ZauBer – Zukunftsmaterialien aus dem Altbergbau

Die Herausforderungen durch eine Vielzahl an geopolitischen Umwälzungen der letzten Jahre sowie das Erfordernis, in der Sicherstellung der Rohstoffbasis für die heimische Industrie neue Wege zu gehen, sind in Europa lange ohne nennenswerten Widerhall geblieben. Tiefverwurzelt in einschlägigen Rede- und Diskussionsbeiträgen ist das Bewusstsein, dass Bergbau per se etwas Schmutziges wäre, das der Umwelt nachhaltigen Schaden zufüge. Die Diskussion um den Altbergbau mit all seinen umweltrelevanten Facetten übersieht jedoch das Kernthema der Aktivität Bergbau: die Bereitstellung von Rohstoffen. Mit Einstellung bergbaulicher Aktivitäten geht zwangsläufig die Demontage der Bergwerksanlagen einher. Aus Bergbau wird Altbergbau, aus Segen wird Fluch – aber warum? Dieser Beitrag hat zum Ziel, das Bild vom Bergbau und Altbergbau in die heutige Zeit zu rücken und am Beispiel des Roten Grabens in Halsbrücke im Freiberger Revier ein Verständnis dafür zu entwickeln, warum nicht der Altbergbau an sich Schuld trägt an den Umweltproblemen, die daraus hervorgegangen sind, sondern die Ideen- und Konzeptionslosigkeit wie mit den Herausforderungen umgegangen wird.

Einführung

Die Herausforderungen durch die Vielzahl an geopolitischen Umwälzungen der letzten 15 Jahre sowie das Erfordernis in der Rohstoffgewinnung, in der Sicherstellung der Rohstoffbasis für die heimische Industrie neue Wege zu gehen, sind in Europa lange ohne nennenswerten Widerhall geblieben. Tiefverwurzelt in einschlägigen Rede- und Diskussionsbeiträgen ist das Bewusstsein, dass Bergbau per se etwas Schmutziges wäre, das der Umwelt nachhaltigen Schaden zufüge. Dies zeugt nicht nur von Ignoranz gegenüber technologischen Neu- und Weiterentwicklungen, es offenbart auch eine erschreckende Unkenntnis vom weltweiten Fortschritt in diesem Sektor. Gleichwohl lässt sich mit der Mär vom schmutzigen Altbergbau noch immer punkten, spätestens wenn das Thema Umweltschutz zutage gefördert wird.

Unbestritten ist, dass der Umweltschutz einen wichtigen Platz in der heutigen Industriegesellschaft einnimmt, und unstrittig ist auch, dass der Bergbau seinen Teil dazu beigetragen hat und nach wie vor beiträgt.

Die Diskussion um den Altbergbau mit all seinen umweltrelevanten Facetten übersieht jedoch das Kernthema der Aktivität Bergbau: die Bereitstellung von Rohstoffen. Mit Einstellung bergbaulicher Aktivitäten, z. B. wenn ein Vorkommen ausgeerzt ist oder die weitere Förderung unrentabel, geht zwangsläufig die Demontage der Bergwerksanlagen einher. Aus Bergbau wird Altbergbau, aus Segen wird Fluch – aber warum? Es ist letztlich eine von nicht besonderer Innovationsfreude zeugende Herangehensweise, wenn, kaum dass die letzte Schicht ausgefahren ist, sofort Umweltbedenken das eigentliche Ziel des Bergbaus substituieren. Natürlich ist es unstrittig, dass alte Stolln durch die Einwirkung von Luftsauerstoff, Wasser und mikrobieller Aktivität Metalle in die Grubenwässer abgeben, darunter auch als Schadmetalle bezeichnete Elemente des Periodensystems. Unstrittig ist aber auch, dass die Stolln eine wichtige Funktion im Wasserhaushalt des Grubengebäudes haben. Und unstrittig ist auch, dass der Altbergbau gern genutzt wird, um sich unliebsamer bergfremder Reststoffe zu entledigen, deren späteres Zutagetreten dann gern dem Bergbau angelastet wird.

