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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Entnahme von warmem Tiefenwasser mit einer Erdwärmesondenanordnung gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zur Entnahme von warmen Tiefenwasser mit einer Erdwärmesondenanordnung gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 3.
Die Wärmegewinnung mit rohrförmigen Erdwärmesonden ist bekannt. Dabei sind zwei Typen zu unterscheiden. Es kann durch die rohrförmige Erdwärmesonde im Erdinnern vorhandenes warmes Wasser abgepumpt werden, oder es wird von der Erdoberfläche durch die rohrförmige Erdwärmesonde Wasser ins Erdinnere geleitet und auf dem Weg zum unteren Ende der Erdwärmesonde und auch beim nachfolgenden Aufstieg durch die Erdwärme erwärmt Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den ersten Typus.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mit einem Bohrgerät eine im wesentlichen vertikale Bohrung ins Erdinnere zu treiben, bis deren Ende eine warmes Wasser führende Schicht erreicht.
Dieses warme Wasser kann anschliessend durch ein ins Bohrloch eingesetztes Rohr an die Erdoberfläche gepumpt werden. Befindet sich die Warmwasser führende Schicht sehr nahe der Erdoberfläche, so wird das heraufgepumpte warme Wasser auf seinem Weg zur Erdoberfläche nicht mehr weiter erwärmt, und es muss dafür gesorgt werden, dass beim Durchfliessen kälterer Schichten eine Abkühlung vermieden werden kann.
Aus der US-A-5,380,126 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausscheiden oder Ausspülen von Verunreinigungen im Grundwasser bekannt. Diese Vorrichtung umfasst ein Brunnenrohr, welches mit Perforationen zum Eintritt von Wasser aus dem Boden versehen ist und bis ins Grundwasser reicht. Koaxial ist im Brunnenrohr ein weiteres Rohr eingesetzt, das im unteren und oberen Bereich wasserdurchlässig ausgebildet ist. Mit der bekannten Vorrichtung bzw. dem bekannten Verfahren ist es nicht möglich, Grundwasser aus höheren Schichten im ausseren Rohr nach unten fliessen zu lassen, um das Wasser in tieferen Schichten zu erwärmen und dann in einem geschlossenen Rohr nach oben abzupumpen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von warmem Tiefenwasser zu schaffen, mit denen das gefasste Wasser auf dem Weg zur Erdoberfläche zusätzlich erwärmt werden kann.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.
Die Wasserfassung kann auf im wesentlichen beliebiger Höhe zwischen der Erdoberfläche und dem unteren Ende des Bohrloches erfolgen. Je weiter oben die Wasserfassung liegt, umso länger kann die Erwärmungsstrecke gegen das Erdinnere ausgebildet werden Es ist auch möglich, das gefasste Wasser mit der Erdwärmesonde durch weitere Wasser führende und wärmere Zonen hindurchzuleiten, auch wenn die Wasserqualitat in diesen Zonen ungeeignet ist für eine Entnahme. Geeignet angeordnete Isolationsbereiche bewahren das in den wärmeren Zonen aufgewärmte Wasser vor einer Abkühlung beim Durchfliessen oberflächennaher Zonen oder kälteres Wasser führender Zonen.
Anhand eines illustrierten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur einen Querschnitt durch ein schematisch dargestelltes Bohrloch mit einer Erdwärmesonde in koaxialer Anordnung.
In einer Bohrung 1, die im Erdreich 3 erstellt worden ist und eine Tiefe von mehreren 100m, beispielsweise 800m aufweist, ist ein Steigrohr 5 eingesetzt, das von der Oberfläche 7 bis nahe an den Grund 9 des Bohrloches 1 reicht Im hochst gelegenen Bereich A ist der Durchmesser D1 des Steigrohres 5 zur Aufnahme einer Unterwasserpumpe vorzugsweise grösser als in den darunter liegenden Bereichen A bis F Der dünnere Rohrabschnitt mit Durchmesser D2 ist konzentrisch von einem Mantel- oder Aussenrohr 11 umgeben, das ebenfalls bis zum Grund 9 des Bohrloches 1 geführt ist und unten durch einen Deckel 13 oder einen Zementpfropfen abgeschlossen ist. Das obere Ende des Mantelrohres 11liegt etwa an der Kontaktstelle des Bereiches A mit dem Bereich B.
