Aufbereitung Erster Verarbeitungsschritt nach bergbaulicher Gewinnung von Rohstoffen zur Herstellung von Rohstofffertigung oder -konzentraten Erster Verarbeitungsschritt von Abfällen zur Herstellung von Sekundärstoffen Gründe für eine Rohstoffaufbereitung Bedarf an Produkten mit definierten Eigenschaften Massenstromreduzierung durch Herstellung von Werkstoffkonzentraten Verarmung von Lagerstätten an Wertstoffen Verdünnung der Rohhaufwerke durch Mechanisierung Aufbereitungsverfahren billiger für große Massendurchsätze als nachfolgende Prozessstufen Rückgewinnung von Wertstoffen aus sekundären Rohstoffen Abtrennung von Schadstoffen aus Abfällen Zielsetzung von Aufbereitungsprozessen Veränderung der Korngrößenverteilung des Rohstoffes o Zerkleinerung o Agglomeration Veränderung des Mischungszustandes des Rohstoffes o Vergleichmäßigung, Mischung o Trennung nach Korngrößen (Klassieren) o Trennung nach stofflichen Eigenschaften (Sortieren) Einflüsse auf die Auswahl der Aufbereitungsverfahren Rohstoffcharakteristik o Vorrat, Mineralbestand, Korngrößenverteilung, Verwachsungsgrad Wertschöpfung durch Aufbereitung o Wertstoffinhalt, Produkterlös Qualitätsanforderung an die Aufbereitungsprodukte o Korngrößenverteilung, Wertstoffgehalte, Schadstoffgrenzwerte Standortfaktoren o Infrastruktur, Transport der Produkte, Umweltschutzauflage Grundoperation der physikalischen und chemischen Rohstoffaufbereitung Homogenisieren o Mischen, Vergleichmäßigen Zerkleinern o Mechanisches Zerkleinern o Mechano-chemisches Zerkleinern o Nichtmechanisches Zerkleinern Klassieren o Siebklassieren, Stromklassieren Trennen o Physikalisch: Klauben, Dichtesortieren, Magnetscheiden, Elektrosortieren, Flotieren# o Chemisch: Lösen, Laugen, Fällen, Extrahieren, Absorbieren o Biologisch: Laugen (bakteriell) Entwässern o Sedimentieren, Filtrieren, Trocknen Entstauben o Mechanisches, nasses und elektrisches Entstauben Agglomerieren o Pelletieren, Brikettieren, Sintern Thermische Behandlung o Pyrolysieren, Rösten, Calcinieren Zusammenfassung der wichtigsten Rohstoffe zu Gruppen Eisen- und Stahlveredler o Eisen, Chrom, Kobalt, Mangan, Molybdän, Nickel, Tantal-Niob, Titan, Vanadium, Wolfram Nichteisenmetalle o Aluminium, Antimon, Arsen, Bauxit, Blei, Gallium, Germanium, Indium, Kadmium, Kupfer, Lithium, Quecksilber, seltene Erden, Tellur, Wismut, Zink, Zinn Edelmetalle o Gold, Platinmetalle, Silber Industriemetalle, Steine und Erden o Asbest, Baryt, Bentonit, Borminerale, Diamant, Diatomit, Feldspat, Flussspat o Gips und Anhydrit, Grafit, Guano, Kalisalz, Kaolin, Magnesit, Perlit, Phosphat o Quarz, Salz, Schwefel, Talk, Vermiculit, Zirkon Energierohstoffe o Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Ölschiefer, Steinkohle, Uran Beurteilung der Aufbereitbarkeit Repräsentative Beprobung des Rohstoffes Analyse o Elementgehalte o Mineralbestand o Verwachsungsgrad Sieb-Gehaltsanalyse (Wert- und Schadstoff) Dichteanalyse Massen- und Wertstoff-(Schadstoff)-Bilanzierung Messgrößen zur Charakterisierung von Rohstoffen und Produkten Korngrößenverteilung Kornform Materialdichte Spezifische Oberfläche Härte und Abriebfestigkeit Chemische Elementgehalte Zerkleinerung Ziele der Zerkleinerung Herstellung spezifischer Korngrößen- und Kornformverteilung Aufschluss von Verwachsungen oder Verbundstrukturen vor einer physikalischen Sortierung Vergrößerung der spezifischen Oberfläche und Erzeugung von Kristallgitterstörungen zur Erhöhung der Reaktivität Beanspruchungsarten in Zerkleinerungsmaschinen Beanspruchungsgeschwindigkeit: niedrig bis hoch (< 10 m/s) o Druck: ● o Druck/Scherung: ↑●↓ o Schlag: ● ↙ Beanspruchungsgeschwindigkeit: sehr hoch (> 10 m/s) o Prall: □→● o Prall: ●→□ Zerkleinerungsmaschinen Maschinen für die Grob- und Mittelzerkleinerung (Brecher) Beanspruchungsart: Druck/Scherung, Schlag o Backenbrecher o Kegelbrecher o Walzenbrecher Beanspruchungsart: Prall o Prallbrecher o Hammerbrecher o Shredder Maschinen für die Fein- und Feinstzerkleinerung (Mühlen) Mühlen mit Zerkleinerungswerkzeugen o Direkt angetriebene Zerkleinerungswerkzeuge Hammer- und Prallmühlen Walzenmühlen Wälzmühlen/ Gutbettwalzenmühlen o Indirekt bewegte Mahlkörper Sturzmühlen Schwingmühlen Planetenmühlen Rührwerksmühlen Mühlen ohne Zerkleinerungswerkzeuge o Autogenmühlen o Strahlmühlen Klassierung Ziele der Klassierung Herstellung von Endprodukten mit vorgegebener Korngrößenverteilung Herstellung von Zwischenprodukten mit vorgegebener Korngrößenverteilung für nach geschaltete Weiterverarbeitungsstufen Abtrennung sperriger Bestandteile und sehr großer Einzelkörner, insbesondere vor Brechern Entlastung der Brecherstufen durch Vorabtrennung von Feinkorn Abtrennung des Feinkornproduktes nach Brechern und Mühlen sowie Rückführung des Überkorns (Zerkleinerungskreislauf) Abtrennung von Feststoffen aus Suspensionen (Entwässerung) Wirkprinzipien der Klassierung Siebung Stromklassierung o Querstrom-Klassierung (trocken) o Laminare Querstrom-Klassierung (nass) o Turbulente Querstrom-Klassierung (nass) o Aufstrom-Klassierung (nass/trocken) Formen von Sieböffnungen Rund Quadratisch Langförmig Spaltförmig Wichtige Siebbodenarten Gewebesiebböden Harfensiebböden für siebschwierige Güter Gelochte Siebböden (Kunststoff) Sortierung Wichtige Sortierverfahren Einzelkornsortierung o Klaubung (Trennung nach unterschiedlichen Kenngrößen wie Farbe, Leitfähigkeit, Reflektionsvermögen…) Massenstromsortierung o Sortierung durch Klassierung (sortierende Klassierung) o Sortierung nach der Dichte o Sortierung nach magnetischen Eigenschaften o Sortierung nach elektrischen Eigenschaften o Sortierung nach der Benetzbarkeit mit Wasser (Flotation) Definition Sortierende Klassierung Konzentrierung oder Abtrennung von Wert- bzw. Schadstoffen, die in bestimmten Korngrößenfraktionen angereichert vorliegen, mittels Klassierung Trennung eines Korngemisches nach selektiver Zerkleinerung Abtrennung von Feinstanteilen nach Dispergierung/ Attrition (Läuterung, Entschlämmung) Dichtesortierung Sortierung nach der Dichte Stromsortierung o Gleiche Wirkprinzipien wie bei der Stromklassierung o Gleiche/ ähnliche Apparate wie bei der Stromklassierung Schwimm-Sink-Trennung o Trenndichte des Mediums (z.B. Schwertrübe) zwischen den Materialdichten der zu trennenden Stoffe Setzarbeit o Dichteschichtenbildung in einer periodisch aufgelockerten Wirbelschicht Rinnen- und Herdarbeit o Dichteschichtenbildung in einer Suspensionsfilmströmung Stromsortierung Schwertrübe-Aufstromsortierer für Holz- und Kohleausscheidung Schwimm-Sink-Trennung Wirkprinzip: Archimedischer Auftrieb Trennung nach der Dichte mit den geringsten Kornformeinflüssen Trennmedium: Wasser, Salzlösungen, Schwertrüben Vorteile: o Trennscharf, kostengünstig, einfach o Anwendbar insbesondere für Korngrößen > 1 mm (im Zentrifugalkraftfeld > 0,5 mm) Setzarbeit Schwingsetzmaschine zur Abtrennung von Holz, Muscheln, etc. Batac-Setzmaschinen für Grob- und Feinerz Rinnen- und Herdarbeit Sortierung von Feinstbergematerial mit einer Wendelrinne Wendelrinnenbatterie zur Leichtstoffabtrennung aus Sand Goldgewinnung durch Dichtesortierung Sortierung von Feinstbergematerial mit einem Schwingherd Magnetscheidung Ablenken Ausheben Rückhalten Elektrosortierung Walzenscheider (Kontaktaufladung/ Koronafeld) o Einsatzbereich: Schwermineralsande, Borminerale, Rutil, Zirkon, Quarz, Eisenerz, Glassande, Kassiterit, Scheelit, Tantalit, Columbit, Feldspat, Flugaschen, Kohle, seltene Erden Rutschenscheider (Kontaktaufladung) o Einsatzbereich: Mineralsande, Rutil, Zirkon Flotation Prinzip der Flotation Prinzip o Anlagerung von Feststoffteilchen mit hydrophoben Oberflächen an im Wasser aufsteigende Luftblasen und Austrag zur Flüssigkeitsoberfläche o Verbleib der hydrophilen Feststoffteilchen im Wasser o Steuerung des Prozesses durch Reagenzien Hydrophob o Mit Wasser nicht benetzbar Hydrophil o Mit Wasser benetzbar Flotationsapparate Einteilung nach Art der Begasung o Rührwerksflotationsmaschinen o Pneumatische Flotationsapparate o Druckentspannungsflotationsanlagen (Abwassertechnik) o Elektroflotationsanlagen (Abwassertechnik) Grundoperationen der Hydrometallurgie Laugung Fest/Flüssig Trennung Reinigung/Anreicherung Gewinnung aus der Lösung Einsatzgebiete o Golderze o Uranerze o NE-Metallerze o Aluminiumgewinnung o Etc. Entwässerung Methoden und Apparate zur Fest/Flüssig-Trennung Sedimentation o Schwerkraftfeld: Entwässerungsschnecken, Sandfänge, Eindicker, Schrägklärer (Lamellenklärer) o Zentrifugalkraftfeld: Hydrozyklone, Vollmantelzentrifugen Filtration o Schwerkraftfeld: Bunker, Siebe, Schöpfräder o Zentrifugalfeld: Siebzentrifugen o Druckdifferenz Vakuum: Trommel-, Scheiben-, Plan- und Bandfilter Druck: Filterpressen, Bandfilterpressen Trocknung o Diverse Energieübertragungsmethoden und Trocknerbauformen Apparate zur thermischen Trocknung Kanaltrockner Etagentrockner Sprühtrockner Vakuumtrockner Bandtrockner Trommeltrockner Stromtrockner Fließbetttrockner Erdöl-/Erdgastechnik Reserven und Ressourcen Ressourcen o Nachgewiesene, aber derzeit technisch und/ oder wirtschaftlich nicht gewinnbare sowie nicht nachgewiesene, aber geologisch mögliche, künftig gewinnbare Mengen an (Energie)-Rohstoffen Reserven o Zu heutigen Preisen und mit heutiger Technik wirtschaftlich gewinnbare Mengen einer (Energie)Rohstoffe-Lagerstätte Erdöl-Erdgas Entstehung Im Wasser stirbt Plankton (pflanzliche und tierische Kleinstlebewesen) und sinken auf den Grund von Meeren und Seen. Ab einer