Unstrittig ist darüber hinaus, dass Altbergbau natürlich eine Herausforderung für den Umweltschutz darstellt, dass Sanierungs- und Verwahrungsmaßnahmen dezidiertes Fach- und Spezialwissen benötigen. Zu vermissen aber ist in der ganzen Diskussion die Frage, ob den Hinterlassenschaften des Altbergbaus nicht vielleicht ein Nutzungspotential innewohnt. Denn genauso wie der heutige Bergbau gern mit den Augen vergangener Jahrzehnte und Jahrhunderte betrachtet wird, werden auch Maßnahmen, die den Altbergbau betreffen, mit dem Fachwissen längst vergangener Zeiten angegangen.

Dieser Beitrag hat zum Ziel, das Bild vom Bergbau und Altbergbau in die heutige Zeit zu rücken und am Beispiel des Roten Grabens in Halsbrücke im Freiberger Revier ein Verständnis dafür zu entwickeln, warum nicht der Altbergbau an sich Schuld trägt an den Umweltproblemen, die daraus hervorgegangen sind, sondern die Ideen- und Konzeptionslosigkeit, wie mit den Herausforderungen umgegangen wird. Das Potential ist immens, denn die Hinterlassenschaften des Altbergbaus sind kein regionales, auf das Freiberger Revier beschränktes Thema, es ist weltweit von Bedeutung. Aus diesem Grund soll dieser Beitrag bewusst darauf hinwirken, das Thema Altbergbau als Chance zu begreifen, als eine Perspektive, auf Grundlage derer wir es schaffen können, die bergbaulichen Altlasten als Rohstoffquelle neu zu begreifen und neue Konzepte zu entwickeln, wie zielführend in einem positiven Sinne mit dem Altbergbau umgegangen und sogar noch mehr für den Umweltschutz getan werden kann als es das Beklagen der gegenwärtigen Umstände zu leisten vermag.

Altbergbau – das Missverständnis von der Altlast

Unterhalb des Fußbereichs des Entwicklungsstandorts Spülhalde Davidschacht befindet sich der „Rote Graben“ (RG), ein künstlich angelegter Wasserlauf aus dem 17. Jahrhundert. Dieser dient der Entwässerung verschiedener Gruben und mobilisiert infolge des Hinzutretens von Luftsauerstoff und Mikroorganismen Metalle aus gefluteten Grubenbauen. Gleichzeitig verwittert anstehendes Gestein zu sandig-tonigen Schlämmen, die mit dem Grubenwasser ausgetragen werden (Bild 1a). Das Grubenwasser ist sehr stark mit Schwermetallen, darunter Cadmium (Cd) als prioritär gefährlicher Stoff nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie, sowie Aluminium (Al), Arsen (As) und Zink (Zn) verunreinigt, welche über mehrere Abschläge der Freiberger Mulde zugeführt werden. Durch fehlende Unterhaltung ist der RG nunmehr stark verschlammt. Die derzeit geschätzte Schlammmenge beläuft sich auf ca. 13.000 m³. Für diese Herausforderung müssen zeitnah effiziente, ökologische und ökonomische Lösungen gefunden werden. Allgemein herrscht Konsens, dass es sich um eine Hinterlassenschaft des Altbergbaus, mithin also eine Altlast handelt. Unbeantwortet bleibt in diesem Zusammenhang jedoch die Frage, ob diese Sichtweise in der heutigen Zeit noch zutreffend ist oder ob dem Altbergbau angesichts neuer Methodiken und Technologien nicht doch ein Zukunftspotential innewohnt.

Zukunftsthema Altbergbau

Die untertägigen Hohlräume sammeln Wasser, das wie oben beschrieben auf unterschiedliche Weise mit verschiedenen Elementen angereichert ist. Oftmals fallen bereits im Berg komplexe Eisenhydroxidschlämme (EHS) aus, die durch die Transportwirkung des Wassers zutage gefördert werden.

Am RG ergibt sich die unmittelbare Notwenigkeit zum Handeln aus dem Umstand, dass die Schlammaufnahmekapazität des Wasserbauwerks erschöpft ist und bei Starkregenereignissen signifikante Schlammmengen in die Mulde geraten (Bild 1b).

