Grubenwasser ist nach BURGHARDT et al. (2017) alles Wasser, das mit Tief- und Tagebauen in Kontakt steht oder stand. Dabei handelt es sich überwiegend um natürliches Wasser in Form von Sicker- und Grundwasser. Der Beitrag gibt einen Einblick über die vielfältigen Möglichkeiten, Grubenwasser als Georessource, Wertstoffstrom, Energie- und Wärmespeicher zu verstehen und zeigt deren Nutzung und Anwendung an konkreten Beispielen in ehemaligen Bergbaurevieren in Deutschland und Europa auf.

Vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels wird das Potenzial bergbaulicher Wässer sowohl für die Sicherung der Wasserversorgung vorgestellt als auch im Hinblick auf extreme Klimaereignisse thematisiert und an ausgewählten Standorten konkretisiert. Neben dem Grubenwasser erfolgt auch ein Exkurs zum Polderwassermanagement im Ruhrgebiet und dessen möglichen Beitrag für eine blau-grüne Infrastruktur im urbanen Raum.

Für das Gelingen der Energietransformation braucht es Energiespeicher. Dieses gilt insbesondere für die erneuerbaren Energien. Am Beispiel des Ruhrgebiets wird das Potenzial als Energie- und Wärmespeicher im Grubenwasser aufgezeigt und diskutiert.

Ferner braucht es Ressourcen für die Energietransformation. Dieses betrifft bekanntlich Lithium, aber auch eine Vielzahl weiterer so genannter kritischer Rohstoffe. Selbst Magnesium gehört inzwischen zu den benannten kritischen Rohstoffen der Europäischen Kommission (2023). Hierzu werden Untersuchungen zu den natürlichen Inhaltsstoffen und deren Potenzial als Wertstoff im Grubenwasser in den ehemaligen Steinkohlenrevieren im Ruhrgebiet, Saarland und in Ibbenbüren präsentiert (REKER et al. 2025). Hierbei werden neben dem Grubenwasser auch die Vorkommen in bergbaulichen Rückständen wie Absetzbecken betrachtet.

Im Rahmen der Sanierung der Hinterlassenschaften des ostdeutschen Uranerzbergbaus durch die Wismut GmbH wurden große Mengen von Feststoffen und bergbaubeeinflussten Wässern gefasst, bewegt und behandelt. Die darin enthaltenen Wertstoffe wurden nur in Ausnahmefällen gewonnen.

Der Beitrag beinhaltet eine Darstellung der langjährigen Uranabtrennung am Standort Königstein aber auch die Herausforderungen und Grenzen der Abtrennung von Wertstoffen.

Abschließend erfolgt eine perspektivische Betrachtung von Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Wertstoffen bei Bergbausanierungsmaßnahmen auf der Grundlage der bestehenden Erfahrungen und gegebenen Randbedingungen.

Bei der Suche nach kritischen Rohstoffen haben sich viele Institutionen auch dem Grubenwasser zugewandt. Dieses enthält zahlreiche Inhaltsstoffe, darunter einige der derzeit 34 kritischen Rohstoffe. Da die Elemente im Grubenwasser bereits in gelöster Form vorliegen, liegt es nahe, sie in Grubenwässern mit erhöhten Konzentrationen zu suchen. In der Forschung zu kritischen Rohstoffen im Grubenwasser stehen aktuell die Seltenerdelemente sowie Kobalt, Nickel und Mangan im Fokus. Auch in Deutschland stellt sich die Frage, ob es Grubenwasseraustritte gibt, die sich zur Gewinnung von Rohstoffen eignen. Anders als in Österreich existiert in Deutschland keine Zusammenstellung aktueller und ehemaliger Rohstoffvorkommen. Ein Grubenwasseratlas, wie er in Südafrika existiert, fehlt in Deutschland ebenfalls. Ein Grund dafür könnte sein, dass Bergbaubetreiber vor den Qualitätsanforderungen der Wassergesetzgebung zurückschrecken und einen solchen Atlas daher nicht fördern. Viele Grubenwasseraustritte sind hingegen als „natürlich austretende Quellen” klassifiziert. Folglich ist es notwendig, die bekannten Bergbauregionen Deutschlands systematisch nach mineralisierten Grubenwässern abzusuchen, um potenzielle „Lagerstätten” zu identifizieren.

