Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
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.
