1. Was unterscheidet eine Geothermiebohrung von einer Öl- und Gasbohrung?
2. Was versteht man unter Tiefengeothermie?
3. Wie tief sind die Geothermiebohrungen, mit denen Sie sich im Rahmen des gebo Projektes beschäftigen?
4. Wie teuer ist eine Erdöl-Erdgasbohrung von 4.000 – 6.000 m Tiefe?
5. Wie viel geothermische Energie lässt sich mit einer Bohrung gewinnen?
6. Welche Kosteneinsparungen sollen durch neue Technologien erreicht werden?
7. Was soll durch die Arbeiten des Forschungsverbundes verändert werden?
8. Wie sollen die Einsparungen erreicht werden?
9. Wie soll das Risiko zu geringer Ergiebigkeit beherrscht werden?
10. Sind mit der Erschließung geothermischer Energie Risiken verbunden?
11. Warum Geothermie in Niedersachsen?
12. Warum gebo in Niedersachsen?
13. Können sich weitere Unternehmen an dem Verbund beteiligen?
14. Wozu wird eine hochtemperaturgeeignete Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) benötigt?
15. Welche Funktion hat ein hochtemperaturgeeigneter Vibrationssensor beim Bohrprozess?
16. Was ist eigentlich NTV?
17. Welche neuen Anforderungen ergeben sich an die Sensorik für Bohrtiefen im Bereich zwischen 4000 und 6000 m?
18. Wie erfolgt die Navigation des Bohrkopfes beim geothermischen Bohren?
19. Warum ist passive Entwärmung notwendig und was unterscheidet sie von Kühlung?
20. Warum brauchen wir beim Tiefenbohren Elektronik unter Tage?
21. Warum können wir keine herkömmliche Elektronik im Bohrkopf einsetzen?
1. Was unterscheidet eine Geothermiebohrung von einer Öl- und Gasbohrung?
Im Grunde genommen nicht viel. Durch eine Bohrung wird eine Verbindung hergestellt zwischen einem geothermischen Reservoir im Untergrund und der Übertageinstallation (dem Bohrlochkopf).
Besondere Herausforderungen bei Geothermiebohrungen:
→ Im Durchschnitt wird die Temperatur in einer Geothermiebohrung höher sein: HOT
→ Im Durchschnitt wird die Festigkeit des Gesteins also höher sein als bei einer Öl- oder einer Gasbohrung: HARD ROCK
→ Die Anforderungen an Kosteneffektivität und –effizienz sind höher.
→ Die Anforderungen an die Bohr- und Verrohrungstechnik sind höher.
Aus diesen Unterschieden resultieren besondere Anforderungen an Werkstoffe, Sensorik sowie an Bohrprozess und Bohrprozessüberwachung.
2. Was versteht man unter Tiefengeothermie?
WIKIPEDIA definiert Tiefengeothermie als „denkbare Nutzung von Erdwärme der Erdrinde in Abteufungen ab 400 m“. Wirklich interessant wird der Untergrund erst ab ca. 3.000 m, denn diese Teufe ist notwendig, um bei normalem Temperaturgradienten (3 Grad Kelvin Temperaturzunahme pro 100 m) aus Erdwärme Strom erzeugen zu können.
3. Wie tief sind die Geothermiebohrungen, mit denen Sie sich im Rahmen des gebo Projektes beschäftigen?
Der für unsere Untersuchungen angenommene Tiefenbereich liegt bei 4.000 – 6.000 m
4. Wie teuer ist eine Erdöl-Erdgasbohrung von 4.000 – 6.000 m Tiefe?
Ein in der Erdöl-/Erdgasindustrie gängiger Richtwert für Tiefbohrungen liegt bei 2,5 – 3.0 Millionen Euro pro 1.000 m. Demach würde eine 5.000 m Bohrung etwa 12 – 15 Millionen Euro kosten.
5. Wie viel geothermische Energie lässt sich mit einer Bohrung gewinnen?

6. Welche Kosteneinsparungen sollen durch neue Technologien erreicht werden?
Mit den konzipierten Prozessen und Technologien sollen die Kosten um 30-50 % reduziert werden.
