Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur konvektiven Energiegewinnung in einem strömungstechnisch geschlossenen Kreislaufsystem, in dem ein Wärmeträgermedium, welches zugleich Arbeitsmedium ist, zirkuliert, dass hydro- und thermodynamisch mindestens eine Wärmequelle und eine Wärmesenke unterschiedlicher Temperatur miteinander verbindet und in den Bereichen der Wärmequelle und -senke ein Wärmeaustausch zwischen dem zirkulierenden Wärmeträgermedium und Wärmereservoir insbesondere über installierte Wärmetauscher vollzogen wird, wobei die Wärmequelle insbesondere örtlich unterhalb der Wärmesenke lokalisiert ist, so dass infolge stattfindender Wärmeaustauschprozesse das Wärmeträgermedium einer konvektiven hydromechanischen Strömung unterworfen wird, so dass sich über lokale Abschnitte des Kreislaufsystems oder innerhalb des strömenden Wärmeträgermediums im Gravitationsfeld Druckunterschiede aufbauen, die zusammenfassend einen thermisch initiierten gravimetrisch-konvektiv strömenden Wärmeträger-Medienkreislauffluss ergeben sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekannt ist, dass bei Konvektion im Schwerefeld der die Wärme tragende Stoff, zumeist Fluide (flüssige und gasförmige Stoffe), selbst von einem Ort zum anderen fließt. Es ist auch bekannt, dass sich Stoffe bei ihrer Erwärmung ausdehnen und somit ihre Dichte verringern, so dass die in die konvektive Wärmeübertragung eingebundene erwärmte Stoffmenge in einem künstlich geschaffenen oder natürlichen Schwerefeld von selbst vom Ort niederen zum Ort höheren gravimetrischen Potentials fließt. Auf diese Weise kann der Stoffstrom ohne Zuhilfenahme von Zusatzenergien aufrechterhalten werden.

Die bekanntesten Beispiele dafür sind in Gewässern aufsteigende warme oder absinkende kalte Wassermassen oder in der Atmosphäre das Auftreten von Thermiken. Diese Vorgänge laufen als stofflich offener Prozess ab.

Dieses Prinzip des konvektiven Energietransports wird in Flüssigkeitskreisläufen seit langem effizient zu Heizungszwecken, z.B. mittels der umwälzpumpenfreien Warmwasser-Schwerkraftheizung genutzt. Dabei durchströmt ein in einem Rohrleitungs-Kreislaufsystem eingeschlossenes flüssiges Wärmeträgermedium einen örtlich im unteren Teil des Rohrleitungssystems befindlichen Wärmetauscher, zugleich die Wärmequelle, zumeist ist das der Heizkessel und nimmt Wärmeenergie auf. Dabei erfährt das Medium eine Temperaturerhöhung, dehnt sich unter Dichteverringerung aus und beginnt konvektiv in der Steigleitung des Rohrleitungssystems nach oben zu steigen, wo es im oberen Gebiet Wärmetauscher als Wärmesenken durchströmt und dabei unter Temperaturerniedrigung und Dichteerhöhung Wärmeenergie an die Umgebung abgibt, um danach im Fallrohrleitungsstrang nach unten in Richtung Wärmequelle zu sinken. Dieser Prozess läuft solange als Kreisprozess, wie unten Wärme zugeführt und oben Wärme abgeführt wird.

Aus der US 6 225 705 B1 ist beispielsweise ein solarenergiegespeister, im geschlossenen Prozess arbeitender konvektiver Energiegenerator bekannt, bei dem in einem Gaskreislauf per Kamineffekt und darin installiertem Flügelrad Elektroenergie gewonnen wird. Ferner wird in der US 6 225 705 B1 auch ein konvektiver Fluidzirkulationsprozess erklärt, bei dem zum Beispiel ein magnetisches Fluid durch eine definiert um das Rohrleitungssystem gelegte Spule fließt und in dieser Strom induziert.

Aus der DE 29 44 722 A1 ist eine Energiegewinnungsanlage bekannt, bei der in einem Steigrohr eines geschlossenen Flüssigkeitskreislaufs per Konvektion Wärmeenergie aus einer im unteren Teil der Anlage befindlichen Wärmequelle nach oben in eine Wärmesenke transportiert wird, dort abkühlt und im Fallrohr abgekühlt mit höherer Dichte wieder nach unten in die Wärmequelle fließt um erneut Energie aufzunehmen. Das warme aufsteigende Medium sollte entsprechend der DE 29 44 722 A1 zweckmäßigerweise auf 70°C erwärmt sein. Zusätzlich wird vorgeschlagen, die oben in der Wärmesenke an den Wärmetauscher abgegebene Wärmeenergie zum Beispiel per Umwälzkreislauf oder per Wärmerohr teilweise in die Wärmequelle zu überführen, damit sie dort wieder zum Antrieb des Zirkulationsprozesses zur Verfügung steht. Im unteren Gebiet des Fallrohrbereichs ist eine ventilgesteuerte Kolbenmaschine zwecks Energieauskopplung installiert, die durch das gravimetrisch und thermisch konvektiv getriebene Fluid angetrieben wird.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass nur sehr geringe Energiemengen als Exergie geliefert werden können, was an der geringen exergetischen Energiestromdichte des zirkulierenden Fluids liegt. Das in der DE 29 44 722 A1 zitierte Prinzip der Wärmeenergierückführung lässt hinsichtlich der besseren Funktion der Energiegewinnungsanlage thermodynamische Zweifel aufkommen.

Es gibt aber auch zahlreiche Erfindungsbeschreibungen, wonach durch gravimetrisch thermisch getriebene konvektive Fluidzirkulationsprozesse direkt oder indirekt mit und ohne Gasaustausch Schwimmkörper und oder Auftriebs-Arbeitsmaschinen für die Exergieauskopplung sorgen sollen. Beispielsweise stellt die DE-OS 31 51 258 A1 eine solche Auftriebsmotoranordnung mit thermischem Differenzdruck-Antrieb vor.

Sehr bekannt ist die Gruppe der Konvektionskraftanlagen, die thermische Auf- oder Abwinde nutzen. Am bekanntesten sind Aufwindkraftwerks-Projekte, wonach z.B. in Sonnenscheinregionen der Erde unter definiert angelegten transparenten Dachflächen mit einem Kamin in der Mitte ein Treibhauseffekt erzeugt wird. Scheint die Sonne auf die Dachanlage, dann strömt die darunter erwärmte Luft durch den Kamin nach oben ab und treibt über darin befindliche Flügelräder einen Generator zur Stromerzeugung an.

Nachteilig ist bei den Aufwindkraftwerken, dass sie vergleichsweise große Installationsareale benötigen, hinsichtlich des voluminösen Installationsaufwandes einen spezifisch geringen Leistungsausstoß aufweisen, einen offenen Stoffkreislauf haben und wetterabhängig arbeiten; s. z.B. das 50 kW-Aufwindkraftwerk bei Manzanares in Südspanien, was 1998 nach starker Sturmschädigung wieder demontiert wurde.

In der Patentschrift US 5,477,684 werden beispielsweise Convection Towers vorgestellt, die nach dem thermischen Aufwindprinzip aus in den Kaminen aufsteigenden oder absinkenden Gasströmen die Exergie per Turbinen auskoppeln sollen. Bei Abwindanlagen wird die Kamin-Luftströmung witterungsunabhängig bzw. bei fehlender thermischer Aufheizung von der Sonne durch Einsprühen von kühlenden Flüssigkeiten (z.B. Wasser) in den Kamin-Abwärtsstrom initiiert. Am unteren Ausgang und unter dem Kamin sind Kondensations- und Rückgewinnungsvorrichtungen für die eingesprühte und teilweise verdampfte Flüssigkeit vorhanden. Nach diesem Prinzip können Aufwind- oder Abwindanlagen zwar auch bei fehlendem Sonnenschein arbeiten, aber die zuvor bei den Aufwindkraftwerken bezeichneten Nachteile sind nicht beseitigt.

Ein weiteres Prinzip eines Aufwindkraftwerks wird in dem DE-GM 298 24 124 U1 als Aufwindkraftwerk zur Nutzung von gewerblicher und industrieller Abwärme mittels Wärmetauscher beschrieben. Das Grundprinzip ist hier wiederum eine Art Kamin, der durch eine Vielzahl vorrichtungstechnischer Einbauten, besonders die Wärmetauscher Abwärme-Luft betreffend, funktionstechnisch gegenüber den obigen Vorschlägen verbessert wurde. Als Wärmequelle dienen hier gewerbliche und industrielle Abwärmen, die per Führung und Wärmetauschprozess der Initiierung des Kamineffektes zugeführt werden. Diese Anlage kann auch an ein geothermales Bohrloch angeschlossen werden, um so eine permanente und zumindest in der kühleren Jahreszeit witterungsunabhängige Wärmequelle zur Erzeugung des Aufwindstromes zur Verfügung zu haben.

In der DE 42 29 185 C2 wird eine Energiegewinnung mittels eines aus Erdwärme erzeugten Aufwindsystems beschrieben, bei der eine Aufwindkraftwerksvorrichtung direkt an ein Geothermal-Bohrloch-Ensemble angepasst ist. Zu diesem Zweck strömt ein strömungsfähiges Wärmeträgermedium durch mehrere in die Erde gebohrte Schächte oder Kanäle in die Tiefe, wird über Sammelkanäle zusammengefasst, um nach Wärmeaufnahme im Wärmereservoir in einem Abfürhrschacht nach oben zur stromerzeugenden Kraftmaschine zu gelangen. Kennzeichen dieses Verfahren ist, dass das Wärmeträgermedium aus der Atmosphäre stammende Luft ist, dass das Kanal- oder Schachtsystem in der Erde geschlossen und zusammenhängend ist und das Wärmeträgermedium kontinuierlich leiten kann, dass zwischen dem Wärmeträgermedien-Zu- und Abführbereich ein durch das Wärmereservoir führender Aufheizbereich ist und dass der Zuführ- und Abführbereich wärmeisoliert ausgeführt ist. Ferner sind die Schächte und Kanäle geometrisch zweckmäßig so angelegt, dass durch die Wirkung der thermischen Isolation des Zu- und Abführbereichs die atmosphärischen Luftmassen von sich aus konvektiv gerichtet strömen, um dann oben in den Aufwindgenerator einzutreten.

