CH706498A2 - Anlage und Verfahren zum Austausch und zur Gewinnung von Erdenergie. - Google Patents

Abstract

Um eine geothermische Anlage zu verbessern, wird eine Produktionssole (7) und ein im Wesentlichen senkrecht in die Erde gesenktes Rohrsystem zum Einleiten und zum Rückholen von Wasser in einen 2000 m und bis zu 10 000 m tiefer als die Produktionssole (7) gelegenen Erdbereich und eine geothermische Turbine (12) sowie eine Energiequellenpumpstation (10) zum Rückholen des Wassers aus dem genannten Erdbereich vorgeschlagen. Weiterhin umfasst die Anlage unterhalb der Produktionssole (7) gelegene Speicherbecken (2) und ein oberhalb der Produktionssole (7) gelegenes Oberbecken (1) sowie eine Speicherpumpe (11) zum Pumpen von Wasser aus dem zumindest einen Speicherbecken (7) ins Oberbecken, sowie ein Rohrleitungssystem zwischen dem Speicherbecken (7) und dem Oberbecken (1) und ein weiteres Rohrleitungssystem zum Rückfluss des Wassers zwischen dem Oberbecken (1) und dem Speicherbecken (7) und eine Pumpspeicherturbine (13) zum Gewinnen von Energie beim Rückfluss des Wassers vom Oberbecken (1) und dem Speicherbecken (7). Dabei sind die Rohrleitungssysteme so angeordnet, dass das hochgepumpte und/oder das rückfliessende Wasser zwischen dem Speicherbecken (2) und dem Oberbecken (1) als Kühlmittel durch die geothermischen Turbinen (12) fliesst.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage auf dem Gebiet der Geothermie zum Austausch von Erdenergie bzw. zur Gewinnung von Erdenergie für die Nutzung in einem Wärmetauscher, insbesondere zur Stromerzeugung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

[0002] Auf dem Gebiet der Geothermie, also die Gewinnung von Erdenergie und den Austausch mittels eines Wärmetauschers mit Hilfe von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser, sind Anlagen, mit denen die Flüssigkeit mittels eines Rohrleitungssystems in Richtung des Erdinnern gepumpt oder abgelassen, dort erwärmt und wieder an den Ausgangspunkt zurückgebracht wird, seit langem bekannt. Zu unterscheiden sein wird dabei insbesondere Geothermieanlagen, die die Flüssigkeit in niedere Tiefen von ca. 200 m bis ca. 1000 m pumpen (Niedertiefenanlagen) und solchen Geothermieanlagen, die die Flüssigkeit in grosse Tiefen von über 2000 m bis zu 8000 m oder mehr pumpen (Tiefenanlagen). Die vorliegende Erfindung hat dabei die Aufgabe, Tiefenanlagen zu verbessern.

[0003] Solche Tiefenanlagen sind durchaus bekannt, z.B. aus der WO 02/3 332 A1. Eine solche Anlage arbeitet mit einem Bohrloch, in dem sich ein oder mehrere Vorlaufrohre und ein oder mehrere Rücklaufrohre befinden, wobei die Rücklaufrohre bereits ab einer wesentlich geringeren Tiefe (im folgenden Einsatztiefe genannt) als die Gesamtbohrtiefe mit Durchtrittsöffnungen versehen sein, wodurch mittels einer porösen Füllung, die die Rohre umgibt, eine wesentlich erhöhte Effizienz erzielt werden kann. Es wird nämlich – ab der genannten wesentlich geringeren Einsatztiefe – bereits die Erdwärme ausgenutzt und nicht nur an der Bohrsohle.

[0004] Bei den Tiefenanlagen gibt es naturgemäss bestimmte Probleme, unter anderem auch Probleme bergtechnischer Art (z.B. Gebirgsschläge oder Bergschäden) und das Rohrleitungssystem wird spezielle Aufgabe erfüllen müssen. Weiterhin gibt es bei den Tiefenanlagen wärmetechnische Probleme, weil die Einsatztiefe durch die Temperaturdifferenz nach unten beschränkt ist. Zumeist wird eine Einsatztiefe von weniger als 2000 m für die Stromerzeugung kaum genutzt werden können.