7. Was soll durch die Arbeiten des Forschungsverbundes verändert werden?
Wir wollen
Voraussetzung hierfür sind u. a. neue Werkstoffe, Beschichtungen und beständigere Elektroniksysteme sowie neue Explorationstechniken.
8. Wie sollen die Einsparungen erreicht werden?
Die geplanten Einsparungen sollen durch die nachstehenden drei Maßnahmen erreicht werden:
Nach gängiger Technik werden heute Bohrlöcher hergestellt, die mit großem Durchmesser (bis 80 cm) beginnen und sich nach unten teleskopartig verjüngen (bis auf +/- 15 cm). Von Zeit zu Zeit müssen sog. Rohrfahrten in das Bohrloch eingebracht werden, um es zu stabilisieren. Durch diese Rohrfahrten kann man nur mit immer kleiner werdendem Bohrmeißel einfahren.
Das Monobore Konzept – bei gleichem Enddurchmesser – vermeidet die großen Anfangsdurchmesser der herkömmlichen Konstruktion. Kleinere Durchmesser lassen sich schneller bohren, brauchen weniger Bohrspülung, weniger Stahl für die Bohrlochstabilisierung und weniger Zement, um die Rohrfahrten im Gebirge zu verankern – und sie brauchen kleinere Anlagen und Aggregate (wie Spülpumpen, etc.).
Heutzutage wird meist mit einem Bohrstrang gebohrt. Er wird aus etwa 10 m langen Bohrstangen zusammengeschraubt. Beim Bohren muss der Bohrprozess alle 10 m (20 oder höchstens 30 m) unterbrochen werden, um eine neue Bohrstange bzw. Stangenzug nachzusetzen – das ist zeitaufwändig. Ist die Verrohrungsteufe erreicht, muss der Strang ausgebaut und die Rohrfahrt zur Gebirgsstabilisierung eingebracht werden. Auch das benötigt Zeit und ist mit dem Risiko verbunden, dass es während Ein- und Ausbau zu Verbruchserscheinungen im Bohrloch kommt.
Der Einsatz eines abwickelbaren gefalteten Endlosrohres und seine Nutzung als „Stützrohrfahrt“ spart Zeit und verringert Risiken aufgrund von Bohrlochverbruch aber auch von Bohrgestängebruch, weil das Endlosrohr ja nur einmal eingesetzt wird.
9. Wie soll das Risiko zu geringer Ergiebigkeit beherrscht werden?
Im Fokus unserer Anstrengungen ist die im „trockenen, harten“ Gestein gespeicherte, thermische Energie. Um diese Energie zu gewinnen sind poröse und durchlässige Speichergesteine wie bei Öl- oder Gasbohrungen nicht unbedingt notwendig. Im Untergrund natürlich vorhandene Risssysteme, wie sie häufig einhergehen mit den Versätzen geologischer Schichten, sind bevorzugtes Ziel der petrothermalen Systeme, deren Herstellung wir optimieren wollen. Diese Risssysteme sollen als geologische Wärmetauscher erschlossen werden, um durch Zirkulation eines geeigneten Wärmeträgerfluids die im heißen Gestein gespeicherte thermische Energie zu gewinnen.
Im Forschungsschwerpunkt Geosysteme sollen Verfahren weiterentwickelt werden, um diese Risssysteme im Rahmen von geophysikalischen Vorerkundungen identifizieren zu können. Wo natürliche Risssysteme fehlen, suchen wir nach Möglichkeiten, solche Systeme möglichst effizient künstlich zu erzeugen. Hierbei soll eine spezielle Art der hydraulischen Trägerbehandlung Anwendung finden, in Verbindung mit geeigneten Bohrungsverläufen.
10. Sind mit der Erschließung geothermischer Energie Risiken verbunden?
Die Erschütterungen nach der Stimulation der Geothermiebohrung Basel und die Bodenhebungen in der Gemeinde Staufen im Breisgau sind für viele zum Inbegriff der Risiken geworden, die mit der Erschließung geothermischer Energie verbunden sein können. Dass es prinzipiell durch die Nutzung des Untergrundes zu seismischen Bewegungen kommen kann, ist bekannt und nicht auszuschließen.
