DE3813014A1

DE3813014A1 - Verfahren zur fluidextraktion fossiler kohlenwasserstoffe aus erdoellagerstaetten, oel- und teersanden mit nebenanspruechen zur nutzung geothermischer und solarer energie in verbindung mit und durch umsetzung ueber warmluftmotoren

Info

Publication number: DE3813014A1
Application number: DE3813014A
Authority: DE
Inventors: Hermann M M Dipl Killesreiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-19
Filing date: 1988-04-19
Publication date: 1989-11-02

Description

Verfahren zur verbesserten Erdölgewinnung unter Ver wendung von Gasen bei oder über isopyknischen Dichten.

Das technische Gebiet, in das das Verfahren einzuordnen ist, gehört unter die Methode zur Erdölgewinnung aus Lagerstätten aller vorkommenden Beschaffenheiten. Unter isopyknischen Dichten wird verstanden, daß durch Druckerhöhung des Gases dieses dieselbe Dichte wie das zu fördernde Öl erreicht.

Der Stand der Technik kennt für die Anwendung von Gasen verschiedene Verfahren, deren Problematik vielfach in der Literatur beschrieben wurde. An umfangreichen Über sichtsartikeln mit weiterführender Literatur werden zitiert:
J. J. Taber: "Research on Enhanced Oil Recovery: Past, Present and Future." in: "Surface Phenomena in Enhanced Oil Recovery", Ed. D. O. Shah, Plenum Press, New York and London (1981);
T. M. Dosher, M. El Arabi, S. Gharib and R. Oyekan, "Oil Recovery by Carbon Dioxide - The results of Scaled Physical Models and Field Pilots", in: "Developments in Petroleum Science 13 - Enhanced Oil Recovery", Ed. F. J. Fayers, Elsevier Scientific Publishing Com., Amsterdam, Oxford, New York (1981);
F. I. Stalkup, Jr., "Status of Miscible Displacement", SPE AIME, April 1983, 815.

Unter den Anwendungen für Gase sind insbesondere das Gas-lift-Verfahren, die Bildung von Mischphasen bis zu Drücken von etwa dem 3fachen des Lagerstättendruckes, sowie das sogen. "huff ′n′ puff"-Verfahren, bei dem Injek tions- und Förderbohrung identisch sind, zu nennen. Bei der Bildung von Mischphasen wurde mit Computersimulatio nen bis zu Drücken von 1000 bar gegangen (J. B. Brill, Multiphase Flow in Wells, JPT Jan. 1987), in der Praxis gelten diese jedoch als nicht anwendbar, weil sonst die Lagerstätte "explodiert". Geologen glauben nämlich (z. B. B. P. Tissot and D. H. Welte, Petroleum Formation and Occurance, 2nd ed., Springer-Verlag, 1984), daß der geostatische Druck von ungefähr 0,23 bar/m nicht überschritten werden darf. Auf diese nicht gerecht fertigte Vorstellung wird an anderer Stelle einzugehen sein.

Mit den erwähnten Verfahren wird jedoch bei Feldan wendungen nur ein Entölungsgrad von 30-40% erreicht, der damit weit hinter den Laborerwartungen und vor allem den Berechnungen zurückbleibt. Der Grund liegt darin, daß wegen der Unwägbarkeiten der Feldbedingungen weder eine befriedigende Laborsimulation bisher erreicht wur de, noch die Ergebnisse aus Laborexperimenten einfach auf die Feldpraxis übertragen werden können. Darüber hinaus wurde bisher in den meisten Fällen nur Wert auf die Viskositätserniedrigung des Öles durch gelöste Gase gelegt (z. B. H. M. M.) Killesreiter, Viscosity Lowering of a Crude by Dissolved Methane and Propane and its Relevance to an EOR Applicability, Erdöl und Kohle - Erdgas - Petrochemie, 36, 405 (1985)).

Die Aufgabe, die gelöst werden soll besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem unter Verwendung von Gasen der Entölungsgrad bis zur Totalentölung gestei gert werden kann. Es muß in diesem Zusammenhang er wähnt werden, daß die konkurrierenden Verfahren unter Verwendung wäßriger Tensidlösungen im Prinzip auf das selbe Ziel gerichtet sind, daß aber die Herstellung der Tenside aus Erdöl und die nach der Gewinnung erfor derliche Emulsionsspaltung einen so hohen Aufwand er fordern, daß eine positive Bilanz äußerst fraglich ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht aufgrund jüngster Er kenntnisse darin (H. M. M. Killesreiter, On the Interpre tation of the Various Kinds of Phase Diagrams on the Basis of Measurements on Mixtures of Squalane and Crude Oils with Carbon Dioxide, 8th ISSSSI, Regens burg, Aug. 1987), daß die Dichte des injizierten Gases durch Druckerhöhung so weit erhöht wird, daß sie der des zu fördernden Rohöles gleichkommt. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die im Gas sich lösenden Komponenten des Öles (z. B. D. Lasne, A. Barreau, and E. Behar, Phase Behaviour Laboratory Investigation of CO₂-Hydro carbon Mixtures for Enhanced Oil Recovery Modelling, 4th European Symposium on ENHANCED OIL RECOVERY, Ham burg, Oct. 1987) bewirken, daß sich dessen Dichte im Laufe des Entölungsprozesses ständig erhöht, daß also die Dichte des fördernden Gases angepaßt werden muß. Aufgrund unveröffentlichter Laboruntersuchungen be wirkt nämlich eine Dichteangleichung auch eine ganz triviale Auftriebskraft, worauf schon G. Brunner, S. Peter und H. Wenzel, J. Chem. Thermodynamics 7, 805 (1975) hingewiesen haben.

Die gewerbliche Anwendbarkeit liegt auf dem Energie sektor, d. h. in der Gewinnung des fossilen Rohstoffs Erdöl. Es muß der Verantwortlichkeit von Erdölfirmen und Politikern jedoch nahegelegt werden, das hier angemeldete Verfahren nicht ohne dringendes Erfordernis in einem Maße anzuwenden, daß für die kommenden Generationen keine Reserven mehr bleiben.

Die vorteilhaften Wirkungen in Bezug auf den Stand der Technik bestehen darin, daß mit diesem Verfahren sehr wahrscheinlich der Rest von etwa 60-70% des nach bisheriger Erkenntnis in einer Lagerstätte verbleiben den Öles gefördert werden kann. Bei der Ausbeutung von Öl- und Teersanden, bei denen an eine Entölung in situ gedacht werden kann, ist der erzielbare Entölungsgrad natürlich geringer, weil diese einen hohen Anteil nicht löslicher Harze und Asphaltene enthalten. Deshalb wird hierzu im nachfolgenden Nebenanspruch ein Verfahren mit vorgeschalteter Krackung angemeldet.

Ganz allgemein hat der Einsatz von Gasen den Vorteil, daß bei Entspannung des Gases bzw. der fluiden Mischung das Öl im Separator als flüssige Phase ausfällt, während das Gas wieder verwendet werden kann. Das gilt auch für Kohlenwasserstoffgase wie Propan, das zwar unter seinem kritischen Punkt von 96,85°C bei einem Druck über 44,13 bar zunächst in flüssiger Form eingepreßt und ausgefördert werden muß, bei Entspannung aber ebenfalls in die gasförmige Form übergeht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß wie beim Gas lift und "huff ′n′ puff"-Verfahren nur eine Bohrung für Injektion und Förderung erforderlich ist.

Wege zur Ausführung bestehen darin, daß gemäß Abb. 1 die bis auf die Tiefe T abgeteufte Bohrung wie beim Gasliftverfahren mit einem koaxialen Rohrsystem aus gerüstet wird. Zwei Ausführungen sind denkbar:
Gemäß Ausführung A dient das Innenrohr I zur Gasinjek tion und das Außenrohr F zur Förderung der fluiden Mischung im Gegenstromverfahren. Das Injektionsrohr I kann nicht nur, es muß sogar im Querschnitt kleiner sein als das Förderrohr, damit die fluide Mischung nicht im Injektionsrohr selbst aufsteigt. Gegenstrom prinzip bedeutet nämlich nicht notwendig, daß die Ge schwindigkeit des injizierten Gasstromes so groß ist, daß nicht durch Auftrieb und Diffusion Öl gegen die Flußrichtung aufsteigen könnte. Gegebenenfalls muß ein nur für das Gas durchlässiges Diaphragma D eingesetzt werden.

