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ThermoDrill - Forschungsvorhaben

Projektlogo

Um die Geothermie attraktiver zu machen, ist es dringend erforderlich, kostengünstige und neuartige Tiefbohrtechnologien und -konzepte bereitzustellen, die die Anzahl wirtschaftlich realisierbarer Geothermieprojekte in Europa erhöhen. Das Projekt ThermoDrill wird hierzu in drei Phasen durchgeführt:

  1. Laboruntersuchungen zur Bestimmung von Gesteinsparametern.
  2. Konzeptionsphase zur Komponentenauswahl, wie vertikale *jetting tools', Bohrköpfe, Bohrspülung.
  3. Integration in ein komplettes Bohrsystem.

Letzlich werden die Ergebnisse in einem kleinskaligen Feldtest verifiziert, bei dem beispielsweise Bohrkronen oder Spülung getestet werden können.

Steckbrief

Programm/ Zuschussgeber

EU, Horizon 2020

Akronym

ThermoDrill

Titel/ Thema

Fast track innovative drilling system for deep geothermal challenges in Europe

Identifikation/ Zuwendungsnummer

641202

Durchführungszeitraum

2015 - 2019

Geschätzte Kosten/ Zuwendungsbetrag

5.824.745 EURO

Sonstiges

 

Erwartete Ergebnisse

Im Projekt ThermoDrill hat sich ein interdisziplinäres Team aus Experten aus Forschung und Industrie das ehrgeizige Ziel gesetzt, ein schnelles und kostengünstiges Bohrsystem zu entwickeln, das auf einer innovativen Kombination aus konventionellem Drehbohren und Wasserstrahlspritzen basiert. Durch die neue Technologie wird der Bohrfortschritt in Hartgestein um mindestens 100% erhöht und die Kosten werden um mehr als 30% gesenkt.

Das ThermoDrill-Konsortium befasste sich mit folgenden Forschungs- und Entwicklungsthemen, um diese Ziele zu erreichen:

Revolutionäre und bahnbrechende Bohrtechnologie

Geothermische Brunnen müssen oft durch sehr harte Gesteinsformationen gebohrt werden. Die Bohrausrüstung auf dem neuesten Stand der Technik geht dabei an ihre Grenzen, sodass schnellere und langlebigere Technologien benötigt werden. Die Kombination von konventionellem Drehbohren mit Hochdruckwasserstrahl hat das Potenzial, die erforderliche Technologie zu sein. Der Hochdruckstrahl schneidet die Gesteinsoberfläche vor dem Bohrmeißel, reduziert die Festigkeit des Gesteins und erhöht so die Bohrgeschwindigkeit. Der Wasserdruck wird im Bohrloch erzeugt, so dass keine zusätzliche Oberflächeninfrastruktur erforderlich ist und hohe Sicherheitsstandards aufrechterhalten werden können.

Neuartige Bohrspülung

Zu den Hauptfunktionen einer Bohrflüssigkeit gehört das Entfernen des Bohrkleins vom Bohrlochtiefsten, die Gewährleistung der Bohrlochstabilität und die Kühlung des Bohrers. Das Projekt ThermoDrill hat sich zum Ziel gesetzt, eine Flüssigkeit zu finden, die nicht nur als Bohrflüssigkeit wirkt, sondern auch den Hochdruck-Spritzvorgang unterstützt. Das neu entwickelte Fluid kombiniert diese beiden Funktionen und ermöglicht eine verbesserte Bohrleistung bei Einhaltung strenger Umweltstandards.

Einzigartiger Bohrer-Prototyp

Der Bohrer muss dem enormen hydraulischen Druck standhalten, der durch den Bohrer auf die Spritzdüsen übertragen wird. Aus diesem Grund wurde ein neuartiger Hochdruckkörper entworfen und in den Rahmen eines Rollenkegelbohrers integriert. Die verlängerten Düsen ermöglichen eine schnelle und einfache Wartung und den Austausch abgenutzter Teile, während der Abstand zwischen dem Bohrlochtiefsten und der Düse auf einem Minimum gehalten wird.

Simulationen und Experimente

Die erfolgreichen Bohransätze zum Bohrvorgang und die Wechselwirkung zwischen dem Hochdruckwasserstrahl und dem Gestein waren ermutigend. Simulationsaktivitäten waren dabei ein zentrales analytisches Element im Projekt. Darüber hinaus wurde eine Vielzahl von Experimenten durchgeführt, um den derzeitigen Ansatz kontinuierlich zu optimieren und die ThermoDrill-Technologie für den zukünftigen industriellen Einsatz geeignet zu machen.

Koopertionspartner und Rolle im Konsortium

  • Montan Universität, Leoben. Scientific & Technical Project Coordination, Project Management, Rock mechanics, Financial & Administrative Project Coordination, Design of drilling process.
  • ES-GEOTHERMIE, Frankreich. Characterisation of representative deep-seated in-situ conditions in geothermal reservoirs, rock sample selection and preparation, design of testing procedure.
  • BESTEC GMBH, Deutschland. Provision of deep geothermal drilling data and experience, business process modelling.
  • RAG ENERGY DRILLING GMBH, Österreich. Well engineering and planning, drilling optimisation, rig operations.
  • INERCO, Spanien. HSE aspects and risk management, environmental life cycle perspective.
  • TECHNISCHE UNIVERSITAET MUENCHEN, Deutschland. Oil field chemistry, including cementing and drilling fluids.
  • SIRIUS-ES HANDELS GMBH, Österreich. Drilling and jetting fluid development.
  • SMITH INTERNATIONAL ITALIA SPA, Italien. Drill bit design and development; manufacturing of drill bit prototype(s), test runs.
  • GEO-ENERGIE SUISSE AG, Schweiz. Testing and validation of prototypes.