Basel liegt im Oberrheintalgraben, einem tektonisch aktiven Gebiet, in dessen Untergrund natürliche geologische Spannungen und damit häufig Erdbeben auftreten. Im Falle von Basel trat ein Beben auf, während eine große Wassermenge im Rahmen einer hydraulischen Behandlung der Bohrung verpumpt wurde.
Norddeutschland ist im Gegensatz zum Oberrheintalgraben tektonisch kaum aktiv. Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu spürbaren Erschütterungen kommt, wird als kaum gegeben eingestuft. Als Beleg hierfür mag die Beobachtung gelten, dass im Rahmen der vielen hydraulischen Bohrungsbehandlungen, die in den Öl- und Gasbohrungen Norddeutschlands durchgeführt wurden spürbare Erschütterungen nicht beobachtet wurden. Ein seismisches Monitoring nicht spürbarer Mikrobeben während einer hydraulischen Stimulation ist aber auch in Norddeutschland zu empfehlen, einerseits zur Kontrolle der Mikrobeben und andererseits, um den Erfolg der Stimulation des geothermischen Reservoirs abzusichern.
Im Fall Staufen liegt eine besondere geologische Situation vor, wie sie für Niedersachsen nicht bekannt ist. In eine 75 Meter mächtige, oberflächennahe Anhydritschicht ist Wasser eingedrungen und hat dort zur Bildung von Gips geführt, ein Vorgang, der mit einer Volumenzunahme verbunden ist. Dadurch hebt sich die Erde in Staufen. Obwohl das erstellte Gutachten keine eindeutige Ursache nennt - das Einsickern von Wasser in die Anhydritschicht kann sowohl durch die Geothermie-Bohrungen als auch durch natürliche tektonische Verschiebungen verursacht worden sein – zeigt der Vorfall die Bedeutung einer professionellen Herstellung von Bohrungen. Bohrungen sollen eine effiziente Verbindung schaffen zwischen dem Zielhorizont im geologischen Untergrund und der Erdoberfläche, müssen aber ansonsten dicht sein. Wegsamkeiten, z.B. aufgrund schlechter Zementation der in die Bohrungen eingebauten Stahlrohre, über die Flüssigkeiten unkontrolliert in andere geologische Schichten gelangen können, darf es nicht geben. In Norddeutschland sind ca. 20.000 Öl- und Gasbohrungen abgebohrt worden, ohne dass es zu ähnlichen Erscheinungen wie in Staufen gekommen ist.
11. Warum Geothermie in Niedersachsen?
Zugegeben, Geothermie – Erdwärme – und Niedersachsen das klingt zunächst nicht nach einer naheliegenden Kombination. Da denkt man vielleicht an Island oder, wenn wir in Deutschland bleiben, an den Oberrheintalgraben. Aber die vorliegenden Potenzialabschätzungen bescheinigen auch Niedersachsen ein erhebliches geothermisches Potenzial. Ziel der Landesregierung ist es, den Anteil erneuerbarer Energien deutlich zu steigern und als drittes Standbein neben Wind und Biomasse das in Niedersachsen vorhandene, bisher nicht ausgeschöpfte geothermische Potenzial zu nutzen.
12. Warum gebo in Niedersachsen?
Die Wirtschaftlichkeit geothermischer Energiegewinnung unter typisch niedersächsischen Bedingungen und unter Anwendung des Standes der Technik ist derzeit grenzwertig. Eine umfassende Nutzung geothermischer Energie in Niedersachsen erfordert daher die Weiterentwicklung des Standes der Technik. Da liegt es für ein Energieland wie Niedersachsen nahe, seine F&E Kompetenzen zu nutzen und die notwendige Technologie im eigenen Lande zu entwickeln. Die Voraussetzungen dafür sind gut. Mit seinen Universitäten und Forschungszentren, allen voran dem Energieforschungszentrum EFZN in Goslar und dem Geozentrum in Hannover, hat Niedersachsen eine ausgezeichnete wissenschaftliche Infrastruktur. Hinzu kommt im industriellen Bereich eine für Deutschland einmalige Konzentration der Erkundungs- und Gewinnungsindustrie für Erdöl und Erdgas und der sie unterstützenden Service- und Bohrindustrie.