Tiefe von 200 m gelangt kaum noch Sauerstoff an das tote Material und verwest nicht. Mit der Zeit mischen sich Sedimente wie Sand und Ton und die Planktonschicht und es bildet sich das Erdöl-Muttergestein. Unter dem Gewicht weiterer Sedimentablagerungen sinkt das Muttergestein in eine Tiefe von 1500 – 3000 m. Dabei verformen sich die Erdschichten. Im ErdölMuttergestein nehmen Druck und Hitze zu. Bei 80 – 150° brechen die großem Moleküle des Muttergesteins auseinander und es entstehen kleinere Verbindungen. Ein zähflüssiges Öl aus Kohlenwasserstoff. Das nun leichtere Öl wandert in den porösen Gesteinsschichten nach oben, solange bis es in eine Falle gefangen ist. Die besteht aus einer undurchlässigen Schicht z.B. Ton oder Salz. In einer Art Kuppel sammeln sich im Speichergestein immer mehr Erdöl-Tröpfchen. Nach Millionen von Jahren ist eine Erdöl-Lagerstätte entstanden, die angezapft werden kann. Lagerstätteninhalt- und Druck Lagerstätten sind meist nicht nur mit Kohlenwasserstoffen, sondern auch mit Wasser gefüllt Aufgrund der unterschiedlichen Dichten ist Gas am höchsten Punkt der Lagerstätte zu finden, gefolgt von Erdöl und dann Wasser Der Poreninhalt steht unter Druck Der Lagerstättendruck ist typischerweise etwa gleich dem hydrostatischen Druck einer der Lagerstättentiefe entsprechenden Säule von Salzwasser mit einem Druckgradienten von etwa 1,0 – 1,3 bar/10m Lagerstättentemperatur Die Lagerstättentemperatur nimmt mit der Tiefe zu Die Temperaturzunahme wird durch die „geothermische Tiefenstufe“ beschrieben. Sie beträgt in Mitteleuropa etwa 3° Celsius pro 100 m oder 1° C pro 33m In Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit der Gesteine und Einfluss nehmenden geologischen Gegebenheiten kann sie beträchtlich abweichen Bohrplanung Die Kosten für Bohrungen sind wesentlicher Bestandteil der Entwicklungskosten einer Lagerstätte. Bei Offshore-Vorkommen betragen sie in der Regel zwischen 15 und 40 % bei Vorkommen auf dem Festland können die Bohrkosten bis zu 80 % der GesamtEntwicklungsaufwendungen betragen Auf dem deutschen Festland kostet eine typische Bohrung von 5000 m Tiefe derzeit 12 bis 15 Millionen Euro Ziel der Planung ist es, o Die Ausbeute zu maximieren, o Datensammlung und Interpretation zu beherrschen o Die Risiken beim Niederbringen der Bohrungen zu beherrschen o Die Kosten so gering wie möglich zu halten, o Ohne Abstriche bei der Einhaltung von Sicherheits- und Umweltstandards Bohrtechnik Bei der Ausführung einer Bohrung sind grundsätzlich drei Probleme zu lösen: Die Zerstörung der Bohrlochsohle zur Vertiefung der Bohrung Die Entfernung von der Sohle und der Austrag des während des Bohrvorganges anfallenden Gesteins (Bohrklein) Die Sicherung des hergestellten Hohlraums gegen Einsturz Rotary Bohrverfahren Der Bohrstrang wird durch einen Drehtisch auf der Arbeitsplattform des Bohrturms in Drehbewegung versetzt Der Bohrstrang besteht aus 9m langen Rohren. Er hängt im Bohrturm an einem Flaschenzug Bohrstrang und Flaschenzug werden durch das Hebelwerk bewegt Mit Hilfe des Flaschenzuges kann der Bohrmeister den durch das Gewicht des Bohrstranges bewirkten Andruck des Meißels auf die Bohrlochsohle und damit den Bohrfortschritt regeln Bohrtechnik Nachweis und Gewinnung von Kohlenwasserstoffen und Geothermischer Energie, Speicherung von Erdgas und CO2 im Geogrund erfordern das Abteufen von Bohrungen. Bohrungen werden hergestellt Zur Untersuchung des Geogrundes Zur Herstellung einer Verbindung zwischen Oberfläche und Lagerstätte Bohrungen durchfahren eine Lagerstätte Vertikal, geneigt oder horizontal Einmal oder mehrfach Richtbohrverfahren und „Measurement While Drilling“ erlauben Punktgenaue Steuerung Ablenkungen aus der Vertikalen in jede beliebige Richtung Ablenkweiten > 10.000 m Horizontalbohrstrecken > 1.000 m Multilateralbohrungen erlauben ein Verzweigen des Bohrloches, um mehr als nur einen Drainagepunkt zu schaffen Spülungskreislauf Zum Bohren wird eine Spülflüssigkeit benutzt Um das zerkleinerte Gestein auszutragen Um die Bohrlochwand zu stützen Um den Meißel zu kühlen Um unerwünschte Zuflüsse zu verhindern Um Grundwasser zu schützen Die Spülung wird durch das Gestänge gepumpt. Am Meißel tritt sie in den Ringraum ein und steigt mit dem Bohrklein wieder nach oben Untersuchungen am gewonnen Bohrklein erlauben Rückschlüsse auf die durchbohrten Schichten Die Spülung wird gereinigt und wieder verpumpt Bohrmeißel Die Zerstörung der Bohrlochsohle erfolgt durch einen Meißel Bei Rotary Bohrverfahren wird ein am unteres Ende eines Hohlgestänges eingeschraubter Meißel in rotierende Bewegung versetzt Die am meisten gebrauchten Meißel sind der Rollen- und der PDC-Meißel Rollenmeißel werden hauptsächlich Weichformationen benutzt Für harte Schichten finden Werkzeuge mit festen Schneiden oder Schneidkörpern Anwendung Bohrlochverrohrung Um die Bohrlochwand zu stützen wird das Bohrloch in gewissen Abständen gegen Einsturz abgesichert, in dem Stahlrohre (Futterrohre oder Casing) in das Bohrloch eingebracht und einzementiert werden Bohrungskomplementierung Zum Schutz der zementierten Rohre vor Korrosion erfolgt die Förderung durch einen Steigrohrstrang (Tubing) Der Ringraum zwischen Casing und Tubing kann mit einer Vorrichtung, Packer genannt, verschlossen werden. Der verschlossene Ringraum wird mit einer Korrosionsschutzflüssigkeit aufgefüllt Übertage wird das Bohrloch mit einem Produktionskreuz mit den Vorrichtungen zum Öffnen und Schließen des Bohrloches verschlossen Erdöl-/Erdgastechnik Upstream: Exploration und Förderung und unmittelbar angrenzende Schritte Midstream: Transport über große Entfernungen und saisonale Speicherung Downstream: Verteilung über kurze Entfernungen und Versorgung von Endkunden Kohlenwasserstoffe gewinnen heißt Fördern Aufbereiten Vertraglich vereinbarte Quantitäten und Qualitäten zu liefern Wie funktioniert eine Bohrung? Hubsystem mit dem das Bohrgestänge bewegt wird (bis zu 450 Tonnen) Gestänge aus Stahlrohren dreht sich mit 50 – 120 Umdrehungen pro Minute Erzeugt durch das Eigengewicht einen enormen Druck Bohrmeißel bohrt sich Stück für Stück in die Erde Bohrgestänge ist für Spülflüssigkeit hohl, die mit 3000 l pro Minute durchgepumpt wird Bohrgestände ist flexibel für Richtbohrungen bis 90° auf 300 m Spülflüssigkeit sorgt unter anderem für einen Druckausgleich im Bohrloch; so hoch wie der hydrostatische Druck der Umgebung und stabilisiert die Bohrung Rekord Tiefbohrung: 12.262 m Phase der Erdölproduktion Gewinnungsphasen Förderphasen und-hilfsmittel Primär = Energienutzung ● Eruptiv Sekundär = Gas-/Wasserinjektion ● ● ● Gaslift Gestängetiefpumpen Tauchkreiselpumpen, etc. Tertiär = Mobilisierung durch Fluthilfsmittel und Temperatur ● Chemielift (Wasseraustrag) Primärförderung Eruptiv Der Poreninhalt der Lagerstätte steht unter dem Lagerstättendruck. In der Phase der Primärförderung wird dieses Druckpotential zur Förderung von Öl und Gas genutzt Wird der Druck im Bohrloch unter den Lagerstättendruck abgesenkt, beginnt der Poreninhalt in Richtung Bohrloch zu fließen Die Geschwindigkeit der Fließbewegung hängt ab von Differenzdruck, der Durchlässigkeit des Speichergesteins und den Eigenschaften der Fluide Verbesserungen der Zuflussbedingungen sind erreichbar durch Stimulationsmaßnahmen Förderung von Erdöl- und Erdgas Das Erdöl tritt, wenn der Lagerstättendruck ausreichend groß ist, um den hydrostatischen Druck der Ölsäule von der Lagerstätte bis nach Übertage zu überwinden, eruptiv aus der Bohrung aus. In der Regel muss es aber mittels Tiefpumpen an die Oberfläche gefördert werden. Tiefpumpen sind Kolbenpumpen, die an einem Pumpengestänge von Übertage aus betätigt werden. Sekundärförderung: Einsatz von Fördermitteln Mit zunehmender Entnahme nimmt der Lagerstättendruck ab. Damit sinken maximal anlegbarer Differenzdruck und somit maximal mögliche Förderrate der Bohrung Durch den Einsatz von Förderhilfsmitteln lassen sich der Druck im Bohrloch absenken und druckbedingte Kapazitäts-Rückgänge vermeiden Stimulation: Hydraulische Trägerbehandlung (Frac Verfahren) Durch Frac-Maßnahmen werden künstliche Risssysteme hoher Durchlässigkeit erzeugt, die weit in die Speicherformation hineinreichen und die Kontaktfläche zur Formation erheblich vergrößern. Multifrac Horizontalbohrtechnik erlaubt die Erschließung von Ressourcen, die bisher nicht gewinnbar waren Feldesaufbereitung Zur Stabilisierung des Rohöls, um es sicher speichern und transportieren zu können Zur Maximierung der leichten Bestandteile (C 3 bis C6) in der flüssigen Phase Zur Trocknung von Erdgas Zur Herstellung von Verkaufsqualität Zur Abtrennung bzw. Gewinnung von Nicht-Kohlenwasserstoff-Komponenten Zur Herstellung von Injektions-/Disposal-Qualität Phasentrennung Abscheider (Separator) In der Übertageanlage werden die produzierten Phasen – Erdöl, Erdgas, Wasser und Feststoffe – voneinander getrennt. Dieser Prozess erfolgt im Abscheider Erdgas als Energieträger Erdgas ist ein sauberer, umweltschonender, effizienter und zuverlässiger Energieträger Im Vergleich zu Kohle und Erdöl weist Erdgas das günstigste Verhältnis Kohlenstoff : Wasserstoff auf. Bei Verbrennung von Erdgas ist daher die Freisetzung von Kohlendioxid CO2 geringer. Auch bei der Emission sonstiger Schadstoffe (vor allem bei Schwefeldioxid SO2 und Staub, aber auch bei Stickoxiden NOX) schneidet Erdgas gegenüber anderen fossilen Energieträgern günstiger ab. Durch Biogas, Wasserstoff oder so genanntes Windmethan, Solarmethan, etc. kann