DE102007003066A1

DE102007003066A1 - Anlage zur Erschließung und Nutzung thermischer Energie aus wärmeführenden Erdformationen

Info

Publication number: DE102007003066A1
Application number: DE102007003066A
Authority: DE
Inventors: Heiko Sasse
Original assignee: Sasse Heiko Dipl-Ing
Current assignee: Sasse Heiko Dipl-Ing
Priority date: 2007-01-20
Filing date: 2007-01-20
Publication date: 2008-07-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erschließung und Nutzung von thermischer Energie aus dem Wärmereservoir tiefliegender Erdformationen. Die Aufgabe besteht darin, einen thermodynamischen Kreisprozess zu schaffen, bei dem mittels eines umlaufenden Wärmeträgermediums eine für eine Kraft-Wärmekopplung benötigte, dauerhaft verfügbare Enthalpie verlustarm einem Energiewandler zugeführt wird. Die Lösung sieht vor, im Endbereich (4) einer Tiefenbohrung (1) eine Kaverne (5) anzuordnen und diese mit wärmeleitfähigen Materialien (6) zur umliegenden Erdformation (1) zu versiegeln. Ein in der Kaverne (5) über eine Sonde (7) zugeführtes und erwärmbares Wärmeträgermedium (11) wird in Richtung Erdoberfläche so weit in einem Mantelrohr (3) geführt, dass eine mögliche Abstrahlung des erwärmten Wärmeträgermediums (11) zur umliegenden Erdformation (1) vermieden wird und in einer in diesem Bereich angeordneten hydraulischen Kreuzung (9) aus dem Mantelrohr (3) in eine Sonde (7) bzw. einem wärmeabführenden Rohr (10.2) übergeleitet und einem Energiewandler (13) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erschließung und Nutzung thermischer Energie aus wärmeführenden Erdformationen mittels einer Tiefenbohrung, in der in einem geschlossenen Kreislauf durch zwei Stoffströme ein Wärmeträgermedium in das Erdinnere eingeleitet und nach Erwärmung einem Energiewandler zugeleitet wird.
Die Erschließung und Nutzung thermischer Energie aus wärmeführenden Erdformationen hat bisher durch verschiedene technische und ökonomische Probleme keine breitenwirksame Anwendung gefunden.
Beim Einsatz von offenen Kreisläufen, wie dem bekannten Hot-Dry-Rock Verfahren und bei der Nutzung von Thermalwässern, wirken sich folgende Faktoren negativ auf die Wirtschaftlichkeit und technisch-geologische Machbarkeit solcher Energieanlagen aus. So sind mindestens zwei tiefe Bohrungen notwendig um einen wärmefördernden Kreislauf herzustellen. Es müssen wärmeführende geologische Schichten mit entsprechenden Klüftungen und Porösitäten gefunden werden, um eine ausreichende Durchflutung des Systems zu gewährleisten.
Bei der Durchströmung der geologischen Schichten sind Verunreinigungen nicht auszuschließen, was wiederum zu erhöhten Aufwendungen bezüglich Korrosions- und Verschleißschutz der Anlagen führt. Für den Kreislauf sind zudem hohe Pumpenleistungen erforderlich, die nur eine geringe Gesamtenergiebilanz erwarten lassen.
Als Alternative zu dem Hot-Dry-Rock Verfahren sind geschlossene Kreislaufsysteme bekannt.
So wurde vorgeschlagen in einem geschlossenen System in einer Tiefenbohrung zwei koaxial angeordnete Kanäle vorzusehen, in der in einem ersten Kanal ein Arbeitsstoff nach unten in das Erdinnere geleitet wird und in einen hierzu zweiten konzentrisch angeordneten Kanal die Abführung des dann wärmeführenden Arbeitsstoffes erfolgt ( EP 1 194 723 B1 ).
