Layout Kaliverein

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Layout Kaliverein

www.kaliverein.de
I 03/2002 I
Kali und Steinsalz
Rest, Fuß Online-Elementbestimmung
mittels Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie
Ganzer Simulation eines Abbaubereiches
in der flachen Lagerung im Kalibergbau der K+S Gruppe
Usdowski, Herrmann Die Hydrolyse von
Kationen in Evaporit-Lösungen
Diekmann Renaturierung von Rückstandshalden
der Kaliindustrie
Husmann Reform der Sozialversicherung
I Herausgeber Kaliverein e.V.
Abstracts
Rest: Online Element Determination
using Near Infrared(NIR) Spectroscopy for Process Control and Limit
Value Monitoring of Solutions with
high Salt Content in the Potash Industry.
For the first time at K+S an online
element identification system, using
near infrared (NIR) spectroscopy, has
been successfully incorporated into
plant production for process control
and limit value monitoring of process solutions with high salt content. Process deviations are quickly
identified and through instantaneous counter measures processes
can be optimized.
The NIR measurement is robust and
delivers values with the required
accuracy. Despite an availability of
90% for the total system, the sample preparation system is prone to
breakdowns and will be further
optimized. The presented measurement system offers future new
automation possibilities for hot leaching and flotation processes.
Ganzer: Simulation of Room and Pillar
Method in a Field of a Potash Mine,
K+S group
The room and pillar method in a
field of a potash mine of the K+S
group is subject to computer aided
modelling with the Discrete Event
Simulator ARENA.
This article describes within the validation process of the model the drifting rate of a 3-gallery drifting
system for developing a new mining
area at Werra mine. The input parameters, simulation, output, interpretation and analysis of the results
are shown. Based on the results of
the simulation runs a capacity orientated mining method has been
developed. The real production
results are compared with the
results from the simulation runs.
2 Kali und Steinsalz
Impressum
Usdowski, Herrmann: The Hydrolysis of
Cations in Evaporite Solutions and its
Significance for the Origin of MgSO4
deficient Sea Water
The mineral content of marine evaporites is suggesting, at a first glance, that the primary formation of
the various solids and their transformation under diagenetic conditions occurred in neutral surroundings. However, it should be considered that the hydrolysis of cations
yields slightly acid conditions for
any of the above processes. From the
hydrolysis constants it may be deduced that highly concentrated CaCl2MgCl2 solutions (brines) occurring
in salt deposits and as inclusions in
halite crystals should have a pH
value of about 5.5. Such values have
been confirmed by a number of
measurements. Moreover, the measurements exhibit that small concentrations of Fe3+ are decreasing
considerably the pH of brines. Besides this, it should be noted that evaporating sea water is not neutral.
Measurements show that pH is virtually constant until calcite begins
precipitating. From this point it
decreases continuously as the concentration of Mg2+ is increasing and
Mg(OH)+ and Mg2(OH)44+ are formed.
These complexes play a geochemically important role with respect to
the so called MgSO4 deficit of salt
deposits and of sea water from the
geological past. It may be explained
by bacterial sulfate reduction during
which hydrogen sulfide is released
to the atmosphere, whereas equivalent quantities of Mg2+ are kept in
solution in form of the above species.
In a hydrodynamically open evaporite system these constituents will
be transferred back to the ocean.
Opposite to this, a deficit of MgSO4
caused by dolomitisation of limestones under late diagenetic conditions appears to be less important.
Diekmann: Recultivation of Waste
Stockpiles in Potash Industry with less
Demand of additional Area developed
at the Sigmundshall Potash Operation
At the Sigmundshall potash operation the waste stockpile covering
and revegetation method requires
minimum additional land occupation. The cover material consists of
residue of the on-site salt slag recycling plant mixed with ashes from
flue gas cleaners of hard coal fired
power plants. The mixture is dumped onto the slopes of the stockpile using conveyor belts. Once the
revegetation is completed, the amount of brines out of the stockpile will
be reduced up to 80 %.
Husmann: Reform of the Social Security
System
The necessity for reforms in the
social security system is increasing.
The aim of the federal government
to reduce the contribution to the system to a level below 40 percent has
not been reached. A reduction for
the contributors – workers and companies – is inevitable for strengthening the economic production
place in Germany and for the competitiveness of the German economy which has to provide the highest amount of additional wage costs
in the world. The various social security systems have to be concentrated to a basis assurance. In addition
to this in parts the social costs have
to be separated from the wage costs.
This article intends to describe solutions for the reduction of contributions of the various social security systems.
Impressum
Kali und Steinsalz
herausgegeben vom Kaliverein e.V.
Kaliverein e.V.:
Wilhelmshöher Allee 239
34121 Kassel
Tel. 05 61-3 18-27 10
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Erscheinungsweise:
dreimal jährlich in loser Folge
ISSN 0022-7951
Schriftleitung:
Dr. Wilbrand Krone, Kaliverein e.V.
Tel. 0561/318-2717
Redaktionsausschuss:
Udo Moye, K+S Aktiengesellschaft
Prof. Dr. Ingo Stahl, K+S Aktiengesellschaft
Dr. Bernhard Wiechens, K+S KALI GmbH
Uwe Handke, K+S Aktiengesellschaft
Matthias Plomer, Kali und Salz Entsorgung GmbH
Dr. Wolfgang Beer, K+S Aktiengesellschaft
Dr. Arne Brockhoff, Kaliverein
Dr. Karl-Christian Käding
Herstellung und Layout:
diepiloten
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Kali und Steinsalz
3
Inhalt
Editorial
Rest, Fuß
Online-Elementbestimmung mittels
Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie
Seite 6
Ganzer
Simulation eines Abbaubereiches
in der flachen Lagerung im Kalibergbau der K+S Gruppe
Seite 14
Usdowski, Herrmann
Die Hydrolyse von Kationen in Evaporit-Lösungen
und bei der MgSO4-Verarmung von Meerwasser
Seite 24
Diekmann
Renaturierung von Rückstandshalden der Kaliindustrie
Seite 32
Husmann
Reform der Sozialversicherung
Seite 42
Firmennachrichten
Seite 48
Personalien
Seite 49
Brockhoff
Buchbesprechung Selbstverpflichtung der Wirtschaft
Seite 50
Liebe Leserinnen und Leser, in der kartellrechtlichen Diskussion anlässlich
des Zusammenschlusses der westdeutschen und der mitteldeutschen Kaliindustrie im Jahre 1993 war es fast ein geflügeltes Wort, dass die Kaliindustrie von einer „ausgereiften Technik“ gekennzeichnet sei, die zu
verbessern kaum möglich sei.
Die in diesem Heft abgedruckten technischen oder naturwissenschaftlichen Beiträge offenbaren, dass selbst Kartelljuristen gelegentlicher Fehleinschätzung unterliegen können.
Sowohl unter Tage als auch über Tage gibt es Lösungsansätze, technische Betriebsabläufe
zu optimieren oder notwendige Umweltschutz- bzw. Nachsorgemaßnahmen vertretbar zu
gestalten.
Der wirtschaftliche Nutzen jeder einzelnen Maßnahme mag – isoliert betrachtet – gering
sein, jedenfalls in der Summe können die in diesem Heft behandelten und auch andere Maßnahmen jedoch einen deutlichen Beitrag zur Wirtschaftlichkeit unserer Branche leisten.
Das ist auch dringend erforderlich; denn die nicht oder nur sehr bedingt beeinflussbaren
Rahmenbedingungen für die deutsche Kaliindustrie werden nicht einfacher: Die bevorstehende
Erweiterung der Europäischen Union nach Osten birgt Risiken, der Druck russischer und
weißrussischer Kalidüngemittel auf die Märkte mit Dumpingpreisen wird eher stärker als
schwächer, der gegenüber dem Euro abnehmende US-Dollar hat noch immer erhebliche
Bedeutung für die deutsche exportorientierte Kaliindustrie, und nicht zuletzt werden
fiskalische Zusatzbelastungen erkennbar, die die Ertragskraft spürbar beeinträchtigen können.
Das alles zeigt, wie wichtig es ist, zumindest die Möglichkeiten und Chancen zu nutzen,
die in eigener Kompetenz verwirklicht werden können.
Deshalb vermitteln die in diesem Heft veröffentlichten Fachbeiträge nicht nur akademische
Freude bei den Experten, sondern haben auch eine hohe praxisnahe Aktualität.
Die Aktualität des Beitrags von Husmann zur Reform der Sozialversicherung ist offenkundig, allerdings auch bedrückend. Die Notwendigkeit struktureller Reformen in allen Bereichen der Sozialversicherung ist seit geraumer Zeit bekannt. Bedauerlicherweise ist es bisher
jedoch immer nur bei einigen mehr oder weniger geglückten Reparaturmaßnahmen an der
Oberfläche geblieben. Auch die neue Bundesregierung beschränkt sich auf den Versuch,
Defizite in der Kranken- und Rentenversicherung kurzfristig zu überbrücken; ein längerfristiges und nachhaltig wirksames Konzept fehlt jedoch nach wie vor. Deshalb ist es verdienstvoll, dass Husmann konkrete Konturen für dauerhafte, wirtschaftlich vertretbare und
nicht zuletzt auch sozial verträgliche Lösungen aufzeigt.
Ich hoffe, dass auch dieses Heft Ihr Interesse findet.
Impressum
Dr. Arne Brockhoff
Seite 2
Kali und Steinsalz
5
Forschung und Entwicklung
Online-Elementbestimmung mittels
Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie zur
Prozesssteuerung und Grenzwertüberwachung in stark salzhaltigen
Lösungen der Kaliindustrie
Torsten Rest,
Leiter Zentrallabor,
Heringen
K+S Aktiengesellschaft
Jürgen Fuß,
Leiter Produktion,
Werk Werra,
Standort Unterbreizbach
K+S KALI GmbH
Weitere Autoren:
Jörg Behling
Zentrallabor, Heringen
Prof. Dr. Ingo Stahl
Bereichsleiter Forschung
und Entwicklung, Kassel
Es wurde erstmals bei K+S eine OnlineElementbestimmung mittels Nah-Infrarot(NIR)Spektroskopie zur Prozesssteuerung und Grenzwertüberwachung in stark salzhaltigen
Prozesslösungen erfolgreich in den Fabrikbetrieb
eingebunden. Prozessabweichungen werden
schnell erkannt, durch sofortiges Gegensteuern
kann der Produktionsprozess optimiert werden.
Die NIR-Messung selbst ist robust und liefert
Messwerte mit der erforderlichen Genauigkeit.
Trotz 90 % Verfügbarkeit der Gesamtanlage ist
das Probenvorbereitungssystem noch störanfällig
und wird weiter optimiert. Die vorgestellte Messtechnik bietet zukünftig neue Automatisierungsmöglichkeiten für Heißlösebetrieb und
Flotation.
Einleitung
Auf dem Produktionsstandort
Unterbreizbach der K+S KALI GmbH
werden verschiedene Qualitätsdünger, wie 60er Kali „gran“, KornKali und Kieserit „fein“, produziert.
Um in den Produktionsprozessen
ein zeitnahes Überwachen, Regeln
und Eingreifen zu ermöglichen,
muss die erforderliche Analytik vom
Labor vor Ort in den Fabrikbetrieb
verlagert werden.
Vorgestellt werden zwei Beispiele zur Online-Elementbestimmung
in stark salzhaltigen Lösungen zur
Grenzwertüberwachung und Prozesssteuerung mittels Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie.
and magnesium chloride solution
Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie
Die Nah-Infrarot(NIR)-Spektroskopie ist heute ein fester Bestandteil
moderner Prozessanalysentechnik.
Der Einsatz von Durchflusszellen
oder Tauchsonden ermöglicht die
direkte Untersuchung großtechnischer Prozesse.
Alle spektroskopischen Informationen werden via Lichtleiter von
der Zelle bzw. Sonde über Entfernungen bis zu 100 m und mehr zum
Messinstrument transportiert.
Die Vorteile der NIR-Spektroskopie liegen im Wesentlichen in
der Kombination von hohem analytischen Informationsgehalt und
einfacher verfahrenstechnischer
Handhabung. Das NIR-Spektrum
enthält eine Vielzahl von analytisch
relevanten Informationen, die zur
Untersuchung herangezogen werden können. Darüber hinaus zeichnet sich diese Technik als optisches
Verfahren generell durch ein hohes
Maß an Präzision und Zuverlässigkeit aus.
Der Spektralbereich des „Nahen
Infrarots“ (780–2500 nm) befindet
sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Spektralbereichen des „Sichtbaren“ (VIS) und des
„Mittleren Infrarots“ (MIR). In diesem Bereich liegen die Ober- und
Kombinationsschwingungen der
Valenz- und Deformationsschwingungen von Molekülen.
Im Gegensatz zur kovalenten Bindung von Molekülen ergibt die
Ionenbindung von Salzen in diesem
Bereich keine Resonanz. Kristallwasserhaltige Salze wiederum
erzeugen ein NIR-Spektrum. Aufgrund der unterschiedlich starken
Wechselwirkungen zwischen Ionen
und Wassermolekülen unterscheiden sie sich signifikant voneinander
und ermöglichen so eine indirekte
Mineralphasenbestimmung. Diese
Tatsache wird bereits an einer Vielzahl von Online-Messstellen bei K+S
bei der Bestimmung von Kieserit
und Carnallit genutzt.
Auch die Untersuchung wässriger
Salzlösungen ist ohne Weiteres möglich. Die gelösten Ionen üben einen
relativ starken Einfluss auf die Koordinationssphäre und damit auf das
Abb. 1: NIR-Spektren von Wasser und Magnesiumchloridlösung / NIR-spectra of water
Erscheinungsbild des NIR-Spektrums des Wassers aus. Die unterschiedlichen Solvatationseigenschaften bewirken in einigen Fällen
erstaunlich spezifische spektrale
Änderungen gegenüber reinem
Wasser. Die gelösten Salze sind auch
hier nicht selbst NIR-aktiv, sondern
beeinflussen elementspezifisch die
Wasserstoffbrückenbindungsverhältnisse des wässrigen Systems, was
in Abhängigkeit ihrer Konzentration zur quantitativen Bestimmung
genutzt wird (Abb. 1). Die genannten Vorteile der NIR-Spektroskopie
lassen sich demzufolge auch bei der
Untersuchung von Salzen und Salzlösungen nutzen.
In Vorversuchen sowie im Rahmen einer Diplomarbeit [1] wurden
Kalibrationsmodelle zur Elementbestimmung von Magnesium, Kalium, Natrium, Chlorid und Sulfat in
hochkonzentrierten Magnesiumchloridlösungen erstellt und die
generelle Machbarkeit einer quantitativen Bestimmung nachgewiesen. In Folge konnte diese Technik
erstmals bei K+S als Online-BestimKali und Steinsalz
7
mathematischer Komplexität nachfolgend auf eine Darstellung verzichtet werden. Eine vergleichende
Übersicht von chemometrischen
Methoden findet sich in [2,3,4,5,6,7].
Abb. 2: Fabrikanlagen des Standortes Unterbreizbach / Plant at Unterbreizbach
mung im Fabrikbetrieb eingesetzt
werden. Voraussetzung ist die Aufnahme und Auswertung des gesamten NIR-Spektrums (nicht nur einzelner Wellenlängen) an einer
größeren Anzahl von repräsentativen Proben (50 und mehr) und somit
die Einbindung beinahe aller Einflussgrößen in die Kalibration. Im
Vergleich zu Atomspektren sind Korrelationen der zu bestimmenden
Parameter im NIR-Spektrum auf den
ersten Blick oft nicht eindeutig zu
erkennen. Hier ist der Einsatz von
modernen chemometrischen Auswerteverfahren, wie beispielsweise
der PLS (partial least squares)Regression, unverzichtbar.
Chemometrie
Als Chemometrie bezeichnet man
heute alle multivariaten Kalibrationsverfahren in der Analytischen
Chemie. Bei diesen Verfahren wird,
im Gegensatz zur klassischen univariaten Kalibration, nicht nur ein
spektraler Datenpunkt, sondern
die gesamte spektrale Struktur zur
Kalibration und anschließenden
Analyse der Spektren herangezogen.
Der generelle Vorteil dieser Art der
Kalibration ist, dass hier mehr spektrale Informationen zur Modellbildung verwendet werden und somit
noch geringste Unterschiede in den
jeweiligen Substanzspektren unterschieden werden können. Die angewendete PLS-Methode ist eine Faktoranalyse. Sie reduziert die Daten
auf eine oder mehrere Hauptkomponenten im System, die mit den
analytischen Daten in Korrelation
stehen.
Da es sich bei diesen Verfahren
um statistische Auswertealgorithmen handelt, soll aufgrund deren
Abb. 3: Rohsalzzusammensetzung Unterbreizbach, Durchschnittswerte 2002 /
Unterbreizbach raw salt constituents, average values 2002
Fabrikbetrieb und Produktionsverfahren
Die Fabrikbetriebe der K+S KALI
GmbH verfolgen das Ziel, aus den
bergmännisch gewonnenen Rohsalzen verkaufsfähige Produkte herzustellen, dabei die Verfahrensabläufe effizient und verlustarm zu
gestalten sowie die Fabrikationsrückstände umweltverträglich zu
entsorgen.
Der thüringische Kalistandort
Unterbreizbach bildet mit den hessischen Standorten Hattorf und
Wintershall das Verbundwerk Werra. Am Produktionsstandort Unterbreizbach werden 60er Kali und
Korn-Kali in granulierter Form
sowie Kieserit „fein“ hergestellt.
Dabei kommen zur Gewinnung des
Kaliumchlorids aus dem Rohsalz
das Heißlöseverfahren und zur
Abtrennung des Kieserits aus dem
Heislöserückstand das Flotationsverfahren zum Einsatz.
Als Fabrikationsrückstände fallen
3 Mio. m3/ a Prozessabwässer an, die
in den Plattendolomit der Gerstunger Mulde versenkt bzw. in
Abstimmung mit den anderen
Standorten gesteuert unter Einhaltung behördlich überwachter
Grenzwerte in die Werra eingeleitet
werden. Ca. 1,3 Mio. t/a feste Rückstände gelangen über den Spülversatz zurück in die untertägigen
Hohlräume, die bei der Rohsalzgewinnung entstanden sind. Um eine
optimale Fahrweise in den Fabriken
mit geringen Ausbringensverlusten
zu gewährleisten, ist der Einsatz
moderner MSR-Technik erforderlich. Anhand von zwei Beispielen
wird die Bedeutung der NIR-On-
linemesstechnik zur Elementbestimmung in MgCl2-Lösungen für
den Standort Unterbreizbach dokumentiert.
Kaliumchloridproduktion mittels
Heißlöseprozess (Mischsalzverarbeitung)
Am Standort Unterbreizbach wird
ein Mischsalz aus den Flözen
Thüringen und Hessen verarbeitet
(Abb. 3).
Durch den hohen Carnallitanteil,
der bei der Verarbeitung zwischen
40 und 60 % schwankt, wird der
Heißlöseprozess für die Kaliumchloridgewinnung sehr komplex.
Wegen hoher Löslichkeit und
großer Lösegeschwindigkeit wird
das MgCl2 vollständig gelöst. Es reichert sich in den Prozesslösungen
an und wird mit der sogenannten
Q-Lösung aus dem Laugenkreislauf
ausgeführt.
Der Begriff „Q-Lösung“ trifft
zwar nur annähernd zu, hat sich
jedoch in der betrieblichen Praxis
durchgesetzt. Angestrebt wird ein
möglichst hoher MgCl2-Gehalt; je
höher der MgCl2-Gehalt, umso
niedriger ist der KCl-Gehalt in der
genannten Lösung. Dieser Umstand
beeinflusst das Ausbringen positiv.
Die Mischsalzverarbeitung am
Standort Unterbreizbach wird in
Abb. 4 durch das vereinfachte Verfahrensschema beschrieben. Es
zeigt auch, in welchen Verfahrensstufen Wasser in Form von Deckund Spülwässern zugesetzt wird.
Lösebetrieb
Das Mischrohsalz gelangt nach der
Zerkleinerung in den Lösebetrieb.
Hier wird in einem zweistufigen
Löseprozess durch den Einsatz von
heißer an KCl untersättigter Löselösung im Gleichstromverfahren
hauptsächlich der Wertstoff KCl
aus dem Rohsalz herausgelöst. Es
Abb. 4: Verfahrensschema Mischsalzverarbeitung Unterbreizbach / Process schematic
mixed salt at Unterbreizbach
entsteht eine an KCl und NaCl gesättigte heiße Lösung, die nach der
Heißklärung in die Vakuumstation
geleitet wird.
Der nach der 2. Lösestufe anfallende Rückstand wird im Nachlöser
im Gegenstrom mit kalter Mutterlösung gekühlt. Dabei wird auch die
anhaftende KCl-haltige Lösung verdrängt. Diese Lösung wird dem
Löser 2 zugeführt. Der verbleibende Rückstand, der hauptsächlich
Steinsalz und Kieserit enthält,
gelangt zur MgSO4-Gewinnung in
die Rückstandsaufbereitung. Der bei
der Klärung der heißen Lösung
abgeschiedene
Feinrückstand
(Schlamm) mit ähnlicher Zusammensetzung wie der Grobrückstand wird abfiltriert, mit Löselösung (80 °C) nachverwaschen und
ebenfalls der Rückstandsaufbereitung zugeführt. Die Schlammfiltrate werden nach Erwärmung auf
ca. 120 °C erneut dem Löser 1 aufgegeben. Die beim Heißlöseprozess
anfallende Lösung mit dem höchsten MgCl2-Gehalt ist die sogenannte
Vakuumlösung. Sie entsteht durch
Abkühlung der heißen gesättigten
Lösung in der Vakuumstation. Eine
Teilmenge der Lösung (ca. 2/3) wird
mit Decklösung (hoher KCl-Gehalt,
niedriger MgCl2-Gehalt) erneut als
Löselösung in den Löseprozess eingeführt. Die überschüssigen Lösungsmengen
werden
nach
Zwischenstapelung in einer Tankanlage als „Q-Lösung“ aus dem Prozess ausgeführt.
Vakuumstation
Die heiße Lösung wird in einer 7-stufigen Vakuumkühlanlage von ca.
100 °C auf ca. 35 °C abgekühlt.
Dabei kommt es zur Auskristallisation von KCl und NaCl. Das Kristallisat wird anschließend in einer
Kläranlage von der Lösung abgetrennt. Durch den Einsatz von Mutter- und Decklösung in den Stufen
1 bis 4 der Vakuumstation erfolgt
eine Aufwärmung auf ca. 80 °C.
Diese vorgewärmte Lösung wird
anschließend in Rohrbündelwärmeaustauschern mit Dampf
auf 120 °C erhitzt. In den Stufen
5 bis 7 wird Wasser als Kühlmittel
eingesetzt.
Deckprozess
Das bei der Kristallisatabtrennung
anfallende Zwischenprodukt (ca.
55 % KCl) wird anschließend in
Kali und Steinsalz
9
Abb. 5: Temperaturabhängigkeit HalitSylvin-Carnallit-gesättigter Lösungen
des betreffenden quinären Systems mit
14,6 g MgSO4/l Lösung [8] / Temperatu-
re dependency of halite-sylvite-carnallitesaturated solution of the quinary system
with 14,6 g MgSO4/l solution [8]
einem 2-stufigen Deckprozess auf
Endproduktqualität mit mindestens 95 % KCl bzw. 60 % K2O hochgedeckt. Die an KCl und NaCl gesättigte Decklösung verlässt dabei
den Prozess in der ersten Stufe,
während in der zweiten Stufe Wasser zugeführt wird. Der MgCl2Gehalt in der Vakuumlösung ist bei
der Mischsalzverarbeitung eine
wichtige Steuergröße für den gesamten Heißlöseprozess.
Die MgCl2-Messung erfolgt am
Klärerüberlauf und steht dem Bedienungspersonal online im Prozessleitsystem für Handlungsentscheidungen zum gesteuerten Decklösungs- und Wassereinsatz zur
Verfügung. Damit kann das Bedienungspersonal schnell auf Veränderungen reagieren. Bisher standen
die MgCl2-Gehalte als Laborwerte
erst eine Schicht später zur Verfügung.
Die optimale Größe des MgCl2Gehaltes liegt im Bereich zwischen
300 und 310 g/l in der Vakuumlösung. Werden MgCl2-Konzentrationen von > 320 g/l erreicht, tritt
unerwünschte Kristallisation von
Carnallit bei der Vakuumkühlung
auf (Abb. 5).
