Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Wärmeerzeugung durch Geothermie spielt für die erfolgreiche Wärmewende weltweit eine entscheidende Rolle. Allerdings benötigt die Erstellung der Bohrung für die Erdwärmesonde sehr viel Platz. Das Verfahren ist sehr energieintensiv, teuer, ungenau, verursacht Lärm sowie massive Landschaftsschäden. Dies führt dazu, dass zahlreiche Gebäude nicht von geothermischer Wärme profitieren können oder mit anderen Heizungsanlagen ausgestattet werden. Mit einem innovativen Bohrroboter, welcher sich direkt im Bohrloch befindet, werden die oben genannten Nachteile eliminiert. Es wird kein Bohrgestänge sowie grosse Gerätschaften benötigt. Insbesondere werden die Erstellungskosten durch die autonome und energieeffiziente Arbeitsweise reduziert. Im Projekt soll das vorgeschlagene Konzept des Bohrroboter ausgearbeitet, hergestellt und in der realen Umgebung zusammen mit Bohrunternehmen getestet werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Heat generation through geothermal energy plays a decisive role in the successful heat transition worldwide. However, drilling the borehole for the geothermal probe requires a lot of space. The process is very energy-intensive, expensive, imprecise and causes noise and massive damage to the landscape. As a result, many buildings cannot benefit from geothermal heat or are equipped with other heating systems. With an innovative drilling robot, which is located directly in the borehole, the above-mentioned disadvantages are eliminated. No drill rods or large equipment are required. In particular, the construction costs are reduced due to the autonomous and energy-efficient mode of operation. In the project, the proposed concept of the drilling robot is to be developed, manufactured and tested in the real environment together with drilling companies.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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La production de chaleur par géothermie joue un rôle décisif dans la réussite de la transition thermique dans le monde entier. Toutefois, la réalisation du forage pour la sonde géothermique nécessite beaucoup d'espace. Le procédé est très gourmand en énergie, coûteux, imprécis, provoque du bruit ainsi que des dommages massifs au paysage. De ce fait, de nombreux bâtiments ne peuvent pas bénéficier de la chaleur géothermique ou sont équipés d'autres systèmes de chauffage. Un robot de forage innovant, situé directement dans le trou de forage, permet d'éliminer les inconvénients susmentionnés. Il n'est pas nécessaire d'utiliser des tiges de forage ou de gros équipements. Les coûts de construction sont notamment réduits grâce à un mode de fonctionnement autonome et peu gourmand en énergie. Dans le cadre du projet, le concept de robot de forage proposé doit être élaboré, fabriqué et testé dans un environnement réel en collaboration avec des entreprises de forage.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Das Projekt «Grabowski – Bohrroboter für Geothermiebohrungen» adressiert eine zentrale Herausforderung der Wärmewende: die wirtschaftliche, platzsparende und emissionsarme Herstellung von Bohrungen für Erdwärmesonden. Obwohl erdgekoppelte Wärmepumpen energetisch sehr effizient sind, wird ihre breite Anwendung heute durch hohe Kosten, grosse Platzanforderungen, Emissionen sowie die begrenzte Verfügbarkeit konventioneller Bohrtechnik eingeschränkt, insbesondere in urbanen Gebieten und bei Bestandsbauten. Im vom Bundesamt für Energie geförderten Pilot- und Demonstrationsprojekt wird ein grundlegend neuer Ansatz verfolgt, bei dem ein kompakter, elektrisch betriebener Bohrroboter direkt im Bohrloch arbeitet und ohne Bohrgestänge auskommt. Ziel ist die schrittweise Entwicklung, Integration und Validierung der zentralen Systemfunktionen unter Labor- und Feldbedingungen, darunter das Dreh-Schlag-werk, der Bohrkopf, die Bewegungseinheit sowie das Wasser- und Filtersystem; perspektivisch ergänzt durch eine Extrusionseinheit zur Bohrlochabstützung. Der Projektverlauf wich deutlich vom ursprünglichen Projekt- und Meilensteinplan ab. Technische Änderungen, insbesondere die Vergrösserung des Bohrlochdurchmessers auf 136 mm, sowie unerwartete mechanische Belastungen im Schlagmechanismus führten zu Bauteilversagen, Testunterbrüchen und erheblichen Verzögerungen. Zusätzlich stellte sich die Wasserdichtheit bei längerer Betriebsdauer als zentrales technologisches Risiko heraus, das mit der aktuellen Prototypgeneration nicht vollständig gelöst werden konnte und die erreichbare Bohrtiefe begrenzt. Trotz dieser Herausforderungen konnten wesentliche Fortschritte erzielt werden. Das grundlegende Bohrprinzip wurde erfolgreich nachgewiesen, eine Bohrung mit 136 mm Durchmesser realisiert und die Extrusionseinheit separat im Labor unter trockenen und nassen Bedingungen getestet. Mit dem Prototyp Grabowski 2.0 wurde mittlerweile eine reale Bohrtiefe von knapp 30 m erreicht, und die Bewegungseinheit konnte in umfangreichen Feld- und Dauertests validiert werden. Diese Ergebnisse belegen die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des Konzepts, auch wenn Tiefen im Bereich von 200 m mit den bestehenden Prototypen derzeit nicht realistisch erreichbar sind. Der Zwischenbericht zeigt, dass das Projekt zwar nicht planmässig verlief, die aufgetretenen Probleme jedoch zu einem deutlich vertieften technischen Verständnis und zu substanziellen Verbesserungen des Systemkonzepts geführt haben. Das weiterhin sehr hohe Marktinteresse unterstreicht das Potenzial der Technologie, langfristig einen relevanten Beitrag zur Weiterentwicklung der Geothermiebohrtechnik und zur Umsetzung der Schweizer Energie- und Klimaziele zu leisten.