Für (EHS) gibt es keine allgemeingültige Lösung. Das EHS-Konzept der Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV) als Sanierungsträger des ostdeutschen Braunkohlenbergbaus sieht dafür eine bevorzugte Reihenfolge vor, welche in großen Teilen auf den Erzbergbau übertragbar ist:

1. Vermeidung, welche aufgrund der Gegebenheiten nicht möglich ist.
2. Verwertung, welche sich aufgrund der bisherigen Anforderungen nur in Sonderfällen eröffnet.
3. Verspülung, welche auf erhebliche Akzeptanzprobleme der Öffentlichkeit stößt und auch entsprechenden Verspülraum benötigt.
4. Damit verbleibt nur Deponierung bei knappem Deponieraum, wobei die Voraussetzung dafür jedoch die Herstellung einer Deponiefähigkeit ist.

Folglich ist eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Verwertung der Schlämme in der Praxis bisher nicht gelungen.

Rohstoffe, nicht Altlasten

Der Lösungsansatz liegt in der gemeinsamen Verarbeitung von entwässerten Grubenschlämmen mit eisenhaltigen Schlacken eines regionalen Hüttenbetriebs zur Gewinnung enthaltener Rohstoffe und Generierung elutionsstabiler Geopolymere für den Einsatz als Spezialbaustoffe. Wie zielführend dieser Weg sein kann, zeigt eine einfache chemische Analyse, derzufolge der EHS in der Trockensubstanz zu 30 bis 45 % aus Eisen (Fe), 2,5 bis 5 % aus Zn, ~0,1 % aus Kupfer (Cu), 10 bis 15 % aus Al sowie aus variablen Mengen Quarz und silikatischen Anteilen besteht. Schwermetallverunreinigungen mit As, Blei (Pb) und Cd liegen in Summe bei ~0,5 bis 1,0 %.

Dabei steht vor allem die Gewinnung enthaltener Wertstoffe im Fokus: Fe, Zn und Cu ließen sich im Labor durch Coverhüttung zu > 80 % aus dem Schlamm gewinnen. Bei der späteren technischen Umsetzung werden die Schadstoffe As, Pb und Cd über den Elektrofilter gemäß geltenden Immissionsschutzregelungen entfernt. Die Stabilisierung der Al- und Si-haltigen Reste erfolgt in Form von Geopolymeren, d. h. neuartigen elutionsstabilen Baustoffen, in denen eventuelle Schwermetallverunreinigungen auf geologische Zeiträume immobilisert sind. Das Ziel ist ein zukunftsorientierter und nachhaltiger Beitrag für umweltrelevante Fragestellungen im Bereich Grubenwässer und -schlämme, welcher von regionalen Partnern international skaliert werden kann und die öffentliche Akzeptanz mit integriert. So sollen Alternativen zur Entsorgung, Schonung von Deponieraum, Reduktion von CO₂-Emissionen und ökologische Verbesserungen für Flora und Fauna erreicht werden.

Was bis dato unter Altlasten verstanden wurde, sind Rohstoffe, die sich bei richtiger Vorgehensweise sinnvoll und wirtschaftlich gewinnen und verwerten lassen. Im Hinblick auf die EU-Wasserrahmenrichtlinie mit der Verpflichtung der Behandlung von Bergbauwässern kann so frühzeitig ein wesentlicher Beitrag geliefert werden, um behördliche Vorgaben zu erfüllen. Durch eine Technologie zur Nutzung der Grubenschlämme können zudem Deponieflächen geschont werden.

Im Zentrum der technischen Arbeiten steht ein Versuchscontainer unterhalb des Entwicklungsstandorts Spülhalde Davidschacht, welcher Bergbau- und Haldensickerwässer in sich vereinigt. Die mobile Anlage wird direkt am Standort in Realumgebung eingesetzt und betrieben. Der modulare Aufbau ermöglicht ein Entwässern der Schlämme, die Behandlung des Filtratwassers mittels Membrantechnologie und Konzentratbehandlung sowie darauf aufbauend eine Wert- und Baustoffgewinnung.

Dieses Potential wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) erkannt, weswegen dieses Vorhaben im Rahmen der Fördermaßnahme WIR! – rECOmine mit knapp 1 Mio. € gefördert wird.