Wie viele Grubenwasseraustritte es in Deutschland gibt und welche Wassermengen dort austreten, ist nicht bekannt. Basierend auf vorsichtigen Schätzungen dürfte es sich jedoch um einige Tausend mit austretenden Wassermengen von etwa einer Milliarde Kubikmetern pro Jahr handeln. Dabei sind aktive Braunkohlenbergwerke und die Bergwerke der RAG AG nicht berücksichtigt. Grundlage für diese Schätzung sind drei Jahrzehnte lang durchgeführte Erhebungen und Recherchen des Erstautors im Harz, in Sachsen und in Bayern sowie bundesweit. Für Nickel ergäben diese Zahlen eine förderbare Masse von etwa 200 t, was 1 bis 2 Promille des jährlichen Nickelbedarfs in Deutschland entspricht. Für andere kritische Rohstoffe ergeben sich ähnliche Werte.

Im Vortrag wird die Suche nach Grubenwasseraustritten in der Bayerischen Pechkohlenmulde und im Spessart dargestellt. Dies soll als Blaupause für die Recherche nach Grubenwasser in anderen Bergbauregionen Deutschlands dienen. Das Ziel der Studien bestand darin, Wasseraustritte zu lokalisieren und diese hydrogeochemisch zu charakterisieren. Auf der Grundlage historischer Karten, umfangreicher Recherchen in Bibliotheken und Archiven sowie Auskünften von Bergbauhistorikern wurden Altbergbaue ermittelt, von denen bekannt ist, dass dort mit dem Austritt von Grubenwasser zu rechnen ist. Alle diese Lokalitäten wurden aufgesucht. Sofern Grubenwasser vorhanden war, wurden neben den Hauptionen und Spurenelementen auch die Parameter Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert, Redoxspannung und Sauerstoffkonzentration gemessen. An allen Lokalitäten wurde zudem der Durchfluss ermittelt. Mittels multivariater Statistik (PCA, Clusteranalyse) lassen sich Gruppen von Grubenwässern isolieren, die ein Spiegelbild der geologischen Verhältnisse des Spessarts und der Bayerischen Pechkohlenmulde sind.

Basierend auf der derzeitigen Datenlage gibt es nur einen problematischen Grubenwasseraustritt in den beiden Regionen. Dieser gilt jedoch inzwischen als „bereinigt“. Aufgrund der geringen Frachten und Temperaturen ist eine chemische oder geothermale Nutzung der Grubenwässer weitgehend ausgeschlossen. Als potenzielle „Lagerstätten” für kritische Rohstoffe kommen sie folglich nicht infrage.

Grubenwasser stellt viele Gemeinden vor Herausforderungen, da z.B. das Grubenwasser dauerhaft gepumpt oder über Entwässerungsstollen abgeführt werden muss. An anderen Standorten ist ggf. auch eine Reinigung des ausfließenden Grubenwassers notwendig, bevor es an Oberflächengewässer abgegeben werden kann. Die Wässer verfügen aber auch über ein erhebliches Potenzial als regernative Energiequelle. Aktuell nutzen bereits mehr als 50 Anlagen weltweit Grubenwasser als Wärme- und Kältequelle und stellen in Summe 85 MW Heiz- und 20 MW Kühlleistung zur Verfügung (Oppelt 2025). Im Vergleich zu einer Versorgung mit fossilen Energieträgern werden dadurch die CO₂-Emissionen um bis zu 75 % (Vergleich zu Braunkohle) reduziert (Oppelt 2022).

