| Patentansprüche 1. Schutzeinrichtung (10) zum Auffangen eines in ein Gewässer entweichenden Fluids (22), wobei die Dichte des Fluids (22) gleich oder geringer als die Dichte von Wasser ist, gekennzeichnet durch a) eine für das Fluid (22) undurchlässige, kuppeiförmige Membran ( 12 ) ; b) individuell navigierbare, an der Membran (12) angebrachte Schwebekörper (17) zur Positionierung und Stabilisierung der Membran ( 12 ) ; c) mindestens einen Auslassschlauch (102) zur Ableitung des Fluids (22), wobei ein erstes Ende des Auslassschlauchs (102) an der Membran (12) angebracht ist; und durch d) individuell navigierbare, an dem Auslassschlauch (102) angebrachte Schwebekörper (17) zur Positionierung und Stabilisierung des Auslassschlauchs (102). 2. Schutzeinrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassschlauch (102) aus mehreren, miteinander gekoppelten Schlauchsegmenten besteht. 3. Schutzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassschlauch (102) mindestens ein Rückschlagventil aufweist, wobei das Rückschlagventil sperrt, sobald die Strö¬ mungsgeschwindigkeit des Fluids (22), das aus der Membran (12) durch den Auslassschlauch (102) strömt, einen Schwellwert überschritten hat oder eine Umkehr der Strömungsrichtung des Fluids (22) erfolgt. 4. Schutzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) mindestens eine Öffnung (20) aufweist, um Fische (24) und/oder U-Boote passieren zu lassen. 5. Schutzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Oberflächenstation (104) zum Zwischenspeichern und Abpumpen des Fluids (22), wobei ein zweites Ende des Auslass- schlauchs (102) an der Oberflächenstation (104) angebracht ist. 6. Schutzeinrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstation (104) einen kuppelfömigen Tank (106) zum Sammeln des Fluids (22) aufweist. |
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung, um Fluide, seien sie gasförmig oder flüssig, am unkontrollierten Entwei- chen in ein Gewässer, z. B. aus einer Verwerfung im Gewässergrund oder aus der defekten Steigleitung eines Bohrlochs, zu hindern .
Stand der Technik
Blow-Out Preventer (BOP) sind Absperrventile, die direkt ü- ber dem Bohrloch angebracht werden. Derzeit werden Blow-Out Preventer genutzt, um im Falle einer Beschädigung der För- dereinrichtungen zu verhindern, dass das austretende Fluid unkontrolliert in die Umgebung gelangt.
Die Katastrophe im Golf von Mexiko zeigt aber, dass bisher noch kein schnell einsatzbereiter, funktionsfähiger Mechanismus existiert, um das unkontrollierte Ausströmen von Gasen und Flüssigkeiten wirksam zu unterbinden bzw. entweichende Fluide kontrollieren zu können.
Als nachteilig erweist sich zum einen der Verlust des Fluids und zum anderen, hier viel bedeutender, die Verseuchung der Um- weit mit den daraus resultierenden Gefahren und Schäden.
Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein in ein Gewäs ¬ ser einströmendes oder in einem Gewässer schwebendes Fluid mit einer Dichte, die gleich oder geringer ist als die Dichte von Wasser, zu sammeln, von Wasser zu trennen und einer Weiterverarbeitung oder Entsorgung zuzuführen. Derartige Fluide sind zum Beispiel aus einem Bohrloch entweichendes oder entwichenes Öl oder Gas .
Lösung
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum In- halt dieser Beschreibung gemacht.
Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung zum Auffangen eines in ein Gewässer entweichenden Fluids umfasst eine für das Fluid undurchlässige, ggf. kuppeiförmige Membran aus einem geeigneten Material, wie etwa Folie oder Gewebe. Die Membran kann bei- spielsweise aus einer Kunststofffolie gefertigt sein, die ih ¬ rerseits zum Schutz vor Zerstörung durch das Fluid z.B. mit einer Metallschicht bedampft werden kann. Alternativ kann die Membran z.B. aus einem Metallgeflecht bestehen, das zur Abdichtung mit einem Kunststoff beschichtet ist.
