Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Induktive Drehzahlmessungen für moderne Bohrtechnologien

In die Tiefe gehend

In Bochum arbeiten Forscher an modernen Bohrtechnologien, die die Wärmeerzeugung durch Tiefengeothermie deutlich effizienter und wirtschaftlicher gestalten könnten. Die Grundlage bildet ein vergleichsweise einfacher Versuchsaufbau mit einem ausgeklügelten Messkonzept und robusten magnetisch-induktiven Sensoren. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend.


Magnetisch-induktiver Strömungssensor AS003 zur Messung des Wasserdurchflusses am Bypass des Regelventils
Bild: GeothermieZentrum Bochum e.V.

Um die Arbeit des Forschungsteams des Internationalen Geothermiezentrums der Hochschule Bochum (GZB) richtig einschätzen zu können, muss man einordnen können, wie komplex das Thema Tiefengeothermie allein aufgrund der großen Tiefe ist. Die Bohrtechnik zur Förderung von Erdöl oder Erdgas etwa stellt im Vergleich dazu technologisch gesehen keine besondere Herausforderung dar. Die Sedimentschichten, aus denen die fossilen Rohstoffe gefördert werden, sind weich und verhältnismäßig leicht zu durchbohren. In der Geothermie freilich sieht die Sache anders aus. Die erforderlichen Temperaturen herrschen typischerweise in wesentlich dichteren und härteren Gesteinsschichten. Bei Tiefen bis zu 250m reicht die konventionelle Brunnenbohrtechnik, bei 5km unter der Erde ist das ingenieurtechnische Potenzial bei Weitem noch nicht ausgereizt.

Europaweite Forschung

Genau an diesem Punkt setzt das Team des GZB an und legt mit seiner Grundlagenforschung die Basis für hochmoderne Bohrtechnologien - die Advanced Drilling Technologies. Eines der Forschungsprojekte beschäftigt sich mit dem Wasserstrahlschneiden von Gesteinen für die Bohrtechnik, sogenannte Jet-Drilling-Verfahren. Solche Prozesse können auch genutzt werden, um besonders feine und lange Bohrungen in großer Tiefe durchzuführen. Im Gegensatz zum Fracking werden hierbei keine Frackfluide in den Erdboden gepresst, was auch das Erdbebenrisiko mindert. Das Projekt ist Teil des Europäischen Verbundprojektes SURE (Novel Productivity Enhancement Concept for a Sustainable Utilization of a Geothermal Resource) innerhalb des Forschungsrahmenprogramms Horizon 2020. Der Versuchsaufbau in Bochum wirkt auf den ersten Blick ein wenig improvisiert. Ein mit einer leistungsstarken Hochdruckpumpe nachträglich aufgerüsteter Baustellenkompressor, angetrieben von einem Dieselmotor, daneben ein externer Wassertank und allerlei Gerätschaften vom manuell zu bedienenden Absperrventil bis zum hochmodernen Frequenzmessumformer. Fast wie ein Set aus ´'Zurück in die Zukunft'´ wirkt die Szenerie und ganz falsch ist der Eindruck nicht: Schließlich wird hier an der Zukunft der Energieversorgung geforscht und die für diese Art der Forschung notwendigen Maschinen und Geräte sind keine Apparaturen von der Stange. Also wird das notwendige Instrumentarium selbst gebaut und dabei gleich das eine oder andere Messverfahren optimiert oder gleich erfunden. Gut, wenn man die dafür benötigten Teile online beschaffen kann, wie z.B. die benötigten Sensoren, die das GZB bei Autosen beschafft.

