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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Förderung von Thermalflüssigkeit Übertage.
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Um Wärmeenergie aus der Thermalflüssigkeit gewinnen zu können, muss mit Tiefenbohrungen das Thermalflüssigkeit beinhaltende Aquifer bzw. Reservoir angebohrt (erschlossen) werden und mittels einer Pumpe in der Förderbohrung die im Aquifer vorhandene Thermalflüssigkeit (meistens geringfügig gashaltig) zur Energiegewinnung an die Oberfläche gefördert werden.
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Eine übliche Vorrichtung zur Förderung von Thermalflüssigkeit ist in 1 dargestellt. Mittels zweier Tiefenbohrungen 1, 2 wurde das Thermalflüssigkeit 22 enthaltende Aquifer 21 angebohrt. Wegen des geringen Rohrdurchmessers der Förderbohrung 1 müssen mehrere Tauchkreiselpumpen 3, die in einer Pumpeneinheit 3 nacheinander geschaltet sind, mit einem elektr. Motor mit hoher Leistung versehen werden. Die Pumpeneinheit 3 erreicht dadurch eine Länge von mehreren Metern.
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Um bei der Förderung der Thermalflüssigkeit 22 die nötige Überdeckung zu gewährleisten, müssen die Tauchkreiselpumpen 3 in einer Tiefe von mehreren hundert Metern eingebaut werden.
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Diese sehr teuren und technisch aufwendigen Pumpen mit Motoren sind den Chemismus des Wassers, hohen Temperaturen, Schwebstoffen in der Thermalflüssigkeit, Stromschwankungen sowie erheblichen Drücken ausgesetzt.
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All diese Faktoren haben meistens einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer der Tauchkreiselpumpen 3. Um den Druckausgleich im Aquifer 21 beizubehalten, wird mittels einer Re-Injektionsbohrung 2 und einer Verpresspumpe 23 die Thermalflüssigkeit 22 wieder dem Aquifer 21 zugeführt. Um Ausgasungen zu vermeiden, ist eine Druckhaltung 4 der Flüssigkeit notwendig.
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Um die Leistungsfähigkeit der Tiefenbohrung zu testen, wird nach Fertigstellung der Tiefenbohrung Luft oder Gas einige Hundert Meter unterhalb des sich eingestellten Ruhewasserpegels 8 der Flüssigkeitssäule in die Flüssigkeit gedrückt. Diese vermischen sich mit der Flüssigkeit und drücken die oberhalb liegende Flüssigkeit Richtung Öffnung (Mammutpumpenprinzip).
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Je nach austretender Flüssigkeitsmenge wird so die Förderleistung der Tiefenbohrung festgestellt.
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Das an der Öffnung angekommene Gas-Wassergemisch entspannt in einem offenen Behälter. Diese Flüssigkeit kann von dort mittels Fördervorrichtung (Pumpe) befördert werden. Dies führt zu unterschiedlichsten Emissionen wie Dampf-, Geruch- oder Gasbildung am Flüssigkeitsaustritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Aquifer vorhandene Thermalflüssigkeit mittels einer Pumpe Übertage zu fördern, ohne dass aufwendige Tiefenpumpen notwendig sind und etwaige Emissionen entstehen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Förderung von Flüssigkeit aus dem Erdboden, insbesondere aus einem Reservoir, gelöst, bei dem
- a) ein Förderrohr und ein Ankerrohr (Pufferraum) von der Geländeoberkante aus in eine Flüssigkeitssäule reichen, die mit einem Aquifer (Reservoir) in Verbindung steht,
- b) die Flüssigkeitssäule im Ankerrohr mit Druck beaufschlagt wird, sodass die Flüssigkeit durch das Förderrohr die Geländeoberkante passiert,
- c) der Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher Energie entzogen wird, und
- d) die Flüssigkeit anschließend durch ein Fallrohr zurück in den Aquifer (Reservoir) geleitet wird.
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Dadurch, dass das Verfahren ohne Tiefenpumpen, wie eine Tauchkreiselpumpe, vorgesehen ist, kann auf diese teuren und energieintensiven Pumpen verzichtet werden.
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Vorzugsweise fördert eine Pumpe oberhalb des Ruhepegels, insbesondere über der Geländeoberkante, die Flüssigkeit durch den Wärmetauscher, sodass eine Standardpumpe eingesetzt werden kann, die eine geringe Störanfälligkeit sowie geringe Wartungszeiten aufweist.
