CH703613A1 - Verfahren zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen und Anlage hierzu. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen, insbesondere zur Erschliessung von in heissen Gesteinsschichten gespeicherter (petrothermischer) Energie sowie eine Anlage hierzu. Erreicht werden soll eine sichere und strukturell einfache Nutzung petrothermischer Energie, insbesondere zur Gewinnung von Elektroenergie sowie zur Wärmeversorgung. Hierzu wird vorgeschlagen, dass eine Hauptbohrung in mindestens eine heisse, trockene Gesteinsschicht (18) eingebracht wird und mittels mindestens einer, von dieser Bohrung abzweigenden seitlichen Bohrung ein petrothermisches Zirkulationssystem ermöglicht wird.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen, insbesondere zur Erschliessung von in heissen Gesteinsschichten gespeicherter (petrothermischer) Energie sowie eine Anlage hierzu.

[0002] Erdwärme ist eine wesentliche alternative Energiequelle, die bereits genutzt wird. Neben der Einbringung von Erdsonden in oberflächennahe Schichten sind auch Tiefenbohrungen bis in heisse Gesteinsschichten (HDR - Hot dry rock) bekannt um die in heissen Gesteinsschichten aus Basalt oder Granit gespeicherte Energie zu erschliessen und diese Energie zur Warmwasser- oder Dampfgewinnung oder zur Erzeugung von Elektroenergie zu nutzen.

[0003] Nach der DE-B-10 2005 044 352 sind Bohrungen in Tiefen von 4000-6000 Metern erforderlich um Schichten mit einer Temperatur von mehr als 100 °C für einen HDR-Wärmetauscher zu erschliessen.

[0004] Hierzu wird zunächst eine erste Tiefenbohrung bis in eine solche heisse Gesteinsschicht vorgetrieben und ein Liner in diese eingebracht. Der Liner wird gemeinsam mit der Gesteinsschicht perforiert und nachfolgend Wasser eingepresst um Risse in der Gesteinsschicht zu bilden. In diese Risse wird nachfolgend ein explosives Material gepumpt und gezündet, so dass sich im Ergebnis der Detonation die Risse vergrössern. Danach wird zumindest eine zweite Tiefenbohrung in den rissigen Bereich gebohrt. Somit kann im Anschluss.

[0005] Durch die erste Tiefenbohrung wird Wasser in die heisse Gesteinsschicht gepumpt, nimmt Wärme aus dieser auf (Wärmetauscher), strömt zur zweiten Tiefenbohrung und wird über diese zur Erdoberfläche gefördert. In einem weiteren Wärmetauscher wird dem Wasser die Energie wieder entzogen und zur Energiegewinnung genutzt.

[0006] Bei einem geothermischen Sondensystem gemäss DE-A-10 2007 040 709 wird die Erdwärme durch Einbringung eines erwärm- oder verdampfbaren Wärmeübertragungsmediums in Tiefen von ca. 4500 Metern genutzt. Hierzu ist eine erste Tiefbohrung vorgesehen, die das Wärmeübertragungsmedium einleitet und die eine Vorkammer in Form eines Hohlraums aufweist. Die Vorkammer ist mit weiteren Tiefbohrungen verbunden, die das erwärmte Medium zu Verbrauchern führen. Das bei den Verbrauchern abgekühlte Medium wird anschliessend wieder über die erste Tiefbohrung in die Vorkammer eingeleitet, um einen geschlossenen Kreislauf zu erreichen.

[0007] Bei einem Verfahren zur Erschliessung geothermischer Energie nach DE-C-19 919 555 kann der Bohrverlauf temperaturgesteuert in Abhängigkeit von der Temperatur im Boden erfolgen, was verlaufsgesteuerte Bohrungen in Tiefen bis zu 1500 m mit einem fernsteuerbaren Bohrkopf ermöglicht. Die Bohrung kann in einer dreidimensional beliebigen Richtungsorientierung einer geothermisch nutzbaren Zone folgen. Bei einer geothermischen Anlage gemäss der DE-A-10 2007 003 066 soll mittels einer Tiefbohrung ein thermodynamischer Kreisprozess geschaffen werden, bei dem zwei Stoffströme eines Wärmeträgermediums in der Bohrung geführt sind. In einem inneren Rohr wird das Medium in eine angelegte Kaverne in der warmen Schicht geleitet, nimmt Wärme auf und wird durch ein Mantelrohr der Bohrung zu einem Energiewandler geführt. Im Mantelrohr ist eine hydraulische Kreuzung zum Innenrohr vorgesehen. Die Kaverne ist mit einem wärmeleitfähigen Material ausgekleidet.

