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1.0 Allgemeine Definition
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Eine ”Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme, ausgestattet mit einem, oder mehreren einregulierbaren Tiefenerdwärmekollektoren” (2) zur Erdwärmeförderung, ist eine Tiefenerdwärmegewinnungsanlage. Die Tiefenerdwärmekollektoren und die Vorrichtungen für den Parallelbetrieb mehrerer Tiefenerdwärmekollektoren, in einem Verbund, sind der wesentliche Teil dieser Erfindung.
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2.0 Veranlassung:
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Durch das schmerzliche Kennenlernen der Spätfolgen eines Supergaus in Fukushima , Japan, beschloss das Parlament den Atomausstieg. Damit. bricht ein Grundlastträger für die Stromerzeugung weg. Dieser muss langfristig durch eine erneuerbare Energiequelle ersetzt werden. Die hier zum deutschen Gebrauchsmusterschutz angemeldeten Konstruktion einer ”Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme mit einem oder mehreren Tiefenerdwärmekollektoren (2 bis 6)”, kann, nach Meinung des Vortragenden, dazu beitragen, die Energiekrise der Zukunft abzumildern.
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Die Gewinnung von Energie aus den Tiefen der Erde, also aus Bereichen bis zu 10.000 Meter und tiefer unter Gelände, kann ”Alternative Grundlastenergie” liefern, ohne dafür teure fossile Energieträger einkaufen und verbrennen zu müssen.
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3.0 Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme mit einem oder mehreren Tiefenerdwärmekollektoren.
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3.1 Einleitung:
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- • Es gehört zum Stand der Allgemeinbildung zu wissen, dass mit wachsender Tiefe das Gebirge immer wärmer und wärmer wird, bis man nach ca. 50 km auf den flüssigen Erdkern stößt. Bleibt nur die Frage : „Wie kann man diese Erdwärme für die Verstromung fördern, ohne das Risiko einzugehen Umweltschäden zu verursachen”? Bei heißen Quellen kein Problem, aber von diesen haben wir zu wenig. Deshalb müssen andere Lösungen her.
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Eine dieser Lösungen wurde am 11.08.2011 beim Patentamt München unter folgendem Az: 20 2011 104 515.7 zum Gebrauchsmusterschutz angemeldet.
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3.2. Physikalische Randbedingungen,
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- welche hier leicht vereinfacht dargestellt werden und zu den „ allgemein anerkannten Regeln der Technik ”gehören. Zum besseren Verständnis der Funktion und dessen Dauerhaftigkeit einer möglichen Wärmeförderung eines Tiefenerdwärmekollektor (2) sind diese Hinweise aber von großer Bedeutung
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• Erdanziehung 1 Schwere
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Die Erdkruste und der Erdkern erzeugen infolge ihrer Schwere, bei immer größer werdender Tiefe einen steigenden Druck. Druck erzeugt Wärme und dieser Druck steht immer an.
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• Wärmeausbreitung
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Die Wärme breitet sich von selbst aus und zwar immer von Stellen höherer Temperatur nach Stellen niedrigerer Temperatur,.
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Bezogen auf den Tiefenerdwärmekollektor bedeutet dies:
Durch Entnahme und Abführung von Wärme aus dem Untergrund über einen Tiefenerdwärmekollektor (2) entsteht ein Temperaturabsenkungstrichter (5.11) im Boden, welcher den Wärmetransport von a nach b erst ermöglicht.
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3.3.) Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme mit einem oder mehreren Tiefenerdwärmekollektor(en)
Az: 20 2011 104 515.7 des Patent- und Markenamt München
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- 3.3.1.) Was ist ein Tiefenerdwärmekollektor?
- 3.3.2.) Woraus besteht er?
- 3.3.3.) Das Funktionsprinzip?
- 3.3.4) Das Regulierungs- und Steuerprinzip!
- 3.3.5) Der Wärmeträger!
- 3.3.6) Beeinflussung der einzelnen Tiefenerdwärmekollektoren untereinander.
