1. Was ist Braunkohle?
Definition: Brennbares Sedimentgestein aus umgewandeltem pflanzlichem, also biogenen Material. Die Umwandlung erfolgte biochemisch, später rein chemisch. Ausschlaggebend ist der Gehalt an Kohlenstoff. Man unterscheidet limnische und paralische Kohlen.
limnisch: in Festlandssenken bzw. Festlandströgen gebildet
paralisch: Flachmeerbildungen, in Vortiefen der Festlandskörper
2. Paläogeographie, Paläoklima, Paläobotanik des Tertiärs
Im Tertiär (vor 66 bis 2 Mill. a) fanden starke Erdkrustenbewegungen statt. Mit der Alpenheraushebung ging eine Senkungsbewegung in Europa einher. Die Folge war eine weltweite Transgression, die sogenannte "Rupeltransgression", durch welche auch weite Teile Europas überflutet wurden. Die Regression war von Vulkanismus begleitet. Das Auftreten von Braunkohle macht das Tertiär zur zweitgrößten Kohlebildungszeit nach dem Karbon. Dem recht kalten Paläozän folgte ein Eozän mit heißem Klima. Es herrschten die besten Bedingungen für die Entwicklung von Braunkohlenwäldern und -mooren, sowie einer üppigen Blüten- und Pflanzenvegetation. Im Eozän wuchsen vor allem tropische, immergrüne Laubhölzer neben Koniferen und Palmen. Im Miozän gab es dagegen mehr subtropische Nadelhölzer.
3. Lagerstättengenese
Für die Entwicklung abbauwürdiger Lagerstätten waren beträchtliche Anhäufungen organischen Materials notwendig. Ausschlaggebend war aber die erwähnte Absenkung Europas. Regelmäßige Transgressionen des Meeres aus NW, bis in die Lausitz, wechselten sich mit Regressionen ab. Dieser Wechsel von Ebbe und Flut führte zu bestimmten Sedimentationsfolgen. Mit der Flut kamen Schluffe und Feinsande. In Folge der Regression, wurden dann Teile des Landes und des Küstenlandes durch Strandwälle vom Meer abgeriegelt. Flüsse führten solchen Gebieten Süßwasser zu, und nach der Ausbildung des Liegendschluffes (aus mitgeführten Schluffen und Feinsanden) entwickelten sich auf den nährstoffreichen Ablagerungen Sumpfwälder. Das hatte zur Folge, daß sich abgestorbenes, pflanzliches Material ablagerte und auf dem Boden vertorfte.*Vertorfung: Bis zu einer Tiefe von 0,5m werden Pflanzenreste durch aerobe Bakterien, Actinomyceten und Pilze in Torf umgewandelt. Darunter erfolgt die Umwandlung durch anaerobe Bakterien. Die Umwandlung ist zuerst biochemischen, später rein chemischen Charakters. Weiterhin erfolgt ein mikrobieller Abbau von Zellulose und anderen Verbindungen. Dabei entstehen Wasser, Kohlendioxid und Methan. Nach dem Entweichen dieser Stoffe bleiben Humusstoffe zurück. Lignin erfährt nur eine Teilumwandlung zu Huminsäure. Es reichert sich im Torf an. Huminsäuren reagieren mit Na, Ca, Mg, Fe und Al zu Salzen, sogenannten Humaten. Die fortschreitende Torfdiagenese ist mit ständiger Entwässerung durch die Auflast verbunden. Das Ende der Torfbildung und des Moorwachstums beginnt mit einen Wasseranstieg. Pflanzliche Substanz wird daraufhin von tonigen, sandigen, konglomeratischen Sedimenten bedeckt, die durch die erneute Transgression herantransportiert wurden. Auf diesem Liegendsediment erfolgt erneuter Pflanzenwuchs und Moorlandschaftsentwicklung. *Inkohlung: Die Umwandlung des Torfes wird unter Luftabschluß, durch anaerobe Bakterien und die zunehmende Torfauflast fortgesetzt. Bei weniger als 75% Wassergehalt ist das erste Braunkohlenstadium, dieWeichbraunkohle erreicht. Jetzt erfolgt auch die vollständige Umwandlung des Lignin in Huminsäure. Der Kohlenstoffgehalt steigt mit zunehmender Tiefe, wie auch der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen.
3.1. Moorlandschaftsentwicklung
F-Fazies: Pflanzenwuchs auf Liegendschluff; Torfe sehr holzreich, Kohlen mit erhöhten Aschegehalten
K-Fazies: xylitische Kohlen; holzreich, mit Ast- und Stammeinlagerungen und dadurch erhöhter Druckfestigkeit der Kohlen.