Nachteilig bei diesen Lösungen zur Energiegewinnung über witterungsunabhängige Wärmereservoirs ist, dass das Prinzip der Aufwindkraftanlagen nur relativ geringe Leistungen aus den zirkulierenden Stoffströmen geringer exergetischer Energiestromdichte extrahieren kann und dass einphasig zirkulierende Wärmeträgermedien als Wärmeenergietransporteur nur dann für eine effiziente Nutzung hinreichend hohe Exergien übertragen können, wenn die Temperaturunterschiede zwischen Wärmesenke und -quelle hinreichend groß sind. Bei geringen Temperaturunterschieden, beispielsweise unter 70°C, ist deren exergetischer Wirkungsgrad im Vergleich zum anlagentechnischen Aufwand unverhältnismäßig klein.

Thermisch initiierte und durch die Schwerkraft getriebene Konvektionsprozesse in geschlossenen Kreisläufen, bei denen das zirkulierende Medium Aggregatzustandsänderungen beziehungsweise im thermodynamischen Sinne Phasenumwandlungen erster Art durchläuft, zum Beispiel von flüssig zu gasförmig und zurück, beinhalten im Vergleich zu den reinen thermisch initiierten Schwerkraft-Flüssigkeitszirkulationsprozessen eine viel höhere exergetische Energiestromdichte im Zirkulationsstrom. Bei Auftreten oder gezielter Nutzung solcher Phasenumwandlungen kommt der Wirkungsgrad näher an den thermodynamisch bestmöglichen Wirkungsgrad, gekennzeichnet durch den Carnot-Prozess, heran. Die terrestrische Natur vollführt solche Prozesse im Wettergeschehen als offene Prozesse und im oberflächennahen Vulkanismus bisweilen als quasi-geschlossene Prozesse.

Das Auftreten vulkanisch gespeister Geysire ist eine spezielle Art ablaufender natürlicher Konvektionseffekte, oftmals verbunden mit Stofftransporten, bei dem das in tektonisch tiefere und heiße Zonen eindringende flüssige Wasser nach Wärmeenergieaufnahme in der Tiefe auch eine Phasenumwandlung von flüssig zu gasförmig durchläuft, um dann expandierend an die Erdoberfläche zu steigen, wo es seine Energie an die kühlere Umwelt abgibt, kondensiert und erneut in die Tiefe fließt – bisweilen können solche Prozessläufe als quasigeschlossen angesehen werden. Bei diesem natürlichen, stoffgebundenen Wärmeaustausch mit Phasenumwandlung wird eine wesentlich höhere exergetische Energiedichte erreicht als ohne Phasenumwandlung. Zusätzlich lassen sich die Geysir-Effekte in verschiedene Prozessgruppen einteilen. Allen gemeinsam ist, dass vornehmlich Wasser im heißen Gestein eine Aggregatszustandsänderung von flüssig zu gasförmig durchläuft. Aber der Weg, wie das flüssige Wasser in den Wärmetausch- und Phasenwandlungsprozess ein- und austritt, also entweder auf dem gleichen Weg, dann wirkt der Geysir diskontinuierlich pulsierend oder aber auf getrennten Wegen, wobei der Einlauf nicht identisch ist mit dem Austrittskanal, dann wirkt er nahezu kontinuierlich, offenbart einerseits Unterscheidungsmerkmale und andererseits gibt es Unterscheidungsmerkmale dadurch, wodurch das Wasser als Stoffstrom verdampft und bewegt wird, nämlich infolge eines Mitnahmeeffekts von vulkanisch entweichenden heißen Gasen oder nur durch reine wärmeleitende Erhitzungsprozesse. Das Arbeitsvermögen solcher Gas- und Flüssigkeitsströme ist so gewaltig, dass in geologisch geringen Zeiten gewaltige Mineralmassen über große Höhenunterschiede transportiert und separiert werden.

Dieses natürliche Wirken wurde durch die menschliche Tätigkeit versucht wertschöpfend auszunutzen und technisch umzusetzen.

So wird beispielsweise in der DE 40 00 240 A1 eine Vorrichtung beschrieben, die unter Ausnutzung von Phasenumwandlungen eines niedrig siedenden Wärmeträgermediums einen der oben beschriebenen vier Geysir-Prozesse zur konvektiven Energiegewinnung im geschlossenen Kreislauf nutzt. Dabei wird das Temperaturgefälle, dass zwischen winterlich kalter Luft oberhalb einer Wasser- oder Wassereis-Fläche, das Gebiet fungiert als Wärmesenke und dem darunter befindlichen ungefrorenen Wasser als Wärmequelle dienend, besteht, genutzt. Die bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit verdampft im Wärmetauscher, der unterhalb der Wasseroberfläche in Wärmekontakt zum Wasser positioniert ist und steigt nach oben, wo sie im kalten Gebiet in einem speziellen Wärmetauscher unter Wärmeabgabe an die Umwelt kondensiert und über ein extra Fallrohr in den Wärmequellen-Tauscher zurückfließt, um erneut zu zirkulieren. Auf dem Gas-Aufstiegsweg ist eine Kraftmaschine zur Energieauskopplung installiert, beispielsweise eine Flügelradturbine, die durch den Gasstrom angetrieben wird.

Ein gleiches Prinzip ist in DE 38 07 747 A1 als Energievorrichtung beschrieben. Nur das hier die zirkulierenden Gas- und Flüssigkeitsphasen eine Art Auftriebs-Schwimmkörpermaschinerie, bei der in einem flüssigkeitsgefüllten Rohr befindliche Schwimmkörper oder Auftriebskörper, befestigt an einem Zugseil wechselseitig und definiert ventilgesteuert von den gasförmigen, kondensierenden und flüssigen Fluiden durchsetzt werden, zwecks Energiegewinnung antreiben.

Nachteilig bezüglich einer effizient praktischen Verwertung ist bei diesen Vorrichtungen, dass sie einerseits nur sehr witterungsabhängig arbeiten können, beispielsweise beim Ausnutzen von winterlichen Temperaturniveauunterschieden zwischen flüssigem kalten Wasser und frostiger Atmosphäre oder den maritimen Temperaturunterschieden größerer Wassertiefen und Küstenflächenbereichen oder eben nur in Dauerfrostregionen einsetzbar sind und andererseits keinerlei verfahrenstechnische Merkmale einer thermodynamischen Kreisprozessoptimierung aufweisen, um eben dem Carnot'schen Wirkungsgrad möglichst nahe zu kommen.

Bei der energetischen Nutzung von thermischen Potentialen mit geringen Temperaturunterschieden, wie sie auch bei der Flachgeothermie vorliegen, wurden bisher konventionelle Wärmetauscher und Wärmepumpenanlagen eingesetzt.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass sie zur Sicherung der geothermalen Energieausbeutung permanent Hilfsenergie in Form der hochwertigsten Energieform, z.B. elektrischen Strom, benötigen.

In jüngster Zeit wurden zur energetischen Ausbeutung von thermischen Potentialen relativ geringer Temperaturunterschiede, die unterhalb des Siedepunktes von Wasser liegen, spezielle ORC-Prozesse (Organic-Rankine-Circle, bzw. frei übersetzt "Organischer Kreisprozess nach Rankine") entwickelt; s. z.B. Fachvortrag zu ORC-Technik; F. Eckert von Gesellschaft für Energietechnik mbH, 25. Juli 2000. Dies sind Kreisprozesse, die mit Verdichtern, Gasturbinen oder Gasmotoren (auch Stirlingmotore), Verdampfern, Kondensatoren und Regeneratoren arbeiten und neben der Nutzwärmelieferung auch einen Teil des auszubeutenden thermischen Potentials verstromen können. Dabei kommen als Arbeitsmedium bzw. Übertragermedium verfahrenstechnisch zweckmäßig gewählte Fluide definierter Siedepunkte und Dampfdrücke zum Einsatz. Die bekanntesten sind beispielsweise Wasser, Ammoniak, FCKW's oder organische Flüssiggase und Leichtbenzine wie Isopentan.

Die Nachteile der klassischen ORC-Verfahren z.B. zur Nutzung bei Geothermalkraftwerken bestehen darin, dass zur thermodynamischen Realisierung des energetischen Ausbeutungsprozesses ein beträchtlicher Maschinenpark bei gleichzeitigem Verbrauch eines Teils des erzeugten Stroms oder gleichwertiger Energieformen arbeiten muss und dass dieser Aufwand bei abnehmenden Temperaturunterschieden, z.B. unterhalb von 70°C, immer weiter zunimmt.

Bei klassischen ORC-Verfahren zur Nutzung bei Geothermalkraftwerken wird der Mechanismus des Wärmetransports aus dem Bohrloch und der Energiegewinnung getrennt realisiert (was bedeutet, dass es primäre und sekundäre Kreisläufe gibt) meist auch mit unterschiedlichen Arbeitsmedien, die insbesondere bei niedriger Temperatur des Wärmeträgers riesige Volumenströme und Wärmetauscher benötigen.

Die natürliche Konvektion wird dabei zur direkten Energieauskopplung nicht genutzt, gelegentlich zum Wärmetransport, aber ohne thermodynamische Optimierung.

Gegenwärtig trifft noch zu, dass die klassischen ORC-Techniken unabhängig von der Bohrlochgeometrie ausgelegt sind und den Bauraum untertags nicht voll nutzen.

Beim ORC-Verfahren wird die Energie ausschließlich vom Gas ausgekoppelt, bei Einsatz von Turbinen sollte dieses Gas auch keine Tröpfchen oder Partikel enthalten, um die Lebensdauer der Turbine nicht stark zu begrenzen. Um Auskondensation zu vermeiden, wird das Gas deshalb überhitzt, was wiederum eine Verringerung des thermodynamischen Wirkungsgrades bedeutet.

Gase besitzen natürlicher Weise eine geringere Dichte als Flüssigkeiten und dies bedingt bei gleichem spezifischen Energiegehalt entsprechend größere Baugrößen.

Ein Energieübertragungsprinzip, welches ein zweikomponentiges Stoffgemisch, vorzugsweise bestehend aus Ammoniak und Wasser in einem geschlossenen Wärmetausch- und Übertragerprozess verwendet, wird von EXERGY-Gesellschaft publiziert, dass unter anderem unter dem Namen Kalina-Prozess bekannt ist.

