Erdwärme ist eine erneuerbare Energiequelle, emissionsarm und kann im Energiemix einen Teil der Grundlast übernehmen. Wird tief in die Erdkruste gebohrt, steigt die Temperatur im Schnitt pro 100 Meter um etwa drei Grad Celsius an. Allerdings treffen die Bohrer bei tiefen Geothermiebohrungen auf unterschiedliche Materialien, darunter auch Hartgesteine. Diese lassen sich nur mit geringen Vortriebsraten bohren und verschleißen die Bohrkrone schneller. Das führt zu hohen Kosten, die Investoren oft davon abhalten, Geothermieprojekte tatsächlich umzusetzen. Das Fraunhofer IPT hat deshalb gemeinsam mit Partnern im Forschungsprojekt »LaserJetDrilling« ein Verfahren zum laserunterstützten mechanischen Bohren in Hartgestein entwickelt und im Feldversuch erfolgreich getestet.
Bei dem neu entwickelten Verfahren haben die Forscher den mechanischen Bohrer um einen Hochleistungslaser ergänzt, dessen Energie anhand eines Wasserstrahls auf das Gestein geführt wird. So gelingt es, das Material unmittelbar vor dem Bohrprozess zu schwächen und den mechanischen Abtrag mit dem Bohrwerkzeug zu erleichtern. Der Wasserstrahl führt dabei nicht nur den Laserstrahl bis auf das Gestein, sondern verhindert gleichzeitig auch Verunreinigungen und Beschädigungen der empfindlichen Laseroptiken.
Um die Vortriebsraten der Bohrkrone zu steigern und dessen Schneide zu schonen, ist es erforderlich, zusätzliche Energie in das Bohrloch einzubringen. Da bei zunehmender Bohrtiefe unterschiedliche und oft unvorhersehbare Materialen bearbeitet werden müssen, eignet sich der Laser als Werkzeug aufgrund der flexiblen Anpassung der Leistung besonders gut.
Erfolgreiche Tests des hybriden Werkzeugs
Die Aachener Forscher haben in der Maschinen- und Werkzeughalle des Fraunhofer IPT einen Prüfstand mit einem Laser und einem Schneidwerkzeug aufgebaut, der eine Lichtleistung bis zu 30 Kilowatt erreicht. In Laborversuchen testeten die Projektpartner den Prozess und trafen Vorbereitungen für seine Übertragung auf den realen Anwendungsfall: Die Hartgesteine Sandstein, Granit und Quarzit mit einer Festigkeit von mehr als 150 Megapascal wurden bis zu 80 Prozent durch den Laser geschwächt.
Im nächsten Schritt setzten die Ingenieure den Laser dann am Bohrgerät in einem eigens entwickelten Bohrstrang ein und erprobten das neue Werkzeug erfolgreich gemeinsam mit dem Internationalen Geothermie Zentrum Bochum im Feldversuch unter realistischen Bedingungen.
In zukünftigen Forschungsprojekten möchten die Partner die Laserleistung noch besser verteilen und das hybride Werkzeug um digitale Sensoren ergänzen, um Feedback aus dem Bohrprozess zu erhalten und so besser auf Änderungen entlang des Bohrpfads reagieren zu können.
Kostengünstige Geothermiebohrungen für die Gewinnung regenerativer Energie
Mit dem leistungsstarken Bohrsystem kann es gelingen, die Kosten tiefer Geothermiebohrungen zu senken und Erdwärme als unerschöpfliche Energiequelle nutzbar zu machen. Diese Energieform kann einen Teil der Grundlast im Energiemix übernehmen und andere regenerative Quellen wie Sonne, Wind und Wasser gegenüber fossilen Brennstoffen und Kernenergie vergleichsweise umweltschonend und risikoarm ergänzen.
Projektkonsortium
Bei dem neu entwickelten Verfahren haben die Forscher den mechanischen Bohrer um einen Hochleistungslaser ergänzt, dessen Energie anhand eines Wasserstrahls auf das Gestein geführt wird. So gelingt es, das Material unmittelbar vor dem Bohrprozess zu schwächen und den mechanischen Abtrag mit dem Bohrwerkzeug zu erleichtern. Der Wasserstrahl führt dabei nicht nur den Laserstrahl bis auf das Gestein, sondern verhindert gleichzeitig auch Verunreinigungen und Beschädigungen der empfindlichen Laseroptiken.
Um die Vortriebsraten der Bohrkrone zu steigern und dessen Schneide zu schonen, ist es erforderlich, zusätzliche Energie in das Bohrloch einzubringen. Da bei zunehmender Bohrtiefe unterschiedliche und oft unvorhersehbare Materialen bearbeitet werden müssen, eignet sich der Laser als Werkzeug aufgrund der flexiblen Anpassung der Leistung besonders gut.
Erfolgreiche Tests des hybriden Werkzeugs
Die Aachener Forscher haben in der Maschinen- und Werkzeughalle des Fraunhofer IPT einen Prüfstand mit einem Laser und einem Schneidwerkzeug aufgebaut, der eine Lichtleistung bis zu 30 Kilowatt erreicht. In Laborversuchen testeten die Projektpartner den Prozess und trafen Vorbereitungen für seine Übertragung auf den realen Anwendungsfall: Die Hartgesteine Sandstein, Granit und Quarzit mit einer Festigkeit von mehr als 150 Megapascal wurden bis zu 80 Prozent durch den Laser geschwächt.
Im nächsten Schritt setzten die Ingenieure den Laser dann am Bohrgerät in einem eigens entwickelten Bohrstrang ein und erprobten das neue Werkzeug erfolgreich gemeinsam mit dem Internationalen Geothermie Zentrum Bochum im Feldversuch unter realistischen Bedingungen.
In zukünftigen Forschungsprojekten möchten die Partner die Laserleistung noch besser verteilen und das hybride Werkzeug um digitale Sensoren ergänzen, um Feedback aus dem Bohrprozess zu erhalten und so besser auf Änderungen entlang des Bohrpfads reagieren zu können.
Kostengünstige Geothermiebohrungen für die Gewinnung regenerativer Energie
Mit dem leistungsstarken Bohrsystem kann es gelingen, die Kosten tiefer Geothermiebohrungen zu senken und Erdwärme als unerschöpfliche Energiequelle nutzbar zu machen. Diese Energieform kann einen Teil der Grundlast im Energiemix übernehmen und andere regenerative Quellen wie Sonne, Wind und Wasser gegenüber fossilen Brennstoffen und Kernenergie vergleichsweise umweltschonend und risikoarm ergänzen.
Projektkonsortium
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
- GZB Internationales Geothermie Zentrum Bochum e.V.
- Herrenknecht Vertical GmbH, Schwanau
- IPG Laser GmbH, Burbach
- KAMAT Pumpen GmbH & Co. KG, Witten
- Synova S.A. (assoziierter Partner), Duillier, Schweiz
