Das Geostar-Bohrgerät kurz vor dem Einsatz.

Das Geostar-Bohrgerät kurz vor dem Einsatz.

Bei der Erschließung von Erdwärme ist jetzt eine andere Gangart angesagt. Unterstützt von hohem Wasserdruck zerschneidet ein innovatives Bohrverfahren das Gestein mit der Präzision einer Klinge, bis zu fünfmal so schnell wie bei traditionellen Bohrverfahren.

Anstoß für das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte und vom Internationalen Geothermie-Zentrum der Hochschule Bochum entwickelte Verfahren sind die bislang zu hohen Bohrkosten für erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen. Sie schlagen mit satten 60 bis 70 Prozent der Investition zu Buche. Wasser ist beim Bohren das bessere Arbeitsmedium als Luft, lautet die Grundüberlegung der Initiatoren. Ihr mit bis zu sechs Saphirdüsen bestückter rotierender Bohrkopf arbeitet mit sehr hohem Wasserdruck und zerschneidet das Gestein wie mit einer Klinge. Bei Lockergestein wird der Abraum nahezu verhindert, und bei festem Sedimentgestein mit der Spülung nach oben gefördert.

Das Geostar-Bohrgerät kurz vor dem Einsatz.

Hochdruckwasserstrahltechnik Geojetting
Mehr als 75 Prozent aller Wärmepumpen in Deutschland werden mit der frei verfügbaren Energie aus dem Erdreich betrieben. Dieses neue, hocheffiziente Bohrverfahren verheißt aber nicht nur geringere Kosten, sondern auch ein sauberes, sicheres und schnelles Bohren. Je nach Geologie liegt der Bohrfortschritt pro Minute bei maximal bis zu fünf Metern mit einem Wasserverbrauch von etwa 80 Litern. Für die Verfahrens-Entwickler im Internationalen Geothermiezentrum Bochum lautet das Schlüsselwort (Höchst-)Druckwasserbohrtechnik. Die erfolgreiche Umsetzung umschreiben sie kurz mit der Kombination klassischer Rotationsbohrung in Verbindung mit der Schneidwirkung von Wasserdruck bis zu 1600 bar. Ersparnisse von ein paar Tausend Euro springen im Einzelfall heraus, die sich bei der näher rückenden Vision geothermischer Versorgung ganzer Stadtteile erheblich summieren werden.

Zusatzinormationen:

Beim Höchstdruck-Geojetting wird das Bodengestein quasi zerschnitten, zermahlen und mittels des Spülmediums Wasser teils in freie Poren des Umgebungsgesteins gepresst und teils nach übertage gefördert. Die bislang üblichen Schlammemissionen können damit vermieden oder besser beherrscht werden. Geojetting spart einen Arbeitsgang, indem die Erdsonde durch das noch im Boden befindliche Bohrgestänge (= Schutzverrohrung) kontrolliert eingebracht wird. Diese Besonderheit ist der gesicherte Ausbau und die Einsparung von Arbeitsschritten, während bei konventionellen Verfahren mehrere Arbeitsgänge zur Bohrung und Einbringung der Erdsonde erforderlich sind: Erst wird das Loch für die Sonde gebohrt, während das Bohrgut aus der Bohrung gefördert wird. Dann wird der Bohrstrang aus dem Loch entfernt, um die Bohrung für den Einbau der Sonde freizugeben. Hier besteht nach dem Entfernen des Bohrgestänges ein großes Risiko des Nachfalls von Erdreich neben groben Rauhigkeiten an der Bohrwand, welche den Einbau weiter erschweren.

Der Wasserstrahl des Bohrgeräts arbeitet sich ins Gestein vor.

Beim Geojetting dagegen ist das Bohrgestänge gleichzeitig die Schutzverrohrung. Hier wird nach dem Bohrvorgang der innere Teil des Bohrkopfs vom äußeren gelöst, sodass sich die Bohrspitze nach Abschluss der Bohrung durch das Bohrgestänge bergen lässt. Das Bohrgestänge bleibt als Schutzverrohrung stehen, und so kann die Erdsonde kontrolliert problemlos eingeführt werden. Diese gezielte Positionierung (Abstandshalter) lässt auch eine bessere Wärmeübertragung des Erdreichs auf die Sonde zu.