Geeignet ist ein flexibles Material, das gegenüber dem Fluid beständig ist, d. h. dessen physikalische Eigenschaften sich bei Kontakt mit dem Fluid nicht verändern. Es kann auch texti- les Material z.B. Kohlenstofffaser oder ein Metallgeflecht zur Anwendung kommen, das zur Abdichtung mit einer geeigneten Substanz, ggf. mit einem Kunststoff, einem Polymer auf pflanzlicher Basis oder einem Biopolymer beschichtet ist. Ferner eignen sich gewisse Kunststofffolien bzw. Folien aus einem Polymer auf pflanzlicher Basis und ggf. Biopolymere.
Die Form der Membran und ihre Größe werden vorzugsweise durch Mechanismen, wie z. B. durch Reffleinen, Knopfmechanis- men, Reißverschlüsse oder entsprechend automatisch kontrollier- te Seilzüge den notwendigen Bedingungen angepasst.
Ein Objekt, wie etwa die Membran, bezeichnet man allgemein als kuppeiförmig, wenn die Oberflächen des Objekts jeweils eine Oberfläche eines Abschnitts eines konvexen Körpers bilden. Un ¬ ter einem Abschnitt eines Körpers ist ein Teilkörper zu verste- hen, dessen Punkte sämtlich auf der gleichen Seite einer unbegrenzten Fläche, beispielsweise einer Ebene, liegen. So ist ei ¬ ne Kalotte ein Abschnitt eines Rotationskörpers, der aus einem Kegelschnitt entstanden ist. Eine Kugelkalotte ist ein Ab ¬ schnitt einer Kugel. Vorzugsweise hat die Membran die Form ei- ner Kalotte oder eines Abschnitts eines konvexen Polyeders.
Zur Positionierung und Stabilisierung der Membran sind vorzugsweise Schwebekörper an der Membran angebracht. Diese sind individuell, d. h. jeder für sich, in allen Raumrichtungen navigierbar. Die Positionierung der Schwebekörper kann automa- tisch, das heißt programmgesteuert, oder per Fernsteuerung erfolgen. Zur Verwendung als erfindungsgemäße Schwebekörper eignen sich ferngesteuerte Wasserfahrzeuge (ROV, „Remotely Opera- ted Vehicle") oder autonome Wasserfahrzeuge (AUV, „Autonomous Underwater Vehicle") .
Durch die Verwendung einer dünnen, flexiblen Membran, die lediglich durch die Schwebekörper gehalten wird, können erfin- dungsgemäße Schutzeinrichtungen in nahezu beliebiger Größe realisiert werden. Insbesondere werden sehr groß dimensionierte Membranen ermöglicht.
Nach unten hin kann die Membran mit einer entsprechend ausgeformten oder formbaren Lippe abschließen. Statt der Schwebe- körper können an der Lippe Gewichte, d. h. Elemente, deren
Dichte die Dichte von Wasser übersteigt, angebracht sein. Vor ¬ zugsweise schwimmt die Membran aber frei in einer vorbestimmten Tiefe, wobei eine Positionierung der Membran ausschließlich durch die Schwebekörper erfolgt.
Die Membran wird vorzugsweise in gefaltetem Zustand in das
Gewässer eingelassen. Sollen in dem Gewässer schwebende Fluide, deren Dichte der Dichte von Wasser gleicht, gesammelt werden, so entfalten vorzugsweise die Schwebekörper die Membran über den schwebenden Fluiden. Hiernach wird die Membran abgesenkt. Dies hat zur Folge, dass die schwebenden Fluide von der Membran eingeschlossen und somit aufgefangen werden.
Strömt das Fluid aus einer Quelle, etwa einem leckgeschlage ¬ nen Bohrloch, in das Gewässer ein, und ist die Dichte des Fluids geringer als die Dichte von Wasser, positionieren die
Schwebekörper die Membran vorzugsweise in gefaltetem Zustand über der Quelle. Aufsteigendes Fluid trifft nun auf die Membran und strömt in die Membran ein. Aufgrund des Auftriebs des Flu ¬ ids entfaltet sich infolgedessen die Membran.
Um die Handhabung, das heißt die Navigation, die Positionie- rung und die Stabilisierung der Membran durch die Schwebekörper zu erleichtern, ist die Dichte der Membran vorzugsweise gleich oder geringer als die Dichte von Wasser. Dies kann fertigungs ¬ bedingt sein oder durch entsprechendes spezifisches Gewicht oder ggf. durch entsprechende Gas- oder Festkörpereinschlüsse erreicht werden.