Dies hat zur Folge, dass die Kristallisatqualität merklich absinkt.
Beim nachfolgenden Deckprozess
fallen große Mengen an Decklösung
an, die den Löseprozess zusätzlich
belasten. Größere Ausbringensverluste sind dann die Folge. Der MgCl2Gehalt in der Vakuumlösung wird
bei derzeitiger Fahrweise insbesondere durch das KCl-MgCl2-Massenverhältnis im Rohsalz festgelegt,
wie Abb. 6 zeigt.
Das KCl-MgCl2-Massenverhältnis
ist im Rohsalz nicht konstant. In der
betrieblichen Praxis sollte dieses Verhältnis zwischen 1,3 und 1,6 liegen,
um ein optimales Ausbringen zu
gewährleisten.
Bei Werten >1,6 muss der Wassereintrag (Prozess- und Spülwässer)
im gesamten Löseprozess deutlich
Abb. 7: Anlagenschema Spülversatz / Schematic of tailings handling
Abb. 6: Abhängigkeit des MgCl2-Gehaltes der Vakuumlösung von der Rohsalzzusammensetzung / Dependency of
the raw salt constituents on the MgCl2 content
reduziert werden, um die angestrebte MgCl2-Konzentration in der
Vakuumlösung zu erreichen. Das
trifft in gewissen Grenzen auch für
den Decklösungsanteil in der
Löselösung zu.
Versatz von Löserückständen
(Spülversatz)
Ein zweiter wichtiger Einsatzbereich
für die NIR-Onlinemesstechnik in
wässrigen Lösungen ergibt sich
beim Spülversatz. Der Spülversatz
wird am Standort Unterbreizbach
seit 1998 mit Erfolg angewendet. Er
ist ein Teil des 1992 beschlossenen
Programms zur Verringerung der
Salzwasserbelastung der Werra.
Der Spülversatz trägt den Gewinnungs- und Verarbeitungsanforderungen für Mischsalze in Unterbreizbach Rechnung. Die steinsalzhaltigen Löserückstände werden
wieder in die untertägigen Hohlräume verbracht, die beim Carnallitkuppenabbau entstehen und geologisch bedingt im Werrarevier nur
in Unterbreizbach auftreten.
Wie das Anlagenschema des
Spülversatzes zeigt, wird der steinsalzhaltige Löserückstand in einem
Mischbehälter mit „Q-Lösung“ angemaischt und über die Gemischleitung den Spülkuppen zugeführt.
Die „Q-Lösung“ dient dabei als
Transportmedium. Bei der Einspülung sind die ehemaligen Kuppenzugänge, die der Carnallitgewin-
nung dienten, durch Dammsysteme
verschlossen. Sie halten das Versatzmaterial zurück, während die
Transportlösung drainieren kann.
Über Auffangbecken wird die
drainierte Lösung von der unteren
Sohle (Flöz Thüringen) auf die obere Sohle (Flöz Hessen) in Schachtnähe, dem sogenannten Schachtstapel, gepumpt. Von hier erfolgt die
Rückförderung in den Vorratstank
der Fabrik.
Die Transportlösung wird im
Kreislauf gefördert; Fehlmengen
werden aus dem laufenden Verarbeitungsprozess ausgeglichen. Bei
einer jährlichen Versatzmenge von
rund 1,3 Mio. t müssen ca. 0,8 Mio.
m3 Transportlösung von der Fabrik
zur Grube und zurück gefördert
werden. Wassereinträge sowie
Absenkung des MgCl2-Gehaltes in
der Transportlösung hätten schwerwiegende Folgen für die untertägige Sicherheit. Deshalb müssen folgende störfallverhindernde Maßnahmen getroffen werden:
f kontinuierliche Überwachung des MgCl2-Gehaltes;
f Grenzwertvorgabe 280 g
MgCl2/l in der Transportlösung;
f Kreislauffahrweise, so dass
Aufsättigung erfolgt;
f Ausgleich von Verlusten an
Transportlösung nur mit Prozesslösung ≥ 300 g MgCl2/l.
Damit ist gewährleistet, dass die
Carnallitpfeiler nicht angelöst werden. Zwischen Vorratstank und
Mischbehälter wurde dafür eigens
eine entsprechende NIR-Messstelle
installiert (Abb. 7).
Online-Messsystem
In unmittelbarer Nähe der zwei Probenahmestellen für Vakuum- und
Spülversatzlösung wurden an geeigneter Stelle im Fabrikbetrieb in
einem Industriecontainer beide
NIR-Online-Messsysteme installiert.
Abb. 8 zeigt den Container unter der
Rohrbrücke mit den Hauptrohrleitungen des Fabrikbetriebes sowie
eine Innenansicht.
Im Container sind auf der linken
Seite zwei unabhängig voneinander
arbeitende Probenvorbereitungssysteme für Vakuum- und Spülversatzlösung parallel angeordnet.
Auf der rechten Seite befindet sich
das NIR-Spektrometer mit dem
Auswerterechner.
Probenahme und Probenzuführung
Die Probenahme der Vakuumlösung
erfolgt mittels Tauchpumpe aus
dem benachbarten Dorreindicker.
Die Spülversatzlösung wird als
Bypass mittels 1/2-Zoll-Leitung aus
der Hauptrohrleitung über dem
Container entnommen. Beide Probenahmeleitungen sind mit Wasser
rückspülbar und zur Verhinderung von Kristallisationen begleitbeheizt. Die zu Beginn eingerichtete
Probenahme der Vakuumlösung als
Bypass aus der Hauptrohrleitung
musste aufgrund von häufigen
Betriebsstörungen (größere Luftmengen in der Rohrleitung) aufgegeben werden.
Die ankommenden Probenlösungen werden über 1mm-Siebeinsätze von größeren Partikeln
befreit. Der höhere Feststoffgehalt
der Vakuumlösung wird zusätzlich
über einen vorgeschalteten Zyklon
verringert. Die Reinigung der Siebe
erfolgt wöchentlich durch Rückspülung. Die Probenlösungen gelangen in separate Überlaufbecher, aus
denen die eigentliche Probenahme
anschließend mittels Schwenkarm
über Mikrofilterkerzen erfolgt.
Filtration
Die Mikrofilterkerzen werden prozessgesteuert einmal pro Stunde
bzw. bei Unterschreiten einer Min-
Abb. 8: NIR-Online-Messstellen im Fabrikbetrieb Unterbreizbach / NIR online
measurement station at the Unterbreizbach plant
destdurchflussmenge vollautomatisch mit einer Filterschicht belegt.
Die alte Filterschicht wird zuvor
durch Rückspülung abgestoßen.
Als Filtermaterial dient feines
Kieselgur (d50 ≈ 13 m), das als wässrige Suspension über Vorratsbehälter und Entnahmebecher bereitgestellt und als ca. 1 mm dünne
Schicht durch Unterdruck auf die
Mikrofilterkerzen aufgetragen wird.
Die Vorratsbehälter und Entnahmebecher werden ständig gerührt.
Die Filterkerze befindet sich an
einem Schwenkarm, der über einen
Motor angetrieben wird und halbkreisförmig vom Entnahmebecher
Filtermaterial zum Überlaufbecher
der Probenlösung wechselt (Abb. 9).
Die filtrierte Probenlösung wird in
einem Abscheider von Luftblasen
befreit und gelangt über einen
Bodenablauf mittels Schlauchpumpe weiter zur Temperiereinheit.
Temperierung
Die filtrierte Probenlösung wird
über ein Y-Schlauchverbindungsstück geteilt und von zwei separaten Schlauchpumpen einer Mischkammer zugeführt.
Einer der beiden Teilströme wird
vor der Mischkammer über eine
elektrisch beheizte Schlauchheizung geleitet und auf ca. 50 °C
erwärmt. Der andere Teilstrom hat
Kali und Steinsalz
11
Optimierungen und Weiterentwicklungen des Systems durchgeführt werden. Durch die hohe Einsatzbereitschaft des Betriebslabors
sowie des Fabrikbetriebes wurde die
Anlage schnell in den Routinebetrieb eingebunden und wird jetzt
vom Standort eigenständig betrieben und gewartet.
dabei mit Hilfe der so genannten
Kreuzvalidierung optimiert und
zeigt einen Vorhersagefehler für
Magnesiumchlorid von ca. 1% relativ. Vergleichsmessungen mit der
Referenzanalytik bestätigen diesen
Vorhersagefehler.
Abb. 9: Schwenkarm mit Filterkerze in den Positionen „Ansaugen Filtermaterial“,
„Spülen“ und „Probenahme“ / Filter swing arm in its three positions.
eine Temperatur von ca. 40 °C.
Anhand der Temperaturmessung in
der Mischkammer wird die Drehzahl beider Schlauchpumpen separat geregelt, so dass am Auslauf die
vorgegebene Probenmischtemperatur von 45 °C ( ± 1 °C) erreicht
wird. Alle oben genannten Bauteile sowie die Weiterführung der Probenlösung zur Messzelle und die
Messzelle selbst befinden sich im so
genannten Probenvorbereitungsschrank, der ebenfalls auf 45 °C
temperiert ist.
NIR-Messung
Unmittelbar nach der Mischkammer gelangt die auf 45 °C temperierte, klare Lösung in die Prozessmesszelle aus Hastelloy C22 (Abb.
10). Die Werkstoffauswahl erfolgte
anhand von Korrosionsversuchen
mit stark korrosiv wirkenden
Magnesiumchloridlösungen. In der
Messzelle sind zwei Lichtleiter im
Abstand von 1 mm gegenüberliegend eingebaut, die alle Messdaten
an das NIR-Spektrometer weiterleiten. Durchflusszelle und Lichtleiterpaare bilden jeweils ein zusammengehöriges System, das durch die
hohe Präzision der Fertigung untereinander bei gleich bleibender
optischer Eigenschaft austauschbar
ist. Genutzt wird hierbei der Vorteil,
dass Quarzglas fast keine Absorption im NIR-Bereich besitzt und somit
NIR-Strahlung nahezu verlustfrei
mittels Lichtleitertechnik auch
über größere Strecken transportiert.
Für beide Probenahmestellen sind
separate Messzellen vorhanden,
deren Lichtleiter an unterschiedlichen Kanälen am NIR-Spektrometer
angeschlossen sind. Über Multiplexertechnik können hier kostengünstig bis zu insgesamt sechs
Kanäle bzw. Probenahmestellen an
einem Spektrometer angeschlossen
werden. Die Messsignale der einzelnen Probenahmestellen werden
vom NIR-Spektrometer sequentiell
erfasst und ausgewertet. Hierbei
ermöglichen die sehr kurzen Messzeiten der NIR-Spektroskopie von
wenigen Sekunden nahezu simultane Verhältnisse.
Kalibration
Die Kalibration der Analysenmethoden erfolgte für beide Probenahmestellen auf Basis von mehr
als 100 realen Proben. Als Sollwerte wurden die Analysenergebnisse
der Referenzmethoden zugrunde
gelegt.
Um auch zukünftig alle Betriebszustände in dieser Kalibration
abzudecken, wird die Kalibration
zur Zeit mit einer Probe pro Woche
kontinuierlich erweitert. Die Probenahme erfolgt hierzu direkt im
Ablauf hinter den Messzellen, die
Sollwerte werden den Online-Spektren zum Zeitpunkt der Probenahme
zugeordnet. Für das Kalibrationsmodell wurden mittels
Optimierungssoftware nur aussagekräftige spektrale Bereiche ausgewählt. Das Analysenmodell wurde
Messwertübertragung
Die Messergebnisse werden über
eine 4-20 mA-Schnittstellenkarte
direkt an das Prozessleitsystem des
Fabrikbetriebes weitergeleitet und
dort graphisch dargestellt. Zur weiteren Datensicherung werden alle
gemessenen NIR-Spektren automatisch über ein Kopierprogramm auf
einem Netzlaufwerk gespeichert.
Anlagenverfügbarkeit, Störungen
und Wartungsaufwand
Die Anlagenverfügbarkeit liegt
zurzeit bei 90 Prozent. In der Einfahrphase traten Störungen fast ausschließlich im Bereich des Probenahme- und des Probenvorbereitungssystems auf, während die
eigentliche Online-NIR-Messung
und -Auswertung weitgehend störungsfrei verliefen.
Im Probenvorbereitungssystem
war Materialermüdung bei Verbindungs- und Transportschläuchen
Hauptursache für Störungen. Unkontrollierter Austritt von stark salzhaltigen Lösungen führte in der Folge zu Korrosionsschäden an elektrischen und mechanischen
Bauteilen. Es wurden daraufhin
neue Schlauchmaterialien getestet
und erfolgreich eingeführt.
Vorbeugend wurde eine Sicherheitsschaltung installiert, die über
Ventilsteuerung im Havariefall die
unkontrollierte Zufuhr von Lösungen stoppt. Die bessere Trennung
zwischen elektrischen und mechanischen Bauteilen ist geplant.
Mechanische Probleme beim
Betrieb des Schwenkarms zur Pro-
Abb. 10: Prozessmesszelle und NIR-Spektrometer zur Online-Messung / Online mea-
surement cell and NIR spectrometer
benahme führten anfänglich zu
Systemausfällen und konnten später durch bautechnische Änderungen behoben werden. Die eingesetzten Filterkerzen haben bis zum
heutigen Tag eine relativ kurze
Standzeit von 1 bis 7 Tagen. Hier soll
zukünftig eine Verbesserung durch
neue Filtermaterialien realisiert
werden.
Des weiteren traten nicht vorhersehbare Störungen durch Verschmutzung der Lichtleiter infolge
von Eisenoxid/-hydroxid-Abscheidungen auf und führten zu Veränderungen am NIR-Spektrum und
somit zu größeren Messtoleranzen.
Derartige Spektren werden von der
NIR-Software als Ausreißer erkannt
und gekennzeichnet. Diese Störungen werden jetzt durch rechtzeitige präventive Reinigungsmaßnahmen verhindert. Das gesamte Online-Messsystem wird täglich
kontrolliert und mit einem Zeitaufwand von ca. 1 Stunde gewartet.
Wöchentlich sind bislang weitere
Reinigungs- und Wartungsarbeiten
mit einem Zeitbedarf von ca. 3 Stunden erforderlich. Die Wartungs- und
Reinigungsintervalle sollen weiter
minimiert werden.
Kompetenzteam
Das Projekt wurde im Auftrag des
Standortes Unterbreizbach sowie
des Bereichs Forschung und Ent-
wicklung der K+S Aktiengesellschaft durchgeführt. Die Idee ist im
Zentrallabor der K+S geboren, dem
auch Projektplanung und Projektleitung oblagen. Die grundlegenden
Untersuchungen zur Applikation
wurden im Zentrallabor und in
Zusammenarbeit mit Herrn Prof.
Dr. Jürgen Backhaus, FH Mannheim,
FB Chemische Technik, im Rahmen
von zwei Diplomarbeiten durchgeführt.
Mit der Realisierung und Installation des Probenvorbereitungssystems sowie der Online-Messschaltung wurde Herr Hans-Jörg Wildanger, Fa. CiL, St. Ingbert, beauftragt.
Als Messsystem werden ein NIRSpektrometer, Modell Vektor 22 / NF, der Fa. Bruker sowie eine Prozessmesszelle der Fa. Solvias eingesetzt.
Herr Dr. Jörg-Peter Conzen und
Mitarbeiter, Fa. Bruker, leisteten
Applikationsunterstützung zur
chemometrischen Auswertung. Der
bauseitige Anschluss sowie die Anbindung des Messsystems an das Prozessleitsystem erfolgten durch den
Standort Unterbreizbach.
Der hohe Realisierungsfortschritt
war nur durch die enge und konstruktive Zusammenarbeit mit dem
Standort möglich. Insbesondere
durch das Engagement des Produktions- und Technikbereiches
des Standortes Unterbreizbach
konnten während der Pilotphase
Literatur
[1] Kluge, V.: Bestimmung von salinaren Lösungen mittels NIR-Spektroskopie. Diplomarbeit FH Mannheim, 1999
[2] Einax, J. W. : Chemometrik: nicht
nur für Spezialzeitschriften. In:
GDCh, Nachrichten aus der Chemie
50 (2002-10), S. 1099
[3] Haaland, D. M.; Thomas, E.V. : Partial least-squares methods for spectral analyses. 1. Relation to other
quantitative calibration methods
and the extraction of qualitative
information. In: Anal. Chem. 60-11
(1988), S. 1193–202
[4] Geladi, P. ; Kowalski, B.R. : Partial least-squares regression: a tutorial.
In: Anal. Chim. Acta 185 (1986), S.
1–17 und An example of
2-block predictive partial leastsquares regression with simulated
data. In: Anal. Chim. Acta 185 (1986),
S. 19–32
[5] Beebe, K.R. ; Kowalski, B.: An introduction to multivariate calibration
and analysis. In: Anal. Chem. 59-17
(1987), S. 1007 A–1010A, 1012A,
1014A–1017A
[6] Martens, H.; Naes, T. : Multivariate
calibration., New York : J. Wiley &
Sons, 1989, Kapitel 3.5.
[7] Brown, S. D.: Chemical systems
under indirect observation: latent
properties and chemometrics. In:
Appl. Spectrosc. 49-12 (1995),
14A–31A
[8] Wambach-Sommerhoff, K.R.,
Interner Bericht, K+S-Forschungsinstitut, 2002
Kali und Steinsalz
13
Simulation eines Abbaubereiches
in der flachen Lagerung im
Kalibergbau der K+S Gruppe
Mit dem Discrete Event Simulator ARENA ist ein Simulationsmodell
zur Simulation und Optimierung eines Abbaubereiches der flachen
Lagerung im Kalibergbau der K+S Gruppe erarbeitet worden. Dieser Beitrag beschreibt im Rahmen der Plausibilitätsprüfung des
Modells die Leistungsoptimierung eines 3-Streckenvortriebes zum Aufschluss eines neuen Abbaufeldes im Werra-Revier. Dabei werden
Parametereingabe, Simulation, Ergebnisausgabe und Auswertung vorgestellt. Aus den Ergebnissen der Simulationsläufe wird ein leistungsoptimiertes Auffahrverfahren ermittelt, dessen Leistungsdaten aus der
Simulation mit den tatsächlich erbrachten Leistungen nach Ergebnisumsetzung verglichen werden.
Dr. Christoph Ganzer
Grubenwirtschaftsingenieur
Funktionsbereich Bergbau
K+S Aktiengesellschaft, Kassel
Einführung
Nach der VDI-Richtlinie 3633 ist
„Simulation das Nachbilden eines
Systems mit seinen dynamischen
Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um Erkenntnisse zu
erlangen, die auf die Wirklichkeit
übertragbar sind“. Die dynamische
Simulation (ereignisorientierte
Simulation) im Bergbau der K+S
nahm unter dieser Definition ihre
Anfänge 1999 in der UTD Zielitz.
Dort wurde erfolgreich die Einlagerungskapazität der UTD in Abhängigkeit von der Schachtkapazität der
Grube simuliert. Dabei bestach die
Simulation insbesondere durch die
schnelle Kapazitätsberechnung
komplexer Arbeitsabläufe bei Veränderung der Schichtzeiten, des Personaleinsatzes und der Auslastung
der Transportgeräte, sodass auf
Grundlage der Simulationsläufe im
Nachgang der Simulation eine
nachhaltige Optimierung der
Arbeitsabläufe in der UTD vorgenommen wurde. Nach diesem
Erfolg wurden weitere Anwendungsfälle für den Einsatz einer
Simulation diskutiert und die Ausgangsbasis zur Entwicklung eines
Simulationsprojektes geschaffen.
Die Struktur dieses Projektes lässt
sich anhand des Phasenmodells in
der Abbildung 1 verfolgen und wird
im weiteren Verlauf anhand dieses
Modells beschrieben. [1]
Simulationsprojekt
Phase 0 – Problemstellung,
Problemanalyse, Kostenanalyse
Im Juni 2000 wurde überlegt,
welche Prozesse in den Grubenbetrieben bei K+S simulationswürdig seien, um weiteres Optimierungspotenzial in den Arbeitsprozessen aufzudecken. Bei der
Prozesskette der Gewinnung beginnend, blieben z.B. folgende Fragestellungen
• Sind die Prozessabläufe der
Gewinnung optimal ausgelegt?
• Ist der Personal- und Maschineneinsatz optimal gestaltet?
• Ist der Abbauzuschnitt
optimal dimensioniert?
• Ist die Reviergröße optimal
ausgelegt?
• Sind die Lagerstättenverhältnisse optimal ausgenutzt?
• Welchen Einfluss haben unterschiedliche Schichtmodelle auf
Kapazitäten?
• Welche Auswirkung haben die
Wechselwirkungen dieser Parameter aus diesen Problemstellungen auf die Kapazitäten?
Der Gewinnungsprozess in der
flachen Lagerung im Kalibergbau ist
ein Gewinnungszyklus mit acht sich
bedingenden Teilzyklen (Abb. 2):
(1) Sprengen über Schichtwechsel,
(2) Laden und Transportieren des
Haufwerks,
(3) Maschinelles Berauben der Firste
und der Stöße,
(4) Ankern der Firste,
(5) Großlochbohren,
(6) Sauberladen,
(7) Sprenglochbohren,
(8) Laden der Sprengbohrlöcher,
(1) Sprengen über Schichtwechsel.
Diese Teilzyklen müssen nacheinander in einem Arbeitsprozess in
jeder Strecke abgearbeitet werden.
Ein Revier besteht aus drei bis fünf
Kippstellen. Eine Kippstelle ist der
zentrale
Förderpunkt
eines
Streckensystems von neun bis 13
Abbaustrecken (Abb. 3).
Die Simulationswürdigkeit begründet sich in der Komplexität des
Gewinnungsprozesses. Die Komplexität zeigt sich dort bei den Auswirkungen der Wechselwirkungen
der Parameter bei den sich bedingenden Tätigkeiten in den Teilprozessen des Gewinnungszyklus.
Weitere die Simulation erfordernde
Faktoren sind das Fehlen analytischer mathematischer Modelle,
schneller Variantenberechnungen
und Alternativbetrachtungen, einer
schnellen Generierung von Ergebnissen sowie eines günstigen KostenNutzen-Verhältnis einer Simulation.
Auf Grund mangelnder Eigenkapazität bei K+S zur Programmierung
eines Simulationsmodells wurde
der Auftrag fremdvergeben. Mit der
UTD-Simulation als Referenz empfahl sich die SAT Simulations- und
Automations-Technolgie GmbH aus
Freiburg i.B. (SAT GmbH) für ein
Nachfolgeprojekte bei K+S. In einem
Kick-Off-Meeting wurde ein gemeinsames Projektteam zur Bearbeitung
gebildet.
Abb. 1: Phasen einer Simulationsstudie /
Phases of a simulation study
Phase 1 – Problemformulierung
Die Aufgabe war die Modellierung
eines „virtuellen Reviers“, welches
über Parameterkonfiguration (EXCEL-Datenblätter) die Abbildung
jedes real existierenden Reviers
ermöglicht. Unter Variation der
geometrischen Aufstellung der
Abb. 2: Gewinnungszyklus / Production cycle
Kali und Steinsalz
15
Abb. 3: Abbauverfahren / Mining method
Kippstellen eines Reviers, des Maschineneinsatzes, der Maschinenbelegung sowie der Maschinenparameter sollen die organisatorischen
Arbeitsabläufe
unter
Beachtung einer definierten Förderrate, des Beschäftigungsgrades
und des Maschinenauslastungsgrades simuliert und optimiert werden.
Phase 2 – Zielsetzung
Durch die Parametrisierung sollte
es möglich sein, verschiedene Szenarien aus der Problemstellung zu
simulieren. Die Simulation soll die
Auswirkungen von leistungsverzehrenden Störgrößen ermitteln.
Die Ergebnisse der Simulationsläufe sind dabei die Ausgangsbasis für
einen leistungsorientierten Optimierungsansatz.
