Energie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzbarma¬ chung von geothermischer Energie, bei der ein Förderrohr zum Aufstieg eines darin befindlichen, von der geother- mischen Energie erhitzten und ggf. in Dampfform überführten Mediums in die Erdkruste abgeteuft ist.

Vorrichtungen zur Nutzbarmachung von geothermischer En¬ ergie sind bereits seit langem bekannt. Sie arbeiten je¬ doch häufig mit nicht geschlossenen Systemen, bei denen ein Fluid in heißes Gestein gepumpt und, teilweise an anderer Stelle, nach Erwärmung wieder an die Oberfläche transportiert wird. Dabei wird häufig der

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durch die Erwärmung entstehende Fluiddruck, am Beispiel von Wasser z. B. auch der Druck des Wasserdampfes, zum Auftrieb benutzt. Ein derartiges Verfahren ist bspw. aus der DE-OS 29 04 140 bekannt, in der ein aus Wasser und einem Ke on bestehendes Arbeits luid in einen Einfüllschacht eingeleitet wird, und nachdem es eine geothermische Speicherformation passiert hat, in einem Abgabeschacht wiedergewonnen und zu Dampf umgewandelt wird. Ein derar¬ tiges Verfahren hat, insbesondere wenn noch ein Keton beigemischt wird, den starken Nachteil, daß nur ein Teil des eingesetzten Arbeitsfluids wieder zurückgewonnen wird, und daß durch den nicht geschlossenen Kreislauf evtl. Verunreinigungen in das wiedergewonnene Arbeits- fluid eingebracht werden können. Dies ist, insbesondere bei der Verwendung von Turbinen, die die Energie des Dampfes in elektrische Energie umwandeln sollen, höchst unerwünscht. Die Verunreinigungen würden zu Ablagerungen und Abnutzungen führen.

Ein weiterer Nachteil solcher offenen Systeme ist es, daß die potentielle Energie, die zum Aufsteigen des Dampfes aufgebracht werden muß, nicht schon beim Herab¬ bringen des Arbeitsfluides entsprechend ausgenutzt wird. Eine derartige Ausnutzung der potentiellen Energie, die insbesondere in Form eines sehr hohen Flüssigkeits¬ druckes am unteren Ende einer Fluidsäule in Erscheinung tritt, wird beispielsweise in der DE-OS 29 07 338 ge¬ nutzt, in der eine sogenannte Tiefschachtfallkraftanlage beschrieben ist. Die dortige Anlage ist jedoch hochkom¬ pliziert, beinhaltet einen Verbrennungsmotor, und berück¬ sichtigt nicht, daß eine Erwärmung des Arbeitsfluids bereits durch geothermische Energie (wenn auch in gering¬ erem Maße) möglich ist. Daher ist es bei Kenntnis der dort vorgeschlagenen Vorrichtung nicht möglich, in ein¬ facher Weise geothermische Energie zusammen mit der

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potentiellen Energie, die beim Abstieg des Mediums frei wird, zu nutzen. Insbesondere hat sich bei einer der¬ artigen Anlage herausgestellt, daß eine Temperaturerhöhung von Wasser auf 150°C ab einer gewissen Tiefe des Schach¬ tes nicht zur Dampferzeugung ausreicht, da ein derarti¬ ger Druck herrscht, daß zugeführtes flüssiges Medium bei dieser Temperatur nicht dampfförmig wird.

Es ist daher der Versuch gemacht worden, andere Fluide als Wasser zu verwenden. Dabei ist z.B. in der DE-OS

29 18 001 Frigen 22 (Monochlordifluormethan) mit einem Sie¬ depunkt von ca. -41°C vorgeschlagen worden, das schon bei der in niedrigen Tiefen stattfindenden Erwärmung verdampfen würde. Ein derartiges Arbeitsfluid, das in Gro߬ anlagen aufgrund seiner mangelnden Umweltverträglichkeit nicht einsetzbar ist, könnte nach dem umgekehrten Prinzip des Kühlschrankes Verwendung finden. Damit ist jedoch im wesentlichen auch nur ein herkömmlicher Wärmetauscher be¬ schrieben. Die speziellen Probleme und Möglichkeiten, die durch die Nutzung geothermischer Energie in größeren Tiefen auftreten, nämlich Erhöhung des Druckes in einer Flüssig¬ keitssäule im Vergleich zu dem Druck an der Erdoberfläche und die erhebliche Temperatur in größeren Tiefen der Erd¬ kruste, werden weder von der Anlage gelöst, noch sind sie überhaupt erkannt worden.

