Viele Persönlichkeiten. Zwei Standorte. Eine BO.

Nachhaltige Energie

Die Forschungsaktivitäten der Hochschule auf diesem Gebiet stellen einen international sichtbaren Leuchtturm dar: das Sekretariat der International Geothermal Association (IGA) ist seit Jahren an unserer Hochschule angesiedelt.

Die School of Geothermal Engineering bildet das zentrale Koordinationszentrum für die Geothermische Nutzung untertägiger bergbaulicher Infrastrukturen, die Bohrtechnik, die Energiesystemtechnik und die zugehörigen numerische Modellierungen. Diese Themen werden zusammen mit regionalen und global agierenden Partnern bearbeitet. Sie sind eng verflochten mit angrenzenden Arbeitsgebieten des Klimaschutzes, des Energie- und Emissionshandels sowie dem Wasserbau bzw. der Wasserwirtschaft.

Das gemeinsam mit der Ruhr-Universität Bochum getragene Graduiertenkolleg „Applied Research on Geothermal Energy Systems" (AGES) hat Vorbildcharakter für den Aufbau weiterer Graduiertenprogramme bzw. zur Förderung kooperativer Promotionen der Hochschule Bochum.

Aktuelle Forschungsprojekte

Grubenwärmespeicher Bochum

Das Novum dieses Forschungsvorhabens ist es, eine Pilotanlage zur Wärmespeicherung innerhalb eines ehem. und nicht mehr zugänglichen Steinkohlebergwerkes am ehem. Opelstandort (Werk I) in Bochum-Laer zu konzeptionieren. Unterhalb dieses Geländes ist die ehemalige Zeche Dannenbaum (1859-1958) lokalisiert. 

Auf dem Betriebsgelände des ehemaligen Opel Werks befinden sich im Nordwesten die beiden Hauptförderschächte. Das Grubengebäude ist bis auf eine Teufe von -695,5 m NN bergbaulich erschlossen. Nach Stilllegung der Zeche wurden die beiden Schächte verfüllt. Zum jetzigen Zeitpunkt ist das Grubengebäude bis auf -190 m NN geflutet. Es ist davon auszugehen, dass innerhalb des Grubengebäudes ein ungestörtes Temperaturniveau von ca. 27°C auf der 8. Sohle, bei einer Teufe von -693 m NN, anzutreffen ist. 

Nach erfolgreicher Beendigung der Machbarkeitsstudie ist die zeitnahe Realisierung einer Pilotanlage geplant. Dies würde die Etablierung einer Heizzentrale mit Sonnenkollektoren und einer Wärmepumpe zur ausschließlichen Wärmeversorgung für die Neuansiedlungen auf dem ehem. Opel Werksgelände (Mark 51°7) anstreben. 

Dieses Projekt wird durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Die Hochschule Bochum erhält im Zuwendungszeitraum eine Förderung in einer Gesamthöhe von 230.357,25 €. 


SURE - Novel Productivity Enhancement Concept for a Sustainable Utilization of a Geothermal Resource

Im SURE-Projekt soll die Anwendbarkeit eines Bohrverfahrens auf die Erschließung geothermischer Reservoire untersucht werden, welches konzentrierte Hochdruckwasserstrahlen zur Herauslösung des Gesteins aus der Formation nutzt. Dieses Verfahren wird als „Radial Water Jet Drilling“ bezeichnet. Ausgehend von einer vorhandenen Bohrung werden weitere Zweige in die Formation gebohrt, um Strömungszonen im Abstand von maximal 100m anzuschließen. Dieses Konzept wurde von der Öl- und Gasindustrie adaptiert und stellt eine umweltschonende Alternative zur hydraulischen oder säurebasierten Stimulierung von Formationen dar, um hochpermeable Zonen im Gestein zu erschließen.