Im Bereich B ist das Mantelrohr 11 mit einer Vielzahl von Bohrungen oder Schlitzen 15 in Form eines Filterrohres ausgebildet, welche den Durchtritt von Wasser in den Zwischenraum 17 zwischen dem Steigrohr 5 und dem Mantelrohr 11 erlauben. Das Bohrloch 1 ist oberhalb und unterhalb des Bereiches B abgedichtet, so dass nur Wasser aus der Zone im Bereich B durch die Bohrungen oder Schlitze 15 in das Mantelrohr 11 eintreten kann Das untere Ende 19 des Steigrohres 5 liegt entweder in einem Abstand zum Deckel 13, so dass die untere Öffnung des Steigrohres 5
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freiliegt, oder es sind im unteren Endbereich des Steigrohres 5 ebenfalls Schlitze oder Perforationen ausgebildet, welche den Eintritt bzw. übertritt von Wasser aus dem Zwischenraum 17 in das Steigrohr 5 ermöglichen.
Das obere Ende des Steigrohres 5 ist als Pumpenkammer mit Durchmesser D1 ausgebildet, so dass es mit einer Pumpe P verbunden resp. eine Pumpe aufnehmen kann, welche das aus dem Bereich (B) zufliessende Wasser schöpft.
Im folgenden werden das Verfahren zur Entnahme von zusätzlich erwärmtem Tiefenwasser und die dazu verwendete Vorrichtung erläutert. Das Bohrloch 1 von der Gesamtlänge bzw. Tiefe LT, führt im dargestellten Beispiel durch fünf verschiedene Gesteinsschichten, kurz als Bereiche A bis F bezeichnet. Der Bereich A ist nicht wasserführend, und es kann ihm - da oberflächennahe gelegen - keine wirtschaftlich nutzbare Wärme entzogen werden. Der durch diesen Bereich A führende Teil des Steigrohres 5 kann daher vorzugsweise von einer Isolation 21 umgeben sein.
Der darunter liegende Bereich B ist wasserführend und die Qualität des Wassers für eine Nutzung geeignet. Allerdings ist die Temperatur To des Wassers für eine Nutzung, beispielsweise als Thermalwasser, zu niedrig. Unterhalb des Bereiches B liegt wiederum ein im wesentlich wasserfreier Bereich C unter dem ein wasserführender Bereich D anschliesst. Die Temperatur T1 im Bereich D ist wohl höher als im Bereich B, jedoch das Wasser für die Nutzung ungeeignet. Sie weist z.B. einen zu hohen Mineral- oder Gasgehalt auf. Unterhalb des Bereiches D liegt wiederum eine beispielsweise sehr dicke, nicht wasserführende Schicht E, an die unten im Bereich F wiederum eine wasserführende Schicht mit einer Wassertemperatur T2 anschliesst. Deren Temperatur liegt wiederum höher als die diejenige im Bereich B.
Allerdings ist die Nutzung dieses Wassers nicht möglich, da beispielsweise dessen Mineral- oder Gasgehalt ebenfalls zu hoch ist. Nutzbar aber ist dessen Wärmeinhalt. Die Nutzung des Wärmeinhaltes der wasserführenden Schicht F und auch der darüber liegenden wasserfreien und wasserführenden Schichten B bis E ist dennoch möglich, und zwar dadurch, dass durch die Öffnungen 15 im Mantelrohr 11 Wasser in den Zwischenraum 17 gelangt und zwangsweise sukzessive nach unten fliesst. Durch das Loch am unteren Ende des Steigrohres 5 oder durch dort angebrachte Schlitze kann das Wasser aus dem Bereich B im Steigrohr 5 wieder nach oben fliessen.
