Fraunhofer-Wissenschaftler haben ein innovatives Werkzeug entwickelt, das bei Geothermieprojekten zusätzliche Zweigbohrungen von der Hauptbohrung aus ermöglicht. Das senke das Risiko von Fehlbohrungen und verbessere die Förderleistung, berichtet die Fraunhofer-Gesellschaft. Die mit einem Diamant-Bohrmeißel bestückte Mikro-Bohrturbine ist nur 10 Zentimeter lang und hat einen Durchmesser von 3,6 Zentimeter. Beim Bohren rotiert sie mit bis zu 80 000 Umdrehungen pro Minute. (Beitragsbild:  Mikro-Bohrturbine; Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft).

Einfach und zuverlässig: Der Ablenkschuh aus Stahlblech führt das Bohrwerkzeug in einem 45-Grad-Winkel nach außen.

Das Fündigkeitsrisiko liegt bei der tiefen Geothermie bei etwa 30 Prozent. Der Minibohrer, den die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG in Bochum entwickelt hat, perforiert das Umfeld der Bohrung in einem Umkreis von etwa 50 Metern. Dabei stößt er in benachbarte Risse und Klüfte vor und erschließt diese für die Heißwassergewinnung. Das Wasser fließt in die Förderbohrung und kann nach oben gepumpt werden.

Entwickelt wurde die Technologie Micro Turbine Drilling (MTD) von Niklas Geißler, der am Fraunhofer IEG in Bochum und am Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC in Schweden forscht. „Bohrungen, die mehrere Kilometer in die Erdkruste vordringen, kosten mehrere Mio. €. Die mit dem MTD herstellbaren Zweigbohrungen vergrößern das Einzugsgebiet für das Heißwasser, und das Fündigkeitsrisiko sinkt deutlich“, erläutert Geißler.

Herzstück von Micro Turbine Drilling (MTD) ist die kompakte Mikro-Bohrturbine, die mit einem speziellen Bohrmeißel ausgestattet ist. Die Mikro-Bohrturbine ist an einem hochdrucktauglichen Schlauch befestigt, über den sie mit bis zu 200 Liter Wasser pro Minute bei etwa 100 bar Eingangsdruck angetrieben wird, um den Meißel in Rotation zu versetzen. Dieser besteht aus einer Wolframcarbid-Matrix mit eingearbeiteten Diamantkörnern und schleift sich mit bis zu 80.000 Umdrehungen pro Minute in das Gestein. Dabei ist er den Angaben zufolge besonders für sehr hartes, kristallines Gestein wie Granit geeignet. Er ist aber auch in der Lage, Stahl zu durchbohren. Das ist wichtig, da die Bohrungen für bessere Stabilität häufig mit einer Stahlverrohrung ausgekleidet sind.

Hartgestein macht bestehende ähnliche Verfahren für Geothermie unbrauchbar

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. Das Wasser, das die Mikroturbine antreibt, dient zugleich als Kühlung, damit der Bohrer nicht heiß läuft, und auch als Spülung, um den Bohrstaub abzutransportieren“, so Geißler weiter.

Ähnliche Verfahren gab es in der Vergangenheit bereits. Doch das ebenfalls druckwasserbasierte Radial Jet Drilling (RJD) beispielsweise funktioniere nur in weichem Gestein. Für die Geothermie ist es damit ungeeignet, da geothermische Reservoire nur mit wenigen Ausnahmen im Hartgestein zu finden sind.

Zahl der Geothermie-Kraftwerke in Europa könnte sich in kurzer Zeit verdoppeln

Eine Herausforderung beim Verfahren liegt darin, die Mikro-Turbine aus der Hauptbohrung heraus abzulenken und bei relativ großem Angriffswinkel ins umliegende Gestein zu treiben. Dafür haben die IEG-Forschenden eine spezielle Ablenkvorrichtung entwickelt. Mit diesem sogenannten Ablenkschuh kann das kompakte Werkzeug in einem Winkel von ca. 45 Grad aus der Hauptbohrung herausgeführt werden. So erschließt das Bohrwerkzeug rund um die Hauptbohrung neue Risse und Klüfte mit Heißwasser. 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.

Blick in einen frisch gebohrten Seitenarm in 346 Meter. Die Mikro-Bohrturbine hat das Granitgestein sauber ausgefräst. (Bildquelle: Fraunhofer-Gesellschaft)

Das Verfahren wurde bereits mehrfach im schweizerischen Bedretto Underground Laboratory (BUL) in der Nähe des Gotthard-Tunnels in bis zu 350 Metern Tiefe getestet. Es funktioniere sehr solide und arbeite nahezu fehlerfrei, betont Geißler.

Die Fraunhofer IEG-Forschenden treiben das Vorhaben weiter voran. Im nächsten Schritt sollen die Bohrgeräusche aufgenommen werden. Als akustische Referenz bei der Analyse könne dabei auch das Geräusch der Mikro-Bohrturbine dienen, deren Schaufeln bei der Rotation ein charakteristisches Pulsmuster aussenden. Mit der Analyse der Audioaufnahme ließen sich die Gesteinsarten, die der Meißel bearbeitet, erkennen. Zugleich lasse sich feststellen, ob der Bohrer sich in der richtigen Geschwindigkeit dreht, gerade feststeckt oder leerläuft. Die Geräusche werden dabei auf die stählerne Rohrleitung als Körperschall übertragen und aufgenommen.

Fachleute schätzen, dass sich die Zahl der Geothermie-Kraftwerke in Europa in den nächsten fünf bis acht Jahren verdoppeln wird. Micro Turbine Drilling aus dem Fraunhofer IEG könne einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Förderbohrungen weniger riskant, weniger aufwendig und noch wirtschaftlicher zu gestalten.

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