Detail Diplomarbeit Köster

Betreuung:

Prof. Dr. rer. nat. Rolf Bracke
Fachhochschule Bochum, Institut für Wasser und Umwelt

Dipl.- Ing. Michael Würtele
Deutsche Montan Technologie GmbH

Zusammenfassung:

Zur Erschließung des quasi unerschöpflichen geothermischen Energiepotentials sind Innovationen in der Bohrverfahrenstechnik infolge der extrem hohen Investitionskosten bezüglich der Tiefbohrungen unabdingbar. Für ein Dublettensystem zur hydrothermalen Energiegewinnung in Norddeutschland betragen die Investitionskosten der Bohrung je nach Teufe, Durchmesser und den geologischen Randbedingungen schon allein über 80% des Untertagesystems (eine ca. 5 km tiefe Dublettenbohrung ~ 15 Mio. Euro) und weit über 50% des Gesamtsystems. Um die Geothermie wirtschaftlich zu einer attraktiven Alternative zu den konventionellen Energieformen zu etablieren, ist es zwingend erforderlich, die hohen Kosten der Tiefbohrungen zur Erlangung der entsprechenden Temperaturen und Förderraten (> 3,5 - 4 km) erheblich zu reduzieren. Explorationsbohrungen - Erkundungsbohrungen zur Abschätzung der Erfolgswahrscheinlichkeit - sind zur Bestimmung der Wirtschaftlichkeit eines geplanten geothermischen Projektes essentiell. Die technisch - ökonomische Grenze der Tiefbohrungen liegt zur Zeit bei rund 7.000 m Teufe.
Das zweite Kapitel dieser Arbeit ist eine Einführung in die Geothermie. Neben den wesentlichen theoretischen und technischen Potentialen wird eine übergreifende Zusammenfassung der verschiedenen Nutzungsformen und Anlagetypen, sowohl der Tiefen als auch der Oberflächennahen Geothermie, gegeben. Zudem soll es den Bedarf und die Notwendigkeit weiterer Tiefbohrungen und den diesbezüglichen technischen Innovationen sowie der dafür notwendigen Förderung von staatlicher Seite herausstellen.
Im dritten Kapitel werden die für die Geothermie eingesetzten herkömmlichen Bohrverfahren und den dafür erforderlichen Komponenten, wie Bohranlagen, -meißel und -spülungen, beschrieben. Hauptsächlich wird das drehend-drückende Bohren, das so genannte Rotary-Bohren erläutert. Dieses ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren und verfügt über den bisher höchsten Mechanisierungs- und Automatisierungsgrad. Das Rotary-Bohren lässt sich hauptsächlich nach der Spülungszirkulation, Normal- bzw. Umkehrspülung, und der Art und Weise des Antriebes des Bohrwerkzeuges (Drehtisch, Top-Drive, Bohrlochsohlenantriebe - Motoren, Turbinen) unterscheiden. Für das drehend-schlagende Bohren werden die Luftdruck betriebenen und die hydraulisch arbeitenden Imloch-Hämmer beschrieben und im Hinblick auf ihren Wirkungsgrad mit dem drehend-drückenden Bohren verglichen. Auf unkonventionelle Verfahren wird aufgrund ihres technisch noch lange nicht ausgereiften Standes und der hohen Kosten nur ansatzweise eingegangen.
Im vierten Kapitel werden innovative Verfahren bzw. Werkzeuge und Techniken vorgestellt und für ihren technisch-ökonomischen Einsatz bzw. zukünftigen Nutzen untersucht und bewertet. Der Schwerpunkt betrifft den Bereich der Tiefbohrungen zur Exploration und im Besonderen die Richtbohrtechnik. Wegen ihrer Bedeutung für die oberflächennahe Geothermie werden auch einige Verfahren der Flachbohrtechnik, wie das simultane Verrohren und ein neues Kombinationsverfahren in die Betrachtungen mit einbezogen. Das Hauptanliegen zur Senkung der hohen Kosten liegt in der maximalen Effizienz des Bohrvorganges selbst. Innovative Verfahren zur Abteufung von Tiefbohrungen wie das Slimhole-Drilling oder das Casing-Drilling haben ihre Einsetzbarkeit unter kostensenkenden und technisch machbaren Gesichtspunkten bereits bei vielen Bohrungen unter Beweis stellen können. Das Power and Data Transmitting Composite Coiled-Tubing-Verfahren, welches sich noch in der Entwicklungsphase befindet, verspricht durch den Antrieb eines Elektromotors mit Hilfe eines in die Schlauchwandung des Coiled-Tubing Stranges integrierten elektrischen Systems einen erheblichen Beitrag zur ökonomischen und ökologischen Gewinnung geothermischer Energie zu leisten. In mittelhartem bis sehr hartem Gestein erzielte besonders der hydraulische Wassara-Hammer - Herzstück des Wassara-Drilling-Systems - sehr gute Bohrfortschritte. Einen Hauptaspekt dieses Kapitels bildet die Richtbohrtechnik, die besonders für das Bohren im Kristallingestein für HDR-Dubletten, zur Steigerung der Förderung der Thermalwasserrate und für die Exploration eine entscheidende Rolle bei mittelfristigen Projekten spielen wird und ohne die eine Reduzierung der Bohrzeit und somit der Kosten kaum möglich sein wird. Zur Richtbohrtechnik zählen die bereits hoch entwickelten Bohrlochsohlenmotoren (bis zu 1000 PS) - sowohl die Schnellläufer, als auch die Langsamläufer für hohe Drehmomente, eine größere Bohrprozesskontrolle mittels verbesserter Datenerfassung bezüglich der MWD- und LWD Technologie, optimierte und besser aufeinander abgestimmte Bohrlochgarnituren und die immer häufiger eingesetzten selbststeuernden Richtbohrsysteme (RCLS - Rotary Closed Loop Steering Systems).

Das fünfte Kapitel soll anhand von Kostenbetrachtungen hinsichtlich Tiefbohrungen (> 3.000 m) das Investitionsproblem verdeutlichen. Um einen ungefähren Überblick der Zusammensetzung der Bohrkosten und den maßgebenden Kostentreibern zu erhalten, werden zwei Kostenbeispiele geothermischer Tiefbohrungen gegeben und in Kostenblöcke gegliedert. Darauf bezogen werden mögliche kurz- bis mittelfristig zu realisierende Einsparpotentiale dargestellt. Ein Fazit anhand der in der Arbeit gemachten Ausführungen und einen Ausblick auf die in künftige Projekte stärker einzubeziehenden Innovationen erfolgt im Schlusskapitel.