Cordis: Ergebnis in Kürze

Petrothermale Systeme (Enhanced Geothermal System, EGS) sind die potenziellen Eckpfeiler der europäischen Strategie für erneuerbare Energien. Um dieses Potenzial zu erschließen, hat eine EU-Forschungsgruppe nun ein revolutionäres wasserstrahlunterstütztes Rollenmeißel-Bohrsystem entwickelt.

Europas Abhängigkeit von Gasquellen außerhalb der EU birgt Risiken für die Energiesicherheit der Union. Eine mögliche Lösung zur Lockerung dieser Abhängigkeit ist die Nutzung der Geothermie zur Erzeugung von Wärme und Strom. „Die Nutzung der Geothermie als erneuerbare Ressource ist eine Grundvoraussetzung für eine sichere und nachhaltige Energieversorgung Europas“, sagt Karin Rehatschek von der Montanuniversität Leoben in Österreich. Rehatschek ist Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts ThermoDrill, das eine innovative Tiefbohrtechnologie zur Erschließung von Geothermie entwickelt hat.

Starke Felsformationen durchbrechen

Petrothermale Systeme bergen das Potenzial, zu einem Eckpfeiler der zukünftigen europäischen Strategie für erneuerbare Energien zu werden, da sie täglich rund um die Uhr die Grundlast an Energie, und das nahezu ohne Kohlenstoffemissionen, liefern können. Schon heute liefert die 24 MWth-Geothermieanlage in Rittershoffen, Frankreich, Prozesswärme an einen nahegelegenen Industriestandort, während eine Anlage in Insheim, Deutschland, 8 000 Haushalte mit elektrischer Energie versorgt. Doch bevor petrothermale Systeme in größerem Umfang genutzt werden können, müssen die Kosten für die Bohrungen gesenkt werden. „Die meisten geothermischen Quellen liegen in Tiefen von 3 000 bis 5 000 Meter unter der Oberfläche und sie befinden sich normalerweise unter harten Felsformationen“, erläutert Rehatschek. „Da das Bohren mit zunehmender Tiefe exponenziell teurer wird, liegen hier die Hauptkostenfaktoren für geothermische Anlagen begründet. Sie betragen oft mehr als die Hälfte aller Investitionskosten.“ Zur Überwindung dieser potenziellen Hindernisse, die der Ausschöpfung des Potenzials der petrothermalen Systeme im Wege stehen, hat das Projekt ThermoDrill ein Hybridbohrverfahren entwickelt, bei dem das übliche rotierende Bohren mit der Wasserstrahlschneidtechnik kombiniert wird. Der Hochdruckwasserstrahl, der direkt über dem Bohrmeißel platziert wird, schädigt beim Aufprall das Gestein vor. Dadurch kann der Bohrer wesentlich leichter in das Gestein eindringen, wodurch die Gesamteffizienz des Bohrvorgangs erhöht wird.

Gewaltige Möglichkeiten

Abschließende Feldversuche, die in einer 1,3 km tiefen Bohrung in Österreich durchgeführt wurden, bestätigten, dass die Bohrgeschwindigkeit mit dem Verfahren von ThermoDrill mindestens verdoppelt werden kann. „Die erhöhte Effektivität dank ThermoDrill wird die Bohrkosten erheblich senken, was wiederum einen geringeren Gesamtinvestitionsaufwand und damit eine deutlich verbesserte Wirtschaftlichkeit des gesamten Geothermieunterfangens zur Folge hat“, so Rehatschek. Das ThermoDrill-System kann problemlos in die vorhandene Bohrinfrastruktur und -technologie integriert werden, was die zukünftige Akzeptanz des Einsatzes als marktreifes System erhöhen dürfte. Nach den Schätzungen des Konsortiums können mit dem ThermoDrill-System bei einer tiefen Bohrung (5 000 m) Kosteneinsparungen in Höhe von etwa 20 % erzielt werden, was in etwa 3 Mio. EUR entspricht. „Zukünftige Weiterentwicklungen werden diese Bohrtechnologie zur Marktreife bringen und auf diese Weise den Weg zu einer verstärkten europa- und sogar weltweiten Nutzung der Geothermie als umweltfreundliche alternative Energiequelle bereiten“, so Rehatschek abschließend.

Literatur

https://thermodrill.unileoben.ac.at/en/media-centre/publications/

Weblinks

http://www.thermodrill-h2020.org/en/project/

https://thermodrill.unileoben.ac.at/ 

https://cordis.europa.eu/project/id/641202

Video

https://www.youtube.com/watch?v=MZVo9r2Qldc&feature=youtu.be

zuletzt bearbeitet März 2020