Gemäß Ausführung B wird das Gas in einem dünnen Mantel I um das Förderrohr F injiziert. Es hat während der Injektion Gelegenheit, sich auf die Lagerstättentemperatur aufzuwärmen. In diesem Falle kann ebenfalls ein Diaphragma D erforderlich sein. Auf jedem Fall muß der Mantel für die Injektion I etwa um die Dicke der Lager stätte kürzer sein als das Förderrohr F, damit das Gas zur Lagerstätte Zugriff hat. Da das Verfahren auch auf dem Auftriebsprinzip beruht, ist diese Anordnung jedoch ungünstiger als die der Ausführung A.

Es muß angemerkt werden, daß die Rohre nicht notwendig im strengen Sinne koaxial verlaufen müssen, da das für das Gegenstromprinzip nicht erforderlich ist.

Die Entölung beginnt dann im Bereich des Fußendes T bzw. der Mächtigkeit der Lagerstätte von etwa 20 m und frißt sich in die Lagerstätte LS hinein fort. Es muß weitgehend empirisch herausgefunden werden, wie lange diese Extraktion fortgesetzt werden kann, bis eine neue Bohrung abgeteuft werden muß, weil Erschö pfung eintrat. Es ist natürlich auch sinnvoll, gleich zeitig von mehreren Bohrungen aus die Förderung durch zuführen. Eine Berührung der Entölungsbereiche oder ein Durchfingern hat keinen nachteiligen Einfluß auf das Förderergebnis. Im Gegenteil, die Angriffsfläche auf das Reservoir wird dadurch nur erhöht.

Da der Druckbereich gegenüber herkömmlicher Anwen dungen wesentlich erhöht werden muß, ist ein Ausbau der Hochdrucktechnik erforderlich. Für ein Rohöl mit der Dichte um 0,9 g/cm³ wird bei einer Lagerstätten temperatur von 80°C unter Verwendung von Kohlendioxid die isopyknische Dichte des Gases bei einem Druck von etwa 500 bar erreicht. Abgesehen von einer möglichen Mischungslücke (H. M. M. Killeseiter, ISSSSI-Konferenz, Regensburg, Aug. 1987) entspricht dieser Druck der Bedingung für die Ausbildung der sogenannten fluiden Einheitsphase.

Zur Durchführung des Verfahrens sind im Prinzip mehrere Gase geeignet. Günstig dürften sich Kohlenwasserstoff gase wie Methan und Propan, die auch in ausreichender Menge verfügbar sind, erweisen. Am günstigsten dürfte sich aber das vielfach erprobte Kohlendioxidgas mit seinem hohen Quadrupolmoment erweisen, denkbar ist auch Stickstoff, der auch ein verhältnismäßig hohes Quadru polmoment hat, sowie eine Mischung der zuletzt genannten Gase, wie sie im Verhältnis von etwa 1 : 4 in Rauch- und Verbrennungsgasen vorliegt (H. M. M.) Killesreiter et al., Combustion Gas in EOR Projects - Experimental Evidence for Succesful Application, Erdöl und Kohle, Erdgas, Petrochemie 36, 71 (1983)). Die Gase Kohlendioxid und Stickstoff sind vor allem dann von Vorteil, wenn die Lagerstätte bereits verwässert ist, denn in ihnen löst sich auch Wasser und behindert dadurch nicht den Kontakt mit dem Erdöl.

Auf die Möglichkeit, den Injektions- und Förderdruck über die erwähnten 0,23 bar/m zu erhöhen, wird in ei ner Publikation eingegangen.

Beschreibung zum 1. Nebenanspruch

Verfahren zur Kohlenwasserstoffgewinnung aus Öl- und Teersanden durch Hochdruckextraktion auch nach Krackung mittels Ultraschall oder Mikrowellen.

Das technische Gebiet, in das das Verfahren einzuord nen ist, gehört zur Kohlenwasserstoffgewinnung aus fossilen Lagerstätten.

Der Stand der Technik auf diesem Gebiet ist nach Kennt nis des Patentanmelders noch zu keinem anwendbaren Verfahren gelangt. Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann die Hochdruckextraktion mit Gasen in begrenztem Umfang auch auf Lagerstätten von Öl- und Teersanden in situ angewandt werden. Diese Lagerstätten liegen jedoch sehr flach, wodurch im Laufe der Jahrmillionen die leich ter flüchtigen Komponenten aus dem Bildungsprozeß aus fossilen Ablagerungen durch die verhältnismäßig dünne und meist permeable Deckschicht von vielleicht nur 100 m abdiffundiert sind. Als Ergebnis bleiben die weitgehend immobilen höhermolekularen Bestandteile zurück. Man geht deshalb im allgemeinen davon aus, daß diese Öl- und Teersande wie Braunkohle im Tagebau abgebaut werden und dann einem noch zu findenden Industrieverfahren unter worfen werden.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll besteht darin, aus geförderten bzw. abgebauten Öl- und Teersanden die ent haltenen Kohlenwasserstoffe abzutrennen und nach Möglich keiten zu suchen, auch die im allgemeinen kaum lösli chen, hochmolekularen bis kristallinen Harze und As phaltene verwertbar zu machen.

Die Lösung der Aufgabe dürfte darin bestehen, ein Extraktionsverfahren unter Hochdruck durchzuführen. Damit können aber nur die noch als flüssig zu bezeich nenden Komponenten gewonnen werden. Die Harze und As phaltene können wohl in Chloroform gelöst werden, be halten dadurch jedoch ihre molekulare Zusammensetzung (z. B. M. Kotsaridou, Stabile mono- und polymolekulare Filme an Grenzflächen wäßrige Tensidlösung/Erdöl und der Einfluß ihres Spreitungsdruckes auf die Grenz flächenspannungsmessung, Dissertation TU Clausthal, Juli 1985). Da ein Extraktionsverfahren auf dieser Ba sis mit diesem explosiven Lösungsmittel nicht unprob lematisch sein dürfte, ist ein Weg über eine vorheri ge Krackung vorteilhafter.

Solche Krackierungsverfahren beruhen in der Regel auf einer thermischen Einwirkung, wodurch Bindungen gelöst werden. Die Trennung schwacher Bindungen organischer Substanzen ist auch durch intensive Infrarotstrahlung möglich. Diese wird jedoch stark absorbiert, wodurch nur eine Randzone erfaßt werden könnte.

Eine bessere Methode dürfte insbesondere für kristal line Substanzen darin bestehen, Ultraschall anzuwenden. Es ist bekannt, daß bei Resonanzeinwirkung nahezu jede Substanz bis herab zu Blutzellen zerstört werden kann (L. Bergmann, Der Ultraschall und seine Anwendung in Wissenschaft und Technik, 3. Aufl. VDI-Verlag GmbH, Berlin, 1942).

Nachdem Harze wie Asphaltene auch polare Gruppen ent halten, wodurch sie zur Spreitung auf Wasseroberflächen befähigt sind (s. o. M. Kotsaridou), können ihre Schwin gungen auch intensiv mit Mikrowellen angeregt werden. Die schädigenden Wirkungen von Mikrowellen sind schon seit längerer Zeit bekannt (H. H. Klinger, Einführung in die Mikrowellen, S. Hirzel Verlag, Stuttgart, 1954). Eine Erweiterung mit einer Zusammenfassung neuerer Li teraturstellen erfolgte kürzlich (H. M. M. Killesreiter, Ultrasound Generated in Biological Systems By the Ab sorption of Electromagnetic Waves Explaining Extreme Hazardous Effects Under Resonance Conditions, enthalten im Beitrag "Über die Ursache von Krebs, den Sinn einer Chemotherapie, sowie von der Strahlenbelastung im Rah men der Nuklearmedizin im Vergleich zu der nach einer Reaktorexplosion", 21. GDCH-Hauptversammlung, Berlin, Sept. 1987).