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen, insbesondere zur Erschliessung von in heissen Gesteinsschichten vorhandener resp. gespeicherter petrothermischer Energie. Die Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0009] Mittels eines Bohrlochs, das in einer heissen Gesteinsschicht in mindestens eine, bevorzugt mehrere seitliche Bohrungen bzw. Röhren übergeht, wird ein wässriges Medium eingebracht und es wird ein petrothermisches Zirkulationssystem erzeugt.

[0010] Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.

[0011] So sind die seitlich von der Hauptbohrung abzweigenden Bohrungen bzw. Röhren auf, die der Aufnahme von Heissdampf aus dem heissen Gestein dienen, bevorzugt in einer Tiefe von 7-9 km angeordnet. Eine Tiefe, in der eine Temperatur von ca. 250 °C anzutreffen ist. Das Wasser wird durch die Hauptbohrung eingebracht, zirkuliert durch die Gesteinsschicht, nimmt die vorhandene Energie auf und wird durch natürliche Permeabilität in die seitlichen Röhren geleitet.

[0012] Es ist somit möglich, mit vergleichsweise geringem Aufwand Energie mit hohem Wirkungsgrad zu gewinnen. Das Verfahren kann nicht nur in geothermisch aktiven Gebieten sondern faktisch in jedem Gebiet mittels nur einer Tiefenbohrung betrieben werden, in dem eine petrothermisches Zirkulation möglich ist.

[0013] Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen, insbesondere zur Erschliessung von in heissen Gesteinsschichten gespeicherter petrothermischer Energie. Diese Aufgabe ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. In einem Bohrloch, der Hauptbohrung, sind sowohl eine absteigende Leitung für das wässrige Medium als auch aufsteigende Heissdampfleitungen untergebracht, die mit jeweiligen Versorgungs- resp. Einspeisestationen verbunden sind.

[0014] Bevorzugte Ausführungsformen sind in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen offenbart. Seitlich von der Hauptbohrung abzweigenden Bohrungen, dienen der Einbringung von Wasser in das heisse Gestein. Bevorzugt ist beabstandet von der Hauptbohrung ein Wetterloch angeordnet. Die Hauptbohrung ist im Bereich der glühend heissen Gesteinsschicht perforiert, so dass das Wasser besser verteilt austreten kann. Die Hauptbohrung ist im oberen Bereich, d. h. oberhalb der ersten Abzweigung und in den kühleren Erd- und Gesteinsschichten mit einem Betonmantel oder dergleichen versehen.

[0015] Das Bohrungsfutter im unteren Bereich des trockenen Gesteins ist ohne geologische Komplikationen in blosser Durchführung der Bohrung ausführbar, eine separate Auskleidung wäre auch wirtschaftlich nicht vertretbar.

[0016] Geothemische Ressourcen umfassen solche hydrogeologiscer und petrografischer Natur. Hydrogeologische Quellen für Wärmeenergie sind durch Wärmeträger wie oberflächennahes heisses Wasser oder Dampf gekennzeichnet. Hierbei genügt es Bohrungen in einer Tiefe von maximal 3-4,5 km einzubringen.

[0017] Petrografische Ressourcen speichern die Energie glühend heisser, trockener Gesteinsschichten der Erdkruste. Um jedoch industriell elektrische Energie aus petrografischen Ressourcen zu gewinnen, sind tiefe Bohrungen von 7-9 km erforderlich. Für eine ausreichende Erschliessung und Energieerzeugung ist eine Hauptbohrung mit einer entsprechenden Anzahl von dieser seitlich abzweigenden Bohrungen einzubringen. Das bohren von Bohrlöchern bewirkt in bekannter Weise ein zerkleinern von Gestein mittels geeigneter Werkzeuge. Gebohrt werden kann vertikal, horizontal und kontrolliert winklig bzw. schräg. Gestartet wird eine Bohrung an der Erdoberfläche mit einem sogenannten Mundloch, der Endpunkt am Grund ist das Grundloch.