Phase 3 – Modellbildung
In dieser Phase wurde ein konzep-
Abb. 4: Hauptseite der EXCEL-Datei /
Main sheet in EXCEL file
tionelles Modell inkl. Modelllogik
erstellt, das aus einer Reihe von
mathematischen und logischen
Beziehungen des Systems und seinen Komponenten besteht. Der
Gewinnungsprozess wurde in
einem Flowchart dargestellt und die
sich bedingenden Tätigkeiten miteinander verknüpft. Die physikalischen Größen wurden in ihren
mathematischen Beziehungen parametrisiert (mathematische Gleichungen). Dazu wurde auf der
Grundlage der maschinen- und
abbaubedingten Parameter eine
Berechnungsgrundlage geschaffen,
mit der der Programmierer die logischen Verknüpfungen im Modell
erstellen konnte. [3] Dabei wurde
zunächst von der SAT GmbH ein einfaches Modell generiert, das allmählich zu seiner gewünschten
Komplexität entwickelt wurde. Dies
wird insbesondere durch die Anzahl
von 34 Modellversionen, die zwischen Januar 2001 und Oktober
2002 erzeugt worden sind, veranschaulicht.
Phase 4 – Datensammlung
Die Modellbildung und die Datensammlung sind zwei zeitgleich verlaufende Prozesse. Die Datensammlung bei K+S ist sehr frühzeitig begonnen worden und erstreckte
sich über einen Zeitraum von
3 Quartalen im Jahr 2000.
Die Datensammlung hat zum
Ziel, möglichst eine genaue Inputdatenbasis für das Modell zu liefern.
Um ein möglichst realitätsnahes
virtuelles Reviermodell zu erzeugen,
sind reale Daten aus der Revierhistorie zu erheben. Dazu gehören
alle Tätigkeitsdauern wie z.B. die
Zeitdauer eines Ladespiels eines
Laders, das sich aus der Lade- und
Kippzeit sowie aus der Transportzeit
für das Fahren zur Kippstelle und
zurück zum Haufwerk zusammen-
setzt (siehe auch Phase 5 Modellcodierung). Einige Realdaten wurden
in eine Verteilungsfunktion und/
oder Wahrscheinlichkeitsverteilungen überführt, mit denen im
Modell Ausfallwahrscheinlichkeiten
der Großgeräte, Zündversagen der
Sprenganlagen und die generell zeitlich streuende Tätigkeitsdauer
berücksichtigt werden.
Bei den Ausfallwahrscheinlichkeiten der Großgeräte werden die
zwei häufigsten Ausfalltypen bei
K+S abgebildet:
(a) Die Ausfälle vor Ort werden
durch die Zeit zwischen zwei Ausfällen (TimeBetweenFailure) und der
Reparaturzeit (TimeToRepair) charakterisiert. Das Gerät fällt vor Ort
aus, wird vor Ort im Beisein des
Bedieners repariert und steht mit
Bediener nach der Reparatur dem
System wieder zur Verfügung.
(b) Die Ausfälle bis Schichtende
werden durch die Ausfallwahrscheinlichkeit pro Schicht charakterisiert. Das Gerät fällt aus, wird
zum Wartungsplatz befördert und
dort instand gesetzt. Der Bediener
steht dem System nach der Fahrt
zum Wartungsplatz, das Gerät dem
System zur nächsten Schicht wieder
zur Verfügung.
Die Großgeräte sind anhand der
Reparaturberichte unter diesen
Gesichtspunkten einer Störfallanalyse unterzogen worden [4]. Auf dieser Grundlage konnte die SAT
GmbH für jedes Großgerät eine spezifische Ausfallwahrscheinlichkeit
über eine Verteilungsfunktion
ermitteln. Im gleichen Erhebungszeitraum wurde anhand der Revierberichte und Übergabeprotokolle
der Erfolg der Sprengarbeiten analysiert. Da Abbaustrecken nur über
Schichtwechsel gesprengt werden
dürfen, hat ein Versagen der Zündanlage einen Förderausfall in dieser
Strecke und die Sperrung des Ortes
bis zur nächsten Schicht zur Folge.
Ein Abbrechen der Kanone oder der
Schleppen hat Förderverlust und
Mehraufwand durch Nachbohren
zur Folge. Die Wahrscheinlichkeit
für das Versagen der Zündung, für
das Abbrechen der Kanone und für
das Abbrechen der Schleppen wird
im Modell berücksichtigt. Jede Zeitdauer für Tätigkeiten wird über
einen Faktor beeinflusst. Der Faktor
ist eine Zufallsgröße aus einer triangularen Verteilung, die über
Parameter eingestellt werden kann.
Zum Beispiel errechnet sich die Zeit
für das Berauben aus der zu beraubenden Fläche [m2] und der Beraubeleistung [m2/ min]. Die Beraubeleistung ist ein Durchschnittswert.
Über diese Funktion wird der mal
schlechteren oder besseren Beraubeleistung pro Schicht über einen
längeren Simulationszeitraum Rechnung getragen.
Phase 5 – Modellcodierung
In dieser Phase wird das konzeptuelle Modell aus Phase 3 in ein Computermodell überführt. Das Simulationssystem zur Analyse der dynamischen Prozesse besteht aus zwei
Teilen, einer MICROSOFT-EXCELTabelle, in der sowohl die InputDaten (Front-End) eingegeben als
auch die Ergebnisdaten (Back-End)
ausgegeben werden, und einer
ROCKWELL Software ARENA 5.0
STANDARD EDITION Modelldatei
(.doe) samt Hilfsdateien.
Diese Trennung der Daten-Ein-/
Ausgabe von der Simulationssoftware hat den Vorteil, dass die Parametereingabe unter der bekannten
EXCEL-Oberfläche gesteuert werden
kann. An dieser Stelle ist der Ausund Weiterbildung und der Akzeptanz der Simulation Rechnung
getragen worden. Zukünftige Bediener des Modells, insbesondere bei
der Nutzung des Modells durch
Abb. 5: Streckenquerschnitt / Cross-section
andere Standorte der flachen Lagerung, bedürfen so nur einer Einweisung im Umgang mit den Parametern in EXCEL und nicht einer
aufwendigen Schulungsmaßnahme im Programmieren von Simulationsmodellen in ARENA.
Nach der Parametereingabe in
EXCEL wird über einen Schalter die
Simulation gestartet. Dabei werden
im Hintergrund zunächst alle Parameter aus der EXCEL-Tabelle an das
Modell im ARENA-Simulator übergeben. Auf der ARENA-Oberfläche
wird das Modell in Form eines
Abbaurasters graphisch erzeugt
und die Animation des Abbaus
gezeigt. Die während des Simulationslaufes erzeugten Daten im
Modell werden dabei im Hintergrund fortlaufend in die EXCELDatei geschrieben. Die EXCEL-Datei
besteht aus mehreren Datenblättern
(Abb. 4), die Blätter (1) bis (8) dienen
der Eingabe, die Blätter (8) bis (12)
dienen der Ausgabe der Ergebnisse,
wobei dem Blatt (8) durch Ein- und
Ausgabe eine Doppelfunktion
zukommt. Im Folgenden sind dies:
(1) Hauptseite•technische Grundparameter
(2) Personal•Anzahl der Mitarbeiter pro Schicht und Qualifikation
(3) Schichten•Arbeitszeiten
(4) Maschinen•Wartungsplan und
räumliche Maschinenbindung
(5) Entfernung•Entfernungen im
Revier
(6) Kippstelle 1•... Kippstelle n
Geometrische Kippstellenpara-
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
meter
K1 Layout•... KnLayout Abbaublockfeine Parametrisierung
für jede Kippstelle
Übergabe 1a•Startzustand der
Strecken und Streckenstatus bei
Schichtende
Gantt1a•Zeitliche Darstellung
der Tätigkeiten von Personal
und Maschinen
Strecken1a•Zeitliche Darstellung der Streckenbelegung
Ergebnis1a•Schichtweise Ergebnisausgabe mit Gesamtergebnis des Simulationslaufes
Auswertung•Zusammenfassung der Gesamtergebnisse der
Replikationsläufe
Dateneingabe
(1) Hauptseite – Auf der Hauptseite
werden die technischen Grundparameter eingegeben. Zunächst werden die Stopp-Mechanismen für den
Simulationslauf festgelegt. Hier
lK
6.6 m
bK
hK
6.5 m
3.5 m
lS
6.8 m
hS
3.5 m
minH 2.3 m
lhF
7.0 m
aKaSi 11.0 m
Abschlaglänge der
Kanone
Breite der Kanone
Maximale Höhe der
Kanone
Abschlaglänge der
Schleppen (und Firste)
Maximale Höhe der
Schleppen
Technische
Mindesthöhe
Abschlaglänge
der hohen Firste
(Versatz und Nutzsalz)
Schleppen erst über
dieser Kanonentiefe
Tab. 1: Parameter zur Bestimmung des
Bohrfeldes / Borehole spacing parameter
Kali und Steinsalz
17
Lagermächtigkeit
Bauhöhe
Hohe Firste
Versatz
Hohe Firste
Nutzsalz
Bemerkungen
= Mindesthöhe
Keine
Keine
2 > Mindesthöhe
= Lagerhöhe
< max. Schleppenhöhe
3 > Mindesthöhe
> Lagerhöhe
< max. Schleppenhöhe
Keine
Keine
alles Nutzsalz o.
Versatz
alles Nutzsalz
Ja
Keine
4 > max. Schleppenhöhe = Lagerhöhe
5 > max. Schleppenhöhe > Lagerhöhe
Keine
Ja
Ja
Ja
1 < Mindesthöhe
K+S Nutzsalz
HoFi Versatz
(getrennt sprengen)
alles Nutzsalz
K+S+HoFiN Nutzsalz,HoFiV Versatz
(getrennt sprengen)
Tab. 2: Bedingungen für das Bauen der Hohen Firste / Condition for high roof mining
kann die Simulation nach Erreichen
von x Schichten oder nach Abbau
von x Abbauzeilen gestoppt werden.
Der Ausgabeumfang der Ergebnisse kann variiert werden.
Es sind ferner die Maschinendaten auf dieser Seite einzugeben. Die
Maschinen sind nach Typ, Anzahl,
Leistung und der o.g. Ausfallwahrscheinlichkeit parametrisiert. Die
Parametrisierung erlangt dabei
stellenweise einen sehr hohen
Detaillierungsgrad. Dies soll am Beispiel der Bestimmung des Bohrfeldes verdeutlicht werden.
Das Bohrfeld beschreibt die geometrischen Größen eines Abschlages (s. Tabelle 1). Wenn hier die Abschlaglänge der Kanone (z.B. 6,60 m)
kürzer als die Bohrlänge bei den Maschinenparametern für den Sprenglochbohrwagen (z.B. 7,00 m) angeben wird, differiert das gesprengte
Haufwerk unter Berücksichtigung
dieses Abschlagwirkungsgrades um
6 % von der abgebohrte Salzmenge.
Durch die abbaubedingten Parameter wie Lagermächtigkeit und
Bauhöhe sowie Technische Mindesthöhe und Maximale Schleppenhöhe werden fünf Abbauvarianten für das Gewinnen der Hohen
Firste bei der Simulation mit Auswirkungen auf Bohraufwand und
Haufwerksförderung unterschieden (s. Tabelle 2). Nachfolgend werden zwei dieser Varianten beschrieben.
Für die Variante 1 gilt: wenn die
Lagermächtigkeit kleiner als die
Mindesthöhe ist, dann ist die
Bauhöhe gleich Mindesthöhe und
es wird weder im Nutzsalz noch im
Versatz eine Hohe Firste gebaut.
Für die Variante 3 gilt: wenn die
Lagermächtigkeit größer als die
Mindesthöhe und kleiner als die
maximale Schleppenhöhe ist, dann
ist die Bauhöhe gleich Lagerhöhe.
Kanone und Schleppen werden im
Streckenhöhe
Streckenbreite16 m
Abschnitt
2.5
3.0
3.5
K
33
34
36
Knb
33
34
36
li. S
20
20
20
re. S
20
20
20
Snb
11
11
11
Fi.
ho.Fi.
4.5
36
36
20
20
11
16
5.5
36
36
20
20
11
32
6.5
36
36
20
20
11
48
7.5
36
36
20
20
11
64
Tab. 3: Anzahl Sprengbohrlöcher im Hartsalz / Amount of drill holes in hard rock salt
Nutzsalz, die Hohe Firste im Versatz
gebaut. Der Versatz wird dabei nicht
zur Kippstelle gefahren, sondern an
das nächstgelegene Ende der Basisstrecke, die Verweilzeit zum Kippen
ist parametrisiert und bietet somit
die Möglichkeit, längere Versatzwege für den Lader abzubilden (Abb. 5).
Der Parameter aKaSi Schleppen
erst über dieser Kanonentiefe lässt
hier die Kanone um 11 m den
Schleppen voreilen. Ein Überholen
der Kanone durch die längere
Abschlaglänge der Schleppen ist
nicht möglich. Bei Erreichen der
Kanonentiefe wird der Schleppenvortrieb gestundet, bis mindestens
wieder ein Voreilen der Kanone von
11 m erreicht ist.
Die Tabelle 3 repräsentiert die
durchschnittlich zu bohrende
Anzahl von Sprengbohrlöchern in
den Abschnitten Kanone, Kanone
nachbohren, linke und rechte
Schleppe, Schleppe nachbohren, Firste sowie Hohe Firste im Hartsalz für
eine Streckenbreite von 16 m in
Abhängigkeit unterschiedlicher
Streckenhöhen. Die SAT GmbH hat
auf dieser Grundlage Formeln entwickelt, die in Abhängigkeit unterschiedlicher Salzarten und Streckenquerschnitte die zu bohrenden
Sprengbohrlöcher berechnen.
Beim Ankern z.B. wird der Einfluss sicherheitsrelevanter Parameter auf den Gewinnungszyklus
deutlich. Die Parameter minimaler
Abstand der letzten Ankerreihe zu
den Schleppen/Hohen Firsten (nach
dem Ankern) und der maximale
zugelassene ankerfreie Abschnitt
vor den Schleppen bestimmen den
Beraubeaufwand je nach Abstandsangabe. Beim Berauben ist die Gültigkeitsdauer der Erstfreigabe anzugeben. Dieser Parameter bewirkt bei
einer längeren über diesen Zeitraum
dauernden Nichtbelegung der
Strecke eine vom Streckenzustand
unabhängige Neuberaubung und
neue Erstfreigabe der Strecke.
(2) Personal – Auf diesem Blatt
wird die Belegschaft für jede
Schicht festgelegt. Die Qualifikation in der Bedienung der Großgeräte wie Sauberlader, Großlochbohrwagen, Sprenglochbohrwagen,
Lader, Berauber, Ankerbohrwagen,
sowie Sprengstoffladefahrzeug
kann den Bergleuten prozentual
zugeordnet werden. Z.B. kann
einem sehr guten Laderfahrer ein
Leistungsfaktor von 120 % zugeschrieben werden. Sollte der zum
Sprenglochbohren weniger qualifizierte Laderfahrer allerdings vom
System zum Sprenglochbohren eingesetzt werden, kann diese
Nebentätigkeit mit einem Leistungsfaktor von z.B. 60 % bewertet
werden. Über die Beurteilung der
Haupt- und Nebentätigkeiten eines
jeden Bergmanns im virtuellen
Revier kann die Tätigkeitsdauer
beeinflusst werden.
(3) Schichten – In diesem Bereich
werden Ein- und Ausfahrzeiten
sowie die Schicht- und Pausenzeiten
eingegeben und somit die produktive Schichtzeit festgelegt. Es können auch mehr als drei unterschiedliche Schichten definiert
werden. Über eine Schichtfolge können diese Schichten vielfältig kombiniert werden, sodass nahezu
jedes Schichtsystem abgebildet werden kann.
(4) Maschinen – Hier können u.a.
Wartungspläne für die Großgeräte
aufgestellt werden und Lader an einzelne Kippstellen gebunden werden.
Die Wartungspläne ermöglichen
das Herausnehmen von Geräten
nach entsprechenden Wartungsintervallen für die Wartung am Wartungsplatz. Die Dauer beläuft sich
über eine Schicht. Dieser Parameter
ermöglicht auch die Simulation von
Streckenvortrieben mit langen Fahr-
wegen. Dabei kann z.B. durch Einsatz eines 2. Laders nach Erreichen
einer entsprechenden Auffahrungslänge der Einfluss auf die Förderkapazität simuliert werden.
Dazu wird der 2. Lader über 70
Schichten gewartet und erst mit der
71 Schicht eingesetzt.
(5) Entfernungen – Insbesondere
bei der Simulation eines Reviers mit
mehreren Kippstellen sind die Entfernungen für das Umsetzen der
Maschinen von einer Kippstelle zur
nächsten mit Fahrzeiten verbunden.
Diese Fahrzeiten bremsen den
Gewinnungszyklus. Einstellbar sind
die Entfernungen über eine Matrixstruktur zwischen den Kippstellen,
dem Revier- und Wartungsplatz.
(6) Kippstelle 1 ... Kippstelle n –
Für jede Kippstelle wird ein Datenblatt erzeugt. Hier werden die geometrischen Abbaugrößen wie z.B.
Anzahl der Strecken, Lage der
Bandstrecke, Anzahl der Abbauzeilen, Rastermaß und Dichte des Salzes festgelegt. Mit diesen Grundeinstellungen für jede Kippstelle
wird über einen Button auf der
Hauptseite ein neues EXCEL-Blatt, s.
Pkt. (7), erzeugt.
(7) K1Layout ... KnLayout – Auf diesem Datenblatt werden die
abbaublockfeinen Parameter wie
Vertaubungszonen, Verhiebrichtungen, Geschwindigkeitsfaktoren,
Wertstoffgehalte, Mächtigkeiten,
Bauhöhen sowie Strecken-, Band-,
Basis- und Durchhiebbreiten für
jede Kippstelle eingetragen. Dabei
werden für jede Thematik die
Abbaublöcke der Kippstelle dargestellt, in denen die Einzelwerte für
jeden Block eingetragen werden
können. Mit diesen abbaublockfeinen Einstellungen ist es möglich,
Reviere unterschiedlicher Abbauverhältnisse darzustellen und die
Simulationsgenauigkeit zu erhöhen
(Abb. 6).
Abb. 6: Auszug aus dem Kippstellen-Layout der EXCEL-Datei / Part of a layout of
the dumping area in the EXCEL-file
(8) Übergabe 1a – Das Datenblatt
ist inhaltlich an die Übergabeprotokolle der Reviere angepasst. Mit
der Startaufstellung kann jeder
beliebige Startzustand einer Strecke
abgebildet werden.
Starten des Simulationslaufes
Mit der Startaufstellung ist die Eingabe der Daten im EXCEL-Blatt
beendet und es kann die Simulation
auf der Hauptseite über den Button
„Modell erzeugen“ gestartet werden
(Abb. 4). Bei dieser Aktion werden
das Modell im ARENA Simulator
erzeugt und alle Eingabedaten an
das Modell übergeben.
Simulation und Animation
Nach dem Aufbau der Startaufstellung der Kippstelle(n) beginnt die
Simulation des Abbaus, der sich anhand der Animation verfolgen
lässt. Die Abbildung 7 zeigt die Animation zum Zeitpunkt nach 7
Schichten. Mit jedem Ansatzort im
Revier ist genau eine aktuelle Aktion
im Modell verbunden. Diese AkKali und Steinsalz
19
Abb. 7: Modell in ARENA / ARENA model
tionen warten in einer Liste anstehender Aufträge, bis sie ausgeführt
werden. Dazu sind meist ein Mann
und eine Maschine notwendig, die
diese Aktion ausführen. Ist die Aktion ausgeführt, erzeugen sie eine
(oder mehrere) Nachfolgeaktionen,
die wieder in die Liste der Aufträge
gestellt werden. Die gesamte Ablauflogik ist so auf das Ausführen
von Aktionen und deren Nachfolgeaktionen zurückzuführen. Die
Reihenfolge der Aktionen richtet
sich nach dem Gewinnungszyklus.
Ist eine Aktion ausgeführt, wird die
nächste Aktion der Liste ausgeführt,
am Ende der Liste beginnt der
Zyklus wieder von vorn. [2]
Auf dem Bildschirm lassen sich
neben dem aktuellen Streckenzustand auch die aktuellen Kenndaten
für gefördertes Rohsalz, K2O-Ausbringen sowie die Tagestonnage als
Abb. 8: Legende und Farbcode der
Animation / Animation legend and colour-
code
Kennzahl und auch als Plot ablesen.
Des Weiteren werden Simulationstage, Schichtzeit, Schichtdauer in
Minuten und die aktuelle Schicht
angezeigt. Für jede Strecke werden
der Vortriebsstand, die Produktionsschichten seit Erstfreigabe
sowie die Haufwerksmenge in der
Strecke angezeigt. Zur visuellen
Unterscheidung der Maschinen
und der Streckenzustände sind diese farblich und symbolisch codiert
(Abb. 8).
Datenausgabe
Während des Simulationslaufes
werden die Ergebnisse in die EXCELDatei geschrieben. Der Umfang der
Ergebnisübertragung nach EXCEL
kann zugunsten der Rechengeschwindigkeit auf der Hauptseite
eingeschränkt werden. Zur statistischen Absicherung bei wahrscheinlichkeitsbehafteten Eingabedaten ist es notwendig, mehrere
Simulationsläufe (Replikationen)
ohne Veränderung der Eingangsparameter durchzuführen (Kennzeichnung der Datenblätter mit
Kleinbuchstaben).
(8) Übergabe 1a – Nach jeder
Schicht wird der Status für jede
Strecke in das Blatt Übergabe 1a
geschrieben.
(9) Gantt1a – In jeder Schicht werden in einstellbaren Zeitintervallen
alle Maschinen über horizontale Balken in einem Gantt-Chart dargestellt. Der Einsatzort der Maschinen
lässt sich im Balkendiagramm ablesen. Die gleiche Art der Darstellung
wird für die Beschäftigung der
Belegschaft verwendet. Neben der
graphischen Darstellung lassen
sich Beschäftigung der Belegschaft
und Auslastung der Maschinen in
Zahlenwerten ablesen.
(10) Strecken1a – In diesem
Gantt-Chart lässt sich die Streckenauslastung anhand der Maschi-
nenbelegung in den Strecken ablesen.
(11) Ergebnis1a – Für jede abgelaufene Schicht werden auf diesem
Blatt die erbrachten Leistungen
geschrieben. Dies sind zusammenfassend die Revierleistung (z.B.
Reviertonnage und Bohrmeter),
Maschineneinzelleistungen (z.B.
Fahrzeit, Einsatzzeit und gebohrte
Sprengbohrlöcher der Sprenglochbohrwagen), Beschäftigung des Personals (z.B. Arbeit, kein Auftrag und
keine Maschine in [h] für den Bohrhauer1) und der Personalaufwand
in den Tätigkeiten (z.B. Haufwerk
Laden und Bohren in [h]). Nach Ende
des Simulationslaufes wird eine
Ergebniszusammenfassung angehängt.
(12) Auswertung – Am Ende der
Simulation werden hier die Ergebniszusammensetzungen der einzelnen Replikationen zusammengetragen und statistisch ausgewertet. Den Ergebnissen sind im
EXCEL-Blatt Namen zugewiesen.
Dieses bietet den Vorteil, grubenspezifische Kennzahlen, Kennlinien und Kostentabellen erstellen
zu können.
Phase 6 – Modellverifizierung
In dieser Phase muss geprüft werden, ob das konzeptionelle Modell
bzgl. der Prozesslogik konsistent in
das Computermodell überführt
worden ist, bzw. ob der Gewinnungszyklus in den Strecken richtig abgebildet und programmiert
wird. Hier ist die Sorgfalt des Programmierers gefragt, permanent
die Modelllogik auf den Prüfstein zu
stellen. Die Fehlersuche, das sog.
Debugging, begleitet nicht nur der
Programmierer von der SAT GmbH
während der gesamten Modellphase, sondern auch das K+S-Team. In
einem sehr frühen Modellstadium
wurde die Modelllogik anhand
eines Ablaufschemas geprüft.
ARENA bietet hier die Möglichkeit,
nach jeder Task das Modell anzuhalten, um den Modellzustand
(Streckenzustand, Leistungsdaten
etc.) zu überprüfen. So wurden die
zu erwartenden Simulationsergebnisse anhand der Eingangsdaten
berechnet und mit den erzielten
Simulationsergebnissen verglichen
und verifiziert. Der Aufwand des
Debuggings zeigt sich insbesondere in der hohen Anzahl der Modellversionen.