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung in Bezug auf den Stand der Technik bestehen zunächst einmal darin, daß nach Kenntnis des Autors bis jetzt offen sichtlich überhaupt noch kein Verfahren in dieser Richtung existiert, jedes vorgeschlagene Verfahren zunächst also als konkurrenzloser Fortschritt bezeich net werden muß. Nach Kenntnis des Patentanmelders soll sich das Institut für Erdölforschung in Clausthal- Zellerfeld gemäß einer Zeitungsmeldung mit diesem Problem befassen. Da dieses Institut jedoch nicht einmal in der Lage war, die international anerkannten Arbeiten des Patentanmelders zu würdigen und darüber hinaus mit Erfolg unter Einsatz pseudo-medizinisch- juristischer Subkulturen, gegen die auch mit der ordentlichen Gerichtsbarkeit kaum anzukommen ist, ihn aus dem Institut hinauskomplimentierte, ist dort nicht mit fruchtbringenden Ansätzen zu rechnen.

Die Wege zur Ausführung werden anhand der Abb. 2 beschrieben.

Gemäß Abb. 2 werden die Öl- oder Teersande ÖTS in einem Drahtkorb aus korrosionsfestem Metall am besten von oben in einen Hochdruckkessel HK eingebracht, der Drücken von bis zu 1000 bar widerstehen kann. Die Zuführung des Gases wie die Entnahme der fluiden Mischung er folgt am besten von unten. Wenn der Hochdruckbehälter jedoch aus Sicherheitsgründen in die Erde eingelassen wird, ist es mit der heute ausgereiften Hochdrucktech nik natürlich auch kein Problem, die erforderlichen Hochdruckleitungen HDL am Deckel anzuflanschen.

Die Erwärmung des Hochdruckkessels mit seinem Inhalt erfolgt durch Heizstäbe H, die entlang der Innenwandung angebracht sind.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt bei der Auslegung der Extraktionsanlage ist das Verhältnis vom Volumen des Hochdruckkessels V _HK zu dem der Öl- oder Teersande, V _ÖTS, denn damit wird der erreichbare Molenbruch für das Gas, x _g, vorgegeben. Dieser ist definiert gemäß

wobei n _g die Mole Gas und n _KW die Mole an flüssigen Kohlenwasserstoffen bedeuten.

Bei Verwendung von Kohlenstoffdioxid mit dem Molekularge wicht M _CO₂=44 g/Mol ergibt sich folgende Abschätzung auf der Basis von Messungen für ein schweres Rohöl mit einem mittleren Molekulargewicht von M _Öl=600 g/Mol (H. M. M.) Killesreiter, Continuous Viscosity Measure ments in Order to Observe the Solubility and Miscibi lity of Carbon Dioxide in a Crude Oil, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 88 (1984) 838 und darin enthaltene Zitate):

Für eine milde Extraktion könnte man folgende Daten für die Dichten zugrunde legen:

ρ _CO₂ (80°C, 300 bar) = 0,751 g/cm³
ρ _Öl (80°C, 300 bar) = 0,85 g/cm³

Damit enthält jedes Volumenelement

Aufgrund der o. g. vorliegenden Messungen wird ein fluides System bei einem Molenbruch von etwa x _g=0,96 erreicht. Nach Glch. (1) sind die Anzahl der Mole x für das Öl zu berechnen aus

woraus folgt x=0,5.

Nachdem sich die physikalischen Eigenschaften von Gasen in ihrem überkritischen Zustand nicht so wesentlich voneinander unterscheiden - die Korrekturen bezüglich des Verhaltens idealer Gase können durch sogenannte Real- oder z-Faktoren berücksichtigt werden - und auch die Dichten hochmolekularer Kohlenwasserstoffe in der selben Größenordnung liegen, kann für das Volumenver hältnis aus Glch. (2) abgeleitet werden.

V _g / V _ÖTS = 2, (3)

Wobei V _G ganz allgemein für das Gasvolumen steht.

Da das Volumen der Öl- und Teersande überwiegend aus Sand besteht, handelt es sich bei Relation (3) um eine obere Abschätzung, die als Rahmenbedingung für alle möglichen Extraktionsbedingungen aufzufassen ist.

Das Volumen des Hochdruckkessels V _HK schließt beide Volumina der o. g. Rel. (3) ein, also

V _HK = V _G + V _ÖTS, (4)

woraus folgt

V _HK = 3 V _ÖTS. (5)

Das Volumen V _ÖTS ist etwa dem Volumen des äußeren Drahtkorbes V _ÄK gleichzusetzen. Für Zylinder mit der Höhe h und den Radien R _HK und R _ÖTS ergibt sich unter Berücksichtigung von Rel. (5)

R²_HK · π · h = 3 R _ÖTS · π · h, (6)

woraus man für das Radienverhältnis erhält

R _HK / R _ÖTS = √ (7)

oder

R _HK = √ · R _ÖTS.

Bei Verwendung polarer Gase wie Stickstoff und Kohlendioxid wird man, wie das Zitat einer Arbeit des Patentanmelders auf S. 3 der Beschreibung zeigt, zu etwa höheren Temperaturen und bis zu Drücken von etwa 700 bar gehen müssen.

Nach erschöpfter Extraktion wird mit Ultraschall ge eigneter Frequenz die mikrokristalline Struktur und mit Mikrowellen geeigneter Frequenz die hochmolekula re Struktur zerstört. Bei gleichzeitiger Extraktions bedingung durch Anwesenheit von Gas unter Hochdruck kann einerseits die Wirkung der Krackierung über prüft werden, andererseits werden die Krackierproduk te von ihren Quellen entfernt.

Die Erzeugung von Ultraschall erfolgt am besten durch einen zylindrischen Kondensatorlautsprecher KL inmitten des Drahtkorbes (Abb. 2). Zu diesem Zweck muß der Drahtkorb so ausgebildet sein, daß auch ein zylindri scher innerer Drahtkorb ID den für den zylindrischen Kon densatorlautspr. erforderlichen Raum freihält.

Der Kondensatorlautspr. KL ist im wesentlichen ein Zylinderkondensator mit einem hitzebeständigen, piezo elektrischen Dielektrikum.

Zur Erzeugung des Mikrowellenfeldes macht man sich am besten das Radialfeld zwischen dem inneren Drahtkorb ID und dem äußeren Drahtkorb ÄD zunutze, wozu beide Körbe auf einer isolierenden, hitzebeständigen Platte P aufzumontieren sind. Die erforderlichen Frequenzen müssen ermittelt werden und Hochdruckdurchführungen für die erforderlichen elektrischen Leitungen müssen vorhanden sein. Für Schutzmaßnahmen wird auf die Patent anmeldung P 36 31 354.8 und P 36 37 121.1 verwiesen.

Beschreibung zum 2. Nebenanspruch Inversionsspülkopf

Das technische Gebiet, in das der Inversionsspülkopf fällt, gehört in den Bereich der Bohrtechnik.

Der Stand der Technik für Injektion und Förderung in und aus einem Bohrloch bietet nach Kenntnis des Patent anmelders nur koaxiale Systeme an, d. h. solche, bei denen die Injektion durch das Innenrohr, die Förderung von sogenanntem Bohrklein oder von Öl jedoch über das Außenrohr erfolgt. Ein solches System ist in Abb. 1A dargestellt, Abb. 1B zeigt ein inverses System.

Es wurde jedoch in der Beschreibung zum Hauptanspruch darauf hingewiesen, daß es einerseits günstig ist, wenn das Gas über das Außenrohr injiziert wird, weil es sich dann in direkterem Kontakt mit der Bohrungswand auf dem Weg nach unten bereits erwärmt, und zwar durch Wärme entzug aus dem Gestein und nicht nur aus der im Gegen strom aufsteigenden Mischung.

Andererseits ist es günstig, wenn das Gas aus dem Innenrohr austritt, weil dann durch den Längenabstand zum Außenrohr für das Eindringen des Gases in das Ge stein eine größere Fläche zur Verfügung steht.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll, besteht also da rin, die Injektion über das Mantelrohr in eine Injek tion über das Innenrohr überzuleiten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß an ein weites Innenrohr nach dessen Abschluß ein engeres an gesetzt wird, in das das Außenrohr über Krümmer ein mündet.

