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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 Fax 0561-3 18-27 16 E-Mail: [email protected] www.kaliverein.de 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 Niederheidenstr. 22/24 15366 Neuenhagen bei Berlin Tel. 0 33 42-2 49 94 20 Fax 0 33 42-2 49 94 21 E-Mail: [email protected] www.diepiloten.de Druck: Grafische Werkstatt von 1980 GmbH Yorckstr. 48 34123 Kassel Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechts ist ohne schriftliche Genehmigung des Kalivereins unzulässig. Dies gilt auch für herkömmliche Vervielfältigungen (darunter Fotokopien, Nachdruck), Übersetzungen, Aufnahme in Mikrofilmarchive, elektronische Datenbanken und Mailboxes sowie für Vervielfältigungen auf CD-ROM oder anderen digitalen Datenträgern. – Jede im Bereich eines gewerblichen Unternehmens zulässig hergestellte oder benutzte Kopie dient gewerblichen Zwecken gem. § 54 (2) UrhG und verpflichtet zur Gebührenzahlung an die VG Wort, Abteilung Wissenschaft, Goethestr. 49, D-80336 München. 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 4 Kali und Steinsalz 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 K+S Aktiengesellschaft Prof. Dr. Ingo Stahl Bereichsleiter Forschung und Entwicklung, Kassel 6 Kali und Steinsalz 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. Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung Forschung und Entwicklung 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 8 Kali und Steinsalz 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 Forschung und Entwicklung 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 10 Kali und Steinsalz Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung Forschung und Entwicklung 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. 12 Kali und Steinsalz 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 Forschung und Entwicklung Forschung und Entwicklung 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 14 Kali und Steinsalz 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 Forschung und Entwicklung 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 16 Kali und Steinsalz 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- Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung Lagermächtigkeit Forschung und Entwicklung 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 18 Kali und Steinsalz 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 Forschung und Entwicklung 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 20 Kali und Steinsalz 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- Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung 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- 22 Kali und Steinsalz 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- Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung 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. 24 Kali und Steinsalz (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 Forschung und Entwicklung 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. Forschung und Entwicklung 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. 26 Kali und Steinsalz 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 Forschung und Entwicklung 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 28 Kali und Steinsalz Forschung und Entwicklung 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 Forschung und Entwicklung Forschung und Entwicklung 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 30 Kali und Steinsalz 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. lagerstätten sowie des Gebirgsverhaltens von Salzgesteinsmassen. 237 S. Bornträger, Berlin (1959) BRAITSCH, O.: Entstehung und Stoffbestand der Salzlagerstätten. Mineralogie u. Petrographie in Einzeldarstellungen, Bd. III. 232 S. Springer-Verlag, Berlin-GöttingenHeidelberg (1962) D’ANS, J., KATZ, W.: Magnesiumhydroxid-Löslichkeiten, pH-Zahlen und Pufferung im System H2OMgCl2-Mg(OH)2. 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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 32 Kali und Steinsalz 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 Technik und Anwendung 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- 34 Kali und Steinsalz 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 Technik und Anwendung 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 Technik und Anwendung 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 Technik und Anwendung 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 36 Kali und Steinsalz 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 Technik und Anwendung Technik und Anwendung 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 38 Kali und Steinsalz 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 Technik und Anwendung 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 40 Kali und Steinsalz 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. Technik und Anwendung 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. Literaturverzeichnis Schmeisky + Lenz, 1998; Zur Begrünung von Rückstandshalden der Kaliindustrie – Ergebnisse einer 25jährigen Forschungsarbeit. Sonderdruck aus Glückauf mit Kali und Steinsalz 134 (1998) Nr. 9 Seite 501 bis 515 Diekmann, 1996; Neue Wege in der Aufbereitung von Aluminium-Salzschlacken Vortrag anläßlich der 7. Duisburger Recyling-Tage 1996 Demmich, 1993; Mechanismen und angewandte Verfahren zur Verfestigung von Rückstandshalden, Semi- Abb. 13: Erster endbeschütteter Bereich/ First area with final slope design height 100 m nar „Reststoffentsorgung CBW-4360-03) des VDI Bildungswerkes am 13./14.01.1993 in Düsseldorf, BW 1880, Düsseldorf 1993. Kempf, 1999; Internes Arbeitspapier, Gesellschaft für die Aufbereitung und Verwertung von Reststoffen mbH, Postfach 56 29, 97006 Würzburg Puzzolan-Langzeitwirkung der Mischungen aus Stabilisat, Asche und REKAL-Rückstand. Verwertung von REKAL als Auslaugschutz Macke, 1997; Interne Berichte Ingenieurgesellschaft Prof. Dr.-Ing. Eugen Macke, Am Hafen 22, 38112 Braunschweig Buß, 1998; Interne Berichte, Prof. Dr.-Ing. Johann Buß, Gesellschaft für Grundbau und Umwelttechnik GmbH, Am Hafen 22, 31112 Braunschweig Meer, 2000; Windströmungsfelder an der Kalihalde Sigmundshall. Simulation der Strömungsfelder für regionaltypische Windsituationen und vorläufige Einschätzung der Prartikelverfrachtung. Diplomarbeit Uwe Meer, Februar 2000. Geographisches Institut der Universität Hannover, Physische Geographie und Landschaftsökologie Scheer, 2001; Rekultivierung von Rückstandshalden der Kaliindustrie, Untersuchungen zur Nutzbarkeit aufbereiteter Salzschlacke der Sekundäraluminium-Industrie als Rekultivierungsmaterial einer KaliRückstandshalde. Tobias Scheer, Dissertation 2001. Universität-Gesamthochschule Kassel, Fachbereich Landwirtschaft, Internationale Agrarentwicklung und ökologische Umweltsicherung Scheffer/Schachtschabel; Lehrbuch der Bodenkunde, 14. neu bearbeitete und erweiterte Auflage, S. 288, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, 1998 Hermsmeyer, 2001 Hermsmeyer, 2001. Bodenphysikalische-hydrologische Bewertung von Rückständen der Aluminium-Kreislaufführung als Infiltrationsbarriere für eine Halde des Kalibergbaus. Dissertation. Fachbereich Geowissenschaften und Geographie der Universität Hannover Keller, 1978; Keller, R. (Hrsg.) 1978. Hydrologischer Atlas der Bundesrepublik Deutschland. Harald Boldt Verlag, Boppard. Richter, D. 1995; Ergebnisse methodischer Untersuchungen zur Korrektur des systematischen Messfehlers des Hellmann-Niederschlagsmessers. Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr. 194. Deutscher Wetterdienst DWD, Offenbach. Wöhler, V., 1999; Aufbereitete Aluminium-Salzschlacke als Rekultivierungsmaterial. Dissertation, Universität Gh Kassel, Fachgebiet 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 42 Kali und Steinsalz 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 44 Kali und Steinsalz 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 46 Kali und Steinsalz 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 K+S Aktiengesellschaft 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. 48 Kali und Steinsalz 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. K+S Aktiengesellschaft 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- 50 Kali und Steinsalz 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.