Der erste Kanal besteht aus einem Mantelrohr der abgeteuften Tiefenbohrung und schließt vollständig mit der Erdformation ab und ist gleichzeitig an seiner tiefsten Stelle druck- und flüssigkeitsdicht zur Erdformation geschlossen. Der in dem Mantelrohr befindliche Abführungskanal verfügt an seiner tiefsten Stelle über zum Mantelrohr hin offene Ringspalten.
Nachteilig ist, dass nur entsprechend der Größe der Oberfläche des Mantelrohres, in einem relativ kleinen Bereich, Wärme aus der umliegenden Erdformation entnommen werden kann und damit der entnehmbare Wärmeertrag begrenzt ist. Die effektive Fläche zur Wärmeübertragung ist nur auf einen Teil der inneren Mantelfläche begrenzt, dadurch ist die Ausbeute an thermischer Energie deutlich eingeschränkt und somit auch für die Stromerzeugung in einer Kraft-Wärmekopplung ungeeignet. Es treten deutliche Wärmeverluste gegenüber dem oberflächennahen, kälteren Erdformationen und dem Sondenrohr auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Anlage zur Erschließung und Nutzung von Erdwärme aus dem Wärmereservoir des tiefen geologischen Untergrundes mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses zu schaffen, bei der eine Tiefenbohrung so ausgeführt ist, das eine für die Kraft-Wärmekopplung benötigte, ausreichende und dauerhaft verfügbare Enthalpie mittels einem Wärmeträgermedium verlustarm einem Energiewandler zugeführt werden kann.
Diese Aufgabe löst die Erfindung gemäß dem im Patentanspruch 1 und den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Vorteil der Erfindung ist, dass in einer Tiefenbohrung im Bereich eines zu erwartenden höchsten Temperaturangebotes eine Aufweitung der Teufe durch eine Kaverne vorgesehen ist, deren Fläche zur Wärmeübertragung gegenüber dem im Stand der Technik bekannten Erdwärmesonden wesentlich vergrößert ist und gleichzeitig auch die Oberfläche des Mantelrohres bis zu dem Bereich minimaler Abstrahlungsverluste als Wärmeeintrag genutzt werden kann. Durch die Versiegelung der Kaverne kommt das wärmeübertragende Medium nicht unmittelbar mit der umliegenden Erdformation in Berührung, so dass ein Lösen und Austragen von unerwünschten Substanzen zum Energiewandler verhindert wird. Das geschlossene System gestattet zudem jegliche Art von Fluiden als Wärmeträgermedium einzusetzen, wobei das erwärmte Fluid in mit geeigneten isolierenden Materialien ausgeführten Sonden gefördert wird.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die vom Energiewandler nicht wandelbare Energie einer zeitlich begrenzten oberflächennahen Speicherung zugeführt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage mit Trennung der Ein- und Ausleitung des Wärmeträgermediums in getrennten Sonden
3 eine Ausführung einer hydraulischen Kreuzung gemäß 1
Die Anlage zur Erschließung und Nutzung thermischer Energie besteht aus einer Tiefenbohrung 2, einem in der Tiefenbohrung 2 bis zur Endteufe 4 eingebrachten und mit der Erdformation 1 abdichtend geführten Mantelrohr 3. Im Bereich der Endteufe 4 ist eine Kaverne 5 vorgesehen, die einschließlich des Endes des Mantelrohres 3 mit einem wärmeleitfähigen Material 6 versiegelt ist. In dem Mantelrohr 3 ist bis in die Kaverne 5 reichend eine Sonde 7 geführt, an deren tiefstem Ende Strömungskanäle angeordnet sind, die es ermöglichen, dass das Wärmeträgermedium 11 die Kaverne 5 durchfluten kann. Zwischen Mantelrohr 3 und Sonde 7 ist im Bereich 8 der minimalsten Wärmeabstrahlungsverluste zur umliegenden Erdformation 1 eine hydraulische Kreuzung 9 angeordnet.