Die vorteilhaften Wirkungen in bezug auf den Stand der Technik liegen in einer besseren Ausnutzung der geo thermischen Energie.

Ein Weg zur Ausführung ist in Abb. 3 dargestellt. Das innere Rückflußrohr IR endet in Randbohrungen B, während das äußere Zuflußrohr ÄZ mit angesetzten Krüm mern KR in ein angesetztes inneres Zuflußrohr IZ über geführt wird.

Abb. 3 zeigt auch in den Schnitt A-A, sowie die Drauf sicht von unten.

Beschreibung zum 3. Nebenanspruch

Verfahren zur Nutzung geothermischer Energie aus neuen oder nicht ölfördernden Bohrlöchern unter Verzicht auf Gesteinsfrackung durch Gegenstromspülung mit niedriger Fließrate.

Das technische Gebiet, in das das Verfahren einzuordnen ist, gehört in den Bereich der Energietechnik und der Bohrtechnik.

Der Stand der Technik ist einerseits dadurch gekenn zeichnet, daß aufgrund der Unwägbarkeiten der Erdöl exploration die meisten der abgeteuften Bohrlöcher kein Erdöl fördern, andererseits dadurch, daß zur ver suchten Nutzung der geothermischen Energie z. B. in Urach sogar eine 3300 m tiefe Bohrung abgeteuft wurde.

Es wurde vor einiger Zeit ein geothermischer Atlas veröffentlicht (H. D. Heck, Geothermischer Atlas - Europas heiße Stellen, Bild der Wissenschaft 2 (1981) 40), der nicht nur die bekannte Regel bestätigt, daß die Erdtemperatur im Durchschnitt um 30°C/1000 m zunimmt, sondern daß auch in der Bundesrepublik Wärmeinseln existieren, die, wie z. B. in Landau in der Pfalz, in 2500 m Tiefe nicht eine Temperatur von nur 75°C, son dern von 160°C aufweisen.

Aber selbst solche Wärmeinseln werden nicht für sehr ausbeutewürdig gehalten, weil nur an Heißdampfgewinnung zur mechanischen Energienutzung gedacht wird. Etwa 40% des Energiebedarfs der Bundesrepublik entfallen jedoch auf die erforderliche Raumheizung. Nachdem diese nicht mehr als Dampfheizung mit hoher Heizkörpertemperatur, sondern überwiegend als Niedertemperaturheizung mit großflächigen Heizkörpern ausgeführt wird, ist es naheliegend, nicht an einer Maximalforderung festzu halten, sondern einfach daran zu denken, mit Warmwasser aus einem Bohrloch mit einer Temperatur von etwa 50°C mehrere Wohnungen zu beheizen.

Um die Kontaktfläche des Wassers mit dem Gestein zu vergrößern, wird die sogenannte Gesteinsfrackung vor geschlagen, d. h. man glaubt, unter Anwendung hoher Drücke durch Einpressen von Wasser das Gestein in der Tiefe aufbrechen und zerkleinern zu können. Die folgen de Abschätzung soll jedoch zeigen, daß eine solche Ge steinsfrackung recht unwahrscheinlich ist, weil zum einen enorme Drücke zum Anheben des darüberliegenden Gesteins erforderlich wären, und weil zum anderen ein Anheben der Bodenoberfläche bei erfolgter Frackung sichtbar sein müßte.

Nimmt man an, daß in einer Teufe von 1000 m eine Spalte von 1 m Breite und 100 m Länge erzeugt werden soll, so ist anzunehmen, daß sich das Gestein darüber nicht wie ein zylindrischer Stempel, sondern wie ein Keil zu heben hat.

Wenn die Breite des Keiles an der Oberfläche a, seine Länge b, und seine Tiefe h sei, so ergibt sich mit ei ner Grundlinie a₁, die die Spalte darstellt, ein Vo lumen von

V = h/6 (2a + a₁) b. (8)

Mit Zahlenwerten a=b=h=1000 m und a₁=100 m folgt aus Formel (8)

V = 4 · 10⁸ m³. (9)

Mit einem angenommenen mittleren spez. Gewicht des Gesteins von 3 g/cm³=3·10³ kg/m³ folgt daraus eine Masse

M = 1,2 · 10¹² kg. (10)

Die Grundlinie des Keils, a₁, sei die zu erzeugende Spalte mit der Länge 100 m und der Breite 1 m, also mit der Fläche F=100·1=100 m². Zur Abhebung des Gesteinskeils wären dann ohne Berücksichtigung irgend einer Bruchfestigkeit ein Druck von

P = 1,2 · 10¹²/100 = 1,2 · 10¹⁰ kg/m² ≈ 10⁶ bar (11)

erforderlich. Das ist mit hydrostatischen Mitteln nach Kenntnis des Patentanmelders nicht möglich, und es ist auch nicht bekannt, daß irgendwo eine Bodenerhebung beobachtet wurde.

Im übrigen soll auch an dieser Stelle darauf hinge wiesen werden, daß bei der Bohrung tiefer Löcher von mehr als 10 000 m in Gebieten sogenannter Wärmeinseln es durchaus möglich ist, daß das Magma angebohrt wird und eruptiv wie bei einem Vulkan ein Ausbruch erfolgt.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll, besteht darin, die geothermische Energie mit vernünftigem technisch finanziellem Aufwand ohne obskure Frackprozesse nutz bar zu machen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß nicht mehr ölfördernde oder eigens in Wohngebieten niedergebrachte Bohrlöcher im Gegenstromprinzip mit Wasser mit so nie driger Fließrate durchspült werden, daß eine ausreichende Wärmeaufnahme mit einer Temperaturerhöhung um etwa 40°C erfolgt. Damit können durch sternförmige Verteilung in umstehende Häuser die heute ohnehin üblichen Nieder temperaturheizkörper beschickt werden.

Aus nachfolgender Modellvorstellung mit numerischen Abschätzungen sollen Möglichkeit und Nutzen der Patent anmeldung erhellt werden:
Gemäß Abb. 4 geht man von einem Bohrloch mit der Teufe 1 aus, das mittels eines Injektionsrohres mit Radius r mit Wasser bespült wird, das im Gegenstrom in einem äußeren konzentrischen Rohr mit Radius R aufsteigt.

Es soll angenommen werden, daß die Fläche des Injek tionsrohres gleich der Fläche des Ringzylinders für den Rückfluß ist, daß also gilt

r²π = R²f - r²π, (12)

woraus folgt

γ = R/√ (13)

Für den Abstand d zwischen den beiden Rohren (Abb. 4, unten) folgt aus

d = R - r (14)

mit (13)

d = 0,3 R (15)

Für den Wärmeaustausch in der tiefen, wärmeren Region soll eine Kontaktzone mit dem Gestein von der Länge l* angenommen werden. Der Wärmefluß Q* aus dieser Kontakt zone mit der Fläche

A = 2R π l* (16)

in das angrenzende Wasservolumen der Dicke d ergibt sich aus der Wärmeleitungsgleichung

wobei λ die Wärmeleitzahl des Wassers und Δ T die Temperaturdifferenz ist. Dadurch wird von diesem Ring zylinder aus Wasser mit der spez. Wärme c die Wärme Q aufgenommen gemäß

Q = m · c · Δ T. (18)

Mit

m = ρ · V (19)

und auf die Zeit bezogen ergibt Gleichsetzung von (17) und (18) für die Durchflußrate des aktiven Kon taktvolumens

Da Temperaturausgleich vorausgesetzt wurde, ist Glch. (20) unabhängig von der Temperaturdifferenz Δ T. Setzt man für Wasser folgende Zahlenwerte im cgs-System ein:

λ = 0,01 cal/cm · sK
c = 1 cal/gK
ρ = 1 g/cm³,

und nimmt eine Kontaktlänge von l*=1000 m=10⁵ cm an, so ergibt sich eine Durchflußrate von

J* = 20,94·0,01·10⁵ = 2,1·10⁴ cm³/s = 7,2 m³/h (21)

Die aufgenommene Wärmeleistung ergibt sich aus Glch. (18) zu

W = Q/t = ρ c Δ T · V/t = ρ c Δ T · J*, (22)

woraus mit obigen Zahlenwerten für eine angenommene Temperaturdifferenz von Δ T=40°C folgt

W = 8,4·10² kcal/s = 2,1·10² kJ/s = 2,1·10² kW. (23)

Zur Berechnung der mechanischen Leistung die nötig ist, um die Wassersäule mit der Länge 2,1 um die Kontakt länge l* zu bewegen, geht man günstig von dem weniger bekannten DARCYschen Gesetz aus, obwohl es ursprünglich im Gegensatz zum HAGEN-POISSEUILLEschen Gesetz für das Fließen in weiten Röhren abgeleitet wurde:

F ist die Röhrenfläche und k ist eine nicht sehr kon stante Proportionalitätskonstante, für die aus Versuchen von DARCY (zitiert bei E. Hagenbach, Ann. der Physik und Chemie CIX (1860)25) für ein weites Rohr der Wert

k = 50 cm² (25)

ermittelt werden kann.

