Mit dem Hochleistungslaser durchs Gestein

Der Hochleistungslaser ist in den Bohrkopf integriert. Er verringert den Verschleiß des Bohrwerkzeugs und sorgt für einen schnelleren Bohrfortschritt.

Vorversuche mit Gesteinen und Hochleistungsmaterialien

Am Versuchsstand mit einem Laserkopf zur Erzeugung des Hochleistungs-Laser-Wasserstrahls führt das Fraunhofer IPT Prozessuntersuchungen durch.

Geothermie-Bohrungen in Bochum

Hochleistungslaser lässt Hartgestein bröckeln.

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Geothermiebohrungen mit dem Hochleistungslaser

Die Erdwärme zur Gewinnung regenerativer Energie nutzbar zu machen, lohnt sich. Besonders ertragreich sind Geothermiebohrungen in tieferen Schichten der Erdkruste. Doch mit zunehmender Tiefe steigen die Kosten der Bohrungen durch den Verschleiß der Bohrwerkzeuge und niedrige Vortriebsraten überproportional – und damit auch das wirtschaftliche Risiko. Das Fraunhofer IPT setzt auf die Kombination von Wasser und einem Hochleistungslaser und entwickelt ein Bohrverfahren, dass die Kosten für Geothermiebohrungen in großer Tiefe deutlich senken und damit eine flächendeckende Erdwärmeversorgung in Deutschland fördern kann.

Mit dem Hochleistungs-Laser durch Gestein

Zusätzlich zu einem konventionellen mechanischen Bohrkopf wird ein wassergeführten Hochleistungs-Laserstrahl eingesetzt. Um selbst hartes Gestein wie Granit zu vertretbaren Kosten bohren zu können, ist eine Laserleistung bis zu 30 kW erforderlich, die durch den Wasserstrahl zielgerichtet in das Bohrloch eingebracht wird und so den mechanischen Bohrprozess unterstützt. In Laborversuchen konnten die Aachener Ingenieure eine Schwächung von Quarzit und Granit mit einer Ausgangs-Festigkeit von mehr als 150 MPa um 40 bis 80 Prozent nachweisen. Auf diese Weise verringert sich der Verschleiß des Bohrwerkzeugs auf ein Minimum – bei gleichzeitig schnellerem Bohrfortschritt. Der Wasserstrahl führt dabei nicht nur den Laserstrahl bis auf das Gestein, sondern verhindert gleichzeitig auch Verunreinigungen und Beschädigungen der empfindlichen Laseroptiken.

Das System wurde im Projekt »LaserJetDrilling« entwickelt und ähnelt einer Technologie, die bisher nur in der Mikrobearbeitung eingesetzt wurde. Diesen technologischen Ansatz übertrugen die Projektpartner nun im großen Maßstab auf Geothermiebohungen und validierten die Technologie Mitte 2018 am Geothermiezentrum Bochum durch oberflächennahe Bohrversuche in festem Gestein. Um die Laserstrahlung in den rotierenden Bohrstrang einzukoppeln entwickelte das Fraunhofer IPT einen speziellen Faser-Faser-Drehkoppler, mit dem sich die hohen Laserleistungen von der Laserquelle bis zum Bohrkopf nahezu verlustfrei übertragen lassen.

© Fraunhofer IPT

Versuchsstand mit integriertem Hochleistungslaser für die Prozessuntersuchung von Gesteinen und Hochleistungsmaterialien

Versuchsstand mit integriertem Hochleistungs-Laser

Das Fraunhofer IPT verfügt heute über einen Versuchsstand mit einem Laserkopf zur Erzeugung des Hochleistungs-Laser-Wasserstrahls. Damit lassen sich Prozessuntersuchungen verschiedener Gesteine, aber auch von Hochleistungsmaterialien durchführen, um die Technologie für die Bohrindustrie zu testen und gemeinsam in weiteren Forschungsprojekten zur Marktreife zu führen.

Kostengünstige Geothermiebohrungen für regenerative Energiegewinnung

Mit dem neuen Bohrsystem kann es gelingen, die Kosten tiefer Geothermiebohrungen beträchtlich zu senken und einen Beitrag dazu zu leisten, Erdwärme als jederzeit verfügbare Energiequelle in Deutschland nutzbar zu machen. Diese Energieform kann dann einen Teil der Grundlast im Energiemix übernehmen und regenerative Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft gegenüber fossilen Brennstoffen und Kernenergie vergleichsweise umweltschonend und risikoarm ergänzen.

Unsere Leistungen

  • Prozessuntersuchung verschiedener Gesteine und Hochleistungsmaterialien
  • Entwicklung von Hochleistungs-Laserköpfen mit Laser-Wasserstrahl oder mit konventioneller Strahlführung
  • Entwicklung von Systemtechnik zum Einsatz in realer Umgebung