Produkte

Als Ergebnis dieser Schlammbehandlung werden verschiedene marktfähige Produkte generiert. Diese Sichtweise ist maßgeblich für das Verständnis des hier beschriebenen Ansatzes: Es wird eine kostenintensive Situation in eine ertragsliefernde Gewinnsituation invertiert. Damit ist auch die Botschaft unmissverständlich: Nachsorgender Umweltschutz im Altbergbau ist nicht zwingend kostenintensiv, wenn er mit den Methoden des Bergbaus und seiner nachgeschalteten Gewerke angegangen wird. Übersetzt in die heutige Zeit heißt dies, dass Altbergbau ein Business Case sein kann.

Das erste Produkt wird beim Abpressen des Grubenschlamms erhalten: Reinwasser. Die nach der Filterpresse eventuell verbleibenden Schweb- und Trübstoffe werden über eine Membranfiltration restlos entfernt. Dabei kommen Nanofiltrationsmembranen zum Einsatz, die auch den weitgehenden Rückhalt der im Wasser gelösten Metallionen leistet. Die Rückstände werden mit dem Schlamm vereinigt.

Die zweite Produktserie sind die Metalle Fe und Zn. Sie können aus der Verhüttung der bei der Schlammentwässerung erhaltenen Schlämme erhalten werden. Die umweltrelevanten Metalle As, Pb und Cd sind unter diesen Bedingungen flüchtig und werden nach Stand der Technik aus dem Abgasstrom entfernt, sodass dieses Umweltproblem auf leichte Weise gelöst worden ist.

Das dritte Produkt ist ein Geopolymer. Die Schlacke wird abschließend auf Geopolymer umgearbeitet. Hier kommt das am Institut für Technische Chemie der TU Bergakademie Freiberg entwickelte Know-how zum Einsatz, mit dem es möglich ist, auch Reststoffe in Geopolymere umzusetzen.

Geopolymere

Geopolymere sind anorganische calciumfreie Bindemittel auf Basis von Silicium- und Aluminiumoxid. Die Vorsilbe „Geo“ steht sinnbildlich für die verwendeten mineralischen anorganischen Ausgangsstoffe. Als anorganische Polymere sind sie frei von Plastik und profitieren von den Eigenschaften echter Polymere. Ebendiese Eigenschaften heben sie von klassischen Bindemitteln wie Zement ab, denn sie sind schnell erhärtend, binden schrumpffrei ab und weisen hohe Druckfestigkeiten auf. Aufgrund ihrer Struktur und Zusammensetzung sind sie nicht brennbar, dafür temperaturbeständig und formstabil, und sie zeigen gegenüber allen anorganischen und organischen Säuren außer Flusssäure eine erhöhte Beständigkeit auf. Sie sind weitestgehend gegen Auslaugung stabil. Als Bindemittel („Kalter Zement“) sind sie Beton deswegen überlegen. Geopolymere lassen sich schäumen und besitzen gegenüber Polystyrol kompetitive Dämmeigenschaften (Bild 2).

Der Vorteil gegenüber klassischem Zement bzw. Beton liegt neben der Verwertbarkeit von Reststoffen in der Emissionsfreiheit. Weltweit werden 4.1 Mrd. t/a Zement hergestellt, wodurch die Zementindustrie mit ~8 % der weltweiten anthropogenen CO₂-Emissionen einer der wichtigsten Einzelemittenten für das klimarelevante CO₂ ist. Geopolymere sind damit eine klimaschonende Alternative gegenüber Zement. Sie lassen sich mit geringem Aufwand leicht und kostengünstig bei Umgebungsbedingungen herstellen. Die Verwendung von Sekundärrohstoffen vermeidet teure Primärrohstoffe und bergbauliche Eingriffe in die Natur. Sie vermeiden auch die energieintensiven Herstellprozesse wie die thermische Hochtemperaturaktivierung von Zementklinker bei 1.450 °C. Aufgrund dessen besitzen Geopolymere bedeutendes Potential für die Energie- und Rohstoffwende, aber auch für den Umweltschutz. Auf Reststoffen basierende Geopolymere sind nicht teurer als klassischer Beton und sind vollständig recyclingfähig.

