Kühlsystem für Geothermie-Bohrlochsonden - zwerg - KIT

Beitrag “Der Geothermiekongress 2013” Essen, 12.-14. November 2013
Kühlsystem für Geothermie-Bohrlochsonden
Benedict Holbein, Dr. Jörg Isele
Institut für Angewandte Informatik IAI, Karlsruhe Institut für Technologie KIT
Keywords: Kühlung, Monitoring, Tiefen-Geothermie, open hole, in situ
Zusammenfassung
Am IAI wird seit knapp 2 Jahren an der Entwicklung eines Kühlsystems für Bohrloch-Sonden
gearbeitet. Dieses soll den Einsatz von Standardelektronik in Bohrlochumgebungen in bis zu 5 km
Tiefe, bei 200°C und 600 bar Druck erlauben. Im Rahmen des Projekts ZWERG, einer
Systemplattform für unterschiedliche Messeinrichtungen u.a. für in situ Messungen im open hole,
dient das Kühlsystem als Basis um verschiedene Messoperationen ohne Zeitlimitation durchführen
zu können. Dafür beinhaltet es eine Dämmung um äußere Wärmeeinträge zu minimieren, ein
aktives Kühlsystem für die Kühlung empfindlicher Komponenten im Inneren sowie einen gekühlten
Raum für die Installation von Elektronik und anderen hitzeempfindlichen Komponenten der
Messeinrichtungen.
1. Einleitung
Die Tiefen Geothermie hat das Potenzial eine entscheidende Rolle bei der Energieversorgung der
Zukunft zu spielen. Bislang bleibt sie aber weit hinter ihren Möglichkeiten zurück. Dafür sind einige
grundsätzliche Probleme maßgeblich verantwortlich. Zum einen ist das Investitionsrisiko sehr groß,
was nicht zuletzt mit der Schwierigkeit das Aquifer genau anzupeilen zusammen hängt.
Andererseits gibt es keine Echtzeit-Daten aus dem open hole um Prozessoptimierungen im
Kraftwerk zu ermöglichen. Zudem ist die Vorhersagbarkeit von Risiken durch unzureichende
Informationen aus der Tiefe nicht gegeben, was zu erheblichen Akzeptanzschwierigkeiten führt.
Der Grund für die genannten Probleme ist hauptsächlich die mangelnde Datenlage beim Bohrens
sowie vor und während des Kraftwerksbetriebs [UBA, Seite 55].
Wegen der extremen Bedingungen in den Bohrlöchern, der hohen Temperaturen und Drücke sowie
korrosiver Thermalwässer, ist der Einsatz von Messeinrichtungen schwierig. Standardelektronik
wird bei über 70°C geschädigt. Hochtemperatur-Varianten sind nur begrenzt verfügbar und
kostenintensiv. Daher ist eine Kühlung von hitzeempfindlichen Bauteilen für Messeinsätze in
Bohrlöchern unabdingbar. Für Kurzeinsätze von wenigen Stunden kann dafür auf PCM-(Phase
Change Material) basierte System zurückgegriffen werden, bei denen ein Phasenwechselmaterial,
wie etwa Eis die Wärme aufnimmt. Diese Systeme sind durch die Menge an mitführbarem Material
zeitlich begrenzt [Strubel, Antes]. Kühlvarianten mit Peltier-Elementen würden dauerhafte Kühlung
realisieren, allerdings können damit nur sehr geringe Wärmemengen abgeführt werden [Eberle].
Um eine lange Einsatzdauer von bis zu mehreren Wochen mit ausreichender Kühlung zu
garantieren, wird ein am IAI ein aktives Kühlsystem entwickelt, welches prinzipiell Messeinsätze
über die gesamte Lebensdauer von Bohrlöchern, vom Abteufen bis zum Kraftwerksbetrieb, erlaubt.
Es kann dadurch einen entscheidenden Beitrag zur Überwindung der mangelnden Datenlage im
gesamten Bohrlochzyklus und der zentralen Probleme der Tiefen Geothermie beitragen.

Holbein, Isele
2. Anwendungen
Die Kältemaschine ist im gesamten Lebenszyklus eines Bohrlochs einsetzbar. Dadurch erlaubt es
die Erhebung von umfassenden Informationen in allen Phasen der geothermischen
Energiegewinnung.
Abb. 1: Übersicht über verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für die Kältemaschine
Das Kühlsystem könnte beispielsweise eine SPWD (Seismic Prediction While Drilling) –Einheit
kühlen um die Vorerkundung schon während des Bohrvorgangs zu ermöglichen. Damit könnte das
Aquifer genau angepeilt werden. Im fertigen Bohrloch könnten umfassende Voruntersuchung der
Wasserchemie durchgeführt werden, um Kraftwerksparameter und Komponenten gezielt
einzustellen. Während des Kraftwerksbetriebs könnten in Echtzeit wichtige Daten erhoben werden,
um Risiken früh zu erkennen und ein rechtzeitiges Eingreifen zu ermöglichen. Durch laufende
Optimierung könnte auch eine effiziente Prozessführung gestaltet werden.