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Auch im Parallelbetrieb kann dabei eine Standardpumpe eingesetzt werden.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Förderung von Flüssigkeit aus dem Erdboden, insbesondere aus einem Reservoir, mit einem Ankerrohr (Pufferraum) und einem Förderrohr, die beide in eine Flüssigkeitssäule reichen, die mit einem Aquifer in Verbindung steht, sowie einem separaten Fallrohr, wobei die Flüssigkeit im Ankerrohr mit Druck beaufschlagt wird, sodass die die Flüssigkeitssäule teilweise in das Förderrohr gedrückt wird. Dadurch, dass keine Tiefenpumpen, wie eine Tauchkreiselpumpe, in der Vorrichtung vorgesehen sind, kann auf diese teuren und energieintensiven Pumpen verzichtet werden.
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Vorzugsweise besteht zwischen dem Förderrohr und dem Fallrohr eine geschlossene Verbindung, insbesondere ein geschlossenes System, sodass Emissionen verhindert werden und eine kontrollierte Entgasung des in der Thermalflüssigkeit mitgeführten Gases möglich ist. Außerdem kann durch das geschlossene System auf eine Reinjektionspumpe verzichtet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Vorrichtung zu Förderung von Thermalflüssigkeit gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu Förderung von Thermalflüssigkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Stillstand,
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3 die Vorrichtung zu Förderung von Thermalflüssigkeit nach 2 im Ruhezustand,
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4 die Vorrichtung zu Förderung von Thermalflüssigkeit nach 2 im Betriebszustand, und
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5 die Vorrichtung zu Förderung von Thermalflüssigkeit nach 2 in der Befüllphase.
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2 zeigt die Vorrichtung zur Förderung von Thermalflüssigkeit 22 Übertage als Ersatz für die derzeitige Tauchkreiselpumpe 3 (1) im Stillstand. Dabei ist ein Regel- bzw. Rücklaufventil 9 in einer Förderbohrung 1, die in ein Aquifer 21 reicht, geschlossen und zum Druckausgleich ein Regel- bzw. Rücklaufventil 4 in einer Re-Injektionsbohrung 2 geöffnet. Die Re-Injektionsbohrung 2 reicht ebenfalls in das Aquifer 21, jedoch ist ihr Ende im Aquifer 12 von dem Ende der Förderbohrung 1 im Aquifer 21 beabstandet.
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3 zeigt die Vorrichtung zur Förderung vor Inbetriebnahme der Förderung von Thermalflüssigkeit 22 Übertage. Regel- bzw. Rücklaufventil 9, 4 in der Förder- sowie in der Re-Injektionsbohrung 1, 2 sind geöffnet. Ruhewasserpegel 8, 14 in der Förder- so wie in der Re-Injektionsbohrung 1, 2 haben sich eingestellt.
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4 zeigt die neuartige Vorrichtung zur Förderung bei der Befüllung bis zu einer Wärmeübergabe 19, beispielsweise ein Wärmetauscher. Regel- bzw. Rücklaufventil 9 in der Förderbohrung 1 sowie ein Absperrventil 25 vor der Wärmeübergabe wird geschlossen und ein Entlüftungsventil 10 geöffnet. Ein Pufferraum 6 in einem Förderrohr 7 in der Förderbohrung 1 wird mit Druck beaufschlagt. Die Druckbeaufschlagung bewirkt, dass die Flüssigkeit vom Pufferraum 6 Richtung Förderrohr 7 und weiter zu einer Steigleitung 24 und einer Pumpe 17 bis zum Entlüftungsventil 10 gedrückt wird.
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5 zeigt die Vorrichtung zur Förderung in Betrieb. Pumpe 17 ist im Betrieb, das Regel- bzw. Rücklaufventil 9 in der Förderbohrung 1 sowie das Absperrventil 25 sind geöffnet und das Entlüftungsventil 10 ist geschlossen. Der Pufferraum 6 wird auf Betriebsdruck eingestellt.
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Mit der Druckhaltevorrichtung 4 wird die Druckhaltung im System eingestellt. Durch die Absenkung des Flüssigkeitspegels im Pufferraum 6 erhöht sich die Druckdifferenz zwischen Förderbohrung 1 und Pufferraum 6. Somit strömt Thermalfüssigkeit 22 in den Pufferraum 6 und Förderrohr 7 nach.
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Durch die Wärmeabnahme der Flüssigkeit in der Wärmeübergabe 19 sinkt in der Re-Injektionsbohrung 2 der Thermalflüssigkeitspegel 14 ab und wirkt sich dadurch positiv auf das Flüssigkeitsverhalten in Strömungsrichtung aus.
