Mit dem Laser durchs Gestein

Das Fraunhofer IPT entwickelt gemeinsam mit Partnern im BMWi-geförderten Forschungsprojekt »LaserJetDrilling« ein Verfahren, das die Kosten für Geothermiebohrungen in großer Tiefe senken und damit eine flächendeckende Erdwärmeversorgung in Deutschland fördern kann.

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Vom Fraunhofer IPT entwickelter Laserkopf zur Erzeugung des Hochleistungs-Laser-Wasserstrahls.

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 Geothermiebohrungen in tieferen 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.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelt deshalb gemeinsam mit Partnern im BMWi-geförderten Forschungsprojekt »LaserJetDrilling« ein Verfahren, das die Kosten für Geothermiebohrungen in großer Tiefe senken und damit eine flächendeckende Erdwärmeversorgung in Deutschland fördern kann.

Das Bohrverfahren kann dazu beitragen, die Investitionskosten besonders tiefer Geothermiebohrungen 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 bis zu 30 kW 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.

Laserversuchsstand für die Prozessuntersuchung von verschiedenen Gesteinen und Hochleistungsmaterialien.

Das System, das das Konsortium im Projekt »LaserJetDrilling« gemeinsam entwickelt, basiert auf einer Technologie, die der assoziierte Partner Synova S.A. aus Duillier (Schweiz) ursprünglich für die Mikrobearbeitung entwickelt hat. Diesen technologischen Ansatz im großen Maßstab auch auf Geothermiebohungen zu übertragen ist das Ziel des Forschunsgprojekts, 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 Geothermiebohrungen 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.

Partner im Projekt

  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
  • Herrenknecht Vertical GmbH, Schwanau
  • GZB Internationales Geothermie Zentrum Bochum e.V.
  • IPG Laser GmbH, Burbach
  • KAMAT Pumpen GmbH & Co. KG, Witten
  • Synova S.A. (assoziierter Partner), Duillier, Schweiz

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für (BMWi) im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms gefördert und vom Projektträger Jülich betreut.

Kontakt:

www.ipt.fraunhofer.de