Bei sehr großen Volumina kann die Wandung tiefenbezogen aus in Bezug auf das spezifische Gewicht unterschiedlich gefertig- ten Anteilen bestehen. Mit anderen Worten: Die Membran besteht aus mindestens zwei Segmenten, wobei die Dichten der mindestens zwei Segmente sich unterscheiden. Vorzugsweise ist dabei die Dichte eines ersten der mindestens zwei Segmente geringer als die Dichte eines zweiten der mindestens zwei Segmente, wenn das erste der mindestens zwei Segmente bzw. der Schwerpunkt von dessen Auftrieb in Bezug zur Wasseroberfläche höher angeordnet, d. h. sich näher an der Wasseroberfläche befindet, ist als das zweite der mindestens zwei Segmente bzw. der Schwerpunkt von dessen Auftrieb. Infolgedessen erzeugen höher angeordnete Seg- mente einen größeren Auftrieb als tiefer angeordnete Segmente. Dies vereinfacht die Positionierung der Membran durch die Gewichte und/oder Schwebekörper.
Um eine ordnungsgemäße Funktion der Schutzeinrichtung zu gewährleisten, ist die Installation von Sensoren und/oder Überwa- chungskameras vorgesehen. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, auch die Schwebekörper mit Kameras auszustatten.
An der Membran sind ein oder mehrere Auslassschläuche ange ¬ bracht. Darüber wird das Fluid in Richtung der Wasseroberfläche abgeführt. Ist die Dichte des Fluids geringer als die Dichte von Wasser, so ist hierzu keine Pumpe erforderlich. Ein Ventil an der Schnittstelle zwischen dem Auslassschlauch und der Membran verhindert ein unkontrolliertes Ausströmen des Fluids. Das Ventil kann ferngesteuert werden. Alternativ ist eine durch Füllstandssensoren gesteuerte, automatische Betätigung des Ven- tils möglich.
Der Auslassschlauch sollte aus einem flexiblen Material bestehen, dessen Dichte vorzugsweise gleich oder geringer ist als die Dichte von Wasser. Dies kann eine Beschädigung der Membran durch den Auslassschlauch verhindern. Weiterhin vereinfacht sich die Positionierung und Stabilisierung des Auslass- schlauchs .
Zur Positionierung und Stabilisierung des Auslassschlauchs sind Schwebekörper der oben beschriebenen Art (also individuell navigierbar) an dem Auslassschlauch angebracht.
In Abhängigkeit von der Tiefe des Gewässers ist ein Auslass ¬ schlauch unterschiedlicher Länge erforderlich. Vorzugsweise be- steht der Auslassschlauch daher aus mehreren miteinander gekoppelten Schlauchsegmenten.
Bei einer Beschädigung des Auslassschlauchs besteht die Ge ¬ fahr, dass das abgeleitete Fluid aus der beschädigten Stelle in das Gewässer strömt. Dies wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch mindestens ein Rückschlagsventil verhindert, das so in dem Auslassschlauch angeordnet ist, dass es von der Membran in Richtung Wasseroberfläche strömendes Flu ¬ id zurückhalten kann. Bei einer Beschädigung des Auslass- schlauchs erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit bzw. ändert sich die Flussrichtung des Fluids, das aus der Membran durch den Auslassschlauch strömt. Sobald die Strömungsgeschwindigkeit einen Schwellwert überschritten hat bzw. eine Umkehr der Strömungsrichtung erfolgt, sperrt das Rückschlagventil. Liegt die Strömungsgeschwindigkeit unterhalb des Schwellwertes, ist das Rückschlagventil hingegen durchgängig.
Um dies zu erreichen, kann einerseits in einer Flussrichtung ein übliches, mechanisches Rückschlag-Ventil eingebaut sein. Andererseits kann entgegen der Flussrichtung ein durch eine Fe- der vorgespanntes Rückschlagventil eingebaut sein, das der
Strömung des Fluids nur bis zu einer bestimmten Strömungsge ¬ schwindigkeit widerstehen kann. Die Federvorspannung kann das Ventil nur bis zu dieser Strömungsgeschwindigkeit offen halten, danach wird das Ventil durch die Strömung bzw. den damit einhergehenden Druck entgegen der Federvorspannung geschlossen.
Für Fische und bei einer entsprechenden Größe der Membran auch für U-Boote, die sich im Innern der Membran befinden, stellt das eindringende Fluid eine Gefahr dar. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung der Schutzeinrichtung weist daher Öffnungen, sogenannte Fisch- bzw. Bootstore, auf, durch welche die Fische und/oder U-Boote aus der Membran in das Gewässer entweichen können.