- 3.3.7) Stabilisierung und Optimierung der Tiefenerdwärmekollektoren,
- 3.3.8) Weitere wissenswerte Randnotizen.
- 3.3.9) Zusammenfassung.
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3.3.) Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme mit einem oder mehreren Tiefenerdwärmekollektoren)
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Sie umfasst alles was benötigt wird, um mit einem oder an einem Verteiler gemeinsam betriebener Vielzahl von Tiefenerdwärmekollektoren (2), Tiefenerdwärme zu fördern und zu verteilen. Sie endet und beginnt an der jeweiligen Übergabestelle; z. B. am Wärmetauscher (Stand der Technik)
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3.3.1 Was ist ein Tiefenerdwärmekollektor?
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Ein ”Tiefenerdwärmekollektor (2)” ist der wesentliche Teil einer ”Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme” gemäß 1 bis 6, welche über einen flüssigen Wärmeträger (5.5) mittels Umwälzpumpe (4.8) in der Lage ist, in einem geschlossenem Kreislauf (1), Wärme aus den Tiefen der Erde zu fördern, um diese dann einer technischen Verwendung weiterzuleiten.
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Sie ist im Kern eine Tiefenbohrung, welche gemäß 3 bis 6, verbunden mit den Schutzansprüchen 1 bis 5 und 1o, zu einem Tiefenerdwärmekollektor (2) ausgebaut wurde.
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Dieser Tiefenerdwärmekollektor (2), überbrückt mittels Wärmeisolierung und geringerem Durchflussquerschnitt (2.3) in der Fallleitung (2.1) die kälteren Erdschichtbereiche, um bei den heißeren Erdschichtbereichen Tiefenerdwärme, also meistens ab minus 2.000 Meter und tiefer, Wärme einzusammeln um diese anschließend, ohne große Wärmeverluste, so schnell wie möglich dem Nutznießer zur Verfügung zu stellen. Also das Prinzip der mindestens „3 verschieden definierten Durchflussquerschnitte bei gleicher Durchflussmenge” in einem Tiefenerdwärmekollektor. Alternativ kann auch gesagt werden: Das Prinzip der 3 Geschwindigkeiten. Die vierte Fließgeschwindigkeit im Bereich der Abstandshalter soll hier unterdrückt werden, weil sie für die Funktion von untergeordneter Rolle ist. Für die Durchflussquerschnitte der Verteilerleitungen und damit verbunden der einzelnen Fließgeschwindigkeiten in den einzelnen Rohrleitungsabschnitten (2) des Bedienerhauses (3) gilt dies ebenfalls, weil diese Anlagenbedingt sind.
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3.3.2 Woraus besteht ein Tiefenerdwärmekollektor ((2) + Fig. 4)
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der Tiefenerdwärmekollektoren (2) ist eine Tiefenbohrung welche gemäß Zusammenfassung der wesentlichen Bauteile der Positionsliste nach 2.1 bis 2.8 sowie 4.1 bis 4.10 bzw. 4, sowie der Schutzansprüche 1 bis 5 und 10, ausgebaut wurde.
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Um lange Standzeiten zu erreichen, muss die Verrohrung aus passendem Edelstahl hergestellt werden. Nach heutigem Stand der Technik:: Edelstahl mit der Werkstoff Nr. W 1.4571 oder besser.
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3.3.3 Funktionsprinzip
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- a) Verschließt man einen Öl gefüllten Tiefenerdwärmekollektor (2) und bringt im Deckel einen Zulauf (4.1) und einen Ablauf (2.5) an und verbindet beide Leitungen im Wärmetauscher (6), würde nach Befüllung mit Öl, Entlüftung des jetzt geschlossenem Systems und der Inbetriebnahme der Umwälzpumpe (4.8), genauso viel Öl dem Wärmetauscher zufließen wie über den Auslauf des Wärmetauschers dem Tiefenerdwärmekollektor (2) zugeführt wurde. (Geschlossener Kreislauf)
- b) Führt man das Ablaufrohr, in diesem Fall die Steigleitung (2.5), bis kurz vor den Bodes des Tiefenerdwärmekollektors (2) muss zwangsläufig die Zulaufmenge des Wärmeträgers (5.5) die ganze Tiefe des Kollektors durchwandern, ehe es am Boden angekommen in der Steigleitung (2.5) nach oben steigen kann.