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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The project “Grabowski – Drilling robot for geothermal boreholes” addresses a key challenge of the energy transition: the costeffective, spaceefficient and low-emission construction of boreholes for geothermal probes. Although groundcoupled heat pumps are highly energyefficient, their widespread deployment is currently limited by high costs, large space requirements, emissions, and the limited availability of conventional drilling equipment, particularly in urban areas and in existing buildings. Within the pilot and demonstration project funded by the Swiss Federal Office of Energy, a fundamentally new approach is being pursued, in which a compact, electrically driven drilling robot operates directly inside the borehole and does not require a drill string. The objective is the step-by-step development, integration and validation of the core system functions under laboratory and field conditions. These include the rotarypercussive drilling unit, the drill bit, the locomotion unit, and the water and filtration system, with a perspective extension by an extrusion unit for borehole stabilization. The project progress deviated significantly from the original project plan and milestone schedule. Technical changes, in particular the increase of the borehole diameter to 136 mm, as well as unexpected mechanical loads in the percussive mechanism, led to component failures, test interruptions and sub-stantial delays. In addition, water tightness during extended operation proved to be a key technological risk that could not be fully resolved with the current prototype generation and currently limits the achievable drilling depth. Despite these challenges, substantial progress has been achieved. The fundamental drilling principle has been successfully demonstrated, a borehole with a diameter of 136 mm has been realized, and the extrusion unit has been tested separately in the laboratory under dry and wet conditions. With the Grabowski 2.0 prototype, a real drilling depth of nearly 30 m has now been reached, and the locomotion unit has been validated in extensive field and endurance tests. These results demonstrate the fundamental functionality of the concept, even though drilling depths in the range of 200 m are cur-rently not realistically achievable with the existing prototypes. The interim report shows that while the project did not progress according to the original plan, the challenges encountered led to a significantly deeper technical understanding and to substantial improvements in the system concept. The continued strong market interest underlines the potential of the technology to make a relevant long-term contribution to the further development of geothermal drilling technology and to the implementation of Switzerland’s energy and climate goals.
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Le projet « Grabowski – Robot de forage pour sondes géothermiques » s’attaque à un défi central de la transition énergétique : la réalisation de forages pour sondes géothermiques de manière économique, peu encombrante et à faibles émissions. Bien que les pompes à chaleur géothermiques soient très efficaces sur le plan énergétique, leur utilisation à grande échelle est aujourd’hui limitée par des coûts élevés, des besoins importants en surface, des émissions ainsi que par la disponibilité restreinte des techniques de forage conventionnelles, en particulier dans les zones urbaines et dans le bâtivexistant. Dans le cadre du projet pilote et de démonstration soutenu par l’Office fédéral de l’énergie, une approche fondamentalement nouvelle est poursuivie. Celle-ci repose sur un robot de forage compact, à propulsion électrique, qui opère directement à l’intérieur du forage et fonctionne sans train de tiges. L’objectif est le développement progressif, l’intégration et la validation des fonctions clés du système dans des conditions de laboratoire et de terrain. Celles-ci comprennent notamment le mécanisme de forage rotatif-percussif, le trépan, l’unité de déplacement ainsi que le système de gestion et de filtra-tion de l’eau, complétés à terme par une unité d’extrusion destinée au soutènement du forage. Le déroulement du projet s’est écarté de manière significative du plan initial et du calendrier des ja-lons. Des modifications techniques, en particulier l’augmentation du diamètre de forage à 136 mm, ainsi que des sollicitations mécaniques inattendues dans le mécanisme de percussion ont entraîné des ruptures de composants, des interruptions de tests et des retards importants. Par ailleurs, l’étanchéité à l’eau sur de longues durées de fonctionnement s’est révélée être un risque technologique majeur qui n’a pas pu être entièrement maîtrisé avec la génération actuelle de prototypes et qui limite actuellement la profondeur de forage atteignable. Malgré ces défis, des progrès significatifs ont été réalisés. Le principe fondamental de forage a été démontré avec succès, un forage de 136 mm de diamètre a été réalisé et l’unité d’extrusion a été testée séparément en laboratoire dans des conditions sèches et humides. Avec le prototype Grabowski 2.0, une profondeur réelle de forage de près de 30 m a désormais été atteinte, et l’unité de déplace-ment a été validée au moyen d’essais approfondis en conditions de terrain et en fonctionnement continu. Ces résultats démontrent la faisabilité fondamentale du concept, même si des profondeurs de l’ordre de 200 m ne sont actuellement pas réalisables de manière réaliste avec les prototypes existants. Le rapport intermédiaire montre que, bien que le projet ne se soit pas déroulé conformément au plan initial, les difficultés rencontrées ont conduit à une compréhension technique nettement approfondie et à des améliorations substantielles du concept du système. L’intérêt du marché, qui demeure très élevé, souligne le potentiel de cette technologie à contribuer de manière significative, à long terme, au développement des techniques de forage géothermique et à la mise en oeuvre des objectifs éner-gétiques et climatiques de la Suisse.
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