F-Fazies und K-Fazies sind meist als ein Flözkörper ausgebildet und nicht zu unterscheiden.
A-Fazies: Durch das Anwachsen der Torfschicht entsteht ein Buschmoor mit Inselstandorten von Koniferen, umgeben von breiten Säumen hartlaubiger Sträucher. Im Wechsel von Austrocknung und Überflutung bilden sich dedritische Kohlen (gute Brikettierkohlen).
G-Fazies: Es entstehen großflächige Seen mit breiten Ufergürteln (Riedmoor und Riedgrasgürtel = Gräser, Torfmoos, kein Schilfgras --> nährstoffarmes Grasmoor). Riedmoorkohlen sind sehr trocken und haben steinkohlenartig glänzende Bruchkanten. Sie sind spröde, schlecht brikettierbar und mit Humusgel getränkt.
P-Fazies: Auf dem Riedmoor entsteht ein Mischwald, ein sogenanntes Kiefernwaldmoor. Typisch für die Vegetation sind Stachelkiefern, in Randbereichen Sicheltannen. Es bilden sich Kohlen mit vielen Pflanzenresten. Rindenstücken setzen aber die Brikettierbarkeit herab.
M-Fazies: Nur bei sehr feuchten klimatischen Bedingungen setzt das Wachstum zum Schirmtannen-Hochmoor ein. Das Regenwasser und das Porenwasser des Torfes dienen der Nährstoffversorgung. Abgestorbene Baumwurzeln speichern Wasser und bilden ein Wurzelgewebe = Marcoduria. Dieses ist das Gerüst der bis zu 2,5m mächtigen Kohleschichten, in die oft Koniferenstubben eingesunken sind. Die Kohlen sind flasrig geschichtet, wie Sauerkraut, und besitzen einen niedrigen Aschegehalt.
4. Braunkohlenarten
Die Braunkohlen werden in Weich- und Hartbraunkohlen unterteilt.
Weichbraunkohlen: Erdbraunkohle und schiefrige Weichbraunkohle (Wassergehalt bei 60-35%). Die meisten deutschen Braunkohlevorkommen werden durch Erdbraunkohlen representiert.
Hartbraunkohle: Hier ist die Inkohlung weiter fortgeschritten als bei den Weichbraunkohlen, und die Kohlen sind somit stärker verfestigt. Der Wassergehalt liegt bei 35-25%. Man unterscheidet Mattbraukohlen, Glanzbraunkohlen und Pechkohlen. Letztere sind durch Druck und Wärme stark metamorph beeinflußt, und bilden den Übergang zum Steinkohlenstadium.
weitere Kohlenbestandteile: Xylite sind holzige Bestandteile mit dem geringsten Inkohlungsgrad. Beispiel: Koniferenstubben, Früchte, Blätter, Wurzeln, Nadeln und Samen
5. Lagerungsstörungen
endogene Kräfte: Bruchtektonik, Depression durch Salzauslaugung
exogene Kräfte: fließendes Wasser, Inlandeisexaration, Stauchungen und Faltungen durch Inlandeis, Erosion
6. Braunkohlenlagerstätten in Deutschland
Die Ablagerung von Braunkohlen erfolgte in tertiären Senken.
6.1. Gebiet des Oberrheingrabens: Südwestlich von München, Pechkohlenvorkommen, Abbau eingestellt
6.2. Niederrheinische Bucht: Der Haupteinbruch der Bucht erfolgte im Tertiär. Es handelt sich um Braunkohlen aus Küstensümpfen vor einem im Süden liegendem Land. Das Hauptflöz bei Bergheim entstand im Miozän, ist fast 100m mächtig. Die Lagerstätte gilt als die bedeutendste Europas (Förderung 100 Millionen Tonnen im Jahr).
6.3. Nordhessisch-südniedersächsische Senken: Hier handelt es sich um eine Kette von mit tertiären Sedimenten gefüllten Senken. Die Sedimente sind sandig-tonig. Sie enthalten Braunkohleflöze des Eozän bis Miozän. Abbau: bei Kassel, am Westrand des Vogelsberges.
6.4. Subherzynes und Thüringer Becken, Harzumgebung: Mehrere isolierte Vorkommen, die als Folge der Salzauslaugung in den entstandenen Senken abgelagert wurden. Sie haben meist nur eine geringe Ausdehnung, dafür sind sie oft sehr mächtig. Beispiel: Salzabwanderungssenken bei Oschersleben, Egeln, Helmstedt, Oberröblinger Senke und Geiseltal.