- c) Beim Absinken des Öls (5.5) im Tiefenerdwärmekollektor (2) gleicht sich die Öltemperatur auf der Kontaktfläche (5.6) seiner Umgebung an.
- d) Dadurch, dass mit wachsender Tiefe die Erdtemperatur steigt, steigt auch die Temperatur des durchgeführten flüssigen Wärmeträger durch den Tiefenerdwärmekollektor (2)
- e) Um möglichst viel Erdwärme einzusammeln, muss dort, wo der Wärmeträger (5.5) Temperatur aufnimmt (2.4), eine lange Kontaktzeit und dort, wo möglicherweise der Wärmeträger (5.5) Temperatur verlieren könnte, nicht nur eine Wärmeisolierung (2,2, 2,5 + 4.9) angebracht werden, sondern die mögliche Berührungszeit muss dort auf das Minimale reduziert werden. Dies erfolgt durch Reduzierung des Durchflussquerschnittes bei gleichem Durchsatz. (2.3 + 2.5 + 4 + 5.)
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”System der 3 verschieden, fest definierten Durchflussquerschnitte”
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Alternativ zur 5 könnte die Reduzierung des Durchflussquerschnittes der Fallleitung (2.3) auch mit einer oder mehreren kleinen Fallleitungen (2.2) in Richtung Kontaktstrecke (2.4) ausgebildet werden.
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Würde man in diesen Bereich dann auf die Wärmeisolierung (2.1/4.9) verzichten und nur auf das Luftpolster zurückgreifen, reduziert sich der Wirkungsgrad des Tiefenerdwärmekollektors (2) erheblich, es sei denn, man könnte diese erwärmte Luft einen anderen Prozess zuführen. Diese oder eine ähnliche Alternative hebelt die Schutzansprüche nicht aus.
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3.3.4 Regulierung der Wärmeaufnahme
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Regulierung des Temperaturabsenkungstrichter durch Mengenregulierung: Droht der Temperaturabsenkungstrichter (5.11) zu groß werden, kann eine Mengenreduzierung über die Umwälzpumpe (48) erfolgen. Dies gilt auch im umgekehrten Sinne.
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3.3.5 Der Wärmeträger
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Als flüssiger Wärmeträger wird Öl (5.5) gewählt, weil Öl leichter Wärme aufnimmt wie Wasser und die Reibungsverluste geringer werden.
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Aber auch andere flüssige Wärmeträger können in Betracht kommen falls sie geeignet sind.
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Die Befüllung und Entlüftung erfolgt über eine separat abgesperrte Füllleitung (4.6) und gehört zum ”Stand der Technik”
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3.3.6 Beeinflussung der einzelnen Tiefenerdwärmekollektoren
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Um jeden im Betrieb befindlichen Tiefenerdwärmekollektor (2) bildet sich ein Temperaturabsenkungstrichter (5.11) aus.
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Der Radius ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gebirges an dieser Stelle und dem Temperaturgefälle zwischen dem Wärmeträgermedium (5.5) und der Erdtemperatur an dieser Stelle Aus diem Grund sind die Winkel der Abteufen der Tiefenerdwärmekollektoren (2) unterschiedlich. (siehe 3) Desweiteren kann so ein viel größeres, theoretisch gedachtes Erdwärmeaufnahmefeld (5.10) entstehen.