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Holbein, Isele
3. Einsatzbedingungen und Konzept
Die Einsatzbedingungen für die Kältemaschine ergeben sich aus einer Einsatztiefe von bis zu 5 km
Tiefe. Dort werden 200°C Umgebungstemperatur und 600 bar Umgebungsdruck erwartet.
Um in dieser Umgebung über mehrere Wochen zuverlässig kühlen zu können, realisiert die
Kältemaschine einen Kreisprozess mit einem Kältemittel. Dabei wird ein Kältemittel bei unter 70°C
im gekühlten Bereich verdampft und mittels eines Verdichters auf einen Druck komprimiert, der
oberhalb seines Dampfrucks bei 200°C liegt. Anschließend kondensiert es in einem Kondensator
bei über 200°C und gibt dabei Wärme an das Bohrloch ab. Um den Prozess zu schließen, wird das
Kondensat auf Ausgangdruck und Temperatur entspannt.
4. Die Kältemaschine
4.1 Der Thermodynamische Kreisprozess
Für die Kältemaschine wird momentan Aceton als Kältemittel in Betracht gezogen. Seine
Verdampfungstemperatur bei Normaldruck liegt mit ca. 56,5°C weit genug unterhalb von 70°C, um
die Kühlraumtemperatur unter diesem Niveau halten zu können und so Standardelektronik vor
Überhitzung zu schützen. Bei einer Verdichtung auf etwa 40 bar und 230°C, wird ein ausreichender
Gradient erreicht um Wärme an die Umgebung abzugeben. Abbildung 2 zeigt den gesamten
Prozess im log p-h (Druck logarithmisch – Enthalpie)- Diagramm.
Abb. 2: log p-h Diagramm des Kühlprozesses
Für die Verdichtung wird eine polytrope Kompression angenommen. Nach Gleichung (2) lässt sich
damit die nötige Verdichtungsarbeit abschätzen. Die erbringbare Kälteleistung kann aus den
Enthalpie-Differenzen im Diagramm abgelesen oder nach Gleichung (1) berechnet werden.
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Holbein, Isele
n−1
n p2
n
P
ver. = dm / dt * R * T * *[( ) −1]
(1)
n −1
p
1
mit Massenstrom dm/dt, Gaskonstante R, Temperatur T, Polytropenexponent n und Druck p.
dp
Q&
Kalt .
= dm / dt *[ * T1
* x * ( v ′′ − v′
)
dT
(2)
Bei der Gleichung nach Clausius Clapeyron sind dp/dT der Temperaturabhängige Druckgradient,
T1 die Verdampfungstemperatur, x der Flüssiganteil, v‘‘ das spezifische Heißdampf und v‘ das
spezifische Nassdampfvolumen.
Tab. 1: Verschieden berechnete Prozessparameter mit Kältemittel Aceton
Prozessparameter
Massenstrom
dm/dt [kg/h]
Verdampfungs-
Temperatur
T1 [K]
Startdruck
p1 [bar]
Enddruck
p2 [bar]
Gaskonstante
R [J/(kgK)]
Druck- Gradient
dp/dT [bar/K]
Turbulenz-
Massenstrom
dm/dt [kg/h]
2 324,15 1,19 40,93 143,15 0,05 10,62
Prozessgrößen
Kälteleistung
Verdichtungsarbeit
Abgabewärme
Flüssiganteil
Polytropenexponent
[W]
[W]
[W]
x
n
Ideale Berechnung 353,7 77,28 431 - -
Polytrope
Verdichtung
114,49 112,35 118,14 0,4 1,13
Turbulenzströmung 608,03 596,62 627,41 0,4 1,13
Die Tabelle zeigt die wichtigsten Prozessgrößen berechnet mit unterschiedlichen Ansätzen. Dabei
werden die nach polytroper Verdichtung (Gleichung 1) berechneten Werte als realistische Annahme
eingeschätzt. Demnach könnte eine Kälteleistung von rund 100 Watt mit vergleichbarem
Verdichtungsaufwand erreicht werden.
Versuche zur Validierung der Wärmedämmung des Kühlgehäuses zeigten, dass man mit ca. 20
Watt äußerem Wärmeeintrag rechnen muss. Demnach könnten rund 80 Watt zusätzliche Wärme
aus der Sonde abgeführt werden, was für die meisten Elektroniksysteme ausreichend wäre.
[Holbein]
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Holbein, Isele
4.2 Der konstruktive Aufbau
Für die Realisierung des Kreisprozesses sind die zentralen Komponenten Verdampfer, Verdichter,
Kondensator und Drossel notwendig. Darüber hinaus muss ein Kühlraumgehäuse ausreichende
Dämmwirkung gegen äußere Wärmeinträge besitzen und Platz zur Installation von zu kühlenden
Komponenten bieten. Die Dämmung wird durch ein Vakuum in der Doppelwand des Gehäuses und
einer in der Wand liegenden MLI (Multi Layer Insulation) realisiert. Versuche haben gezeigt, dass
der äußere Wärmeeintrag dadurch stark reduziert werden kann.