Parameter
Simulation
Realität
Fördermenge 307.000 t 406.000 t
Bohrmeter/
877 m 1062 m
1000t
Firstanker
47 St
51,5 St
Loch/1000t
131 St
159 St
24%
17%
8%
17%
Tab. 4: Simulationsergebnisse Revier 5 /
Simulation results of area 5
Phase 7 – Modellvalidierung
Unter Validierung wird die Prüfung
und Sicherstellung von einer hinreichenden Übereinstimmung von
Modell und Realität verstanden. Mit
dieser Phase schließt der jeweilige
Prüfprozess ab. Kann das Modell
nicht validiert werden, sind die
Ursachen in den Phasen 3 bis 6 zu
suchen. Hierbei begleitet das Simulationsteam die Frage nach der
Abbildungsgenauigkeit des Modells.
Schwierig gestaltete sich die Abwägung zwischen zu rechtfertigendem
Aufwand zur Verbesserung des
Modells und zu erzielendem Effekt.
Die Modellvalidierung wurde
an zwei Beispielen mit unterschiedlichen Ergebnissen in 2001
vorgenommen, (a) Revier 5, 3-Kippstellenbetrieb und (b) Revier 35,
3-Streckenvortrieb in Richtung UBSüd. (a) Das Revier 5 im Grubenbetrieb Werra Standort HW stellt für
das Projekt das Simulationsrevier
dar. Die Differenz der realen Kennzahlen zu denen aus der Simulati-
on ermittelten ließ eine Validierung
nicht zu. In der Tabelle 4 ist ein Auszug der Werte vergleichend gegenübergestellt. Die Ursachen wurden
analysiert und in der Komplexität
der Aufgabe begründet. Im Nachgang der Validierung wurde eine 2.
Projektphase angeschlossen, in der
Ergänzungen und Verfeinerungen
hinsichtlich Modelllogik und Abbildungsgenauigkeit vorgenommen
wurden. Dieser Modellstatus ist zur
Zeit in der Validierungsphase.
(b) Das Revier 35, der 3-Streckenvortrieb in Richtung Unterbreizbach-Süd, ist mit der Komplexität
des Simulationsreviers mit seinen
3 Kippstellen und ca. 30 Strecken
nicht zu vergleichen. Simulationsbasis war der Ist-Zustand des Reviers
mit einem Maschinensatz und
gleich gut qualifiziertem Personal
einer 3-schichtigen 3er-Belegung.
Simulationsziel war, die über 40
Wochen dokumentierte reale Vortriebsleistung des Streckensystems
von 15 m/Woche mit der Simulation zu erreichen. Nach 5 Replikationsläufen wurde eine durchschnittliche Vortriebsleistung von
15,5 m/Woche erzielt, das einem von 3 % in der Abweichung zur realen Vortriebgröße entspricht. Mit
diesem Ergebnis ist das Modell für
die Simulation von Prozessen im
Revier 35 validiert worden und
erfüllte damit die Voraussetzung für
einen leistungsorientierten Optimierungsansatz mittels Simulation.
Phase 8 – Experimentierrahmen
Der Entwurf des Experimentierrahmens richtet sich nach den SimuSchichtsystem
5x3+1
6x2
Abb. 9: Riss Revier 35 – 3-Streckenvortrieb in Richtung Unterbreizbach-Süd /
Mine map of area 35 – 3-gallery drifting
system to South of Unterbreizbach
lationszielen. Simulationsläufe
selbst sind keine Optimierungsläufe. Erst durch eine schrittweise Variation der Eingangsparameter und der
daraus resultierenden Ergebnisse
aus den Läufen kann durch die Wahl
geeigneter Auswertemethoden eine
Optimierung durchgeführt werden. In Abhängigkeit der Simulationsergebnisse und deren Interpretation wird es unter Umständen notwendig, den Experimentierrahmen
zu modifizieren, in dem weitere
Simulationsläufe hinzugenommen
oder andere gestrichen werden.
Dabei werden die Phasen 8 bis 10
durchaus öfters durchlaufen.
Der Experimentierrahmen zur
Optimierung der Vortriebsleistung
des 3-Streckenvortriebs in Richtung
UB-Süd umfasste die Variation der
(a) Schichtzeiten und des (b) Umstellrasters der Kippstellen.
Phase 9 – Produktionsläufe
(a) Variation der Schichtzeiten – Das
Streckenvortrieb
[m]
Arbeitsaufwand
[MS]
Leistung
[m/Wo]
[m/1000t]
171
170
462
370
15,5
14,8
4,6
5,7
Tab. 5: Simulationsergebnisse zur Variation Schichtzeiten / Simulation results in
dependency of variation of shift time
Kali und Steinsalz
21
bestehende Schichtsystem von fünf
3-schichtigen Werktagen plus die
Samstag Frühschicht (5x3+1) wurde
dabei mit einem Schichtsystem von
sechs 2-schichtigen Werktagen verglichen. Der Vergleich in Tabelle 5
zeigt deutlich einen schnelleren Vortrieb für das 5x3+1-Schichtsystem
unter nachteiligem Arbeitsaufwand. Bei einem kostenoptimierten
Ansatz wäre hier das 6x2-Schichtsystem favorisiert gewesen.
(b) Variation der Umstellraster der
Kippstellen – Das Umstellraster
Abb. 10: Vortriebsleistung und Spezifischer Arbeitsaufwand in Abhängigkeit
des Umstellrasters / Drifting performan-
ce and specific work expenditures as a function of the relocation pattern
einer Kippstelle umfasst den von
einer gemeinsamen Basisstrecke aus
gerichteten Abbau der ihr zugeordneten Strecken und Durchhiebe.
Bei einem Umstellraster von 2R wird
die Kippstelle nach dem Abbau von
2 Durchhieben (Abbauzeilen) in die
neue Basisstrecke umgesetzt. Die
Abbildung 9 zeigt dies in einer risslichen Darstellung zum Vergleich
mit einer projizierten Momentaufnahme aus der Animation. Bei
einem Umstellraster von 3R wird vor
der Umstellung noch zusätzlich
eine Abbauzeile mehr abgebaut. Die
Parameter dazu wurden auf dem
EXCEL-Blatt K1Layout entsprechend
angepasst. Dabei wurden Umstellraster von 1R bis 4R simuliert (Abb.
10). Die Analyse der Ergebnisse und
die graphische Auswertung zeigen
beim Umstellraster 3R ein deutli-
ches Optimum. Ein Vergleich in
Tabelle 6 zeigt bei der Abbauvariante 3R eine 5%ige Aufwandreduzierung bei gleichzeitiger 9%iger
Leistungssteigerung gegenüber der
bisherigen Umsetzung der Kippstelle nach 2 Abbaurastern. Die Aufwandsreduzierung ist u.a. durch
den geringeren Auffahrungsaufwand im Bereich der Kippstelle
erklärbar (weniger aufzufahrende
Kippstellen pro Jahr).
Phase 10 – weitere Simulationsläufe
Durch die langen Pfeiler des aufzufahrenden Streckensystems ergeben sich insbesondere bei der 3R
Kippstellenumsetzung lange Förderwege für den Lader. Darum wurde der Einsatz eines 2. Laders ab der
70. Schicht simuliert (s. Pkt. [4]
Maschinen). Dies hatte erwartungsgemäß eine Kapazitätssteigerung zur Folge. Dieses Ergebnis lässt
sich aber auf Grund der Streckenverhältnisse und Förderung des
Haufwerks aus einer Strecke auf nur
eine Kippstelle betrieblich nicht
umsetzen. Dieses Beispiel zeigt die
Möglichkeiten auf, die die Simulation hinsichtlich Computerexperimenten bietet. So können ohne
großen Zeit- und Kostenaufwand
auch Varianten simuliert werden,
die mit konventionellen Methoden
u.U. verworfen worden wären.
Phase 11 – Programmdokumentation
und Ergebnisbericht
Die Bedienung der Systemkomponenten unter EXCEL und ARENA
sowie der Aufbau der Programmlogik in ARENA sind durch die SAT
GmbH dokumentiert worden.
Jedes Simulationsprojekt muss
dokumentiert werden. Ein- und
Ausgabeparameter müssen nachvollziehbar sein. Als hilfreich
erweist sich beim Entwurf und der
Fortführung des Experimentier-
2R 3R Spezifischer
[MS/m] 2,70 2,57 -5%
Arbeitsaufwand
Vortriebsleistung [m/Wo] 15,5 16,9 +9%
Tab. 6: Simulationsergebnisse zur Variation des Umstellrasters / Simulation
results in dependency of variation of relocation pattern
rahmens bei weiteren Simulationsläufen die Aufstellung einer
Matrixstruktur mit allen Eingabeparametern und Ergebnissen von
jedem Simulationslauf.
Phase 12 – Ergebnisumsetzung
Nach Prüfung der Erwartungswerte aus der Simulation entschied sich
der Standort HW auf Umsetzung der
Ergebnisse und Verlängerung des
Umstellrasters um ein Raster (Abb.
11). Die Zielvorgabe für das Revier
35 wurde von 15 m/Woche aufzufahrendem Streckensystem auf 18
m/Woche erhöht. Damit ergab sich
folgende Auffahrungssituation:
• Letzte 2R–Auffahrung vom 17.DH
bis zum 19.DH – 02. Okt. 01 bis
23. Jan. 02
• Erste 3R–Auffahrung vom 19.DH
bis zum 22.DH – 02. Feb. 02 bis
20. Mai 02
2R 3R
Spezifischer
[MS/m] 2,72 2,24 -18%
Arbeitsaufwand
Vortriebsleistung [m/Wo] 15,1 17,9 +19%
Tab. 7: Auffahrungsergebnis – Leistungsvergleich der Umstellraster/ Drifting rate
– performance comparison of relocation
pattern
Ein Vergleich der Auffahrungszeiträume zeigt Tabelle 7. Mit der
Änderung des Umstellrasters von 2R
auf 3R wurden 18 % weniger Mannschichten pro Meter Streckensystem
aufgewendet und die Auffahrungslänge des Streckensystems um 19 %
pro Woche gesteigert [5].
Abb. 11: Umstellraster der Kippstellen /
Relocation pattern of dumping area
Fazit
Dieses Validierungsbeispiel zeigt,
dass bereits während der Entwicklung des Simulationsmodells Ergebnisse aus der Simulation zur Optimierung des 3-Streckenvortriebs
erfolgreich eingesetzt werden konnten. Die prognostizierte Vortriebsleistung ist dabei im späteren
Betrieb noch übertroffen worden (s.
Tabelle 8). Ähnlich verhielt es sich
beim spezifischen Arbeitsaufwand
(s. Tabelle 9). Die verbrauchten
Mannschichten pro Woche waren
dabei weit geringer als die prognostizierten aus der Simulation.
Die Differenzen zwischen den
Simulationswerten und realen
Betriebsergebnissen können als
Simulationsgenauigkeit interpre-
tiert werden. Der hohen Genauigkeit in der Vortriebsleistung steht
hier aber eine größere Differenz im
spezifischen Aufwand gegenüber.
Der Grund hierfür könnte in der
Steigerlogik des Modells liegen. Das
Modell arbeitet eine Liste von Aufträgen der Reihe nach ab. Der Steiger im realen Revier steht im permanenten Entscheidungsprozess,
seine Mannschaft von Situation zu
Situation effektiv einzusetzen. Er
bedenkt die Konsequenzen seiner
Entscheidung für die nachfolgenden Arbeitsprozesse nicht nur in
Konsequenz auf seine Schicht sondern auch auf die nachfolgende(n)
Schicht(en). Dies kann das Modell
noch nicht leisten.
Vielmehr gilt es Abbildungsunschärfen zu erkennen, zu untersuchen und ggf. die Ergebnisse zu relativieren. Die Simulation ist ein Planungswerkzeug, das nach Einsatz
und Anwendung der Ergebnisse wie
jedes Projekt einer Nachkontrolle
unterzogen werden muss. Im Ergebnis der Nachkontrolle sollte ggf. eine
Modifizierung des Planungswerkzeuges stattfinden und somit auch
eine am Bedarf und Aufwand orientierte Weiterentwicklung des
Simulationsmodells erfolgen.
Ausblick
Ziel ist es, das Simulationsprojekt
soweit abzuschließen, dass das
Modell entsprechend der Aufgabenstellung validiert werden kann.
Mit dem validierten Modell wird
eine Anwendung des Modells in den
Grubenbetrieben der flachen Lagerung, Werke Zielitz und NeuhofEllers, möglich. Ein Sonderprojekt
ist zwischenzeitlich im Grubenbetrieb Zielitz erfolgreich simuliert
worden und damit auch die Anwendung des Modells auf einem anderen Standort unter entsprechender
Modifizierung gelungen.
SIM-Genauigkeit
SIM Real
2R
15,5
15,1
3%
3R
16,9
17,9
6%
9%
19%
Vortriebsleistung
Tab. 8: Vortriebsleistung [m/Wo]/ Drifting
performance [m/we]
Der in der Vergangenheit bereits
durchgeführte K+S interne Workshop für die Grubenplaner soll mit
der Übertragbarkeit des Modells auf
SIM-Genauigkeit
SIM Real
2R
2,70
2,72
0%
3R
2,57
2,24
13%
5%
18%
Spez. Arbeitsaufwand
Tab. 9: Spezifischer Arbeitsaufwand
[MS/m]/Specific work expenditures [ms/m]
die Schwesterwerke fortgesetzt werden. Ziel des Workshops soll die Einführung und Anwendung des
Modells unter Beachtung der standortspezifischen Abbaubedingungen sein.
Mit dieser Vorgehensweise wird
sich die Simulation mit zunehmendem Umfang ihrer Anwendungen als Werkzeug der Grubenplanung entwickeln und helfen,
Arbeitsabläufe in der Gewinnung zu
optimieren.
Quellen
[1] Adelsberger H.H., Grundlagen der
Simulations-Technologie; Essen,
2001
[2] Messerle F., Programmdokumentation; Version 2.1, 2002
[3] Lecybil S., Berechnungen des
Produktionszyklus; Werk Werra
[4] Keienburg D., Störfallanalyse
Großgeräte; Werk Werra
[5] Licht R., Revierbericht Revier 35;
Werk Werra
Kali und Steinsalz
23
Die Hydrolyse von Kationen in
Evaporit-Lösungen und bei der
MgSO4-Verarmung von Meerwasser
Prof. Dr. E. Usdowski,
Göttinger Zentrum
Geowissenschaften,
Georg-August-Universität,
Sedimentologie/
Umweltgeologie,
Göttingen
Prof. Dr. A. G. Herrmann,
TU Clausthal,
Institut für Mineralogie und
Der Stoffbestand der marinen Evaporite suggeriert, dass die bei der
Genese und Diagenese zwischen Festkörpern und Lösungen ablaufenden Reaktionen in einem neutralen Milieu erfolgen. Tatsächlich
ist das nicht der Fall. So hat das Meerwasser, aus dem in einem
ersten Stadium der Evaporation Calcium-Karbonat abgeschieden
wird, einen schwach alkalischen Charakter, der im Wesentlichen
durch das Gleichgewicht zwischen gelöstem CaCO3 und atmo-
Mineralische Rohstoffe,
Clausthal-Zellerfeld
sphärischem CO2 bedingt ist. Lösungen in Meerwasser-Salinen zur
Gewinnung von Steinsalz haben nach der CaCO3-Abscheidung einen
schwach sauren Charakter, und Calcium-Magnesium-Chlorid-Lösungen in Lagerstätten sind ebenfalls sauer. Dasselbe gilt für eisenhaltige Lösungen in Evaporiten und für Lösungen, die im Zug der
Salzverarbeitung erzeugt werden. Die Ursache für die Entstehung
Die Hydrolyse von Mg 2+, Ca 2+ und Fe 3+
Magnesium
Die ersten Untersuchungen über die
Hydrolyse von Mg2+ im Zusammenhang mit Evaporiten sind von
D’ANS u. KATZ (1941) und D’ANS et
al. (1954) durchgeführt worden.
Diese Autoren haben MgCl2-Lösungen verschiedener Konzentration
mit Mg(OH)2 gesättigt und im Verlauf einer Titration mit HCl die pHWerte gemessen. Anhand des über
einen bestimmten Bereich der
Titration quasi konstanten pHWerts (Pufferkapazität) ist auf die
Existenz eines in Lösung befindlichen Hydroxo-Komplexes geschlossen worden.
Die Zusammensetzung wurde
als Mg2(OH)3Cl angenommen, da
aus MgCl2-Lösungen ein Festkörper
mit
der
Zusammensetzung
.
Mg2(OH)3Cl4 H2O kristallisieren
kann. Neuere Untersuchungen
haben jedoch gezeigt, daß der o. a.
Komplex in Lösung nicht existiert.
Die tatsächlich ablaufenden Hydrolyse-Reaktionen sind in der Tabelle
1 zusammengefasst.
In der Abbildung 1 ist die Verteilung der einzelnen Spezies als
Funktion des pH-Werts für eine
Gesamtkonzentration von Magnesium CT = 1 m dargestellt. Das Diagramm gilt unter der Voraussetzung, dass im gesamten pH-Bereich
übersättigte Lösungen vorliegen
können. Es beruht auf der Massenbilanz
ne Evaporite ist das gelöste Magnesium, dessen Hydrolyse außerdem eine bislang noch nicht beachtete Rolle bei der Entstehung von
MgSO4-verarmten Lagerstätten spielt.
(2)
oder
(3)
Hieraus folgt, daß 11 = 10.K11/[H+]
und 44 = 10.4.K44.[Mg2+]3/[H+]4 ist. Da
[Mg2+] = 10.CT ist, kann anstelle von
Gleichung 3 geschrieben werden:
CT =
[Mg2+]
+
[MgOH+]
4+]
+ [Mg4(OH)4
Abb. 1: Verteilung der Mg-Spezies bei
einer Gesamtkonzentration CT = 1 m.
pH = 5,7. 10: Mg2+, 11: MgOH+, 44:
(4)
Mg4(OH)44+/ The distribution of Mg species
at a total concentration CT = 1m.
Eine numerische Berechnung der
einzelnen Molenbrüche als Funktion
von pH lässt sich am einfachsten mit
einer Iteration durchführen. Der
lineare Verlauf der Konzentration
von MgOH+ lässt sich mit guter Näherung durch die Beziehung
lg[MgOH+] ≈ pH + lgK11 + lgCT
(5)
Abb. 2: Verteilung der Mg-Spezies bei
Sättigung an Brucit. Punkte: Sättigungskonzentration. 10: Mg2+, 11:
beschreiben.
MgOH+, 44: Mg4(OH)44+. pHmin = 8,1 /
Die Gleichung 4 zeigt deutlich, dass
die Verteilung der Spezies von der
Gesamtkonzentration des Magnesiums abhängt. Der pH-Wert einer
Lösung ist durch den Schnittpunkt
der lg[MgOH+]-pH-Linie mit der
lg[H+]-pH-Linie gegeben. Indem in
Gleichung 5 die Bedingung
lg[MgOH+] ≈ lg[H+] = -pH eingesetzt
wird, erhält man
pH ≈ -0,5.(lgK11 + lgCT)
des sauren Charakters ist die Hydrolyse, bei der so genannte Hydroxo-Verbindungen entstehen. Von besonderer Bedeutung für mari-
für die Hydrolysekonstanten erhält
man
The distribution of Mg species at saturation with respect to brucite. Points: concentration at saturation.
(6)
(1)
Die Molenbrüche der drei Spezies
sind 10 = [Mg2+]/ CT, 11 = [MgOH+]/
CT und 44 = 4[Mg4(OH)44+]/ CT. Nach
Division von Gleichung 1 durch
[Mg2+] und Einsetzen der Ausdrücke
Es zeigt sich, dass der pH-Wert nur
durch die Bildung von MgOH+
bestimmt wird. Der Beitrag von
Mg4(OH)44+ ist klein. Aus der Gleichung 6 geht hervor, dass der pHWert mit steigender Gesamtkon-
Abb. 3: Verteilung der Ca-Spezies bei
einer Gesamtkonzentration CT = 1 m.
pH = 6,4. 10: Ca2+, 11: CaOH+ / The dis-
tribution of Ca species at a total concentration CT = 1m.
Kali und Steinsalz
25
Abb. 4: Verteilung der Ca-Spezies bei
Sättigung an Portlandit. Punkte: Sättigungskonzentration. 10: Ca2+, 11:
CaOH+. pHmin = 11,1 / The distribution of
Ca species at saturation with respect to
portlandite. Points: concentration at
saturation.
zentration kleiner wird. Die untere
Grenze von pH = 5,4 ist durch die
Löslichkeit
von
Bischofit
.
(MgCl2 6H2O) gegeben (103,2 Mol
MgCl2/1000 Mol H2O ≈ 4,9 m).
In Gegenwart von stets im Überschuss vorhandenem Brucit (Mg(OH)2) ergibt sich die Sättigungskonzentration (Cs) und die Verteilung der einzelnen Spezies, indem
in Gleichung 1 der Ausdruck für die
Löslichkeit des Festkörpers [Mg2+] =
Ks(Brucit).[H+]2 eingesetzt wird. Es ist
Cs = Ks.([H+]2 + K11.[H+]
+ 4.K44.Ks3.[H+]4)
(7)
Diese Funktion ist in der Abbildung
2 dargestellt. Für die Variation der
einzelnen Spezies gilt
lg[Mg2+]
=
-2.pH
+ lgKs
lg[MgOH+] = -pH + lgK11 + lgKs
Abb. 5: Verteilung der Fe-Spezies bei
(8)
(9)
und
einer Gesamtkonzentration CT = 10-5 m.
pH = 5,7. 10: Fe3+, 11: FeOH2+, 12:
Fe(OH)2+, 13: Fe(OH)30, 14: Fe(OH)4-, 22:
Fe2(OH)24+, 34: Fe3(OH)45+ / The distri-
bution of Fe species at a total concentration
CT = 10-5 m.
Abb. 6: Verteilung der Fe-Spezies bei
lg[Mg4(OH)44+] = -4.pH
+ lgK44 + lgKs
(10)
Die Obergrenze von Cs ist durch
die Sättigungskonzentration von
Bischofit gegeben. Der zugehörige
pH-Wert beträgt 8,1. Er berechnet
sich nach Gleichung 7, oder, da bei
Sättigung an Bischofit Cs ≈[Mg2+] ist,
mit guter Näherung nach Gleichung 8. Die Sättigungskonzentration nimmt dann bis pH = -lgK11 ab
und ist praktisch identisch mit
[Mg2+]. Bei weiterem Anwachsen von
pH wird Cs ≈ [MgOH+]. Der Beitrag
von Mg4(OH)44+ zu Cs ist im gesamten pH-Bereich klein.
einer Gesamtkonzentration CT = 0,1 m.
pH = 1,7. 10: Fe3+, 11: FeOH2+, 12:
Fe(OH)2+, 13: Fe(OH)30, 14: Fe(OH)4-, 22:
Fe2(OH)24+, 34: Fe3(OH)45+ / The distri-
bution of Fe species at a total concentration
CT = 0,1 m.
Calcium
Beim Calcium treten nur zwei Spezies auf (Tabelle 1). Es gilt die Massenbilanz
CT = [Ca2+] + [CaOH+]
(11)
Die Molenbrüche sind 10 = [Ca2+]/
CT und 11 = [CaOH+]/ CT. Mit dem
Ausdruck für die Hydrolysekonstante ergibt sich aus Gleichung 11
erhält man mit den Hydrolysekonstanten und 10 = [Fe3+]/ CT in Analogie zu den vorigen Ausführungen
(15)
Cs = Ks.([H+]2 + K11.[H+])
(13)
Für die Änderungen von Ca2+ und
CaOH+ gelten wieder die Ausdrücke
8 und 9. Die Abbildung 4 zeigt den
Verlauf der Konzentrationen der
beiden Spezies und von Cs als Funktion von pH. Wie vorher ist bis
pH = -lgK11 die Gesamtkonzentration
Cs ≈ [Ca2+]. Danach wird Cs ≈ [CaOH+].
Bei Sättigung an CaCl2.6H2O ist
pH = 11,1.
woraus sich ergibt, dass 11 = 10.
K11/[H+], 12 = 10. K12/[H+]2, 13 = 10.
K13/[H+]3, 14 = 10. K14/[H+]4, 22 =
2.K22. 102.CT/[H+]2 und 44 = 3.K34.
103.CT2 ist. Die Abbildungen 5 und
6 zeigen die Verteilung der einzelnen Spezies für zwei verschiedene
Konzentrationen als Funktion von
pH, ebenfalls unter der Voraussetzung, daß im ganzen Bereich übersättigte Lösungen auftreten können.