Technische Vorteile bietet ihre bedeutend höhere Temperaturstabilität, weswegen sie im Einsatz wesentlich größere Temperaturbandbreiten tolerieren. Und sie bieten Sicherheit: Im Brandfall kommt es zu keinen Rissbildungen und Abplatzungen. Sie enthalten keinen Kalk, was sie in hohem Maß widerstandsfähig gegenüber Chemikalien und korrosiven Bedingungen macht (Bild 3). Sie können bereits nach einem Tag vergleichbare Druckfestigkeiten wie hochfester Beton entwickeln. Durch ihr schnelles Abbindeverhalten sind sie somit für die Massenproduktion von Fertigteilen geeignet. Laugungssensitive Inhaltsstoffe, wie sie im handelsüblichen Zement enthalten sind, werden im Geopolymer chemisch fest eingebunden und sind somit stabil gegen Auslaugung. Auf diese Weise wohnt dem Altbergbau ein besonderes Innovationspotential inne, denn bei folgerichtiger Verwertung der Grubenschlämme läßt sich aus den scheinbar wertlosen Rückständen alter Grubenfelder erheblicher wirtschaftlicher Nutzen ziehen und der Bergbau wird einmal mehr seiner Bestimmung gerecht, die Gesellschaft mit Rohstoffen zu versorgen und sei es Jahrzehnte nach Aufgabe eines Bergwerks.

Bildung

Neben der Gewinnung marktfähiger Produkte aus den Rückständen des Altbergbaus ist es ein besonderes Anliegen des Projekts ZauBer, die Öffentlichkeit aktiv einzubinden. Ziel ist ein Bewusstsein für die Verpflichtungen und die Chancen, die sich aus einer Anwendung neuer Technologien auf den Altbergbau ergeben und das Erbe der Welterberegion Erzgebirge/Krušnohoří in Hinblick auf neue Zukunftstechnologien weiterzuentwickeln. Dies kann nur mit sehr gut ausgebildeten, motivierten Personen erfolgen, weswegen die Öffentlichkeit von Beginn an aktiv einbezogen wird, z. B. in Form einer Sonderausstellung an prominenter Stelle in der Freiberger Terra Mineralia. Neben Exkursionsangeboten für Schulen und Kindergärten werden Ausstellungen und Vorträge organisiert und die Projektergebnisse wissenschaftlich und populärwissenschaftlich veröffentlicht. Dabei sollen besonders auch Schulabsolventen für eine Ausbildung oder ein Studium in diesen Bereichen gewonnen werden. Denn gerade wie zu Beginn angesprochen, die Sanierung und die Verwahrung des Altbergbaus verlangen ebenso dezidiertes Spezialwissen wie die hier beschriebene neue Her­angehensweise einer Nutzung und Verwertung altbergbaulicher Rückstände.

Zusammenfassung

Das Ziel des laufenden Projekts ist die Entwicklung von Technologien für Ewigkeitsfolgen des Bergbaus unter aktiver Einbindung der Bevölkerung in der Welterberegion Erzgebirge/Krušnohoří in Zukunftsfragen. Angestrebt wird, ein Bewusstsein für (heimischen) Bergbau und Rohstoffgewinnung sowie das Bergbaurückständen innewohnende Potential für die Versorgung von Morgen zu schaffen und neue Arbeitsplätze zu generieren. Mit gesellschaftlicher Akzeptanz können die entwickelten Verfahren durch das modulare, mobile Anlagendesign zukünftig nicht nur für Wasserlösestollen in Sachsen, sondern auch für die Behandlung eisenhaltiger Rückstände aus dem Braunkohlenbergbau in der Lausitz und weiteren Regionen angewendet werden. Nicht zuletzt können ähnliche Materialien oder Produkte aus dem bundesdeutschen Altbergbau unter diesen Gesichtspunkten getestet und validiert werden.

Auf diese Weise trägt der Altbergbau im Sinne der Zukunftssicherung in Form marktfähiger, innovativer Produkte aus Grubenschlämme zu den weltweiten Zielen der Schonung von Klima und Ressourcen bei. Die Hinterlassenschaften des sächsischen Bergbaus, invertieren sich so vom Problemfall zu einem neuen Rohstoffgewinnungskonzept mit großem Potential, das bereits bundesweit Aufmerksamkeit gewonnen hat.

Danksagung

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Förderung des Projekts „ZauBer“ (FKZ 03WIR1908A) im Rahmen des WIR!-Vorhabens rECOmine.