Für die Länge L ist der doppelte Weg, also L=21, einzusetzen, der hydrostatische Druck spielt allerdings keine Rolle, weil sich der in der Innenröhre mit der in der Außenröhre kompensiert. Damit erhält man aus (24) für den erforderlichen Differenzdruck

für die erforderliche Kraft

und für die erforderliche Arbeit, um die Wassersäule um die Kontaktlänge l* zu verschieben,

Mit dem Ergebnis von Glch. (21) und der Konstanten von (25), sowie der Viskosität des Wassers von η=10^-2 Poise und einer angenommenen Teufe von l=2000 m erhält man

K = 16,8 N (27′)

und

A = 16,8·10³ Nm = 16,8 kJ, (28′)

woraus eine Leistung von

W = A/t = 16,8 kJ/s (29)

folgt.

Aus den Glchn. (22), (26), (27) und (28) folgt für das Verhältnis von thermischer Leistung W _th zu erfor derlicher mechanischer Leistung W _mech der Nutzfaktor

woraus man erkennt, daß die gemachten Annahmen über l und l* sowie über Δ T wohl das Ergebnis beeinflussen, nicht aber der Querschnitt des Rohrsystems, dessen Ein fluß über die Fließrate J _D=V/t eleminiert wurde.

Mit Zahlenwerten ergibt sich aus (30) oder durch Quotientenbildung aus (23) und (29)

N = 210 kW/16,8 kW = 12,5 (31)

Bei der Berechnung dieses Nutzfaktors ist allerdings noch nicht die erforderliche Pumpleistung für die Verteilung des Warmwassers in ein Warmwasserheizungs system beinhaltet, andererseits dürfte die Berechnung der mechanischen Leistung zu großzügig sein.

Schließlich muß noch ein Kostenfaktor abgeschätzt werden, wozu der Wärmebedarf einer Wohnung oder eines Hauses mit Bohrkosten verglichen wird.

Gemäß dem Handbuch YTONG-Praxis, Ausgabe B (Mai 1972), ist für eine 80 qm Wohnung eine Heizleistung von etwa

W _H = 400 kJ/h · Grad (32)

oder, bei einer Temperaturdifferenz von 20°C, von

W _H = 2 kW (33)

erforderlich. Aus einem Bohrloch der Teufe 2000 m mit einer Soletemperatur von 60°C, die eine Er wärmung von Wasser um 40°C erlaubt, könnten dann durch Vergleich mit dem Ergebnis (23) etwa 100 Wohnun gen bei Außentemperaturen um den Gefrierpunkt beheizt werden.

Der Preisvergleich ergibt sich aus den Heizkosten für ein Jahr, die pro Wohnung etwa 1000,- DM/Jahr betragen würden, für 100 Wohnungen also 100 000,- DM/Jahr.

Demgegenüber sind die derzeitigen Bohrlochkosten zu stellen. Sie werden im Bereich der Erdöltiefbohrungen für 1000 m Teufe mit DM 800 000,- und für 2000 m Teufe mit 2 000 000,- DM angegeben. Falls es sich wie in Kassel um ein Unikat im Sinne eines Kunstwerks handelt, betragen die Kosten nur 400 000,- DM. Umgekehrt ist anzunehmen, daß die Bohrlochkosten erheblich gesenkt werden können, wenn nicht, wie in der Erdölexploration üblich, davon auszugehen ist, daß etwa 80% der Bohrungen nicht fün dig werden, und lediglich senkrecht ohne Rücksicht auf Probenentnahmen etc. gebohrt werden muß. Geht man für ein Bohrloch mit einer Teufe (Anm: "Teufe" ist kein Schreibfehler, sondern die aus Tradition übernommene Bezeichnung für "Tiefe") von 2000 m von einem Preis von 500 000,- DM aus, dann würde sich eine geothermische Wassergewinnungsanlage nach etwa 5 Jahren amortisiert haben. Legt man jedoch einen Abschreibungszeitraum von 10 Jahren zugrunde, würden sich sogar die Heizkosten erheblich senken.

Die Betriebskosten lassen sich noch mehr senken, wenn ein nachfolgend beschriebener Warmluftmotor, dessen Zylinder mit dem geförderten Warmwasser erwärmt werden, zum Betrieb einer Umwälzpumpe eingesetzt wird.

Die vorteilhaften Wirkungen in bezug auf den Stand der Technik bestehen darin, daß erstens durch den Vorschlag der Patentanmeldung überhaupt geothermische Energie zur Energieversorgung in Erwägung gezogen werden kann. Zweitens müssen hierzu nicht unwahrscheinliche Prozesse mit enormem Kostenaufwand in Gang gesetzt werden.

Ein Weg zur Ausführung ist in Abb. 5 skizziert:
Die Bezeichnung "Teufe" ist bei Geologen etc. aus historischen Gründen üblich und bedeutet "Tiefe". In ein Bohrloch der Teufe l wird ein Injektionsrohr IR für den Zufluß von Wasser eingeführt, während aus dem koaxialen Förderrohr das warme Wasser im Rückfluß in die Wohnungen W gedrückt wird. Zu diesem Zweck wird mit dem Warmwasserkreislauf ein Warmluftmotor WLM be trieben, der eine Pumpe P im Kreislauf vor dem Injek tionsrohr betreibt.

Es kann auch ein Inversionsspülkopf entsprechend der Beschreibung zum 2. Nebenanspruch in die Bohrung ein geführt werden.

Beschreibung zum 4. Nebenanspruch Warmwasser- und solarbetriebener Warmluftmotor

Das technische Gebiet in das der Warmluftmotor mit durch Warmwasser oder durch Wärmestrahlung beheizten Zylindern einzuordnen ist, gehört in den Bereich des Maschinenbaus der Wärmekraftmaschinen.

Der Stand der Technik umfaßt nach Kenntnis des Patent anmelders Heißluftmotoren, die als ruhig und langsam laufende Antriebsmaschinen mit hohem Drehmoment bekannt sind. Kürzlich wurde auch ein Heißluftmotor zum Patent angemeldet, dessen Zylinderwände mit durch Solarenergie erzeugtem Wasserstoffgas erwärmt werden (H. M. M. Killes reiter, P 36 35 585.2, 20.10.86, Deutsches Patentamt München). Es wurde auch eine Ausführungsform angemeldet, dessen Zylinderwände mit einer umlaufenden Flüssigkeit, die durch einen kleinen Fusionsreaktor in situ erwärmt wird, auf eine Temperatur von 200°-300°C und darüber gebracht werden sollen (H. M. M. Killesreiter, Nebenan spruch zur Patentanmeldung P 36 35 875.4 vom 19.03.86, DPA München).

Ein Warmluftmotor, dessen Zylinderwände auf Temperaturen von nur bis zu etwa 100°C unter Verwendung von Warm wasser aus verschiedenen Quellen oder durch direkte Absorption des langewelligen Sonnenlichts erwärmt wer den, existiert offenbar nicht, vermutlich weil er nicht für wirtschaftlich gehalten wird oder die Technik für veraltet gilt.