eine vollständige klimaneutrale Gasversorgung erfolgen. Erdgasversorgung Midstream Leitungstransport (Pipelines) Stahlleitungen o Typischer Druckbereich 50 … 100 bar o Typische Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 10 … 20 m/s o Typische Transportentfernungen viele hundert bis einige Tausend km Schiffstransport (LNG) Verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas) o Verflüssigung bei -161°C o Volumenreduktion um Faktor 600 o Typische Transportentfernungen viele tausend km Saisonale Speicherung o Die Förderung von Erdgas erfolgt aus wirtschaftlichen und technischen Gründen möglichst gleichmäßig o Die Nachfrage schwankt vor allem witterungsbedingt stark o Speicher sorgen für den nötigen Ausgleich und stützen die Versorgungsfreiheit o Porenspeicher, Salzkaverne, Felskaverne Erdgasversorgung Downstream Leitungstransport über vermaschte Verteilnetze o Typischer Leitungsdruck 1 … 4 bar, Kleinkundenanschlüsse in Niederdruck bei 20 … 100 mbar o Typischer Durchmesser im Bereich DN 63 … 300 (DN Nenndurchmesser in mm) o Rohrleitungsmaterialien heute Stahl, Polyethylen (PE) und vernetztes Polyethylen (PE-X) o Typische Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von 1 … 6 m/s o Typische Entfernungen unter 100 km Wo kann ich als Petroleum Ingenieur arbeiten? Erdöl- und Erdgas-Produktionsgesellschaften (E&P-Gesellschaften) Bohrgesellschaften (Bohrkontraktoren) Servicegesellschaften für die Erdölindustrie (Zementation, Rohreinbau, Spülungsservice, Einsatz von Spezialgeräten, Bohrlochmessungen, …) Zuliefererindustrie für die Erdölindustrie (Bohrgeräte, Bohrwerkzeuge, Bohrmotoren, Spezialgeräte, …) Universitäten und Fachschulen in Forschung und Lehre Behörden und Ämtern Bohrungskomplettierung Zur Aufnahme der Förderung wird eine Bohrung „komplettiert“ Die zu fördernde Horizonte werden Verrohrt und der Ringraum zwischen Stahlrohr und Bohrlochwand zementiert (Cased Hole) Oder Sie bleiben offen („Open-Hole“) Zur Produktion werde die Stahlrohre und der darum befindliche Zementmantel perforiert Schema Offshore Bohrung Im Offshore Bereich werden bis zu 60 Förderbohrungen von einer Plattform aus abgeteuft und gefördert Erdöl und Erdgas werden über Pipelines ans Festland gepumpt. Erdöl kann auch offshore in Tanker verladen und verschifft werden Gewinnung von Kohlenwasserstoffen Kohlenwasserstoffe gewinnen heißt Fördern Aufbereiten Vertraglich vereinbarte Quantitäten und Qualitäten zu liefern Für das Produktionssystem wird unterschieden: Untertage-Systeme (Bohrung) Übertage-Aufbereitungssysteme (Prozessanlagen) Systeme zur qualitäts- und mengenkontrollierten Übergabe Erdöl- und Erdgaslagerstätten Bedeutung von Erdöl & Erdgas als Energieträger Energie o Energie kann von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden, sie kann gespeichert und transportiert werden. Als Wärme ist die Energie die ungeordnete Bewegung molekularer Teilchen, als elektrischer Strom die gerichtete Bewegung geladener Teilchen, als Strahlung elektromagnetischer Wellen Man kann Energie weder erzeugen noch verbrauchen, nur eine Energieform in eine andere überführen In der Summe bleibt die Energiemenge gleich. Genauer betrachtet ist das, was wir „Energieverbrauch“ nennen, die Entwertung von Energie. o Der Nutzen der Energie kann durch Umwandlung und Transport abnehmen. Wenn Wärme an die Umgebung abgegeben ist, ist sie nicht mehr nützlich, sie ist entwertet – wir sagen „verbraucht“. Energieträger o Die Energieträger ist die mengenmäßige, bilanzierfähige Einheit, welche Energie enthält oder überträgt Primäre Energieträger o Energieträger, die in der Natur zur Verfügung stehen o Bsp.: fossile (Erdöl, Kohle, Erdgas), regenerative (Sonne, Erdwärme), nukleare (Uran, Plutonium) Sekundäre Energieträger o Werden aus den ersten durch Umwandlung erzeugt, um letztendlich als Nutz- oder Endenergie (Wärme, Bewegung, Licht) bei Bedarf zur Verfügung zu stehen o Bsp.: Treibstoff, elektrische Ladung, Druckluft, … Reserven von Erdöl und Erdgas Quantifizierung o o o o o o Vorkommen von Erdöl & Erdgas entziehen sich als Bestandteile der Erdkruste unserer direkten Beobachtung. Große Regionen der Erde, wie weite Teile der Arktis oder die Tiefwasserbereiche der Kontinentränder, sind bis heute so wenig erforscht, dass Aussagen über mögliche Rohstoffvorkommen auf eher zufälligen Beobachtungen oder auf Annahmen beruhen. Die tatsächlichen Mengen an Energierohstoffen in der Erdkruste sind also nicht bekannt. Firmen sind an möglichst genauen Angaben über die Inhalte ihrer einzelnen Lagerstätten interessiert und betreiben die Bewertung der Lagerstätteninhalte daher mit großer Genauigkeit. Diese Daten sind Geschäftsgrundlage der Firmen und bleiben häufig geheim Selbst bei Beendigung der Förderung aus einer Lagerstätte ist in aller Regel nicht bekannt, wie groß die Menge des verbleibenden Rohstoffes ist. So werden Lagerstätten aufgegeben, wenn die betreibende Firma aus wirtschaftlichen Erwägungen beschließt, keine weiteren Investitionen in den Ausbau und die weitere Produktion dieser Lagerstätte zu tätigen und die verbleibenden Produktion nicht mehr ausreichend rentabel ist. Im globalen Durchschnitt wird beispielweise die Produktion aus Erdöllagerstätten beendet, wenn etwa ein Drittel des ursprünglich vorhandenen Erdöls (in place) gefördert ist; zwei Drittel verbleiben als derzeit nicht nutzbares Erdöl im Reservoir. Mit zunehmender Produktion aus Erdöllagerstätten nimmt der Anteil an gefördertem Wasser zu, der Lagerstättendruck kann abnehmen. Vorratsdefinitionen o Reserven: sind die Mengen eines Energierohstoffes, die mit großer Genauigkeit erfasst wurden und mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten wirtschaftlich gewonnen werden können. D.h.: abhängig vom Wissenstand, Preis, Stand der Technik, etc. o Ressourcen: sind die Mengen eines Energierohstoffes, die geologisch nachgewiesen sind, aber derzeit nicht wirtschaftlich gewonnen werden können und die Mengen, die nicht nachgewiesen sind, aber aus geologischen Gründen in einem betreffenden Gebiet erwartet werden können. Die 20 wichtigsten Erdölförderländer o Saudi-Arabien o Russland o Iran o Irak o Venezuela o Kuwait o V. Arab. Emirate o USA o Kasachstan o Nigeria o Libyen o Mexiko o China, VR o Algerien o Norwegen o Kanada o Großbritannien o Indonesien o Brasilien o Angola o Aserbaidschan o Sonstige Die 20 wichtigsten Erdgasförderländer o Russland o Katar o USA o Saudi-Arabien o China, VR o Turkmenistan o Nigeria o Venezuela o V. Arab. Emirate o Irak o Norwegen o Indonesien o Algerien o Kasachstan o Australien o Malaysia o Usbekistan o Niederlande o Sonstige Woraus besteht Erdöl & Erdgas? Erdöl ist ein natürlich vorkommendes Gemisch aus Kohlenwasserstoffverbindungen und „Nichtkohlenwasserstoffen“. Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen, die sich aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) zusammensetzen. Zu den „Nichtkohlenwasserstoffen“ zählen Verbindungen aus Schwefel (S), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) - die sogenannten NSO-Verbindungen Es gibt zwei Arten von Kohlenwasserstoffen: gesättigte und ungesättigte. Der Unterschied liegt in ihrer chemischen Zusammensetzung: Wasserstoff ist einwertig, Kohlenstoff hingegen ist vierwertig, kann also bis zu vier andere Atome aufnehmen. In gesättigten Kohlenwasserstoffen kommen zwischen den verschiedenen C- und H-Atomen nur einfache Verbindungen vor. Ein Beispiel dafür ist Cyclopentan. Gesättigte Kohlenwasserstoffe nennt man Alkane oder Paraffine. In ungesättigten Kohlenwasserstoffen hingegen gehen die C-Atome untereinander stärkere, mehrfache Bindungen ein wie z.B. bei Benzol. Die wichtigste Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe sind die Aromaten. Erdgas besteht wie Erdöl aus mehreren Komponenten: Neben den Kohlenwasserstoffverbindungen wie Methan, Ethan, Propan, Butan finden sich in Spuren auch Kohlendioxid (CO2), Schwefelwasserstoff (H2S) und Stickstoff (N2). Der Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan. Methan ist die kleinste mögliche Kohlenstoffwasserverbindung Natürliches Erdgas ist geruchslos. o Bevor es in Haushalte kommt oder als Treibstoff Verwendung findet, wird Erdgas aus Sicherheitsgründen odoriert (mit Geruchsstoffen versetzt). Kohlenwasserstofflagerstätten kommen in Teufen bis zu 7000 m vor, wo die Druckverhältnisse von 1000 bar und Temperaturen um die 240° herrschen. Zusammensetzung der Fluide Druck Temperatur Entscheiden über den Lagerstättentyp Erdöl- und Erdgaslagerstätten Entstehung von Erdöl und Erdgas Vor 400 Mio. Jahren waren die heutigen Erdöl- und Erdgasfundgebiete von Ozeanen bedeckt. Darin existierten vor allem Algen und andere Kleinstlebewesen (Plankton) Damals wie heute sinken diese nach ihrem Absterben zum Meeresboden, wo der Großteil durch Bakterien in organische Grundsubstanzen zerlegt wird, also verwest Dafür benötigen Bakterien sehr viel Sauerstoff. In Meeresbecken, die nicht durch Strömungen mit frischem Wasser versorgt werden, geht der Sauerstoff daher irgendwann zu Ende Die weiter absinkenden organischen Stoffe können somit nicht mehr verwesen und bleiben erhalten. Sie betten sich im Schlamm ein und vermischen sich mit nachkommenden Ablagerungen Diese Mischung – Sand, Ton, anaerobe Bakterien und die organischen Stoffe der Kleinstlebewesen – nennt man Faulschlamm Der Faulschlamm am Meeresgrund gelangt im Lauf von Jahrmillionen durch weitere Sand und Tonablagerungen in immer größere Tiefen Stetig