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Vorgehensweise zur Anwendung:
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Testphase:
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- a: Entlüftungsventil 10 öffnen. Nach dem Einpendeln des Ruhewasserpegels in der Förderbohrung 1 oder 2, Rücklaufventil 25 schließen. Den Ankerrohrraum mit Druck beaufschlagen, bis an der Entlüftung 10 Flüssigkeit austritt. Dabei ist zu beachten, dass der Pegel im Pufferraum nicht unter die Öffnungen 11 im Förderrohr gedrückt wird. Volumenanzeige 15 beachten.
- b: Ist die Entlüftung erfolgt, werden die Ventile 10 und 25 geschlossen, das Entlüftungsventil 12 sowie das Rücklaufventil 9 in der Förderbohrung 1 geöffnet.
- c: Durch die Druckdifferenz zwischen unterhalb des Ventils 9 und dem Pufferraum 6 müsste sich der Pufferraum wieder bis zum ursprünglichen Ruhewasserpegel 8 befüllen.
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Die Befüllzeit gibt Auskunft über die Leistung der Förderbohrung und müsste sich zum Ruhewasserpegel 8 hin verlangsamen.
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Betriebsphase:
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- a: Nach dem Einpendeln des Ruhewasserpegels 8 in der Förderbohrung 1 Rücklaufventil 9 und Absperrventil 25 schließen, Entlüftungsventil 10 öffnen.
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Den Ankerrohrraum mit Druck beaufschlagen, bis an der Entlüftung 10 Flüssigkeit austritt.
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Dabei ist darauf ist zu achten, dass der Pegel im Pufferraum 6 nicht unter die Öffnung 11 im Förderrohr gedrückt wird. Volumenanzeige der Ultraschallpegelanzeige 15 beachten!
- b: Ist die Entlüftung im ersten Abschnitt erfolgt, werden die Ventile 10 und 25 geschlossen. Das Rücklaufventil 9 in der Förderbohrung 1 sowie das Entlüftungsventil 12 geöffnet, bis sich der ursprüngliche Ruhewasserpegel 8 wieder einstellt. Danach wird das Ventil 12 geschlossen.
- c: In der Re-Injektionsbohrung 2 wird das Ventil 4 und 16 geöffnet und der Druck reduziert, bis sich der Ruhewasserpegel 14 einstellt. Danach wird das Ventil 4 geschlossen. Das Rücklaufventil 26 verhindert die Entleerung des Förderrohres 7.
- d. Es erfolgt der zweite Schritt der Entlüftung:
Den Pufferraum 6 mit Druck beaufschlagen, Ventil 25 öffnen, bis in der Reinjektionsbohrung 2 der Ruhewasserpegel 14 ansteigt.
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Dabei ist darauf ist zu achten, dass der Pegel im Pufferraum 6 nicht unter die Öffnung 11 im Förderrohr 7 gedrückt wird. Volumenanzeige der Pegelanzeige 15 beachten!
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Nach erfolgtem deutlichen Anstieg des Ruhewasserpegels 14 wird das Ventil 25 geschlossen. Der Druck im Pufferraum 6 und das Ventil 9 in der Förderbohrung 1 geöffnet, bis sich der ursprüngliche Ruhewasserpegel 8 wieder einstellt.
- c: Der Pufferraum 6 wird über Ventil 12 mit dem Betriebsdruck von z.B. 10 bar beaufschlagt.
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Die Übertagepumpe 17 wird langsam in Betrieb genommen und das Ventil 25 und 4 geöffnet. Der Ruhewasserpegel 8 sinkt ab.
- d: Nach erfolgter gänzlicher Entlüftung ist das Abgasventil 16 zu schließen und die gewünschte Druckhaltung mittels Ventil 4 im Verhältnis mit der Förderpumpe 17 einzustellen.
- e: Sollte das Thermalwasser nutzbare Gase mit sich führen, könnten diese über das Abgasventil 16 entnommen werden.
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Bei einem Förderstop werden die Ventile 9 und 4 geschlossen. Die Pufferräume 6 in der Förderbohrung 1 sowie in der Re-Injektionsbohrung 2 dienen als Ausgleichbehälter, da die Ausdehnung der Thermalflüssigkeit in der Förderbohrung 1 abnimmt und in der Re-Injektionsbohrung 2 zunehmen wird.