Nach dem gleichen Prinzip arbeitet auch das in der DE-OS

30 15 307 beschriebene Verfahren zur Umwandlung von Wär¬ me in mechanische Energie. Nur wird u.a. Propan als Me¬ dium vorgeschlagen, was bei großen Anlagen Sicherheits¬ risiken in sich birgt.

Es ist auch noch die DE-OS 34 33 057 zu nennen, in der ein Verfahren und eine Einrichtung für die Gewinnung elektrischer oder mechanischer Energie aus heißer geo-

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thermischer Sohle nach einem Rankine-Prozeß beschrieben wird. Der dort beschriebene Kreisprozeß für eine Sohle, der dem Carnot-Kreisprozeß für ideale Gase entspricht, setzt jedoch eine komplizierte und störanfällige bzw. wartungsaufwendige Vorrichtung voraus, denn es wird die Sohle erst entspannt und der aus der Sohle entstehende Dampf nachfolgend kondensiert, und dessen Kondensations¬ wärme an das Arbeitsmedium im sekundären Kreislauf zu dessen Filmverdampfung in Nachschaltung zu einer mehr¬ stufigen Erwärmung des flüssigen Arbeitsmediums bis zu seinem Verdampfungspunkt übertragen.

Das dort beschriebene Verfahren berücksichtigt nicht, daß Wasser unter höheren Drücken später siedet, und daß zur Erlangung der kritischen Temperatur, d. h. der Tem¬ peratur, an der Wasser unabhängig vom Druck siedet (374°C) eine sehr tiefe Erdbohrung nötig wäre. Eine der¬ artig tiefe Bohrung ist nicht möglich, da die Reißlänge des Stahls, d,h. die Länge eines Stahlrohres, das an sich selber aufgehängt werden kann, bevor der Stahl durch sein eigenes Gewicht reißt, kürzer ist. Ein so be¬ schriebenes Verfahren kann also nur an speziellen Punk¬ ten in der Nähe vulkanischer Tätigkeit der Erdkruste oder dgl. benutzt werden.

Zu nennen sind weiter die DE-OS 25 38 344 und die DE-OS 27 49 502 sowie die DE-PS 27 15 499, die jeweils das Wärmepumpenprinzip in verschiedenen Ausführungsformen näher beschreiben, jedoch nicht die potentielle Energie des herabströmenden Fluides nutzen.

Abschließend ist noch die europäische Patentschrift 0 118 788 Bl zu nennen, in der ein Verfahren zur Nutz¬ barmachung von geothermischer Energie beschrieben wird, in der die Flüssigkeit in einem DampffOrderröhr als

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filmartige Schicht herabrieselt und durch die Einwirkung der geothermischen Energie verdampft wird, worauf sich in dem Dampfförderröhr ein den atmosphärischen Druck über¬ steigender Überdruck einstellt, wobei weiter gefordert wird, daß die Flüssigkeit in dem Dampffδrderrohr eine spezifische Verdampfungswärme von wenigstens 1000 kj/m3 gesättigten Dampfes aufweist. Eine derartige Vorrichtung vermag durch das Herabrieseln der Flüssigkeit an der Rohrinnenwand nicht zu verhindern, daß sich Dampf auf dem kalten sich im oberen Teil des Rohres befindlichen herabrieselnden Flüssigkeitsteil niederschlägt und kann die durch die hohe Flüssigkeitssäule entstehenden hohen Drücke in der Flüssigkeit nicht nutzen. Daher muß sie suboptimal bleiben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, geothermi¬ sche Energie mit geringem technischen Aufwand nutzbar zu machen, insbesondere dabei die potentielle Energie her¬ abströmenden Mediums zu nutzen, und dies mit für die Um¬ welt ungefährlichen Mitteln und einem geringen Wartungs¬ aufwand zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein zweites, äußeres Rohr zur Zufuhr des Mediums in die Tiefe vorgesehen ist, welches das Fδrderrohr umgibt, und ein Abschlußstück, welches das äußere Rohr druckdicht gegen das umgebende Gestein oder dgl. abschließt wobei das Fδrderrohr in seinem unteren Abschlußbereich mit dem äußeren Rohr in Verbindung steht.