Darstellung der Erfindung

[0005] Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine Anlage vorzuschlagen, bei der die bergtechnischen Probleme – bei sorgfältiger Ausgestaltung – verkleinert werden können und bei der die genannten Restriktionen bezüglich der Einsatztiefe verringert werden können. Weiterhin soll die Anlage energetisch effizienter sein als die bekannten Anlagen.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anlage nach Anspruch 1 gelöst. Dabei haben die Massnahmen der Erfindung zunächst einmal zur Folge, dass eine wesentlich höhere energetische Effizienz erzielt werden kann, als wenn das Rohrsystem ab der Erdoberfläche gesenkt wird. Weiterhin ist die Gefahr von Bergschäden erheblich gesenkt. Bemerkenswert und überraschend ist der Effekt der erfindungsgemässen Anlage, dass man einen synergistischen Effekt dadurch erzielt, dass man eine Geothermieanlage in einer beträchtlichen Tiefe von 500 m bis 2500 m, vorzugsweise von 1500±500m unterhalb eines Oberbeckens anordnet und damit ein zusätzliches Pumpspeicherkraftwerk mit eben dieser Höhendifferenz erhält. Damit hat man weiterhin den überraschenden synergistischen Effekt, dass eine Energieanlage, die im Grundlastbetrieb – also im Dauerbetrieb – arbeitet, mit einer Spitzenlastanlage harmonisch so kombiniert werden kann, dass die Vorteile beider Technologien vereint werden. Da man im Oberbecken die Flüssigkeit, vorzugsweise das Wasser, auf natürliche Weise abkühlen lassen und zur Kühlung der Geothermieturbinen – ebenso oder alternativ beim Hochpumpen der Speicherflüssigkeit (Speicherwassers) aus dem Speicherbecken ins Oberbecken – einsetzen und somit die Einsatztiefe der geothermischen Anlage weit höher beginnen lassen kann, – im Wesentlichen in etwa um den Höhenbetrag, der das Oberbecken höher liegt als die Produktionssole – spart man an Bohrtiefe.

[0007] Die Erfindung umfasst das Verfahren nach Anspruch 8, mit dem eine derartige Anlage effizient betrieben werden kann.

[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

[0009] Vorteilhafterweise wird eine Anlage gemäss der vorliegenden Erfindung im Bergland so sein, dass die Produktionssole als im Wesentlichen horizontal verlaufender Stollen in einem Berg ausgebildet ist, wobei das oder die Speicherbecken am oder in der Nähe des Stolleneinganges gelegen sind. Dabei kann das Oberbecken ein künstlicher oder natürlicher Bergsee oberhalb der Produktionssole oder eine Speichersole im Berg oder Erdreich oberhalb der Produktionssole sein.

[0010] Vorteilhafterweise wird eine Anlage gemäss der vorliegenden Erfindung im Flachland so sein, dass die Produktionssole als im Wesentlichen horizontal verlaufender Stollen unterhalb der Erdoberfläche ausgebildet ist, wobei das oder die Speicherbecken als Stollen unterhalb der Produktionssole sind. Dabei können der Zugang und die Versorgung der Produktionssole durch einen im Wesentlichen senkrechten Hauptschacht gewährleistet sein.

[0011] Vorzugsweise wird die Vorrichtung zur Energiegewinnung aus der durch die mittels des Rohrsystems im Erdreich erwärmten Flüssigkeit eine Turbine sein. Es ist aber auch möglich, dass dabei ein Motor, beispielsweise ein Stirlingmotor zum Einsatz kommt.

[0012] Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den nachfolgenden Ausführungsbeispiel beschriebenen, erfindungsgemäss zu verwendenden Elemente unterliegen in ihrer Grösse, Formgestaltung und technischen Konzeptionen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem jeweiligen Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0013] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der dazugehörenden Zeichnungen, in denen – beispielhaft – eine erfindungsgemässe Anlage sowie Einzelheiten zum Verfahren dargestellt sind.

[0014] In den Zeichnungen zeigen: <tb>Fig. 1<sep>einen perspektivischen Übersichtsplan über eine Anlage gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit der Hauptstation (Pumpstation), zwei Speicherbecken, einem Oberbecken und den verbindenden Schächten; <tb>Fig. 2<sep>eine Querschnittszeichnung der Anlage gemäss Fig. 1; <tb>Fig. 3<sep>eine schematische Darstellung der Anlage gemäss Fig. 1 und 2mit den wesentlichen Anlageelementen; <tb>Fig. 4<sep>einen perspektivischen Übersichtsplan über eine Anlage gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ebenfalls mit der Hauptstation (Pumpstation), zwei Speicherbecken, einem Oberbecken und den verbindenden Schächten, und <tb>Fig. 5<sep>eine schematische Darstellung der Anlage gemäss Fig. 4 mit den wesentlichen Anlageelementen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0015] Die in Fig. 1 dargestellte Anlage ist insbesondere für das Bergland geeignet. In einem in einen Berg befindlichen Stollen, der die Produktionssole 7 für eine Geothermieanlage bildet, und der im Ausführungsbeispiel ca. 400 m über NN angenommen wird, sind einige geothermische Bohrungen mit einem, gemäss dem Vorschlag aus der WO 02/3 332 A1 bekannten oder ähnlichen Rohrsystem bis zu einer – im Ausführungsbeispiel mit einer Tiefe von 6800 m ab der Produktionssole 7 angenommenen – geothermischen Energiequelle 5 angelegt. Zur Energiequelle fliesst mittels des Rohrsystems «kaltes» Wasser, welches mittels einer Energiequellenpumpe 10 als heisses Wasser in eine geothermische Turbine 12 gepumpt und dann – nach der Ausnutzung der geothermischen Energie in der Turbine 12 – wieder zur Energiequelle zurückfliesst.