Im Rahmen der Geothermie muss bei diesem Bohrverfahren jedoch besonders auf die Wirtschaftlichkeit geachtet werden, welche durch den Einsatz von mobilen und kostengünstigen Bohrgeräten, sog. „Coiled Tubing Rigs“, gegeben ist. Die Anwendung dieses Bohrverfahrens zur Erschließung geothermischer Reservoire stellt eine Neuerung dar und wurde bisher nur an der Oberfläche getestet und nicht unter den Bedingungen wie sie in einer entsprechenden Formation vorzufinden sind. Um ein besseres Verständnis über die Wechselwirkung zwischen Bohrflüssigkeit und Formation zu erhalten, wird der Bohrprozess von verschiedenen Projektpartnern auf unterschiedlichen Ebenen untersucht.

Auf Mikroskala werden diejenigen Gesteinseigenschaften bestimmt, die notwendig sind um den Abtragprozess durch Wasserstrahlen physikalisch beschreiben zu können, ebenso wie die Effektivität der zusätzlichen Zweige in der Formation im Vergleich zu herkömmlicher hydraulischer Stimulierung. Auf Mesoskala wird der Bohrprozess an sich untersucht, indem unter Umgebungs- und simulierten Reservoirbedingungen Versuche durchgeführt werden. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse wird dann das Bohrverfahren optimiert und mit Hinblick auf die Erschließung geothermischer Formationen weiterentwickelt. An dieser Stelle setzt das Geothermie Zentrum Bochum mit seinen vorhandenen Testeinrichtungen und Infrastruktur an.Auf Ebene der Makroskala wird das „Radial Water Jet Drilling“ in einer echten Bohrung untersucht um festzustellen, ob sich permeable Gesteinszonen zuverlässig lokalisieren und anschließen lassen, und in wie weit sich die Produktivität der Lagerstätte steigern lässt. Begleitet werden die Untersuchungen auf Mikro-, Meso- und Makroskala durch die Entwicklung modellbasierter Simulationen und Methoden, deren Ergebnisse anhand der Auswertung der durchgeführten Experimente und Versuche verifiziert werden sollen.

Die Ergebnisse des SURE-Projekts werden durch eine Steigerung der Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Anzahl von Geothermiebohrungen maßgeblichen Einfluss auf die Erschließung und Entwicklung von geothermalen Energiesystemen haben. Durch den technologischen Fortschritt im Bereich des „Radial Water Jet Drilling“ Bohrverfahrens, den verbesserten Anschluss hoch permeabler Gesteinsschichten und Strömungszonen an das Bohrloch und die Reduktion der Umweltbelastung durch den Bohrprozess und die Stimulierung des geothermischen Reservoirs, soll dies realisiert werden.


ROWDY - Rapid Optical Imaging for Waterjet Drilling Technology Enhancement

In dem FH STRUKTUR-geförderten Projekt „Rapid Optical Imaging for Waterjet Drilling Technology Enhancement“ (ROWDY) entwickeln das Internationale Geothermiezentrum Bochum (GZB) und das Institut für Thermo- und Fluiddynamik der Hochschule Bochum einen auf Hochdruck Wasserstrahltechnik basierenden Bohrprozess für die Tiefengeothermie.

In dem interdisziplinären Projekt von Gesteinsphysikern, Bau- und Maschinenbauingenieuren wird das Wasserstrahlschneiden von Festgestein, wie es in großen Tiefen vorkommt, untersucht und ein optimierter Bohrprozess entwickelt. Dieser neuartige dynamische Bohrprozess reduziert signifikant den Energie- und damit den Ressourcenverbrauch. Für die regenerative Energietechnik Geothermie ist damit ein Technologieschub und eine Kostenreduktion zu erwarten, der zu einer weiteren Verbreitung der Geothermie beitragen soll und so eine sichere, saubere und effiziente Energieversorgung fördert.

Hochdruck-Wasserstrahlschneiden kommt in verschiedensten Bereichen der Industrie seit vielen Jahren zum Einsatz. Es ist somit in der praktischen Anwendung zwar gut bekannt, jedoch mathematisch, physikalisch und strömungsmechanisch bisher kaum beziehungsweise gar nicht beschrieben. Daher wurden eventuelle Verbesserungen lediglich aus zahlreichen Anwendungen in der Praxis iterativ entwickelt. Diese Herangehensweise ist langwierig, teuer und vor allem im untertägigen Bereich wie der Bohrtechnik so nicht durchführbar.

