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StartseiteForschung aktuellLaser für mehr Durchschlagskraft 24.04.2019

Erdwärme Laser für mehr Durchschlagskraft

Erdwärme gehört zu den erneuerbaren Energien und lässt sich zum Heizen oder zur Stromerzeugung nutzen - kostengünstig und klimafreundlich. Die notwendige Bohrung kann allerdings sehr aufwendig sein. Ein zusätzlicher Laser könnte Geothermie-Bohrern mehr Durchschlagskraft verleihen.

Von Irmgard Wutscher

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Geothermie-Borturm in Kirchwaidach (imago stock&people / Falk Heller)
Bohrung für ein Geothermie Kraftwerk (imago stock&people / Falk Heller)
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"Wenn Sie Wärme nutzen wollen, für ihr eigenes Zuhause zum Beispiel, dann reicht es schon wenige hundert Meter tief zu bohren. Wenn man jetzt aber wirklich in die Kraftwerksgeothermie, also die tiefe Geothermie gehen will, da sind wir schnell bei mehreren Kilometern, die gebohrt werden müssen. Und das ist eigentlich das Herausfordernde."

Sagt Florian Schmidt, Leiter des Projekts "Laserjet Drilling" am Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie. Drei bis fünf Kilometer tief muss mitunter gebohrt werden, um Erdwärme im großen Stil anzuzapfen. Derzeit macht man das mit mechanischen Bohrern. Treffen deren Bohrköpfe auf sehr hartes Gestein, wird es allerdings schnell schwierig. 

"Weil dann die Vortriebsraten sinken, das heißt, man kommt nur noch langsam voran. Und zusätzlich verschleißt aber auch das Bohrwerkzeug umso schneller, und das macht das Ganze dann zeit- und kostenintensiv."

Leistung wie 300.000 Laserpointer

Das wollten die Forschenden an dem Aachener Fraunhofer-Institut verbessern und haben dem mechanischen Bohrer einen Laser zur Seite gestellt. Sein intensiver Lichtstrahl soll das Gestein vorab porös machen, der Bohrer erledigt dann den Rest.

"Wir verwenden einen infraroten, das heißt einen unsichtbaren Faserlaser. Der hat eine optische Ausgangsleistung von 30.000 Watt. Das ist eine der stärksten Laserquellen, die in Deutschland aktuell installiert sind. Wenn man das mit einem handelsüblichen Laserpointer vergleicht, sind das ungefähr 300.000 Laserpointer."

Bohrkrone des Laserbohrstrangs mit austretendem Laser-Wasserstrahl (Fraunhofer IPT / Florian Schmidt)Bohrkrone des Laserbohrstrangs mit austretendem Laser-Wasserstrahl (Fraunhofer IPT / Florian Schmidt)

Zum Vergleich: Die Laserstrahlen, die etwa in der Automobilindustrie Stahlbleche zuschneiden oder verschweißen, haben oft nur einen Bruchteil dieser Leistung. Um einen Eindruck zu vermitteln, wie das in der Praxis aussieht, öffnet Florian Schmidt die Tür zur Produktionshalle des Instituts.

"Das ist unser Hochleistungslaserprüfstand. Sieht relativ massiv aus, wir mussten halt viel für den Laserschutz machen, dass die anderen Kollegen nicht gefährdet werden."

Ein massiver Aluminium-Kasten umhüllt den Prüfstand. Sein Vorderteil ist hochgeklappt, man sieht einen armdicken Metall-Zylinder.

Laser wird im mechanischen Bohrkopf integriert

"Wir nennen das Laserkopf und der Laserkopf kommt in den Bohrkopf, der wird dort integriert."

Den deutlich größeren mechanischen Bohrkopf gibt es hier nicht zu sehen, der Laser wurde alleine getestet. Am vorderen Rand des Kastens liegen ein paar Gesteinsquader, an denen der Laser gezeigt hat, was er kann. Durch einen Stein führen zwei parallele Linien von etwa drei Millimeter Durchmesser. Beim genaueren Hinschauen sehe ich, dass sie aus vielen einzelnen Bohrungen nebeneinander bestehen, als hätte man mit einer Bohrmaschine viele Löcher auf einer Linie gemacht. In einen Quarzit hat der Laser eine schneckenförmige Linie hineingekratzt.

"Man sieht jetzt eben verschiedene Schädigungen, die durch den Laser eingebracht worden sind. Es ist eben bei manchen Gesteinen sogar möglich, alleine mit dem Laser zu arbeiten, bei manchen ist nur diese Vorschädigung möglich." "Kann man den jetzt einschalten? Gerade nicht?" "Nein."

Wasserstrahl führt Laser auf das Gestein

Dafür zeigt mir Florian Schmidt Bilder von einem Feldversuch. Im Geothermiezentrum Bochum hat sich der Laser nämlich schon in Kombination mit dem Gesteinsbohrer beweisen dürfen. Hier wurde der Laserkopf in die Mitte von einem großen Gesteinsbohrer gesetzt. Die Laserstrahlung wird über eine Lichtleitfaser in den Laserkopf transportiert. Der Laserpunkt ist in der Mitte eines Wasserstrahls zu sehen:

"Wir nutzen den Wasserstrahl, um zum einen die Laserstrahlung genau aufs Gestein zu bringen, zum anderen auch, um unsere Optiken dort unten zu schützen."

Erste kleine Probebohrungen mit der Kombination aus Laser und mechanischem Bohrer haben funktioniert – ohne dass der Laser Schaden genommen hat. Damit hat das erste Projekt die grundlegende Machbarkeit geklärt, sagt Schmidt:

"Das haben wir im Labor eindrucksvoll bewiesen, dass wir es schaffen, durch diese Kombination aus Laser-Vorschädigung und mechanischem Abtrag Gesteinsfestigkeiten um teilweise bis zu 80 Prozent herunterzusetzen. Das würde im Endeffekt heißen, dass dieser kombinierte Bohrprozess schneller ist, weniger Verschleiß hat, dadurch die Kosten für die Bohrungen sinken. Und das Fernziel wäre natürlich, dass mehr solche Projekte realisiert werden können."

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