Phasenwechselsonden

Phasenwechselsonden stellen ein innovatives Verfahren zur Erdwärmegewinnung in geschlossenen Systemen dar. Die Sonden bestehen aus einem senkrechten Rohr, welche üblicherweise Teufen zwischen 60 und 200 m erreichen. Als Rohre werden Glattrohre oder strukturierte Rohre verwendet, welche aus Edelstahl, beschichtetem Stahl bzw. Kupfer oder aus PE bestehen [1].  

Abb.: Funktionsprinzip einer Phasenwechselsonde [2]

Im Inneren der Sonde zirkuliert ein Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt, z. B. Propan oder Kohlenstoffdioxid. Im Sondenkopf, in Höhe der Erdoberfläche, wird dieses dabei flüssig als Film aufgegeben, welcher gravitationsgetrieben nach unten fließt. Hierbei wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung entlang des Rohrumfangs angestrebt. Durch die steigende Rohrwandtemperatur mit zunehmender Teufe in Richtung Sumpf verdampft das Kältemittel, wobei dem Erdreich Wärme entzogen wird. Das entstehende Gas steigt durch den Dichteunterschied ebenfalls schwerkraftgetrieben  im Inneren des Rohres und damit des Flüssigkeitsfilms nach oben. Somit erfolgt die Umwälzung rein natürlich, wodurch keine Pumpen erforderlich sind. Im Bereich des Sondenkopfs der Phasenwechselsonde kann durch einen nachgeschalteten Wärmeübertrager das gasförmige Kältemittel kondensieren und die hier frei werdende Wärme auf einen weiteren Kreislauf übertragen werden, welcher eine Wärmepumpe speist. Wird das sich in der Sonde befindliche Kältemittel unmittelbar und ohne den Einsatz eines Wärmeübertragers in die Wärmepumpe geleitet, so wird von einer Direktverdampfersonde gesprochen. Hierbei ergeben sich keine thermischen Übertragungsverluste, die beim Durchgang durch den Wärmeübertrager entstehen würden. Allerdings besteht hierbei nicht die Möglichkeit, dass unterschiedliche Kältemittel eingesetzt werden können. Mithilfe von Phasenwechselsonden ist jedoch im Gegensatz zu Solesonden  keine Kühlung möglich [1].

Literatur

[1] Storch T., Grab T., Groß U. (2018) Geothermische Phasenwechselsonden als Wärmeentzugssystem. In: Bauer M., Freeden W., Jacobi H., Neu T. (Hrsg) Handbuch Oberflächennahe Geothermie. Springer Spektrum, Berlin, S. 409–449
[2] Grab. T. (2015) Verbesserung der Filmverteilung auf Fallfilmverdampferoberflächen am Beispiel geothermischer Phasenwechselsonden, Disseration, TU Bergakademie Freiberg