Ein zentrales Ziel von ROWDY ist es daher, die Vorgänge zwischen Hochdruck-Wasserstrahl und Gestein sichtbar und damit mathematisch und strömungsmechanisch „greifbar“ zu machen. Zum Einsatz kommen hierzu modernste optische Messverfahren wie Ultrahochgeschwindigkeitsfotografie, Sprayanalyse und die bildgebende Geschwindigkeitsmesstechnik Particle Image Velocimetry (PIV). Diese Expertise kann auch zur Untersuchung anderer technischer, biologischer oder medizinischer
Strömung genutzt werden.

Der neuartige Bohrprozess wird im weiteren Verlauf des Projekts unter tatsächlichen Druck- und Temperaturbedingungen der geothermischen Reservoire in dem In-Situ Borehole and Geofluid Simulator (IBGS) des GZB getestet.


SynPaTh - Synergie passiver seismischer Methoden zur Anwendung in der Geothermie

Konventionelle seismische Methoden, die ein Bild vom Erdinneren erzeugen, basieren auf aktiven Quellen, welche teuer in der Anwendung und nicht in jeder Umgebung (z.B. in Städten) praktikabel sind.  Die Analyse seismischen Rauschens ("Noise") durch passive seismische Methoden bietet die Möglichkeit den Untergrund kontinuierlich unter geringeren Kosten und minimalen Auswirkungen auf die Umwelt zu beobachten. Das Ziel dieses Projektes ist es, eine explizite Beziehung zwischen den beiden passiven Methoden der Frequenz-Wellenzahl (fk) Analyse und der seismischen Interferometrie herzustellen, und sie gemeinsam zur Charakterisierung und Überwachung geothermischer Reservoire zu nutzen.

Die fk Analyse bestimmt aus den Daten seismischer Netzwerke Backazimuth und Slowness der registrierten Wellen und erlaubt damit Rückschlüsse auf den Ursprungsort der Noise-Quellen und die lokalen seismischen Geschwindigkeiten. Zusätzlich liefert sie Informationen über Anisotropie, welche in engem Zusammenhang mit der Dichte und der Orientierung von Störungszonen im Gestein steht. Dieser Aspekt der Methode wurde erst kürzlich erstmalig angewendet und bisher nicht systematisch untersucht. Anisotropie spielt jedoch eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung geothermischer Reservoire: Störungszonen dienen hier als Verbindung zwischen zwei Bohrlöchern, in denen sich induzierte Flüssigkeiten ausbreiten. Nutzt man das natürliche Vorkommen solcher Verbindungen kann dies die Notwendigkeit für künstliche Risserzeugung durch Einbringen hoher Wasserdrucke (so genanntes "hydraulic fracturing") verringern. Dieses Projekt überprüft inwiefern die fk Analyse geeignet ist Anisotropie anhand von Noise-Messungen festzustellen und bestimmt die Sensibilität der Methode gegenüber Veränderungen anisotroper Parameter. Mit Hilfe von synthetischen Daten, akustischen Labordaten und seismischen Daten werde ich die Bedingungen analysieren unter denen die Methode zuverlässig funktioniert.

Eine weitere, relativ neue Methode zur Interpretation von seismischem Noise ist die seismische Interferometrie. Ähnlich wie die fk Analyse basiert sie auf der Kreuzkorrelation von seismischem Noise, aufgezeichnet an unterschiedlichen Empfängern. Das Ergebnis ist die sogenannte Green'sche Funktion - die Antwortfunktion des Mediums auf eine Impuls-Quelle - zwischen zwei Empfängern. In diesem Projekt werde ich die Vorzüge beider Methoden herausstellen und aufzeigen inwiefern sie sich ergänzen. Letztendlich werde ich beide Methoden kombinieren um erstmalig die Anisotropie am Internationalen Geothermiezentrum Bochum aus Noise-Daten zu bestimmen. Zwar werden passive Methoden nicht die Genauigkeit aktiver Messungen erreichen, mein Ziel ist es aber zu zeigen, dass sie ein ausreichend gutes Bild erzeugen können auf dessen Basis folgende aktive Methoden effizienter und damit kostensparender und umweltschonender angewendet werden können.



