Mit Hybridkraft in die Tiefe 1

Bei den von einem bayerischen Unternehmen entwickelten Tiefbohranlagen setzen die Konstrukteure auf intelligentes Zusammenspiel hydraulischer, pneumatischer und elektrischer Antriebstechnik.

Die Bauer Maschinen GmbH aus Schrobenhausen bei Augsburg, eine Tochter der Bauer AG, konstruiert und baut Drehbohr- und Schlitzwandgeräte einschließlich sämtlicher Werkzeuge. Zu den Besonderheiten zählen seit nahezu vier Jahrzehnten Maschinen für den Spezialtiefbau. Die Tiefbohranlagen erschließen unter anderem Öl- sowie Gasvorkommen und tiefe Geothermie. Etwa die Tiefbohranlage des Bautyps TBA 300, bei der die Zahl für die maximale Hakenlast von 300 Tonnen steht.

Das in der Höhe 41 Meter messende Gerät mit einer Gesamtmasse von 540 Tonnen erreicht Bohrlochtiefen von bis zu 5000 Meter. Dazu Projektmanager Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Schöpf: „Es handelt sich um die größte Entwicklung, die Bauer jemals in der Firmengeschichte angegangen ist. Die Anlage zeichnet sich dennoch durch leichte, kompakte Bauweise und vor allem das Antriebskonzept aus.“ Die Antriebe mit einer installierten Gesamtleistung von vier Megawatt übernehmen wichtige Funktionen, denn die Anlage richtet sich am Einsatzort per Elektroaggregat und Hydraulik gewissermaßen selbst auf. Hydraulische Verbolzungen erleichtern dabei Demontage und Montage   der Stahlelemente.

Top-Drive arbeitet hydraulisch
Projektmanager Schöpf: „Wir setzen ein Seilwinden- und ein hydraulisches Zylinderhebewerk ein. Die Produkte des Wettbewerbs hingegen verfügen entweder nur über ein Seilwinden- oder nur ein Zylinderhebewerk.“ Die Vorteile erklären sich anhand der beiden Hauptfunktionen: Die Anlagen bohren zunächst und verlegen anschließend das Stahlrohr, welches das Bohrloch schützt. Die Geräte müssen für dieses sogenannte Casing die maximale Hakenlast nutzen, schließlich hängen bis zu fünf Kilometer Stahlrohr am Haken.

Das Zusammenspiel dieser Art von Hybridtechnik bietet die Möglichkeit der Arbeitsteilung. Das hydraulische Zylinder-Hebewerk vermag eine Masse von maximal 140 Tonnen zu heben, arbeitet allerdings mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1,0 Meter pro Sekunde doppelt so schnell wie das Seilwindenhebewerk. Der Hydraulikzylinder (14 Meter Hub, 500 Liter Ölvolumen) kommt daher beispielsweise zum Austauschen der Bohrkrone zum Einsatz.

Der Bediener der Anlage schaltet erst beim Einbau des Casings auf das Seilwindenhebewerk um. Das Hybridkonzept führt zu einer Energieeinsparung von bis zu 30 Prozent, da die großen hydraulisch angetriebenen Winden nicht ständig in Betrieb sind und zudem beim Casing-Einbau mit niedrigeren Drehzahlen arbeiten.

Der sogenannte Top-Drive arbeitet ebenfalls hydraulisch: Vier Hydraulikmotoren mit einer Nennleistung von 530 Kilowatt (maximal 180 Umdrehungen pro Minute bei 28 Kilonewtonmeter Drehmoment) erzeugen im Drehantrieb ein maximales Brechmoment von 65 Kilonewtonmeter. Pumpen treiben die Motoren mit einem maximalen Druck von 345 bar an. Die Aggregate und Steuerung stammen von Bosch-Rexroth. Im Ex-Bereich kommen außerdem Motoren von Parker Hannifin zum Einsatz.

Eine sogenannte Parallelogramm-Hydraulik sorgt dafür, dass sich die in neun Meter Höhe angebrachte Arbeitsbühne nach unten fahren lässt. Schöpf: „Die Monteure können in einer normalen Arbeitshöhe von zwei Meter sämtliche In-stallationen beim Aufbau vornehmen.“ Der eigentliche Mast liegt beim Aufbau zunächst auf dem Boden, um dann von der hydraulisch angetriebenen Hilfswinde innerhalb von wenigen Minuten aufgerichtet zu werden.

Auch die Pneumatik kommt bei Bauer Maschinenbau nicht zu kurz. Sie wird für Spezialaufgaben eingesetzt. Etwa kommen Komponenten von Norgren in jenen Kettenhebezeugen zum Einsatz, die das Handling schwerer Bauteile und Werkzeuge sowie den Einbau des sogenannten BOP übernehmen (Schutzvorrichtung zum Absperren des Bohrloches).