Durch eine derartige Vorrichtung kann das Medium an der Oberfläche in das äußere Rohr eingeleitet werden, um dann, ggf. in einer Flüssigkeitssäule an den tiefsten Punkt, nämlich den Punkt, in dem das äußere Rohr mit dem Förderrohr verbunden ist, herabgeleitet zu werden. Dabei und insbe-

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sondere am unteren Endpunkt wird sich das Medium soweit aufheizen, daß es ggf. sogar in Dampfform übergeht. Das erhitzte Medium oder der Dampf wird anschließend durch das innere Fδrderrohr an die Oberfläche weitergeleitet. Der dabei entstehende beträchtliche Dampfdruck kann an der Oberfläche genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, oder falls man eine geringere Rohrlänge wählt, und kein Dampf entsteht, sondern nur erwärmtes Medium wegen seines geringeren spezifischen Gewichts aufsteigt, kann dieses erwärmte Medium als Heizmedium oder in einem Wärme¬ tauscher verwendet werden.

Weiter wird vorgeschlagen, das Fδrderrohr mit einer Wär¬ meisolation, insbesondere einem auf der Innenseite des Fδrderrohres aufgebrachten Mantel aus Kunststoff-Iso¬ liermaterial zu versehen. Ein derartiger Mantel um das innere Förderrohr hat den Vorteil, daß ein Wärmeaus¬ tausch zwischen dem inneren Rohr mit dem sehr heißen Me¬ dium und dem äußeren Rohr, in dem das Medium herunterge¬ leitet wird vermieden wird. Dies ist wichtig, weil insbesondere im oberen Teil der Vorrichtung das er¬ wärmte, sich im Förderrohr befindliche Medium möglichst, nicht abgekühlt werden soll. Das im äußeren Rohr befind¬ liche Medium soll ausschließlich durch die geothermische Energie der umgebenden Gesteinsformationen erhitzt wer¬ den. Eine derartige Ausbildung, hat den Vorteil, daß sie ge¬ währleistet, daß das innere Fδrderrohr in das Außenrohr ohne Probleme eingebracht werden kann und die Endberei¬ che die gewünschte Lage zueinander einnehmen.

Bezüglich der Dimensionierung der Vorrichtung wird vor¬ geschlagen, daß das äußere Rohr einen Durchmesser von typischerweise 30 cm besitzt, und das Fδrderrohr einen Durchmesser von typischerweise 15 cm besitzt. Eine der¬ artige Wahl der Dimensionen hat den Vorteil, daß mit

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herkömmlichen Bohrgerät entsprechende Bohrungen in die Tiefe abgeteuft werden können. Auch sollten die Dimen¬ sionen eines Rohres nicht zu groß sein, da ansonsten durch die große Menge des in ihm fließenden Mediums eine merkliche Kühlung des Gesteins hervorgerufen wird, die wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des Gesteins nicht ohne weiteres ausgeglichen wird. Die so gewählten Maße machen es möglich, innerhalb einer Fläche, die einer einzigen Anlage an der Erdoberfläche, beispielsweise ei¬ ner Turbine zugeordnet ist, mehrere Bohrungen in das Ge¬ stein einzubringen. Beispielsweise könnten vier Bohrun¬ gen auf einer Fläche von 100 m x 100 m in einer quadra¬ tischen Anordnung eingebracht werden.

