Schwarzes Gold und extreme Motoren.

Erdöl ist das schwarze Gold der Erde – um an diesen Schatz zu kommen, sind innovative und moderne Technologien zur Förderung von Erdöl und Erdgas erforderlich. Die Anforderungen an die Materialien bei Tiefenbohrungen sind dabei extrem: bis zu 200 Grad, Vibrationen und sehr hohe Drücke. maxon Motoren nehmen diverse Aufgaben wahr: So werden diese für die Funktion der Ventilsteuerungen, Auslösemechanismen und Messgeräte eingesetzt.

Kaum ein Auto fährt heute ohne Treibstoff und viele Heizungen würden ohne Erdöl nicht funktionieren. Kurz gesagt: Über 85 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs beruht auf den fossilen Energieträgern Öl, Gas und Kohle. Doch um an diese wertvollen Ressourcen unserer Erde zu kommen, muss immer tiefer gebohrt werden, was kein leichtes Unterfangen ist. Die Tiefbohrtechnik (in der Öl- und Gas-Exploration „Downhole Drilling“ genannt) ermöglicht die Förderung von Öl und Gas aus Tiefen von über 2'500 Metern. Gekoppelt mit der Richtbohrtechnik (die dynamische Lageausrichtung einer Tiefenbohrung) erlaubt sie die Erschliessung von bislang unerreichbaren Vorkommen mit Bohrtiefen von zurzeit circa 5'000 und Bohrlängen bis zu 11'000 Metern.

Der endliche Energieträger Erdöl ist aus dem heutigen Leben nicht wegdenkbar. Deshalb wird in vielen Regionen der Welt das schwarze Gold aus dem Inneren der Erde zutage gefördert. Unter anderem in den USA, Russland, England, China und im Nahen Osten gibt es etliche Öl- und Gasförderanlagen, egal ob zu Land oder im Meer, die täglich mehrere Tausende Barrel Öl oder Erdgas fördern. Das längste der Erdölförderung dienende Bohrloch ist derzeit (Februar 2008) 11‘680 Meter lang (Quelle: Wikipedia). Es entstand im Jahre 2007 im Zuge der Erschliessung des Chayuo-Ölfeldes vor der Nordostküste von Sachalin (Russland). Dieses Ölfeld liegt etwa 2500 Meter tief, ist jedoch mehrere Kilometer von der Küste entfernt. Die hauptsächliche Erschliessung erfolgt hier durch Richtbohrungen vom Festland aus.

Schlamm sorgt für Antrieb
Alle Bohrungen haben eins gemeinsam: Die Anforderungen an das verwendete Material sind sehr hoch. Vor allem die Bohrköpfe müssen extreme Bedingungen aushalten können. Die in dieser Tiefe herrschenden Temperaturen und Druckverhältnisse, verbunden mit den starken Vibrationen, die während des Bohrvorgangs auftreten, machen auch den Einsatz von Elektroantrieben zu einer echten Herausforderung. Denn die Bedingungen mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche sind alles andere als technologiefreundlich. Bei bis zu 200 Grad müssen robuste Materialien zum Einsatz kommen, die auch bei diesen hohen Temperaturen 100 Prozent zuverlässig arbeiten.

Der EC22 HD (Heavy Duty) Motor von maxon motor erfüllt für diese extremen Umweltbedingungen alle Voraussetzungen. Für die ausserordentlich hohen Anforderungen in der Tiefbohrtechnik entwickelt, widersteht der elektronisch kommutierte Motor den harten Bedingungen, in denen „normale“ Motoren versagen würden. Die stetige Entwicklung von Elektronik und Motoren lassen heute viele Funktionen im ge-samten Bohrablauf besser kontrollieren und steuern. So wird die Turbine im Bohrwerkzeug beispielsweise durch den Schlammfluss angetrieben. Über eine magnetische Kopplung verwandeln sich Motoren in Generatoren und liefern die elektrische Energie für verschiedene Antriebsfunktionen. Durch dieses autarke System entfällt die Notwendigkeit für teure, umweltschädliche Lithium-Batterien. Mithilfe des EC22 HD kann die Lage des Bohrkopfes während des Bohrprozesses dynamisch gemessen (MWD/Measurement While Drilling) und ausgerichtet werden. Diese Messung erfolgt durch Beschleunigungsmesser, Neigungssensoren und andere Instrumente zur genauen Darstellung der Position des Bohrkopfes. Doch wie gelangen die gemessenen Werte an die Oberfläche? Die MWD-Technologie wandelt hierzu die Daten in Impulse um, welche an die Bohrplattform kommuniziert werden. Dieses System wird durch Elektromagnete oder HD-Motoren angetrieben. Auch in diversen Tiefbohr-Werkzeugen werden hydraulische Ventile oder Klappen über elektromechanische Antriebe angesteuert.