Außerdem kann das Umsetzen des Bohrgeräts für mehrere Bohrlöcher überflüssig werden. Mit dem an obige Bohrtechniken gekoppelten, eigens entwickelten Geostar-Verfahren lassen sich nämlich beim Vortrieb mit einem entsprechend beweglichen Bohrgerät sogar Schrägbohrungen von einem Ansatzpunkt aus durchführen. Der Vorteil: für mehrere Abnehmer oder große Gebäudekomplexe lassen sich effiziente Nahwärmenetze einrichten.

Die Bohrkrone. Gut sind die integrierten Düsen für den Wasserstrahl zu erkennen. Der Bohrkopf ist natürlich austauschbar

Hammer im Festgestein
Für das Bohren im Festgestein wird derzeit vor der Bohrspitze in den Wasser- oder Spülungsstrom ein mechanisches Hammerwerk vorgeschaltet. Mit Druck (zirka 100 bis 180 bar) und Wasserdurchfluss schlägt der Hammer mit hoher Frequenz mittels Bohrkrone auf das Festgestein, meißelt es ab und fördert es im Spülstrom nach oben. Schmieröle sind dabei nicht mehr erforderlich, Spülungszusätze werden erst bei Tiefenbohrungen über 1000 m wieder gebraucht.
Auch in dieser Variante steht Geojetting für das Bohren mit Druckwasser, welches mit verschiedenen Druckstufen bis zu maximal 1600 bar arbeitet. Die unterste Stufe fängt bei etwa 100 bar an, wobei hydraulische Energie in Perkussionsschläge und später auch Drehbewegungen umgesetzt wird.

Das Ziehen der Borspitze in einer schematischen Darstellung. Das Bohrgestänge ist gleichzeitig die Schutzverrohrung. Es sind keine Spülungszusätze oder Schmierstoffe erforderlich.

Sehr geringe Energie- und Bohrkosten sowie hohe Bohrlochqualität (z.B. Geradlinigkeit) sowie die Beschaffenheit des Bohrguts und dessen Recycling sind wichtige Aspekte. Der Wasserbedarf von rund 12 bis 20 m³/h führt in Deutschland kaum zu Engpässen, gleichwohl arbeiten die Ingenieure im Internationalen Geothermie-Zentrum an einem Recyclingsystem. Vorgesehen ist eine Reinigungsstufe, die das Wasser soweit aufbereitet, dass es komplett wiederverwendbar ist. Optimierungsbedarf gibt es auch beim Bohr­tooling. Ein neues Schlagwerk ist in der Entwicklung, das mehr Schmutzwasser pro Spülung verträgt und damit weniger Filtern erfordert. Um die Schneide- und Bohrprozesse weiter zu beschleunigen, sind beim Höchstdruck-Geojetting auch Abrasivstoffe in der Erprobung. Damit sollen die Prozesse um den Faktor fünf schneller werden als das derzeitig eingesetzte Schlagwerk.

Grundlastfähige Geothermie
Um die Erdwärme nach vorn zu bringen, erfährt man im Bochumer Internationalen Geothermie-Zentrum, ist die Geojetting-Bohrtechnik ein entscheidender Ansatz. Von oberflächennahen über mittlere bis hin zu großen Tiefen spielt das Geojetting-Hammer-Bohrverfahren seine grundsätzlich tiefenunabhängigen Stärken aus und hat das Zeug, das gängige Standardwerkzeug Rollen- oder PDC-Meißel auf breiter Front zu ersetzen. Längst ist bereits die Tiefengeothermie per Geohammer bis 7000 Meter Tiefe ins Blickfeld geraten, die es zulässt, aus Wasserdampf Strom zu erzeugen.

Autor: Klaus Niehörster, freier Journalist im Auftrag von get

Bilder: GeothermieZentrum Berlin