Der Einsatz regenerativer Energien umfasst nicht nur die Erzeugung von Strom aus Sonne, Wind, Wasserkraft oder Biomasse, sondern auch von Geothermie zur Gewinnung von Wärme, Kälte oder Strom durch Kraft-Wärme-Kopplung. Besonders ertragreich sind Geothermie-Bohrungen in tiefere 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.
Abb.: Laserversuchsstand für die Prozessuntersuchung verschiedener Gesteine und Hochleistungsmaterialien. (Bild: Fh.-IPT)
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachen entwickelt gemeinsam mit Partnern im Forschungsprojekt „LaserJetDrilling“ ein Verfahren, das die Kosten für Geothermie-Bohrungen in großer Tiefe deutlich senken und damit eine flächendeckende Erdwärmeversorgung in Deutschland fördern kann.
Das neue Bohrverfahren kann dazu beitragen, die Investitionskosten besonders tiefer Geothermie-Bohrungen deutlich zu senken. Zusätzlich zu einem konventionellen Bohrkopf setzen die Projektpartner auf einen wassergeführten Hochleistungs-Laserstrahl. Um selbst hartes Gestein wie Granit zu brechen, ist eine Energie von bis zu dreißig Kilowatt erforderlich, die durch den Wasserstrahl zielgerichtet in das Bohrloch eingebracht wird und so den mechanischen Bohrprozess unterstützt. 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 der empfindlichen Laseroptiken.
Das System basiert auf einer Technologie, die der assoziierte Partner Synova aus der Schweiz ursprünglich für die Mikrobearbeitung entwickelt hat. Diesen technologischen Ansatz im großen Maßstab auch auf Geothermie-Bohrungen zu übertragen, ist das Ziel des Forschungsprojekts, das im November 2017 abgeschlossen wird. Das Projektkonsortium aus fünf Industriepartnern unter Leitung des Fraunhofer-IPT entwickelte dafür sowohl den Bohrstrang, die Bohrkrone mit dem Laserkopf und einen optischen Drehkoppler zur Übergabe der Laserstrahlung in den rotierenden Bohrstrang als auch eine leistungsfähige Strahlquelle und die Pumpentechnik für den laserunterstützten Bohrprozess. Die Industrietauglichkeit der Projektergebnisse wollen die Partner noch bis zum Abschluss des Projekts durch reale Bohrversuche in festem Gestein validieren.
Durch die Ergebnisse des Projekts kann es gelingen, die Kosten tiefer Geothermie-Bohrungen beträchtlich zu senken und Erdwärme als jederzeit verfügbare Energiequelle in Deutschland nutzbar zu machen. Diese Energieform kann damit 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.
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