Die Konzentrationen von Fe2(OH)24+
und Fe3(OH)45+ nehmen mit steigender Gesamtkonzentration stark
zu. Der Formalismus für den Ausdruck von pH muß für jede Konzentration gesondert entwickelt
werden. Bei CT = 10-5 m ist der pHWert durch den Schnittpunkt der
Fe(OH)30-Linie mit der H+-Linie gegeben. Die Bildung von Fe(OH)4- kann
vernachlässigt werden. Bei CT = 0,1
m bestimmen sowohl FeOH2+ als
auch Fe2(OH)24+ den pH-Wert
(Schnittpunkte der 11- und 22-Linien mit der H+-Linie).
Bei Sättigung an einem Festkörper
gilt mit [Fe3+] = Ks.[H+]3 die Beziehung
(16)
Eisen
Beim dreiwertigen Eisen sind sieben
Spezies vorhanden (Tabelle 1). Aus
der Massenbilanz
CT =
[Fe3+]
[FeOH2+]
Die Ausdrücke für die Variation der
einzelnen Spezies lauten
lg[Fe3+] = -3pH + lgKs
(17)
lg[FeOH2+] = -2pH + lgK11 + lgKs
(18)
lg[Fe(OH)2+] = -pH + lgK12 + lgKs
(19)
[Fe(OH)2+]
+
+
0
+[Fe(OH)3 ] + [Fe(OH)4-] +
2[Fe2(OH)24+] + 3[Fe3(OH)45+] (14)
(20)
lg[Fe(OH)4-] = pH + lgK14 + lgKs
(21)
lg[Fe2(OH)24+] = -4pH + lgK22 + 2.lgKs
(22)
und
(12)
In der Abbildung 3 ist die Verteilung
der beiden Spezies für CT = 1 m als
Funktion des pH-Werts dargestellt.
Sie gilt wieder für den Fall, dass im
gesamten pH-Bereich übersättigte
Lösungen auftreten können. Für die
Änderung von CaOH+ ist ebenfalls
wieder mit guter Näherung die Gleichung 5 gültig. Der pH-Wert berechnet sich nach Gleichung 6. Die
Untergrenze ist durch die Löslichkeit von CaCl2.6H2O gegeben (134,1
Mol CaCl2/1000 Mol H2O ≈ 5,4 m)
und entspricht pH = 6,1.
Für die Sättigung der Lösung an
Portlandit (Ca(OH)2) erhält man mit
[Ca2+] = Ks(Portlandit).[H+]2 in Analogie
zu Gleichung 7
lg[Fe(OH)30] = lgK13 + lgKs
lg[Fe3(OH)45+] = -5pH + lgK34 + 3.lgKs
(23)
In der Abbildung 7 ist die Situation für den Fall der Sättigung an
amorphem FeOOH dargestellt (lgKs
= 2,5). Die Untergrenze von pH ist
durch die Löslichkeit von FeCl3.6H2O
limitiert (109,9 Mol FeCl3/1000 Mol
H2O ≈ 4,0 m). Sie berechnet sich
nach Gleichung 16 oder, da bei
Sättigung an FeCl3.6H2O mit guter
Näherung Cs ≈ [Fe3+] ist nach Gleichung 17. Es ist pH = 0,6. Man sieht
ferner, dass die Löslichkeit des Festkörpers mit steigendem pH-Wert
zunächst durch Fe3+ bestimmt
wird. Dann folgen FeOH2+, Fe(OH)2+,
Fe(OH)30 und Fe(OH)4-. Das Fe2(OH)24+
und das Fe3(OH)45+ leisten keinen
wesentlichen Beitrag.
Lösungen in Evaporiten und bei der
Eindunstung von Meerwasser.
Die im vorigen Abschnitt hergeleiteten Beziehungen bilden die
Grundlage für das Verständnis und
die Interpretation des Zustandekommens der pH-Werte von Lösungen in Evaporiten. Solche Lösungen
können Konzentrationen von Mg2+
bis zu 4,8 m und von Ca2+ bis zu 1,6
m aufweisen (z. B. STORCK, 1953;
HARTWIG, 1955; HERRMANN, 1961).
Ähnlich hohe Konzentrationen wie
bei den „freien“ Lösungen sind auch
an Einschlüssen von Lösungen in
Steinsalz-Kristallen gemessen worden (z. B. HERRMANN u. BORSTEL,
1991; HERRMANN u. RÜHE, 1995).
Die auf der Basis der Hydrolyse ermittelte Azidität würde pHmin ≈ 6
betragen. Der saure Charakter dieser Lösungen ist nicht nur für che-
Abb. 7: Verteilung der Fe-Spezies bei Sättigung an amorphem FeOOH (lgKs =
2,5). Punkte: Sättigungskonzentration.
10: Fe3+, 11: FeOH2+, 12: Fe(OH)2+, 13:
Fe(OH)30, 14: Fe(OH)4-, 22: Fe2(OH)24+, 34:
Fe3(OH)45+, pHmin = 0,6 / The distributi-
on of Fe species at saturation with respect
to amorphous FeOOH. Points: concentration at saturation.
mische Reaktionen innerhalb eines
Evaporitkörpers von Bedeutung, wo
sie sich mit eingelagerten Karbonaten, Silikaten und Oxyd/Hydroxiden umsetzen können, sondern
auch dann, wenn sie aus dem Evaporit in das Nebengestein migrieren
und dort analoge Reaktionen hervorrufen.
Die Anzahl der publizierten
Daten von Lösungszusammensetzungen mit zugehörigen pH-Werten
ist zur Zeit klein. Hier besteht noch
erheblicher Forschungsbedarf. In
der Tabelle 2 sind einige Daten für
Lösungen unterschiedlicher Genese zusammengestellt. Bei der Lösung
aus Merkers wird der pH-Wert im
Wesentlichen durch das Magnesium
bestimmt. Das Calcium und der kleine Gehalt an Eisen haben wenig Einfluss. Die Berechnung auf der
Grundlage der Hydrolyse von Mg2+
ergibt pH = 5,5 und eine ungefähre
Übereinstimmung mit der Messung.
Bei den Lösungen aus Morsleben
spielt das Calcium ebenfalls eine
untergeordnete Rolle. Die Messungen zeigen jedoch den Einfluss der
zunehmenden Konzentration von
Kali und Steinsalz
27
Abb. 8: Änderung von [Mg2+] und pH bei
Eindunstung von Meerwasser, Saline
Secovlje, Portoroz (HERRMANN et al.,
1973). Punkte: Lösungen. Beobachteter
Beginn der Abscheidung von 1: Calcit,
2: Gips, 3: Halit. 4: Mg-Hydrolyse. 5: Sättigung an Brucit. Rechte Begrenzung
des Diagramms: Sättigung an Bischofit.
Variation of [Mg2+] and pH upon the evaporation of sea water, salt pan Secovlje, Portoroz (HERRMANN et al., 1973). Points : solutions. Observed precipitation of 1: calcite, 2:
gypsum, 3: halite. 4: hydrolysis of Mg, 5: satu-
Saline von Secovlje (Portoroz, Slowenien, HERRMANN et al. 1973) im
Vergleich mit Werten dargestellt, die
sich aus den Hydrolysekonstanten
ergeben. Die im Zusammenhang
mit den Konzentrationen der sonstigen Komponenten gemessenen
Werte sind höher als die berechneten. Zunächst existiert eine Überlagerung der Mg-Hydrolyse und der
sog. Karbonat-Pufferung. Der pHWert des Meerwassers ist daher bis
zur beginnenden Abscheidung von
Calcit quasi konstant, nimmt dann
mit steigender Mg-Konzentration ab
und konvergiert zur Linie der
Hydrolyse. Eine Extrapolation auf
die Konzentration bei Sättigung an
MgCl2.6H2O ergibt keinen Schnittpunkt. Die Abnahme von pH und die
damit verbundene Bildung von
MgOH+ und Mg4(OH)44+ ist von
Bedeutung für die sog. MgSO4-Verarmung mariner Evaporite.
ration with respect to brucite. Limiting line
at the right hand side of the diagram: saturation with respect to bischofite.
Fe3+, der sich ab ungefähr 10-4 m
bemerkbar macht. Der zunächst auf
dem Fe(OH)30 beruhende pH-Effekt
wird durch denjenigen abgelöst, der
sich aus der Verschiebung der Speziesverteilung zugunsten von
FeOH2+ und Fe2(OH)24+ ergibt. Die
berechneten pH-Werte stimmen
ungefähr mit den gemessenen
überein. Es soll noch angemerkt werden, dass das Spektrum der in der
Tabelle 2 angegebenen Fe-Konzentrationen auch in anderen EvaporitLösungen zu finden ist (HERRMANN, 1961). Das darin enthaltene
Fe2+ wird an der Luft zu Fe3+ oxidiert.
Ein weiteres Beispiel ist das Meerwasser, das im Verlauf der mit der
Eindunstung zunehmenden MgKonzentration eine Abnahme der
pH-Werte zeigt. In der Abbildung 8
sind Messungen am Meerwasser der
mengesetzten Meerwasser herzuleiten. Diese Thematik ist bereits
früher von diversen Autoren z. T.
kontrovers diskutiert worden, ohne
dass sich eine zufriedenstellende
Erklärung ergab. Die verschiedenen
Aspekte sind z. B. von BORCHERT
(1959), BRAITSCH (1962) und HERRMANN (1981) zusammenfassend
dargestellt worden. Alle Überlegungen reduzieren sich mittlerweile auf zwei Prozesse (HERRMANN
et al., 1997).
Bei der Dolomitisierung kann
bereits vorliegender Calcit/Aragonit
mit Mg-Chlorid-Sulfat-Lösungen zu
Dolomit und Gips/Anhydrit reagieren, indem sich das CaCO3 zunächst
mit der MgCl2-Komponente der
Lösung in Ca-Mg-Karbonat umsetzt
und das frei gewordene Calcium mit
der MgSO4-Komponente CaSO4 bildet. Man hat also das Schema
(24a)
(24b)
Die MgSO4-Verarmung
Die marinen Evaporite der Vergangenheit sind in Meeresbecken entstanden, in die oberflächennah Wasser aus dem „freien“ Ozean einfloss,
partiell verdunstete, und aus denen
bodennah eine konzentrierte
Lösung in das Weltmeer zurückfloss. Hierbei sind zwei verschiedene Typen von Evaporiten entstanden: der Sulfat-Typ, bei dem die
abgeschiedenen Festkörper prinzipiell den Mineral-Paragenesen des
quinären Systems entsprechen,
und der Chlorid-Typ, bei dem die
MgSO4-haltigen Festkörper fehlen
oder nicht in der zu erwartenden
Quantität vorkommen. Es ist zu
beachten, dass die MgSO4-Verarmung stets eine äquimolare Verarmung von sowohl Magnesium als
auch von Sulfat bedeutet. Das geochemische Problem besteht darin,
die Genese der unterschiedlichen
Typen aus einem einheitlich zusam-
(24)
mit analogen Reaktionen für die Bildung von Magnesit. Ausweislich
experimenteller Untersuchungen
läuft die Reaktion 24a aber nur bei
erhöhten Temperaturen und hoher
MgCl2-Konzentration in realisierbaren Zeiträumen ab. Bei normaler
Temperatur und hoher Ionenstärke
ist sie sehr langsam, und bei kleinen
Konzentrationen ist sie wegen der
Hydratisierung des Mg2+ kinetisch
blockiert (USDOWSKI, 1967, 1994,
1997). Die Reaktion 24b läuft dagegen in einem großen Temperaturund Konzentrationsbereich ab. Das
bedeutet, dass die MgSO4-Verarmung durch Dolomitisierung nur
im Zuge der Spätdiagenese nach der
Ablagerung der Festphasen innerhalb des Sedimentkörpers erfolgt,
indem aus MgCl2- und MgSO4-haltigen Mineralen mobilisierte Porenlösungen mit Kalk reagieren. Ein
Ablauf der Reaktion 24a im Verlauf
der primären Sedimentbildung
während der Eindunstung von
Meerwasser ist, mit Ausnahme an
den Beckenrändern, nicht möglich.
Diese Situation entspricht dem
generellen Missverhältnis zwischen
Dolomit, den zugehörigen CaSO4Äquivalenten und der MgSO4-Verarmung und zeigt, dass die Dolomitisierung als nicht besonders
effektiv anzusehen ist. In diesem
Zusammenhang sei noch angemerkt, dass ein Mischen von CaCl2und MgSO4-haltigen Lösungen die
Reaktion 24a voraussetzt, und daß
ein Zufluss von Ca-BikarbonatLösungen in ein Evaporit-Becken
eine Verdünnung der Lösung bedeutet. So ist in einer Reihe von denkbaren Fällen das geochemische
Umfeld zwar gegeben, die physikalisch-chemischen Randbedingungen sind es dagegen nicht.
Die andere Möglichkeit der
MgSO4-Verarmung ist die bakterielle
Sulfat-Reduktion. Sie erfolgt nach
dem Pauschalumsatz
2CH3CH(OH)COO- + SO42- f 2CH3COO+2CO2 + H2S + 2OH(25)
Aus Laktat und Sulfat bilden sich
unter Beteiligung von Bakterien, wie
z. B. Desulfovibrio desulfuricans, die
Komponenten Azetat, Kohlendioxid,
Sulfid und Hydroxyl (POSTGATE,
1972). Die Reaktion 25 kann leicht
an rezenten, marinen Lagunen
sowie an Salztümpeln und Salzpfannen verifiziert werden. Sie ist
aber auch in der geologischen Vergangenheit abgelaufen. So zeigen
Lösungseinschlüsse in Halit-Kristallen aus dem Leine-Steinsalz
(Na3) ein deutliches MgSO4-Defizit
(HERRMANN et al., 1997). Die
Zusammensetzungen sind in der
Abbildung 9 im Komponenten-Diagramm des quinären Systems dar-
Abb. 9: MgSO4-Verarmung von Einschluß-Lösungen in Halit (HERRMANN
et al., 1997). n = 15. Mg, SO4, K2: Eckpunkte des quinären Systems (100 %).
MgSO4: darstellender Punkt von Lösungen mit Mg2+ = SO42- = 50 %. MW: Meerwasser. Kreise: Zusammensetzungen
der Lösungen. / MgSO4 deficit of fluid
inclusions in halite crsystals. (HERRMANN
et al., 1997). n = 15. Mg, SO4, K2: vertexes
of the quinary sea water system (100 %).
MgSO4: point representing a liquid composition Mg2+ = SO42- = 50 %. MW: sea
water. Circles: compositions of fluid
inclusions.
gestellt. MgSO4-verarmtes Meerwasser liegt grundsätzlich oberhalb
der Linie, die sich vom MgSO4-Punkt
durch den Meerwasser-Punkt bis zur
K2-Mg-Seite des Diagramms erstreckt. Man sieht, dass die meisten
Lösungen im Feld der MgSO4-Verarmung liegen.
Obwohl also grundsätzlich keine
Zweifel an der bakteriellen SulfatReduktion bestehen, hat man bislang die weiteren Reaktionen der
entstandenen Produkte als problematisch angesehen und somit den
Prozess als solchen für wenig wirksam gehalten. So suggeriert die Bildung von OH- ein alkalisches Milieu,
das eine Abscheidung von Mg2+ als
Hydroxid, Karbonat oder basisches
Karbonat bewirken kann. Der
zunächst gelöste Schwefelwasserstoff soll nur einen kleinen Einfluss
auf den pH-Wert haben, da er im
Wesentlichen in die Atmosphäre
entweicht. Es ist eine Tatsache, dass
die der MgSO4-Verarmung äquivalenten Mg-haltigen Festkörper in
marinen Evaporiten fehlen und
somit die bakterielle Sulfat-Reduktion zunächst als ineffektiv erscheinen lassen. In Wirklichkeit ist das
Szenario eines alkalischen Milieus
revisionsbedürftig. Ausweislich der
Hydrolysekonstanten und der Messungen in Meerwasser-Salinen (Abb.
8) nimmt der pH-Wert von eindunstendem Meerwasser infolge der Bildung von MgOH+ und Mg4(OH)44+
kontinuierlich ab, und die Pufferkapazität der Lösung steigt. Ob es bei
den vorliegenden pH-Werten zu
einer Abscheidung von Mg(OH)2
kommen kann, ergibt sich aus der
Spezies-Verteilung von Mg2+ in
Relation zur Sättigungskonzentration (Abb. 2). Diese Konzentration ist
ebenfalls in Abbildung 8 eingetragen. Man sieht, dass alle Lösungen
im untersättigten Bereich liegen.
Der Abstand zur Sättigungslinie
wird mit steigender Mg-Konzentration größer. Dasselbe Ergebnis
bekommt man für die Mg-Karbonate, die eine ähnliche Löslichkeit
wie Mg(OH)2 haben und bei denen
noch zusätzlich das Problem einer
primären Nukleation existiert.
Es ergibt sich also, dass beim
Ablauf der Reaktion 25 in einem
eindunstenden Meerwasser durchaus kein alkalisches, sondern ein
schwach saures Milieu entsteht. Darin wird das aus dem Sulfat entstandene H2S an die Atmosphäre
abgegeben, während das äquivalente Mg2+ komplex im Wesentlichen als MgOH+, aber auch als
Mg4(OH)44+, in Lösung bleibt. In
einem hydrodynamisch offenen
Evaporit-System werden die Komplexe im Zuge des Rückflusses in
den freien Ozean transferiert. Sollte es zu einer Eindunstung bis zur
Trockne kommen, kann am EndKali und Steinsalz
29
lg K
Mg2+ + H2O = MgOH+ + H+
4Mg2+ + 4H2O = Mg4(OH)44+ +4H+
K11
K44
-11,44
-39,71
(1)
(1)
Ca2+ + H2O = CaOH+ + H+
K11
-12,85
(1)
Fe3+ + H2O = FeOH2+ + H+
K11
-2,19
(1)
Fe3+ + 2H2O = Fe(OH)2+ + 2H+
K12
-5,67
(1)
Fe3+
+ 3H2O = Fe(OH)3o + 3H+
3+
Fe + 4H2O = Fe(OH)4- + 4H+
2Fe3+ + 2H2O= Fe2(OH)24+ + 2H+
3Fe3+ + 4H2O = Fe3(OH)45+ + 4H+
K13
< -12
(1)
K14
-21,6
(1)
K22
-2,95
(1)
K34
-6,3
(1)
Mg(OH)2 + 2H+ = Mg2+ + 2H2O
Ks(Brucit)
16,84
(1)
Ks(Portlandit)
Ca(OH)2 +
2H+
=
Ca2+
+ 2H2O
Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O
FeOOH +
3H+
=
FeOOH + 3H+ =
Fe3+
Fe3+
+ 2H2O
+ 2H2O
22,97
(2)
Ks(Fe(OH)3-amorph)
3,4
(3)
Ks(Goethit)
0,5
(1)
1,6
(3)
2,5
(1)
3,55
(3)
Ks(FeOOH-amorph)
Tab 1.:Hydrolysekonstanten und Löslichkeitsprodukte bei 25°C. 1: BAES und MESMER (1976),2: GREENBERG und COPELAND (1960), 3: STUMM und MORGAN (1981)
/ Hydrolyssis constants and solubility products at 25°C
punkt der Kristallisation zusammen
mit Bischofit auch eine kleine Menge eines festen Oxychlorids gebildet
werden.
Zusammenfassung
Der Stoffbestand der marinen Evaporite suggeriert, dass sich die Genese und Diagenese der diversen Mineral-Paragenesen in einem neutralen
Milieu abgespielt hat. Tatsächlich
Probe
Mol/Liter
Ca2+
A
B
C
Fe3+
Mg2+ pH(Elektrode)
2,3 10-6
3,5
9
15
10
16
4,7 10-3
1,4 10-2
1,6 10-3
1,3 10-3
2,3
2,5
2,8
2,8
14
12
5,5 10-2
6,8 10-2
2,7 10-2
3,0 10-2
Mittelwert aus 6 Jahren
hat man infolge der Hydrolyse von
Kationen sowohl bei den primären
als auch bei den sekundären Prozessen schwach saure Lösungen. Die
Abnahme von pH nimmt in der Reihenfolge Ca2+, Mg2+ und Fe3+ zu und
hängt von der Konzentration des
jeweiligen Kations ab. Für hoch konzentrierte CaCl2-MgCl2-Lösungen in
Evaporiten ergeben sich aus den
Hydrolyse-Konstanten pH-Werte von
10-5
10-5
10-4
10-4
pH(Papier)
5,1
6,1
6
4,7
5
4
2,2
3
3
3,2
Tab 2.: Zusammensetzungen von Lösungen unterschiedlicher Genese in marinen
Evaporiten. A: Kristallsalzschlotte, Kalibergwerk Merkers (PIPPIG, 1992). B: Morsleben,
Grubenfeld Marie, (Lagerteil H), C: Morsleben, Grubenfeld Bartensleben, Abbau 1a
(HERRMANN et. al., 2000) / Compositions of evaporite brines of various origin
etwa 5,5. Dasselbe gilt für Lösungen,
die als Einschlüsse in Halit-Kristallen vorkommen. Diese Werte werden durch direkte Messungen an
Evaporit-Lösungen bestätigt. Die
Messungen zeigen ferner den Einfluss des Fe3+, das durch die Oxidation von Fe2+ gebildet wird und mit
zunehmender Konzentration bei
quasi konstantem MgCl2-Gehalt
eine deutliche Erniedrigung des pHWerts bewirkt. Auch eindunstendes
Meerwasser ist nicht neutral. Messungen zeigen, dass der pH-Wert
zunächst infolge der Karbonat-Pufferung praktisch konstant ist. Mit
Beginn der CaCO3-Abscheidung
wird er aber infolge der Bildung von
Mg(OH)+ und Mg2(OH)44+ fortlaufend
kleiner. Diese Komplexe spielen bei
der MgSO4-Verarmung von Meerwasser und Evaporiten eine geochemisch wichtige Rolle. Der erforderliche äquimolare Entzug von
Mg2+ und SO42- lässt sich auf die bakterielle Sulfat-Reduktion zurückführen. Hierbei wird der entstehende Schwefelwasserstoff in einem
schwach sauren Milieu an die
Atmosphäre abgegeben, während
das äquivalente Mg2+ als Mg(OH)+
und Mg2(OH)44+ in Lösung bleiben.
Diese Komplexe werden in einem
hydrodynamisch offenen EvaporitSystem im Zuge des Rückflusses partiell eingedunsteter Lösungen in den
freien Ozean zurückgeführt.
Gegenüber diesem Prozess ist die
MgSO4-Verarmung durch Dolomitisierung von Kalken im Verlauf der
Spätdiagenese zweitrangig.
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31
Technik und Anwendung
Renaturierung von Rückstandshalden
der Kaliindustrie mit geringem zusätzlichen Flächenbedarf am Beispiel der
Halde des Kaliwerkes Sigmundshall
Es wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem die Rückstandshalde des
Kaliwerkes Sigmundshall ohne wesentlichen Grundflächenverzehr
abgedeckt und renaturiert wird. Das dazu verwendete Material fällt
als Rückstand einer Aufbereitungsanlage für aluminiumhaltige Salzschlacke auf dem Standort an. Nach einer Konditionierung mit Rückständen aus der Steinkohlenverbrennung wird das Material direkt mittels Bandanlagen auf den Haldenkörper aufgebracht. Nach der
erfolgten Begrünung wird sich der Zwangsanfall von versalzenen
Abwässern um bis zu 80 % reduzieren
nisse konnten eine Erosionsgefahr
und auch Rutschungen bei extremen Niederschlagsereignissen nicht
ausgeschlossen werden. Deshalb
wurde am Fuße der Versuchsfläche
an der Halde ein entsprechend
großes Sicherungsbecken angelegt.
Des weiteren wurde versucht, die
bodenmechanischen Eigenschaften dieses Rückstandes zu verbessern, wie in Kapitel 3.1 beschrieben.
Abb. 1: Einfluss der Restfeuchte auf den inneren Reibungswinkel / Impact of
moisture on the angle of friction
2. Eigenschaften des Rückstandes
Bei einer Firma am Bodensee wird
Salzschlacke bereits seit Mitte der
50er Jahre aufbereitet. Der dort
anfallende Rückstand ist salzarm
und wurde in Ponds abgelagert. Auf
den verfüllten Ponds hat sich durch
Selbstbegrünung inzwischen eine
üppige Vegetation eingestellt. Die
dort vorgefundene Situation wurde
von (Schmeisky, 1993) eingehend
untersucht mit dem Ergebnis, dass
dieses Material für eine Rekultivierung einer Salzhalde geeignet ist.