In der hydraulischen Kreuzung 9 sind Strömungskanäle vorgesehen, die ein Umleiten des Wärmeträgermediums 11 bzw. des Wärmestromes ermöglichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß 2 zwischen den Einrichtungen der Energiewandlung 13 und der im Mantelrohr 3 angeordneten hydraulischen Kreuzung 9 getrennte Sonden 10.1 und 10.2 vorgesehen, wobei die Sonde 10.1 über die hydraulische Kreuzung 9 mit der bis in die Kaverne 5 reichenden Sonde 7 in Verbindung steht und die Sonde 10.2 das erwärmte Wärmeträgermedium 11 einem Energiewandler 13 zuführt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das im Bereich des Mantelrohres 3 bis zur hydraulischen Kreuzung 9 befindliche Luftvolumen als zusätzliche Isolation zwischen dem abwärtsführenden Wärmeträgermedium 11 und dem dem Energiewandler 13 zugeführten, erwärmten Wärmeträgermedium 11 dient.
In 3 ist beispielsweise eine hydraulische Kreuzung 9 als Ringsegment 9.1 ausgeführt. Dieses Ringsegment 9.1 verfügt über mehrere sich kreuzende Bohrungen 9.2 und 9.3, die ein Umleiten des Wärmeträgermediums 11 in die Bereiche der Einleitung, des Wärmegewinnes und der Wärmeabführung ermöglichen.
Die Funktionsweise der Erfindung ist folgende:
Das Wärmeträgermedium 11 wird über eine Zirkulationspumpe 12 oder einen an sich bekannten Verdichter in das Mantelrohr 3 bzw. über die Sonde 10.1 in die Tiefenbohrung 2 eingebracht. Die Zirkulationspumpe 12 bzw. der Verdichter sorgen für eine kontinuierliche Strömung bzw. erforderlichenfalls für eine Komprimierung des Wärmeträgermediums 11. Die Antriebsenergie kann sinnvollerweise gleich vom Energiewandler 13 bezogen werden. Die Zirkulationspumpe 12 bzw. der Verdichter sind steuerbar, so dass der Durchsatz des Wärmeträgermediums 11 dem Wärmebedarf angepasst werden kann. Das Wärmeträgermedium 11 fließt über die hydraulische Kreuzung 9 in die Sonde 7. Die Sonde 7 ist bis nahe an den Grund der Kaverne 5 im Mantelrohr 3 geführt. Dort tritt das Wärmeträgermedium 11 über in der Sonde 7 befindlichen, nicht näher dargestellten Düsen in die Kaverne 5 ein. Die Düsen sind so gestaltet und angeordnet, dass eine dreidimensionale Spiralströmung in der Kaverne 5 erzeugt wird, die die Basis für einen effektiven Wärmeertrag aus der wärmeführenden Erdformation 1 bildet.
Das erwärmte Wärmeträgermedium 11 wird aus der Kaverne 5 in dem Mantelrohr 3 bis zur hydraulischen Kreuzung 9 geführt und wird gleichzeitig durch die am Mantelrohr 3 anliegende Erdformation 1 über die Mantelrohroberfläche nacherwärmt. Die hydraulische Kreuzung 9 leitet dann das erwärmte Wärmeträgermedium 11 in die zwischen dem Energiewandler 13 und der hydraulischen Kreuzung 9 befindliche Sonde 7 oder einem separat im Mantelrohr 3 angeordneten wärmeabführenden Rohr 10.2.
Das erwärmte Wärmeträgermedium 11 wird Übertage in einen Energiewandler 13 mit Kraft-Wärmekopplung und/oder einem oberflächennahen Energiespeicher 14 mit nicht näher dargestellten Energieverteilungssystemen eingespeist.
Nachdem das Wärmeträgermedium 11 seine Wärme abgegeben hat, wird es dem geschlossenen Kreislauf über die Zirkulatiospumpe 12 in der zuvor beschriebenen Weise wieder zugeführt.