*Geiseltal: Das Geiseltal erfuhr eine besonders tiefe Absenkung, die nur zeitweilig an den Rändern durch klastische Sedimente ausgeglichen wurde. Im mittleren Eozän entstand im Zentrum des Geiseltals ein Sumpf. Diesem haben wir 60 bis 80 Meter, teils auch 100 Meter mächtige Braunkohlenflöze zu verdanken. Der Abbau wird aber durch ein relativ mächtiges Deckgebirge behindert, was die Wirtschaftlichkeit stark herabsetzt. Die Spitzenfördermenge betrug 320 Millionen Tonnen im Jahr. Heute wird kaum noch ein Drittel dieser Menge gefördert. Weiterhin besitzen die Kohlen eine hohen Gehalt an Schwefel, was Umweltprobleme bei der Verbrennung hervorruft. Nutzung des Geiseltals: Flutung mit Flußwasser aus der Saale und der Unstrut. Es besteht das Problem der Belastung des Unstrutwassers mit Salz. Im Jahre 1998 jährt sich der Jahrestag des Braunkohlenabbaus im Geiseltal zum 300. mal. Das Geiseltal ist aber auch eine der größten Fossilienfundstätten Deutschlands. Paläontologische Fundstücke sind im "Geiseltalmuseum", Institut für Geowissenschaften (Geologie/Paläontologie), Domstr. 5, Halle a.d. Saale zu besichtigen.
6.5. Leipziger Tieflandsbucht und Niederlausitz: Dieses Sedimentationsgebiet bildet den Übergang zwischen den Nordhessisch-Südniedersächsischen Senken und dem Böhmisch-Mitteldeutschen Festlandsgebiet. Das Landschaftsbild ist in dieser Region sehr stark durch den Bergbau umgestaltet wurden. Nach der Rupeltransgression im Oligozän, kam es zu einer Sedimentationsverlagerung von Westen nach Osten. Deshalb wurde in der Leipziger Tieflandsbucht jüngeres Eozän bis älteres Miozän, in der Niederlausitz mittleres Oligozän bis jüngeres Miozän abgelagert.
Es existieren 3 Lagerstättenbezirke: 1. Weißelster Becken, 2. Region Bitterfeld - Delitzsch, 3. Niederlausitz. Die Flöze haben eine relativ konstante Mächtigkeit von einigen Metern bis über 10 Meter. Mächtigkeitsänderungen in den Flözen werden nur hervorgerufen durch Bruchtektonik und Subrosion.
Bsp.: Weißelster Becken: sehr mächtiges Unterflöz durch Subrosion im Untergrund, Niederlausitz: Lagerungsstörungen durch Eistektonik.
6.6. Oberlausitz: Hier findet sich die Braunkohle in Senken des Fundamentes des Lausitzer Berglandes. Die Hauptlagerstätten liegen im Zittauer Becken und im Berzdorfer Becken. Diese Becken sind nach Basalteruptionen im unteren Miozän eingesunken. In den Lagerstätten existieren bis zu 200 Meter mächtige Abfolgen von Tonen und Braunkohlen (Berzdorfer Becken: 70m Flözkörper; Zittauer Becken: 3 durch bis zu 30 m mächtige Tone getrennte Flözgruppen). 1989 wurden 12 Millionen Tonnen Braunkohle gefördert, die fast ausschließlich zur Elektroenergieerzeugung genutzt wurden.
7. Abbau
Wirtschaftliche und geologische Bedingungen bestimmen die Art des Aufschlusses einer Kohlenlagerstätte. Hierzu zählen Teufe der Flöze, in Bezug auf Mächtigkeit und Masse des überlagernden Abraumes, Anzahl, Abstand und Mächtigkeit der Flöze, sowie der Inkohlungsgrad der Kohle. Weiterhin sind Verwerfungen, Gesteinseinschlüsse und das Einfallen der Flöze von Bedeutung.
Um den Abbau wirtschaftlich zu betreiben, muß die Abraumziffer möglichst niedrig sein. Abraumziffer heißt, die Abraummenge im Verhältnis zur gewinnbaren Kohlenmenge. Braunkohle wird in Deutschland im Tagebau gewonnen, da sie in lockeren Gesteinsformationen vorliegt. Nachteile dieser Abbauart sind die großen Abraummengen, große Oberflächeninanspruchnahme, Grundwasserabsenkungen im Tagebau und in den umliegenden Gebieten, wie auch die Abhängigkeit von denWitterungsbedingungen. Der Braunkohleabbau erfolgt in verschiedenen Schritten, die hier grob erläutert sind:
1. Entwässerung des Deckgebirges und des Kohlenflözes.
2. Grundwasserabsenkung, wenn die Teufe der abzubauenden Flöze unter dem Grundwasserspiegel liegt, und zur Sicherung der Standfestigkeit der Tagebauböschung. In der Regel liegt der Wasserzufluß in den Tagebau bei ca. 120m3 pro Minute.