Bei dieser Prozessführung wird im Gegensatz zum ORC-Verfahren, wo im Zirkulationssystem einkomponentige Fluide umlaufend gepumpt werden, ein Zweikomponentengemisch als Wärmeträgermedium eingesetzt. Die leichtflüchtigere Komponente, hierbei Ammoniak, geht im Vergleich zu Wasser bei niedrigeren Temperaturen in die Gasphase über. Im Vergleich zum ORC-Verfahren ist es bei Verwendung dieses Zweistoffgemisches als Arbeitsmedium möglich, günstigere Wärmeübertragungsverhältnisse bei Verdampfung und Kondensation und damit einen höheren Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung zu erzielen. Inzwischen existieren in den USA und auf Island erste Anlagen, die nach dem Kalina-Verfahren arbeiten und an die Belange der Geothermie angepasst worden sind. Diese erbringen, indem sie "aus weniger Wärme mehr Strom produzieren" höhere Wirkungsgrade, als die in der Geothermie arbeitenden ORC-Anlagen.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass das zweikomponentige Arbeitsmedium durch fremdenergiegespeiste Maschinen, analog dem ORC-Verfahren, als Wärmeträger- und -Tauschermedium bewegt wird. Ferner wird nicht die natürliche Konvektion des strömenden Fluids zur direkten Energieauskopplung genutzt. Eine Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung ist bei diesem Verfahren nicht an beliebigen Orten des zirkulierenden Wärmetransportmediums einsetzbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die eingangs genannten Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung dadurch zu verbessern, dass eine total autarke Energiegewinnung auch bei geringen Temperaturunterschieden möglich ist und das Verfahren effizient mit einer Vorrichtung durchführbar ist, die mit einem geringen Kostenaufwand herstellbar und betreibbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1; 2 und 3 sowie dem Vorrichtungsanspruch 36 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit diesem Verfahren und dem vorgeschlagenen Konvektionsgenerator als Vorrichtung werden beispielsweise bei der Erdwärmeausbeutung die Potentialdifferenzen von Fluiden unterschiedlicher Temperatur und Dichte im Schwerefeld der Erde beziehungsweise die dadurch verursachten Druckunterschiede zur Realisierung von thermodynamischen Kreisprozessen genutzt.

Durch den strömungstechnisch geschlossenen Fluidkreislauf im Konvektions-Generator und unter der Nutzung definierter thermodynamischer Prozessabläufe während des Transports von Wärmeenergie von einem Ort höheren zu einem Ort niederen Temperaturniveaus wird Exergie in Form von mechanischer oder vorzugsweise elektrischer Energie freigesetzt, wobei eine energetische Ausbeute beliebiger Temperaturniveau-Unterschiede möglich ist – auch relativ geringe, die unterhalb des Siedepunkts von Wasser unter Normalbedingungen liegen.

Auf diese Weise entsteht zwischen zwei kommunizierenden hydromechanischen Leitungssträngen, im einfachsten Fall eine senkrecht orientierte, ringförmig geschlossene Rohranordnung, die mit Fluiden wie Flüssigkeiten, Gasen, Mehrphasengemischen unterschiedlicher Temperatur gefüllt sind und deren Rohrleitungssegmente in definiertem thermischen beziehungsweise wärmeenergetischen Kontakt zur Umgebung stehen, so dass durch die thermisch verursachte unterschiedliche Dichte ein Druckgefälle hervorrufen wird, eine Konvektionsbewegung, die zur Energieauskopplung genutzt wird.

Die Energieauskopplung kann sowohl im aufsteigenden Bereich wie im abwärts strömenden Bereich der Konvektionsströmung erfolgen, das heißt sowohl im Gasbereich als auch im Flüssigkeitsbereich eines Konvektionsgenerators mit Phasenwechsel. Die Auskopplung im Flüssigkeitsbereich bedeutet hohe Leistungsdichten, die auch bei geringem Temperaturunterschied zwischen Wärmereservoir und Wärmesenke beziehungsweise geringem Exergiegehalt kleine Baugrößen für die Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung (beispielsweise eine Flüssigkeitsturbine) ermöglicht. So ist die Exergiegewinnung durch Umwandlung in potentielle Energie bis zu geringsten Temperaturunterschieden möglich.

Die Konvektion kann thermodynamisch optimal genutzt werden, dies besonders beim Konvektionsgenerator mit Phasenwechsel. Es besteht keine Trennung von Wärmetransportvorgang und Energieauskopplung, das heißt, die Leitungen z.B. innerhalb einer Geothermalbohrung können unmittelbar zur Exergieauskopplung genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung des Konvektionsgenerators und das Verfahren zur Durchführung der konvektiven Energiegewinnung bezeichnet eine Wärmekraftmaschine zur Exergiegewinnung (zum Beispiel elektrischer Strom) aus Wärmereservoirs, die eine geringe Temperaturdifferenz untereinander aufweisen, wie sie typischerweise bei der Nutzung von Geothermalenergie oder der Verwertung von Restwärme vorliegen. Beim Konvektionsgenerator werden die Potenzialdifferenzen im Schwerefeld beziehungsweise die dadurch verursachten Druckunterschiede zur Realisierung von thermodynamischen Kreisprozessen genutzt.

So entsteht beispielsweise zwischen zwei kommunizierenden Röhren, die mit Fluiden unterschiedlicher Temperatur gefüllt sind durch die unterschiedliche Dichte ein Druckgefälle, dass zu einer Konvektionsbewegung führt und zur Leistungsauskopplung genutzt wird.

Damit der Prozess der konvektiven Fluidzirkulation verlustarm abläuft, ist das hydromechanische Leitungsstrangsystem überwiegend in senkrechter Ausdehnung angelegt und im kalten Gebiet, der Wärmesenke und im warmen Bereich, der Wärmequelle, in der Funktionalität eines Wärmetauschers ausgelegt.

Die Realisierung des Kreisprozesses beim Konvektionsgenerator lässt sich in zwei grundsätzliche Fälle unterscheiden, den Kreisprozess ohne Phasenbeziehungsweise Aggregatzustandswechsel und den Kreisprozess mit Phasenwechsel.

Damit der konvektive Strömungsprozess thermisch effizient erfolgt, steht das durch die Leitungsstränge strömende Wärmeträgermedium mit der Umgebung durch örtlich definiert stattfindende Wärmetausch- oder -Übertragungsprozesse oder durch Einschränkung dieser in thermischer Verbindung. Dem Wärmeträgermedienstrom wird dadurch eine Vorzugs-Strömungsrichtung aufgeprägt. Eine vollständige thermische Isolierung der aufwärtsführenden Leitungsstränge, wie sie beispielsweise in DE 42 29 185 C2 vorgeschlagen wird, ist nicht notwendig.

Betreffs Einschränkung oder Unterbindung der Wärmeübertragung an das Wärmeträgermedium heißt das für den geothermalen Anwendungsfall im Bohrloch, dass das aus der Wärmesenke kommende und abwärtsführende Leitungssystemsegment erst ab der Tiefe thermisch gegen einfließende Umgebungswärmeenergie isoliert werden muss, wo die Umgebungstemperatur die des abwärtsströmenden und in Phasenumwandlung oder statisch in Kompression befindlichen Wärmeträgermediums übertrifft. Und dann auch nur dann, wenn das abwärtsströmende Medium ohne Wärmeisolation im Abwärtsstrang zum strömungsbehindernden Sieden übergehen würde. Das aufwärtsführende Leitungssystemsegment kann eine thermische Isolation besitzen, dessen örtliche Ausdehnung entlang der Leitung sich nach der thermodynamischen Prozessführung des im Aufwärtsstrang nach oben strömenden Arbeits- beziehungsweise Wärmeträgermediums richtet. Im einfachsten Fall beginnt die thermische Isolation dort, wo die Temperatur des konvektiv-gravimetrisch aufsteigenden Arbeitsmediums die der Umgebung überschreitet und verläuft soweit nach oben, wie es für die Sicherung des Aufstiegsprozesses und der thermodynamischen Aufstiegs- oder Hubprozedur zweckmäßig ist.

Um zu erklären, wie die Länge und der Verlauf der thermischen Isolation im Aufwärtsstrang mit der thermodynamischen Prozessführung korreliert ist, sei folgendes Beispiel aufgeführt: Ist zum Beispiel der Konvektionsgenerator so ausgelegt, dass im Bereich der Wärmequelle das strömende Arbeitsmedium einer isothermen Aggregatszustandsänderung unterliegt, die sich ab der Strömungs-Position einer im Wärmequellengebiet installierten Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung in Richtung Aufstieg nach oben ereignet, so wird aus Gründen der thermodynamischen Prozessoptimierung der weitere expansive Aufstieg des verdampfenden oder bereits vollständig verdampften Arbeitsmediums isotherm geführt und zwar solange, nötigenfalls mit Nachreichung von beispielsweise konvektiv herangeführter Wärmeenergie aus dem Gebiet der Wärmequelle, bis eine adiabatische Expansion während des restlichen Aufstiegs das Arbeitsmediums mit Erreichen des Aufstiegsendbereiches das Medium sicher auf ein solches Temperaturniveau überführt, bei dem dann in der Wärmesenke ohne Temperaturabsenkung nur noch die Kondensation und deren Wärmeabfuhr durchzuführen ist. In diesem Falle ist am Aufstiegsstrang keine thermische Isolation erforderlich. Je nach Tiefe der Konvektionsgeneratoranlage und der geometrischen sowie thermodynamischen Auslegung kann es beispielsweise notwendig sein, dass zwischen den Bereichen der im letzten Beispiel beschriebenen isothermen Phasenumwandlung beziehungsweise des isothermen expansiven Aufstiegs des Arbeitsmediums und der einzuleitenden adiabatischen (isentropen) Restentspannung eine thermische Leitungssystemisolation erforderlich ist.

Zusammenfassend gesagt, ob, wie und in welcher Ausdehnung an den abwärts- und aufwärtsführenden Leitungssystemen thermische Isolationen zweckmäßig vorhanden sein sollen, das richtet sich nach der Art der thermodynamischen Prozessführung und nach den geometrischen und thermischen Auslegungsgrößen sowie nach den geothermal anzutreffenden Situationen.

Der Konvektionsgenerator kann als Wärmekraftmaschine auch in einem entsprechendem Gebäude untergebracht werden und die Wärmequelle sowie – senke werden durch entsprechende Fluidkreisläufe realisiert.

Beim Kreisprozess ohne Phasenwechsel strömt beispielsweise ein Fluid nach oder während der Wärmeabgabe am kalten Wärmereservoir kalt durch ein Rohrsystem nach unten, wird dann erwärmt und steigt nach oder während der Wärmeaufnahme warm nach oben. Das wärmere Fluid besitzt in der Regel eine geringere Dichte, daraus ergibt sich im Schwerefeld über den Höhenunterschied ein Druckunterschied, der die Konvektionsbewegung aufrechterhält, der aber auch zur Energieauskopplung zum Beispiel durch Turbinen genutzt werden kann.