Geothermie ist ein zukunftsfähiges Thema. Das gilt nicht nur für die Energienutzung im eigenen Lande sondern auch im Hinblick auf "Wissens- und Technologie-Export".
Der Forschungsverbund gebo bündelt die niedersächsischen F&E-Kompetenzen im Bereich Geothermie, bringt die Kooperation in der Niedersächsischen Technischen Hochschule NTH voran und verbessert die Vernetzung mit der Wirtschaft, um innovative Technologie praxisnah zu entwickeln und umzusetzen.
13. Können sich weitere Unternehmen an dem Verbund beteiligen?
Der Verbund ist grundsätzlich offen für weitere Unternehmen; eine gewisse finanzielle Beteiligung wird dabei erwartet. Die Rahmenbedingungen regelt ein Kooperationsvertrag. Interessierte Unternehmen können sich an die gebo-Geschäftsstelle wenden, um weitere Informationen zu erhalten.
14. Wozu wird eine hochtemperaturgeeignete Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) benötigt?
Moderne Bohrköpfe sind mit einer Vielzahl von elektronischen Modulen für die Stromversorgung, Kommunikation und Sensorik ausgestattet. Die rauhen Bedingungen und hier insbesondere die hohen Temperaturen und Vibrationen stellen erhebliche Anforderungen an die elektronischen Bauteile und deren AVT. Herkömmliche Verbindungstechniken wie Löten, Kleben und Bonden sind für Betriebstemperaturen bis 160°C ausgelegt und daher für den Einsatz bei erwarteten Prozesstemperaturen von 250°C ungeeignet.
15. Welche Funktion hat ein hochtemperaturgeeigneter Vibrationssensor beim Bohrprozess?
Während des Hochleistungsbohrens bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 250 °C soll eine autonome Sensorik und Datenverarbeitung im Bohrloch gewährleistet werden. Starke Schwingungen und Vibrationen, die beim Bohren entstehen, führen zu hohen Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. Als Folge treten Ermüdung und Verschleiß, besonders auch am Bohrmeißel, auf und es kann zu Störungen im Bohrprozess kommen. Die Vibrationsüberwachung kann hierbei einen entscheidenden Beitrag leisten, die Lebensdauer des Bohrmeißel und weiterer Werkstoffe zu erhöhen und somit Kosten zu sparen.
NTV steht für „Niedertemperatur- Verbindungstechnik“. Es ist die Verbindungstechnik, die zur-Chip-Substrat-Kontaktierung von ungehäusten Bauteilen im Projekt Gebo eingesetzt werden soll und am Institut für Halbleitertechnik der TU Braunschweig entwickelt wurde. Der Name kommt daher, dass beim Verbinden des Chips auf dem Substrat nur niedrige Prozesstemperaturen (230°C – 250°C) erforderlich sind. Die Drucksinter-Verbindungen der NTV basiert auf einem speziellen Silberpulver, womit das Bauelement beschichtet wird. Der eigentliche Verbindungsvorgang erfolgt dann mit Hilfe einer Presse bei einem Druck von 40 MPa (entspricht etwa 50 Tonnen) für die Dauer von einer Minute. Bei dem Verbindungsprozess handelt es sich um eine reine Festkörperreaktion und zeichnet sich durch eine hohe Temperaturstabilität und Belastbarkeit von mindestens 350° C aus.
17. Welche neuen Anforderungen ergeben sich an die Sensorik für Bohrtiefen im Bereich zwischen 4000 und 6000 m?
In diesen Tiefen liegt die Temperatur bei 200°C bis 250°C. Diese Temperaturen stellen völlig neuen Anforderungen an die Sensoren sowie deren Betriebselektronik. Betrachtet man beispielsweise die Navigation durch die Orientierung am Magnetfeld der Erde, so müssen Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, die auch bei diesen hohen Temperaturen eine hohe Empfindlichkeit besitzen und stabil und zuverlässig betrieben werden können. Bei Fluxgate-Magnetometern, die gegenwärtig für die Navigation beim geothermischen Bohren verwendet werden, müssen insbesondere weichmagnetische Materialien (kleine Hysterese) mit einer Curie-Temperatur deutlich größer als 300°C gefunden werden. Betrachtet man die Betriebselektronik, so müssen neue Platinenmaterialien, Hochtemperaturbauelemente und neue Verbindungstechniken eingesetzt werden.