Bezogen auf salzfreien Rückstand
Dr.-Ing. Ralf Diekmann
Werkleiter K+S KALI GmbH
Werk Sigmundshall
1. Einleitung
Im Jahre 1991 wurde bei der K+S AG
mit der Planung einer Aufbereitungsanlage für aluminiumhaltige
Salzschlacke begonnen (REKAL).
Der Rückstand dieser Anlage ist
nach weiterer Aussalzung begrünbar. Zudem zeigten die bodenmechanischen Parameter, dass sich
ähnlich steile Böschungswinkel
einstellen wie auf einer Salzhalde.
Aufgrund dieser Fakten wurde
für die Rückstandshalde des Kaliwerkes Sigmundshall in Bokeloh ein
Konzept entwickelt, die Halde mit
einer relativ dünnen Schicht von
wenigen Metern oberflächlich abzudecken und anschließend zu begrünen. Hauptzielsetzung dabei war,
die Evapotranspiration so zu erhöhen, damit der langfristige Haldenwasseranfall um bis zu 80 % reduziert wird.
Die Aufbereitungsanlage nahm
Anfang 1996 ihren Betrieb auf. In
einem umfangreichen Forschungsvorhaben wurde der langfristige Einfluss der Haldenabdeckung auf die
Schutzgüter Wasser, Boden und Luft
untersucht.
ca. 44 %
Korund ähnlich
ca. 32 %
ca. 6 %
ca. 10 n%
ca. 5 %
ca. 1 %
ca. 0,6 %
ca. 0,5 %
Mg-Al-Spinell ähnlich
Al-Silikat
Quarz
Flussspat
Natriumsilikat
Ba, Sr-Carbonat
Schwermetalle
Salzanteil ca. 50 %
Tab. 1: Analyse des REKAL-Rückstandes/
Chemical analysis of the REKAL residue
Trotz der Schwermetallgehalte
des Feststoffes wurden keine negativen Auswirkungen auf die Pflanzen festgestellt. Das Eluat des Feststoffes ist gemäß LAGA (Mitteilun-
gen der Länderarbeitsgemeinschaft
Abfall, 20, 4. erweiterte Auflage, der
Kategorie Z 1.2 zuzuordnen, mit
Ausnahme der Parameter elektrische Leitfähigkeit, Chlorid- und Sulfatgehalt. Diese drei Parameter
sind jedoch auf einer Salzhalde
nicht relevant. Eine Analyse des
Rückstandes zeigt die Tabelle 1.
Die < 0,8 mm aufgemahlene Salzschlacke zeigt nach der Aufbereitung eine breite Kornverteilung zwischen 20 und 800 m, bei einem d50
von 400 m. Die undrainierten
Scherfestigkeiten im Ausgangsmaterial ergaben einen inneren Reibungswinkel von 37 Grad und eine
Kohäsion zwischen 10 bis 15 kN/m2.
Das Ergebnis von Scherversuchen
ohne Konsolidierung als Funktion
des Feuchtegehaltes ist in Abb. 1 dargestellt.
Ab Wassergehalten > 23 % nimmt
der innere Reibungswinkel rapide
ab und die Kohäsion geht gegen
Null. Bei salzfreiem Material ergibt
sich ein ähnlicher Verlauf, der
jedoch zu höheren Wassergehalten
verschoben ist. Die Wasserabsorbierbarkeit wurde im Enzlinversuch
im Ausgangsmaterial zu 166 % und
im entsalzten Material zu 120 %
bestimmt. Auf Basis dieser Ergeb-
3. Ergebnisse
3.1 Beeinflussung der bodenmechanischen Eigenschaften
Die Ummantelung einer Halde in
dünner Schicht erfordert, dass die
Aufbringung vom Haldenkopf mittels Bandabsetzern erfolgt. Deshalb
sollte sich das Material wie ein
Schüttgut verhalten. Der Rückstand direkt aus der REKAL-Anlage
weist eine tonige, teilweise breiige,
phasenweise aber auch krümelige
Konsistenz auf, die das gleichmäßige Aufbringen auf einer ca. 130 m
langen Flanke nicht ermöglicht.
Ziel musste es also sein, diesen Rückstand durch eine Konditionierung
mit schüttgutähnlichen Eigenschaften zu versehen, ohne dabei die
Begrünbarkeit negativ zu beeinflussen. Nach einer Empfehlung von
(Schmeisky und Lenz, 1998) eignen
sich dazu Aschen aus den Abgasreinigungsanlagen von Kohlekraftwerken, weil diese ähnliche Schüttwinkel aufweisen wie Salzhalden,
zudem puzzolanische Eigenschaften haben und begrünbar sind.
3.2 Konditionierung
Durch eine Konditionierung des
REKAL-Rückstandes sollten 2 Ziele
erreicht werden:
f Erhöhung der Standsicherheit
f und Erzeugung schüttgutähnlicher Eigenschaften, damit eine
Kali und Steinsalz
33
gleichmäßige Oberflächenstruktur
erzeugt werden kann.
Verfahrenstechnisch erfordert dies
zunächst eine möglichst homogene
Mischung und danach eine Aufbaugranulation.
In Laborgranulierversuchen zeigte sich, dass ab Ascheanteilen von
> 20 Gew% und entsprechend eingestellter Grünfeuchte ein zufriedenstellender Granuliereffekt erzielt wurde. Wobei zu geringe
Feuchtegehalte zu staubendem Produkt führen, und zu hohe Feuchtegehalte dazu, dass das Produkt
sich wieder seinen ursprünglichen
Eigenschaften annähert.
Flügelscherversuche zeigten, dass
mit zunehmendem Ascheanteil der
Scherwiderstand als Funktion der
Zeit zunimmt. Als Kompromiss zwischen Granuliereigenschaften, zusätzlicher Verfestigung und Materialverfügbarkeit wurde der Ascheanteil auf 30 Gew% festgelegt. Um
eine intensive Durchmischung und
gleichzeitig einen Granuliereffekt
zu erzielen, wurde ein Pflugscharmischer der Firma Lödige gewählt.
Im praktischen Betrieb zeigte
sich, dass die Leistungsgrenze der
Anlage (siehe Bild 2) bei ca. 120 t/h
liegt. Da der Transport der Greenpellets auf bis 15° geneigten Gurtbandanlagen erfolgt, tritt auch dabei noch ein Nachgranuliereffekt
ein, der die Qualität weiter verbessert. Die Anlage besteht aus 3 Silos,
wobei aus einem Silo mittels einer
Schwingrinne in den Mischer
dosiert wird. Der REKAL-Rückstand
wird über einen Gurtförderer aufgegeben, in Transportrichtung
jedoch vor der Asche. Die Wasserdosierung erfolgt großflächig in
den Aufgabebereich.
3.3 Verfestigungsmechanismen
Zur Konditionierung des REKALRückstandes kommt ein Gemisch
eines Entschwefelungsproduktes
aus einem quasi trockenen Ent-
Abb. 2: Mischanlage / Mixing plant
staubungsverfahren und Flugasche
aus der Wirbelschichtverbrennung
von Steinkohle zum Einsatz, wie es
zum Beispiel im Gemeinschaftskraftwerk Hannover anfällt, im Folgenden als Stabilisat bezeichnet.
Aufgrund der spezifischen
Zusammensetzung überlagern sich
bei der Verfestigung der genannten
Kraftwerksrückstände puzzolanische und latent hydraulische Reaktionen, wie von (Demmich, 1993)
beschrieben.
Hauptbestandteile des anfallenden REKAL-Rückstandes sind neben
NaCl [Steinsalz], SiO2 [Kieselsäure]
und Al2O3 [Aluminiumoxyd, Tonerde]). Als Nebenbestandteile sind
CaO, Fe2O3, MgO, TiO2, KCl und CaF2
zu erwähnen. Mit den Komponenten SiO2, Al2O3 und CaO sind auch
die Oxyde enthalten, die typisch für
Puzzolane sind.
Nach der Konditionierung des
REKAL-Rückstandes mit Stabilisat
und Wasser setzt durch den Freikalkgehalt des Stabilisates die angeregte puzzolane Verfestigungsreaktion ein. Durch die sich dabei neu
bildenden gelartig bis faserig, strängelich wachsenden Mineralphasen
wird auch bei einer relativ lockeren
Schüttung des Gemisches eine
intensive Kornverzahnung/Verfilzung erzielt, die äußeren Schereinwirkungen wirksamen Widerstand entgegen setzt. Mit fortschreitender, über mehrere Monate
ablaufender Verfestigung verstärkt
sich diese Mischprodukteigenschaft
weiter. Gleichzeitig dehnen sich die
neu entstandenen Mineralphasen in
bestehende Hohlräume des Schüttgutes aus und verfestigen dieses
zusätzlich, bei gleichzeitiger Verringerung des Porenraumes.
Neben einem erhöhten Flügelscherwiderstand weisen konditionierte REKAL-Rückstände gegenüber
nicht puzzolanisch ausreagiertem
Material eine deutliche verminderte Permeabilität für Oberflächenwässer auf (Kempf, 1999).
3.4 Einfluss des Ascheanteils auf
den Schüttwinkel
Für eine Haldenabdeckung in dünner Schicht ist es notwendig, die
Schüttwinkel von Salzhalde und
Deckschicht möglichst anzugleichen. Sollte die Deckschicht z. B. nur
einen um 1° geringeren Schüttwinkel aufweisen, führt dies bei
einer 200 m hohen Halde dazu, dass
die Schicht am Haldenfuß bereits ca.
10 m beträgt, wenn am Haldenkopf
die Schichtstärke Null ist.
Stabilisatanteil Schüttwinkel
(Gew%)
ca. 20 34°
ca. 30 37°
Tab. 2: Einfluss des Stabilisatanteils auf
den Schüttwinkel / Impact of flue gas ash
content on the angel of repose
Da anhand von Laborversuchen
zum Schüttwinkel nicht auf die sich
in der Realität an einer Haldenflanke einstellenden Schüttwinkel
geschlossen werden kann, war die
für den Probebetrieb genehmigte
Haldenflanke am Fuß u. a. so gestaltet, dass o. g. Einflüssen Rechnung
getragen wurde.
Die Aufhaldung von konditioniertem REKAL-Rückstand zeigte,
dass sich wie erhofft die Oberfläche
vom Kopf bis zum Haldenfuß sehr
gleichmäßig und glatt einstellte.
Durch Variation des Stabilisatanteiles kann der Schüttwinkel beeinflusst werden.
Die Tendenz, dass mit zunehmendem Stabilisatanteil der Schüttwinkel zunimmt, wurde erwartet,
da granuliertes Stabilisat noch steiler fällt. Somit ergeben sich zukünftig Möglichkeiten, entsprechend der
am Haldenfuß zur Verfügung stehenden Flächen den Neigungswinkel der Abdeckschicht spezifisch
anzupassen.
Abb. 3 : Prinzip der Haldenvermessung / Principle of stockpile surveying
3.5 Messverfahren zur Schichtstärkenmessung und Volumenberechnung
Eine Erfassung und Quantifizierung
der Veränderungen am Haldenkörper infolge von laufenden Aufhaldungen war bislang nur mit
großem Aufwand durch Überfliegungen und anschließenden photogrammetrischen Auswertungen
in zeitlich größeren Abständen
möglich. Ein von (Macke, 1997) neu
entwickeltes, auf die speziellen Verhältnisse zugeschnittenes Verfahren
zur Haldenvermessung mit Weiterverarbeitung der Daten in einem
digitalen Geländemodell ermöglicht bei geringerem Aufwand in
kürzeren Zeitabständen wesentlich genauere Aussagen.
Das Vermessungsprinzip basiert
auf einer leichten Konstruktion
nach dem Seilbahnprinzip (siehe
Abb. 3), die zwischen je einem Fahrzeug am Kopf und am Fuß der
Böschung aufgespannt wird.
An einer ca. 80 m hohen Haldenböschung können an einem Tag
etwa 15 Querprofile mit je zwölf Aufnahmepunkten lage- und höhenmäßig eingemessen werden.
Die Weiterverarbeitung der Vermessungsdaten erfolgt in einem
digitalen Geländemodell. Neben der
Darstellung der Querprofile (siehe
Abb. 4) bestehen verschiedene andere Auswertmöglichkeiten, z. B. die
Berechnung der aufgebrachten
Volumina oder auch eine Isoliniendarstellung zur Veranschaulichung der Höhenänderung auf der
Böschung. In Abb. 4 ist beispielhaft
ein Querprofil dargestellt.
3.6 Standsicherheit
der Abdeckschicht
Die Standsicherheit der Salzhalde ist
im Rahmen anderer Untersuchungen bereits nachgewiesen worden.
Für den Nachweis der Standsicherheit der REKAL-Abdeckung können
daher die Beziehungen der DIN
4084 (Gelände- und Böschungsbruchberechnungen) auf eine
Betrachtung der Kräfte an einer
Böschungslamelle reduziert werden
(Buß, 1998). Für die Sicherheit gilt
in Anlehnung an DIN 4084 folgende Beziehung:
mit
= Sicherheit nach DIN4081
G = Eigengewicht der Lamelle
= Neigung der Lamelle
u = Porenwasserdruck an der Unterkante (UK) Lamelle
b = Breite der Lamelle gemäß Abb. 5
= Reibungswinkel an UK Lamelle
c = Kohäsion an UK Lamelle
3.6.1 Modellvorstellung
und Porenwasserdruck
Die Standsicherheitsbetrachtungen
unterstellen das in Abb. 5 dargestellte bodenmechanische System:
Die Neigung der Salzhalde und
damit die Neigung der Gleitfuge
beträgt =35°.
Abb. 4 : Hier wird beispielhaft ein Querprofil dargestellt / Stockpile cross section
Kali und Steinsalz
35
Abb. 5: Modellvorstellung / Model
Wegen der gegenüber dem REKALMaterial hohen Durchlässigkeit
der Salzhalde können sich Porenwasserdrücke infolge von Niederschlägen im REKAL-Material nicht
ausbilden. Das kann an einem einfachen hydraulischen Modell nachgewiesen werden. Das Modell bildet
nur die REKAL-Abdeckung nach. An
der Oberkante der Abdeckung wird
ein Porenwasserdruck von „0“
unterstellt, da sich ein nennenswerter Einstau wegen der Neigung
nicht einstellen kann. An der Unterkante der Abdeckung kann ebenfalls
ein Porenwasserdruck von „0“ angesetzt werden, da durch die
Abdeckung durchtretendes Wasser
hier wegen der hohen Durchlässigkeit der Salzhalde unmittelbar
drucklos nach unten abgeführt
wird. Die Berechnung des Potenti-
allinienverlaufs erfolgte mit der
Finiten-Element-Methode (FE-Netz
mit 512 Dreiecken und 289 Knoten)
und ergibt das erwartete Bild mit
horizontal liegenden Potentiallinien (Abb. 6). Der Potentialwert h
jeder Linie entspricht der Ortshöhe
y der entsprechenden Potentiallinie.
h=y
Aus dem Potentialliniennetz kann
nun an jeder Stelle des Systems der
Porenwasserdruck u mit
U=yw * (h – y)
berechnet werden. Daraus folgt
Porenwasserdruck U=0
im gesamten System.
3.6.2 Standsicherheitsberechnung
Zur Berechnung der Standsicherheit
auf Basis von UU-Versuchen wird das
in Abb. 7 dargestellte idealisierte
Regelprofil angenommen. Folgende
Annahmen liegen dem idealisierten
Regelprofil zugrunde:
Böschungshöhe = 100 m
Neigung der Salzböschung = 38°
Neigung der REKAL-Böschung = 34°
Eine Wasserdruckbelastung der
Böschung wird auf Grund der
Überlegungen im Kapitel 3.6.1
nicht angesetzt.
Die Standsicherheitsberechnungen wurden gemäß DIN 4084 mit
polygonalen Gleitflächen nach dem
Verfahren von Janbu durchgeführt.
Das Verfahren von Janbu arbeitet
nach dem so genannten Lamellenverfahren. Es berücksichtigt nicht
die Scherkräfte an den Seiten der
Lamellen. Die Ergebnisse liegen
somit auf der sicheren Seite.
3.6.3 Ergebnisse von Beprobungen
In der Anfangsphase wurden Proben
nur aus oberflächennahen Bereichen entnommen, die eine relativ
große Schwankungsbreite aufweisen. Da auf diese Weise nur frisch
aufgehaldetes Material erfasst,
gleichzeitig aber eine mit der Zeit
zunehmende Festigkeit erwartet
wurde, erfolgte die Beprobung
dann aus Schürfen.
Für 2 Schichtstärken sind die
Ergebnisse in Tab. 3 dargestellt. Wie
erwartet reduzierte sich die Streuung der Daten deutlich. Die mittleren Bodenkennwerte ergaben
sich zu:
Reibungswinkel = 34,6°
Kohäsion
c = 9,3 KN/m?
Wichte
= 10,8 KN/m?
Die gemäß DIN 4084 vorgegebene
Sicherheit von = 1,3 wird damit
eingehalten.
Dicke Schicht Sicherheit
[m] []
12 1,73
15 1,74
Tab. 3: Berechnete Standsicherheiten
für 2 Schichtdicken / Calculated slope sta-
bility for two layers of different thickness
Abb. 6: Grundwasser-Modell der REKAL-Abdeckung Linien gleicher Potentiale /
Groundwater model for the cover, lines of equal potential
3.7 Erosion
Wird rieselfähiges Schüttgut auf
derart hohe Halden aufgebracht,
ergeben sich sowohl Wind- wie Wassererosionsprobleme.
Selbst bei der nur etwa 125 m
hohen Halde Sigmundshall herrschen am Kopf 2–3 mal so hohe
Windgeschwindigkeiten wie am
Boden (Meer, 2000), dabei kann die
Vertikalgeschwindigkeit am Kopf
fast die Horizontalgeschwindigkeit
am Boden erreichen. Die Wasser-
erosion ist bei Flankenlängen von
200 m je nach Durchlässigkeit und
Wasserrückhaltevermögen ebenso
zu beachten.
3.7.1 Winderosion
Bereits im Vorfeld der beschriebenen Maßnahme wurden im Umfeld
der Halde diverse Immissionsmessstellen, so genannte Bergerhofftrichter, aufgestellt.
Neben dem Gesamtstaubgehalt
wurden von Monatsdurchschnittsproben alle relevanten Parameter
analysiert. Die Problematik bei der
Auswertung besteht jedoch darin,
aus diesen Daten den Anteil zu
ermitteln, der der Abdeckschicht
zuzuordnen ist.
Da der Kupfergehalt im Boden
um mehr als den Faktor 100 geringer ist als im REKAL-Rückstand und
im Salz kein Kupfer enthalten ist,
hat sich der Kupfergehalt bisher als
die geeignetste Größe zur Beurteilung der Winderosion erwiesen. In
der Abb. 8 sind für eine in Hauptwindrichtung gelegene Messstelle
die Ergebnisse seit 1996 dargestellt.
Ein Trend zu steigenden Kupfergehalten ist nicht erkennbar.
Zur langfristigen Minimierung
von Abwehungen ist eine Beregnung der Haldenflanke notwendig.
Bewährt haben sich dazu Kreisregner mit Wurfweiten von bis zu 50
m, die auf der Haldenflanke vertikal verfahrbar sind. Bei Verwendung
von Wasser wird die Aussalzung
dadurch noch beschleunigt.
3.7.2 Wassererosion
Zur Messung der Wassererosion an
geneigten Flächen werden normalerweise Erosionsbleche in die Oberfläche eingebaut. Da die Versuchsfläche jedoch so beschüttet wurde,
dass die Ummantelung gleichmäßig jeweils in dünnen Schichten
erfolgte und sich deshalb die Oberfläche ständig änderte, schied diese Messmethode aus. Des Weiteren
Abb. 7: Idealisiertes Regelprofil / Slope design
treten bei dem hier verwendeten
Material auch bei endgültig beschütteten Flanken Veränderungen der
Oberfläche auf, z. B. durch Setzungen und Löseeffekte, so dass diese
Methode hier nicht geeignet ist.
Eine grobe Abschätzung von
abgeschwemmtem Material kann
jedoch auch durch regelmäßige
optische Begutachtung erfolgen.
Im vorliegenden Fall wurden
selbst nach Starkniederschlagsereignissen von 30 mm in einer Stunde keine nennenswerten Mengen
abgeschwemmt. Dies kann jedoch
in Abhängigkeit der Durchlässigkeit
und des Wasserrückhaltevermögens des Abdeckmaterials ganz
anders sein. Deshalb muss diesem
Sachverhalt durch entsprechende
Gestaltung des Haldenvorgeländes
mit Klär- und Pufferzonen Rechnung getragen werden.
3.8 Verlauf der Aussalzung
Für eine Begrünung ist eine salzfreie, lotrechte Schicht von mindestens 30 cm notwendig. Dies entspricht 17 cm senkrecht zur Haldenflanke.
Versuche von (Wöhler, 1999) in
Laborlysimetern zeigen, dass dies
bei dem vorliegenden Material und
einem Niederschlag von 700 mm
möglich ist.
An einer geneigten Fläche unterliegt die Aussalzung weiteren Einflussfaktoren. (Wöhler, 1999) hat
dazu Untersuchungen an einer Versuchsschüttung an der Haldenflanke (siehe Abbildung 9) durchgeführt. Der Verlauf des Salzgehaltes in Abhängigkeit von der Zeit und
der Tiefe ist in Abbildung 10 dargestellt. Der Anstieg des Salzgehaltes zwischen Juli 1998 und November 1998 ist mit hoher Wahr-
Abb. 8: Entwicklung der Cu-Immissionen als Funktion der Zeit für Messstelle 1 /
Copper emissions versus time, control point 1
Kali und Steinsalz
37
Abb. 9: Versuchsfläche an der Halde: Länge 115 m, Höhe 10 m; 1998 /
Test area: length 115 m, height 10 m, 1998
scheinlichkeit auf kapillaren Aufstieg zurückzuführen. Interessanterweise wirkt sich dies an der Oberfläche in der Schicht bis 10 cm nicht
aus, sondern vorwiegend in tieferen
Schichten.
Die entsprechenden Niederschlagsmengen und die festgestellten Salzgehalte zeigt Tabelle 4: Aus diesen
Ergebnissen folgerte (Wöhler, 1999),
dass es an einer beschütteten Haldenflanke ca. 3 bis 4 Jahre dauern
Aug 97
wird, bis eine für die Begrünung notwendige salzfreie Schicht entstanden ist. Die Praxis zeigt, dass die in
der Abbildung 9 noch unbewachsene Haldenflanke 5 Jahre nach der
Aufschüttung nahezu vollständig
begrünt ist.
3.9 Lysimeterversuche
Das aus REKAL-Rückstand und
Kraftwerksasche gemischte Material ist zunächst aufgrund seines
Jan 98
Mai 98
280
424
179,5
153,2
Aug 98
Okt 98
Feb 99
695
935
160,7
106,8
Aug 97 – Aug 98 = 550 mm
Niederschlag 0
550
[mm]
Jan 98 – Feb 99 = 665 mm
Salzgehalt
205,2
140,6
[kg]0-80cm
Tab. 4: Kumulierter Niederschlag [mm] und Salzgehalt [kg] des betrachteten
Kompartiments der Parzelle 9 zu sechs Zeitpunkten / Accumulated rainfall [mm]
and salt content [kg] at area 9 at 6 different times, 0 – 80 cm depth
Abb. 10: Entwicklung des Salzgehaltes der Parzelle 9 / Trends of salt concentrations
in area 9
hohen Salzgehaltes nicht als
„Boden“ für Pflanzenwuchs geeignet. Selbst für Gräser und Kräuter,
die an der Seeluft der Nordseeküste
gedeihen („Halophyten“), ist der
Salzgehalt viel zu hoch.
Für die botanischen Untersuchungen hat (Scheer, 2001) zunächst
salzfreies Versuchsmaterial durch
Auslösen des Salzes in Wasser
erzeugt.
Auf dem entsalzten Boden gediehen im Gewächshaus mehrere
Gras- und Kräuterarten, unter anderem das bekannte „deutsche Weidelgras“ (= Lolium perenne).
Pflanzen brauchen verschiedene
Mineralstoffe, die sie dem Boden entziehen. Was im Boden fehlt, muss
durch Düngung nachgeliefert werden. Zu den einzelnen Bodenkomponenten:
Stickstoff
Der REKAL-Rückstand bringt Stickstoff in Form von NH4+ mit. Der
Stickstoffbedarf der Bewuchspflanzen ist damit kurzfristig ausreichend gedeckt.
