Hochspannung für die tiefe Geothermie – Dresdner Maschinenbauer gewinnt Innovationspreis
Das Team von Blogging for Science gratuliert dem TU-Wissenschaftler Erik Anders (Maschinenbauer, Institut Fördertechnik, Baumaschinen und Logistik) (Bildquelle) zum Innovationspreis in der Kategorie Forschung auf der diesjährigen Baumaschinenmesse BAUMA 2010.
Wir freuen uns, einen Gastbeitrag über seine Forschungen zum Thema “Hochspannung für die tiefe Geothermie” veröffentlichen zu können und so unseren Lesern einen kleinen Einblick in seine Arbeit geben zu dürfen.
In der Erdkruste ist ein nahezu unerschöpflicher Vorrat an thermischer Energie gespeichert. Durch Anwendung des sogenannten „Hot – Dry – Rock – Verfahrens“ kann die vorhandene Wärme in elektrischen Strom umgewandelt werden. Diese Technologie bietet die Möglichkeit, unabhängig von Wind und Sonne, Grundlastkraftwerke für die CO2-freie Stromproduktion zu bauen.
Für die Realisierung eines Geothermieprojektes 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. Das erforderliche Temperaturniveau im Gestein für einen wirtschaftlichen Kraftwerksbetrieb liegt bei 130 °C und wird im kristallinen Grundgebirge erst in Tiefen über 3000 m erreicht. Herkömmliche Bohrwerkzeuge sind besonders für Sedimentgesteine von Öl- und Gaslagerstätten geeignet. Bei Gesteinen wie Granit bohren sie nur sehr langsam (1 – 2 m/h) und verschleißen schnell (Lebensdauer 50 – 60 h). Die durch den Verschleiß verursachten Werkzeugwechsel, sog. Roundtrips, sind sehr zeitaufwändig, da der gesamte Bohrstrang aus- und wieder eingebaut werden muss. Bei einem Tageskostensatz einer Bohranlage von 18.000 € verursachen diese Stillstandzeiten enorme Kosten. Die Gesamtkosten belaufen sich je nach Fall auf 8 – 13 Mio.€ für eine 5.000 m-Bohrung. Der wirtschaftliche Erfolg eines tiefen Geothermieprojektes ist somit mit der Verfügbarkeit einer wirtschaftlichen Bohrtechnologie verknüpft.
Eine technische Alternative zu den konventionellen Bohrverfahren wird zurzeit an der TU Dresden entwickelt. Das Elektroimpulsverfahren (EIV nutzt auf der zerstörenden Wirkung elektrischer Entladungen zwischen zwei Elektroden unterschiedlichen elektrischen Potentials. Die Durchschlagspannungen liegen im Bereich von 300.000 V. Im Durchschlagskanal entstehen sehr hohe Drücke und Temperaturen, die zum Versagen des Gefüges führen. Das Gestein wird abgesprengt. Ein Aufschmelzen des Gesteins oder ein Abbrand der Elektroden sind nicht festzustellen. Die benötigten Elektroden liegen während des Vorganges nur lose auf dem Gestein auf. Mechanische Kräfte müssen nicht eingebracht werden. Daraus resultiert ein nahezu verschleißfreier Zerstörungsprozess. Im Rahmen einer durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit geförderten Studie wurde die Umsetzbarkeit dieser neuartigen Technologie unter den Bedingungen in tiefen Geothermiebohrungen nachgewiesen und ein Maschinenkonzept entwickelt.
Die Energieversorgung erfolgt über einen spülungsgetriebenen Motor, der einen elektrischen Generator antreibt. Dieses Prinzip findet bereits in der Bohrtechnik Anwendung. Die Ausgangsspannung des Generators wird im Mittelspannungssegment in eine hohe Gleichspannung umgeformt. Diese speist anschießend den Marxgenerator auf, der wiederum die Stoßspannungsimpulse generiert und an die Elektroden weiter gibt.
Die Elektroden sind so ausgeführt, dass die gesamte Bohrlochsohle ohne Rotation des Bohrstranges bearbeitet wird. Der elektrische Durchschlag erfolgt immer am Ort der geringsten elektrischen Festigkeit. Wenn eine Entladung an der Bohrlochsohle stattgefunden hat, füllt sich der resultierende Krater mit der Spülungssuspension. Da diese eine höhere Durchschlagfestigkeit als das Gestein besitzt, erfolgt in diesem Bereich kein weiterer Durchschlag.
Die bisherigen Laborversuche haben gezeigt, dass die Entladungsstrecke nicht immer dem kürzesten Weg zwischen den Elektroden entspricht. Auch im Bereich außerhalb der Elektrodenauflagefläche wird Gestein gelöst. Somit ist sichergestellt, dass der nötige Überschnitt über die Erdelektrode hinaus für den Vortrieb zur Verfügung steht.
Der Abtransport des Bohrkleins erfolgt, wie in der Bohrtechnik üblich, durch die Bohrspülung. Mit dem neuen Bohrverfahren sollen Bohrfortschritte in Granit von 4 m/h realisiert werden. Zu dem erhöht sich die Standzeit des Bohrwerkzeuges durch den verschleißfreien Abbauprozess auf etwa 500 h.
Durch die höhere Lebensdauer fallen die zeitintensive Werkzeugwechsel weg und so deutlich Kosten eingespart. Auf Basis der Erkenntnisse der Studie wurde ein Einsparpotential bei den Bohrkosten von 30% berechnet. Das bedeutet, dass die Nutzung der innovativen EIV-Technologie es ermöglicht, die Bohrkosten und damit auch die Stromgestehungskosten auf ein Niveau mit Wind- oder Wasserkraft zu senken.
by Erik Anders
Kristin Thurm schrieb am 19 Mai 2010 um 5:16 pm ¶
Herzlichen Glückwunsch auch von mir!