Weiter wird vorgeschlagen, daß das Förderrohr im unteren Abschlußbereich des äußeren Rohres an diesem oder an einem dieses Rohr verschließenden Teil abgestützt ist. Es ist natürlich denkbar, das Förderrohr nur in das innere Rohr einzuhängen, aber eine derartige Ausbildung besitzt den Vorteil, daß auf diese Art ein einfaches, aber zuverläs¬ siges Zusammenfügen der Abschlußbereiche erreicht werden kann.

Weiter wird vorgeschlagen, daß das Förderrohr in seinem unteren Abschlußbereich Durchlässe aufweist, die eine Ver¬ bindung zwischen dem Förderrohr und dem äußeren Rohr her¬ stellen. Eine derartige Ausbildung hat den Vorteil, daß man die Verbindungsfläche zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr klein halten kann, so daß nur ein kontrollierter kleiner Teil des Mediums in das innere Rohr eintreten kann. Die genaue Menge, die derart eintreten soll, ist von den Temperaturverhältnissen, sowie den anderen die Dimensionen der Anlage bestimmenden Größen abhängig.

Alternativ dazu können, im unteren Endabschnitt des Fδrder-

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rohres Trennscheiben zum äußeren Rohr hin vorgesehen sein, die Ventile zum Durchlassen des erhitzten und ggf. dampf¬ förmiges Mediums aufweisen, wodurch ebenfalls eine Kontrolle des an das Förderrohr abgegebenen Mediums möglich ist. Dabei sind bspw. pro Trennscheibe an 4 bis 6 Mühlenventile vor¬ gesehen.

Weiter wird vorgeschlagen, daß das Abschlußstück mit einem senkrechten Rand an seinem äußeren Umfang versehen ist, durch den die Verbindung des Förderrohres mit dem äußeren Rohr und dem Abschlußstück zur AbStützung des unteren Endes des Fδrderrohres erfolgt, wobei das Förderrohr in seinem unteren Endabschnitt in vier Endab¬ schnitte geteilt ist, die zwischen sich eine größere Quer¬ schnittsfläche als die

Querschnittsfläche im übrigen Fδrderrohr umschließen, wobei die Endzonen dieser Endabschnitte in wenigstens einer Vertiefung in dem Abschlußstück ruhen, die zwi¬ schen dem senkrechten Rand und einem dem Rand benachbart zur Mitte des AbschlußStückes hin gebildeten erhöhten Bereich des Abschlußstückes gebildet wird.

Die Erfindung schlägt bevorzugt vor, als Medium (Tetrachlor¬ kohlenstoff (CC1.) zu benutzen und das Fδrderrohr soweit abgeteuft ist, daß CC1. im Verbindungsbereich zwischen Förderrohr und äußerem Rohr im wesentlichen vollständig verdampft. Damit besitzt man ein Medium, das ein hohes spezifisches Gewicht besitzt, was eine hohe potentielle Energie bewirkt, die ausgenutzt werden kann, das weiter eine niedrige kritische Temperatur besitzt, also eine niedrige Temperatur besitzt, bei der es unabhängig vom Umgebungsdruck dampfförmig wird. Die kritische Temperatur von CC1. beträgt 283°C, liegt also fast 100°C weniger als bei Wasser. Das spezifische Gewicht liegt 1,6, ist also um 60 % gegenüber Wasser erhöht. Die Siedewärme beträgt 46 kal/kg, während die

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von Wasser 539 kal/kg ist. Die Siedetemperatur liegt bei 76,7°C. Auch ist CC1 ₄ unbrennbar, es besteht also keine Gefahr einer Explosion bzw. einer plötzlichen Verbrennung, wie sie bei einigen anderen vorgeschlagenen Fluiden durchaus möglich wären.

Dabei wird vorgeschlagen, am oberen Ende des Förderrohres eine Turbinenstation zur Ausnutzung der Druckenergie des Dampfes vorzusehen.