Phosphor
Der „Boden“ enthält ausreichend
Phosphor, jedoch scheint dieser
nicht in pflanzenverfügbarer Form
vorzuliegen. Die Pflanzen zeigen
ohne Zusatzdüngung in der oberirdischen Biomasse Phosphor-Mangel. Eine Phosphordüngung von
1000 kg P2O5/ha verteilt auf die
Vegetationsperiode konnte im Versuch diesen Mangel ausgleichen.
Eine Phosphordüngung wird auch
in Praxis der Haldenbegrünung
erforderlich werden.
Kalium
Der REKAL-Prozess zielt auf die industrielle Gewinnung von KCl aus der
Salzschlacke. Es bleiben jedoch Ausbeuteverluste im Rückstand, die den
Pflanzenbewuchs ausreichend mit
K+ versorgen können.
Metalle am Beispiel Kupfer
Natürliche Böden enthalten Spuren
von Metallverbindungen, die teilweise von den Pflanzen über die
Wurzeln aufgenommen und teilweise auch für den Pflanzenwuchs
benötigt werden. Der Kupfergehalt
der künstlich erzeugten Bodenmischung liegt deutlich über dem des
natürlichen Bodens von 40 ppm
(Scheffer/Schachtschabel).
In der Biomasse fand man CuGehalte, die etwa das Doppelte des
Normalen ausmachen. Pflanzenschäden durch Kupferüberschuss
wurden nicht beobachtet. Die Pflanze nimmt offensichtlich nur wenig
von dem ihr reichlich angebotenen
Kupfer auf.
Um die Erkenntnisse aus den
Topfversuchen im Gewächshaus
zu untermauern, wurde neben der
Halde ein Lysimeterfeld angelegt.
Die Lysimetersäulen verschiedener
Höhen (0,85 m – 3,4 m) wurden bis
zu ihrer Oberkante versenkt in den
Hügel eingebaut, um Randeffekte
klein zu halten (vgl. Abb. 11).
Es wurden verschiedene REKALStabilisatmischungen eingefüllt,
wobei die Mischung „70/30“ letztlich zur Anwendung kommt. Die
Lysimeterversuche ergaben zusammengefasst folgende Erkenntnisse:
Die Entsalzung schreitet wie
erwartet voran. Neben NaCl werden
auch andere Salze, insbesondere
NH4+ und Cu+-Verbindungen gelöst
und finden sich im ablaufenden
Eluat wieder.
Nach zwei Entsalzungsjahren
wurde eine Saatgutmischung nach
den Erfahrungen aus den vorangegangenen Topfversuchen aufgebracht. Nach einem weiteren Jahr
war die Saat gut aufgegangen (siehe Abb. 12).
Die Untersuchungen belegen,
dass nach dem Auswaschen des Salzes der künstliche Boden für einen
Bewuchs mit Gräsern und Kräutern
geeignet ist. Nützlich ist die ober-
Abb. 11: Querschnitt Lysimeterfeld / Cross section of Lysimeter area
Abb. 12: Blick auf das Lysimeterfeld /
View on the Lysimeter area
flächliche Zugabe von Kompost und
Phospor-Düngekomponenten.
3.10 Modell zur Wasserhaushaltsberechnung
Ziel der Untersuchung und Modellierung des Wasserhaushalts war die
Ermittlung der Verdunstungsrate in
Prozent vom Niederschlag für die
Salzhalde ohne Abdeckung, für die
Salzhalde mit einer Deckschicht aus
REKAL-Stabilisat-Mischung und für
die Salzhalde mit einer begrünten
Deckschicht aus REKAL-StabilisatMischung.
Die Ergebnisse der von Hermsmeyer entwickelten Modellvorstellung lassen sich wie folgt zusammenfassen: Ohne Abdeckung und
ohne Bewuchs fließen etwa 2/3 des
Niederschlages im Haldengraben ab
und nur ein Drittel verdunstet von
der Haldenoberfläche. Dieses
ungünstige Verhältnis von Abfluss
und Verdunstung zum Niederschlag wird durch die geringe Speicherfähigkeit des Kali-Rückstands
für Wasser (geringe Feldkapazität)
verursacht. Niederschlagswasser
infiltriert schnell in den Haldenkörper und versickert schnell in
so große Tiefen, dass es nicht durch
kapillaren Aufstieg zurück an die
Oberfläche geführt wird, wo es verdunsten könnte.
Größer wäre der Anteil der Verdunstung von einer mit REKAL-Stabilisat-Mischung abgedeckten, aber
nur spärlich begrünten Oberfläche
der Halde. Die nutzbare Feldkapazität (d. h. die in mittelgroßen Poren
speicherbare Wassermenge) des
Lösungsrückstands von REKAL-Stabilisat-Mischung ist mit 45 mm pro
Dezimeter Deckschichtmächtigkeit
im Vergleich zu natürlichen Böden
hoch. Die hohe Feldkapazität führt
dazu, dass in einer Deckschicht
auch bei nur spärlicher Begrünung
im langjährigen Mittel etwa die
Hälfte des Niederschlags (375 mm
oder 49 %) oberflächennah gespeichert und über die Verdunstung
zurück an die Atmosphäre geführt
werden könnte. 389 mm oder 51 %
Kali und Steinsalz
39
des Niederschlags würden weiterhin
im Ringgraben abfließen. Am größten ist erwartungsgemäß die
Erhöhung der Verdunstung und
damit die Reduktion des Abflusses
durch eine dicht begrünte Deckschicht. Der prognostizierte langjährige Mittelwert der Sickerwassermenge aus einer begrünten
Deckschicht beträgt für REKAL-Stabilisat-Mischung 187 mm oder 25 %
des langjährigen (korrigierten) mittleren Niederschlags. Die berechnete mittlere tatsächliche Verdunstung für eine Deckschicht aus
bewachsener REKAL-StabilisatMischung beträgt 577 mm und liegt
innerhalb der Spannweite der von
(Keller, 1978) für die Region angegebenen potenziellen Verdunstung
(Verdunstungsbedarf der Atmosphäre, 550 bis 600 mm). Eine weitere Steigerung der tatsächlichen
Verdunstung (etwa durch Erhöhung
der Mächtigkeit der Deckschicht
oder durch weitere Verdichtung der
Vegetation) erscheint daher kaum
möglich.
Die Lagerungsdichte von REKALStabilisat-Mischung beträgt 0,91 t/
m3. Diese im Vergleich zu vielen
natürlichen Böden geringe Lagerungsdichte sowie die vergleichsweise hohe nutzbare Feldkapazität
von 45 % für den Lösungsrückstand
der REKAL-Stabilisat-Mischung sind
günstige bodenphysikalische Voraussetzungen für das Wurzelwachstum. Aus der Modellrechnung
zum Wasserhaushalt berechnet
sich für eine begrünte Halde eine
Verdunstungsrate von 75 %. Dieses
Ergebnis steht in gutem Einklang
mit den Lysimeterversuchen, bei
denen bis zu 80 % des Niederschlages verdunstet.
4. Prognose der Haldenwasserzusammensetzung
Mit dem REKAL-Rückstand gelangen
auch Schwermetalle und Stickstoff
auf die Halde. Zur Untersuchung der
eluierbaren Anteile haben (Scheer
und Wöhler) umfangreiche Messungen im Labor und halbtechnischen Maßstab durchgeführt.
Die Ergebnisse aus Lysimetern
und Eluatuntersuchungen nach
DIN 38414 Teil 4 (S4-Test) sind jedoch
nicht übertragbar auf die Verhältnisse an einer geneigten Fläche, dennoch sind daraus mögliche Grenzzustände ableitbar.
Die Bedingungen an einer
geneigten Fläche sind vorrangig
durch folgende Dinge charakterisiert
f teilweise
oberflächlicher
Abfluss
f präferenzieller Abfluss in der
Schicht
f ungenaue Kenntnis über die
am Stoffaustauschvorgang
beteiligte Masse
und somit nicht exakt bilanzierbar.
Ebenso ist es nicht möglich, einen
Bereich an der Halde abzugrenzen,
der eine aussagefähige Bilanzierung
ermöglicht.
Auf Basis dieser Kenntnisse ist keine zuverlässige Prognose für das Haldenwasser möglich. Es bleibt lediglich festzuhalten, dass mögliche
Elutionsprozesse langsam vonstatten gehen und zudem die Abdeckung ebenfalls langsam fortschreitet, so dass Veränderungen im
Haldenwasser ebenfalls langsam
erfolgen, so dass ein frühzeitiges
Gegensteuern möglich ist. Als reine
Vorsichtsmaßnahme wurde deshalb ein Verfahrenskonzept erarbeitet, mit dem in einer gesättigten
Salzlösung die Ammonium- und
Schwermetallkonzentrationen
gesenkt werden können. Die Reduktion des Ammoniumgehaltes erfolgt
dabei elektrolytisch und die der
Schwermetalle durch Fällung und
Flockung.
5. Zeitlicher Verlauf der Abdeckung
Da die Abdeckmaßnahme an einer
im Betrieb befindlichen Halde
erfolgt, müssen betriebliche Belange Vorrang haben. Das Abdecken des
bereits endgültig aufgeschütteten
Bereichs und der weitere Haldenvortrieb erfordern eine weit vorausschauende Planung.
Aufgrund der Mengenverfügbarkeit des REKAL-Rückstandes (ca.
100.000 t/a) und des derzeitigen Wissensstandes ist eine vollständige
Abdeckung in ca. 25 Jahren möglich.
6. Zusammenfassung
Die Abdeckung und Rekultivierung
von Rückstandshalden der Kaliindustrie mit der Zielsetzung, den Haldenwasseranfall drastisch zu reduzieren, ist ökologisch sinnvoll.
Bisher ist es jedoch nur in Einzelfällen gelungen, derartige Halden
mit bodenähnlichen Stoffen abzudecken. Durch den steilen Böschungswinkel der Halden und den
wesentlich geringeren Böschungswinkel dieser Materialien sind für
eine vollständige Abdeckung sehr
große Mengen notwendig und
zudem nahezu die doppelte Grundfläche. In der vorliegenden Arbeit
wurde erstmals der Versuch unternommen, eine in Betrieb befindliche Halde in relativ dünner Schicht
abzudecken, mit einem Material,
welches als Rückstand einer Salzschlackenaufbereitungsanlage anfällt. Durch Konditionierung dieses
Rückstandes mit Stabilisat ist es
gelungen, einerseits die notwendige Standsicherheit zu erreichen,
ohne die Begrünbarkeit zu beeinträchtigen, und andererseits den
Schüttwinkel von Abdeckschicht
und Halde annähernd anzugleichen. Damit sind Schichtstärken
von 3 bis 5 m möglich und als Folge davon bleiben der Flächenverzehr
und die notwendige Materialmen-
ge vergleichsweise gering. Unter den
besonderen, hier vorliegenden
Bedingungen werden langfristig keine unbeherrschbaren Risiken gesehen und der gesamtökologische
Nutzen ist nachhaltig gegeben. Es
ist davon auszugehen, dass der
Anfall versalzener Wässer um bis zu
80 % reduziert wird! Die erarbeiteten Instrumente, wie z. B. zur Standsicherheitsberechnung, zur Vermessung, zur Beregnung oder zur
Simulation des Wasserhaushaltes
sind generell anwendbar.
Aus der vorliegenden Arbeit
kann jedoch nicht auf die allgemeine Rekultivierbarkeit von Rückstandshalden geschlossen werden.
An jeder Halde ergeben sich spezifische Randbedingungen, die in
jedem Fall gesondert zu betrachten
sind, weil sich auch Ausschlusskriterien ergeben können. Der hier
betrachtete Fall ist sicher eine einmalige Chance, bei der Ökologie
und Ökonomie im Einklang stehen
und die deshalb genutzt wurde. Die
Nachhaltigkeit der getroffenen Aussagen zeigen Abb. 13 und 14. Dieser
erste mit REKAL-Rückstand endbeschüttete Bereich wurde Ende 1999
fertig gestellt. Bereits nach 1 1/2 Jahren sind größere Bereiche begrünt.
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Bodenkunde
Kali und Steinsalz
41
Sozialpolitik
Sozialpolitik
Reform der Sozialversicherung
Der Reformdruck im Bereich der Sozialversicherung wächst weiter.
Das 1998 von der Bundesregierung anvisierte Ziel, die Beitragssatzsumme unter die 40-Prozent-Marke zu senken, ist deutlich verfehlt
worden. Eine Entlastung der Beitragszahler – Arbeitnehmer und
Unternehmen – ist unverzichtbar zur Stärkung des Standortes
Deutschland und der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft,
die mit den weltweit höchsten Personalzusatzkosten belastet ist. Alle
Sozialversicherungszweige sollten auf Basisleistungen konzentriert
werden sowie die zumindest partielle Abkoppelung der Sozialkosten
von den Arbeitskosten ist erforderlich. Dieser Artikel soll für die einzelnen Zweige der Sozialversicherung Lösungswege für die Senkung
der Beitragssatzsumme aufzeigen.
Jürgen Husmann
Mitglied der Hauptgeschäftsführung
der Bundesvereinigung der Deutschen
Arbeitgeberverbände, Berlin
Ordnungspolitischer Rahmen
Staatlicher Zwang, auch zur
Vorsorge gegen Lebensrisiken,
bedarf – vor allem in einer freiheitlichen und marktwirtschaftlichen Gesellschaftsordnung –
immer der Rechtfertigung und
sollte nur ausgeübt werden, wenn
die angestrebten Ziele auf anderem
Wege nicht erreichbar sind. Darüber hinaus hat sich staatliche
Bevormundung immer auf das
unbedingt Erforderliche zu beschränken sowie die Pflichtversicherten und die Betriebe vor finanziellen Überforderungen zu schützen. Kurz: Der mündige Bürger muss
zum Leitbild auch der Sozialpolitik
werden.
Doch dieses Leitbild verliert zum
Nachteil aller Beteiligten und Betroffenen immer mehr an Bedeutung:
Mit der Pflegeversicherung wurde
eine neue kollektive und obligatorische Sozialversicherungssäule
errichtet, der Aufgabenkatalog der
Krankenversicherung wird permanent ausgedehnt, den Rentenreformen fehlte es an Konsequenz und
Nachhaltigkeit. Folgen daraus sind
ein weiteres Ansteigen des Zwangsabgabenniveaus bzw. – trotz Ökosteuer – der Beitragssatzsumme in
der Sozialversicherung und damit
eine zunehmende Einschränkung
der individuellen Handlungs- und
Entscheidungsspielräume.
Darüber hinaus muss zwischen
Wirtschaftskraft einerseits und
Sozialaufwand andererseits ein
Gleichgewicht bestehen. Nur dann
können Arbeitsplätze erhalten bzw.
geschaffen sowie die Finanzierungsbasis für die Sozialversicherung bei tragbaren Zwangsabgaben
gesichert werden. Dieses unverzichtbare Gleichgewicht ist seit
vielen Jahren gestört und insbesondere in den letzten Jahren
zunehmend verfehlt. Mittlerweile
übertrifft die Summe der Sozialleistungen die Aufwendungen für
Investitionen in Maschinen, Anlagen und Bauten um mehr als 50 Prozent.
An einer grundlegenden Modernisierung der sozialen Sicherungssysteme – und zwar mit Blick sowohl
auf die wirtschaftlichen Probleme
in der Gegenwart als auch auf die
demographischen Herausforderungen in der Zukunft – geht deshalb kein Weg vorbei. Alle Sozialversicherungszweige müssen mit
dem Ziel, die Beitragssatzsumme
umgehend und dauerhaft wieder
auf deutlich unter 40 Prozent
zurückzuführen, auf eine Basissicherung mit Kernleistungen konzentriert werden. Das ist eine
unverzichtbare Voraussetzung zur
dringend notwendigen Stärkung
des Wachstums und Verbesserung
der Beschäftigungslage.
Eigenverantwortung und Selbstbestimmung können und müssen
mit steigenden Einkommen bzw.
Wohlstand an Gewicht gewinnen,
weil zunehmend Teile davon nicht
mehr zur Befriedigung der Grund-
bedürfnisse benötigt werden bzw.
größer werdende Teile davon für
andere Verwendungszwecke zur Verfügung stehen.
Und Deutschland gehört trotz der
Belastungen durch die Wiedervereinigung und trotz des damit verbundenen Rückgangs der Wirtschaftsleistung pro Kopf nach wie
vor zu den reichsten Ländern der
Welt. Entsprechend geht die kollektive Schutzbedürftigkeit zurück.
Anders lässt sich die finanzielle
Überforderung mit der Gefahr des
Der mündige
Bürger muss zum
Leitbild der Politik
werden.
Kollapses der Renten- und Krankenversicherung, aber auch der Pflegeversicherung nicht mehr aufhalten. Durch eine solche Modernisierung werden weder die soziale
Absicherung des Einzelnen in Frage gestellt noch der Einzelne finanziell überfordert. Sinkende Zwangsabgaben und Beitragssätze schaffen
vielmehr erst den notwendigen
Spielraum für eine ergänzende individuelle und betriebliche Risikovorsorge im Einklang mit den
jeweiligen Bedürfnissen, Präferenzen und Gegebenheiten.
Die private Zusatzvorsorge – sei
es individuell oder über den Betrieb
– muss dabei freiwillig bleiben.
Denn mit den gesetzlichen Systemen steht eine ausreichende Basissicherung zur Verfügung, und mit
einer Pflicht zur ergänzenden Absicherung von Lebensrisiken würde
lediglich eine Zwangsabgabe durch
eine andere Zwangsabgabe ersetzt.
Am Grundübel viel zu geringer
Handlungs- und Entscheidungsspielräume bzw. von zu viel Staat
und zu wenig Privat würde sich
nichts ändern. Hieraus können keine zusätzlichen Anreize, Arbeit
anzubieten und nachzufragen, zu
investieren und zu produzieren, entstehen.
Über die Senkung und Begrenzung der Beitragssätze sowie über
die damit verbundene Entkoppelung der Sozialaufwendungen von
den Arbeitskosten wird zugleich ein
Beitrag zur Stärkung des Produktions-, Investitions- und Arbeitsplatzstandortes Deutschland geleistet. Personalzusatzkosten in Höhe
von über 80 Prozent des Entgelts für
tatsächlich geleistete Arbeit, die
zudem zum weit überwiegenden
Teil gesetzlich bedingt sind, lassen
sich vor dem Hintergrund der weltweiten Globalisierung, des Europäischen Binnenmarktes und der
anstehenden EU-Erweiterung nicht
mehr verantworten.
Die Veränderung der sozialen
und ökonomischen Rahmenbedingungen muss sich auch in der Ausgestaltung der Sozialen Selbstverwaltung widerspiegeln, die ein
notwendiges Gegengewicht zur
Staatsverwaltung darstellt.
Das auf europäischer Ebene vertraglich fest verankerte Subsidiaritätsprinzip hat auch für die
nationale Ebene Vorbildcharakter.
Das bedeutet: Ausbau der Handlungs- und Entscheidungsbefugnisse der hier agierenden Versicherten- und Arbeitgebervertreter.
Nur wer wirkliche Freiräume hat,
kann verantwortungsbewusst und
im Interesse aller Beteiligten handeln.
Kali und Steinsalz
43
Sozialpolitik
Reformen sind dringend notwendig
Die miserable Finanzlage und die
ungünstigen Perspektiven in den
einzelnen Zweigen der Sozialversicherung sind der unwiderlegbare
Beleg: Die Reform der sozialen Sicherungssysteme muss rasch in Angriff
genommen bzw. fortgesetzt werden.
Alles, was jetzt geschieht, sind
jedoch reine Notlösungen und
orientierungslose Schnellschüsse
der Bundesregierung. Nach monatelanger Untätigkeit ist es nicht
mehr als ein konzeptionsloses Herumdoktern an Symptomen – so der
Sachverständigenrat zur Begutachtung der gesamtwirtschaftlichen
Entwicklung. Selbst vorübergehende Beitragsentlastungen in der
Rentenversicherung waren in erster
Linie nur das Ergebnis der Umfinanzierung „Ökosteuer statt Beitrag“.
Der Sozial- und Wohlfahrtsstaat
ist in seiner jetzigen Form und Ausgestaltung nicht zukunftsfähig. Er
muss den geänderten Rahmenbedingungen in Wirtschaft und Gesellschaft angepasst werden, die vor
allem auch von außen auf unsere
Volkswirtschaft und das Sozialsystem einwirken. Freiheit und Verantwortung gehören untrennbar
zusammen. Individuelle Lebensgestaltung bedeutet auch immer
Eigenverantwortung, auch für die
Absicherung von Lebensrisiken. In
dem Maße wie die Menschen über
steigenden Wohlstand verfügen,
sind sie auch in der Lage, neben der
Risikoabsicherung über Kollektivsysteme ein höheres Maß an Eigenverantwortung zu übernehmen.
Dem müssen die sozialen Sicherungssysteme Rechnung tragen,
ansonsten ist das Sozialsystem
Sozialpolitik
Die Sozialversicherungszweige sind auf eine
Basissicherung mit
Kernleistungen
zurückzuführen.
Eine Modernisierung der sozialen
Sicherungssysteme erfordert die
Konzentration der kollektiv finanzierten Leistungen auf das Wesentliche. Auch dann besteht weiterhin
eine ausreichende soziale Absicherung des Einzelnen bei Krankheit
und Pflegebedürftigkeit, im Alter
sowie bei Arbeitsunfällen und
Berufskrankheiten. Diese Konzentration muss mit einem Paradigmenwechsel hin zu einem Mischsystem aus einerseits kollektiver,
umlagefinanzierter und paritätisch
getragener Absicherung sowie andererseits individueller, kapitalgedeckter und eigenfinanzierter Risikovorsorge verbunden werden. Mit
diesem Mischsystem können die
Vorteile beider Systeme kombiniert und die Nachteile minimiert
werden.
Aufgrund der Demographieentwicklung, die auch in den anderen
EU-Mitgliedsstaaten ähnlich verläuft, sowie unserer internationalen
Spitzenposition bei den Arbeitskosten fordern die Arbeitgeber seit
langem, die Sozialversicherungszweige auf ihre Kernleistungen zu
beschränken. Mit Einschnitten auf
der Leistungsseite wäre eine Senkung der Beiträge möglich, was wiederum eine unverzichtbare Voraussetzung zur dringend notwendigen Stärkung von Wachstum
und Beschäftigung darstellt. Was für
die Finanzpolitik und die Konsolidierung der öffentlichen Haushalte gilt, trifft genauso auf die Sozialversicherung zu: eine dynamische
Wirtschaft ist die entscheidende
Voraussetzung für eine Sanierung
und nachhaltige Stabilisierung der
Systeme.
Gesundheitsreform nicht weiter
vertagen
Die Koalitionsvereinbarung enthält für das Gesundheitswesen
eine Reihe von Maßnahmen und
Vorhaben, die allerdings weit von
einer „Großen Gesundheitsreform“
entfernt sind. Statt einer solchen sollen wieder einmal interventionistische Einzelgesetze und staatlicher
Dirigismus Platz greifen.
Dieser Trend wird durch die
ersten gesetzgeberischen Maßnahmen noch verstärkt. So sollte laut
Koalitionsvereinbarung die Versicherungspflichtgrenze in der Krankenversicherung für neue Versicherungsverhältnisse angehoben
werden. Tatsächlich ist nun nicht
mehr nur von neuen Versicherungsverhältnissen die Rede. Inzwischen soll die Versicherungspflichtgrenze für alle angehoben
angesichts der demographischen
Entwicklung auf Dauer nicht mehr
finanzierbar. Die Beitragssatzsumme in der Sozialversicherung muss
auf Dauer unter 40 Prozent gesenkt
werden. Angesichts der aktuellen
Entwicklungen ist diese Forderung
aktueller denn je. Der Gesamtsozialversicherungsbeitragssatz, der
bereits im laufenden Jahr von 40,8
auf 41,3 Prozent gestiegen ist, wird
zum 01. Januar 2003 weiter auf mindestens 41,9 Prozent zunehmen.
werden, um den Wechsel in die private Krankenversicherung zu
erschweren. Statt durch mehr Wettbewerb, Qualitäts- und Effizienzsteigerung die gesetzliche Krankenversicherung attraktiv zu
machen, werden die Voraussetzungen für einen Wechsel hin zur
privaten Krankenversicherung erschwert, um die Mitglieder zwangsweise in der gesetzlichen Krankenversicherung zu halten. Solche
Schutzzäune zum Erhalt überholter
Strukturen widersprechen dem
Leitbild des mündigen Bürgers.