Die Fisch- bzw. Bootstore können als verschließbare, in Richtung des Gewässergrunds geneigte Aussparungen in der Memb ¬ ran ausgeführt sein. Durch die Neigung der Fisch- bzw. Bootstore wird Fluid, dass in die Membran einströmt an den Fisch- bzw. Bootstoren vorbeigeleitet. Solange der Pegel des innerhalb der Membran befindlichen Fluids sich oberhalb der Fisch- bzw.
Bootstore befindet, kann infolgedessen kaum Fluid durch die Fisch- bzw. Bootstore in das Gewässer entweichen. Sammelt sich so viel Fluid innerhalb der Membran, dass der Pegel des Fluids bis zu den Fisch- bzw. Bootstore sinkt, werden die Fisch- bzw. Bootstore verschlossen.
Die Fisch- bzw. Bootstore sind alternativ jeweils als ein Rüssel ausgeführt. Die erste von zwei Öffnungen des Rüssels ist entlang des Randes einer Aussparung in der Membran mit der Membran verbunden. Vorzugsweise besteht der Rüssel aus dem gleichen Material wie die Membran. Ringförmige Verstärkungen entlang des Rüssels verhindern, dass der Rüssel kollabiert.
Zur Positionierung und Stabilisierung des Rüssels sind Schwebekörper der oben beschriebenen Art an dem Rüssel ange- bracht. Damit kein Fluid aus dem Rüssel entweichen kann, rich ¬ ten die Schwebekörper den Rüssel so aus, dass die zweite, in Richtung des Gewässers weisende der zwei Öffnungen des Rüssels sich unterhalb des Pegels des innerhalb der Membran befindli ¬ chen Fluids befindet.
Die Fisch- bzw. Bootstore können darüber hinaus dem Ausgleich von Strömungen, die auf die Membran einwirken, dienen.
Ein zweites Ende des Auslassschlauchs ist in einer bevorzug ¬ ten Ausführungsform der Erfindung an einer Oberflächenstation zum Zwischenspeichern und Abpumpen des Fluids angebracht. Damit die Belastung der Oberflächenstation durch die Gewichtskraft des Auslassschlauchs möglichst gering ist, sollte die Dichte des Auslassschlauchs gleich oder geringer als die Dichte von Wasser sein.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die Oberflächensta ¬ tion nicht fixiert ist, etwa durch Verankerung am Boden des Ge- wässers. Stattdessen schwimmt die Oberflächenstation frei auf dem Gewässer und kann damit den Bewegungen der Membran, die gleichfalls freischwimmend ist, folgen. Vorzugsweise weist die Oberflächenstation eine oder mehrere Steuer- bzw. navigierbare Antriebseinheiten zur Positionierung und Stabilisierung auf. Zum Schutz vor Beschädigung durch Unwetter oder zum Schutz vor militärischen Angriffen kann die Oberflächenstation mitsamt einem dazugehörigen Tank auch durch entsprechende Schwebekörper und Tariereinrichtungen in einer vorbestimmten Tiefe unter Wasser gehalten werden.
Das in der Oberflächenstation aus dem Auslassschlauch austretende Fluid wird vorzugsweise in einem kuppeiförmigen, zu der Oberflächenstation gehörigen Tank, etwa nach Art freitragender Hallen oder durch entsprechende Einrichtungen in einer solchen gehalten, gesammelt. Dabei befindet sich die untere
Öffnung des Tanks auf bzw. unterhalb der Wasseroberfläche. In den Tank eintretendes Fluid schwimmt somit innerhalb des Tanks auf der Wasseroberfläche. Wässrige Bestandteile, die möglicher- weise in dem Fluid enthalten sind, werden auf diese Weise ohne den Einsatz spezifischer Hilfsmittel von dem Fluid getrennt und in das Gewässer zurückgeführt.
An der Trennfläche zwischen dem Fluid und dem Wasser kann es zu einer Konvektion des Fluids in das Wasser kommen. Diesen Effekt unterbindet vorzugsweise eine Sperrschicht zwischen dem Fluid und dem Wasser. Diese Sperrschicht wird ggf. gebildet durch eine in den Tank eingefüllte Flüssigkeit, deren Dichte höher als die Dichte des Fluids und geringer als die Dichte von Wasser ist. Sie kann auch als Membran aus geeignetem Material - aus Folie oder aus textilem Material - ausgeführt werden.