steigender Druck und steigende Temperaturen wirken auf ihn ein Bei einer Temperatur von 50°C wird der Faulschlamm durch die mit eingeschlossenen anaeroben Bakterien schließlich in Kerogen umgewandelt Wenn ein Gestein ausreichend (mehr als 1%) Kerogen enthält, um Erdöl oder Erdgas zu bilden, nennt man es Muttergestein Weitere Ablagerungen oder Verschiebungen in der Erdkruste schieben das Muttergestein immer tiefer. Druck und Temperatur steigen weiter an. Ab einer Temperatur von etwa 70°C beginnt die Verwandlung von Kerogen in Erdöl und Erdgas Man spricht dann davon, dass das Muttergestein „reif“ ist Zuerst entsteht fast ausschließlich Erdöl und nur sehr wenig Erdgas Je stärker sich das Kerogen erwärmt, umso größer wird der Anteil des sich bildenden Erdgases. Ab einer Temperatur von 200°C kann sich nur mehr Erdgas bilden Entstehung von Erdöl und Erdgas – Migration Erdöl und Erdgas werden im Normalfall nicht in jenem Gebiet gefunden, in dem sie entstanden sind, sondern unter Umständen bis zu 100 km vom Entstehungsort entfernt. Eine Wanderungsbewegung, die Migration, hat stattgefunden Die Umwandlung von Kerogen in Erdöl und Erdgas verursacht eine Zunahme des Volumens, da Erdöl und Erdgas eine deutlich geringere Dichte als das Kerogen haben Das heißt, ihr Volumen ist größer, ihr spezifisches Gewicht jedoch geringer als jenes von Kerogen. Der daraus resultierende Druckanstieg, dass Erdöl und Erdgas aus dem Muttergestein herausgepresst werden Das Aufsteigen in höher gelegene Gesteinsschichten ist dem Auftrieb zu verdanken. Erdöl und Erdgas drängen durch poröse Gesteinsschichten oder entlang von Brüchen nach oben. Benachbarte poröse Schichten nehmen die Kohlenwasserstoffe wie ein Schwamm auf. Dieses Phänomen nennt man primäre Migration. Die meisten porösen Gesteine im Erdinneren sind mit Wasser gefüllt. Deshalb wandern Erdöl und Erdgas nach oben, in Richtung Erdoberfläche. Allerdings geht diese Wanderung nur selten senkrecht vor sich. Undurchlässige Gesteinsschichten in Migrationsbahnen nur langsam auf. Dieser Vorgang heißt sekundäre Migration. Entstehung von Erdöl und Erdgas – Lagerstätte Stoßen Erdöl oder Erdgas auf eine Antiklinale, eine nach oben gewölbte undurchlässige Schicht, die einer umgedrehten Wanne gleicht, ist die Wanderung zu Ende o Erdöl und Erdgas sitzen buchstäblich in der Falle und sammelt sich dort o So entsteht eine Lagerstätte. Das Speichergestein einer Lagerstätte muss ausreichend Porosität Etwa 5% bis max. 35% o Und Durchlässigkeit haben, um eine Öl- oder Gasproduktion zu ermöglichen. o Falls Erdöl und Erdgas gemeinsam auftreten, trennen sie sich hier. Erdgas ist am leichtesten und drängt deswegen ganz nach oben. Direkt darunter befindet sich das Erdöl und unter diesem das Salzwasser. Gebirgsüberschiebung: Bildet sich ein Gebirge, schieben sich Teile davon über die Schichten des angrenzenden Flachlandes. Dadurch können Fallen entstehen. Aufwölbung (Antiklinale): Ein aufsteigender Salzstock oder eine Hebung des Beckengrundes wölben das darunterliegende Speichergestein nach oben (Antiklinale). Bruch: Durch tektonische Bewegung entstehen manchmal Brüche in den geologischen Schichten. An diesen Brüchen können sich Lagerstätten entwickeln. Flanke von Salzstock: Salzablagerungen sind spezifisch leichter als die meisten anderen Ablagerungen und steigen deshalb nach oben. Dennoch sind sie für Erdöl und Erdgas undurchlässig. So können, wie im norddeutschen Raum, neben Salzstöcken Lagerstätten entstehen. Flussdelta: Längst verschwundene Flüsse transportieren vor langer Zeit Sand und Schotter ins Meer. Da diese grobkörnigen Ablagerungen gute Speicher bilden, entstehen im Fall einer darüber liegenden undurchlässigen Schicht auch in ehemaligen Flussdeltas Lagerstätten. Auskeilender Sand: Der sandige Untergrund, den man von Meeresstränden kennt, geht Richtung offenes Meer nach und nach in Ton über. Hier bilden sich, überlagert von einer undurchlässigen Schicht, potenzielle Lagerstätten. Diskordanz: Wenn sich Landstriche heben und gekippt werden, was beispielweise den Rückzug eines Meeres zur Folge hat, kann eine gleichmäßige durchlässige Ablagerung unterbrochen werden. Wird eine solche Ablagerung dann, vielleicht durch die Rückkehr des Meeres, mit einer undurchlässigen Schicht abgedichtet, entsteht eine Falle. In dieser kann sich nach Migration von Erdöl und Erdgas eine Lagerstätte bilden. Dolomitkörper: Am Rand von Korallenriffen oder in seichten Lagunen bilden sich Dolomit. Die Lagerstätten Schönkirchen und Aderklaa im niederösterreichischen Weinviertel sind solche Dolomitkörper, in deren Klüften vor allem Erdgas gefunden wurde. Korallenriff: Korallenriffe, die sich rund um tropische Inseln bilden, enthalten poröse Zonen, die sich sehr gut als Lagerstätten eignen. Der Lagerstättentyp findet sich im Persischen Golf. Suche nach Erdöl und Erdgas Die Suche nach Erdöl und Erdgas (Exploration) verwendet verschieden Methoden Geophysikalische Methoden (Seismik) Geologische Kartierung Explorationsbohrungen Bohrlochmessungen und Bohrlochtests Geologische und geophysikalische Suchverfahren Die Wissenschaft, die sich mit der Suche nach Erdöl und Erdgas beschäftigt, ist die Erdölgeologie. Sie definiert aufgrund der geologischen Zusammensetzung der Erdoberfläche erdöl- und erdgashöffige Gebiete, die für eine Exploration in Frage kommen. Um die geologischen Verhältnisse in der Tiefe der Erde zu erkunden, werden geophysikalische Verfahren angewandt. Sie sind die Grundlage für eine geologische Interpretation möglicher Kohlenwasserstofffallen. Mit Hilfe seismischer Untersuchungen machen sich Geologen ein Bild von den Gesteinsschichten unter der Erdoberfläche. Mit anderen geophysikalischen Messverfahren können die physikalischen Eigenschaften der Gesteine wie Magnetismus, Dichte Schallgeschwindigkeit und Schwerebeschleunigung (Gravimetrie) bestimmt werden. Aus den gewonnen Daten erstellen die Experten ein möglichst genaues Abbild des geologischen Ausbaus der Schichten unter der Erdoberfläche. Anhand dieser geologischen Struktur kann auf eine kohlenwasserstoffhaltige Falle geschlossen werden. Erst mit konkreten Hinweisen auf eine Fallenstruktur für Öl oder Gas wird ein Bohrprojekt vorbereitet. Seismik Von den geophysikalischen Explorationsmethoden kommt besonders die Explorationsseismik zum Einsatz. Mittels Sprengung oder durch Spezialfahrzeuge für Vibroseismik (Seismik)wird an der Oberfläche eine Vibration (seismische Welle) angeregt. Die ausgelöste Vibration breitet sich in den Gesteinen des Untergrundes mit charakteristischen Geschwindigkeit aus. Ähnlich dem Echo von Schallwellen an Felswänden wird eine seismische Welle an den Grenzflächen zwischen einzelnen Gesteinsschichten reflektiert. Die Reflektionen einer seismischen Wellen werden an der Erdoberfläche mit so genannten Geophonen registriert. Die elektrischen Signale der Geophone werden digitalisiert, auf Datenträgern aufgezeichnet und später mittels spezieller Computersysteme weiterverarbeitet. Im nächsten Schritt wird versucht, aus den Rohdaten ein möglichst genaues, detailliertes physikalisches Bild des Untergrundes bis in einige tausend Meter Tiefe zu erstellen. Hierbei werden auch die seismischen Laufzeitdaten in Tiefenwerte umgewandelt. Explorationsbohrungen Haben seismischen Messungen eine „höffige“ geologische Struktur identifiziert, kann derzeit nur durch Bohrungen die Kohlenwasserstoff-Füllung festgestellt werden. Man unterscheidet hinsichtlich der Zielsetzung drei Arten von Bohrungen: Die Aufschluss- oder Explorationsbohrung dient dem Nachweis eines vermuteten Erdöl- oder Erdgasvorkommens Durch Erweiterungsbohrungen wird die flächenmäßige Ausdehnung einer bereits erschlossenen Lagerstätte erkundet Über Produktionsbohrungen wird das Erdöl- und Erdgas aus der Lagerstätte gefördert Bohrlochmessungen Durch wiederholte Bohrlochmessungen erhält man vor allem wichtige geologische und lithologische Informationen sowie Aufschluss über den Formationsinhalt (Öl, Gas, Wasser) der Schichten auf die man im Lauf einer Bohrung stößt. So elektrische Messungen ermitteln in den spezifischen elektrischen Widerstand der durchbohrten Gesteinsfolge. Öl- bzw. gashaltige Gesteinsschichten haben einen höheren elektrischen Widerstand als (salzhaltiges) Formationswasser. Radioaktive Messungen nutzen das Vorhandensein radioaktiver Elemente (Uran, Thorium, Kalium 40), die in den Gesteinen in spezifischer Verteilung vorkommen. Damit ist es z.B. möglich, zwischen Ton, Sanden und Kalksteinen zu unterscheiden, da Tone in der Regel eine höhere natürliche Radioaktivität aufweisen. Es ist aber auch möglich, die Formation mit Neutronen oder Gammastrahlen aus einer Strahlenquelle, die sich in der Messsonde befindet, zu bestrahlen. Diese Messungen dienen primär zum Erkennen von porösen Schichten und zur Bestimmung der Porosität. Bei akustischen Messungen werden ähnlich wie bei der Seismik Schallimpulse ausgesendet. Gemessen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen. Die ermittelten Daten geben Aufschluss über die Porosität der Gesteinsschichten. Bohrlochtests Bohrlochtests sind die wichtigsten Erkundungsmethoden zur Bestimmung der Speicher- und Fließeigenschaften des Lagerstättengesteins in der Umgebung von Testbohrungen. Die typischen Bohrlochtests sind: Pulstest Druckaufbau/Druckabbautest Indifferenztest Beim Pulstest ist die Druckreaktion an der Bohrlochsohle der Testbohrung auf die kurzzeitige Förderung aufgezeichnet. Bei Druckaufbau/Druckabbautests