Ein günstigerer Weg zur Erdwärme

Glückliches München! Rund 2000 bis 3500 Meter unter der bayerischen Landeshauptstadt liegt eine Kalksteinschicht, der sogenannte Malm, in der 70 bis 130 Grad warmes Wasser zirkuliert. Die Stadtwerke München fördern die Erdwärme mit sechs Anlagen und nutzen sie über das Fernwärmenetz zur Beheizung von Gebäuden und zur Erzeugung von Strom. Bis im Jahr 2040 sollen gut 60 Prozent des Münchner Wärmebedarfs durch Fernwärme gedeckt werden, überwiegend aus Tiefengeothermie.

«Aus der Schweiz blicken wir fast neidvoll auf dieses Vorzeigebeispiel für tiefe Geothermie», sagt Martin Saar, Professor für geothermische Energie und Geofluide an der ETH Zürich. «Allerdings hat die Schweiz bei ihrer Geologie nicht das gleiche Glück wie München.» In Teilen des Schweizer Untergrunds liegt zwar auch die Malm-Schicht. Diese trifft man in der Schweiz aber häufig in grösseren Tiefen an, sie ist an vielen Stellen kompakt und weitgehend wasserundurchlässig. Genügend durchlässige Stellen, sogenannte Reservoire, findet man nur sporadisch, nämlich dort, wo das Gestein Poren und vor allem Risse aufweist, die noch nicht durch den grossen Druck des darüberliegenden Gesteins verschlossen wurden. 

Ein spezielles Bohrkonzept könnte helfen, in der Schweiz wasserführende Schichten zu finden. Dafür wird zuerst in die Tiefe gebohrt, bevor die Bohrung in verschiedene Richtungen horizontal mehrere Hundert Meter vorangetrieben wird. Dieses System aus mehreren Horizontalbohrungen vergrössert die Chancen, auf wasserdurchlässige Stellen zu stossen. Horizontalbohrungen sind aufwendig. Umso wichtiger sind günstigere Bohrtechniken. 

Eine solche Bohrtechnik ist Directional Steel Shot Drilling (DSSD). Hierbei kommen kleine Stahlkügelchen zum Einsatz. Die Bohrtechnik, zurzeit vom niederländischen Unternehmen Canopus Drilling Solutions entwickelt, stand im Zentrum des Forschungsprojekts «DEPLOI the HEAT». In dem Projekt arbeiteten internationale Partner unter der Leitung von Canopus zusammen. Der Schweizer Teil wurde von der ETH Zürich durchgeführt und vom BFE im Rahmen des P+D-Programms finanziell unterstützt. Das Projekt ist Teil von Geothermica, einer EU-Forschungsinitiative, die verschiedene Fragestellungen im Bereich der Erdwärmenutzung untersucht. Im Rahmen von DEPLOI the HEAT testeten ETH-Forschende die DSSD-Bohrtechnik im Versuchsstollen Hagerbach, südöstlich von Flums (SG).

Im Versuchsstollen wurden mit der Bohrtechnologie zwei Horizontalbohrungen von 125 Metern Länge in Kalkstein realisiert. «Wir konnten mit diesen Testbohrungen zeigen, dass DSSD ohne Zwischenfälle in den herkömmlichen Bohrbetrieb integriert werden kann», sagt Andreas Reinicke, der das ETH-Projekt leitete und inzwischen beim niederländischen Forschungsinstitut TNO arbeitet. Die Forschenden gewannen darüber hinaus neue Erkenntnisse, wie die Zirkulation der Stahlkugeln im Bohrbetrieb stabil und optimal funktioniert. Mit DSSD konnte die Bohrgeschwindigkeit um den Faktor 3 bis 4 verbessert werden. So durchbohrt DSSD hartes Gestein mit 20 m/h gegenüber 5 m/h bei einer herkömmlichen Bohrmethode.