Auf dem Weg aus dem Bereich B nach unten und wieder zurück nimmt das Wasser von der Umgebung über den Mantel des Mantelrohres 11Wärme auf und kann durch die Pumpe mit einer Temperatur T3 abgesaugt werden, welche über der Temperatur To im Entnahmebereich B liegt.
Es ist auch denkbar, dass in einem oder mehreren der vertikal zweimal durchflossenen Bereiche B bis F eine niedrigere Temperatur herrscht als in einem der darüber liegenden Bereiche. Ist dies der Fall, so kann das Mantelrohr 11im jeweiligen Bereich, angenommen es sei der Bereich C, mit einer Isolation 23 umgeben werden.
Ebenfalls um eine Ruckkühlung zu vermeiden, kann das gesamte oder zumindest der obere Teil des Steigrohres 5 isoliert werden, um einen Rückfluss von Wärme in das Wasser im Zwischenraum 17 zu verhindern.
Der unvermeidbare Zwischenraum 25 zwischen der Bohrlochwandung und der Erdwärmesonde bzw. der darum gelegten Isolation wird in bekannter Weise durch ein gut wärmeleitendes Matenal bzw. nach bohrtechnischen Erfordernissen ausgefüllt.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Entnahme von warmem Tiefenwasser mit einer Erdwärmesondenanord- nung, bei der das Tiefenwasser von einem in das Tiefenwasser vorgetriebenen Steigrohr gefasst und von dort an die Erdoberfläche gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserfassung in einem Bereich (B) oberhalb des unteren Endes (19) des Steigrohres (5) erfolgt, in einem das Steigrohr (5) umgebenden Mantelrohr (11) nach unten zum Ende (19) des Steigrohres (5) geführt und von dort über das koaxial zum Mantelrohr (11) verlau- fende Steigrohr (5) geleitet und an die Erdoberfläche gepumpt wird, wobei das Tiefenwas- ser auf seinem Weg nach unten durch das umliegende Erdreich erwärmt wird.
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The invention relates to a method for withdrawing warm deep water with a geothermal probe arrangement according to the preamble of claim 1 and a device for withdrawing warm deep water with a geothermal probe arrangement according to the preamble of claim 3.
The generation of heat with tubular geothermal probes is known. There are two types. Warm water present in the interior of the earth can be pumped out through the tubular geothermal probe, or water is conducted into the interior of the earth through the tubular geothermal probe and heated on the way to the lower end of the geothermal probe and also during the subsequent ascent by the geothermal heat. The present invention relates on the first type.
From the prior art it is known to drill a substantially vertical hole into the interior of the earth with a drilling device until the end thereof reaches a layer carrying warm water.
This warm water can then be pumped to the surface of the earth through a pipe inserted into the borehole. If the warm water-bearing layer is very close to the earth's surface, the warm water that is pumped up is no longer heated on its way to the earth's surface, and it must be ensured that cooling can be avoided when flowing through colder layers.
From US-A-5,380,126 a method and a device for separating or flushing out contaminants in groundwater is known. This device comprises a well pipe, which is provided with perforations for the entry of water from the ground and extends into the groundwater. Another pipe is coaxially inserted in the well pipe, which is water-permeable in the lower and upper area. With the known device or the known method, it is not possible to allow groundwater from higher layers to flow downward in the outer tube in order to heat the water in deeper layers and then to pump it upward in a closed tube.
The object of the present invention is to provide a method and a device for the removal of warm deep water, with which the collected water can be additionally heated on the way to the surface of the earth.
The object is achieved by a method with the features of claim 1 and a device with the features of claim 4.
The water can be collected at essentially any height between the surface of the earth and the lower end of the borehole. The higher the water intake is, the longer the heating section can be formed towards the interior of the earth.It is also possible to use the geothermal probe to guide the collected water through other water-bearing and warmer zones, even if the water quality in these zones is unsuitable for removal. Properly arranged insulation areas prevent the water warmed up in the warmer zones from cooling when flowing through zones close to the surface or colder water-bearing zones.
The invention is explained in more detail with the aid of an illustrated embodiment. The sole figure shows a cross section through a schematically illustrated borehole with a geothermal probe in a coaxial arrangement.
