelungen eine besondere Bedeutung zu. Neben den Rechnungen informiert Temperaturmonitoring über den nachträglichen Temperaturverlauf.
Schließlich ist Wasser das weltweit (so auch in China) am Häufigsten eingesetzte Löschmittel, so daß sich das Institut ergänzend mit den Grundwasservorkommen im Untersuchungsgebiet beschäftigt. Die Erarbeitung eines Grundwassermodells steht daher mit im Zentrum der Arbeiten. Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung von Möglichkeiten zur nachhaltigen Nutzung von Grundwasservorkommen, wobei hier die Sicherstellung ausreichender Trinkwasservorkommen bei gleichzeitigen Löschwasserentnahmen wesentlicher Gegenstand der Untersuchungen ist. Es wird untersucht, welche Auswirkungen die Entnahme von Löschwasser (Salz- oder Süßwasser) auf das Grundwasserreservoir hat, um dann die Entnahme gegebenenfalls optimieren zu können.