wird die Druckreaktion an der Bohrlochsohle der Testbohrung nach der Schließung der produzierenden Bohrung bzw. nach der langzeitigen Vergrößerung der Förderrate aufgezeichnet. Beim Indifferenztest wird die Druckreaktion an der Bohrlochsohle einer Beobachtungsbohrung nach der Veränderung der Förderrate der Quellenbohrung aufgezeichnet. Aufgaben der Lagerstättentechniker Ermittlung der Initialen in-Place Volumina von Erdöl (STOIIP) und Erdgas (GIIP) Abschätzung des wirtschaftlichen Ausbeutegrades Modellierung der Strömungsvorgänge im Untergrund Auswahl verbesserter Ausbeuteverfahren (Enhanced Oil Recovery – EOR) Ermittlung optimaler Bohrlochlokationen aufgrund geologischer Modelle Einführung in die Rohstoffgewinnung Tagebautechnik Stadien der Erkundung Reconnaissance o Ziel: Identifizierung von Gebieten, in denen das Potential des Auftretens von bestimmten Lagerstätten gegeben ist Prospektion o Ziel: Identifizierung einer Lagerstätte Übersichtsexploration o Ziel: Erste bzw. anfängliche Untersuchung einer bereits entdeckten Lagerstätte Detailexploration o Ziel: Erfassung der Charakteristika einer Lagerstätte mit einer sehr hohen Genauigkeit bzw. sehr hohem Detaillierungsgrad Stadien der technischen und wirtschaftlichen Lagerstättenbewertung (Bauwürdigkeit) Geologische Studie o Ziel: vorläufige Abschätzung der Bauwürdigkeit durch Vergleich mit ähnlichen Bergbaubetrieben Prefeasibility Study o Ziel: technische und wirtschaftliche Bewertung der Bauwürdigkeit eines Bergbauvorhabens mit einer Genauigkeit von +/- 25 % Feasibility Study o Detaillierte Beurteilung der technischen Machbarkeit und wirtschaftlichen Lebensfähigkeit eines Bergbauvorhabens mit einer Genauigkeit von +/- 10 % Definitionen Prospektion: Die Prospektion hat das Aufsuchen höffiger Gebiete (Reconnaissance) zum Ziel und führt zur Auswahl eines Gebietes, in dem die Existenz von Erzen, Industriemineralen, Erdöl oder -gas durch eine nachfolgende Exploration genauer untersucht werden soll. Exploration: Bei der Exploration wird durch Detailuntersuchungen geprüft, ob eine aufgefundene Lagerstätte einen nach Qualität und Menge wirtschaftlich nutzbaren Mindestvorrat enthält. Diese Lagerstättenuntersuchungen werden i.d.R. auch während der Aufschluss- und Regelbetriebsphase fortgeführt, um das Lagerstättenmodell zu aktualisieren. Geomagnetik Grundlage ist das Erdmagnetfeld Induktionsprozess durch Erdmagnetfeld o Induzierte Magnetisierung von Gesteinen o Unterschiedliche hohe magnetische Suszeptibilität Magnetfeldmessungen o Universelles Verfahren o Kostengünstig Kein elektromagnetisches Verfahren Direkte Erkundung Schürfe o Graben o Stollen o Schacht Bohrungen o Kernbohrungen o Vollbohrungen Spülungskreislauf Direkt Indirekt (z.B. RC-Drilling) Sülmedium Flüssig Gasförmig Bohrverfahren Drehend Drehschlagend Reverse Circulation Hammer Drilling (RC-Drilling) Verfahrenstechnische Unterscheidung zum Kernbohren Vollständige Gesteinszerstörung durch das Bohrwerkzeug (Vollbohrverfahren) Indirekte Spülstromrichtung: die mit Bohrklein (Cuttings, Chips) beladene Spülung steigt im Bohrgestänge zur Tagesoberfläche auf. Luftspülung Drehschlagendes Bohrwerkzeug: Imlochhammer Doppelwandiges Gestänge Im RC-Drilling wird die Druckluft durch ein doppelwandiges Gestänge (dual wall pipe) dem Bohrwerkzeug zugeführt Die Luft strömt in einem Ringspalt zwischen dem äußeren Gestänge (Lastgestänge) und dem inneren Gestänge (Fördergestänge) nach unten. Das Bohrgut steigt im Durchgang des inneren Gestänges nach Übertage auf Der Nachteil der doppelwandigen Gestänge ist das hohe Gewicht, wodurch die Bohrstangenmasse höher als beim Kernbohren ist Das RC-Drilling erfordert eine leistungsfähige Maschinentechnik am Bohrplatz Durch das hohe spezifische Gewicht des Bohrgestänges erhöht sich die Hakenlast am Bohrgerät Die Bohranlagen werden im Vergleich zur Kernbohrtechnik schwerer Zur Drucklufterzeugung sind Kompressoren am Bohrplatz beizustellen, wodurch hohe Transportgewichte anfallen und die Kraftstoffversorgung am Bohrplatz gewährleistet sein muss Mit dem RC-Drilling wird das im Bohrvorgang mechanisch zerkleinerte Bohrklein als Probe herangezogen (Cuttings oder Rock Chips) Die Proben werden in regelmäßigen Abständen entnommen Die Auswertung von Cuttings erfolgt durch eine chemische Analyse der Bestandteile Aus Cuttings können Informationen über Schichtgrenzen, Wertstoffgehalt und der Gesteinsart gewonnen werden Die mit dem RC Verfahren erreichbare Endteufe wird o o Durch das hohe Bohrstranggewicht (Doppelwandgestänge) Durch die Nachteile der Drucklufterzeugung und Übertragung Limitiert. Ressourcen- und Reservenklassifikation Die Klassifikation richtet sich nach dem Vertrauensgrad der Berechnungen Sichere Vorräte (measured – proved) Mögliche Vorräte (indicated – probable) Wahrscheinliche Vorräte (inferred) Sichere Vorräte (measured – proven) Theoretisch ein Lagerstättenblock, der von 4 Seiten untersucht, beprobt und einer Analyse unterzogen wurde Die Daten stammen von o Bohrungen o Ausbissen o Schürfen o Gewinnungsvorgängen Voraussetzungen: o Detaillierte Probennahme o Enges Raster o Bekannte Geologie und Struktur Mögliche Vorräte (indicated - probable) Es handelt sich um spezifische Untersuchungen Es sind Projektionen von bekannten Probenahmestellen Moderates Raster Die Interpretation wird innerhalb der bekannten geologischen Grenzen vorgenommen Wahrscheinliche Vorräte (inferred) Es handelt sich um geologische Interpretationen aus Analogieschlüssen. Aufbau einer Feasibility Study Allgemeine Daten Geographie Klima Infrastruktur o Urbanisation o Energie- und Wasserverfügbarkeit o Kommunikationsmöglichkeiten o Transportanbindung Genese der Lagerstätte Lockergestein, reißbares Gestein, Hartgestein Lagerstättentyp o Massive, flözartige und gangartige Lagerstätten Vorratsklassifikation o Geologische Vorräte o Bergtechnisch gewinnbare Vorräte o Reserven o Anteil an unproduktiven Massen o Abraum zu Wertmineralverhältnis Auswahl der Grundtechnologien o Gewinnen o Laden o Transportieren o Aufbereiten Geplante Jahresproduktion Verfügbare Arbeitszeit, effektive Arbeitszeit Auswahl und Dimensionierung von Maschinen und Anlagen Personalplanung Kostenrechnung o o o o o o o Investitionskosten Betriebskosten Einnahmen Cash-Flow Nettobarwertermittlung Profitindex Risikoanalyse Tagebautechnik (Tagebau I) Tagebautechnik ist die Gesamtheit alles technischen Maßnahmen und Mittel zur Gewinnung fester mineralischer Rohstoffe in einer offenen Baugrube. Technologische Hauptprozesse der Tagebautechnik: Gewinnung (Lösen und Laden) Förderung Verkippung Vor- und Nachteile Tagebau gegenüber dem Tiefbau Vorteile Geringere Abbauverluste Höherer Mechanisierungsgrad Größere Betriebseinheiten Schnellere Aufnahme der Regelförderung Größere Transparenz des Betriebes (Betriebsüberwachung) Höhere Arbeits- und Betriebssicherheit Leichtere selektive Gewinnung ermöglicht Vorsortierung Höhere Förderung Bergschäden sind größtenteils vorhersehbar Nachteile Größere Aufschlussmassen müssen bewegt werden Abhängigkeit von klimatischen Verhältnissen Totale Bergschäden o Umsiedlung o Verlegung von Infrastrukturen (Straßen, Versorgungsleitungen, etc.) o Teils völlige Grundwasserabsenkung im Grubenbereich notwendig o Restlöcher Grundsätzliche Unterteilung der Tagebautechnik Lockergesteinsabbau Festgeisteinstagebau Nassgewinnung Trockenabbau Tagebautechnologien Locker- und Festgesteinstagebau Lockergesteine können in einem Arbeitsgang aus dem Gebirgsverband gelöst und geladen werden. Kiese, Sand, Tone, Braunkohle, Kreide, … Kombination der Hauptprozesse Lösen und Laden: o Diskontinuierlich: z.B. Hydraulik- oder Seilbagger, Radlader, Dragline o Kontinuierlich: z.B. Schaufelrad- oder Eimerkettenbagger, Fräsen Festgesteine müssen in einem separaten Arbeitsgang gelöst werden. Erst anschließend können sie in einem zweiten Arbeitsgang geladen werden. Basalt, Kalkstein, … Viele metallische Erze: Eisen-, Kupfer-, Golderze, … Keine Kombination der Hauptprozesse Lösen und Laden möglich o Lösen: z.B. durch Bohren/Sprengen oder Hydraulikhammer, Reißen, … o Laden: z.B. durch Hydraulik- oder Seilbagger, Radlader, Dragline, … Trocken- und Nassgewinnung Trockengewinnung bedeutet den Abbau in einer trockenen Baugrube. Kein oder geringerer Zutritt von Grundwasser Grundwasserabsenkung Einsatz klassischer Tagebaugerätetechnik Nassgewinnung bedeutet den Abbau unter Wasser innerhalb eines Gewässers. Grundwasserabsenkung nicht möglich oder nicht erlaubt Einsatz besonderer Gerätetechnik o Gewinnungsgeräte auf Pontons bzw. auf Schiffen Saugbagger, Greiferbagger, Eimerkettenbagger, Hydraulikbagger (Dipper) o Fördertechnik angepasst an Gewinnungsgeräte Hydraulische Förderung in Rohrleitung auf Pontons Schwimmbandanlagen Schuten (Lastschiffe) Kernaufgabe einer Tagebautechnik Technische Planung und Projektierung Betriebsmittelauswahl und Dimensionierung Rekultivierung und Folgelandschaftsgestaltung Wirtschaftliche Bewertung Mindestanforderungen an Informationen als Grundlage einer Planung Ressourcen und Reserven Form und Verlauf sowie Lage des Rohstoffkörpers im Raum Topographische Verhältnisse und infrastrukturelle Einrichtungen Lagerungsverhältnisse und Mächtigkeit des Rohstoffkörpers Homogenität des Rohstoffs Diskontinuitäten des Gebirges Festigkeitseigenschaften des Gebirges Hydrologie Hydrogeologie Stripping Ratio Das Verhältnis von der Tonnage an Abraum, die zu beseitigen ist, um eine Tonne Rohstoff zu gewinnen Breakeven