1: Erdformation
2: Tiefenbohrung
3: Mantelrohr
4: Endbereich
5: Kaverne
6: wärmeleitfähiges Material
7: Sonde
8: Bereich minimaler Wärme-Abstrahlungsverluste
9: hydraulische Kreuzung
9.1: Ringsegment
9.2: abwärtsführende Bohrung
9.3: aufwärtsführende Bohrung
10.1: wärmeträgerführendes Rohr, abwärtsführend gerichtet
10.2: wärmeträgerführendes Rohr, aufwärtsführend gerichtet
11: Wärmeträgermedium
12: Aggregat zur Verbringung des Wärmeträgermediums in die Erdformation; Zirkulationspumpe
13: Energiewandler
14: oberflächennaher Energiespeicher
15: Kraft-Wärme-Kopplung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1194723 B1 [0006]

Claims

Anlage zur Erschließung und Nutzung thermischer Energie aus wärmeführenden Erdformationen mittels einer Tiefenbohrung, in der in einem geschlossenen Kreislauf durch eine koaxiale Verrohrung ein Wärmeträgermedium in das Erdinnere eingeleitet und nach Erwärmung einem Energiewandler zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Endbereich (4) der abgeteuften, mit einem Mantelrohr (3) ausgekleideten Tiefenbohrung (2) eine Kaverne (5) vorgesehen ist, die zur umliegenden Erdformation (1) mit wärmeleitfähigen Materialien (6) dicht versiegelt ist und dass eine nach unten offene Sonde (7) bis in die Kaverne (5) reichend wärmeisolierend in dem Mantelrohr (3) angeordnet ist und dass in einem Bereich (8) minimaler Abstrahlungsverluste der zu fördernden Erdwärme gegenüber der umgebenden Erdformation (1) zwischen Mantelrohr (3) und Sonde (7) eine hydraulische Kreuzung (9) dichtfest angeordnet ist, in der das abwärts führende Wärmeträgermedium (11) aus dem Mantelrohr (3) in die Sonde (7) leitbar und gegenläufig das unterhalb der hydraulischen Kreuzung (9) im Mantelrohr (3) befindliche erwärmte Wärmeträgermedium (11) über die Sonde (7) und/oder über ein oder mehrere separate Rohre (10) zu einem an sich bekannten Energiewandler (13) und/oder einem Energiespeicher (14) abführbar ist.
Anlage zur Erschließung thermischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelung der Kaverne (5) durch ein Material (6) erfolgt, das sowohl feste und/oder poröse Erdformationen dauerhaft zum Innern der Kaverne (5) abdichtet.
Anlage zur Erschließung thermischer Energie nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (7) aus einem Leichtbauwerkstoff, beispielsweise aus GFK oder CFK besteht.
Anlage zur Erschließung thermischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht zur Energiewandlung verwendbare Erdwärme in einen oberflächennahen Energiespeicher (14) einspeisbar ist.
Anlage zur Erschließung thermischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage in ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem (15) einbindbar ist.
Anlage zur Erschließung thermischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere getrennte Sonden (10.1; 10.2) in dem Mantelrohr (3) zwischen den Einrichtungen der Energiewandlung (13) und/oder Energiespeicherung (14) der hydraulischen Kreuzung (9) zur Ein- und Abführung eines Wärmeträgermediums (11) vorgesehen sind.
Anlage zur Erschließung thermischer Energie nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kreuzung (9) aus einem zwischen Mantelrohr (3) und Sonde (7) angeordnetem Ringsegment (9.1) besteht, das über mehrere vom Mantelrohr (3) zur Sonde (7) hineingebrachte, nicht miteinander in Verbindung stehende Bohrungen (9.2; 9.3) verfügt, wobei die das Wärmeträgermedium (11) in das Erdinnere führende Bohrungen (9.2) zur Sonde (7) hin nach unten gerichtet und die den Wärmestrom abführenden Bohrungen (9.3) aus dem Mantelrohr (3) zur Sonde (7) überlagernd nach oben gerichtet sind.