[0016] Die Anlage, wie sie in den Fig. 1bis 3 dargestellt ist, besteht weiterhin aus einem – auf den ersten Blick klassischen Pumpspeichersystem, welches ein im Ausführungsbeispiel auf 2800 m NN (tiefste Stelle) gelegenes, als Speichersee ausgebildetes Oberbecken 1 und – im Ausführungsbeispiel – zwei Speicherbecken 2, sowie ein durch einen Hauptschacht und den Stollen geführtes Rohrleitungssystem umfasst. Zum Hochpumpen von den Speicherbecken 2 in das Oberbecken ist jeweils eine Speicherpumpe 11 vorgesehen, während im rückführenden Rohrleitungssystem eine Pumpspeicherturbine 13 vorgesehen ist, mit der die Energie beim Rückfluss – teilweise – zurückgewonnen werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden sowohl die Rohrleitungen zum Hochpumpen wie auch die Rohrleitungen zum energiegewinnenden Rückfluss zum Zwecke der Kühlung des Wassers im vorstehend beschriebenen geothermischen Kreislauf durch die geothermischen Pumpe 13 geleitet. Dies hat den Zweck, dass das Wasser, welches durch den turbinenmässigen Entspannungseffekt zwar nicht mehr so heiss ist wie beim Austritt aus der Energiequellenpumpe, aber dennoch wärmer als das gewünschte kalte Wasser, welches der geothermischen Bohrung und damit der Energiequelle 5 wieder zugeführt werden soll, auf die gewünschte Zuführungstemperatur abgekühlt werden kann. Mit dieser Kühlung durch das Wasser des Speicherkreislaufes wird effektiv eine Bohrtiefe von ca. 2000m eingespart. Ausserdem hat das so beschriebene Kraftwerk sowohl die Eigenschaft eines Speicherkraftwerkes wie auch eines Grundlastkraftwerkes.

[0017] Die in den Figuren angegebenen Temperaturen sind die für das vorliegende Beispiel angenommene Erdtemperatur bzw. Gesteinstemperatur in der entsprechenden Tiefe.

[0018] Es soll hier nur zum Zwecke der Vollständigkeit angeführt werden, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrischen Versorgungs-, Steuer- und Nutzleitungen sowie die Belüftung über den Stollen nach aussen geführt werden, während die Steuer- und Kontrolleinrichtungen bei der geothermischen Turbine angeordnet sind.

[0019] Die in Fig. 4 dargestellte Anlage ist insbesondere für das Flachland geeignet. In einem unter der Erdoberfläche befindlichen Stollen, der die Produktionssole 107 für eine Geothermieanlage bildet, und der im Ausführungsbeispiel ca. 1900 m unter NN angenommen wird, sind wiederum einige geothermische Bohrungen mit einem, gemäss dem Vorschlag aus der WO 02/3332 A1 bekannten oder ähnlichen Rohrsystem bis zu einer – im Ausführungsbeispiel mit einer Tiefe von 6100 m ab der Produktionssole 107 angenommenen – geothermischen Energiequelle 105 angelegt. Zur Energiequelle fliesst mittels des Rohrsystems «kaltes» Wasser, welches mittels einer Energiequellenpumpe 110 als heisses Wasser in geothermische Turbinen 112 gepumpt und dann – nach der Ausnutzung der geothermischen Energie in die Turbinen 112 – wieder zur Energiequelle zurückfliesst.