Für den EC 22 HD gibt es auch ein passendes Getriebe: das GP 22 HD (Abbildung 3). Viele Anwendungen, insbesondere bei Tiefenbohrungen, benötigen ein robustes Getriebe, welches die Anforderungen präzise erfüllt. Die meisten Anwendungen unter Tage verlangen sehr hohe Drehmomente bei einer zum Teil nur sehr geringen Einsatzdauer (Ventilsteuerung, Klappen bewegen). Eine spezielle Eigenschaft der Getriebe sind die integrierten Bohrungen, welche für den ungehinderten Durchfluss von Öl nötig sind. Denn das Getriebe kann genauso wie der Motor in Öl betrieben werden. Die verschiedenen Varianten des EC 22 sind für den Betrieb in Luft oder für den Unter-Öl-Betrieb (in Hydrauliköl geflutet) optimiert.

Die Motoren werden ohne Klebstoff gebaut und haben kein mechanisches Kommutierungssystem. Dadurch kann der Motor extremen Temperaturen standhalten und liefert auch im Ultrahochvakuum stabile Leistungen. Die Typenleistung ist abhängig vom umgebenden Medium und beträgt 80 Watt in Luft und, aufgrund der wesentlich höheren Wärmeabfuhr, 240 Watt in Öl. Die Motoren sind für Umgebungstemperaturen von über 200 Grad und atmosphärische Drücke bis zu 1'700 bar ausgelegt. Werden die Motoren mit Öl gekühlt, können sie sogar Temperaturen bis zu +240 Grad aushalten. Weitere Anforderungen an die Motoren mit einem Durchmesser von 22 Millimetern sind Resistenz gegen Vibrationen bis zu 25 Grms sowie gegen Schläge und Stösse bis zu der 100-fachen Erdbeschleunigung (100 G). Im Vergleich dazu werden Formel-1-Fahrzeuge mit 2 G und Kampfflugzeuge mit bis zu 13 G belastet. Ein Mensch ist in der Lage rund 10 G, also das Zehnfache seines Körpergewichts auszuhalten. Das sind jedoch Extremwerte und nur Astronauten und Piloten können diese hohen körperlichen Belastungen für eine bestimmte Zeit aushalten.

Hoher Wirkungsgrad auch in der Tiefe
Neben der extrem hohen Widerstandskraft gegen die extremen Umweltbedingungen in der Tiefe verfügen die maxon HD-Motoren auch über einen sehr hohen Wirkungsgrad. In der Luft wird ein Wirkungsgrad bis 88 Prozent erreicht und in Öl leistet der Motor über 70 Prozent. Mit diesen Eigenschaften kann der EC22 in unzähligen anderen Gebieten nützlich sein – so auch unter den Extrembedingungen im Weltraum. Mit ihren rastmomentfreien Laufeigenschaften verfügen die Motoren über hervorragende Regeleigenschaften und sind deshalb auch bestens für hochpräzise Positionierungsaufgaben im All geeignet und dies auch bei niedrigen Drehzahlen. Die Motoren werden in Zukunft auch auf der Venus zum Einsatz kommen – die NASA plant einen Flug dorthin. Vor Ort müsste der Motor jedoch Temperaturen von bis zu 480 Grad aus-halten. Die Weiterentwicklung der Präzisionsmotoren für Extrembedingungen geht also weiter.

 © maxon motor ag

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