Theoretische und Experimentelle Kältemittel- und Dichtungsauswahl und Komponentenentwicklung zur Langzeitkühlung von Elektronik in Untertagewerkzeugen

Die Geothermie birgt ein enormes energetisches Potential, welches im Hinblick auf die
Energiewende eine entscheidende Rolle als grundlastfähige erneuerbare Energieressource
und mehr noch für die vielfach vernachlässigte Wärmewende spielen kann.
Um ihr Potential flächendeckend und effizient auszuschöpfen müssen Erschließung und
Nutzung der Wärme aus großen Tiefen ingenieurtechnisch beherrschbar gemacht und
zugehörige energetische Prozesse durch umfassende physikalische und chemische Daten aus
Bohrlöchern wissenschaftlich analysiert werden.
Für die ingenieurtechnische Erschließung und Beherrschung geothermischer Wärmequellen
... mehr
und deren wissenschaftliche Untersuchung gleichermaßen sind geeignete Werkzeuge
notwendig, die, bei den Untertage vorliegenden, extremen Umgebungsbedingungen,
zuverlässig arbeiten. Die größte Herausforderung neben beschränkten Platzverhältnissen,
teilweise vorliegenden hohen Umgebungsdrücken und korrosiven Umgebungsmedien sind
hohe Temperaturen. Diese erschweren den Einsatz von Mess-, Steuerungs- und
Datenverarbeitungselektronik, die in der Vielzahl nur bis 90°C arbeiten können. Komplexere
Operationen, die mit der vorhandenen rudimentären Elektronik für den
Hochtemperaturbereich oberhalb 200 °C nicht darstellbar sind, benötigen daher
Kühlsysteme, die eine Zerstörung hitzeempfindlicher Bauteile für den Zeitraum der
Untertageeinsätze verhindern. Vorhandene Systeme basieren auf unterschiedlichen
thermodynamischen und thermophysikalischen Effekten, haben jedoch gemein, dass sie eine,
innerhalb des Untertagewerkzeugs liegende Wärmesenke nutzen und somit nur zur
temporären Kühlung eingesetzt werden können. Zwar ist dies für viele Einsätze ausreichend,
stellt aber eine Beschränkung dar, die Langzeiteinsätze für die Messung sich langsam
ändernder Parameter, stationäre Prozessüberwachung oder Einsätze mit ungewisser Dauer
wie Reparaturen und andere verhindert.
Ein Kühlsystem für die dauerhafte Kühlung hitzeempfindlicher Bauteile in
Untertagewerkzeugen würde die Bandbreite möglicher Einsätze vergrößern und die
Entwicklung neuer komplexer Werkzeuge befördern.
Die vorliegende Arbeit umfasst wissenschaftliche Grundlagen von Kühlprozessen und
Teilprozessen, die dauerhaft bei Umgebungstemperaturen über 200 °C ablaufen können,
sowie grundlegende und prototypische Ingenieurslösungen für dafür notwendige
Komponenten. Basierend auf dem bekannten Prinzip der Kompressionskältemaschine habe
ich dafür theoretisch und auf Experimente gestützt eine experimentelle Kältemittel- und
Materialauswahl kritischer Komponenten vorgenommen sowie Lösungsansätze für
Teilsysteme und prototypische Konstruktionen einzelner Maschinenkomponenten unter
Berücksichtigung extremer Randbedingungen für tiefengeothermische Werkzeuge,
entwickelt.
Diese Arbeit liefert damit die wissenschaftlichen und ingenieurstechnischen Grundlagen für
die Realisierung einer Kältemaschine für Elektronik in Untertagewerkzeugen.

Geothermal Energy provides a huge energetic potential, which can play a major role
regarding the energy shift, as baseload renewable and furthermore for the barely targeted
heat supply change.
For a comprehensive and efficient usage of geothermal energy, the exploration and
exploitation of heat from great depth must become controllable with engineering techniques
and related energetic processes need to be analyzed scientifically, with physical and
chemical data from boreholes.
For engineered geothermal systems and controlled heat production from great depth and
... mehrscientific investigation of deep boreholes on the other hand, suitable tools, which work
reliably at actual extreme downhole conditions are required. Besides limited space, partly
high ambient pressures and corrosive surrounding media, high temperatures are the biggest
challenge. They make the usage of measurement, control and data processing electronics
difficult, which in most cases cannot work above 90 °C. Complex operations, which are not
manageable with existing rudimentary high temperature electronics for temperatures above
200 °C, therefore require cooling systems, which prevent heat sensitive components from
destruction during the downhole operation period. Existing systems are based on different
thermodynamic and thermophysical principles but have in common, that they need a heat
sink within the respective tool. Hence, they only allow temporary cooling. Indeed this is
sufficient for various operations but it represents a limitation for the measurement of
parameters, changing in long terms, stationary process monitoring or operation with
undefined durance as repair and others.
A cooling system for permanent cooling of heat sensitive components in downhole tools
would extend the bandwidth of possible operations and trigger the development of new
complex tools.
The present work covers scientific basics of cooling processes and sub-processes, which can
run permanently at ambient temperatures above 200 °C, as well as basic and prototypical
engineering solutions for required components. Based on the principle of the compressioncooling
machine, I performed theoretical and experimental investigations to select
refrigerants as well as materials for critical components and developed solutions for
subsystems and prototypical designs for machine components, considering the extreme
constraints for geothermal downhole tools.
This work thereby provides the scientific and engineering basis for the realization of a
cooling machine for electronics in downhole tools.