Stripping Ratio BESR (Grenzverhältnis) Ein Kostenverhältnis zwischen Erlös von einer Tonne Rohstoff abzüglich Produktionskosten und der Kosten für die Beseitigung von einer Tonne Abraum Grenzgehalt/cut-off Gehalt eines Lagerstättenblocks, dessen Wertigkeit gerade die Kosten der Gewinnung, Aufbereitung und Marketing abdeckt – ohne Kosten der Abraumbewegung. Vorkommen und Lagerstätten Vorkommen sind zu arm oder zu klein um wirtschaftlich abgebaut zu werden oder die Wertminerale können nicht wirtschaftlich aufbereitet werden Bei veränderten Randbedingungen (z.B. Preisanstieg, veränderte Marktsituation, verbesserte Aufbereitungstechnologie etc.) können Vorkommen zu Lagerstätten werden Die Bauwürdigkeit einer Lagerstätte wird durch Tonnage und Gehalt, Verwachsung der Wertminerale, unerwünschte Nebenbestandteile, Lage sowie technische, ökonomische und politische Einflussfaktoren bestimmt Bauwürdige Lagerstätten sind Anhäufungen nutzbarer Wertminerale, die nach Größe und Inhalt wirtschaftlich gewonnen und aufbereitet werden können. Typische metallische Erzminerale Elemente: Gold, Platin, Kupfer Sulfide: Kupferkies, Bleiglanz, Zinkblende, Pyrit, Molybdänglanz Oxide: Cuprit, Hämatit, Magnetit, Rutil, Kassiterit, Chromit Oxy-Salze: Siderit, Scheelit, Wolframit Silikate: Garnierit Einteilung der mineralischen Rohstoffe Fossile Energieträger Erdöl Erdgas Steinkohle Braunkohle (Uran) Metallische Rohstoffe Blei Zink Gold Silber Kupfer Aluminium Nickel Platin Eisen Baurohstoffe Kalk Gips Kies Sand Naturwerkstein Naturstein Ton Schiefer Kaolin Salz/Industrieminerale Steinsalz Kalisalz Schwefel Flussspat Schwerspat Rutil Ilmenit Diamanten Markscheidewesen Markscheide: Grenze zwischen zwei Bergwerksfeldern Markscheidekunde: Lehre von der Vermessung über und unter Tage im Zusammenhang mit der Aufsuchung und Gewinnung von Bodenschätzen und ihrer Dokumentation im Bergmännischen Risswerk Markscheidewesen: Disziplin des Bergbaus. Sie umfasst Arbeiten, o Die der Erkundung, Untersuchung und Bewertung von Bodenschätzen, o Der Lagerstättenprojektion sowie der Planung und vermessungstechnischen Erfassung und risslichen (kartographischen) Dokumentation von Grubenbau und der Tagesanlagen sowie von Tagebauen dienen. Hierzu gehören insbesondere Die Mitwirkung bei der Erlangung von Bergbauberechtigungen, Planungs- und Projektierungsarbeiten für den Aufschluss und die Gewinnung der Lagerstätte, Die Ermittlung, Überwachung und Verminderung oder Verhütung der über- und untertägigen Auswirkungen des Abbaus (Vorausberechnung von Bodenbewegungen, Umweltverträglichkeitsprüfung) sowie Planung, Überwachung und Nachweis von Rekultivierungsmaßnahmen Der Markscheider Berufliche Tätigkeiten in: Bergbehörden Bergbauunternehmen Ingenieurbüros Transdisziplinär und interdisziplinär Geoinformatik Messtechnik Bergbau Geowissenschaften, Hydrologie, Geomechanik Umwelt Recht Wirtschaftswissenschaftliche Anwendung „Soft-Skills“ Markscheider = Geoinformationsingenieur für die Rohstoffindustrie Allgemeine Aufgabenstellung: Konzeptuelle und physikalische (=computergestützte) Modellierung raumbezogener natürlicher anthropogener (durch den Menschen verursachter) Phänomene und Prozesse Lösung: Anwendung von Methoden und Verfahren der Geodäsie Fernerkundung sowie der Geoinformatik (Geo- Informationssysteme GIS) Beschränkt sich die Funktion eines Systems auf die Aufnahme, Speicherung, Verarbeitung und Wiedergabe von Informationen, so ist es ein Informationssystem. Es besteht somit aus der Gesamtheit der Daten und Verarbeitungsanweisungen in einer verständlichen Form zu erhalten. Ein Geoinformationssystem ist ein rechnergestütztes System, das aus Hardware, Software, Daten und den Anwendungen besteht. Mit ihm können raumbezogene Daten digital erfasst und redigiert, gespeichert und reorganisiert, modelliert und analysiert sowie alphanumerisch und graphisch präsentiert werden. Geoinformationssystem Begriffsbestimmungen Geoinformationen sind Informationen, die einen bestimmten Raumbezug zur natürlichen Umwelt haben. Die Verarbeitung von Geoinformationen erfolgt in unterschiedlichen Wissenschaften, in der Kartographie z.B. über Methoden und Verfahren zur Erfassung und Abbildung der Informationen in Form spezieller (z.B. topographischer oder thematischer) Karten oder in anderen Geowissenschaften in Form spezieller Datensammlungen (Informationssysteme). Geodaten sind Daten mit einem Raumbezug, über den ein Lagebezug zu ihrer Umwelt hergestellt werden kann. Sie beschreiben Objekte der Realität durch geometrische und inhaltliche (fachthematische) Attribute. Geodaten lassen sich mit Hilfe von raumbezogenen Informationssystemen erfassen, speichern und weiterverarbeiten. Geoinformatik ist die „Wissenschaft vom Wesen der Funktion der Geoinformation (=raumbezogene Information), ihrer Verarbeitung in Form von Geodaten sowie der Anwendung von Geoinformationssystemen“ Sie „befasst sich mit den Theorien der Strukturierung, Speicherung, Verwaltung und Verarbeitung von Geodaten sowie der Entwicklung entsprechender Methoden einschließlich der dafür benötigten Informations- und Kommunikationstechniken“. Der aus den Englischen von geomatics stammende Begriff Geomatik beschreibt die Fachrichtung, die sich interdisziplinär aus den Bereichen der Geoinformatik Geodäsie Kartographie Photogrammetrie und Fernerkundung sowie Geographie Zusammensetzt, wobei einige Fachdiszipline im deutschsprachigen Raum auch hierfür als Sammelbegriff „Geoinformatik“ verwenden. Ein GIS kann in fünf Komponenten eingeteilt werden: Software Hardware Daten Methoden (Anwendungen), die zwischen der Software und den Anwendern stehen Anwender (Nutzer) Realweltmodellierung Konzept der Topologie Das topologische Modell kann die innere Geometrie von Objekten beschreiben. Es basiert auf der Graphentheorie. Dieses Modell beschreibt die Zuordnung der Elemente Punkt, Linie, Fläche einer Geometrie zueinander und kennt daher deren relative Lage und Nähe. Durch die Beschreibung, Bearbeitung und Speicherung der Geometrie der Lage von räumlichen Objekten können gegenseitige Beziehungen manipuliert werden, ohne die Koordinaten zu kennen. Dies ist mit deutlich weniger Rechenaufwand verbunden. Topologie wird auch bezeichnet als Geometrie auf der Gummihaut. Algebraische Topologie Grundelemente Unter Knoten verstehen wir die End- sowie Schnittpunkte von Kanten (Verbindungen dieser Knoten). Maschen (Fläche, Polygon) sind die von Kanten eingeschlossenen „Gebiete“, die im 3D Raum ein Polyeder umschließen können. Mit diesen wenigen Grundelementen lassen sich beliebig komplexe Gebilde (Netzwerke oder Graphen) konstruieren. Methoden, Anwendungen Die Stärke von Geo-Informationssystemen sind die Methoden, die auf der Verknüpfung unterschiedlichster Datensätze beruhen, basierend allein auf deren räumlichen Lage. Die Analyse, Modellierung und Nutzung dieser räumlichen Beziehungen ist die Hauptaufgabe von GIS Der Einsatz von Geoinformationstechnik macht es notwendig, den Untersuchungsgegenstand (z.B. natürlicher Prozess oder natürliches Phänomen) aus der Realwelt zu repräsentieren, was mit der Abbildung in einem Modell erreicht wird. Analysen werden in dieser Modellumgebung durchgeführt i.d.R. ohne die Ergebnisse in der Realwelt verifizieren zu können Die Ergebnisinterpretation schließt mit einem Vergleich von alternativen „ModellierungsVarianten“ bzw. „Varianten“. Die Frage der Bewertbarkeit oder Interpretierbarkeit der Analyseergebnisse bleibt: Sind die Ergebnisse wieder rückübertragbar auf die Realwelt? Funktionen (Methoden) In einem GIS stehen dem Anwender verschiedene Gruppen von Funktionen (Methoden) zur Verfügung, wie für: Das Datenmanagement (Funktionen eines Datenbankmanagementsystems: Eingabe, persistente Speicherung, Koordinaten-Transformation, Editierung, Datenausgabe) Die Auswahl und Suche, Identifikation, Selektion, Datenbankabfrage Räumliche Analysen (eigentliche GIS-Funktionalität: Graphische Operationen, Distanz- und Flächenberechnung, Regionalisierung, Nachbarschaftsoperationen, Netzwerkoperationen) Die Präsentation der Ergebnisse, z.B. in Form Thematischer Karten Nachbarschaftsoperationen Eine wichtige (und für GIS typische) Nachbarschaftsoperationen ist Die Konstruktion von Bufferzonen um ein Objekt. Diese Funktionen operieren in der Umgebung von Objekten, nicht an den räumlichen Objekten selbst. Ein Buffer (oder Buffer-Zone, Pufferzone) ist der Bereich um ein Objekt bis zu einem bestimmten, festgelegten Abstand vom Objekt. Buffer lassen sich außerhalb um Punkte, Linien und Polygene eines Vektordatenansatzes konstruieren. Eine typische Fragestellung für den Einsatz von Buffern lautet: Welche Objekte (Parzellen, Wald, Leitungen etc.) liegen im Umkreis von 100 m um die Trassierungsachse eines geplanten Verkehrsweges? Datenüberlagerung und Verschneidung Diese Funktionen gehören zu den am häufigsten genutzten in GIS Anwendungen. Es werden hier mehrere räumliche Datensätze koordinatendeckend übereinandergelegt und Operationen angewendet, die die Attributwerte als Argument verknüpfen („verschneiden“). Vorstellen kann man sich die Arbeitsweise wie das Übereinanderlegen thematischer Karten als Klarsichtfolie auf einem Leuchttisch. Die Operationen basieren auf einem mengen-theoretischen Konzept, in dem alle Positionen in einem Datensatz Elemente einer (Punkte-) Menge sind; es werden die Operationen Schnitt, Vereinigung, Differenz und Komplement gebraucht. Der Begriff „Verschneidung“ wird hier gebraucht für