Induktive Drehzahlmessung

Welche Gesteine lassen sich wie zerstören, und mit welchem Energieaufwand? So lautet auf den Punkt gebracht die Frage, der das Forscherteam im Dienste der Wissenschaft nachgeht. Für jede Gesteinsart muss ein individuelles Verfahren gefunden und festgelegt werden, um bei den aufwendigen Tiefenbohrungen unliebsame Überraschungen und Verzögerungen zu vermeiden. Dazu wurden aus ganz Europa Gesteinsproben gesammelt, die nun unter reproduzierbaren Bedingungen mit einem Hochdruck-Wasserstrahl beschossen werden. Dreh- und Angelpunkt des Versuchsaufbaus ist die Erfassung des tatsächlich benötigten Volumenstroms beim Wasserschneiden. Bei den gängigen Verfahren und Maschinen ist dieser Wert in einer Blackbox verborgen. Das liegt auch daran, dass die Messung des Volumenstroms aufgrund des hohen Drucks extrem aufwendig wäre. Am GZB wählte man ein anderes Verfahren, das aus technischer Sicht bestechend einfach ist, aber zuverlässig hoch präzise Ergebnisse liefert. "Prinzipbedingt besteht bei einer Kolbenpumpe eine eindeutige Korrelation zwischen der Drehzahl des Motors und dem Volumenstrom", erläutert Viktor Hartung, im Team verantwortlich für die Mess- und Regeltechnik. Je präziser demnach die Erfassung der Drehzahl, desto genauer auch der Wert des Volumenstroms. Ein Dieselmotor lässt sich allerdings auch nur in einem bestimmten Drehzahlbereich betreiben. Für die Messung der Motorendrehzahl setzt Hartung einen induktiven Sensor und die entsprechende Verkabelung ein. Über ein Druckregelventil hinter der Kolbenpumpe ist es zusätzlich möglich, einen Maximaldruck bis zu 320bar einzustellen. Befindet sich der Druck unterhalb des eingestellten Regelwertes, kann der Volumenstrom direkt aus der Motordrehzahl bestimmt werden. Greift dieses Ventil ein, wird ein Teil des Volumenstroms zurück in den Tank geführt, um den Druck zu reduzieren. Bei besonders kleinen Düsen ist das bereits bei der Leerlaufdrehzahl des Dieselaggregates der Fall. Um die tatsächlich benötigte Wassermenge exakt erfassen zu können, muss die abgezweigte Menge gemessen werden, damit sie von der Gesamtmenge abgezogen werden kann. Dies geschieht über einen zweiten, magnetisch-induktiven Sensor, welcher sich hinter dem Regelventil an der Rückführung zum Tank befindet. Bei abgeschaltetem Verbraucher und Leerlauf des Dieselmotors wird die gesamte Wassermenge durch diesen Sensor geführt und stimmt mit der Menge, die durch die Drehzahl bestimmt wird, überein. So lassen sich kontrollierte Versuche an den verschiedenen Gesteinsproben durchführen, die Rückschlüsse auf die idealen Parameter bei der Bohrung zulassen.

Positive Zwischenbilanz

Erste Ergebnisse zeigen: Die Grundlagenforschung in Bochum ist auf einem guten Weg. Besonders zufrieden zeigt sich das Team mit dem robusten Versuchsaufbau, zu dem auch die beiden Sensoren einen wichtigen Beitrag leisten. Viktor Hartung, der bei einem Messebesuch auf den Anbieter Autosen aufmerksam wurde, schätzt neben dem Preis - "vor dem Hintergrund der Förderung durch öffentliche Mittel wird immer auch die Wirtschaftlichkeit der Angebote technologisch vergleichbarer Produkte geprüft" - vor allem die Zuverlässigkeit der Geräte und deren leichte Installation und Einstellung. Aber auch der Innovationsgeist der Essener ist ihnen vom ersten Kennenlernen noch in Erinnerung. In der Tat: Auch bei Autosen weckt das Thema Assoziationen mit dem eingangs erwähnten Klassiker 'Zurück in die Zukunft'. Die enge Zusammenarbeit mit experimentierfreudigen Anwendern nämlich war es, die aus dem Start-up der Anfangsjahre einen ernstzunehmenden Player im Sensorikmarkt gemacht hat. "Hohe Ansprüche bei kleinen Stückzahlen", erinnert sich Philipp Boehmert, Gesamtverantwortlicher für Marketing und Vertrieb bei Autosen, "heute freuen wir uns, dass wir auch als etablierter Anbieter mit unseren 'unsichtbaren Helden' einen Beitrag zu Forschung und Entwicklung in so wichtigen Themenfeldern wie der Zukunft der Energieversorgung leisten können."