Der Begriff wirtschaftlich ist jedoch relativ zu sehen. Jedes Wasserkraftwerk und jeder Solargenerator ist für sich genommen unwirtschaftlich und würde sogar dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik von der Unmöglichkeit eines perpetuum mobile widersprechen, wenn nicht die kostenlos vorhandenen Umweltbedingungen in Form von Flüssen und der Sonnenenergie als nicht zum System gehörend betrachtet würden.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll, besteht also da rin, eine Wärmekraftmaschine zu konstruieren, die trotz der zu erwartenden geringen Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur für Dauerleistungen herangezogen werden kann. Solche Dauerleistungen fallen z. B. im Zusammenhang mit dem 3. Nebenanspruch dieser Anmeldung zur Nutzung der geothermischen Energie bei der erforder lichen Pumparbeit an. Pumpleistungen mit niedrigem Ei genenergieaufwand sind aber auch für Bewässerungssy steme in heißen Ländern erforderlich. Darüber hinaus könnten solche Motoren durchaus bei Ankoppelung eines geeigneten Generators trotz ihrer geringen Drehzahl in Einzelfällen zur Stromerzeugung eingesetzt werden - mit Speichermöglichkeit für die Nachtstunden.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, Wärmequellen wie warmes Wasser aus geothermischen Quellen - gepumpt oder durch Eigendruck gefördert - oder durch Erhitzen aufgrund der Sonneneinstrahlung, sowie die Wärmestrah lung der Sonne selbst zur Erwärmung des Zylinders oder der Zylinder heranzuziehen. Da dieser Warmluftmotor wegen der geringen Temperaturdifferenz nicht nur eine verhältnismäßig geringe Leistung hat, sondern auch mit verhältnismäßig geringer Drehzahl laufen wird, ist zur Überwindung der Totpunkte das Zusammenwirken von mindestens drei Arbeitszylindern auf eine um jeweils 120° verschränkte Kurbelwelle oder eine sternförmige Anordnung der Zylinder um eine Kurbelwelle erforderlich. Um Wirkungsweise, Leistung und Wirkungsgrad abzuschätzen, geht man am besten entsprechend dem Prinzip der Thermo dynamik von Teilschritten in einem p-V-Diagramm aus (Abb. 6), das sich von dem einer CARNOT-Maschine aller dings unterscheiden muß, wie nachfolgend gezeigt wird.

Unter dem p-V-Diagramm der Abb. 6 ist ein Zylinder mit verschiebbarem Kolben K skizziert, für den 3 typische Stellungen bei V=O, V=V₁ und V=V₂ markiert sind.

Die allgemeine Theorie zur Behandlung thermodynamischer Aufgaben ist sehr umfassend und verständlich dargestellt in Richard Becker, "Theorie der Wärme", 2. Auflage, Springer-Verlag Berlin-Göttingen-Heidelberg (1964), eine mehr praktische Darstellung mit einigen Zahlenwerten findet sich bei Christian Gerthsen (bearb. u. erg. von O. Kneser), "Physik", 7. Auflage, Springer-Verlag etc. (1963).

Gemäß Abb. 6 wird von V=O bis V=V₁ Außenluft des Außen druckes p₀ und der Temperatur T₀ angesaugt. Unter Ab schluß nimmt sie die Temperatur T₁ des Zylinders an, wodurch der Druck auf p₁ steigt. Unter der Wirkung des Druckes bewegt sich der Kolben. Entsprechend der übli chen Aufteilung in der Thermodynamik in berechenbare Schritte fällt der Druck, zunächst entlang einer Isother me (3-4), dann auf einer Adiabate (4-5) durch die mit der Ausdehnung verbundene Abkühlung.

In Wirklichkeit fällt der Druck natürlich entlang einer gestrichelten Linie 3-4, wobei vorher auf dem Weg von 2 nach 3 die fortdauernde Bewegung des Kolbens nicht zu Punkt 3, sondern zu einem Maximum 3′ führt. Bei 5 wird das Ventil V am Kopf geöffnet, die erwärmte Luft entspannt und wird aus dem Zylinder gedrückt.

Für eine theoretische Abschätzung kann man von der allgemeinen Gasgleichung für ein ideales Gas ausgehen,

P = nRt/V, (34)

und sich auf den vereinfachenden Standpunkt stellen, daß bei V₁ gemäß

dp/d T = nR/V₁ (35)

die Luft um dT erwärmt wird und sich dementsprechend der Druck um dp erhöht.

Anschließend wird die so durch Wärmeaufnahme gespeicher te potentielle Energie V₁dp in kinetische Energie durch Volumenvergrößerung umgesetzt, bis der Anfangsdruck p₀ wieder erreicht ist, also

A = V₁dp = p₀dV = nR dT, (36)

oder, in Differenzenschreibweise, die allerdings bei größeren Unterschieden zum Differential nicht mehr gerechtfertigt ist,

A = nR Δ T. (37)

Eine physikalisch saubere Ableitung folgt wie beim CARNOT-Prozeß aus der Anwendung des zweiten Hauptsatzes über die vom System aufgenommene Wärme

ρ Q = α U + ρ A, (38)

die teils zur Erhöhung der inneren Energie U durch Erwärmung, teils zur Arbeitsleistung verbraucht wird.

Wohl kann das Rundintegral ∲ Q/T nicht gebildet werden, weil es sich nicht um einen Kreisprozeß in einem abge schlossenen System handelt, die Zustandsfunktion Entro pie S(T,V) beschreibt aber den Weg von 3 nach 5 in der Form

Integration liefert

Der erste Term entspricht der inneren Energie U, die die Molwärme bei konstantem Volumen, C _v′ enthält, der zweite Term entspricht der vom System aufzubringenden Arbeit A.

Mit der Reihenentwicklung für lnV₂/V₁<1, d. h. für 0<V₁<2, nämlich

ln(V₂/V₁) = V₂/V₁ - 1 . . . = Δ V/V - . . . (41)

wird der zweite Term

A = nRT Δ V/V, (42)

und unter Berücksichtigung von Glch. (36) und Glch. (34) angewandt auf p₀V₁ geht (42) tatsächlich in Glch. (37) über, die für sehr vereinfachende Rahmenbedingungen abgeleitet wurde.

Während aus Glch. (37) folgt, daß die Arbeitsleistung nur von der Zahl der Mole n und der Temperaturdifferenz Δ T abhängt, folgt aus dem 2. Term von Glch. (40), daß die Arbeitsleistung mit dem Logarithmus des Volumen verhältnisses und linear mit der Temperatur steigt, wie das auch aus Glch. (42) folgt.

Unter der vereinfachenden, aber vernünftigen Annahme V₂/V₁=2,7, d. h. lnV₂/V₁=1, und dem Erfordernis des 3. Nebenanspruchs, daß etwa 8,3 kJ an Pumparbeit für die Förderung des Warmwassers aufzubringen ist, ergibt sich für die Temperatur T=333 K (=60°C) aus dem 2. Term der Glch. (40)

8,3 kJ = n · 8,3 · 333 (43)

und damit

n=3 Mole. (44)

Wenn zur Überwindung der Totpunkte die Arbeit auf 3 Zylinder verteilt werden soll, muß jeder 1 Mol oder rund 22,4 l=22400 cm³ Luft ansaugen. Dieses Volumen V₁ entspricht einem Zylinder mit einem Radius r=15 cm, einer Fläche r²π=700 cm², und einer Länge

l= 22400/700 = 32 cm, (45)

woraus sich unter der o. g. Annahme V₂/V₁=2,7 ein Hub von 86 cm ergibt.

Für die Kraft auf den Kolben K folgt, daß sich mit Glch. (35) im Anfangsbreich V₁ zwar nur ein Druckan stieg um Δ p=0,2 bar=2 N/m² ergibt, daß aber auf die gesamte Fläche des Kolbens mit F=700 cm² immerhin eine Kraft von K=120 kp wirkt!

Der Wirkungsgrad

η = A/Q (46)

errechnet sich aus dem Verhältnis von geleisteter Arbeit A zur gesamten aufgenommenen Wärmemenge Q.

