Technologie

Mit dem Laser in den Untergrund

28.01.2019 - Hochleistungslaser lässt Hartgestein in Geothermie-Bohrungen bröckeln.

Um Erdwärme für Geo­thermie-Kraftwerke zu nutzen, wird tief in die Erdkruste gebohrt. Dabei steigt die Temperatur pro 100 Meter um etwa drei Grad an. Aller­dings treffen die Bohrer bei tiefen Geothermie­bohrungen auf unter­schiedliche Materialien, darunter Hart­gesteine. Diese lassen sich nur mit geringen Vortriebs­raten bohren und verschleißen die Bohrkrone schnell. Das führt zu hohen Kosten, die Investoren oft davon abhalten, Geothermie­projekte tatsächlich umzu­setzen. Das Fraun­hofer-Institut für Produktions­technologie IPT in Aachen hat gemeinsam mit Partnern im Forschungs­projekt LaserJet­Drilling ein Verfahren zum laser­unterstützten mechanischen Bohren in Hart­gestein entwickelt.

Bei dem neu ent­wickelten Verfahren haben die Forscher den mechanischen Bohrer um einen Hochleistungs­laser ergänzt, dessen Energie anhand eines Wasser­strahls auf das Gestein geführt wird. So gelingt es, das Material unmittelbar vor dem Bohr­prozess zu schwächen und den mechanischen Abtrag mit dem Bohr­werkzeug zu erleichtern. Der Wasser­strahl führt dabei nicht nur den Laserstrahl bis auf das Gestein, sondern verhindert gleich­zeitig auch Verun­reinigungen und Beschä­digungen der empfind­lichen Laser­optiken. Um die Vortriebs­raten der Bohrkrone zu steigern und dessen Schneide zu schonen, ist es erforderlich, zusätz­liche Energie in das Bohrloch einzu­bringen. Da bei zuneh­mender Bohrtiefe unter­schiedliche und oft unvor­hersehbare Materialen bearbeitet werden müssen, eignet sich der Laser als Werkzeug aufgrund der flexiblen Anpassung der Leistung besonders gut.

Die Aachener Forscher haben einen Prüfstand mit einem Laser und einem Schneid­werkzeug aufgebaut, der eine Leistung von bis zu dreißig Kilowatt erreicht. In Labor­versuchen testeten die Projekt­partner den Prozess und trafen Vorbe­reitungen für seine Über­tragung auf den realen Anwendungs­fall: Die Hart­gesteine Sandstein, Granit und Quarzit mit einer Festig­keit von mehr als 150 Megapascal wurden bis zu achtzig Prozent durch den Laser geschwächt.

Im nächsten Schritt setzten die Inge­nieure den Laser dann am Bohrgerät in einem eigens ent­wickelten Bohr­strang ein und erprobten das neue Werkzeug erfolg­reich gemeinsam mit dem Inter­nationalen Geothermie Zentrum Bochum im Feld­versuch unter rea­listischen Bedingungen. In zukünf­tigen Forschungs­projekten möchten die Partner die Laser­leistung noch besser verteilen und das hybride Werkzeug um digitale Sensoren ergänzen, um Feedback aus dem Bohr­prozess zu erhalten und so besser auf Än­derungen entlang des Bohrpfads reagieren zu können.

Mit dem leistungs­starken Bohrsystem kann es gelingen, die Kosten tiefer Geothermie­bohrungen zu senken und Erdwärme als uner­schöpfliche Energie­quelle nutzbar zu machen. Diese Energie­form kann einen Teil der Grundlast im Energiemix übernehmen und andere regenerative Quellen wie Sonne, Wind und Wasser gegenüber fossilen Brenn­stoffen und Kernenergie vergleichs­weise umwelt­schonend und risikoarm ergänzen.

Fh.-IPT / JOL

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