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Dokumentenidentifikation DE102006011166A1 20.12.2007
Titel Isolierkappen für die Vor- und Rücklaufisolierung mittels Luftpolster bei tiefen geothermischen Wärmeenergieförderanlagen
Anmelder Gilde, Rüdiger, 25474 Bönningstedt, DE
Erfinder Gilde, Rüdiger, 25474 Bönningstedt, DE
DE-Anmeldedatum 10.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006011166
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse F24J 3/08(2006.01)A, F, I, 20060310, B, H, DE
Zusammenfassung Bei der heute üblichen tiefen geothermischen Stichsonde wird Erdwärme mittels eines Wasserzirkulationssystems nach oben gefördert.
Die kalte Zone vom Anfang bis ca. 1000 Meter Tiefe muß isoliert werden. Mit Schaumstoffen ist dieses Problem nicht nachhaltig zu lösen, so daß ein bestimmter Wärmeverlust hinzunehmen ist und nur durch tieferes Abteufen ausgeglichen wird. Der Einsatz von isolierten Stahlrohren ist zudem die teuerste Variante bei schlechtem Wirkungsgrad.
Bei Schaumstoffen ohne wasserdichten Schutzmantel besteht das Hauptproblem des Zusammenpressens der Bläschen mit dem steigenden Druck bei zunehmender Tiefe. Zusätzlich difunieren Wasserstoffmoleküle in die Bläschen bis hin zum Ausfall der Isoliereigenschaft. Die Lösung dieses entscheidenden Problems liegt in der Tatsache, daß einzelne Luftkammern übereinander angeordnet die Isolierung der Vor- und Rücklaufleitungen zu dem Stichsondenmantel effektiv sicherstellen.
Diese bodenlosen Luftkammern ähnlich einer Taucherglocke, siehe Zeichnung, werden über die schon vorhandenen Vor- und Rücklaufschläuche in das Bohrloch eingelassen und anschließend von unten beginnend mit Preßluft entleert, bis sie wasserfrei sind. In den Kammern selber herrscht der tiefenabhängige Luftdruck. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Wasserstand bei den Leitungen und dem Bohrloch. Voraussetzung ist eine wasserdichte Bohrhülse, die ständig bis oben voll Wasser steht.
Das Anwendungsgebiet liegt bei teifen Erdwärmesonden zu lokalen ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung gehört in das Gebiet der Isoliertechnik bei tiefen Erdwärmesonden.

Tiefe Erdwärmesonden (bis 5000 Meter) unterscheiden sich von den Erdwärmesonden (bis 150 Meter) durch ihre Teufe. Erdwärmesonden, Energiepfähle oder auch Rohrsonden haben zum Teil sogar eine Vakuumisolierung, wie beispielsweise DE 3033255 A1.

Gemeinsam mit EP 1486741 B1 bzw. DE 69903810 T2 (EP 1084373 B1) gehen diese aber nur bis zu 150 Meter in die Tiefe. Die geförderte Temperatur liegt bei ca. 12°C und muß z. B. mit einer Wärmepumpe zur Nutzung weiter erhöht werden.

Die doppelwandigen Rohr in Rohr Systeme sind bei den vorliegenden Drücken von über 10 bar aus Stahl, bzw. korrosionsfesterem Material kostenintensiv herzustellen.

Der Aufwand steht in keinem vernünftigem Verhältnis zu dem Energieertrag.

Bei den tieferen Erdwärmeentzugsanlagen, wie beispielsweise DE 19953072 A1 wird über ein spezielles Medium eine geringe Temperaturdifferenz zum Anlaß genommen, auf die Isolierung zu verzichten. Allein dies spiegelt eine Art technischer Hilflosigkeit dar.

Eine Vakuumisolierung entspricht einem ähnlich hohen technischen Aufwand wie dem einer Druckkammerisolierung, selbst, wenn solche in mehreren Etappen untereinander angeordnet werden, um den steigenden Druck bei zunehmender Tiefe durch kleine abgeschlossene Kammern beherrschbar zu machen.

Andere Isoliermaterialien, wie beispielsweise Schäume verlieren durch den steigenden Wasserdruck ihre Bläschen, da diese zerdrückt werden. Bei einer angenommenen 500 Meter tiefen Wassersäule herrscht ein Druck von 50 kg auf 1 cm2. Versuche mittels einer Druckkammer bewiesen dies eindeutig. Einzig verhindern sie eine Wasserbewegung vom Rohr zur Innenwand des Bohrmantels und verringern den thermischen Kurzschluß zwischen den Vor- und Rücklaufleitungen.

Die Aufgabe der Erfindung war es, eine kostengünstige, effektive und dauerhafte Isolierung der Vor- und Rücklaufleitungen auf dem Weg zu dem warmen Wärmeentzugsbereich in den tieferen geologischen Schichten herzustellen. Vorausgesetzt bleibt auch, daß das Bohrloch bis oben voll Wasser befüllt ist und offen bleibt, also oben drucklos. Durch die Erfindung ist auch eine geringere Teufe nötig, was zu einer erheblichen Baukostenreduzierung führt.