Es gibt Fluide, die in bestimmten Temperaturbereichen bei Erwärmung ihre Dichte erhöhen; bekanntestes Beispiel ist Wasser bei Normaldruck zwischen 0°C und 4°C. Wenn bei Verwendung eines solchen Fluids dieses seine Dichte bei Erwärmen erhöht, ist zur Energiegewinnung sinngemäß die Wärmequelle und die Wärmesenke in ihrer Position am aufsteigenden und absteigenden Fluidstrom zu vertauschen.

Beim Kreisprozess ohne Phasenumwandlung kann die Energieauskopplung, die einen Druckabfall bewirkt, an einem beliebigen Ort im Kreislauf erfolgen.

Jedoch lassen sich in der Praxis aus derartigen einphasig konvektiv zirkulierenden Kreisprozessen nicht alle thermodynamisch möglichen, mechanischen Energieinhalte des strömenden Wärmeträger- und – Transportmediums auskoppeln, wie es frühere und teilweise oben zitierte Erfindungsbeschreibungen vermuten lassen könnten. Eine solche Anlagenkonzeption würde den zirkulierenden Kreisprozess zum Erliegen bringen oder ineffizient arbeiten lassen.

Einem strömenden Arbeitsmedium eines Konvektionsgenerators, der ohne Phasenumwandlungsprozesse arbeitet, kann nur soviel kinetische Energie beziehungsweise Exergie pro Zeit entnommen werden, so dass der verbleibende Zirkulationsstrom noch stabil wirken kann. Es existiert diesbezüglich ein Optimum. Eine diese Verhältnisse charakterisierende Relation lässt sich für einen einheitlichen Rohrdurchmesser aufschreiben, indem summarisch die einzelnen Druckabfallwirkprozesse, die während eines vollen Zirkulationsumlaufs auf das strömende Wärmeträgermedium durch das Rohrleitungssystem wirken, erfasst werden. Dabei ist natürlich der Druckabfall über die installierte Turbine oder Arbeitsmaschine ebenfalls zu berücksichtigen. &Dgr;P_gravimetr – &Dgr;P_dissipativ – &Dgr;P_nutz = 0 (1)

Hierbei bezeichnet der erste Term die durch die thermisch verursachten Dichteunterschiede wirkende schwerkraftverursachte Druckdifferenz über die senkrechte Anlagenausdehnung, der zweite Term beinhaltet den dissipativen Druckabfall, der aus den Reibungs- und damit Verlustprozessen der durch die Rohre strömenden Flüssigkeit resultiert und der dritte Term stellt den über die Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung wirkenden Druckabfall dar.

Unter Berücksichtigung, dass die Volumenströme multipliziert mit den jeweiligen Druckabfallthermen die Leistungsgrößen des Kreisprozesses liefern, kann für die maximal aus dem Strömungsprozess extrahierbare exergetische Leistung die Relation

v_max stellt die maximal im System (ohne ausgekoppelte mechanische Nutzleistung) erreichbare, mittlere Strömungsgeschwindigkeit dar.

Diese Relationen sind gültig, solange die Anlage nicht in den physikalisch nichtlinearen Bereich hinein betrieben wird und solange keine Aggregatszustandsänderungen im zirkulierenden Wärmeträgermedium des Konvektionsgenerators stattfinden.

Für jeden thermodynamischen Kreisprozess lässt sich der Wirkungsgrad der Exergiegewinnung steigern, wenn es gelingt, die Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme in den Gebieten der Wärmesenke und Wärmequelle mit möglichst gegen Null gehender Temperaturdifferenz zu gewährleisten. Der beste Fall tritt ein, wenn diese Temperaturdifferenz Null ist. Praktisch ist dies machbar, indem das Medium, beispielsweise bei Kompression oder Dekompression den Temperaturwechsel vollziehen kann. Diese Bedingung lässt sich beim Kreisprozess ohne Phasenwechsel nur schwer erreichen. Beim Kreisprozess mit Phasenwechsel (zum Beispiel flüssig-gasförmig) lässt sich dieser Idealzustand besser erreichen. Deshalb lässt sich beim Konvektionsgenerator mit Phasenwechsel ein besserer thermodynamischer Wirkungsgrad erreichen.

Beim Kreisprozess des Konvektionsgenerators mit Phasenwechsel wird beispielsweise im aufsteigenden Fluidstrom, in dem der Druck mit der Höhe sinkt, während des Aufstiegs entsprechend der thermodynamischen Eigenschaften des Fluids (wie Siedepunkt und Dampfdruck) der Phasenwechsel vollzogen. Das Medium wechselt seine Dichte und übt im Vergleich zum Abstiegsleitungsstrang eine wesentlich geringere statische Druckkraft auf den anlagentiefsten Bereich aus.

Während der Phasenumwandlung kann zusätzlich isotherm Wärme von der Wärmequelle an das verdampfende Fluid abgegeben werden bis das Medium ganz oder teilweise den Phasenwechsel vollzogen hat.

Der Kreisprozess mit Phasenwechsel lässt an jeder Stelle der Zirkulationsprozessführung die Installation einer Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung beziehungsweise eine Exergieauskopplung zu. Zum Beispiel im Bereich der Aufstiegs-Gasphase über eine Turbine, die das Gas bis auf den Dampfdruck, der der Temperatur der Wärmesenke entspricht, entspannt.

Viele Arbeitsmaschinen oder Gasturbinenarten sind anfällig gegen auskondensierende Tröpfchen, deshalb kann das Gas, anstatt überhitzt zu werden, vor der Turbine isotherm weiter im Schwerefeld entspannt werden, indem es über eine entsprechende Höhendifferenz aufsteigt. Dann wird Hubarbeit verrichtet, die auf der absteigenden Seite der Fluidströmung mit Arbeitsmaschinen zur Energieauskopplung, wie beispielsweise Flüssigkeitsturbinen, als Exergie auskoppelbar ist.

Weiterhin kann das Gas, anstelle eine Turbine zu durchlaufen, beim Aufstieg adiabatisch im Schwerefeld so entspannt werden, dass es bei Erreichen des Aufstiegsendpunktes den Dampfdruck, der der Temperatur der Wärmesenke entspricht, erreicht. Die gesamte Exergieauskopplung erfolgt in der flüssigen Phase entweder im absteigenden oder im aufsteigenden Teil der Strömung oder aber an einer Position des Leitungsstranges, die innerhalb des Wärmequellgebietes liegt. Letzteres heißt beispielsweise, die flüssige Phase beginnt mit Eintritt in den Wärmetauscher der Wärmequellregion, zumeist nach Beendigung des Abstiegs, aber noch vor Erreichen der Arbeitsmaschine, Wärme aufzunehmen. Aber infolge des hohen statischen Druckes im unteren Leitungsbereich setzt kein Siedeprozess ein. Hat der Wärmeträgermedienstrom auf seinem Weg durch die Wärmequellregion genügend Wärme aufgenommen, trifft er auf eine im unteren Anlagenbereich installierte Vorrichtung, die den statischen Druck reduziert. Der Ort der Druckreduzierung ist zweckmäßigerweise identisch mit einer dort im Kreisprozess installierten Arbeitsmaschine zur Energieauskopplung. Die Druckreduzierung des gegen die Arbeitsmaschine anstehenden flüssigen, unter statischem Druck stehenden Wärmeträgermediums wird im Wärmeträgermedienstrom durch den Prozess der Energieauskopplung vollzogen. In Flussrichtung hinter der Arbeitsmaschine ist der statische Druck verringert. Das aus der Maschine austretende Fluid beginnt sofort mit dem Wechsel in den gasförmigen Aggregatzustand. Dieser Wechsel von flüssig zu gasförmig findet im Wärmequellgebiet statt, so dass das aus der Arbeitsmaschine abströmende und in Phasenumwandlung befindliche Medium insgesamt über den restlichen Weg durch die Wärmetauscher der Wärmequelle isotherm geführt vollständig in die Dampfphase übergeht und auf dem ebenfalls noch im Wärmequellgebiet beginnenden Aufstiegsweg isotherm aufsteigend entspannt wird. (Es sei bemerkt, dass bei diesem Beschreibungsfall des Verfahrensprozesses der Wärmetauscher überwiegend in waagerechtem Verlauf in der Wärmequellregion angeordnet ist. Daher ist es zweckmäßig, dass das Wärmeträgermedium bereits mit der Durchquerung der Arbeitsmaschine seine Temperatur im Wärmetauscher auf möglichst anlagenmaximale Temperatur erhöht hat, so dass es nach Verlassen der Arbeitsmaschine rückstaufrei weiter isotherm verdampfend durch den restlichen Wärmetauscher strömen kann. Im senkrechten Anlagenfall, wie zum Beispiel in 2 dargestellt, muss die Phasenumwandlung, Erwärmung und expansive Aufstiegserwärmung nicht mehr vorwiegend isotherm erfolgen. Die Wärmeenergiezufuhr kann bis auf den barometrischen Druckeinfluss isobar stattfinden.) Erst auf dem letzten Abschnitt des Aufstiegsweges wird das gasförmige Wärmeträgermedium adiabatischisentrop so entspannt, dass es mit Beendigung des Aufstiegsweges die thermodynamischen Kondensationsbedingungen erreicht hat. Diese adiabatischisentrope Entspannung kann durch Aufstiegsexpansion über den Weg des letzten Aufstiegsabschnittes erreicht werden oder aber, wenn die thermische Dimensionierung des Konvektionsgenerators dies zulässt, erfolgt die adiabatische Restentspannung über eine zusätzlich oben installierte Arbeitsmaschine.

Durch Abgriff dieser statischen Druckdifferenzen über eine zweckmäßig im Konvektionskreislauf installierte Arbeitsmaschine ist es möglich, ohne explizite Kompressions- und Strömungsantriebsarbeit aufwenden zu müssen, den höchstmöglich erzielbaren thermischen Wirkungsgrad einer Wärmekraftanlage zu erzielen. Im Vergleich zu allen bisher existierenden Verfahren und Vorrichtungen zur exergetischen Ausbeutung von Geothermalenergien kommt dieser Konvektionsgenerator dem Carnot'schen Wirkungsgrad am nächsten.