Alternativ wird vorgeschlagen, in dafür geeigneten Regionen bzw. falls eine Warmwasserversorgung gewünscht ist, als Medium Wasser zu verwenden. Wasser besitzt den Vorteil der leichten Verfügbarkeit, und bietet die Möglichkeit, ggf. in einem offenen Kreislauf, ohne Rückführung des bereits einmal geförderten Mediums zu arbeiten.

Dabei ist bevorzugt eine Entnahmestation zur Entnahme des erhitzten Wassers und zum Einbringungen des erhitzten Wassers in eine Warmwasserversorgung vorgesehen. In diesem Fall müßte natürlich kontinuierlich Wasser nachgeliefert werden.

Alternativ wird vorgeschlagen, einen Wärmetauscher am oberen Ende des Fδrderrohres vorzusehen, der die im erhitzten und ggf. dampfförmigen Medium enthaltende Wärmeenergie nutzt. Ein solcher Wärmetauscher kann sowohl nach als auch vor einer Turbinenstation als auch nach oder vor einer Ent¬ nahmestation zur Entnahme des Mediums angeordnet sein. Bevorzugt wird jedoch die Anbringung nach einer Turbine.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Dabei zeigt:

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Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der gesamten Vorrichtung unterhalb der Erdoberfläche,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 3 eine Ausschnittsdarstellung des unteren Abschlußbereiches der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist die Vorrichtung in der um¬ gebenden Erdkruste 1 mit einem äußeren Rohr 2, einem Dampfförderrohr 3, einem Abschlußstück 4 und den Endab¬ schnitten 8a, 8b, 8c und 8d gezeigt, die sich im unteren Abschlußbereich des Förderrohres 3 befinden, um dieses abzustützen. Herabströmendes flüssiges Medium ist durch das Bezugszeichen 5 und aufsteigendes, ggf. dampfförmiges Me¬ dium durch das Bezugszeichen 6 bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt der Vorrichtung entlang der Linie A-A der Fig. 1 gezeigt. Deutlich sind die Größenverhältnisses des Förderrohres 3 bezüglich des äuße¬ ren Rohres 2, die vorgeschlagen werden, zu erkennen.

In Fig. 3 schließlich ist in einer AusSchnittsdarstellung aus Fig. 1 die Konstruktion des unteren Abschlußabschnittes der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das Abschlußstück 4 besitzt einen senkrechten Rand 7, der sich zwischen den Endabschnitten 8a bis 8d des Förderrohres 3 und dem äußeren Rohr 2 befindet. Weiter ist in dem Abschlußstück 4, dem senkrechten Rand benachbart, zur Mitte des Abschlu߬ stückes 4 hin ein erhöhter Bereich des AbschlußStückes aus¬ gebildet. Diese Ausbildung erleichtert es erheblich, das innere, nachträglich eingebrachte Fδrderrohr 3 korrekt an

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Ort und Stelle zu bringen und zu halten.

Die Abdichtung des äußeren Rohres 2 wird durch die spe¬ zielle Konstruktion, bei der das Fδrderrohr 3 in der Tiefe auf das Abschlußstück 4 preßt, begünstigt. So wird das gesamte Gewicht des inneren Förderrohres 3 dazu ge¬ nutzt, das Abschlußstück 4 fest in das Bohrloch bzw. an das äußere Rohr 2 zu pressen. Dabei kann ein "Bördel" an dem Abschlußstück 4 benutzt werden, der an das äußere Rohr 2 gepreßt wird.

Durch die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung wird es ermöglicht, das Medium bis zu einer kritischen Tempera¬ tur aufzuheizen. Bei der kritischen Temperatur existieren Dampf und Flüssigkeit mehr nebeneinander, so daß keine Ver¬ dampfungswärme nicht mehr aufgewendet werden muß. Oberhalb der kritischen Temperatur besitzt das vorge¬ schlagene Medium etwa das halbe spezifische Gewicht von demjenigen des kalten flüssigen Mediums, so daß sich aus dem Unterschied der Gewichte der Flüssigkeitssäulen in - dem Förderrohr 3 und dem äußeren Rohr 2 ein Druck er¬ gibt, der das sich im Fδrderrohr 3 befindliche Medium 6 aufsteigen läßt, so daß aus diesem unter Druck stehende Medium 6 mit einer Turbine elektrische Energie gewonnen werden kann.