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3.3.7 Stabilisierung und Optimierung der Tiefenerdwärmekollektoren
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- • In der Mitte eines jeden Tiefenerdwärmekollektors (2) befindet sich eine Steigleitung (2.5), um das thermisch aufgeheizte Öl (5.5) nach oben zum Wärmetauscher zu fördern. Zur Zentrierung dieser Steigleitung (2.5) und Stabilisierung des Mantelrohres (2.2 + 2.7) gegenüber dem Gebirge werden Abstandshalter (2.8 bzw. 6) erforderlich, welche als gelochte Scheibe ausgebildet sind und kraftübertragend an der Innenseite des Mantelrohres(2.7) angebracht sind. In der Mitte dieser gelochten Scheibe befindet sich eine kreisrunde Öffnung, durch welche die Steigleitung/Sandwichrohr (2.5) durchgeführt wird.
- • Durch das gegenseitige verdrehen der Stabilisierungs- und Zentrierscheiben (2.8) wird nicht nur die Stabilität des Tiefenerdwärmekollektors im Boden erhöht, sondern man stört die laminare Sinkströmung. Dies optimiert die Wärmeaufnahme des Wärmeträgers (5.5).
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3.3.8 Weitere zu beachtende Randbedingungen bei einer Gleichschaltung von mehreren Tiefenerdwärmekollektoren (2)
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- • Bei gleichzeitiger Beschickung mehrerer Tiefenerdwärmekollektoren (2), und dies ist der Regelfall, müssen die Reibungsverluste in jedem Tiefenerdwärmekollektor gleich sein, andernfalls erfolgt eine ungleiche Beschickung. Dies soll durch Baugleichheit und gleicher Länge erreicht werden.
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Dies bedeutet aber auch, dass bei gleicher Bauart und Länge die Tiefenerdwärmekollektoren (2) mit kleinerem Abteufwinkel (5.9) in größere Tiefen vorstoßen, wie die Tiefenerdwärmekollektoren (2) mit größerem Abteufwinkel. Dies kann zu unterschiedlichen Entnahmetemperaturen führen. Deshalb muss hinter dem Sammler (4.7) ein Mischbehälter (4.11) angeordnet werden.
- • Weil das Öl (5.5) im Tiefenerdwärmekollektor infolge Temperaturanstieg sich ausdehnt, wird ein Druckausgleichsgefäß (5.4) o. ä. erforderlich. Die technisch verschiedenen Lösungen zu diesem Thema gehören zum ”Stand der Technik” und können von der Stange bezogen werden.
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3.3.9 Zusammenfassung
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- • Führt man dem gefüllten Tiefenerdwärmekollektor (2) über die Umwälzpumpe (4.8) kontinuierlich Öl (5.5) vom Rücklauf des Wärmetauschers zu, tritt unmittelbar heißes Öl (5.5) über die Steigleitung (2.5) und Sammlerstrecke (4.7) in den Wärmetauscher (6) ein. Gleichzeitig strömt thermisch reduziertes Öl wieder aus dem Rücklauf des Wärmetauschers aus und wird dem Tiefenerdwärmekollektor (2) zugeführt. Ein stetiger Kreislauf, angetrieben von einer kleinen Umwälzpumpe (4.8), entsteht.
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Nur durch das Zusammenspiel aller Randbedingungen um die gestellte Aufgabe, Tiefenerdwärme zu fördern, ohne in das Gebirge etwas einzupressen oder abzusaugen, wurden die Tiefenerdwärmekollektoren und dessen Peripherie so konzipiert wie sie hier zum Gebrauchsmusterschutz vorgestellt und angemeldet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme mit einem oder mehreren Tiefenerdwärmekollektor(en) hauptsächlich bestehend aus Punkt 2 bis 2.8, 3 und 4 bis 4.11 der Bezugszeichenliste
- 2
- Tiefenerdwärmekoilektor bestehend aus:
- 2.1
- Doppelwandiges Rohr (Sandwichrohr) mit innenliegender Wärmeisolierung zur Überbrückung der oberen kälteren Erdschichten.