[0018] Zur Bildung eines petrothermischen Zirkulationssystems in einer glühend heissen trockenen Gesteinsschicht ist eine Temperatur am bzw. im Bereich des Grundlochs von ca. 250 °C erforderlich, was die genannte Bohrtiefe von 7-9 km zur Folge hat (basierend auf einer durchschnittlichen Temperaturerhöhung je 100 m). Es existieren jedoch einzelne abgrenzbare Gebiete, z.B. dass Cooper Bassin in Südaustralien, wo die genannte Gesteinstemperatur bereits in einer Tiefe von 3,5-4,5 km erreicht wird.

[0019] Sobald die Hauptbohrung eine Region erreicht hat, in der Temperaturen von ca. 250 °C im Gestein gegeben sind, können aus der gebildeten Hauptbohrung heraus die seitlich abzweigenden Bohrungen im Bereich der Gesteinsschicht vorgetrieben werden. Länge und Anzahl der seitlichen Bohrungen sind kalkulierbar entsprechend der erforderlichen Kontaktfläche von Wasser mit dem glühend heissen Gestein («unterirdischer Dampfkessel»). In der Hauptbohrung ist ein Förderrohr für Wasser geführt und das Wasser wird unter hohem Druck in das Gestein, resp. vorgegebene und/oder beim Bohren erzeugte Kavitäten gepresst und konvertiert infolge der hohen Temperatur zu Frischdampf, der durch natürliche Permeabilität in die seitlichen Röhren gelangt. Diese leiten den Frischdampf in eine Ringleitung in der Hauptbohrung bis zum Mundloch und von da in Einrichtungen zur Nutzung des Dampfs für Wärmezwecke und/oder zur Erzeugung von Elelektroenergie. Diese Einrichtungen können permanent und sicher betrieben werden, sobald ein ausreichendes petrothermisches Zirkulationssystem gebildet ist. Das Bohrungssystem ist strukturell einfach herstellbar und nutzbar.

[0020] Während Quellen mit heissem Wasser oder Dampf ungleichmässig («planlos») verteilt angeordnet sind, stehen petrografische/petrothermische Quellen in hoher Zahl und langfristig zur Verfügung. Soweit abschätzbar, könnte diese ohne Erschöpfungsgefahr über viele tausende von Jahren genutzt werden.

[0021] Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen die <tb>Fig. 1:<sep>eine Hauptbohrung mit seitlich abzweigenden Bohrungen <tb>Fig. 2:<sep>die Bohrungsanordnung in zwei Varianten (a, und b,) <tb>Fig. 3:<sep>eine Anlage zur Erschliessung petrothermischer Energie.

[0022] Eine von einem Anschlag 15 bzw. Mundloch bis zu einem Grundloch 17 in einer glühend heissen Gesteinsschicht 18 vorgetriebene Hauptbohrung 10 weist im Bereich der Gesteinsschicht 18 mehrere seitlich abzweigende Bohrungen 7 auf (Fig. 1). Im oberflächennahen Bereich ist die Hauptbohrung 10 mit einem Stützprofil 1 in Form eines Betonmantels 2 ausgekleidet. Im unteren Bereich, in Richtung auf das Grundloch 17 ist die Hauptbohrung 10 (wie auch die seitlichen Bohrungen 7) unausgekleidet (Segment 6). Im Ringraum 3 der Hauptbohrung 10 ist ein Förderrohr 4 bis zum Grundloch 17 angeordnet, das nur einen Teil des Ringraums 3 ausfüllt und das im Bereich der Gesteinsschicht 18 perforiert ist (Segment 8).

[0023] Das Förderohr 4 ist über Leitungen mit einer Pumpstation 14 verbunden, von der aus Wasser unter hohem Druck und gleichmässig verteilt via Förderrohr 4 und ein perforiertes Segment 8 desselben in die heisse Gesteinsschicht 18 gepresst wird, infolge natürlicher Permeabilität 9 durch Poren, Risse und Spalten im Gestein dringt, wobei ein Druck von wenigstens ca. 700 atm zu überwinden ist. Infolge der herrschenden Temperatur von ca. 250 °C konvertiert das Wasser zu Frischdampf 5, der weiter in die seitlichen Bohrungen 7 eintritt (Sammelwirkung, Fig. 3a). Durch diese steigt er im Ringraum 3 der Hauptbohrung 10 zum Anschlag 15 an die Erdoberfläche und gelangt durch angeschlossene Leitungen in ein Kraftwerk 13, wo er Turbinen zur Erzeugung von Elektroenergie antreibt und anschliessend in eine Wärmeaufbereitungsanlage 12. Zu Wasser kondensierter Dampf wird danach wieder zur Pumpstation 14 geführt, so dass ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.