Um zu verhindern, dass bei einer Beschädigung der Oberflächenstation unkontrolliert viel Fluid austreten kann, ist der Tank vorzugsweise in mehrere Sektionen unterteilt.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem Aus ¬ lassschlauch sowie einer Oberflächenstation; und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit einem
Fischtor . In Figur 1 ist eine Schutzeinrichtung 10 dargestellt deren Membran 12 über einer Verwerfung 14 im Gewässergrund 15, aus der ein Fluid austritt, bzw. über einer defekten Steigleitung 16, aus der ein Fluid austritt, entfaltet wurde. Die individu- eil navigierbaren Schwebekörper 17 positionieren die Membran 12, so dass sie sich über der Verwerfung 14 bzw. über der defekten Steigleitung 16 befindet. Ist die Dichte des Fluids ge ¬ ringer als die Dichte von Wasser, steigt das Fluid auf und sam ¬ melt sich in der Membran 12.
Um die Membran 12 widerstandsfähig gegenüber den Auftriebskräften des Fluids und gegenüber Meeresströmungen zu machen, ist sie mit Verstärkungsstreben 18 versehen. Die Verstärkungsstreben 18 können beispielsweise auch aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen. Die Membran 12 kann ebenso durch Druckleitungen stabilisiert werden .
Ein Adapterblock 100, der an der höchsten Stelle der Membran 12 angebracht ist, koppelt die Membran 12 mit dem Auslass ¬ schlauch 102. Der Adapterblock 100 weist Ventile und Steuerme- chanismen sowie notwendiges Mess- und Regelwerk auf. Schwebe ¬ körper (nicht gezeichnet) positionieren den Adapterblock 100. Kameras und Sensoren kontrollieren den Zustand und die Funktion des Adapterblocks 100.
Ebenso halten individuell navigierbare Schwebekörper 17 den Auslassschlauch 102 in Position.
Ein Ventil in dem Adapterblock 100 gibt bei Bedarf das innerhalb der Membran 12 gesammelte Fluid frei. Dieses strömt in ¬ folgedessen durch den Auslassschlauch 102 in die Oberflächenstation 104. Hier sammelt sich das Fluid in dem kuppeiförmigen Tank 106. Dieser kann aus geeigneten Materialen, aus Folie oder textilem Material, aber auch z.B. aus Feststoffen wie Stahl gefertigt sein. An der Oberflächenstation 104 befinden sich alle notwendigen technischen Konnektoren 105 zum Anschluss an Tankschiffe, zur umweltgemäßen Entsorgung oder zur direkten Weiterverarbeitung des Fluids.
Die Oberflächenstation 104 schwimmt frei auf der Wasseroberfläche 107, so dass von unten Wasser in den Tank 106 eindringen kann. Auf dem Wasser, innerhalb des Tanks 106, schwimmt das Fluid. Darüber, ebenfalls in dem Tank 106, befindet sich Luft.
Durch Änderung des Volumens der Luft kann der Auftrieb der Oberflächenstation 104 austariert werden. Alternativ weist die Oberflächenstation 104 einen oder mehrere Schwimmkörper 108 auf .
Eine umlaufende Ankerlippe 110 umschließt die Öffnung des Tanks 106. Die Ankerlippe 110 verhindert ein seitliches Abströ- men des Fluids.
Die in Figur 2 dargestellte Membran 12 weist ein Fischtor 20 - eine verschließbare, in Richtung des Gewässergrunds 15 ge ¬ neigte Öffnung - auf. Durch die Neigung des Fischtors 20 wird verhindert, dass das aus der Verwerfung 14 im Gewässergrund 15 ausströmende Fluid 22 in das Gewässer entweichen kann, solange der Füllstand der Membran noch hinreichend klein ist. Demgegenüber können Fische 24 die Membran 12 durch das Fischtor 20 verlassen .
Bezugs zeichen
Schutzeinrichtung
Membran
Verwerfung
Gewässergrund
defekte Steigleitung
Schwebekörper
Verstärkungsstrebe
Adapterblock
Auslassschlauch
Oberflächenstation
Konnektor
Tank
Wasseroberfläche
Schwimmkörper
Ankerlippe
Fischtor
Fluid
Fisch
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