Für die Nutzung dieser Energiequelle besteht aktuell auch noch ein erheblich größeres Potenzial. Im Rahmen der sächsischen Grubenwasserpotenzialstudie wurde das Potenzial für 14 verschieden Gemeinden anhand eines dafür entwickelten Bewertungssystems quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass in jeder Gemeinde an mindestens einem Standort ein wirtschaftlicher Betrieb zu einer hohen Wahrscheinlichkeit umgesetzt werden kann. Entscheidend war dabei häufig die vorliegende Abnehmerdichte.

Zur Gewinnung der Wärme ist dabei oft ein Wärmeübertrager zwischen Grubenwasser und Heizkreislauf notwendig. Durch den standortspezifischen Chemismus des Grubenwassers kann dann jedoch eine Herausforderung für den Betrieb entstehen, wenn sich auf den Oberflächen im Wärmeübertrager Ablagerungen (Fouling) bilden. Dadurch steigt einerseits der Druckverlust im System und anderseits wird die übertragene Wärmemenge zwischen den Fluiden deutlich reduziert. Die Dicke der Biofilme kann dabei bis zu 1000 µm betragen (Nandakumar 2003). Ein Biofilm von ca. 250 µm führt bereits zu einer Reduktion der übertragenen Wärmemenge um ca. 50 % (Goodman 1987). Um diesem zu begegnen wurden verschiedene Kombinationen aus Materialien und Beschichtungen erprobt, die weniger anfällig gegenüber Fouling sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die übertragbare Wärmemenge gegenüber Standardplatten pro Jahr durch eine gezielte Materialauswahl um bis zu 80 % verbessert werden kann. Um Standortabhängig die optimale Wärmeübertragerkonfiguration zusammenstellen zu können, wurden Wasserparameter (z.B. SLYM-Bakterien, Eisengehalt, pH-Wert) prädiktiv bewertet und die potenzielle Foulingbildung anhand dieser Parameter prognostiziert.

Literatur:

Oppelt 2025: L. Oppelt, T. Grab, T. Ebel, T. Wunderlich, T. Storch, T. Fieback: Mine Water as an Energy Source: Overview of Technical Basics, Existing Plants, and Monitoring Results. Mine Water Environ (2025). DOI: 10.1007/s10230-025-01057-w

Oppelt 2022: L. Oppelt, T. Grab, T. Wunderlich, T. Storch, T. Fieback: Mine Water Geothermal Energy - Abandoned Mines As A Green Energy Source, CLIMA 2022-Proceedings, Rotterdam, 2022, DOI: 10.34641/clima.2022.55

Nandakumar 2003: K. Nandakumar et. al: Biofouling and Its Prevention: A Comprehensive Overview. In: Biocontrol Science Vol. 8. Nr. 4, S. 133–144. (2003)

Goodman 1987: Goodman, P. D.: Effect of chlorination on material for seawater cooling system: a review of chemical reactions. Bra. Corr. J. 22, 56-62 (1987)

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde die Optionen für eine thermische Nutzung von Grubenwasser im Kontext einer netzgebundene Wärmeversorgung auf Basis von erneuerbarer Energien am UNESCO-Welterbe Zollverein in Essen, Deutschland, untersucht. Der Standort umfasst die von 1851 bis 1986 betriebene Zeche Zollverein sowie die 1993 stillgelegte, gleichnamige Kokerei. Nach der Stilllegung wurden die industriellen Anlagen unter Denkmalschutz gestellt und das Areal saniert. Heute ist das rund 100 ha große Gelände ein vielfältig genutzter Kultur- und Wirtschaftsstandort und zählt mit jährlich bis zu 1,5 Millionen Besuchern zu den größten Touristenattraktionen der Region.

Die Studie untersuchte die technische und wirtschaftliche Machbarkeit verschiedener Konzepte zur thermischen Grubenwassernutzung in offenen und geschlossenen Systemen.