Rohrwerkstoff: Edelstahl Werkstoff Nr. 1.4571 oder besser.
- 2.2
- (Alternative) Im Durchmesser kleine Fallleitungen
- 2.3
- Verringerter Durchflussquerschnitt in der Fallleitungsstrecke F(1)
- 2.4
- Kontaktstrecke
- 2.5
- Doppelwandige Steigleitung mit innenliegender Wärmeisolierung. Rohrwerkstoff: Edelstahl Werkstoff Nr. 1.4571 oder besser.
- 2.6
- Wärmeisolierung der Steigleitung (2.5)
- 2.7
- Edelstahlmantelrohr im Bereich der Kontaktstrecke (2.4) Rohrwerkstoff: Edelstahl Werkstoff Nr. 1.4571 oder besser.
- 2.8
- Zentrierungs- und Stabilisierungsscheiben Werkstoff: Edelstahl Werkstoff Nr. 1.4571
- 2.8.1
- Bohrungen in den Stabilisierungsscheiben
- 3
- Bedienerhaus
- 4
- Zusammenführung einer Vielzahl von Tiefenerdwärmekollektoren (2) im Bedienerhaus (3) bestehend aus;
- 4.1
- Ablaufrohr vom Verdampfer als Zulauf zum Tiefenerdwärmekollektor (2)
- 4.2
- Verteilerstrecke als kreisförmige Ringleitung mit mehreren Zu- und Abgängen
- 4.3
- Einzelabsperrorgan
- 4.4
- Rohrgelenkstück (RGF)
- 4.5
- Bogen zur Fallleitung (4.6) mit Durchführung der Steigleitung
- 4.6
- Füllleitung
- 4.7
- Wärmeisolierte Sammlerstrecke der Steigleitungen (2.5) und gleichzeitige Wärmetransportleitung zum Wärmetauscher mit Einzelabsperrung pro Strang
- 4.8
- Umwälzpumpe
- 4.9
- Wärmeisolierung der Sammler- oder Verteilerleitung
- 4.10
- EMSR Technik
- 4.11
- Mischbehälter
- 5
- Funktionsbeschreibung im Bericht
- 5.1
- Geschlossener Tiefenerdwärmekreislauf
- 5.11
- System der mindestens 3 verschieden, fest definierten Durchflussquerschnitte bei gleicher Durchflussmenge
- 5.2
- Geschlossener Dampf-Wasser Kreislauf
- 5.3
- Ringförmige Anordnung mehrerer Tiefenerdwärmekollektoren
- 5.4
- Druckausgleichsgefäß/Windkessel
- 5.5
- Flüssigkeit als Wärmeträger im Tiefenerdwärmekollektor
- 5.6
- Kontaktfläche
- 5.7
- Kleiner Steigquerschnitt der Steigleitung (2.5) F(3)
- 5.8
- Entnahmepunkt kurz vor dem Boden des Tiefenerdwärmekollektor (2)
- 5.9
- Unterschiedliche Abteufwinkel zur Verhinderung gegenseitiger Beeinflussung. (3)
- 5.10
- Theoretisches Erdwärmeaufnahmefeld (3)
- 5.11
- Temperaturabsenkungstrichter
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1.0 Figurenbeschreibung
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Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:
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1 schematische Darstellung der Einbindung eines Tiefenerdwärmekollektor in das Betriebssystem
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2 zeigt die mögliche Anbindung von 12 Tiefenerdwärmebrunnen (2) an einen ringförmig ausgebildeten Rohrverteiler (4.2)
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3 zeigt schematisch wie 12 Tiefenerdwärmebrunnen (2) in verschiedenen Abteufwinkeln (5.9) abgeteuft wurden und ein theoretisches Erdwärmeentnahmefeld (5.10) erzeugen.
