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LaserJetDrilling - Forschungsvorhaben

Ziel des Projekts LaserJetDrilling ist die Entwicklung eines neuartigen Bohrverfahrens, mit dem eine flächendeckende Strom- und Wärmegewinnung aus Tiefer Geothermie in Deutschland realisiert werden kann. Hierfür wird ein neuartiges Bohrverfahren entwickelt, welches zur Steigerung der Vortriebgeschwindigkeiten hochenergetische Laserstrahlung verwendet.

Steckbrief

Programm/ Zuschussgeber	BMWi.IIC6
Akronym	LaserJetDrilling
Titel/ Thema	Entwicklung einer wasserstrahlgeführten Laserbohrtechnologie zur effizienten Erschließung geothermischer Ressourcen (Laserjetdrilling)
Identifikation/ Zuwendungsnummer	0325784
Durchführungszeitraum	2014-12-01 – 2018-05-31
Geschätzte Kosten/ Zuwendungsbetrag	2.784.418 EURO
Sonstiges

Wesentliche Forschungsschwerpunkte

Ziel des Projekts LaserJetDrilling ist die Entwicklung eines neuartigen Bohrverfahrens, mit dem eine flächendeckende Strom- und Wärmegewinnung aus Tiefer Geothermie in Deutschland realisiert werden kann. Hierfür wird ein neuartiges Bohrverfahren entwickelt, welches zur Steigerung der Vortriebgeschwindigkeiten hochenergetische Laserstrahlung verwendet. Zur Umsetzung dieses Ansatzes ist die Entwicklung einer Laserstrahlquelle mit angepassten Strahleigenschaften (IPG) sowie einer speziellen Wasseraufbereitung und 'förderung (KAMAT) notwendig. Diese Entwicklungen sind Kernkomponenten des optischen Systems, welches vom IPT entwickelt wird. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme des optischen Systems erfolgt die Integration des Optikmoduls in den Bohrkopf. Abschließend wird der Demonstratorbohrkopf mit integriertem Optikmodul an einem Prüfstand des GZB getestet und die Technologie evaluiert.