Laut Koalitionsvereinbarung soll
die Arzneimittelversorgung – ohne
nähere Angaben – liberalisiert werden. Gegenstand des Gesetzesentwurfes sind jedoch die Verringerung
der Großhandelsspanne, die Heraufsetzung der Großkundenrabatte und die Absenkung der Apothekenzuschläge, alles Dirigismen,
von Liberalisierung keine Spur.
Eine wirkliche Reform in der
gesetzlichen Krankenversicherung
muss sich an folgenden Eckpunkten
orientieren:
Der Beitragssatz in der gesetzlichen Krankenversicherung muss
unter 12 Prozent gesenkt werden.
Hiervon profitieren sowohl Versicherte als auch Arbeitgeber. Das ist
ohne weiteres möglich, wenn die
Wirtschaftlichkeitsreserven gehoben und die Aufgabenstellung der
Krankenkasse neu justiert wird.
Der gesetzlich vorgeschriebene
Aufgabenkatalog muss auf eine
Basissicherung reduziert werden
durch Verzicht auf medizinisch
nicht notwendige Leistungen sowie
Herausnahme der versicherungsfremden Leistungen, wie z. B. das
Sterbegeld oder die Leistungen bei
Schwangerschaft und Mutterschaft.
Außerhalb der kollektiven und
paritätischen Finanzierung können
diese Leistungen als Wahlleistungen
angeboten bzw. müssen über das allgemeine Steueraufkommen finanziert werden. Härtefallregelungen
sind regelmäßig auf Notwendigkeit
und Korrekturbedarf hin zu überprüfen.
Die Beitragssumme
ist auf Dauer
unter 40 Prozent
zu senken.
Hierdurch hat der Patient als
mündiger Bürger das Wahlrecht, seinen Versicherungsumfang nach seinem Bedarf und die Finanzierung
(Selbstbehalte, Beitragsrückgewähr)
nach seinen Vorstellungen auszugestalten. Dadurch wird für ihn ein
Anreiz geschaffen, sich kostenbewusst zu verhalten, da ihm auch
Ergebnisse seines Verhaltens zugute
kommen und dadurch die Effizienz
des Systems insgesamt gestärkt
wird. Hinzu kommen muss eine
Intensivierung des Wettbewerbs
auf allen Ebenen des Gesundheitswesens, vor allem durch eine Lockerung des Vertragsrechts, mehr
Wahlrechte für die Versicherten und
Möglichkeiten zur Angebotsdifferenzierung.
Pflegeversicherung jetzt angehen
Auch über der Pflegeversicherung
hängt das Damoklesschwert der
zunehmenden Alterung der Bevölkerung. Es kommt hinzu, dass die
erfreulicherweise steigende Lebenserwartung aber auch mit überproportional zunehmendem Pflege-
fallrisiko einhergeht. Schon jetzt ist
davon auszugehen, dass 2004, aber
spätestens 2007, der jetzige Beitragssatz von 1,7 Prozent nicht mehr
ausreicht, um die Leistungen zu
finanzieren. Auch in diesem Zweig
der Sozialversicherung müssen deshalb die Leistungen auf eine Basissicherung zurückgeschraubt werden. Die Leistungen der gesetzlichen
Pflegeversicherung sollten nur
noch den Schwer- und Schwerstpflegebedürftigen zugute kommen.
Die Leistungen der untersten Pflegestufe sind demgegenüber schrittweise nach Geburtsjahrgängen zu
reduzieren. Hier kann dann in
Eigenverantwortung der Auf- und
Ausbau einer kapitalgedeckten
ergänzenden Vorsorge erfolgen.
Diese hat sich im Übrigen in der privaten Pflegeversicherung bestens
bewährt.
Rentenreform fortsetzen
In der gesetzlichen Rentenversicherung ist mit der Rentenreform
2001 ein erster wichtiger Schritt in
die richtige Richtung getan worden.
Diese Reformmaßnahmen reichen
aber nicht aus, um nachhaltig Leistungsfähigkeit und Finanzierbarkeit zu gewährleisten.
Statt die Ansätze der Rentenreform 2001 konsequent fortzuführen
und die Voraussetzungen für Beitragssatzsenkungen in der gesetzlichen Rentenversicherung zu schaffen, werden Maßnahmen ergriffen,
die absolut kontraproduktiv für
Beschäftigung und Wachstum sind.
Mit der Heraufsetzung des Beitragssatzes auf 19,5 Prozent werden
die Sozialabgaben erneut deutlich
angehoben. Ist es nur die feine
Semantik des Gesetzgebers oder IrreKali und Steinsalz
45
Sozialpolitik
führung der Gesetzesunterworfenen, wenn eine Beitragsanhebung
mit dem Begriff „Beitragssicherung“
belegt wird?
Hinzu kommt noch die außerordentliche Anhebung der Beitragsbemessungsgrenze, die nicht um
100  angehoben wird, wie es nach
den geltenden gesetzlichen Anpassungsvorschriften der Fall gewesen
wäre, sondern darüber hinaus um
weitere 500  , so dass erhebliche
Mehrbelastungen sowohl auf Versicherten- als auch auf Arbeitgeberseite zu verbuchen sein werden.
Sie belaufen sich in der Summe –
Beitragssatz und Beitragsbemessungsgrenze – auf über 5 Mrd.  pro
Jahr.
Durch die Absenkung der
Schwankungsreserve wird ein weiterer Anstieg des Beitragssatzes
vermieden. Bei lediglich 0,5 Monatsausgaben als Mindestrücklage muss
sichergestellt werden, dass die Zahlungsfähigkeit der Renten nicht in
Gefahr gerät bzw. die Rentenversicherung unterjährig nicht auf
zusätzliche Bundeshilfen angewiesen ist.
Zu erinnern ist, dass die Bundesregierung im Sommer 2001 für
2003 einen Beitragssatz zur Rentenversicherung von 18,7 Prozent
angekündigt hatte. Diese Diskrepanz lässt sich nicht allein mit der
konjunkturellen
Entwicklung
erklären. Die ökonomischen Annahmen der Bundesregierung bezüglich der Wirtschafts- und Beschäftigungsmaßnahmen waren zu optimistisch.
Die Heraufsetzung des Beitragssatzes und die Anhebung der Beitragsbemessungsgrenze führen weiter dazu, dass der Auf- und Ausbau
Sozialpolitik
der ergänzenden kapitalgedeckten
betrieblichen und privaten Altersvorsorge geschwächt wird, da hierdurch die bereitgestellten staatlichen Zulagen und Steuervergünstigungen wieder aufgezehrt
werden. Die Nutzung der neuen Vorsorgemöglichkeiten bleibt deshalb
hinter den Erwartungen zurück.
Die Sozialkosten
müssen zumindest
teilweise von
den Arbeitskosten
abgekoppelt
werden.
Die Arbeitgeber fordern deshalb, den Beitragssatz umgehend
deutlich unter 19 Prozent zu senken
und ihn auf Dauer unter 20 Prozent
zu halten. Um dies zu erreichen,
müssen auf der Leistungsseite
finanzwirksame Einschnitte erfolgen:
Neben einer rascheren Absenkung des Nettorentenniveaus auf
eine Größenordnung von 60 bis 62
Prozent und Einbau einer Demographiekomponente ist nach 2010
eine schrittweise Anhebung der
abschlagsfreien Regelaltersgrenze
vom 65. Lebensjahr auf das 67.
Lebensjahr erforderlich. Die Anhebung sollte entsprechend entweder
nach der steigenden durchschnittlichen Lebenserwartung der Rentner oder der Lebenserwartung der
jeweiligen Geburtenjahrgänge erfolgen. Nur so kann eine ausgewogene Balance zwischen Beitragsjahren
und Rentenjahren bzw. eine generationengerechte Lastenverteilung
in der gesetzlichen Rentenversi-
cherung sichergestellt werden.
Mit der generellen Einführung
der nachgelagerten Besteuerung für
alle Alterseinkommen können
zusätzliche Spielräume für eine
ergänzende eigenverantwortliche
Alterssicherung bzw. für den Aufund Ausbau der kapitalgedeckten
privaten Altersvorsorge geschaffen
werden. Die Hinterbliebenenrente
sollte auf ihre Kernaufgabe
beschränkt werden, eine sozial
angemessene Absicherung für die
Angehörigen zu schaffen, die ohne
ausreichendes Arbeits- bzw. Lohnersatzeinkommen sind. Hierfür ist
notwendig, eigene Einkommen
stärker auf die Höhe der Hinterbliebenenrente anzurechnen.
Betriebliche Altersvorsorge
stimulieren
Die Rentenreform 2001 brachte eine
wichtige Weichenstellung in Richtung auf eine bessere Balance zwischen umlagefinanzierter und kapitalgedeckter Altersvorsorge. Damit
ist der Boden bereitet, die 2. Säule
aus ihrer jahrelangen Stagnation
herauszuführen. Nur eine neue
Dynamik auf diesem Feld kann uns
dem Ziel einer möglichst flächendeckenden Verbreitung der betrieblichen Altersvorsorge näher bringen.
Neu eingeführt wurde der Pensionsfonds als fünfter Durchführungsweg, als weitere Zusageform gibt es die Beitragszusage mit
Mindestleistung. Die Attraktivität
des Pensionsfonds konnte nach
Abschluss des Gesetzgebungsverfahrens noch dadurch gesteigert
werden, dass der Pensionsfonds
auch die Kosten der Insolvenzsicherung aus seinen Mitteln tragen
kann, wenn dies mit dem Arbeit-
nehmer arbeitsrechtlich so vereinbart wird.
Wünschenswert wäre die Einführung einer reinen Beitragszusage, damit die Haftung des Arbeitgebers begrenzt und die Kostenkalkulation auf eine sichere Basis
gestellt werden kann. Der Verzicht
auf die Absicherung einer Mindestleistung erhöht darüber hinaus
die Renditechancen zugunsten der
Arbeitnehmer. Eine Verringerung
des Bürokratieaufwandes würde
durch eine Vereinfachung oder
zumindest Harmonisierung der
steuerrechtlichen Vorschriften in
den einzelnen Durchführungswegen ermöglicht. Da neben den steuerrechtlichen Besonderheiten auch
noch spezielle sozialversicherungsrechtliche Bestimmungen hinzu kommen, führt dies in der praktischen Anwendung zu Problemen
und zu erheblichem Mehraufwand
bei der Entgeltabrechnung. Deshalb
fordern die Arbeitgeber, die Beiträge zur Altersvorsorge in der Ansparphase komplett steuer- und sozialversicherungsfrei zu stellen und
eine generelle nachgelagerte
Besteuerung einzuführen.
Unfallversicherung neu strukturieren
Positiv ist in der gesetzlichen
Unfallversicherung zu vermerken,
dass die Beiträge in den vergangenen Jahren nahezu stabil geblieben,
sogar leicht zurück gegangen sind.
Jedoch bestehen zwischen den einzelnen Berufsgenossenschaften
erhebliche Unterschiede in der Beitragsbelastung, die von 0,6 Prozent
bis zu dem Extremwert im Bergbau
von 6,6 Prozent reichen.
Um dauerhaft tragfähige Strukturen zu schaffen, müssen die Leistungen aus der gesetzlichen Unfallversicherung auf unmittelbar
betriebsspezifische Risiken begrenzt
werden. Dies erscheint auch vor
dem Hintergrund richtig, dass die
gesetzliche Unfallversicherung
ursprünglich das Ziel hatte, die zivilrechtliche Haftung der Arbeitgeber
gegenüber ihren Arbeitnehmern zu
ersetzen. Deshalb soll klar getrennt
werden zwischen dem allgemeinen
Lebensrisiko und dem betriebsspezifischen Risiko. Nur für das Risiko,
auf das der Arbeitgeber Einfluss nehmen kann, sollten Leistungen aus
der Unfallversicherung gewährt
werden. Aus diesem Grund muss der
Wegeunfall aus dem Leistungskatalog der Unfallversicherung herausgenommen und über die Krankenversicherung abgesichert werden. Noch strikter als bisher soll das
Kausalitätsprinzip bei der Anerkennung von Berufskrankheiten zur
Anwendung kommen.
Um eine Überversorgung zu vermeiden, darf es nicht zur Kumulation von Leistungen kommen. Vor
allem muss im Alter die Rente der
gesetzlichen Rentenversicherung
Vorrang haben vor der Unfallrente.
Derzeit ist es genau umgekehrt.
Auch das Zusammentreffen von
Leistungen und Arbeitsentgelt
bedarf der Überprüfung.
Schließlich stehen die gewerblichen Berufsgenossenschaften vor
strukturellen und organisatorischen Veränderungen, die wesentlich durch den Wandel von der Produktions- zur Dienstleistungsgesellschaft bedingt sind. Das verlangt
nach einer Überprüfung des Finanzierungssystems in Richtung auf
Kapitaldeckungselemente und des
Lastenausgleichs zwischen den
Berufsgenossenschaften.
Kali und Steinsalz
47
Personalien
Firmennachrichten
K+S Gruppe
In den ersten neun Monaten dieses
Jahres konnte die K+S Gruppe
einen Umsatzanstieg von 4 % auf
1,74 Mrd.  verzeichnen. Gegenüber
dem Vorjahreszeitraum ist auch das
Ergebnis der Betriebstätigkeit (EBIT)
erneut gesteigert worden (112,6 Mio.
 / + 4 %). Das Ergebnis nach Steuern lag mit 89,5 Mio.  um 10,6 Mio.
 unter dem Vorjahreswert.
Mit einer Unterzeichnung einer
bilateralen Vereinbarung zwischen
dem Freistaat Thüringen und K+S
am 13. November 2002 im Hinblick
auf das geplante Sylvinitprojekt ist
ein weiterer Meilenstein auf dem
Weg zur langfristig besseren Nutzung der thüringisch-hessischen
Lagerstätte des Werkes Werra
erreicht worden.
Am 1. Oktober 2002 fiel der Startschuss für die Arbeitssicherheitsaktion „Sicher gehen“, eine gemeinsame Initiative der K+S Gruppe und
der Bergbau-Berufsgenossenschaft
(BBG). Mit dieser Aktion sollen die
Mitarbeiter der K+S bewusst für die
Problematik Umknickunfälle sensibilisiert werden. Vor dem Hintergrund, dass gut 25 Prozent aller
Betriebsunfälle im Jahr 2001
Umknickunfälle gewesen sind, sollen mit der bis März 2003 laufenden
Aktion Unfälle im Allgemeinen und
Umknickunfälle im Besonderen
weiter reduziert werden.
Im September dieses Jahres jährte
sich zum zehnten Mal die Produktionsaufnahme des Markenartikels
„Catsan“ auf dem Werk Salzdetfurth
der K+S Aktiengesellschaft. Aus
Anlass des Produktionsjubiläums
gab es eine Feierstunde in Bad Salzdetfurth.
Im Oktober 2002 wurde im K+SForschungsinstitut in Heringen
(Werra) eine Pilotanlage zur
Produktion von Magnesiumhydroxid – Mg (OH)2 – in den Probebetrieb
genommen. Magnesiumhydroxid
in hochreiner Qualität wird in der
Pharma-, Kunststoff- und Mineralölindustrie eingesetzt.
Ende September 2002 wurde in
der Unternehmensleitung in Kassel
aus Anlass des Abschlusses des
Forschungsprojektes Schachtverschluss Salzdetfurth ein Workshop
mit Vertretern aus Behörden, Forschungseinrichtungen und auf diese Thematik spezialisierten Firmen
veranstaltet.
Südwestdeutsche
Salzwerke AG
Die Südwestdeutsche Salzwerke AG
erzielte im ersten Halbjahr 2002
einen Umsatz von 101,4 Mio. . Die
Erhöhung des Umsatzes gegenüber
dem vergleichbaren Vorjahreszeitraum ist einerseits auf die Einbeziehung der Südsalz GmbH mit
ihrer Tochtergesellschaft Sal Costa
S.A. zurückzuführen, deren Umsatz
und Ergebniszahlen sich im ersten
Halbjahr erstmals voll ausgewirkt
haben. Andererseits hat sich die
leicht überdurchschnittliche Entwicklung im Geschäftsfeld Auftausalz positiv ausgewirkt. Das operative
Ergebnis (EBIT) lag bei 10,6 Mio. .
Kali-Chemie AG
K+S KALI GmbH
Dr. jur. Hans-Jürgen Oehler,
Hannover, ehemals Leiter des Zentralbereichs Personal- und Sozialwesen, vollendet am 10. Januar 2003
das 80. Lebensjahr.
Unternehmensleitung
Hans-Dieter Wolter, Leiter Vertrieb
Industrieprodukte, vollendete am
27. Dezember 2002 das 60. Lebensjahr.
Unternehmensleitung
Joachim Vogt wurde vom Aufsichtsrat am 12. November 2002 in
den Vorstand berufen. Er wird zum
1. Januar 2003 in die Gesellschaft
eintreten und zuständig sein für das
Verbraucherprodukte-Geschäft.
Dr.-Ing. Gunnar Johnsson, Ahnatal, hat am 11. Dezember 2002 das
80. Lebensjahr vollendet.
Klaus-Dieter Kunkel, Kassel, ehemals Leiter Externe Rechnungslegung, Berichterstattung und Grundstücksverwaltung, vollendete am 21.
Dezember 2002 das 65. Lebensjahr.
Horst Schuhmacher, Kassel, ehemals Leiter Absatzkoordination
und Verkehr, vollendete am 24.
Dezember 2002 das 65. Lebensjahr.
Dr.-Ing. E. h. Willi Heim, Kassel,
ehemals Mitglied der Vorstände der
Kali und Salz AG, des Kalivereins e.
V. und der Wirtschaftsvereinigung
Bergbau e. V., vollendet am 21. Februar 2003 das 75. Lebensjahr.
Dr.-Ing. Hans Schneider, Kassel,
ehemals Mitglied der Vorstände der
Kali und Salz Beteiligungs AG und
des Kalivereins e. V. sowie der
Geschäftsführung der Kali und Salz
GmbH, vollendet am 7. April 2003
das 70. Lebensjahr.
Werk Neuhof-Ellers
Hieronymus Burckhardt, Bad Salzdetfurth, ehemals Werkleiter Bergbau, hat am 16. Dezember 2002 das
65. Lebensjahr vollendet.
Solvay Deutschland GmbH
Dr. Klaus Quack, Solingen, ehemals
Mitglied der Geschäftsführung und
des Vorstandes des Kalivereins e. V.,
vollendet am 16. April 2003 das 70.
Lebensjahr.
TU Clausthal/
Institut für Bergbau
Im Rahmen der „Feierlichen Immatrikulation der Erstsemester“ an der
Technischen Universität Clausthal
am 1. November 2002 wurde auch
der diesjährige Rudolf-Vogel-Preis
verliehen. Der Vorsitzende des
Kuratoriums, Prof. Dr.-Ing. Klaus
Kühn, konnte den Preisträger
beglückwünschen. Den RudolfVogel-Preis 2002 erhielt Herr Dr.-Ing.
Martin Schmid für seine „Mit Auszeichnung bestandene“ Dissertation, die er am Institut für Bergbau
bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Walter
Knissel anfertigte. Der Titel der
Arbeit lautet: „Grundlagenuntersuchungen zur Technik und Wirtschaftlichkeit von Bohrlochbau im
Übergangsbereich von Tagebau
zum Tiefbau“.
Kali und Steinsalz
49
Buchbesprechung
Selbstverpflichtung der Wirtschaft.
Von Walter Frenz. 2001. XXXI, 491
Seiten (Jus Publicum 75) Tübingen,
Mohr Siebeck, ISBN 3-16-147643-3,
Leinen 99,– 
Viele Jahrzehnte war das Verhältnis
zwischen Staat und Wirtschaft von
einem einfachen System geprägt:
Der Staat gab einseitig und ordnungsrechtlich durch förmliche
Rechtsakte den Rahmen vor, in dem
sich die Wirtschaft zu bewegen
hatte.
Mehrere Entwicklungen wie die
besonderen Anforderungen einer
industriellen Massengesellschaft in
dicht besiedeltem Raum, komplexer
gewordene technische Produktionsabläufe und nicht zuletzt auch
verstärkt zu beachtende Aspekte des
Umwelt- und Verbraucherschutzes
haben zu der Erkenntnis geführt,
dass das bisherige System nicht
mehr oder jedenfalls nicht mehr
ausschließlich der Garant für sachgerechte Lösungen sein könne.
Anstelle des jeweils einseitigen
Agierens bzw. Reagierens ist vielmehr ein kontinuierlicher und
intensiver Dialog erforderlich, der
– in welcher Form auch immer – zu
Zielvereinbarungen zwischen Staat
und Wirtschaft führt.
Eine Ausdrucksform dieses
gewandelten Rollenverständnisses
sind die Selbstverpflichtungen der
Wirtschaft, die bei allen Variationen
in der konkreten Ausgestaltung stets
davon gekennzeichnet sind, dass sie
auf eine Verständigung des Staates
mit der Wirtschaft beruhen und
einen staatlichen Rechtsakt (Gesetz,
Verordnung, Verwaltungsakt) erset-
zen. Prominentes Beispiel für die
Kaliindustrie ist das Klimaschutzabkommen.
Es ist offenkundig, dass dieses
neue Handlungsinstrument eine
Fülle unterschiedlichster Rechtsfragen aufwirft, die beantwortet
werden müssen.
Frenz hat – soweit ersichtlich –
den erstmaligen Versuch unternommen, in einem weiten Bogen
vom Verfassungsrecht über das Verwaltungsrecht, das Kartellrecht, das
europäische Recht bis hin zum Steuerrecht alle involvierten rechtlichen
Aspekte sorgfältig zu analysieren
und auch zu bewerten. Damit ist
ihm ein wichtiger Beitrag zu der
noch keineswegs beendeten rechtlichen Diskussion gelungen.
Natürlich kann eine so umfassende Aufgabenstellung nicht wie
eine Kurzgeschichte auf wenigen
Seiten abgehandelt werden; 491
Seiten sind es geworden, ohne dass
einem die Vokabel langatmig in den
Sinn käme. Für den eiligen, vom
Tagesgeschäft geplagten Leser ist das
schon eine Herausforderung.
Es ist deshalb verdienstvoll, dass
Frenz am Ende seines Werkes die
wesentlichen Feststellungen und
Ergebnisse in Thesen zusammenfasst.
Inhaltlich erarbeitet Frenz stets mit
sorgfältiger Begründung nachvollziehbare und zumeist auch überzeugende
Antworten.
Es bedarf keiner prophetischen
Gabe, um vorherzusagen, dass das
eine oder andere nicht unbestritten
bleiben wird. So ist es schon weiterer Überlegung wert, ob die Selbst-
verpflichtungen der Wirtschaft in
allen Fällen dem verfassungsrechtlichen Vorbehalt des Gesetzes und
dem geltenden Staatsorganisationsrecht genügen; eine allzu weit
gehende Ausklammerung der Legislative bei der Regelung wesentlicher
Sachverhalte könnte schon bedenklich sein. So ist weiterhin vorstellbar, dass der klassische Kartellrechtler den bemerkenswerten
Ansatz von Frenz in Zweifel ziehen
könnte, das schon fast ewige Spannungsverhältnis zwischen Wettbewerbsrecht und Umweltrecht über
eine weitherzige Auslegung der kartellrechtlichen Freistellungsklauseln im europäischen wie im deutschen Recht aufzulösen.
Schließlich ist denkbar, dass der
Bundesfinanzhof und erst recht die
Finanzverwaltung nicht der These
folgen werden, Selbstverpflichtungen der Wirtschaft seien in nahezu
allen Fallkonstellationen eine ausreichende Rechtsgrundlage für die
Bildung von Rückstellungen.
Wie auch immer die Diskussion
zu diesen oder anderen Einzelpunkten sich entwickeln wird,
eines steht fest: Frenz hat mit seinem Werk wesentlich dazu beigetragen, die Rechtsgrundlagen der in
der Praxis immer wichtiger werdenden Selbstverpflichtungen der
Wirtschaft zu klären; an seinen
Argumenten und Thesen wird man
künftig nicht vorbeikommen.
Dieses Buch sollte in der Handbücherei des an welcher Stelle auch
immer tätigen Wirtschaftsjuristen
nicht fehlen.
Dr. Arne Brockhoff
I Herausgeber Kaliverein e.V.

Layout Kaliverein

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