Mit Hochdruck in die Tiefe bohren

Die Nutzung von Geothermie aus tiefen Erdschichten benötigt lange und teure Bohrungen. In einem Forschungsprojekt wurde nun eine Technik gezeigt, die die Bohrgeschwindigkeit maßgeblich erhöhen kann.

Die Nutzung von Wärme aus tieferen Schichten der Erdkruste gilt als vielversprechende Energiequelle. Als Teil von Fernwärmesystemen oder zur Gewinnung elektrischer Energie soll diese Geothermie angesichts des Klimawandels wertvolle Beiträge leisten. Doch das Vordringen in die erforderlichen Tiefen von bis zu 5000 Metern ist schwierig. Beim Bohren durch Granit in dieser Tiefe sind mit aktueller Technik lediglich ein bis zwei Meter pro Stunde zu schaffen. Etwa alle 50 Stunden muss der Bohrkopf gewechselt werden – bei tausenden Metern Gestänge dauert das eine Zeit. Kein Wunder also, dass das Bohren die Investitionskosten in der Geothermie in die Höhe treibt.

Im Projekt „ThermoDrill“, das vom EU-Forschungsprogramm Horizon2020 und der Förderagentur FFG unterstützt wurde, arbeitete ein internationales Konsortium unter der Führung der Montanuniversität Leoben in den vergangenen vier Jahren daran, die Bohrgeschwindigkeit und die

Ausdauer der Bohrköpfe zu erhöhen. Dabei griff man auf die bereits länger diskutierte Idee zurück, den Bohrprozess mit sogenanntem Wasserstrahlschneiden zu unterstützen: Wasser, mit hohem Druck zugeführt, könnte dabei das Gestein einkerben und aufbrechen, sodass es leichter vom Bohrkopf aufgespalten werden kann. Bisher scheiterte der Ansatz an den schwierigen Bedingungen, die beim Bohren in großer Tiefe herrschen. Doch in „ThermoDrill“wurde nun erstmals gezeigt, wie es funktionieren kann.

Es wäre schwierig, den benötigten Wasserdruck an der Oberfläche zu erzeugen, um ihn dann in die Tiefe zu bringen. Für Thomas Stoxreiter, der das Projekt gemeinsam mit Karin Rehatschek an der Montanuniversität koordiniert hat, sprechen mehrere Gründe gegen diese Variante. „Auf dem langen Weg nach unten entstehen hohe Druckverluste. Es gibt sicherheitstechnische Einwände. Eine entsprechende Technologie wäre teuer zu implementieren“, sagt Stoxmit reiter, der noch während seiner Dissertation die wissenschaftliche Leitung des Projekts übernahm.

Man muss also sehen, wie man den Druck in tausenden Metern Tiefe, bei Hitze und den starken Vibrationen des Bohrvorgangs erzeugen kann. Stoxreiter und Kollegen nutzen für ihren sogenannten Downhole Pressure Intensifier den Umstand, dass bei Geothermiebohrungen ohnehin meist Wasser in die Bohrlöcher gepumpt wird – im Kontrast zu Erdölbohrungen, die oft weniger umwelttechnische Auflagen erfüllen müssen und spezielle Spülungen oder Suspensionen für die Stabilisierung des Bohrlochs verwenden.

Ausgeklügelte Mechanik

Das Wasser wird im Inneren des Bohrgestänges mit ausreichend Druck hinabgeleitet, sodass es außerhalb der Rohre im Bohrloch wieder aufsteigen kann. Der Druckunterschied zwischen innen und außen liegt bei etwa 100 Bar – was zu wenig wäre, um beim Lösen des Gesteins zu helfen. Doch

einer ausgeklügelten Mechanik kann der Druck maßgeblich erhöht werden. Die Forscher nutzen den Effekt, dass großflächiger niedriger Druck in kleinräumigen hohen Druck übersetzt werden kann.

„Mittels spezieller Ventile, die das Wasser einmal nach außen, einmal nach innen drücken, wird ein Kolben angetrieben, der sich im Gestänge auf- und abwärts bewegt“, sagt Stoxreiter. „Das Wasser wird auf diese Art mit hohem Druck – die Differenz von 100 Bar kann um das 20-Fache auf 2000 Bar erhöht werden – zu den Düsen an das untere Ende des Bohrlochs gedrückt.“Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung ist die Gestaltung und Anordnung der leistungsstarken Ventile. Sie werden in großer Zahl – und gemeinsam mit den jeweiligen Kolben – in den untersten drei Rohren angebracht.

Bei den generellen Druckverhältnissen und den harten Randbedingungen in großer Tiefe wird es schwieriger, einen Effekt zu erzielen. Die Laborergebnisse bestätigen aber, dass mit dem Ansatz noch in 4500 Meter Tiefe ein deutlicher Effekt auf das mechanische Lösen zu erzielen ist. Tests in einer simulierten Tiefe von 1000 Metern zeigten eine Steigerung der Bohrgeschwindigkeit um 70 Prozent. Bei Feldversuchen in 1300 Meter Tiefe wurde eine Verdoppelung erreicht, wenn auch bei einer Gesteinsschicht, die weniger hart als Granit ist.

Bis die Technologie in der Praxis ankommt, wird es aber noch etwas dauern. „Es geht jetzt vor allem darum, die Lebensdauer aller Komponenten zu erhöhen“, betont Stoxreiter. Durch Partikel im Wasser wird der Verschleiß erhöht. Ein Ansatz ist, bessere Filtertechnologien einzusetzen. Dennoch müssen die Materialien im Bohrloch, allen voran die Düsen, noch widerstandsfähiger werden. Die Forscher arbeiten hier mit speziellen Hartmetallmischungen, die ähnlich den Bohrköpfen etwa Wolframkarbit enthalten. Gelingt die Optimierung, könnte die wertvolle Hitze im Erdinneren um vieles leichter erreichbar werden.