18. Wie erfolgt die Navigation des Bohrkopfes beim geothermischen Bohren?
Für die Navigation werden gegenwärtig so genannte Fluxgate-Magnetometer eingesetzt. Ein Fluxgate-Magnetometer ist ein hochempfindlicher vektorieller Sensor für die Messung von Magnetfeldern. Für die Orientierung am Magnetfeld der Erde werden drei Fluxgate-Sensoren eingesetzt, die das Magnetfeld in den drei Raumrichtungen detektieren. Herkömmliche, kommerzielle Fluxgate-Sensoren sind für den Betrieb bei Raumtemperatur ausgelegt, die momentan beim geothermischen Bohren verwendeten Fluxgate-Magnetometer sind für maximale Temperaturen von etwa 150°C einsetzbar. Um Fluxgate-Sensoren für Temperaturen bis 250°C herzustellen, müssen neue Materialien, insbesondere für den magnetischen Kern, verwendet werden.
19. Warum ist passive Entwärmung notwendig und was unterscheidet sie von Kühlung?
Im Rahmen des GeBo-Projektes werden Bohrtiefen von mehreren Kilometern angestrebt. In diesen Tiefen liegen Temperaturen (bis zu 250°C) vor, denen die standardmäßig eingesetzte Elektronik nicht standhalten kann. Um eine zuverlässige und stabile Funktion zu gewährleisten, ist es deswegen nötig, die entsprechenden Elemente zu kühlen. Jeder Kühlmechanismus setzt allerdings Temperaturunterschiede voraus. Die Aufgabe der passiven Entwärmung ist es nun, diese Temperaturgradienten zu ermitteln und ggfs. zu verändern. Dazu müssen zunächst Wärmequellen identifiziert werden. Hierzu gehören nicht nur Bauelemente, deren elektrische Leistung zum Teil in Wärme umgewandelt und abgegeben wird, sondern auch Kontakte, die Wärmeflüsse ähnlich einem elektrischen Widerstand behindern. Neben der Verringerung der Entstehung von Wärme direkt auf den Platinen, beispielsweise durch alternative Verbindungsmechanismen und Materialien, spielt außerdem die Isolation zur Umgebungstemperatur eine entscheidende Rolle.
Das Projekt „Passive Entwärmung“ schafft insofern durch Simulation dynamischer Wärmetransportprozesse und deren experimenteller Verifizierung die Grundlagen effizienter aktiver Kühlung.
20. Warum brauchen wir beim Tiefenbohren Elektronik unter Tage?
Seit 1978 wird der Bohrprozess mit Hilfe von Elektronik unter dem Namen Measurement While Drilling (MWD) unterstützt und übernimmt drei wesentliche Aufgaben:
Die Möglichkeiten, die durch die Elektronik eröffnet wurden, sind Voraussetzung für modernes Richtungsbohren. Die Zuverlässigkeit ist ein kritisches Maß, da ein Ausfall der Elektronik einen kostspieligen Wechsel des Werkzeugs erforderlich macht.
21. Warum können wir keine herkömmliche Elektronik im Bohrkopf einsetzen?
Herkömmliche integrierte elektronische Schaltungen sind bis zu einer Temperatur von 150 °C einsetzbar. Da bei einer geothermischen Bohrung Temperaturen jenseits von 150 °C erst interessant sind, werden neue Verfahren zur Fertigung dieser Schaltungen erforderlich. Nach dem derzeitigen Forschungsstand werden Schaltungen für höhere Temperaturen auf Basis von Silicon-On-Insulator (SOI) oder Silizium-Carbid (SiC) als aussichtsreich gesehen. Allerdings ist der Fertigungsprozess für diese Technologien noch nicht ausgereift und ermöglicht weniger komplexe und langsamere elektronische Komponenten. Dieses führt zu erhöhten Anforderungen an den Schaltungsentwurf. Daher werden im Rahmen des Projekts neuartige Simulationsverfahren und angepasste Architekturkonzepte entwickelt um diesen Restriktionen zu begegnen.

