Nº 76 - Bundesverband Geothermie

22 Forschung und Entwicklung
Kühlsystem
für Messeinrichtungen in tiefen Bohrlöchern
TEXT: Benedict Holbein
Für Tiefengeothermie-Projekte sind umfassende Informationen zu den Gegebenheiten
in den Bohrlöchern und deren Umgebung wichtig. Das gilt für die Erschließung,
aber auch für den Betrieb geothermischer Anlagen. Um direkte Daten zu gewinnen ist
es notwendig, in die Bohrlöcher zu gehen und dort langzeitige Messungen durchzuführen.
Damit unterschiedliche Messeinrichtungen und zugehörige Steuerungs- und
Datenerfassungselektronik dort einsetzbar sind, ist ein Kühlsystem notwendig,
welches in der speziellen Umgebung zuverlässig und ohne Zeitlimitationen funktioniert.
Herausforderungen
Für den Einsatz in tiefen Bohrlöchern
müssen die Komponenten
des Kühlsystems nicht nur den
hohen Temperaturen und Drücken
sowie korrosiven Thermalwässern
standhalten, sondern
dabei auch die Kühlfunktion zuverlässig
gewährleisten. Für die
erste Ausrichtung soll als Minimalanforderung
eine Einsatzzeit
von mehreren Wochen bei Umgebungsdrücken
von 600 bar und 200 °C Umgebungstemperatur
erreicht werden. Weil Standardelektronik einsetzbar
sein soll, darf die Kühlraumtemperatur
dabei 70 °C nicht überschreiten. Um in 8 ½ Zoll
Bohrlöchern arbeiten zu können, darf der Außendurchmesser
des Systems nicht über 170 mm
liegen. Diese Bedingungen erfordern kompakte
Konstruktionen mit korrosionsbeständigen Materialien
und einen speziell ausgelegten thermodynamischen
Kühlprozess.
Abb. 1: Kühlsystem für Bohrlochsonden
Das Konzept
Für die dauerhafte Kühlung wird ein Gesamtkonzept
aus Wärmedämmung und aktiver
Kühlung durch einen thermodynamischen
Kreisprozess verfolgt [Holbein, 2011]. Um den
Wärmeeintrag von außen zu minimieren, werden
MLI (Multi Layer Insulation) und Vakuumdämmung
in der Wand des Kühlgehäuses und
Teflon in axialer Richtung eingesetzt. Die eindringende
Wärme und die Wärme, die durch die
Elektronik selbst erzeugt wird, muss aus dem
zu kühlenden Bereich gebracht werden. Dafür
ist im Kühlraum ein Verdampfer installiert, der
die Wärmeübertragung auf ein Kältemittel ermöglicht.
Das Kältemittel verdampft und nimmt
Wärme aus dem Kühlraum auf. Im gasförmigen
Zustand wird es verdichtet und kondensiert
anschließend im Kondensator. Bei der Kondensation,
die oberhalb der Bohrloch-Temperatur
stattfindet, wird die zuvor aufgenommene Wärme
an die Bohrlochumgebung abgegeben. Eine
Drossel entspannt das verflüssigte Kältemittel
zurück auf den Ausgangszustand und schließt
somit den Kühlkreislauf.
Kühlprozess und Komponenten
Damit der Kühlprozess funktioniert, müssen die
zentralen Komponenten eigens für die besonderen
Einsatzbedingungen ausgelegt werden.
Als Kältemittel wird aktuell Aceton präferiert.
Abbildung 2 zeigt den Kühlprozess mit Aceton.
Die charakteristischen Teilprozesse sind durch
Nummern gekennzeichnet.
Die Verdampfung (Übergang 41) findet bei
56,5 °C (~1 bar) statt. Sie verläuft isobar und
isotherm. Die maximal erreichbare Kälteleistung
entspricht in etwa der Enthalpie-Differenz
zwischen Punkt 1 und 4. Nach einer leichten
Überhitzung wird das gasförmige Aceton im
Verdichter auf 40 bar komprimiert (1*-2). Bei