[0020] Die Anlage, wie sie in den Fig. 4und 5 dargestellt ist, besteht weiterhin aus einem – auf den ersten Blick klassischen Pumpspeichersystem, welches ein im Ausführungsbeispiel an der Erdoberfläche auf 0 m NN (tiefste Stelle) gelegenes, als Speichersee ausgebildetes Oberbecken 101 und – im Ausführungsbeispiel – als unterer Stollen ausgebildetes Speicherbecken 102, sowie ein durch einen Hauptschacht und den Stollen geführtes Rohrleitungssystem umfasst. Zum Hochpumpen von den Speicherbecken 102 in das Oberbecken 101 ist jeweils eine Speicherpumpe 111 vorgesehen, während im rückführenden Rohrleitungssystem eine Pumpspeicherturbine 113 vorgesehen ist, mit der die Energie beim Rückfluss – teilweise – zurückgewonnen werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden sowohl die Rohrleitungen zum Hochpumpen wie auch die Rohrleitungen zum energiegewinnenden Rückfluss zum Zwecke der Kühlung des Wassers im vorstehend beschriebenen geothermischen Kreislauf durch die geothermischen Pumpen 113 geleitet. Dies hat wiederum den Zweck, dass das Wasser, welches durch den turbinenmässigen Entspannungseffekt zwar nicht mehr so heiss ist wie beim Austritt aus der Energiequellenpumpe aber dennoch wärmer als das gewünschte kalte Wasser, welches der geothermischen Bohrung und damit den Energiequellen 105 wieder zugeführt werden soll, auf die gewünschte Zuführungstemperatur abgekühlt werden kann. Mit dieser Kühlung durch das Wasser des Speicherkreislaufes wird wiederum effektiv eine Bohrtiefe von ca. 2000 m eingespart. Ausserdem hat auch das so beschriebene Kraftwerk sowohl die Eigenschaft einer Speicherkraftwerkes wie auch eines Grundlastkraftwerkes.

[0021] Es soll hier nur zum Zwecke der Vollständigkeit angeführt werden, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die elektrischen Versorgungs-, Steuer- und Nutzleitungen über den Hauptschacht 104 nach aussen geführt werden, während die Steuer- und Kontrolleinrichtungen wiederum bei den geothermischen Turbinen angeordnet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden weiterhin Be- und Entlüftungsschächte 109 vorgesehen.

Bezugszeichenliste

[0022] <tb>1<sep>Oberbecken <tb>2<sep>Speicherbecken <tb>3<sep>Geländeoberkante <tb>4<sep>Hauptschacht <tb>5<sep>Energiequellen <tb>7<sep>Produktionssole <tb>10<sep>Energiequellenpumpe <tb>11<sep>Speicherpumpe <tb>12<sep>geothermische Turbine <tb>13<sep>Pumpspeicherturbine <tb>101<sep>Oberbecken <tb>102<sep>Speicherbecken <tb>103<sep>Geländeoberkante <tb>104<sep>Hauptschacht <tb>105<sep>Energiequellen <tb>107<sep>Produktionssole <tb>108<sep>Speichersole <tb>109<sep>Luftschacht <tb>110<sep>Energiequellenpumpe <tb>111<sep>Speicherpumpe <tb>112<sep>geothermische Turbine <tb>113<sep>Pumpspeicherturbine

Claims (8)

1. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung, mit – einer Bergwerksanlage, die eine Produktionssole (7, 107) und zumindest ein, im Wesentlichen senkrecht in die Erde gesenkten Rohrsystem zum Einleiten und zum Rückholen einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in einen bzw. aus einem zumindest 2000 m und bis zu 10 000 m, vorzugsweise 6000 m bis 8000 m tiefer als die Produktionssole (7, 107) gelegenen Erdbereich und zumindest eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus der durch die mittels dem Rohrsystem im Erdreich erwärmten Flüssigkeit, insbesondere zumindest eine geothermische Turbine (12, 112), aufweist, – einer Energiequellenpumpstation (10, 110) zum Rückholen der Flüssigkeit aus dem genannten Erdbereich, – zumindest einem, in einem Niveau von nicht mehr als 100 m über bzw. 200 m unterhalb der Produktionssole (7, 107) gelegenen Flüssigkeitsspeicherbecken (2, 102), – zumindest einem, in einem Niveau von 500 m bis 2500 m, vorzugsweise von 1500 ± 500 m oberhalb der Produktionssole (7, 107) gelegenen Oberbecken (1, 101), – zumindest einer Speicherpumpe (11, 111) zum Pumpen der Flüssigkeit aus dem zumindest einen Flüssigkeitsspeicherbecken (7, 107) ins Oberbecken (1, 101), sowie einem ersten Verbundmittel, vorzugsweise einem Rohrleitungssystem, zum Fliessen der Flüssigkeit zwischen dem zumindest einen Flüssigkeitsspeicherbecken (7, 107) und dem Oberbecken (1, 101), – einem zweiten Verbundmittel, vorzugsweise einem Rohrleitungssystem zum Rückfliessen der Flüssigkeit zwischen dem Oberbecken (1, 101) und dem zumindest einen Flüssigkeitsspeicherbecken (7, 107) – einer Vorrichtung zur Energiegewinnung, vorzugsweise einer Pumpspeicherturbine (13, 113) zum Gewinnen von Energie beim Rückfliessen der Flüssigkeit zwischen dem Oberbecken (1, 101) und dem zumindest einen Flüssigkeitsspeicherbecken (7, 107), wobei das erste und/oder das zweite Verbundmittel so ausgebildet sind, dass die hochgepumpte und/oder die rückfliessende Flüssigkeit zwischen dem zumindest einem Speicherbecken (2, 102) und dem Oberbecken (1, 101) als Kühlmittel zur und vorzugsweise durch die Vorrichtung oder Vorrichtungen zur Energiegewinnung aus der durch die mittels dem Rohrsystem im Erdreich erwärmten Flüssigkeit (12, 112) fliesst.

2. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionssole (7) als im Wesentlichen horizontal verlaufender Stollen in einem Berg ausgebildet ist, wobei das zumindest eine Speicherbecken (2) am oder in der Nähe des Stolleneinganges gelegen ist.

3. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberbecken (1) als künstlicher oder natürlicher Bergsee oberhalb der Produktionssole (7) ausgebildet ist.

4. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberbecken (1) als Speichersole im Berg oder Erdreich oberhalb der Produktionssole (7) ausgebildet ist.

5. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionssole (107) als im Wesentlichen horizontal verlaufender Stollen unterhalb der Erdoberfläche ausgebildet ist, wobei das zumindest eine Speicherbecken (102) als Stollen unterhalb der Produktionssole (107) gelegen ist, wobei der Zugang und die Versorgung der Produktionssole (107) durch einen im Wesentlichen senkrechten Hauptschacht (104) gewährleistet wird.

6. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiegewinnung aus der durch die mittels dem Rohrsystem im Erdreich erwärmten Flüssigkeit ein Motor ist.

7. Anlage zur geothermischen Energiegewinnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiegewinnung aus der durch die mittels dem Rohrsystem im Erdreich erwärmten Flüssigkeit ein Stirlingmotor ist.

8. Verfahren zur geothermischen Energiegewinnung insbesondere mittels einer Anlage gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, von einer Produktionssole (7, 107) mittels zumindest eines, im Wesentlichen senkrecht in die Erde gesenkten Rohrsystem in einen bzw. aus einem zumindest 2000 m und bis zu 10 000 m, vorzugsweise 6000 m bis 8000 m tiefer als die Produktionssole (7, 107) gelegenen Erdbereich gepumpt, vorzugsweise mittels einer Energiequellenpumpstation (10, 110) wird und daraus mittels zumindest einer Vorrichtung zur Energiegewinnung aus der durch die mittels dem Rohrsystem im Erdreich erwärmten Flüssigkeit, insbesondere mittels zumindest einer geothermische Turbine (12, 112) Energie gewonnen wird, wobei Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zur Speicherenergiegewinnung aus zumindest einem, in einem Niveau von nicht mehr als ± 200 m über bzw. unterhalb der Produktionssole (7, 107) gelegenen Flüssigkeitsspeicherbecken (2, 102) in ein, in einem Niveau von 500 m bis 2500 m, vorzugsweise von 1500 ± 500 m oberhalb der Produktionssole (7, 107) gelegenen Oberbecken (1, 101) mittels zumindest einer Speicherpumpe (11, 111) gepumpt und damit Energie gespeichert und mittels einer Vorrichtung zur Energiegewinnung, vorzugsweise einer Pumpspeicherturbine (13, 113) beim Rückfliessen der Flüssigkeit aus dem Oberbecken (1, 101) in das zumindest eine Flüssigkeitsspeicherbecken (7, 107) Energie zurückgewonnen wird, wobei die hochgepumpte und/oder die rückfliessende Flüssigkeit zwischen dem zumindest einem Speicherbecken (2, 102) und dem Oberbecken (1, 101) zum Kühlen zur und vorzugsweise durch die Vorrichtung oder Vorrichtungen zur Energiegewinnung aus der durch die mittels dem Rohrsystem im Erdreich erwärmten Flüssigkeit (12, 112) geleitet wird.