3. Geländeeinschnitt als Graben oder Birnenaufschlußfigur.
4. Abtransport der Deckschichten über Schaufelradbagger -> Bandanlage -> Absetzter.
5. Anlegen von Abraumhalden
6. Abbau der Kohle in mehreren Strossen, ebenfalls über Schaufelradbagger->Bandanlage->Absetzer
7. Rekultivierung des Tagebaurestloches
Einer der größten Tagebaue der Welt ist Hambach 1. Er wird bei seiner Schließung eine Gesamtfläche von 85km2 umfassen und eine Endteufe von 500m aufweisen. Es sollen 2,5 Milliarden Tonnen Braunkohle abgebaut werden.
8. Kohlenutzung und dadurch hervorgerufene Umweltprobleme, Rekultivierung
In Deutschland wird der überwiegende Teil der Kohle als Kesselkohle verstromt. Rund 18% werden als Brikettierkohle weiterveredelt zu Briketts, Kohlenstaub, Koks, sowie zur Kohlenvergasung und zur Kohlenverflüssigung genutzt. Die Kohlenverflüssigung dient der Gewinnung von Kraftstoffen, Dieselölen und Methan aus der Braunkohle (z.B.: bei 600°C entsteht Leichtöl, Schwelteer, Schwelwasser und Schwelkoks). Der Abbau und die Nutzung der Braunkohle bringt jedoch Umweltprobleme der verschiedensten Art mit sich.
1. Umweltbeeinflussung durch den Tagebau und Rekultivierung:
Die Erschließung eines Tagebaus hat eine weiträumige Umgestaltung des Naturraumes zur Folge, da oft Ortschaften, Flußläufe und Autobahnen verlegt werden müssen. Desweiteren werden Biotope zerstört, und somit wird den dort beheimateten Tieren und Pflanzen ihr angestammter Lebensraum entzogen. Durch Grundwasserabsenkungen und Verdichtung des Lockergesteins können Bodenabsenkungen auftreten, Feuchtraumgebiete werden trockengelegt und das Mikroklima verändert. Außerdem werden aus offen gelassenen Braunkohletagebauen ständig "Abgase" an die Umwelt abgegeben.
Laut Gesetz ist eine Rekultivierung des Tagebaus und seines Umfeldes nach Tagebauschließung vorzunehmen. Hierfür bestehen mehrere Möglichkeiten: Restlochverfüllung mit dem Abraum eines neuen Tagebaus, Nutzung des Restloches nach Flutung oder natürlicher Wasserfüllung als Badesee und Sportfläche, belassen des Restloches und Nutzung als Deponie oder Brauchwasserreservoir. Die Abraumhalden werden unter anderen als Forst- und Landwirtschaftsgebiet (Wiederaufforstung) genutzt. In jedem Fall sollte der Naturraum so gut wie möglich wieder hergestellt werden.
2. Umweltschädigung durch Rauchgase aus der Verbrennung von Braunkohle:
Bei der Verbrennung von Braunkohle entstehen neben Wasserstoff und Kohlendioxid auch Schwefel- und Stickoxide, Chlor- und Fluorverbindungen, Staub, Kohlenmonoxid, sowie Ruß und Kohlenwasserstoffe. Diese Stoffe gelangen in die Luft, das Wasser und den Boden und schädigen dort die Umwelt. Um den Schaden zu verringern, wird die Kohle aufbereitet, entsprechende Feuerungsarten, Rauchgasreinigungsanlagen und Staubabscheider eingesetzt.
Beispiel: Rauchgasreinigung im Quasitrocken-Verfahren (siehe Exkursion zur Technischen Mineralogie, Müllverbrennungsanlage Hagen) oder im Naßverfahren (Kalkwaschverfahren) = Gelöschter Kalk wird zu Kalkmilch verdünnt und in den Rauchgaskreislauf eingeführt. Dort erfolgt eine Reaktion mit dem Schwefel des Rauchgases zu Gips. Dieser findet in der Bauwirtschaft Verwendung. Durch Naßwäschen erhöht sich allerdings der Abwasserstrom. Sonst fallen bei Kohlenkraftwerken keine größeren Mengen Abwasser an.