Teilvorhaben

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT), Aachen, Nordrhein-Westfalen: Entwicklung eines Optikmoduls für das wasserstrahlgeführte Laserbohren.Das Fraunhofer IPT entwickelt im Rahmen des Projektes das Optikmodul mit wasserstrahlgeführter Laserstrahlung, das in einen konventionellen Bohrkopf integriert wird. Durch die Bestrahlung des Gesteins mit hochenergetischer Laserstrahlung wird ein deutlich höherer Bohrfortschritt erwartet als bei konventionellen Bohrverfahren. Der den Laserstrahl ummantelnde Wasserstrahl wird benötigt, um die Laseroptiken vor Verunreinigungen im Bohrloch zu schützen. Die größte technologische Herausforderung liegt in der Einkopplung des Laserstrahls in den Wasserstrahl. Für Mikroanwendungen (Düsendurchmesser < 100 µm) ist dies bereits Stand der Technik. Für Makroanwendungen wie Gesteinsbohren ist dieser Ansatz bisher nicht umgesetzt worden. Im Rahmen des Projektes LaserJetDrilling wird ein Optikmodul in einen konventionellen Bohrkopf mit einem wassergeführten Laserstrahl integriert.Entwicklung eines Optikmoduls für das wasserstrahlgeführte Laserbohren.
Herrenknecht Vertical GmbH, Schwanau, Baden-Württemberg: Konzeptionierung eines Demonstratorbohrkopfes zum Bohren im Festgestein. Die Konzepterstellung eines Bohrkopfes mit LaserJet Technologie entsteht in enger Zusammenarbeit mit den beteiligten Projektpartnern. Herrenknecht Vertical wird die Konstruktion des Bohrkopfes durchführen, welcher vor dem Zusammenbau durch das GZB vom IPT auf dessen Strömungsmechanik überprüft wird. Anschließend wird nach der Zusammenführung und Adaption der einzelnen Technologien in einen Bohrkopf geprüft und optimiert. Die Prüfung erfolgt unter atmosphärischen Bedingungen bei dem das Konzept auf die Funktionalität überprüft werden kann. Dann erfolgt die technologische Bewertung der LJD Technologie und einer potentiellen Markteinführung. Hier wird das Design unter Lagerstätten Bedingungen getestet um dessen Effizienz und Brauchbarkeit im Bohrloch analysieren zu können. Die Auswertung dieser Ergebnisse hilft das zukünftige Potenzial dieser Technologie abschätzen zu können.
IPG Laser GmbH, Burbach, Nordrhein-Westfalen: Entwicklung einer Multi-kW-Laserstrahlquelle für das Gesteinsbohren. Im Teilvorhaben der IPG Laser GmbH wird eine Laserstrahlquelle entwickelt, deren Eigenschaften auf die Anforderungen des wassergeführten Laserstrahlbohrens angepasst sind. Ein zu entwickelnder hochdynamischer Detektor soll zum Schutz der Strahlquelle vor Zerstörung die rückflektierte Strahlung bei der Einkopplung des Laserstrahls in Wasser erfassen und bei Erreichen eines gewissen Schwellwertes die Strahlquelle abschalten bzw. die reflektierte Strahlung in einen Absorber ablenken. Weitere Entwicklungsarbeit ist im Bereich des Fasersteckers notwendig. Die Genauigkeit aktueller Faserstecker ist nicht ausreichend, um einen Laserstrahl innerhalb eines Bohrkopfs in einen Wasserstrahl kleinen Durchmessers einzukoppeln. Hierfür ist die Sonderentwicklung eines Fasersteckers mit hochgenau ausgerichteter Faser notwendig. Weiteres Entwicklungsziel ist die Entwicklung einer angepassten Laserleistungsmodulation zur Erzielung einer möglichst kurzen Bestrahlungsdauer. Hier gilt es in Vorversuchen zu prüfen, inwiefern die Modulationsfrequenz Einfluss auf die Einkopplung des Laserstrahls in den Wasserstrahl und auf das Abtragsergebnis am Gestein hat.
KAMAT Pumpen GmbH & Co. KG, Witten, Nordrhein-Westfalen: Konzeptionierung und Entwicklung der Druckerzeugung incl. Wasseraufbereitung für einen LaserJetDrilling Bohrprozeß. Im Teilvorhaben der KAMAT Pumpen GmbH & Co. KG wird eine Druckerzeugung und Wasseraufbereitung für den LaserJetDrilling-Ansatz entwickelt und gefertigt. Notwendige Ausgangsdaten für die Auslegung der Pumpenkomponenten sind die beim assoziierten Partner Synova für Mikroanwendungen vorhandenen Informationen (Druck, Durchfluss, Reinheitsgrad) und Erfahrungswerte im Bereich Druckerzeugung und Wasseraufbereitung. Die Informationen werden auf Grundlage eines Kooperationsvertrages dem LaserJetDrilling-Konsortium zur Verfügung gestellt. Die Konzeptionierung des Pumpen- und Wasseraufbereitungsequipments für den LaserJetDrilling-Ansatz stellt den ersten Schwerpunkt des Arbeitspaketes von KAMAT dar. Hierfür müssen die Kennwerte von Synova hochskaliert werden, so dass eine Wasserstrahlführung von multi-kW-Laserstrahlung ermöglicht wird. Im Anschluss wird die Fertigung und Beschaffung der hierfür notwendigen Komponenten vorbereitet und umgesetzt. Abschließend erfolgt die Inbetriebnahme der Druckerzeugung und Wasseraufbereitung am LaserJetDrilling-Prüfstand.
Hochschule Bochum - FB Bauingenieurwesen - International Geothermal Centre, Bochum, Nordrhein-Westfalen: Entwicklung und Aufbau eines Demonstrator Bohrkopfes und Versuchsstand für das LaserJetDrilling in Festgesteinen - BHA for LJD -. Die inhaltlichen Schwerpunkte der HSBO / GZB liegen nach Festlegung der Systemgrößen für das LJD in der Bearbeitung, Herstellung und Tests der bohrtechnisch relevanten, mechanisch / technischen Teile für dieses neue Verfahren. Die Laser Technik kommt von den Partnern IPT und IPG. Die Entwicklung, Konstruktion und Adaption der Bohrtechnik passend zur Lasersystemtechnik, incl. Design, Herstellung und Betrieb der LJD Bohrköpfe und 'technik, incl. der Infrastruktur für umfangreiche Versuche, liegt in der Verantwortung der Hochschule Bochum / GZB. Dort im Bohrtestfeld und in den Labors wird diese LJD Technik entsprechend zusammengebaut, angewandt und bewertet werden.