Die Analyse zeigt, dass die Nachnutzung bestehender Schächte gegenüber einer Erschließung durch Tiefbohrungen deutliche technische und wirtschaftliche Vorteile bietet. Die vorhandenen Schachtanlagen verfügen über ausreichende bauliche Stabilität und die erforderlichen Dimensionen für die Implementierung eines geothermischen Systems, wodurch die notwendigen Investitionskosten und Eingriffe in den Untergrund des unter Denkmalschutz stehenden Areals erheblich reduziert werden.

Thermohydraulische Betriebssimulationen zeigen, dass geschlossene Systeme (Erdwärmesonde im Schacht) die natürliche Konvektion des Grubenwassers im Schacht unterbinden, wodurch eine fortschreitende Abkühlung des Grubenwassers und ein Rückgang der Effizienz im Langzeitbetrieb auftreten. Eine offene Nutzung, bei der Förderung und Reinjektion über getrennte Rohrleitungen innerhalb des Schachts erfolgen, weist dagegen ein deutlich höheres Potenzial auf. Solange die Entnahmerate unterhalb der natürlichen Fließrate in der angebundenen Grubenstrecke bleibt, ist eine wirtschaftlich tragfähige und langfristig betreibbare Nutzung möglich. Durch eine räumlich versetzte und in Strömungsrichtung angeordnete Reinjektionsstelle lässt sich die Effizienz zusätzlich steigern, da thermische Rückkopplungen zur Förderstelle minimiert werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine offene Grubenwassernutzung über die Schachtanlagen eine technisch und wirtschaftlich tragfähige sowie wasserwirtschaftlich verträgliche Lösung darstellt und das Potenzial bietet, die Wärmeversorgung für das Areal des UNESCO-Welterbes Zollverein langfristig regenerativ und klimafreundlich durch die Nutzung von Grubenwasserwärme sicherzustellen.

Stillgelegte Steinkohlebergwerke bieten ein bislang wenig genutztes Potenzial für die saisonale Speicherung von Wärme. Das Forschungsprojekt WINZER untersucht, wie sich geflutete Grubenräume als großvolumige unterirdische Wärmespeicher nutzen lassen – und welche technischen und hydraulischen Herausforderungen dabei auftreten.

Im Mittelpunkt steht ein Demonstrationsstandort auf dem Gelände des Fraunhofer IEG in Bochum. Hier wird Grubenwasser aus der ehemaligen Kleinzeche gefördert, über Wärmetauscher mit regenerativer Energie erwärmt und anschließend in die Grubenräume zurückgepumpt. Das umliegende Gestein nimmt die Wärme auf und speichert sie. Im Winter kann das erwärmte Wasser wieder gefördert und die gespeicherte Energie zum Heizen genutzt werden. Aufgrund der geringen Tiefe und der weitgehend abgeschlossenen Hohlräume eignet sich dieser Standort besonders gut, um das Prinzip im kleinen Maßstab zu erproben.

Darüber hinaus werden weitere Standorte mit komplexeren Randbedingungen betrachtet – etwa tiefere Gruben mit aktivem Grubenwasserstrom oder eine ehemalige Untertagefabrik. Diese Beispiele zeigen, dass jede Lagerstätte ein eigenes thermohydraulisches Verhalten aufweist und sich Wärmespeicherung in offenen Systemen anspruchsvoll gestaltet.

Der Vortrag stellt die numerischen Modellierungsansätze vor, die im Projekt entwickelt wurden, um solche Systeme realitätsnah zu simulieren und zu bewerten. Zum Einsatz kommt das 3D-Grundwasserströmungs- und Transportmodell SPRING (König et al., 2025). Anhand von drei unterschiedlichen Standorten werden typische Modellierungsherausforderungen – etwa bei der Kopplung von Strömung und Wärmetransport, der Parametrisierung der Grubenräume oder der Skalierung auf reale Betriebsbedingungen – aufgezeigt.

Ziel ist es, ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse zu gewinnen und Kriterien zu entwickeln, mit denen sich Betriebssicherheit, Effizienz und Übertragbarkeit von Grubenwärmespeichern künftig bewerten lassen.

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft, Technologie und Raumfahrt.