In a borehole 1 that has been created in the ground 3 and has a depth of several 100 m, for example 800 m, a riser pipe 5 is inserted, which extends from the surface 7 to close to the bottom 9 of the borehole 1 in the highest area A. the diameter D1 of the riser pipe 5 for receiving an underwater pump is preferably larger than in the areas A to F below it. The thinner pipe section with a diameter D2 is concentrically surrounded by a jacket or outer pipe 11, which is also led to the bottom 9 of the borehole 1 and is completed below by a lid 13 or a cement plug. The upper end of the casing tube 11 lies approximately at the point of contact of area A with area B.
In area B, the casing tube 11 is formed with a plurality of bores or slots 15 in the form of a filter tube, which allow water to pass into the intermediate space 17 between the riser pipe 5 and the casing tube 11. The borehole 1 is sealed above and below the area B, so that only water from the zone in the area B can enter the casing tube 11 through the holes or slots 15. The lower end 19 of the riser tube 5 is either at a distance from the cover 13, so that the lower opening of the riser pipe 5
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exposed, or there are also slots or perforations in the lower end region of the riser pipe 5, which allow the entry or transfer of water from the intermediate space 17 into the riser pipe 5.
The upper end of the riser 5 is designed as a pump chamber with a diameter D1, so that it is connected to a pump P or. can accommodate a pump that scoops the water flowing in from area (B).
In the following the method for the removal of additionally heated deep water and the device used for this are explained. The borehole 1 of the total length or depth LT leads in the example shown through five different rock layers, briefly referred to as areas A to F. Area A is not water-bearing, and because it is close to the surface, no economically usable heat can be extracted from it. The part of the riser pipe 5 leading through this area A can therefore preferably be surrounded by an insulation 21.
Area B underneath is water-bearing and the quality of the water is suitable for use. However, the temperature To of the water is too low for use, for example as thermal water. Below the area B there is again an essentially water-free area C below which a water-carrying area D connects. The temperature T1 in area D is probably higher than in area B, but the water is unsuitable for use. For example, too high a mineral or gas content. Below the area D there is, for example, a very thick, non-water-bearing layer E, to which a water-bearing layer with a water temperature T2 is connected in the area F below. Their temperature is again higher than that in area B.
However, the use of this water is not possible because, for example, its mineral or gas content is also too high. But its heat content is usable. The use of the heat content of the water-bearing layer F and also the water-free and water-bearing layers B to E lying above it is nevertheless possible, namely in that water reaches the intermediate space 17 through the openings 15 in the tubular casing 11 and forcibly flows successively downwards. The water from region B in the riser 5 can flow up again through the hole at the lower end of the riser 5 or through slots provided there.
On the way down from area B and back again, the water absorbs heat from the environment via the jacket of the casing tube 11 and can be sucked off by the pump at a temperature T3 which is above the temperature To in the removal area B.
It is also conceivable that a lower temperature prevails in one or more of the regions B to F through which the vertical flows twice than in one of the regions lying above. If this is the case, the jacket tube 11 can be surrounded with insulation 23 in the respective area, assuming area C is concerned.
Likewise, in order to avoid recooling, the entire or at least the upper part of the riser pipe 5 can be insulated in order to prevent heat from flowing back into the water in the intermediate space 17.
The unavoidable space 25 between the borehole wall and the geothermal probe or the insulation placed around it is filled in a known manner by a good heat-conducting material or according to drilling requirements.
CLAIMS:
1. A method for withdrawing warm deep water using a geothermal probe arrangement, in which the deep water is gripped by a riser pipe that is driven into the deep water and pumped from there to the earth's surface, characterized in that the water intake is located in an area (B) above the lower one End (19) of the riser pipe (5) takes place in a casing tube (11) surrounding the riser pipe (5) down to the end (19) of the riser pipe (5) and from there via the pipe coaxial to the casing pipe (11) Riser pipe (5) is directed and pumped to the surface of the earth, the deep water being heated on its way down through the surrounding earth.