Geothermie: Mit Mikro-Bohrturbine auf Erdwärme stossen
Das Risiko, bei einer Geothermie-Bohrung nicht genügend Erdwärme vorzufinden, liegt bei etwa 30 Prozent. Mit Zweigbohrungen liesse es sich minimieren: Am deutschen Fraunhofer Institut wurde eine entsprechende Mikro-Bohrturbine entwickelt.
Quelle: Fraunhofer Institut
Die mit einem Diamant-Bohrmeissel bestückte Mikro-Bohrturbine ist nur zehn Zentimeter lang und hat einen Durchmesser von 3,6 Zentimetern. Beim Bohren rotiert sie mit bis zu 80 000 Umdrehungen pro Minute.
Sie ist ein schier unerschöpfliche Energiequelle: die Erdwärme. In der zirka 30 Kilometer dicken Erdkruste, findet sich heisses Wasser in Reservoiren, Klüften oder Rissen. Bereits in einer Tiefe 5000 Meter Tiefe hat das Wasser bis zu 200 Celsius und kann über Dampfturbinen zur Erzeugung von Strom oder zum Heizen genutzt werden. – Allerdings liegt die Möglichkeit, dass man bei einer Geothermie-Bohrung nicht genügend Erdwärme vorfindet – Fachleute sprechen vom Fündigkeitsrisiko – laut Fraunhofer Institut bei etwa 30 Prozent.
Dies will ein Forschungsteam von der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG) in Bochum ändern: mit einem Minibohrer, der das Umfeld einer Bohrung in einem Umkreis von etwa 50 Metern perforiert. Auf diese Weise kann er benachbarte Risse und Klüfte erschliessen und sie für die Heisswassergewinnung erschliessen. Das Wasser fliesst in die Förderbohrung und kann nach oben gepumpt werden.
„Bohrungen, die mehrere Kilometer in die Erdkruste vordringen, kosten mehrere Millionen Euro. Die mit dem MTD herstellbaren Zweigbohrungen vergrössern das Einzugsgebiet für das Heisswasser“, erklärt Niklas Geissler. Er hat die Micro-Turbine-Drilling-Technologie (MTD) entwickelt und forscht am Fraunhofer IEG in Bochum und am Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC in Schweden forscht. Das Fündigkeitsrisiko sinkt laut Geissler damit deutlich.
Granit und Stahl durchbohren
Herzstück von Micro Turbine Drilling (MTD) ist eine Mikro-Bohrturbine mit einem Durchmesser von 3,6 Zentimetern und einer Länge von zehn Zentimentern. Sie ist mit einem speziellen Bohrmeissel ausgestattet, der über einen hochdrucktauglichen Schlauch betrieben wird, durch den pro Minute bis zu 200 Liter Wasser bei etwa 100 bar Eingangsdruck schiessen. Der Meissel fräst sich dabei mit bis zu 80‘000 Umdrehungen pro Minute in das Gestein. Wie es in der Medienmitteilung heisst, eignet er sich besonders für sehr hartes, kristallines Gestein wie Granit, ist aber auch in der Lage, Stahl zu durchbohren.
Letzteres ist wichtig, weil die Bohrungen für bessere Stabilität häufig mit einer Stahlverrohrung ausgekleidet sind. Ohne das Bohrwerkzeug zu tauschen, kann mit dem MTD in einem Schritt zuerst die Stahlverrohrung und dann das Gestein bearbeitet werden. „In der Stunde schaffen wir zwei bis drei Meter“, so Geissler. „Das Wasser, das die Mikroturbine antreibt, dient zugleich als Kühlung, damit der Bohrer nicht heiss läuft, und auch als Spülung, um den Bohrstaub abzutransportieren.“
Zwar gab es ähnliche Verfahren in der Vergangenheit bereits. Doch das zum Beispiel ebenfalls druckwasserbasierte Radial Jet Drilling (RJD) funktioniert nur in weichem Gestein. Für die Geothermie ist es damit ungeeignet, weil geothermische Reservoire nur mit wenigen Ausnahmen im Hartgestein liegen.
Tests im Gotthard
Eine Herausforderung beim Verfahren liege darin, die Mikro-Turbine aus der Hauptbohrung heraus abzulenken und bei relativ grossem Angriffswinkel ins umliegende Gestein zu treiben, schreibt das Fraunhofer Institut. Dafür hat das IEG-Forschungsteam eine spezielle Ablenkvorrichtung entwickelt. Mit diesem sogenannten Ablenkschuh kann der Bohrer in einem Winkel von etwa 45 Grad aus der Hauptbohrung herausgeführt werden und rund um die Hauptbohrung neue Risse und Klüfte mit Heisswasser erschliessen. Durch den hydraulischen Druck, der entsteht, wenn das Wasser nach oben gepumpt wird, fliesst das Wasser aus den Rissen und Klüften nun ebenfalls in die Hauptbohrung.
Getestet wurde das kleine Gerät übrigens in der Schweiz: Man sei sehr dankbar dafür, dass man das Micro Turbine Drilling bereits mehrfach im Bedretto Underground Laboratory (BUL) in der Nähe des Gotthard-Tunnels in bis zu 50 Metern Tiefe testen konnte, so Geissler. „ Das Verfahren funktioniert sehr solide und arbeitet nahezu fehlerfrei.“
Tunnelbau und Geotechnologie
In einem nächsten Schritt sollen nun Bohrgeräusche aufgenommen werden. Mit der Analyse der solcher Aufnahmen können die Gesteinsarten, die der Meissel bearbeitet, erkannt werden. Gleichzeitig lässt sich feststellen, ob sich der Bohrer in der richtigen Geschwindigkeit dreht, ob er gerade feststeckt oder gar leerläuft.
Allerdings eignet die Technologie ist nicht nur für Geothermie-Anwendungen. „Generell kann das MTD in jeder Tiefbohrung eingesetzt werden, wo es darauf ankommt, die Umgebung einer Bohrung mit möglicherweise heterogenen Gesteinsarten zu erkunden“, erläutert Geissler. Etwa für die Öl- oder Gasindustrie. Im Bereich Geotechnologien oder Tunnelbau könnten mit dieser Mikro-Bohrtechnologie beispielsweise Ankerbohrungen an schlecht zugänglichen Stellen gesetzt werden, an denen der Einsatz konventioneller Geräte aus Platzgründen nicht möglich sei, so Geissler.
Dennoch, die Hauptanwendung der 2020 zum Patent angemeldeten Technologie dürfte aber sicherlich die Gewinnung von Erdwärme bleiben. Fachleute schätzen, dass sich die Zahl der Geothermie-Kraftwerke in Europa in den nächsten fünf bis acht Jahren verdoppeln wird. (mai/mgt)