Der Kran hält pneumatisch
Oder sie arbeitet beispielsweise in einem Kran, der das Handling der manuellen Zangen zum Einbau der Bohrgestänge in den Drehantrieb übernimmt. Der Kran schwenkt hydraulisch und hält pneumatisch. Damit die schweren Zangen (maximale Masse: 500 Kilogramm) aber nicht die pneumatischen Hebezylinder bei Druckverlust nach unten ziehen, verfügen sie über eine Feststelleinrichtung. Bei Ausfall der Druckluftversorgung bleiben die Zylinder dann in der jeweiligen Position stehen.

Die pneumatische Auslegung einschließlich Steuer- und Bedieninheiten entstand in enger Zusammenarbeit mit der Rauh Hydraulik GmbH aus Bamberg. Bauer setzt dabei generell auf Pneumatik, da beim Tieflochbohren sämtliche Geräte speziell um den Bereich des Drill-Floors den Atex-Bestimmungen unterliegen. Dipl.-Ing. (FH) Jochen Kirschner, Entwicklung und Konstruktion von Hydraulik- und Antriebstechnik: „Die Pneumatik ist in Sachen Ex-Schutz bei den Komponenten wesentlich weiter als die Hydraulik.“

Ergänzung von Heinz Kolberg, Leiter der Augsburger Rauh-Niederlassung: „Die Pneumatik-Komponenten von Norgren sowie alle Verschraubungen, Rohre, Schläuche und Kupplungen verfügen über eine Atex-Zulassung.“ Eine Einzelzulassung allein reicht dabei nicht aus, die gesamte Anlage erhielt eine Atex-Zulassung, die in diesem Fall vom TÜV Bayern und dem Bergamt stammt.

Für die Pneumatik sprach auch, dass die Anlage ohnehin Druckluft für diverse Arbeitsgeräte wie Schlagschrauber benötigt. Rauh installierte die entsprechenden Anschlusskupplungen, die Werkzeuge mit Druckluft (maximal 16 bar) aus dem Kompressor versorgt. Heinz Kolberg: „Wir haben spezielle Schlauch-Sicherungsseile angebracht, weil es das Bergamt gefordert hat.“

Aus Sicherheitsgründen kommt die Druckluft auch über  Hydraulikschläuche (siehe Beitrag Seite 36), die den unterschiedlichen klimatischen und manuellen Beanspruchungen standhalten und  grundsätzlich vor der Installation geprickt wurden. Das bedeutet: Die Schläuche erhielten eine Art Perforation, über die Luft entweichen kann, wenn sich ein Überdruck aufbaut und ein Blasenaufwurf droht. Die Druckluft stammt aus einer großen Kompressorstation im Container (effektive Liefermenge: 8,8 Kubikmeter pro Minute bei 11 bar Druck).

Alles in allem: Die Tiefbohranlage beweist die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz moderner Pneumatik und Hydraulik. Für Energieeffizienz spricht auch die Anwendung der Anlage. Sie kommt in Edelshausen (nahe Augsburg) bei einem sogenannten Geothermie-Projekt zum Einsatz. Sie bohrt ein bis zu 2500 Meter tiefes Loch mit einem Anfangsdurchmesser von einem Meter, über das dann die Wärme (Temperatur an der Erdoberfläche: rund 75 Grad Celsius) im Erdinneren angezapft werden soll.

Was ist BOP?
BOP steht für Blow-out-preventer: Es handelt sich um eine Schutzvorrichtung für Notfälle: Wenn die Anlage beim Bohren auf  Überdruck, zum Beispiel aufgrund eines Gasvorkommens, trifft, verhindert es den Austritt von Gas: Ein pneumatisches Hebewerkzeug bringt den BOP in Position, der das Bohrloch innerhalb von wenigen Sekunden hydraulisch schließt. Das eigentliche Schließsystem ist sicherheitshalber redundant ausgelegt: Speichertanks versorgen das Schließsystem mit Hydrauliköl (Druck: 414 bar). Die Arbeitsweise: Durch Betätigen der Hydraulikventile werden im Notfall die verschiedenen Stufen des BOP geschlossen. Die Aufgabe der Pneumatik: Druckluft treibt bei Stromausfall die Hydraulikpumpen an.

Firmen-Profil Bauer
Die Bauer Aktiengesellschaft (2008: 8600 Mitarbeiter in über 60 Ländern, 1,53 Milliarden Euro Umsatz), ein international tätiger Bau- und Maschinenbau-Konzern mit Sitz in Schrobenhausen (bei Augsburg) besitzt über 100 Tochterfirmen in den Bereichen Bau, Maschinenbau und Ressources. Bauer sieht sich nach eigenen Angaben als führend an beim Herstellen komplexer Baugruben, Gründungen und vertikaler Abdichtungen sowie bei der Entwicklung und Fertigung geeigneter Maschinen für diesen dynamischen Markt.