Es ist aber auch möglich, ein mehrphasiges Gemisch zu entspannen, und zwar gerade in einem solchen Mengenverhältnis, dass sich beim Entspannen auf den Dampfdruck, der der Temperatur der Wärmesenke entspricht, sich die passende Temperatur, nämlich die der Wärmesenke, ergibt. Sinnvoll ist dabei die Entspannung adiabatisch über die Höhendifferenz und das Auskoppeln der Exergie im Strömungsbereich mit hoher Dichte, vorzugsweise im flüssigen Bereich, zu realisieren. Durch die Anwesenheit der zweiten, dichteren Phase beim Aufstieg, sind geringere Höhendifferenzen, über die die Entspannung erfolgt, realisierbar.

Als mehrphasige Gemische können dazu entweder eine nur zum Teil verdampfte Flüssigkeit, ein Gemisch einer Flüssigkeit mit einer anderen oder eine Flüssigkeit mit Feststoffpartikeln genutzt werden. Das heisst, das mehrphasige Gemisch kann auch Mehrstoffkomponenten enthalten.

Bei Nutzung von Mehrstoffgemischen im Zirkulationskreislauf macht es exergetisch nur Sinn, wenn diejenigen Stoffarten, die im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess keiner Phasen- oder Aggregatzustandsänderung unterliegen ebenfalls strömungstechnisch die Zirkulationswegstrecken durchlaufen. Auf jeden Fall aber müssen sie im Leitungsstrangsystem die Hub- und Absenkprozesse zusammen mit dem Arbeits- beziehungsweise Treibmedium durchlaufen. Die beispielsweise nicht- oder schwersiedenden Zusatzstoffe können beispielsweise vor der Kondensation der Arbeits- oder Treibmedien von diesen strömungstechnisch getrennt werden, um dann bei der Abwärtsbewegung diesen wieder beigemischt zu werden.

Wenn die mehrphasigen Wärmeträger-Stoffgemische im Kreisprozess, von denen mindestens eine Komponente als Arbeits- oder Treibmedium fungiert, die Phasenumwandlungen flüssig – gasförmig – flüssig durchläuft, in die Aufstiegsbewegung eintreten um die Aufstiegshubarbeit zu verrichten, darf die beigegebene, nichtverdampfte Wärmeträgerkomponente nicht aus dem Strömungsprozess ausfallen. Ein Mitnahmeeffekt kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Beispielsweise ist eine Art Schaumbildung definierter Konsistenz möglich, so dass das gesamte Stoffgemisch die Aufwärtsphase durchläuft. Oder aber der Aufstiegsstrang ist in der Art eines parallelen Rohrbündelstranges ausgelegt, in den das teilweise verdampfende oder verdampfte Medium die zugegebenen Stoffe mit sich strömend hineinführt und der Hubarbeitsprozedur unterzieht. Die lichten Weiten der einzelnen Elemente des Rohrbündelstranges sind so dimensioniert, dass entsprechend der thermodynamischen, hydrodynamischen und stoffspezifischen Parameter und Auslegungsdaten der Anlage möglichst keine Entmischung oder partieller Rückfluss beim Aufstieg des Stoffgemisches stattfindet.

Im oberen Bereich der Anlage, wo die Wärmesenke lokalisiert ist, gibt das umlaufende Wärmeträgermedium per Wärmetauschprozess Wärmeenergie an die Umgebung ab. Stoffe, die im Wärmequellgebiet oder während des Aufstiegs den Gas- oder Dampfzustand eingenommen haben, werden durch definiert geführte thermodynamische Zustandsänderungen, beispielsweise beginnender isothermer Aufstieg verbunden mit isothermer Druckreduzierung und anschließender adiabatischer Aufstiegs- und Druckreduzierungsprozedur so temperiert am Endpunkt des Aufstiegs im Wärmesenkengebiet ankommen, dass die Gasphase eine flüssigkeitsge- oder übersättigte Dampfphase darstellt, die in die Kondensation eintritt. Es ist oben die Kondensations- beziehungsweise Phasenumwandlungswärme abzuführen. Der Kondensationsprozess kann durch verschiedene Maßnahmen begünstigt beziehungsweise effektiver gestaltet werden. Beispielsweise können beigegebene und im Kreisprozess mitgeführte oder stationär angeordnete sorptionsaktive Stoffkomponenten bei Unterschreiten des Dampfdruckes eine Kondensationsbeschleunigung ausüben. Oder aber es wird der Effekt der Kapillarkondensation in einem speziellen gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensator genutzt. Ein Teil der Kondensatoranlage ist dann zum Beispiel als paralleles Röhrenstrangbündel, mit definiertem Gefälle oder in senkrechter Orientierung so ausgelegt, dass durch dieses Bündel das zu kondensierende oder in Kondensation befindliche Medium oder Stoffgemisch hindurchströmt. Die lichten Weiten der Kondensationskapillaren sind in Abhängigkeit von den thermodynamischen Auslegungsdaten der Anlage und den Stoffparametern des oder der Wärmeträgermedien (beispielsweise Oberflächenspannung und Viskosität) so gewählt, dass das hineinströmende flüssige und gasförmige und in Kondensation befindliche Wärmeträger- und Arbeits-Medium als Flüssigkeit unter der Wirkung der Schwerkraft am unteren Ende des gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensators selbständig wieder hinausfließen kann. Dabei wird die Wärmeabgabe an der Wärmesenke bei der Kondensation durch den entstehenden hydrostatischen beziehungsweise geodätischen Druck des Fluids (isotherme Kompression) begünstigt. Vom gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensatorsegment wird die Kondensationswärme permanent abgeführt.

Auf die einzelnen thermodynamischen Prozessabläufe beziehungsweise auf den gesamten thermodynamisch geschlossenen Kreisprozess wird durch Variation des Einschlussdruckwertes des Wärmeträgermediums im Zirkulationskreislaufsystem ein regelnder Einfluss realisiert. Über die definierte Einschlussdruckbeeinflussung ist eine gezielte Einflussnahme auf die lokale Lage und die Intensität von thermodynamischen Zustandswandlungen vollziehbar, womit das Leistungsvermögen des Konvektionsgenerators entsprechend der Leistungsvermögen der Wärmetauschprozesse im Wärmequellen- und -Senken-Gebiet und der benötigten Lastentnahme regelbar ist.

Eine weitere Einflussnahme auf spezifische Leistungsdaten der einzelnen thermodynamischen Prozessabläufe im Konvektionsgenerator ist gegeben, wenn über beziehungsweise parallel zu bestimmten Zirkulationsphasen zu- oder abschaltbare Bypässe angelegt werden oder unabhängige Stoffströme Wärme transportieren. Dadurch ist es möglich, durch gezielten Transport von Wärme eine gerichtete Einflussnahme auf lokal ablaufende thermodynamische Zustandswandlungen auszuüben. Dies beispielsweise im Verdampfungsbereich des Aufwärtsstranges oder des Kondensationstraktes im Wärmesenkengebiet oder unmittelbar im Bereich, wo das Wärmeträgermedium den Abwärtsfluss beginnt oder durchführt.

Ein charakteristisches Merkmal dieses Konvektionsgeneratorverfahrens mit Phasen- beziehungsweise Aggregatzustandswechsel ist der Fakt, dass sich beispielsweise bei der geothermalen Anwendung im Abwärtsstrang des Zirkulationskreislaufsystems, wo sich das flüssige Wärmeträgerbeziehungsweise Arbeitsmedium mit hoher Dichte nach unten bewegt, ein hoher statischer Druck aufbaut. Dieses unter hohem Druck stehende kühle und flüssige Medium durchströmt die oder den Wärmetauscher des Wärmequellengebietes, drückt das überhitzte aber wegen des hohen statischen Druckes noch flüssige Medium in den beginnenden Aufwärtsstrang, wo es ab einer bestimmten Aufstiegshöhe frei oder nach Druckreduzierung durch eine Arbeitsmaschine isotherm in die gasförmige Phase zu wechseln beginnt. Das dann anfangs isotherm expandierend und zum Endpunkt des Aufstiegs adiabatisch expandierend aufsteigende gasförmige Arbeitsmedium hat beim Aufstieg eine Dichte, die wesentlich geringer ist, als die der Flüssigphase. Für den Konvektionsgenerator ist aber auch ein Verfahren charakteristisch, wonach das kalte flüssige Arbeitsmedium aus dem Wärmesenken-Wärmetauscher kommend über die Abstiegsleitung unter Anstieg seines hydrostatischen Druckes in die Tiefe fließt und dort über eine Strahldüsenanordnung, die in einer Arbeitsmaschine zur Energiegewinnung und -Auskopplung (beispielsweise eine Flüssigkeitsstrahlturbine) befindlich ist, seinen exergetischen Energieinhalt an die Maschine überträgt. Hierbei wird entsprechend des über die senkrechte Tiefe des Abstiegsleitungsstrangs aufgebauten hydrostatischen Drucks die in der Flüssigkeit gespeicherte potentielle Energie mittels der Strahldüsenanordnung in kinetische Energie gewandelt und als mechanische Arbeit von der Arbeitsmaschine gewonnen und ausgekoppelt. Die Wandlung des Flüssigkeitsdruckes oder Masse-Potentialäquivalents in mechanische Energie lässt sich durch die allgemeinen Formeln

Es sind

P_S ist der in der Anlage an der Düse beziehungsweise über die Düsenanordnung abgreifbare Druck. Der Querschnitt des Abstiegsleitungsstranges muss überall größer sein als der der Düse; oder wenn es mehrere Düsen sind, dann auch größer als die summarische Düsenquerschnittsfläche.

Das Abstiegsrohr mit der Arbeitsmaschine am unteren Ende befindet sich innerhalb des Dampf- oder Gasaufstiegsleitungsstranges. Dieser Leitungsstrang setzt sich unterhalb der Position der Arbeitsmaschine weiter in die Tiefe fort, so dass das flüssige Arbeitsmedium nach Verlassen der Arbeitsmaschine teilweise die Wandung benetzend in die Tiefe des vorwiegend mit Gas/Dampf angefüllten Leitungsstranges stürzt, auf seinem Weg nach unten Wärme aufnimmt, verdampft und nach hinreichender weiterer Wärmeenergieaufnahme nach oben aufzusteigen beginnt. Unterhalb der Position der Arbeitsmaschine erfolgt die Aggregatszustands- oder Phasenänderung vom flüssigen zum gasförmigen Zustand. Und gleichzeitig nutzen beide Wärmeträgermedienphasen gemeinsam, aber im Gegenstromprinzip, das untere Leitungsstrangsegment, welches als Wärmetauscher im Wärmequellgebiet fungiert, als Abstiegs- und Aufstiegsleitung. In diesem Leitungssegment findet bis auf den barometrischen Druckanteil der aufsteigenden Gas- oder Dampfsäule die Phasenumwandlung von flüssig zu gasförmig und die Erwärmung des Dampfes isobar statt.