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4 Systemdarstellung: Vertikaler Schnitt durch einen Tiefenerdwärmekollektor (2)
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5 Systemdarstellung: Horizontaler Schnitt durch den Tiefenerdwärmekollektor (2) im Bereich der Fallleitung bzw. der Einschnürstrecke (2.3)
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6 Draufsicht auf eine Zentrier- und Stabilisierungsscheibe
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1 ist ein Fließschema als Übersicht und zeigt die Einbindung eines Tiefenerdwärmekollektor (2) in das Gesamtsystem.
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2 zeigt das Herzstück des Bedienerhauses (3). Sie zeigt, wie über eine ringförmige Verteilerleitung (4.2) und der Absperrorgane (4.3) die Tiefenerdwärmekollektoren (2) sternförmig angeordnet sind. Eine solche Zusammenführung der Tiefenerdwärmekollektoren ist erforderlich um ein theoretisch gedachtes Wärmeentnahmefeld im Untergrund zu erzeugen.
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Desweiteren wird schematisch dargestellt, wie die Steigrohre (2.5) der einzelnen Tiefenerdwärmekollektoren (2) über die Sammelleitung (4.7) zusammengeführt und über einen Mischbehälter (4.11), Richtung Wärmetauscher geführt werden.
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3 Diese Figur zeigt als System räumlich, wie die einzelnen unterschiedlichen Abteufwinkel (5.9) der Tiefenerdwärmekollektoren (2), das Wärmeentnahmefeld (5.10) abdecken.
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Desweiteren wird das Bedienerhaus (3) in unterirdischer Lage angedeutet. Damit sollen mögliche Wärmeverluste reduziert und gleichzeitig optische Naturverschandelungen vorgebeugt und aufgezeigt werden.
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4 zeigt die wesentlichen Merkmale eines Tiefenerdwärmekollektors (2) im Längsschnitt. Die wesentlichen Merkmale sind:
- • Der geschossener Erdwärmekreislauf (5.1) + (1).
- • Das System der 3 verschiedenen Geschwindigkeiten und damit verbunden das System der 3 verschieden, fest definierten Durchflussquerschnitte bei gleicher Durchflussmenge:
– F(1) = Kleiner Durchflussquerschnitt in der Fallleitung (2.1 + 2.3)
– F(2) = Großer Durchflussquerschnitt auf der Kontaktstrecke (2.4)
– F(3) = Kleiner Durchflussquerschnitt in der Steigleitung (2.5).
- • Das Mantelrohr/2.7) als Kontaktfläche (5.6) zum Gebirge.
- • Das doppelwandige Rohr nebst innenliegender Wärmeisolierung (2.2) (Sandwichrohr) in den kühleren Erdschichten.
- • Das doppelwandige Rohr nebst innenliegender Wärmeisolierung der Steigleitung (2.5) (Sandwichrohr).
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5 zeigt die wesentlichen Merkmale der Fallleitung eines Tiefenerdwärmekollektor (2) im Schnitt, welche da sind:
- • Doppelwandiges Rohr (2.2) mit innenliegender Wärmeisolierung (Sandwichrohr)
Werkstoff: Hochwertiger Edelstahl
(Alternativ könnte die Einschnürstrecke auch über eine oder mehrere kleine Fallleitungen mit oder ohne Isolierung erfolgen.) ohne Fig.
- • Reduzierter Durchflussquerschnitt
- • Doppelwandige Steigleitung, Edelstahl (2.5) mit innenliegender Wärmeisolierung (2.6) (Sandwichrohr) in der Mitte des Tiefenerdwärmekollektor (2)
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6 zeigt den Stabilisierungs- und Abstandshaltering als gelochte Scheibe, welche im Tiefenerdwärmekollektor in regelmäßigen Abständen kraftübertragend eingesetzt werden. In der Mitte dieser gelochten Scheibe befindet sich eine kreisrunde Öffnung, durch welche die Steigleitung/Sandwichrohr (2.5) durchgeführt wird. Die einzelnen Bohrungen (2.8.1) gewährleisten einen ordnungsgemäßen Sinkvorgang des Wärmeträgers (5.5).