Mittlerweile ist das DSSD-System für flache Bohrungen bis etwa 500 m kommerziell verfügbar. Für den kommerziellen Einsatz für tiefe Bohrungen muss die Stahlkugel-Bohrtechnik weiter verbessert werden. Im Versuchsstollen wurde ein Bohrfluid mit 0,5 Volumenprozent Stahlkügelchen eingesetzt. Mit einer Erhöhung auf 2 Volumenprozent könnte die Bohrgeschwindigkeit weiter erhöht und besonders hartes Gestein effektiv erbohrt werden. Das spezielle Stahlkugelbohrsystem hat darüber hinaus die Fähigkeit, den Bohrmeissel zu steuern. Diese Fähigkeit wurde im Versuchsstollen Hagerbach demonstriert. Dabei wurde eine Ablenkung von bis zu 20 Grad pro 100 Meter Bohrstrecke erreicht, künftig könnten es 45 Grad pro 100 Meter sein. Auch wurden Parameter optimiert während des Tests, um eine ausreichende Reinigung des Bohrloches sicherzustellen.

In einer Teilstudie von DEPLOI the HEAT wurde abgeschätzt, in welchem Umfang die Fördermengen an Erdwärme künftig durch DSSD erhöht werden könnten. Dazu entwickelte die damalige ETH-Wissenschaftlerin Paromita Deb ein numerisches Modellierungsverfahren. Sie verwendete geologische Daten aus Genf und Lausanne, um rund 1000 virtuelle Varianten von zerklüfteten Kalksteinformationen zu erzeugen, und simulierte, wie sich horizontale DSSD-Bohrungen auf Durchflussraten, thermische Leistung und Wirtschaftlichkeit in diesen unterschiedlichen geologischen Szenarien auswirken würden.

Gemäss den Modellierungen ermöglichen Konfigurationen mit bis zu drei Horizontalbohrungen klare Zuwächse bei der Wärmeerzeugung – bis zu einer Verdopplung des Wärmeertrags. Auch ermöglicht DSSD im Vergleich zu konventionellen Bohrmethoden eine deutliche Reduktion der Bohrkosten, wobei die Einsparungen mit der Anzahl der Horizontalbohrungen zunehmen. Allerdings lässt sich die Zahl der Horizontalbohrungen nicht beliebig steigern, weil der Nutzen die Kosten dann nicht mehr rechtfertigt. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse, dass DSSD eine vielversprechende Technologie zur Verbesserung sowohl der Leistungsfähigkeit als auch der wirtschaftlichen Effizienz von geothermischen Bohrungen darstellt.

Die Services Industriels de Genève (SIG) und die Services Industriels de Lausanne (SIL) unterstützten das ETH-Forschungsprojekt finanziell und mit der Bereitstellung von Daten. «Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden erhebliche Fortschritte erzielt, und wir gehen fest davon aus, dass wir in einigen Jahren die DSSD-Technologie einsetzen können», sagt Michel Meyer, bei den SIG verantwortlich für Wärmelösungen und Geothermie. 

Kurzfristig setzt SIG allerdings auf konventionelle Bohrungen. Der Grund: Die DSSD-Bohrtechnologie sei noch nicht bereit für den Einsatz in einem komplexen geologischen Umfeld mit stark zerklüftetem Kalkstein mit zahlreichen Karstgebieten und hohen artesischen Strömungen, wie es in der Region Genf anzutreffen ist, sagt SIG-Experte Meyer. Mittelfristig habe DSSD ein grosses Potenzial.

Die frühere ETH-Wissenschaftlerin Paromita Deb arbeitet unterdessen bei Swiss Geo Energy, einer 2019 gegründeten Geothermie-Firma mit Sitz in Payerne. Auch aus ihrer Sicht wird DSSD mittelfristig als Bohrtechnik für die ganze Schweiz interessant werden: «Auch wenn die Westschweiz aktuell bei der Geothermie besonders aktiv ist: Diese Technologie hat in der ganzen Schweiz ein ähnliches Potenzial, insbesondere für Lösungen zur Gewinnung von Heizwärme.»