Die Hubarbeit des expansiv aufsteigenden Arbeitsmediums kann energetisch vollständig aus der aufgenommenen Wärmemenge getilgt werden. Auf der Druckseite der Anlage, also im Gebiet des flüssigen Arbeitsmediums lässt sich durch erfindungsgerecht gezielte Kombination von thermischen, konvektiven und gravimetrischen Effekten ohne explizite Kompressionsarbeit aufbringen zu müssen, ein hoher exergetischer Anteil aus der Hochdruckströmung auskoppeln. Diese thermodynamisch geschlossene Prozessführung mittels des erfindungsgemäßen Konvektionsgenerators kommt für geothermale Exergieausbeutungsanwendungen der Carnot'schen Prozessführung am nächsten.

Als Wärmeträgermedium sind auch chemisch und oder physikalisch reaktive Stoffe einsetzbar. Das sind beispielsweise solche Stoffe oder mehrphasige Gemische von Stoffen, die auf dem Zirkulationsweg durch das Leitungsstrangsystem reversible innere Strukturumwandlungen oder und chemische oder physikalische Verbindungs- beziehungsweise Vernetzungsstrukturumwandlungen durchlaufen. Dabei sind auch Sorptions- und Desorptionsprozesse an oder in Stoffkomponenten eines Mehrphasengemisches einbeziehbar.

Zur Verstärkung des Einflusses des Gravitationsfeldes bzw. gänzlich als Ersatz kann die Fliehkraft in rotierenden Anordnungen zur Prozessaufrechterhaltung genutzt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfinderischen Verfahrens schematisch dargestellt sind.

In den Figuren zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Konvektionsgenerators Aa mit waagerecht verlaufendem Wärmequellgebiet-Wärmetauscher,

2: eine schematische Darstellung eines Konvektionsgenerators A mit senkrecht verlaufendem Wärmequellgebiet-Wärmetauscher.

Um die konvektive Strömung des Fluids im Schwerefeld ohne Aufwendung von Hilfsenergien bei gleichzeitiger Exergieextraktion aus dem strömenden Fluid zu ermöglichen sind beispielsweise folgende vorrichtungs- und verfahrenstechnische Bedingungen zu erfüllen:

Ein Kreislaufsystem 1 ohne Phasenumwandlung im zirkulierenden Arbeitsbeziehungsweise Wärmeträgermedium ist in Anlehnung an das bekannte Schwerkraft-Warmwasser-Heizprinzip vorstellbar. Der Warmwasseraufstiegsstrang und die Wasserrückflussleitung stellen über die Heizkörper und den Heizkessel, die als Wärmetauscher fungieren, das kommunizierende Röhrensystem dar.

Der Heizkessel stellt die unten befindliche Wärmequelle 3 und die Heizkörper und die oben befindliche Wärmesenke 7 dar. Zwischen diesen beiden örtlich getrennten Wärmereservoirs unterschiedlicher Temperaturniveaus, die strömungstechnisch miteinander verbunden sind, baut sich ein konvektivgravimetrisch getriebener Volumenfluss definierter Richtung auf.

Für geothermale Anwendungen liegt die Wärmequelle 3 in der Tiefe der Erde oder es wird als Wärmequelle warmes Geothermalwasser verwendet. Die Wärmesenke 7 muss nicht auf der Erdoberfläche liegen. Denkbar sind Anwendungen, wo der obere Wärmetauschprozess beispielsweise in 10 m Tiefe oder tiefer in einer grundwasserführenden und tiefenklimatisch konstant niedrig temperierten Schicht erfolgt.

Zur Wahrung einer gerichteten Konvektionsströmung ist der Leitungsstrang 2, durch den das kalte Fluid in die Tiefe strömt, vom Ende des kalten Bereich an abwärts, das heißt von demjenigen Tiefenbereich an, wo die Umgebungstemperatur die des in die Tiefe strömenden Fluids zu überschreiten beginnt, bis in den Bereich des tiefsten Punktes des Abwärtsstrangs 2 zumeist der tiefste Punkt der Anlage, vorzugsweise befindlich in der Wärmequelle 3, thermisch durch Wärmedämmung isoliert. Dadurch ist gewährleistet, dass das abwärtsfließende Fluid keine beziehungsweise nur eine vernachlässigbar geringe thermisch verursachte Dichteverringerung erfährt.

Unten im Wärmequellgebiet 3, wo die thermische Isolierung 14 am Abwärtsstrang 2 endet, wird ab diesem Punkt Wärme aus der Umgebung aufgenommen. Das Fluid dehnt sich aus, verringert seine Dichte und beginnt 5 nach oben aufzusteigen.

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten aus dem aufsteigenden Fluid ist am Aufwärtsstrang 5 ab einer bestimmten Tiefen-Position eine thermische Isolation 13 vorgesehen. Diese Position ist verfahrenstechnisch so festgelegt, dass die thermische Isolation 13 dort beginnt, wo die Temperatur des aufsteigenden Fluids in etwa der der Umgebung entspricht.

Dieses konvektiv gerichtete Kreislaufsystem 1 hält solange an, wie im unteren Gebiet der Anlage dem Fluid Wärmeenergie per Wärmetausch zugeführt und oben Wärme entnommen wird.

Ein auf diese Weise geometrisch und strömungstechnisch sowie hinsichtlich der Wärmeübertragung und -isolierung zweckmäßig ausgelegtes kommunizierendes Kreislaufsystem 1 bietet auf der Strömungswegstrecke des Fluids vielfältige Möglichkeiten thermodynamische und verfahrenstechnische Prozesse zur Gewinnung mechanischer oder elektrischer Energie zu nutzen.

Dazu sind an geeigneter Stelle, aber verfahrenstechnisch an beliebiger Position im Fluidkreislauf Arbeitsmaschinen 10, 11, 12, die Flügelräder oder Turbinen sein können, installierbar, an die das strömende Fluid durch Drehung der Laufräder einen Teil seiner kinetischen Energie abgibt.

Ein Kreislaufsystem ohne vonstattengehenden Phasenumwandlungen hat im Vergleich zum Carnot'schen Prozess nur einen äußerst geringen Wirkungsgrad.

Eine signifikante Steigerung des Leistungs-Wirkungsgrades ist möglich, wenn die zirkulierenden Fluide thermodynamische Phasenumwandlungen beziehungsweise Aggregatzustandsänderungen über die Strömungswegstrecke vollführen.

Wie in 1 gezeigt, strömen die im Leitungssystem 1 eingeschlossenen Stoffe beispielsweise im kälteren Abwärtsstrang 2 flüssig nach unten, nehmen ab dem anlagentiefsten Gebiet Wärme aus der Wärmequelle 3 auf, um dann auf dem Weg durch den Wärmetauscher 4 der Wärmequelle 3 oder dem Weg nach oben im Aufwärtsstrang 5 entsprechend ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften und der thermodynamischen Umgebungs- und Anlagenbedingungen, die verfahrenstechnisch definiert festgelegt sind, sukzessiv vorwiegend und isotherm in den gasförmigen Zustand 6 zu wechseln. Im oberen Bereich, dort ist die Wärmesenke 7, wird dem Gasstrom zwecks Kondensation in einer Wärmetauscheranlage 8, die in speziellen Kondensations-Kapillaröhren 9 das Prinzip der kapillaren und sorptionsaktiven gravitationsgetriebenen Zweiphasenkondensation ausnutzen kann, Wärme entzogen, so dass das Medium kondensiert oder in Kondensation befindlich als Flüssigkeit oder sich verflüssigend wieder in den Abwärtsstrang 2 des Kreislaufsystems 1 eintreten kann.

Beim Prinzip des kapillaren und sorptionsaktiven gravitations-getriebenen Zweiphasenkondensators ist zusätzlich der Dampf mit versprühter Flüssigkeit mischbar. Das Gemisch tritt in Kapillaren ein, in denen eine Phasentrennung weitgehend verhindert wird. Es verbleibt ein Zweiphasengemisch, dass durch den nun relevanten geodätischen beziehungsweise hydrostatischen Druckanstieg beim Durchströmen des Abwärtsstrangs 2 nahezu isotherm in die Gasphase auskondensiert.

Durch das Auftreten zweier verschiedener Aggregatzustände, kühl und flüssig und somit stofflich dicht im Abwärtsstrang 2 des Leitungssystems 1 und teilweise flüssig erwärmt und teilweise gasförmig mit wesentlich geringerer Dichte als die der Flüssigkeit, verursachen die gravimetrischen Potentialdifferenzen zwischen den beiden Fluidsäulen eine größere Druckdifferenz, als es bei einphasigen Fluiden der Fall ist. Durch das Auftreten dieser großen Druckunterschiede realisieren sich über Arbeitsmaschinen 10; 11; 12 zur Energieauskopplung, beispielsweise Turbinen, die z.B. in der Gasstromphase des Aufwärtsstrangs 5 installiert sind, wesentlich größere Leistungsübertragungen. Denn bekannterweise entspricht die aus einem strömenden Medium per Arbeitsmaschine 10; 11; 12 auskoppelbare exergetische Leistung dem Produkt aus dem Druckabfall über die Arbeitsmaschinen 10; 11; 12 und dem pro Zeit durch diese Arbeitsmaschine 10;11;12 strömenden Volumen. Physikalisch erklärt sich der bessere Wirkungsgrad bei Phasenwechsel durch die Nutzung der Wärmeenergie des Phasenwechsels und die starke Abhängigkeit der Temperatur von Gasen bei Druckwechsel.

Das Leistungsvermögen einer derartigen Anlage wird durch das Vermögen des Wärmeaustauschs in der Wärmesenke 8, den Kondensations-Kapillarröhren 9 und 4 in der Wärmequelle 3 bestimmt. Auch hier gilt, dass für geothermale Anwendungen der obere Wärmetauschprozess in der Wärmesenke 8 an der Erdoberfläche erfolgen kann, er muss es aber nicht. Es kann beispielsweise ein fließendes Gewässer, ein stehendes Gewässer oder eine kühle grundwasserführende Schicht unter der Erdoberfläche als Wärmesenke mit darin installierten Wärmetauschern genutzt werden.