Obwohl die Geothermie nahezu unerschöpflich ist, ist gerade der hohe Herstellungspreis ein Haupthinderungsgrund für eine massenhafte Erstellung solcher dezentralen Anlagen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit Merkmalen der Ansprüche.

Der zu isolierende Bereich wird erfindungsgerecht mit einer bestimmbaren Anzahl von übereinander angeordneten glockenähnlichen Behältern umgeben, die bauartbedingt die Vor- und Rücklaufleitungen umfassen. Die Vor- und Rücklaufleitungen führen durch den Deckel und gegebenenfalls auch durch die Rohrstummel der Isolierkappe bis zum unteren Rand dieser und weiter in den Deckel der nächst darunter vorhandenen Isolierkappe hinein usw.

Der Abstand zwischen den Leitungen unter sich und dem Außendurchmesser der Isolierkappe sollte relativ gewählt werden.

Wegen der später entstehenden Auftriebskräfte sollten in regelmäßigen Abständen Edelstahlrückhaltefedern eingeplant werden. Schließlich kann der obere Abschlußflansch in stabiler Form für zusätzliche Sicherheit sorgen.

Eine im nachhinein einzudrückende Luftmenge unterhalb der untersten Isolierkappe steigt nach ihrem Austritt aus dem Preßluftschlauch in das Wasser wieder nach oben. Während diese Luft in die unterste Isolierkappe eindringt und bis zum Deckel dieser hochtreibt, verdrängt sie das Wasservolumen nach unten heraus. Die Luftblasen, die seitlich am unteren Rand vorbeigekommen sind, steigen weiter auf und geraten in Teilen in die nächst höhere Isolierkappe. Auch hier sammeln sie sich solange, bis alles Wasser verdrängt ist. Die Luftblasen, die den Weg an der Außenseite der Isolierkappe gefunden haben, werden durch ihre Form als flache Scheibe bedingt durch den abnehmenden Wasserdruck immer größer im Durchmesser, so daß sie sich an der nächst höheren Isolierkappe nahezu vorbeizwängen muß. Auch hier geht wieder ein Teil in die Isolierkappe und der Rest weiter nach oben. Dieser Entleerungsprozeß dauert natürlich einige Zeit. Eine natürliche Erscheinung hierbei ist die Tatsache, daß die Druckverhältnisse bei jeder einzelnen Isolierkappe innen (Luftdruck) wie außen (Wasserdruck) immer gleich sind. Dieselben Druckkräfte wirken auch auf den Vor- und Rücklaufschlauch, weshalb diese nicht besonders ausgelegt werden müssen. Also keine Hochdruckleitung.

Die Form des unteren Isolierkappenrandes sollte etwas angefast werden, damit die aufsteigenden Luftblasen besser und sicherer in diese hineinströmen. Wenn die unterste Isolierkappe total wasserfrei ist und während weitere Luft eingepreßt wird, strömt sie unter dem Rand unterdurch nach oben. Auf diese Weise werden alle Isolierkappen entleert. Die einzupreßende Luft kann vorzugsweise über einen entsprechend langen dünnen Druckschlauch erfolgen, der seitlich zwischen dem Bohrlochrand und den Isolierkappen vorhandenen Spalt, eingeführt wird. Er könnte aber auch durch den Rücklaufschlauch eingeführt werden.

Vorstellbar ist auch ein fest montierter Schlauch, mit dem bei Luftverlust dieser ergänzt wird.

Damit sich zwischen zwei Isolierkappen keine Wasserscheibe bildet, sollten die Übergänge jeweils überlappend angeschrägt werden. Bei einer glockenähnlichen Gestaltung der Isolierkappe ist dies ohne großen Mehraufwand herzustellen.


Anspruch[de]
Isolierkappe für die Vor- und Rücklaufisolierung mittels Luftpolster bei tiefen geothermischen Wärmeenergieförderanlagen, bestehend aus einem bodenlosen Behälter, der in entsprechender Anzahl übereinander angeordnet die Vor- und Rücklaufleitungen umschließt, so daß eine später an unterster Isolierkappe einzupressende Luftmenge beim Aufsteigen von jeder einzelnen Isolierkappe ähnlich einer Tauerglocke dauerhaft gefangen bleibt, wobei die Abdichtung des Behälterdeckels zu den durchführenden Leitungen direkt oder auch über hängend angeordnete, durchgängige Rohrstummel, die dann bis zum unteren Isolierkappenrand hinunterragen, erreicht wird. Isolierkappe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältermaterial aus Glas, Metall, Kunststoff oder Keramik gefertigt wird. Isolierkappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie übereinander angeordnet, jeweils nur eine Rohrleitung isoliert. Isolierkappe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen und die Isolierkappe aus dem gleichen Material hergestellt sind. Isolierkappe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die luftführenden Innenseiten diffundierungsfrei beschichtet sind.






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