die Kombination von Überlagerung (koordinatendeckend) sowie geometrischer Verschneidung und der anschließenden Verbindung und Verknüpfung der Attributdaten. Verschneidungen erzeugen neue Datensätze aus der Kombination der Geometrie und der Attribute von Ausgangsdatensätze zu sich überschneidenden bzw. identischen Raumausschnitten. Topologische Ansätze und Netzwerkoperationen Netzwerkoperationen lassen sich auf bestimmte Vektordatensätze (Graphen: mit Kanten verbundene Knoten) anwenden. Die wichtigsten Analysefunktionen sind Routing, d.h. Finden eines optimalen Weges zwischen zwei Punkten (Knoten) durch ein Netzwerk (entlang von Kanten über Knoten) evtl. unter Berücksichtigung einer Kostenfunktion, die geometrische oder attributive Daten nutzt Akkumulation, d.h. Summieren bestimmter Attributwerte auf einem Pfad durch ein Netzwerk Netzwerkzerlegung (Einzugsbereiche), d.h. entweder ausgehend von einem Punkt (Knoten) den Einflussbereich abgrenzen oder z.B. in einem gerichteten Graphen den Netzabschnitt oberhalb detektieren. Lagerstättensuche, Volumenberechnung Dieser Anwendungsbereich der Rohstoffwirtschaft und Rohstoffbewertung in der Steine & ErdenIndustrie gehört zu den klassischen Anwendungsfeldern von GIS. Gerade in der Planung des Abbaus einer Lagerstätte ist die Verknüpfung des geometrisch bestimmten Rohstoffkörpers mit geometrischen Kennwerten (Mindestmächtigkeit, Verwendbarkeit, etc.), mit rechtlichen Aspekten (Grundstücksgrenzen, Schutzgebiete, etc.) und mich logistischen Randbedingungen der Erschließung (Entfernung zur Weiterverarbeitung, zu Abnehmern, etc.) usw. notwendig. Lärmausbreitung Untersuchungen mit GIS-Unterstützung zur Lärmausbreitung und zur Bestimmung von Sicherheitszonen für z.B. Sprengarbeiten fallen unter die sog. „Sichtbarkeitsanalysen“, die auf der Analyse von Digitalen Geländemodellen beruhen. Die Arbeit mit Digitalen Geländemodellen (DGM) ist ein wichtiges Anwendungsfeld und ist auch Gegenstand einer ganzen Reihe von online-tutorials. Grundlage der Sichtbarkeitsanalyse sind Schnittberechnungen konstruierter gerader Linien vom Beobachtungspunkt zu jeder Position. Würde diese Linie an irgendeiner Stelle die Modellflächen schneiden, wäre die „freie Sicht“ also versperrt, die Zelle läge im Schatten einer anderen. Für eine Analyse von z.B. Lärmausbreitung muss man dieses Schatten-/Sichtbarkeitsmodell noch mit einem Modell der Stärke der Lärmausbreitung verschneiden. Datenbeschaffung Grundlegende Methoden der Datenbeschaffung: Digitalisierung / Scannen analoger Karten Photogrammetrie Fernerkundung Vermessung / Geodäsie Geodäsie Die Geodäsie bezeichnet man als die Lehre von der Ausmessung der Erdoberfläche mit ihren Veränderungen und ihrer Darstellung in Verzeichnissen, Karten und Plänen. Die Erdmessung dient der Bestimmung und Darstellung der Erdfigur einschließlich des äußeren Schwerefeldes. Sie schafft für die gesamte Erde gültige Bezugssystem für Lager, Höhe und Schwere. Die Landesvermessung erstellte – auf der Grundlage der durch die Ermessung bestimmten Geometrischen und physikalischen Erdmodellparameter – Referenzpunkte (Festpunkte) für die Höhe, Lage und Schwere in ausreichender Dichte zur Erfassung der Oberfläche eines Landes (=Grundlage von Landesbezugssystemen). Sie ist auch zuständig für die Herstellung und Laufenthaltung topographischer Karten. Die Detailvermessung baut auf den in der Landesvermessung geschaffenen Festpunktfeldern auf und verdichtet diese zu einer ausreichenden Dichte zur Ausmessung lokales Objekte. Handelt es sich bei diesen Objekten um Gebäude, Eigentumsgrenzen, Landesnutzungsgrenzen, etc., so spricht man von der Kataster- oder Liegenschaftsvermessung. Wird dagegen das Gelände mit seinen Formen und den darauf befindlichen Gegenständen (zweioder dreidimensional), z.B. für eine kartographische Darstellung, erfasst, so spricht man von der topographischen Vermessung, die sich hierzu auch photogrammetrischer und fernerkundlicher Verfahren bedient. Ingenieurvermessung schließlich werden zur Absteckung, Errichtung, Überwachung von Bauwerken und Maschinen durchgeführt. Alle drei Bereiche der Geodäsie (Erdmessung, Landesvermessung und Detailvermessung) sind eng miteinander verbunden, d.h. sie bauen gemäß dem Prinzip „Vom Großen ins Kleine“ aufeinander auf. Räumliche Bezugssysteme Für die absolute, direkte Referenzierung benötigt man ein Koordinatensystem mit festgelegtem Ursprung und Orientierung, Koordinatenachsen (Anzahl legt die räumliche und zeitliche Dimensionalität des Modells fest), Abstandseinheiten und eine Abstandsfunktion. Meist über spezifische 2- und 3-dimensionale Kartesische oder Azimutale Koordinaten. Geoid: Physikalische – dynamische Ersatzfläche für die physikalische Erdoberfläche Bereits im 18. Jahrhundert stellte man fest, dass Abweichungen zwischen Messungen und einer mathematischen Beschreibung der Erdfigur (als Kugel oder Rotationsellipsoid) bestehen. Darüber hinaus ergaben sich als einfache Folgerung der Newtonschen Potentialtheorie, dass wegen der Anziehungskraft von Bergen und ähnlichen geologischen Formationen die Oberfläche eines Rotationsellipsoids gar nicht streng horizontal, d.h. überall senkrecht zur Lotrichtung sein kann. Eine rein geometrische festgelegte Erdfigur reicht also nicht aus. 1828 definierte C.F. Gauß daher einer Fläche, die überall auf der Lotrichtung senkrecht steht. Es handelt sich hierbei nicht um eine geometrisch einfache Figur für die Erdoberfläche, wohl aber um eine Figur, deren Oberfläche, physikalische begründet, funktional beschreibbar ist: W(x,y,z) = W0 = const. = p * g * h Mit W, dem Potential der Schwerkraft als Funktion der räumlichen Koordinaten x,y,z, das konstant ist. Für die Äquipotentialfläche des Erdschwerefeldes (=Niveaufläche des Schwerefeldes) wurde von Listing 1873 in Anlehnung an das griechische Wort für Erde der Begriff Geoid eingeführt. Das Geoid ist die Niveaufläche, die mit der mittleren Meeresoberfläche zusammenfällt. Es ist also eine im Schwerefeld der Erde verlaufende Horizontalfläche und somit eine Fläche, auf der das Lot in allen Punkten senkrecht steht. Mathematisch – geometrischer Bezugsfläche: Das Rotationsellipsoid In erster Näherung kann das Geoid durch ein Rotationsellipsoid approximiert werden, das durch die Drehung einer Ellipse um eine ihrer beiden Achsen entsteht. Durch die messtechnische Bestimmung der beiden Halbachsen und ihrer Lagerung / Orientierung kann entweder ein mittleres, geozentrischer Erdellipsoid oder ein lokal bestanschließendes Ellipsoid (Rotationsachse parallel zur Erdrotationsachse) erzeugt werden. Durch die Gradmessungen zur Bestimmung des Erdkugelradius stellte man fest, dass Messungen in unterschiedlichen Gebieten der Erde zu verschiedenen Ergebnisse für den Erdradius führten. Theoretisch, durch Newton (1687) begründet, entstand so Erde des 17. Jahrhunderts die Vorstellung ein Rotationsellipsoid als Ersatzfigur für die Erde zu verwenden, dessen kleinere Halbachse in der Erdumdrehungsachse liegt. Die Theorie von Newton besagt, dass es bei einem um eine Achse drehenden elastischen Erdkörper auf Grund der Zentrifugalkräfte zu einer Auswölbung um Äquator und am Pol zu einer Abplattung kommen muss. Dieser Richtigkeit dieser Theorie wurde um 1735 durch von der französischen Akademie der Wissenschaften organisierte Gradmessungen in Peru (Äquatornähe) und Lappland (Polnähe) bestätigt. Das in Deutschland (früher) verwendete Bessel – Ellipsoid wurde 1841 als Ergebnis aus in Europa und Nordamerika durchgeführten Gradmessungen bestimmt. Es ist ein lokal bestanschließendes Ellipsoid, das vom Geozentrum um ca. 760 m abweicht. Es diente als Bezugsellipsoid außerdem in Österreich, der Schweiz, den Niederlanden, Norwegen, Schweden und Japan. Im Japan 1979 wurden von der IUGG die Werte für ein mittleres Erdellipsoid definiert, wozu u.a. der in der Tabelle angegebenen glatte Werte für a gehört. Dieses ist auch als GR-80 (Geodetic Reference System 1980) bekannt). Auf dem GRS-80 baut das Bezugssystem WGS 84 (World Geodetic System (1984) auf, das im Satellitenmesssystem NAVSTAR – GP 5 weltweite Verwendung findet. Beide Systeme unterscheiden sich nur unwesentlich. WGS 84 ist ein erdfestes globales Bezugssystem einschließlich einem physikalischen Erdmodell. Es wird definiert durch eine Reihe von Primär- und Sekundärparametern. Die Primärparameter definieren die Oberfläche eines Erdellipsoid, seine Rotationsgeschwindigkeit und die Erdmasse, die im Ellipsoiden enthalten ist. Die Sekundärparametern definieren ein detailliertes Schweremodell der Erde. Diese zusätzlichen Parameter sind notwendig, wie das WGS 84 nicht nur die Bestimmung der Bahnkurven von GPS Satelliten dient. Die WGS 84 beschreibt ein mit der Erde rotierendes, geozentrischen, d.h. im Erdschwerpunkt gelagertes dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem, dessen Achsen in ihren positiven Richtungen folgendermaßen definiert sind: Z-Achse = Erdrotationsachse durch den Conventional Terrestrial (North-) Pole, X-Achse = Schnitt der durch den Erdschwerpunkt verlaufenden Parallelfläche zur Meridianebene von Greenwich mit der zur Z-Achse gehörenden Äquatorebene, y-Achse = senkrecht auf der X-Achse und der Z-Achse, mit diesen ein Rechtssystem bildend. Das WGS-84 besitzt eine mittlere Genauigkeit von etwa 1 bis 2 m. Was ist eine Höhe? Höhen geben den vertikalen Abstand von Objekten (Punkten) über eine Höhenbezugsfläche an. In Abhängigkeit von den gesetzten Messverfahren und den