Das zitierte Leistungsprodukt aus Volumenstrom und Druckdifferenz über die Arbeitsmaschine 10; 11; 12 zur Energieauskopplung, beispielsweise einer Turbine, erlaubt, so wie in der Erfindungsbeschreibung dargelegt, eine Exergiegewinnung im a) flüssigen, b) gasförmigen oder c) gemischten Fluidbereich. Ist beispielsweise eine Turbinenanordnung im Flüssigkeitsbereich (z.B. Abwärtsstrang 5) des Kreislaufsystems positioniert, z.B. an der Stelle 11 wie in 1 gezeigt, so ergibt sich der auskoppelbare Leistungsanteil als Produkt aus einem entsprechend der statischen Differenzdruckkräfte der Fluidsäulen wirkenden, sehr groß abgreifbaren Druckwert und einem kleineren Volumenstrom. Der Volumenstrom durch die Turbinenanordnung kann zur optimalen Trimmung des maximalen thermodynamischen Leistungsvermögens der Anlage geregelt werden. Dazu befindet sich ein Volumenstromregler am Turbineneinlaufbereich. Erfolgt entsprechend b) die Leistungsauskopplung im Aufwärtsstrang 5 der Gasströmung, zum Beispiel an der gezeigten Position der Arbeitsmaschine 10, dann wird der nutzbare und auskoppelbare Leistungsbetrag aus dem Produkt eines sehr großen Volumenstroms und einer gegenüber der a)-Positionierung (Arbeitsmaschine 11) geringeren Druckdifferenz gebildet. Die gemischte Phase c), bestehend aus Gas- und Flüssigkeitsanteilen im Fluidstrom, erfordert den Einsatz spezieller Arbeitsmaschinen 11. Wie oben in der Erfindungsbeschreibung allgemein dargestellt, würde hier entsprechend eines speziellen thermodynamischen Wandlungsregimes ein Fluidgemisch, bestehend aus Phasen unterschiedlicher Aggregatzustände zum Beispiel auf eine Schaufelradanordnung treffen. Eine Arbeitsmaschine 12, die den Fall der gemischten Phasen entsprechend der Variante c) bedient, ist beispielsweise an der Stelle 12 in 1 positioniert. Die Arbeitsmaschine 11 kann aber strömungstechnisch auch ein Stück vor oder nach der in 1 gezeigten Arbeits-Maschine 12 angeordnet sein. Charakteristisch für die Position der Arbeitsmaschine 12 ist aber, dass die Arbeitsmaschine 12 im Wärmequellgebiet 3 des Kreislaufsystems 1 so positioniert ist, dass das unter statischem Druck stehende flüssige, aber bereits teilweise erwärmte Medium in die Arbeitsmaschine 12 eintritt, dort eine Druckreduzierung durchläuft und teilweise flüssig aber bereits verdampfend aus dieser austritt. Die sofort anschließende Weiter- oder Restverdampfung wird isotherm vollführt.

Ein letzter Spezialfall zur Variante c) soll noch erwähnt werden. Es ist beispielsweise möglich, das Fluid überhitzt aber völlig flüssig und unter statischem Druck stehend über eine Düsenanordnung auf eine Schaufelrad- oder Flügelradanordnung einer Arbeitsmaschine 12 volumenstromgeregelt strahlen zu lassen. Eine solche Arbeitsmaschine ist am Ort 12, zweckmäßigerweise im anlagentiefsten Gebiet der Wärmequelle 3 so positioniert, dass das der Arbeitsmaschine 12 zuströmende Fluid per Wärmetausch die anlagenmögliche maximale Temperaturerhöhung erfährt. Der durch die Arbeitsmaschine 12 hindurchtretende Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahl durchläuft auf dem Weg durch die Arbeitsmaschine 12 eine Druckreduzierung, in dessen Folge die Flüssigkeit in eine adiabatische Phasenumwandlung von flüssig zu gasförmig, verbunden mit einer Volumenexpansion eintritt. Verfahrenstechnisch ist es aber von Vorteil, wenn der durch die Arbeitsmaschine 12 hindurchgetretene Flüssigkeitsstrahl sukzessive vollständig in die Gasphase übertritt. Anderenfalls würde die Energieauskopplungsstufe in nichtverdampfter Flüssigkeit "ertrinken". Damit es nicht dazu kommt, wird i) der Volumenstrom der Strahlanordnung geregelt, ii) die Strahlanordnung und die Arbeitsmaschine 12 zur Energieauskopplung befinden sich örtlich noch im Bereich der Wärmequelle 3, so dass iii) der per lokaler adiabatischer Phasenumwandlung und Expansion eingeleitete Verdampfungsprozess insgesamt beziehungsweise bis zum Austritt aus der Wärmequelle 3 integral als isothermer Prozess durchlaufen wird. Zusätzlich kann der Arbeitsmedienausgang der Arbeitsmaschine 12 auf ein etwas tiefergelegenes Auffang- oder Verdampferbassin, welches als Volumenstrompuffer fungiert, gelegt werden. Das bedeutet, dass das ganze restliche Strömungsweg-Gebiet der Anlage, das sich auf dem Flussweg zwischen Ausgang aus der Arbeitsmaschine 12 und der beginnenden thermischen Isolation 13 im Aufwärtsstrang 5 befindet, die adiabatisch verbrauchte Wärmeenergie sofort aus der Umgebung aufnehmen kann. Dazu ist dieses Gebiet der Anlage ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildet. Über Bypass-Wärmetauscher kann dem Fluidstrom im Austrittsbereich der Arbeitsmaschine 12 zusätzlich Phasenumwandlungsenergie zugeführt werden.

Die thermische Isolation 13 zwischen Umgebung und Fluidstrom, beispielsweise im Aufwärtsstrang 5, wie in 1 gezeigt, ist nicht zwingend notwendig. Ob eine lokal begrenzte thermische Isolation 13 im Aufwärtsstrang notwendig ist, hängt von der thermodynamischen Auslegung und der geometrischen Ausdehnung der Anlage, wie beispielsweise der Tiefenausdehnung, ab. In diesem Zusammenhang ist eine charakteristische Auslegung so determiniert, dass der aufsteigende Gas- oder Dampfstrom oder im Mehrphasengemisch die Mischkomponente inklusive des gas- oder dampfförmigen Anteils erst bei Verlassen des Aufstiegs- oder Hubweges mit Eintritt in den Wärmesenken-Wärmetauscher 8 zum Beispiel durch adiabatische Dampfdruckunterschreitung in die Kondensation eintritt.

Am Abwärtsstrang 2 ist eine thermische Isolation 14 ebenfalls nicht zwingend für die gesamte Abstiegswegstrecke am Leitungssystem 1 notwendig. Die Isolation 14 setzt erst dort ein, wo das abwärtsströmende Fluid auf Gebiete trifft, deren Temperatur höher ist als die Temperatur des hinunterfließenden Wärmeträgermediums. Dadurch wird vermieden, dass es zu vorzeitigen Siedereaktionen im Abwärtsflussgebiet oberhalb des Eintritts in den Wärmequellen-Wärmetauscher 8 kommt. Die thermische Isolation 14 muss am Abwärtsstrang 5 nicht bis in das Gebiet des anlagentiefsten Punktes verlaufen. Erreicht beispielsweise der statische Druck im abwärtsfließenden Wärmeträgermedienstrom einen solchen Wert, dass infolge möglicher zufließender Wärmeenergie, verbunden mit Temperaturerhöhung im Fluidstrom keine Verdampfungen auftreten, besonders keine Verdampfungen bis zur Position der Arbeitsmaschine 12, dann wird ab diesem Tiefenbereich, der wie in 1 beispielsweise als nicht siedender Bereich 15 bezeichnet und lokalisiert ist, auf eine Wärmeisolation verzichtet.

Bei Verwendung von Mehrphasen- oder/und Mehrstoffgemischen als Wärmeträgermedium sind im Aufwärtsstrang 5 passive Medienhub- und Leithilfseinrichtungen, beispielsweise als paralleler Rohrbündelstrang, in 1 mit Position 16 nur lokal angedeutet, installiert. Diese Hilfseinrichtungen verhindern eine Entmischung, Sedimentation oder Rückfluss von zu hebenden nicht verdampften Wärmeträgermedienkomponenten.

Der Abwärtsstrang 2 und Aufwärtsstrang 5 des Leitungssystems 1 muss nicht so, wie in 1 übersichtlicherweise dargestellt, in einem eigenen Bohrloch verlaufen. Es ist möglich, beispielsweise ein Bohrloch nach dem Sondenprinzip und definiert isolierte konzentrische Leitungsstränge für die Auf- und Abwärtsströmung zu verwenden.

Erfindungsgemäße Konvektionsgeneratoren Aa und A zur Nutzung von Geothermalenergie sind auch in Schächte, Tunnel, Kavernen und Kanalanlagen, beispielsweise auch in Schächten und Stollen von Bergwerken installierbar.

Der Konvektionsgenerator kann bei entsprechender Bauhöhe auch in einer Maschinenhalle untergebracht werden, wobei als Wärmequelle und -senke z.B. entsprechende Fluidkreisläufe realisiert werden.

An 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Konvektionsgenerator A dargestellt.

