Geothermik soll durch neuartige Techniken nutzbar gemacht werden (Bild: stock.adobe.com / Ruslan Tsyhanov)
Geothermie ist eine erneuerbare, emissionsarme Energiequelle, die einen Teil der Grundlast im Energiemix übernehmen kann. Geothermische Energie steht jederzeit zur Verfügung. Dies hat den Vorteil gegenüber Wind- und Solarstrom, dass der bei der Geothermie stetig gewonnene Strom eine Alternative zu Kohle und Gasstrom darstellt.
Was ist Geothermie?
Geothermie nutzt die Erdwärme zur Energiegewinnung. Es ist eine nachhaltige Energiequelle, bei der heißes Wasser oder Dampf genutzt wird, um Elektrizität zu erzeugen oder Gebäude zu heizen. Geothermie ist erneuerbar, produziert wenig Treibhausgase und verringert die Abhängigkeit von importierten Energieressourcen. Allerdings erfordert sie geeignete Standorte mit Zugang zu heißem Wasser oder Dampf und kann mit seismischen Aktivitäten verbunden sein. Geothermie ist vielversprechend für eine nachhaltige Energiezukunft.
Wird tief in die Erdkruste gebohrt, steigt die Temperatur um etwa drei Grad pro 100 Meter. Allerdings stoßen die Bohrer bei tiefen Geothermiebohrungen auch auf harte Gesteinsschichten. Diese lassen sich nur mit geringer Vortriebsgeschwindigkeit durchbohren und verschleißen den Bohrmeißel schnell. Um den Meißel zu tauschen, muss der gesamte Bohrstrang ausgebaut werden. Das führt zu hohen Kosten, die Investoren oft davon abhalten, Geothermieprojekte zu realisieren.
Anders als in Neuseeland und Island, wo die Wärme an die Oberfläche tritt, ist die Suche nach geeigneten Standorten aufwendig und wirtschaftliche Temperaturen (150 °C) kommen erst ab einer Tiefe von fünf bis 10 Kilometern vor.
Am besten für die Lebensdauer des Bohrkopfes wäre also, er käme erst gar nicht mit dem Gestein in direkten Kontakt. Klingt erstmal etwas dämlich, denn wie soll er denn so bohren können, aber es gibt zumindest zwei unterschiedliche Ansätze des Fraunhofer-Instituts, die das zumindest teilweise im Sinn haben:
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Plasma Pulsed Geo Drilling
Bei diesem Verfahren soll der Gesteinsabtrag elektrothermisch mittels Hochspannungsimpulsen erfolgen und somit die Gesteinsschichten berührungslos zerstören. Dadurch soll der Verschleiß der Bohrwerkzeuge auf ein Minimum reduziert werden.
„Im Bohrkopf sind zwei Elektroden integriert, durch die Strom fließt. Dieser Strom initiiert im Gestein ein Plasma, das das Gestein von innen nach außen bricht. Das hat den enormen Vorteil, dass nur ein Drittel der Energie benötigt wird, als wenn die Steine von außen zertrümmert würden“, erklärt Jascha Börner vom Fraunhofer IEG. Koordiniert wird das Projekt von der ETH Zürich. Das Fraunhofer IEG ist Unterauftragnehmer.
Bisher wurde noch nicht untersucht, ob das PPGD bei den hohen Druck- und Temperaturbedingungen angewendet werden kann. In dem Autoklaven-System iBOGS am Fraunhofer IEG Standort in Bochum ist es möglich, die Gegebenheiten dieser Tiefen zu simulieren.
Laser Jet Drilling
Bei dem neu entwickelten Verfahren haben die Forscher des Fraunhofer IPT den mechanischen Bohrer um einen Hochleistungslaser ergänzt, dessen Energie über einen Wasserstrahl auf das Gestein geleitet wird. Dadurch wird das Material unmittelbar vor dem Bohrvorgang geschwächt und der mechanische Abtrag mit dem Bohrwerkzeug erleichtert. Der Wasserstrahl führt nicht nur den Laserstrahl auf das Gestein, sondern verhindert gleichzeitig Verunreinigungen und Beschädigungen der empfindlichen Laseroptik.
In der Maschinen- und Werkzeughalle des Fraunhofer IPT haben die Aachener Forscher einen Versuchsstand mit einem Laser und einem Schneidwerkzeug aufgebaut, der eine Lichtleistung von bis zu 30 Kilowatt erreicht. In Laborversuchen testeten die Projektpartner das Verfahren und bereiteten die Übertragung auf die reale Anwendung vor: Die Hartgesteine Sandstein, Granit und Quarzit mit einer Festigkeit von mehr als 150 Megapascal wurden mit dem Laser um bis zu 80 Prozent geschwächt.