[0024] Weiterhin vorgesehen ist ein übliches Wetterloch 16.

[0025] In einer zweiten Variante ohne Sammelwirkung (Fig. 3b) wird eine Lagerstätte mit hydraulischem Überdruck 9 ́ genutzt, in der der Frischdampf 5 nach oben in etwa horizontal angeordnete seitliche Bohrungen 7 eintritt.

[0026] Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele begrenzt.

Bezugszeichen

[0027] <tb>1<sep>Stützprofil <tb>2<sep>Betonmantel <tb>3<sep>Ringraum <tb>4<sep>Förderrohr <tb>5<sep>Frischdampf <tb>6<sep>unverkleidetes Segment <tb>7<sep>seitliche Bohrung <tb>8<sep>perforiertes Segment <tb>9<sep>natürliche Permeabilität <tb>10<sep>Hauptbohrung <tb>11<sep>Wärmeversorgungsleitung <tb>12<sep>Wärmeaufbereitungsanlage <tb>13<sep>Kraftwerk <tb>14<sep>Pumpstation <tb>15<sep>Anschlag (Mundloch) <tb>16<sep>Wetterloch <tb>17<sep>Grundloch <tb>18<sep>Gesteinsschicht

Claims (13)

1. Verfahren zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen, insbesondere zur Erschliessung von in heissen, trockenen Gesteinsschichten gespeicherter (petrothermischer) Energie, bei dem eine Tiefenbohrung eingebracht wird, durch die Wasser als Wärmeträger in tiefer gelegene Schichten gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrung in mindestens eine heisse, trockene Gesteinsschicht (18) eingebracht wird und mittels mindestens einer, von dieser Bohrung abzweigenden seitlichen Bohrung (7) ein petrothermisches Zirkulationssystem ermöglicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das petrothermische Zirkulationssystem mittels in die heisse, trockene Gesteinsschicht (18) eingepresstes Wasser, dass in der Gesteinsschicht (18) zu Frischdampf (5) konvertiert, erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung eine Tiefe von 7-9 km erreicht.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch ein perforiertes Segment (8) eines, in der Bohrung angeordneten Förderrohrs (4) in die heisse, trockene Gesteinsschicht (18) eingepresst wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Frischdampf (5) in die mindestens eine seitliche Bohrung (7) eintritt.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gebildete Frischdampf (5) zur Gewinnung von Elektroenergie und/oder Wärmezwecke verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Frischdampf (5) nach Kondensation als Wasser erneut der Gesteinsschicht (18) zugeführt wird und somit ein geschlossener Wasserkreislauf gebildet wird.

8. Anlage zur Gewinnung von Energie aus geothermischen Quellen, insbesondere zur Erschliessung von in heissen, trockenen Gesteinsschichten gespeicherter petrothermischer Energie, enthaltend Einrichtungen zum Transport, zur Nutzung und/oder Umwandlung dieser Energie, wobei eine Tiefenbohrung bis in die Gesteinsschicht (18) eingebracht ist, durch die Wasser als wärmeträger in die Gesteinsschicht (18) gepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung eine Hauptbohrung (10) bildet, von der im Bereich der Gesteinsschicht (18) mindestens eine seitliche Bohrung (7) abzweigt und dass die Hauptbohrung (10) einen Ringraum (3) umschliesst, der teilweise durch ein Förderrohr (4) ausgefüllt ist.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Bohrungen (7) horizontal und/oder schräg verlaufend von der Hauptbohrung (10) abzweigen.

10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderrohr (4) auf Höhe der Gesteinsschicht (18) ein perforiertes Segment (8) aufweist.

11. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbohrung (10) zumindest im oberflächennahen Bereich mit einem Stützprofil (1) in Form eines Betonmantels (2) versehen ist.

12. Anlage nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderrohr (4) mit einer Pumpstation (14) verbunden ist.

13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringraum (3), ausgenommen das Förderrohr (4), mit einem Kraftwerk (13) und/oder einer Wärmeaufbereitungsanlage (12) verbunden ist, die über eine Leitung mit der Pumpstation (14) verbunden sind.