Diese Ausführungsform des Konvektionsgenerators A ist als geothermale Sonde aufgebaut. Das Kreislaufsystem 1 ist bezüglich der Transportwegstrecken für das Wärmeträgermedium ineinandergesetzt; was beispielsweise auch konzentrisch möglich ist. Das heißt, im Gasaufstiegsleitungsstrang verläuft der im Querschnitt kleinere Flüssigkeitsabstiegsstrang nach unten. Die Beiden Leitungsstränge sind thermisch gegeneinander isoliert. Die beiden Endbereiche des Sondenrohrstrangs münden unten im Wärmequellgebiet 3 und oben in der Wärmesenke 7. In einem Sondenrohr größeren Durchmessers, welches als Dampfaufwärtsstrang 5 für das verdampfte Wärmeträgermedium auf dem Weg nach oben dient, befindet sich ein nach unten führender Abwärtsstrang 2 für das flüssige Wärmeträger- oder Arbeitsmedium. Der Wärmetauscher 4 im Wärmequellgebiet 3 ist das in der Erdbohrung befindliche Sondenrohr größeren Durchmessers, was ab dem Ende des Abwärtsleitungsstranges alleine weiter in die Tiefe verläuft und als Wärmetauscher im Wärmequellgebiet die Tiefenausdehnung 4 aufweist. Der Dampfaufwärtsstrang 5 oder das großkalibrige Sondenrohr mündet oben in den Wärmetauscher 8 der Wärmesenke 7. Im großkalibrigen Sondenrohr beziehungsweise dem Dampfaufwärtsstrang 5 verläuft ausgehend vom Wärmesenken-7/Wärmetauscher 8 der Flüssigkeitsabwärtsstrang 2 bis zur Position der Arbeitsmaschine 11 zur Energiegewinnung und -auskopplung über den Stromgenerator 11a. Diese Arbeitsmaschine 11 zur Energiegewinnung und Auskopplung ist beispielsweise eine Flüssigkeitsstrahlturbine, die direkt auf einen Elektrogenerator arbeitet. Der gesamte Block 11; 11a, ist als Untertageaggregat ausgelegt und kann beispielsweise im Wartungsfall im Inneren des großkalibrigen Sondenrohres nach oben gefördert werden. Gegen die Arbeitsmaschine 11 zur Energiegewinnung steht der statische Druck der Flüssigkeitssäule des Wärmeträger- oder Arbeitsmediums im Abwärtsstrang 2 an. Die Abwärtsleitung 2 endet beispielsweise innerhalb der Turbine in Flüssigkeitsstrahldüsen, so dass der statische Druck über diese Düsen in der Turbine gegen den dahinter befindlichen Raum, in dem nur der Druck der nach oben strebenden Dampf- oder Gasmassen, der barometrische Druck, zuzüglich des Einschluss- oder Anlagendruckes, wirkt, in Geschwindigkeit umgesetzt wird. Das heißt, der gegen die Turbine anstehende statische Druck beziehungsweise die potentielle Energie der darüber lastenden Flüssigkeit wird über die Düsen in Flüssigkeitsmassenstrahlen hoher Geschwindigkeit umgesetzt, die ihre kinetische Energie an die Turbinenschaufeln durch Aufprallen auf diese übertragen, wodurch der Turbinenrotor in Rotation versetzt wird und der dann den Generator zur Elektrizitätsgewinnung antreibt.

In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich die Position der Arbeitsmaschine 11 nicht, wie im Beispiel der 1 dargestellt, im Bereich des anlagentiefsten Punktes. Unterhalb der Position der Maschine 11 verläuft bei diesem Beispiel der 2 der großkalibrige Aufwärtsstrang 5, ausgebildet in seiner Funktion als Wärmetauscher 4, noch weiter nach unten in die wärmeren Erdtiefenschichten hinein. Wie weit dieses Rohrsegment noch allein in die Tiefe verläuft, hängt von der energetischen und thermodynamischen Dimensionierung oder Auslegung der Konvektionsgenerator-Anlage A und der thermischen Ergiebigkeit der Erdmassen ab. Bei dieser Ausführungsform kann der abwärtsführende Fluidstrom im, bei oder vor Eintritt in das Wärmequellgebiet 3 seinen Exergieinhalt an eine Arbeitsmaschine 11 zur Energiegewinnung abgeben, ohne dass dieser Fluidstrom bis zur Arbeitsmaschine 11 überhaupt oder nennenswert Wärmeenergie aufgenommen hat. Dann tritt er flüssig aus der Arbeitsmaschine 11 aus und muss, zur Vermeidung eines Fluidrückstaues gegen den Arbeitsmaschinenausgang potentiell nach unten abfließen können. Das flüssige Arbeits- oder Wärmeträgermedium spritzt nach Verlassen des Stromgenerators 11a gegen die weiter nach unten führende Rohrwandung oder fällt herunter und nimmt auf dem Weg in Richtung anlagentiefstem Punkt soviel Wärmeenergie auf, dass es vollständig in die Dampfphase übertritt und auf dem weitem Weg nach oben aus seinem aufgenommenen thermischen Energieinhalt die erforderliche Hubarbeit bezüglich seiner Eigenmasse verrichten kann, ohne vor Erreichen des Wärmesenkenwärmetauschers zu kondensieren. Die Verdampfung auf dem Weg nach unten verläuft im Beispiel der 2 nicht mehr nur oder vorwiegend isotherm, wie im vornämlich waagerecht angeordneten Verlauf des Wärmequellen-Wärmetauschers der 1 dargestellt. Die Verdampfung und weitere Erwärmung erfolgt im Beispiel der 2 auf dem Weg im senkrechten Wärmetauscher nach unten bis auf die barometrischen Druckeinflüsse der Gassäule überwiegend isobar. Hier werden nur folgende Forderungen gestellt: a) die thermodynamischen Zustandsbedingungen müssen bezüglich der Konvektionsgeneratoranlage über die Anlagendimensionierung so festgelegt sein, dass das verdampfende oder vollständig verdampfte Wärmeträger- oder Arbeitsmedium bis zum anlagentiefsten Punkt nicht die kritischen Zustandsbedingungen erreicht, b) dass das aufsteigende dampfförmige Medium soviel Wärmeenergie aufgenommen hat, dass es seine mechanische Hubarbeit aus dem thermischen Potential speisen kann, ohne vor Erreichen des Wärmetauschers 4 der Wärmesenke 3 zu kondensieren und c) dass sich im anlagentiefsten Bereich des Wärmequellengebiets-Wärmetauschers kein flüssiges Wärmeträgerbeziehungsweise Arbeitsmedium sammelt. Dies bedeutet auch, dass das Gas beim Aufstieg auf dem letzten Aufstiegsabschnitt adiabatisch entspannend aufsteigen kann, ohne dabei vorzeitig in Kondensation zu gelangen.

Am Ausführungsbeispiel der 2 ist am Kreislaufsystem 1 im oberen Bereich ein Bypass 17 gelegt. Aus dem aufsteigenden Dampf- oder Gasvolumenstrom wird ein Bruchteil über die Leitung 17 abgezweigt, mittels eines Verdichters 18 vornämlich adiabatisch komprimiert, wobei es seine innere Energie und damit Temperatur erhöht und durch einen Wärmetauscher 19 zur Gewinnung von Heizenergie, beispielsweise zu erwärmender Wasserfluss 21; 22, für Heizung und Hausgebrauch, geleitet. Der abgekühlte, aber noch unter dem Kompressionsdruck des Verdichters 18 stehende Gasvolumenstrom strömt über eine adiabatische Entspannung, verbunden mit dabei einsetzender Kondensation 20 in den Wärmesenken-Wärmetauscher 8, wo dadurch eine Unterstützung des allgemeinen Kondensationsprozesses stattfindet. Denn die Temperatur des adiabatisch expansiv eintretenden Volumenstromes ist nach der adiabatischen Entspannung auf den Anlageneinschlussdruck etwas niedriger als die Wärmesenkentemperatur. Die Energie zum Betrieb des Verdichters 18 beziehungsweise dieser über den Bypass 17 gelegten Wärmepumpe wird aus der durch die Arbeitsmaschinenanordnung 11; 11a gewonnenen Energiemenge entnommen. Beispielsweise können 50 % der über die Arbeitsmaschine 11 und dem Stromgenerator 11a gewonnenen Elektroenergiemenge zum Betrieb der Wärmepumpe verwendet werden, um Heiz- und Brauch-Wärmeenergie bereitzustellen. Die anderen 50% stünden dann als Elektroenergie zur Verfügung. Ein solches Anlagenbeispiel sichert den energieautarken Betrieb von Gebäuden und anderen Einrichtungen hinsichtlich Heiz- und Elektroenergiebereitstellung auf der Grundlage von Erdwärme.

Wenn der Konvektionsgenerator Aa; A über längere Zeit strömungstechnisch stillgelegt ist, was bedeutet, es findet im Kreislaufstrangsystem keine konvektive Vorzugsströmung statt und das Wärmeträgermedium steht thermisch mit seiner Umgebung im Gleichgewichtszustand, wird der Kreisprozess über eine extra zuschaltbare Bypass-Leitung 17 per externer Arbeitsmaschine (beispielsweise eine Pumpe) oder über eine im Kreisprozess installierte Arbeitsmaschine 10; 11; 12 zur Energieauskopplung, die durch zugeschaltete Fremdenergie vorübergehend die Funktion einer aktiven Fördermaschine ausübt, angefahren.

Zum generellen An- und Ausschalten sowie zum regelungstechnischen Eingreifen in den Strömungsprozess ist in der Leitungsstranganordnung mindestens ein hydromechanischer Strömungs-Ein- und Aus-Schalter installiert.

Zweckmäßigerweise lässt sich mittels mehrerer Ventile der gesamte flüssigkeitsführende Strang vom gasführenden Bereich strömungstechnisch abtrennen.

Eine weitere Regelung des Konvektionsgenerators ergibt sich durch Veränderung des Einschlussdruckes des Wärmeträger- beziehungsweise Arbeitsmediums im Leitungsstrangsystem. Dadurch kann unter Berücksichtigung der Temperaturen im Wärmesenken- aber auch im Wärmequellgebiet auf das Dampfdruck- beziehungsweise Kondensationsverhalten des Wärmeträgermediums Einfluss genommen werden. Beispielsweise kann der Wärmesenken-Wärmetauscher in einem Wasserfluss installiert sein. Der Fluss unterliegt witterungs- und jahreszeitlich bedingten Temperaturunterschieden. Wird es kälter im Wärmesenkengebiet, dann kann der Einschlussdruck gesenkt werden und die Kondensation findet genauso statt wie unter etwas höheren Temperatureinflüssen bei höherem Einschlussdruck. Allerdings steigt mit klimatisch bedingter Temperaturabnahme der Wärmesenke das energetische Ausbeutevermögen der Wärmequelle.

Zur Durchführung des Verfahrens können beispielsweise folgende Stoffe Verwendung finden, auch als Komponente in einer Mehrstoffmischung:

• – Ammoniak (NH₃) und Ammoniak-Wassergemische
• – Gruppe der Halogen-Kohlenwasserstoffe; zum Beispiel R 22
• – Bohrchlorid
• - Iodwasserstoff-Wassergemisch
• – Kohlendioxid (CO₂); (unter speziellen thermischen Anlagen-Bedingungen)
• – Schwefeldioxid
• – Silizium-Disilan
• – 2-Methylpropan (Isobutan; i-Butan)
• – 2,2-Dimethylpropan (Neopentan)
• – 2-Butene (es existieren drei Sorten mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zwischen – 6,3°C und 3,7°C unter Normalbedingungen)
• – 1,3-Butadien (es kann polymerisieren, daher nur in dies verhindernden Stoffmischungen verwendbar)
• – Gruppe der Ether, Oxirane (aber hochbrennbar)
• – Wasser / Wasserdampf