bei der Berechnung der Höhen verwendeten theoretischen Grundlagen werden verschiedene Arten von Höhen und die dazugehörenden Höhenbezugsflächen unterschieden. Eine grundsätzliche Unterteilung kann vorgenommen werden in: Höhen, die sich auf das Erdschwerefeld beziehen (physikalisch, z.B. Geoid), Höhen über einer mathematisch definierten Bezugsfläche, z.B. Ellipsoid, Das Geoid ist die Äquipotentielfläche des Erdschwerefeldes, die den mittleren Meeresspiegel bestmöglich approximiert. Im globalen Rahmen weicht das Geoid um maximal bis zu +/- 100 m vom Ellipsoid ab. Ursache hierfür ist die unregelmäßige Massenverteilung im Erdinneren. Die als Geoidundulation oder Geoidhöhe bezeichnete Höhe des Geoids über dem Ellipsoid kann aus Schwerefeldmodellen abgeleitet werden. Zur Berechnung der Schwerefeldmodelle sind global verteilte Messungen von Funktionalen des Erdschwerefeldes notwendig. Normalhöhennull (NHN) ist die Bezugsfläche für Höhen über dem Meeresspiegel im deutschen Haupthöhennetz 1992. Seit Ende der 1990er wird in ganz Deutschland das Höhensystem auf Normalhöhen zum Nullpunkt des Amsterdamer Pegels umgestellt. Die Höhen in diesem System werden in Meter über Normalhöhennull umgestellt. Die Höhen in diesem System werden in Meter über Normalhöhennull (m ü. NHN) angegeben. NHN stellt ein Quasigeoid dar. Die Bezugshöhe ist an einem Nivelleelement an der Kirche Wallenhorst festgemacht. Ebene Koordinatensysteme Transversale Zylinderprojektion Für eine Zylinderprojektion muss der Zylinder die Kugel nicht am Äquator berühren. Es sind auch schiefwinklige Projektionen möglich. Wird der Zylinder gegenüber der Kugel um 90° gedreht, so gelangt man zur transversalen Zylinderprojektion. Für die Verwendung dieser Projektion zur Erzeugung Topographischer Karten wird nicht die gesamte Erde abgebildet, sondern nur einige wenige Grade breite schmale Streifen. Dazu dreht man den Zylinder stückweise um die Erde. Die Meridiane, an denen sich Kugel und Zylinder berühren, nennt man Bezugsmeridiane. Jeder der Streifen besitzt somit einen Bezugsmeridian; auf diesem erfolgt die Projektion verzerrungsfrei. Da die Streifen relativ schmal sind, lassen sich die Verzerrungen minimieren. Geodätischer Koordinatensystem für die Ebene: Während in der Mathematik ein linksdrehendes Koordinatensystem verwendet wird, verwendet man in der Geodäsie ein rechtsdrehendes System (im Uhrzeigersinn). Winkel: Definition, Einheit Der Vollkreis wird im geodätischen Koordinatensystem von 0 bis 400 gon unterteilt, während in der Mathematik der Vollkreis 360° beträgt. Die Winkeleinheit gon besitzt eine Dezimalteilung: 1 gon = 100 cgon 1 cgon = 0,01 gon = 10 mgon 1 mgon = 0,001 gon = 0,1 cgon Ebene Koordinatensysteme Bezogen auf einen Punkt kann jeder andere Punkt auch durch die Angabe einer horizontalen Strecke s und eines Richtungswinkels t in einem Polarkoordinatensystem angegeben werden. Der Richtungswinkel t ist definiert als der Winkel zwischen der Nordrichtung (Richtung der xAchse) und der Richtung der durch zwei Punkte festgelegten Geraden, gezählt von Norden aus im Uhrzeigersinn. Zwischen den Richtungswinkeln t12 und t21 besteht die Beziehung t12 = t21 +/- 200 gon Elektronische Tachymeter Tachymeter gestatten die Messung von Strecken, Horizontal- und Zenitwinkeln. Elektronische Tachymeter bestehen deshalb aus elektronischen Winkelmesssensoren (Theodolit) und einem integrierten elektrischen Distanzmesser. Wesentliche integrierte Bestandteile sind: Der feststehende Unterteil mit dem „Horizontalkreis“ Der drehbare Oberteil mit Ablesemarke Stützen mit dem Vertikalkreis (und der Elektronik) Das Messfernrohr Der elektronische Distanzmesser Elektronische Neigungsgeber, Horizontierlibelle Ein eingebauter Computer mit Tastatur und Display Datenregistriereinheit und Akku Zur Aufstellung des Tachymeters dient ein Dreifuß, der mit Hilfe einer Stängelschraube auf einem Stativ befestigt wird. Eine integrierte Software steuert nach Wahl des Messmodus die Eingabe verschieden Daten, den Messungsablauf, die Messung sowie Berechnung der Ergebnisdaten. Elektronische Tachymeter unterscheiden sich zunächst hinsichtlich ihrer Winkel- und Streckenmessgenauigkeit. Es gibt außerdem Motorisierte Tachymeter, Mit und ohne selbsttätiger Zielsuche, Mit und ohne Fernsteuerung. Die modernste Generation elektronischer Tachymeter sind motorisierte, selbstzielsuchende und messende Robottachymeter, integriert in einen vollständigen Datenfluss von der Messung bis zu Planerstellung! Elektronische Entfernungsmessung Grundprinzip (am Beispiel des Impulsverfahrens) Vom Sender eines nach dem Impulsverfahren arbeitenden elektronischen Distanzmessers wird ein Lichtimpuls erzeugt, und mit „bekannter“ Fortpflanzungsgeschwindigkeit c ausgesandt, am Ende der Strecke s‘ reflektiert und vom Empfänger detektiert. Durch Messung der Laufzeit t, die der Lichtimpuls für die doppelt durchlaufende Strecke s‘ benötigt, lässt sich die Strecke ableiten: 2 * s‘ = c * t bzw. s‘ = c * t/2 Die Distanz s‘ zwischen dem Tachymeter und dem Reflektor ist üblicherweise eine Schrägdistanz. Für die Ermittlung der Koordinaten des Endpunktes der Strecke benötigt man allerdings die Horizontalstrecke s. Die gesuchte Horizontalstrecke s kann berechnet werden mit Hilfe des gemessenen Zenitwinkels z AB: SAB = s’AB * sin zAB Trigonometrische Höhenmessung Misst man zusätzlich die Instrumentenhöhe i des Tachymeters und die Reflektorhöhe t lässt sich ausgehend von der Höhe HA des Punktes A die Höhe HB des Punktes B berechnen: ΔhAB sAB cot(ZAB) HB = HA + ΔhAB + i -t Terrestrische Laserscanner Unter Scannen versteht man einen automatischen Vorgang, der ein Realobjekt berührungslos und vollständig abtastet. Dabei werden ein-, zwei oder dreidimensionale Informationen ermittelt, die mit dem Computer weiterverarbeitet werden können. Die berührungslose und dreidimensionale Vermessung von Objekten und Raumstrukturen ermöglicht die schnelle und automatische Erfassung sowie die Generierung von 3D-CAD-Daten aus den aufgenommenen Messwerten. Bei einem Laserscanner wird ein Laserstrahl auf die Oberfläche eines Messobjektes gerichtet, von dort reflektiert und die Entfernung gemessen. Die horizontale und vertikale Richtung des ausgesandten Laserstrahles wird vom Instrument vorgegeben (=bekannt). Mit diesen drei vektoriellen Größen lassen sich die Raumkoordinaten jedes einzelnen Objektpunktes (=Punkt am Objekt, von dem der Laserstrahl reflektiert wurde) berechnen. Der Einsatz von Laserscanner, bietet sich an, wenn es darum geht, räumlich unregelmäßig verteilte Informationen hoher Dichte (z.B. komplizierte technische Objekte) wirtschaftlich zu erfassen. Geometrisches Nivellement – Grundprinzip Die Messung von Höhenunterschieden erfolgt mit Hilfe des horizontalen Zielstrahles eines Nivellierinstrumentes, wobei an lotrecht gehaltenen Maßstäben (Nivellierlatten) die vertikalen Abstände r und v zwischen dem Zielstrahl und den Aufsetzpunkten der Latten abgelesen werden. Der Höhenunterschied Δh zwischen den Latten-Aufsetzpunkten ergibt sich aus der Differenz der Ablesungen beim Rückblick r und beim Vorblick v: Δh = r – v Kompensatornivellier Statt mit einer Libelle kann der Zielstrahl eines Nivelliers auch mit mechanisch-optischen Bauelementen automatisch horizontiert werden. Ein Kompensator besteht aus zwei fest mit dem Messfernrohr verbundenen Umlenkprismen und einem pendelnd zum Fernrohr angebrachten Spiegelprisma. Digitalnivelliere bauen auf den analogen Kompensatornivellieren auf. Sie stellen eine Kombination einer digitalen Kamera mit einem Kompensatornivellier dar. GNSS – Global Navigation Satellite System Grundprinzip: 3D-Koordinatenbestimmung mit Hilfe eines Bogenschlages; hierzu werden ausgehend von koordinatenmäßig bekannten Satelliten durch Messung der Laufzeit eines Signals die Strecken zwischen den Satelliten und einem Empfänger auf der Erde bestimmt. Zwei System sind heute von Bedeutung: 1. NAVSTAR – GPS 2. GLONASS Beide Systeme sind militärischen Ursprungs. 3D-Punktbestimmung mit GNSS Die Positionsbestimmung eines Punktes an der Erdoberfläche erfolgt durch die Messung der Entfernung zwischen mindestens 3 Satelliten und einem Empfänger auf dem Punkt. Die 3DPunktkoordinaten werden mit einem räumlichen Bogenschnitt über die allgemeine Kugelgleichung berechnet. Hierzu müssen die die Koordinaten der Satellitenpositionen bekannt sein. Komponenten des Satellitennavigationssystems (GPS) Kontrollsegment (Kontrolle und Steuerung) Nutzersegment (Messung und Berechnung) Kontrollstationen berechnen die Satellitenbahnen und senden diese Informationen an den Satelliten, die dann ihrerseits diese Parameter zusammen mit codierten Radiosignalen weitervermitteln. DGPS Differential GPS DGPS ist eine Technik um die Genauigkeit der Positionsbestimmung zu verbessern. Dabei wird an einem bekannten Punkt die Abweichung der gemessenen Position von der tatsächlichen Position als Korrekturfaktor für weitere Empfänger verwendet. Mit DGPS werden system- und naturbedingte Fehler der GPS-Signale eliminiert. Dazu vergleicht ein Referenzempfänger die für seinen Standpunkt gemessene Position mit der tatsächlichen. Die Differenz dieser Werte (daher Differenzial GPS) entspricht dem Fehler den die übertragenen GPS Signale enthalten und kann zur Korrektur verwendet werden. Wichtig ist, dass die Messungen am Referenzempfänger und den anderen GPS Empfängern (Rover) zur gleichen Zeit und mit den gleichen Satelliten erfolgen.
© Copyright 2024 ExpyDoc
