Innovatives Bohrverfahren für die Tiefengeothermie

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In der Erdkruste ist ein nahezu unerschöpflicher Vorrat an thermischer Energie gespeichert. Um daraus Strom zu erzeugen, wird die Hot Dry Rock-Technologie verwendet. Dabei werden mindestens zwei Bohrungen bis in das harte Grundgebirge abgeteuft. Eine Bohrung dient dabei als Injektionsbohrung, die andere als Förderbohrung für das Wärmeträgermittel. Das Gestein fungiert als Wärmetauscher.

Oberirdisch wird die geförderte Wärme einem Dampfkreislauf zugeführt, mit dem eine Turbine betrieben werden kann. Diese Technologie bietet die Möglichkeit, unabhängig von Wind und Sonne, Grundlastkraftwerke für die CO₂-freie Stromproduktion zu bauen. Das erforderliche Temperaturniveau im Gestein für einen wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb liegt bei 130 °C und wird erst in Tiefen über 3000 m erreicht. Herkömmliche Bohrwerkzeuge sind für Sedimentgesteine von Öl- und Gaslagerstätten geeignet. Bei Gesteinen wie Granit bohren sie nur sehr langsam (1 bis 2 m/h) und verschleißen schnell (Lebensdauer 50 bis 60 h). Die durch den Verschleiß verursachten Werkzeugwechsel, so genannte Roundtrips, sind sehr zeitaufwändig, da der gesamte Bohrstrang aus- und wieder eingebaut werden muss. Bei einem Tageskostensatz einer Bohranlage von 18000 € verursachen diese Stillstandzeiten enorme Kosten. Die Gesamtkosten belaufen sich je nach Fall auf 8 bis 13 Millionen € für eine 5000-m-Bohrung. Der wirtschaftliche Erfolg eines tiefen Geothermieprojektes ist mit der Verfügbarkeit einer wirtschaftlichen Bohrtechnologie verknüpft.

Eine technische Alternative zu den konventionellen Bohrverfahren bietet das EIV. Es nutzt die zerstörende Wirkung energiereicher, elektrischer Entladungen, die im Inneren des zu lösenden Materials erzeugt werden. Der Löseprozess wird dadurch grundlegend geändert. Statt der Druckfestigkeit des Gesteins muss dessen Zugfestigkeit überwunden werden. Das bedeutet im Mittel eine Reduktion des Lösewiderstandes von 90 %. Die verwendete elektrische Spannung beträgt 300000 V und entlädt sich innerhalb von 1/10000000 s. Im resultierenden Durchschlagskanal steigen Druck und Temperatur schlagartig an, was zum Versagen des Gesteinsgefüges führt. Die Elektroden, zwischen denen der Durchschlag erzeugt wird, liegen dabei nur lose auf dem Gestein auf.

Im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit geförderten Projektes wurde ein Maschinenkonzept entwickelt, mit dem dieses innovative Löseverfahren in die Bohrtechnik integriert werden kann. Dabei entstand ein Down-Hole-Tool, welches wie ein konventionelles Bohrwerkzeug in den Bohrprozess integriert werden kann. Umbauten an der Bohranlage oder zusätzliches Equipment werden nicht benötigt.
Die Energieversorgung erfolgt über einen spülungsgetriebenen Bohrmotor, der einen elektrischen Generator antreibt. Dessen Ausgangsspannung wird über einen Transformator und einen Gleichrichter umgeformt und an die Stoßspannungsquelle (Marxprinzip) weitergeleitet, der die Stoßspannung für den Abbauprozess generiert. Die Abbauelektroden sind so angeordnet, dass die Bohrlochsohle vollflächig abgebaut wird, ohne dass das EIV-Bohrsystem im Loch rotieren muss. Der Austrag des anfallenden Bohrkleins erfolgt auf konventionellem Weg durch die Bohrspülung. Ein Spülmedium, das den bohrtechnischen und elektrischen Anforderungen genügt, wurde bereits erfolgreich getestet. Die technische Herausforderung bei der praktischen Umsetzung des EIV-Bohrsystems besteht vor allem in der Anpassung der elektrischen und elektronischen Komponenten an die hohen Temperaturen von bis zu 200 °C im Bohrloch. Hinzu kommen hohe Drücke von mehreren 100 bar und der geringe Bohrlochdurchmesser von 12 1/4" (311 mm). Konzepte auf der Basis bereits vorhandener technischer Lösungen zeigen, dass die Realisierung eines Prototyps trotz dieser hohen Anforderungen möglich ist.

Der Hauptvorteil des EIV-Bohrsystems ist, dass aufgrund der fehlenden mechanischen Kräfte am Abbauwerkzeug kein Verschleiß vorliegt. Ein Abbrand der Elektroden infolge der Entladungen ist nicht zu erwarten. Die Lebensdauer wird derzeit mit 500 h geschätzt. Die Anzahl der verschleißbedingten Werkzeugwechsel wird minimiert. Ziel ist es, diese ganz zu vermeiden. Hinzu kommt die höhere zu erwartende Bohrgeschwindigkeit von 4 m/h im Granit.
Das Einsparpotenzial bei den Bohrkosten wird auf Basis von Vergleichsrechnungen mit praktischen Bohrdaten mit 30 % beziffert. Das Ergebnis der Entwicklung zeigt, dass der Einsatz der EIV-Technologie es ermöglicht, die Bohrkosten und somit auch die Stromgestehungskosten für die tiefe Geothermie auf das Niveau der Wasser- und Windkraft zu senken.