Mit Glch. (40) folgt

oder

Wiederum mit den vereinfachenden Annahmen V₂/V₁=2,7 und dazu T₁/T₀=1,2, d. h. ln T₁/T₀=0,2, wird aus (48)

Mit Zahlenwerten für Luft C _v=4,96 cal/Mol Grad = 20 J/MolK folgt aus Glch. (49) der bekannt hohe Wirkungsgrad

Erstaunlicherweise nimmt der Wirkungsgrad der Glch. (47) für den Warmluftmotor im Gegensatz zu dem für die CARNOT-Maschine, nämlich
η _c = (T₁ - T₀)/T₁, (48)

mit steigendem Temperaturunterschied leicht ab, was an der Zunahme der inneren Energie U in Glch. (40) liegt. Demgegenüber nimmt die Arbeitsleistung mit der absolu ten Temperatur, der eingesetzten Molzahl und dem Ver hältnis V₂/V₁ zu. Gemäß der vereinfachten Glch. (37) sollte sie, wie erwähnt, sogar linear mit der Tempera turdifferenz steigen, d. h. der Warmluftmotor würde im Winter bei niedriger Außentemperatur und damit niedri ger Ansaugtemperatur wunschgemäß mehr leisten als im Sommer.

Aus diesem Grunde ist auch gem. Abb. 7s eine Ausführung für heiße Gegenden sinnvoll, bei der ohne Verwendung von Wasser die Temperatur der Zylinder durch direkt absorbierte Sonnenstrahlung auf über 100°C ansteigt, während die Temperatur der Umgebungsluft, die angesaugt werden muß, bis zu 60°C betragen kann.

Die vorteilhaften Wirkungen in bezug auf den Stand der Technik bestehen darin, daß praktisch ohne Alter native eine Wärmekraftmaschine zur Verfügung steht, die nach einer Anlaufzeit in hervorragender Weise dazu ge eignet ist, langsame Pumpvorgänge z. B. auch in der Wüste in Gang zu halten. Dabei erfolgt bei der Nutzung der geothermischen Energie die Erwärmung der Arbeitszylinder durch das Spülmedium selbst, in sonnenreichen Ländern kann der Wassermantel um die Zylinder erwärmt werden, wodurch die Erwärmung homogenisiert wird. Bei geeig neter Konstruktion der Absorptionsfläche reicht aber auch die direkte Absorption der Wärmestrahlung des Sonnenlichts.

Ein Weg zur Ausführung besteht gemäß Abb. 7 darin, daß drei Zylinder auf eine gemeinsame Kurbelwelle KW mit ihren Pleuelstangen PS wirken, wobei die Kröpfungen der Kurbelwelle jeweils um 120° zueinander versetzt sind. Nur zwei Zylinder dürften für einen reibungslosen Lauf zu wenig sein, vier Zylinder jedoch mit Kröpfungen von 90° oder Vielfache von drei Zylindern optimieren das Ergebnis. Wenn aber z. B. zum Betreiben einer Getrei demühle oder von Bohranlagen eine senkrechte Achse er wünscht ist, ist eine radial sternförmige Analge vor zuziehen.

Die Zylinder Z sind entweder mit einem Wassermantel WM oder allgemein mit einem Flüssigkeitsmantel umgeben, der im Falle des Wassermantels im Kreislauf mit einer Förderpumpe P (Abb. 5) liegt, oder dieser Flüssigkeits mantel oder die Zylinderoberflächen selbst werden durch eine geeignete, absorbierende Oberflächenbehandlung der Metalloberflächen direkt von der Sonneneinstrahlung aufgeheizt. Eine besondere Anordnung, die durch Wärme leitung auch auf die Rückseite der Zylinder wirkt, zeigt Abb. 7s.

Die Steuerung der Zylinderventile ist nicht gezeigt, ebensowenig die Ankoppelung langhubiger Pumpzylinder. Diese kann, wie in Abb. 5 angedeutet, über Kröpfungen auf derselben Kurbelwelle erfolgen, oder über Zahnrad- oder Riemenübertragung.

Beschreibung zum 5. Nebenanspruch

Warmluftmotorbetriebener Stromgenerator und Getreide mühle.

Das technische Gebiet, in das die warmluftmotorbetrie bene Generatorstation oder Getreidemühle fällt, gehört in den Bereich der Energietechnik und Agrarwirtschaft.

Der Stand der Technik bietet für abgelegene, dünn be siedelte, heiße Länder, für die die Versorgung über ein Überlandnetz durch große Kraftwerke zu aufwendig wäre, nur teuere Solargeneratoren und Windkraftmaschi nen an, wenn man von Aggregaten mit Verbrennungsmaschi nen absieht. Im Rahmen einer Patentanmeldung zur sola ren Wasserstofferzeugung (H. M. M. Killesreiter, DE 36 35 585 A1, Anm. 20.10.86, Offenl. 27.5.87, Deutsches Patentamt München) wurde durch ein wasserstoffbetriebener Heißluftmotor vorgeschlagen, der zum Antrieb eines Stromgenerators oder einer Getreidemühle verwendet wer den kann.

Diese Möglichkeiten haben aufgrund der Tatsache, daß Wirkungsgrade sich nicht addieren, sondern miteinander multipliziert werden müssen, nur Wirkungsgrade, die unter dem des Bauelements mit dem schlechtesten Wir kungsgrad liegen müssen. Bei der spektralen Nutzung des Sonnenlichts folgt daraus ein Wirkungsgrad η≦0,1.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll, besteht darin, den hohen Wirkungsgrad des im 4. Nebenanspruch be schriebenen Warmluftmotors zum Antrieb eines Stromge nerators oder einer Getreidemühle auszunutzen.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, einen Warmluft motor der im 4. Nebenanspruch beschriebenen Art in ge eigneter Weise mit einem vielpoligen Stromgenerator oder einer Getreidemühle kraftschlüssig zu verbinden.

Die Forderung nach einem vielpoligen Stromgenerator ergibt sich aus den üblichen Ausführungsformen (vergl. F. Bergtold, Die große Elektro-Fibel, Lehrbuch für Unterricht und Selbststudium, 8. Aufl., überarb. von J. Eiselt, Pflaum-Verlag, München (1973)). Denen zufol ge ist der erzeugte Gleichstrom umso glatter, je mehr Polpaare ein Stromgenerator hat. Auch für Wechselspan nung ergibt sich die Frequenz f/Hz aus der Zahl der Polpaare p und der Umdrehungen U/min gemäß

f = p · U/60,

bei langsam laufendem Generator muß also die Zahl der Polpaare erhöht werden. Die geringe Umdrehungszahl des Warmluftmotors ist aber auch eine günstige Voraus setzung für den Betrieb einfacher Getreidemühlen.

Da der Stromgenerator jedoch nur während der Tagstunden Strom liefern kann, muß für den geringeren Stromver brauch während der Nachtstunden eine Stromsammelein richtung, eine Akkumulatoreneinheit, mit installiert werden.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung in bezug auf den Stand der Technik bestehen im vergleichsweise hohen Wirkungsgrad der Anlage und ihrem ruhigen Lauf. Sie ist unabhängig vom Wind.

Ein Weg zur Ausführung ist in Abb. 8 skizziert. Der Warmluftmotor WLM (Abb. 8, unten) befindet sich mit seinen radial sternförmig angeordneten Zylindern Z mit ihren Kolben K und den Pleuelstanden PS liegend auf dem Dach eines Gebäudes GB, so daß die im vorlie genden Falle zweifach gekröpfte Kurbelwelle KW wie die Drehachse einer Mühle senkrecht steht. Folglich kann sie an einen liegenden Stromgenerator SG, gegebenenfalls über ein Wechselgetriebe WG, direkt angekoppelt werden.

Als Generator wird günstig ein Gleichstromgenerator verwendet, da eine Transformation zur Übertragung über weite Strecken nicht sinnvoll ist. Folglich kann eine Anordnung von Akkumulatorenbatterien, AKB, über einen aus dem Automobilbau bekannten Regler direkt gespeist werden. Sie ist die Quelle einer gleichmäßigen Strom versorgung, die im Prinzip natürlich auch durch den gleichgerichteten Strom eines Wechselstromgenerators, der keinen Kollektorverschluß hat, aufgeladen werden.

Die in Abb. 8 gezeigte Anordnung zeigt bei kleinerer WLM-Ausführung auch den möglichen Betrieb eines Groß raumventilators GV, wofür in heißen Ländern in der Re gel ein hoher Bedarf besteht.