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Da im Aquifer 21 Thermalflüssigkeit 22 vorhanden ist, die unter Druck steht und mit einem Raum an der Oberfläche kommuniziert, strömt die Thermalflüssigkeit 22 je nach Höhenlage des Bohrgeländes zu dem Referenzgelände eigenständig einen Ruhehewasserpegel 8 in der Tiefenbohrung an. Dieser liegt in der Regel mehrere Meter unter Geländeoberkannte 13 der Förder- bzw. Re-Injektionsbohrung 1, 2.
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Durch die Wärmeausdehnung der Thermalflüssigkeit wird dieser Pegel positiv ansteigend beeinflusst. (3)
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Der an den Bohrenden der Tiefenbohrungen vorhandene Druck richtet sich nach der Tiefe der Förder- bzw. Re-Injektionsbohrung und verringert sich hin zum Ruhewasserpegel der Bohrungen.
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Durch das Ersetzen der Förderpumpe 3 durch ein Förderrohr 7 in den Ankerrohrraum 5, an dessen unteren Ende ein Regel- bzw. Rücklaufventil 9 angebracht ist, welches ermöglicht, den unter den Regel- bzw. Rücklaufventil 9 liegenden Teil der Tiefenbohrungen 1, 2 zeitweise abzuschließen.
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Durch Schließen des Regel- bzw. Rücklaufventil 9 in der Förderbohrung und Schließen des Ventils 25 im Förderstrang und Beaufschlagung des Ruhewasserpegels mit Druck im Pufferraum 6 des Ankerrohr strömt die Thermalflüssigkeit durch Öffnungen 11 oberhalb des Regel- bzw. Rücklaufventils 9 aus dem Pufferraum in das Förderrohr 7 zur Steigleitung 24 an die Oberfläche, bis die gesamte Luftmenge im Förderstrang verdrängt ist und das Förderrohr bis zum Entlüftungsventil 10 mit Flüssigkeit gefüllt ist. (4)
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Danach wird das Ventil 10 geschlossen, das Regel- bzw. Rücklaufventil 9 in der Förderbohrung geöffnet und die Druckhaltung im Pufferraum minimiert 12, bis sich der Ruhewasserpegel im Pufferraum 6 wieder einstellt.
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Nach Einstellen des gewünschten Drucks zur Druckhaltung 12 in der Förderbohrung und Öffnen des Ventils 25 kann die Thermalflüssigkeit mit einer herkömmlichen Pumpe 19 Übertage gefördert und wenn nötig mit dieser wieder verpresst werden. Mitgeführte Feststoffrückstände spielen dabei keine Rolle.
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Mit dem in der Re-Injektionsbohrung 2 befindlichen Regelventil 4 am unteren Ende des Fallrohrs wird die Druckhaltung geregelt. (5)
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Dabei hat der Wärmeausdehnungsunterschied zwischen Förder- und Re-Injektionsbohrung einen positiven abfallenden Einfluss auf die Leistungsaufnahme der Förderpumpe 17. (3)
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Bei diesem System wird eine Flüssigkeitssäule mit Druck beaufschlagt, nicht vermischt wie bei der Mammutpumpenförderung. Die mit Druck beaufschlagte Flüssigkeitssäule wird Richtung Öffnung gedrückt und gelangt so zur Fördervorrichtung (Pumpe) und kann mit dieser weiterbefördert werden,
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Durch die permanente Druckbeaufschlagung der Flüssigkeitssäule ist eine Ausgasung oder Verdampfung der Flüssigkeitssäule nicht möglich, im Gegensatz zur Mammutpumpe, wo dies in Kauf genommen wird. Durch das geschlossene und unter Druck gehaltene System finden zudem keinerlei Emissionen statt.
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Da das System geschlossen und unter Druck gehalten werden muss, ist es wichtig, in der Förderbohrung sowie in der Re-Injektionsbohrung die Druckhaltung über und das Förderrohrende unter dem Betriebswasserpegel zu platzieren.
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Die Ansteuerung der Regel- bzw. Rücklaufventile kann mechanisch oder elektrisch direkt oder indirekt erfolgen.
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Bei günstigen Ruhewasserpegeln und ausreichend tief in der Bohrung 1, 2 endenden Förderrohrs 7 könnte theoretisch die Ventile 9, 4 entfallen.
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Denkbar ist auch, dass bei günstigen Volumenverhältnissen zwischen Ankerrohr und Förderrohr 7 bis hin zum Fallrohr auf einzelne Schritte der zweiten Entlüftung verzichtet werden kann, da diese mit dem ersten Schritt der Entlüftung vollzogen werden können.