Abb. 3: Anordnung der Komponenten
In Abbildung 3 sieht man eine mögliche Anordnung der Komponenten. Von rechts sieht man eine
Sensoreinheit als exemplarische Anwendung, angeschlossen an das Kühlgehäuse mit innen
liegendem Verdampfer, auf den die Elektronik installiert ist. Die Kältemittelleitungen führen zum
Verdichter-Modul, welches einen elektronischen Antrieb (eingebaut) oder optional einen
hydraulischen Antrieb besitzt. Am oberen Ende der Sonde befindet sich der Kondensator, als
äußerer Wärmetauscher. Die Kältemittelleitungen führen im Kreis. Das im Kondensator verflüssigte
Kältemittel wird durch die innen liegende Drossel wieder in den Verdampfer entspannt.
5. Aktuelles
Aktuell wird ein im IAI Labor ein Versuchsaufbau realisiert, der den gesamten Kühlprozess
darstellen soll. Dafür wurde ein Verdichter konstruiert, der hydraulisch angetrieben wird und den
benötigten End-Druck erreicht. Ein Prototyp für einen Verdampfer im Sonden Maßstab ist in Kürze
einsatzbereit. Für die Untersuchung der Wärme Übertragung im Kondensator und der Performance
der Komponenten unter realistischen Bedingungen, wird ein Heizkonzept umgesetzt und eine
flüssige Umgebung für den äußeren Wärme Übergang geschaffen. Zuletzt wurden Experimente
zum Verdampfungsverhalten von Aceton durchgeführt. Diese dienen zur Modellierung des
Strömungsverhaltens des Kältemittels beim Verdampfungsvorgang, woraus Rückschließe auf zu
erreichende Wärmeübertragungen und Kühlwirkungen gezogen werden können.
Abb. 4: Verdampfung von eingefärbtem Aceton bei 57°C
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Holbein, Isele
Diese Erkenntnisse dienen einer Optimierung der Wärmetauscher-Prototypen. Die Experimente
zeigen bisher gute Eigenschaften für die Wärmeaufnahme beim Verdampfungsprozess und
unterstreichen damit die Eignung von Aceton als Kältemittel für die Kältemaschine. Weitere
Versuche zu diesem Aspekt sind in Planung. Darüber hinaus werden auch alternative Kältemittel
untersucht. Abbildung 5 zeigt beispielsweise den Kühlprozess bei niedrigerer
Umgebungstemperatur mit R113 als Kältemittel.
Abb. 5: Kühlprozess mit R113 im Temperatur-Entropie (T-s) Diagramm bei170°C Umgebungstemperatur
6. Fahrplan
Die bisherigen Ergebnisse lassen optimistisch in die Zukunft blicken. Das Konzept für die
dauerhafte Kühlung von Sonden-Elektronik ist vielversprechend und wird weiter verfolgt. Dazu
werden die Bemühungen zur Realisierung von Prototypen sowie der messtechnischen Validierung
von Komponenten und Prozessen verstärkt. Um eine optimale Ausrichtung an möglichen
Anwendungen zu gewährleisten, werden die dafür jeweils wichtigen Randbedingungen vermehrt in
die konstruktiven und analytischen Arbeiten integriert.
Im Laufe der kommenden 3 Jahre soll ein einsatzfähiges System realisiert werden, mit dem erste insitu
Tests durchgeführt werden können.
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Holbein, Isele
Quellenangaben
ANDREAS EBERLE: Voruntersuchung zum Entwurf eines Kühlmoduls für
Bohrlochsonden auf Basis von Peltierelementen. Praxisbericht BA, Karlsruhe, 2009
BENEDICT HOLBEIN: Development of a cooling system for geothermal
borehole probes. 38th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford,
Kalifornien, Feb. 2013
CEDRIC STRUBEL: Entwicklung eines Kühlsystems für eine Geothermie
Bohrlochsonde. Masterarbeit HS Karlsruhe und ENSMM Besançon, 2010
UMWELT BUNDES AMT: „Energieziel 2050: 100% Strom aus
Erneuerbaren Quellen“
Karlsruher Institut für Technologie KIT, Herrmann von Helmholtz Platz 1, 76137 Eggenstein-
Leopoldshafen
Benedict.holbein@kit.edu
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Dateiname: Benedict-Holbein_DGK2013_Tagungsband_30.09.13
Verzeichnis:
D:\DOKS\KOngresse_Veröffentlichungen\Kongresse_fertig\D
GK2013\DGK 2013_Prä+text
Vorlage:
Z:\Tagungen\egc07\egc2007_1c.dot
Titel:
Thema:
Autor:
Cigdem Tolali
Stichwörter:
Kommentar:
Erstelldatum: 30.09.2013 12:29:00
Änderung Nummer: 2
Letztes Speicherdatum: 30.09.2013 12:29:00
Zuletzt gespeichert von: Holbein, Benedict
Letztes Druckdatum: 13.12.2013 10:33:00
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