Die Ausführung der Abb. 8 verlangt natürlich eine stabile Flachdachkonstruktion. Deshalb ist es trotz mancher Vorteile der vertikalen Anordnung günstiger, mit geringerem Aufwand eine horizontale Anordnung un ter Verwendung eines Warmluftmotors wie in Abb. 7 bzw. Abb. 7s aufzubauen.

Die hier beschriebenen Anordnungen sind auch für den Betrieb einer Getreidemühle zu verwenden, wobei natür lich die Akkumulatoren überflüssig sind.

Beschreibung zum 6. Nebenanspruch Warmluftmotorbetriebener Freiraumgroßventilator

Das technische Gebiet, in das der warmluftmotorbetrie bene Freiluftgroßraumventilator einzuordnen ist, gehört in den Bereich der Lüftungstechnik und Staatsräson.

Der Stand der Technik weist in heißen Ländern neben Klimaanlagen vielfach elektrisch betriebene Decken ventilatoren auf. Bei zunehmend häufiger werdenden Staatsbesuchen von Europäern in heißen Ländern steht bei zunehmendem Interesse der Gäste an entlegenen Ge bieten, wo keine Gebäude Sonnenschutz bieten und kaum ein Baum steht, heutzutage lediglich ein Sonnenschirm zur Verfügung. Auf palmwedelbewegende Diener, die früher für eine schnellere Verdampfung des Schweißes und damit für eine Abkühlung zu sorgen hatten, muß man heute verzichten, weil solche Dienste undemokratisch und des potisch wirken.

Auch elektrisch betriebene Ventilatoren, aus Akkumula toren von Transportfahrzeugen gespeist, würden bei längeren Reden und Vorführungen zur Erschöpfung der Akkumulatoren führen, falls man nicht das störende Geräusch laufender Verbrennungsmotoren zumuten will. Dadurch würden aber die meist romantischen Eindrücke weitgehend zerstört werden. Die Verwendung von Solar generatoren auf Halbleiterbasis kommt wegen deren ge ringem Wirkungsgrad nur für Raumschiffe und Staatsan lagen, nicht jedoch für Staatspersonen in Betracht.

Die Aufgabe, die gelöst werden soll, besteht darin, einen Freiraumgroßventilator mit einer ruhig und wäh rend der Sonneneinstrahlung laufenden Maschine anzu treiben.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, den Freiraum großventilator mit einem ruhig laufenden Warmluft motor des 4. Nebenanspruchs zu betreiben und in ver tikaler Aufstellung vor, seitlich, oder hinter Gast gebern wie Gästen anzuordnen.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung liegen in ihrer Einmaligkeit und ihrem hohen Wirkungsgrad.

Ein Weg zur Ausführung ist in Abb. 9 skizziert. An einem dreizylindrigen Warmluftmotor WLM der Ausfüh rungsart des 4. Nebenanspruchs, dessen Kurbelwelle KW angedeutet ist, und der zum besseren Transport mit angedeuteten Rädern auf Achsen A versehen ist, ist über ein Haltegestell H drehbar gelagert der Freiraumgroß ventilator FRGV angebracht. Der Antrieb erfolgt über einen Riemen R, der eine Riemenscheibe RS auf der Kurbelwelle KW mit einer Riemenscheibe RS auf der Ventilatornabe VN verbindet.

Auf der linken Seite ist die Anordnung des Freiraum großventilators FRGV hinter Staatsgästen STG und Staats gastgeber STGG auf einer Staatsbank SB neben einer Staatsflagge SF dargestellt. Jede Ähnlichkeit mit Per sönlichkeiten ist nur unterschwellig beabsichtigt.

Claims

1. Der Hauptanspruch2. Ein Unteranspruch zum Hauptanspruch3. Erster Nebenanspruch4. Ein Unteranspruch zum ersten Nebenanspruch5. Zweiter Nebenanspruch6. Dritter Nebenanspruch7. Vierter Nebenanspruch8. Ein Unteranspruch zum vierten Nebenanspruch9. Fünfter Nebenanspruch10. Sechster Nebenanspruch

Es wird das Patent beansprucht für ein Verfahren zur verbesserten Erdölgewinnung unter Verwendung von Gasen bei oder über ihren isopyknischen Dichten. Grundlage des Verfahrens ist die unter bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen bekannte oder vermutete Bildung einer fluiden Phase von Erdöl mit den in die Lagerstätte eingepreßten Gasen.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die zur Förderung eingesetzten Gase wie Kohlendioxid, Stickstoff, Methan und Propan durch Druckvorgabe mit oder über ihrer isopyknischen Dichte in die Lagerstätte eingepreßt und mit fossilen Kohlenwasserstoffen in fluider Phase ange reichert gefördert werden.
Es wird das Patent beansprucht für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Injektion des Gases wie För derung der fluiden Phase in bzw. aus nur einem Bohrloch über eine koaxiale Verrohrung im Gegenstromprinzip er folgt.
Es wird das Patent beansprucht für ein aus dem Hauptan spruch sich ergebendes unabhängiges Verfahren zur Kohlen wasserstoffgewinnung aus Öl- und Teersanden durch Hoch druckextraktion.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß Öl- und Teersande in einem Hochdruckbehälter unter Einwirkung einer Temperaturerhöhung und von Gasen wie Kohlendio xid, Stickstoff, Methan oder Propan unter Hochdruck der fluiden Extraktion unterzogen werden.
Es wird das Patent beansprucht für ein Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder wäh rend der Extraktion die Öl- bzw. Teersande durch in tensiven Ultraschall bzw. in einem starken Mikrowellen feld einer Sonderbehandlung ausgesetzt werden.
Es wird das Patent beansprucht für einen Inversions spülkopf, der bei Förderung aus einem Bohrloch durch Injektion in ein koaxiales Rohrsystem eine bessere Aus nutzung der geothermischen Energie gewährleistet.
Der Inversionsspülkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zufluß über das Außenrohr im Förderbereich der Bohrung in das Innenrohr übergeführt wird, wobei diese besondere Ausführungsform gleichzeitig die Förderung aus dem Außenbereich ab etwa derselben Höhe in das Innenrohr geleitet wird.
Es wird das Patent beansprucht für ein Verfahren zur Nutzung der geothermischen Energie aus neuen bzw. nicht mehr ölfördernden Bohrlöchern.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Borhlöcher unter Verzicht auf Gesteinsfrackung im Gegenstrom bei niedriger Fließrate mit durchgepumptem Wasser bespült werden und dieses dann im Kreislauf durch Niedertemperaturheizanlagen geführt wird.
Es wird das Patent beansprucht für einen mit Warmwasser aus geothermischer oder solarer Quelle, sowie einen direkt durch Sonneneinstrahlung beheizten Warmluft motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwände dieses Warmluftmotors von außen auf die obengenannte Art er wärmt werden, während wie üblich Luft als Kompressions medium angesaugt wird.
Es wird das Patent beansprucht für einen Warmluftmotor nach Anspruch sieben, jedoch dadurch gekennzeichnet, daß der Warmluftmotor die Kon struktionsmerkmale einer Drehschieberpumpe mit exzen trischem Drehkolben oder eines WANKEL-Motors hat, wie sie in Nebenansprüchen zur Patentanmeldung P 37 00 957.5 vom 15.01.87 (Anmelder ebenfalls H. M. M. Killesreiter) beschrieben sind.
Es wird das Patent beansprucht für einen mit einem Warmluftmotor nach Anspruch 7 oder 8 angetriebenen Stromgenerator, sowie für eine mit denselben Motoren angetriebene Getreidemühle oder Wasserpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromgeneratoren bzw. die Getreidemühlen oder die Wasserpumpen kraftschlüssig an jeweils einen Warmluftmotor der genannten Ausführungs formen gekoppelt werden.
Es wird das Patent beansprucht für Innenraum- und Frei raumgroßventilatoren, die mit Warmluftmotoren nach An spruch 7 oder 8 angetrieben werden, dadurch gekennzeich net, daß sie mit den Motoren der genannten Ausführungs formen kraftschlüssig verbunden sind.