Das Einführen des Mediums 5 in das äußere Rohr geschieht mit etwa einer Geschwindigkeit von 70 m/s, woraus sich eine Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes entsprechend etwa 200 m/s ergibt.

Bei der Verwendung von CC1. kann man, wenn man von ei¬ ner geothermischen Tiefenstufe von 25 m/°C ausgeht, mit einer Bohrtiefe von 7000 m die kritische Temperatur selbst in normaler Erdkruste erreichen. Eine derartige

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Bohrtiefe ist realistisch erreichbar. Durch das hohe spezifische Gewicht erhält man einen großen Unterschied des Gewichtes der Flüssigkeitssäule und der Dampfsäule

2 pro cm , so daß der Druck der über die Turbine einem G« nerator die Leistung zuführt, vergrößert wird.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Siedewärme bei CC14, die durch eine abschließenden Kondensation freigesetzt werden wird, klein ist, so daß diese verlorengehende Ab¬ wärme, falls sie nicht für Heizzwecke genutzt wird, ebenfalls klein ist.

Auch ist die Siedetemperatur des CC1. von 76,7°C vor¬ teilhaft, denn sie erlaubt es, einen Wärmetauscher mit Wasser zu verwenden, der die Kondensation des Arbeits¬ mittels sichert, welches bei atmosphärischen Druck in einem Reservoir zur neuerlichen Verwendung zugeführt wird.

Weiter ist CC1 ₄ vorteilhaft, da es die Korrosion nicht fördert und auch nicht brennbar ist.

Bei einer entsprechenden Auslegung der Anlage kδnnen Dampfdrücke in einer Größenordnung von ca. 300 atü an der Erdoberfläche (bei ca. 520 atm in 7000 m Tiefe) , er¬ reicht werden, die auf jeden Fall für Turbinen ausrei¬ chen. Wasser, das in der Kühlanlage für das CC1. verwen¬ det wird, verläßt diese mit einer Temperatur von ca. 70°C und kann daher zu Heizzwecken in Wohngebieten oder dgl. benutzt werden, falls die Vorrichtung innerhalb ei¬ ner Stadt aufgebaut ist. Dadurch verringern sich auch Leitungsverluste gegenüber anderen Wärme oder Strom aus Brennstoffen erzeugenden Vorrichtungen bzw. anderen ortsfest bekannten Energieerzeugungsanlagen, die aus Wind oder Wasser Energie erzeugen.

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Im Vergleich zu bekannten Energieversorgungsanlagen ist diese vorgeschlagene Vorrichtung äußerst umweltfreund¬ lich, da sie keine fossilen Brennstoffe verbraucht, kein zusätzliches CO, in die Atmosphäre freisetzt, und nur eine geringe Fläche benötigt.

Im folgenden soll als Beispiel für die Verwendung von Wasser ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Dabei wird vorzugsweise eine Erdbohrung von 30 cm Durchmesser in einer Tiefe von ca. 4000 m vorgetrieben, und ein 12 Zoll Rohr als äußeres Rohr 2 dazu benutzt, die Seiten der Bohrung abzustützen, wie dies bereits bei Öl¬ bohrungen üblich ist. Ein Fδrderrohr 3 von etwa 6 Zoll wird innen mit wärmeisolierendem Material versehen.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Aus¬ führungsformen wesentlich sein.

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Bezuσszeichenliste

umgebendes Gestein

äußeres Rohr

Förderrohr

Abschlußstück

absteigendes Medium

aufsteigendes Medium

Rand (des AbschluβstUckes)

a, 8b, 8c , Endabschnitte (des Förderrohres) d Durchlässe

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