LaserJetDrilling - Entwicklung einer wasserstrahlgeführten Laserbohrtechnologie zur effizienten Erschließung geothermischer Ressourcen

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.

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. 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.


GeoMTES – Studie zur thermischen Nachnutzung von Steinkohlebergwerken

Das zentrale Ziel des GeoMTES Projektes(Machbarkeitsstudie) ist die Entwicklung eines technisch und wirtschaftlich umsetzbaren thermischen Speicherkonzeptes zur energetischen Nachnutzung des Bergwerks Prosper-Haniel in Form einer thermischen Speicherung. Die Konzeptidee sieht vor, saisonal nicht nutzbare Abwärme aus Industrie- und Kraftwerksprozessen und/oder auf umliegenden Bergwerksbrachflächen erzeugte solare Wärme in das Grubengebäude einzuspeisen und bei Bedarf im Winterhalbjahr zur Wärmeversorgung von Gewerbe- und Wohnimmobilien ggfs. auch über bestehende Fernwärmenetze zu nutzen. Für die Etablierung solch untertägiger thermischer Speicher müssen im Grubengebäude entsprechende Infrastrukturmaßnahmen durchgeführt und geeignete Erschließungs- und Fördersysteme entwickelt werden. Voraussetzung hierfür ist das Vorhandensein eines noch vollständig zugänglichen und möglichst noch aktiven Bergwerks. Bis mindestens 2018 ist das Steinkohlebergwerk Prosper-Haniel hierfür noch vollständig zugänglich, sodass gezielte Wärmespeicherkonzepte entwickelt und etabliert werden können. Als Grundlage eines saisonalen Wärmespeichers können innerhalb des Bergwerks Prosper-Haniel Temperaturen von 30 - 50º C genutzt werden, da die Abbaubereiche bis auf eine Teufe von über 1200 m reichen.


Hydraulic DTH Fluid / Mud Hammers with Recirculation Capabilities to Improve ROP and Hole Cleaning For Deep, Hard Rock Geothermal Drilling

Geothermal resources tend to be found in deeper and harder geologic formations than typical hydrocarbon reservoirs. Therefore, drilling technologies and processes from the oil & gas field need to be improved constantly to make for more efficient and economic drilling. Drilling speeds or rate of penetration (ROP) of classic drilling technologies, e.g. tricone bits, suffers greatly in deep and hard formations. Thus, there is a great need for tools with higher ROP and low wear to reduce drilling, trip time and cost. Down-the-hole hammers (DTH) using compressed air have successfully been proven for decades in shallow drilling < 400 m depth. To reach greater depth, the working medium must rather be a liquid, due to the compressibility of air and the possible need of drill mud for borehole stability.

One of those improvements over the past ten plus years has been the development and application of hydraulic downhole hammer systems at GZB in Bochum and elsewhere worldwide for geothermal, hydrocarbon, and mining drilling applications. However, several disadvantages of these hydraulic, so far mainly clean water hammer systems, held back their widespread use so far. Main hindrances were e.g. water quality of almost clean tap water, missing recirculation systems and thus, no possibility of using drill mud additives for borehole control and improved hole flushing capabilities. With new hydraulic hammer systems being developed in Bochum, Germany and coming onto the market elsewhere, most of these problems have been addressed, if not solved up to now, also pushing their drilling capabilities further down to beyond 5.000 m depth. Work has been done and will be presented here on a summary on past and current hydraulic hammer technologies. Beginning with an introduction to main basic working principles, different hammer types are discussed. The results of recent field tests are being presented. Furthermore, recirculation units for hammer drilling, multiple phase or, respectively, fluid flows, and the potential product of DTD mud powered hammers are being shown and discussed.

These innovative, DTH hammer tools will greatly help the geothermal or other deep drilling industry to make their drilling efforts far more economic, especially but not exclusively, in deep, hard rock drilling situations. Furthermore, hard sedimentary rocks may be drilled much more economically with hydraulic mud hammers being able to be powered by (light) mud and thus, allowing for good borehole control.