Nach Angaben des Fraunhofer Instituts liegt das Fündigkeitsrisiko tiefer geothermischer Bohrungen bis heute bei etwa 30 Prozent. Um dem entgegenzuwirken haben Wissenschaftler der Fraunhofer IEG in Bochum eine neue Technologie entwickelt, welche über zusätzliche Zweigbohrungen von der Hauptbohrung aus besagtes Fündigkeitsrisiko verringern soll.
Die Technologie „Micro Turbine Drilling (MTD)“ stammt dabei von Niklas Geißler, der an der Fraunhofer IEG in Bochum sowie am Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC in Schweden tätig ist.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt das Vorhaben mit einer Zuwendung von über 430.000 Euro.
Funktionsweise des MTD
Mithilfe zusätzlicher Mikro-Zweigbohrungen können in einem Umkreis von 50 m der Hauptbohrung, umliegende Risse und Klüfte für die Gewinnung des Tiefenwassers identifiziert werden. Somit lässt sich Tiefenwasser in einem weitaus größeren Einzugsgebiet lokalisieren.
Grundlage der Technologie ist eine Mikro-Bohrturbine, welche mit einem Diamant Bohrmeißel bestückt ist. Dabei betragen die Maße des Werkzeugs nur eine Länge von 10 cm und einen Durchmesser von 3,6 cm.
Über einen hochdruckbeständigen Schlauch, welcher die Turbine mit bis zu 200 Liter Wasser pro Minute bei ca. 100 bar Eingangsdruck antreibt, wird der Bohrmeißel in Rotation versetzt.
Die Wolframcarbid-Matrix sowie die eingearbeiteten Diamantkörner im Bohrmeißel ermöglichen einen Vortrieb der Mikro-Bohrturbine mit 80.000 Umdrehungen pro Minute in das umliegende Gestein. Daher eignet sich die Technologie besonders für hartes kristallines Gestein, wie beispielsweise Granit. Gleichzeitig lässt sich auch Stahl durchdringen, was sich in Anbetracht der häufigen Stahlverrohrung von Bohrlöchern bewährt.
„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.
Ähnlichkeiten zeigt das MTD zum sogenannten Radial Jet Drilling (RJD), wobei es sich ebenfalls um ein druckwasserbasiertes Bohrverfahren handelt. Allerdings eignet sich dieses aufgrund seiner Beschaffenheit ausschließlich für Bohrarbeiten in weichem Gestein und ist somit nur selten für tiefe Geothermiebohrungen anzuwenden.
Die Ablenkung der Mikro-Turbine aus der Hauptbohrung und das Vorantreiben in das Umgebungsgestein erfolgt indes über eine spezielle Ablenkungsvorrichtung. Ein Ablenkschuh ermöglicht hierbei eine Ablenkung der Mirko-Turbine bis zu einem Winkel von ca. 45 Grad aus der Hauptbohrung.
Im schweizerischen Bedretto Underground Laboratory (BUL) konnte das Bohrverfahren in bis zu 350 m Tiefe bereits mehrfach erprobt werden, wobei die Resultate sehr vielversprechend sind.
Weitere Schritte in Planung
Zusätzlich soll die Aufnahme von Bohrgeräuschen erfolgen, um so die während des Bohrens auftretenden charakteristischen Pulsmuster der Mirko-Bohrturbine zu analysieren. Somit könne man nicht nur Aussagen über die jeweilige durchteufte Lithologie treffen, sondern darüber hinaus feststellen, ob das Bohrwerkzeug womöglich feststeckt oder leerläuft. Für die Aufnahme der Bohrgeräusche werden diese auf die stählerne Rohrleitung als Körperschall übertragen.
Anwendungsbereiche
Laut Geißler könne das 2020 patentierte MTD-Verfahren neben der Geothermie auch in Tiefbohrungen der Öl- und Gasindustrie eingesetzt werden. Besonders im Bereich der Geotechnologie oder im Tunnelbau ermögliche die Bohrtechnologie das Setzen von Ankerbohrungen an schwer zugänglichen Orten.
Das MTD Verfahren wird Niklas Geissler am 18. März 2022 im Focus on Geothermal Webinar vorstellen. Hier können Sie sich zu dem Webinar anmelden.