DE102007058626A1

DE102007058626A1 - System for extraction of geothermal energy, comprises front-end locked double tube probes arranged beneath earth surface centric spaces for u-shaped flow, where tube probes are connected with heat exchanger

Info

Publication number: DE102007058626A1
Application number: DE102007058626A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. Bayer
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-06-10

Abstract

The system comprises front-end locked double tube probes arranged beneath the earth surface centric spaces for a u-shaped flow. The tube probes are connected with a heat exchanger. The double tube probes have a tip sealed outer tube and an inner tube arranged from the outer tube at a radial distance. The double tube probes are arranged in multiple heights.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Gewinnen von Erdwärme.The The invention relates to a plant for obtaining geothermal heat.

Die Erschließung geothermaler Energie hat in der Vergangenheit an Bedeutung gewonnen. Insbesondere bei großen öffentlichen Anlagen und Gebäudekomplexen wird die geothermale Energieversorgung aufgrund der steigenden Energiekosten wirtschaftlich interessant.The Development of geothermal energy has in the past gained in importance. Especially with large public Facilities and building complexes will be the geothermal energy supply economically interesting due to rising energy costs.

Für die Nutzung der Erdwärme werden heutzutage in der Regel von der Erdoberfläche aus tiefe vertikale Bohrungen niedergebracht, in denen Erdwärmesonden verlegt werden. Beispielsweise aus DE 199 19 555 C1 ist ein Verfahren zum Erschließen geothermaler Energie bekannt, bei dem eine Vertikalbohrung in das Erdreich eingebracht wird. Je nach der für ein ausreichendes Wärmeangebot erforderlichen Tiefe sind Vertikalbohrungen außerordentlich aufwendig und teuer. Anschließend wird ein Wärmetauscherrohr (Erdwärmesonde) in die Erdbohrung eingebracht, durch das ein Wärmetauschermittel geführt wird. Die bekannten Verfahren sind jedoch technisch aufwendig und mit hohen Kosten verbunden.For the use of geothermal energy, deep vertical boreholes are usually drilled from the surface of the earth today, in which geothermal probes are laid. For example DE 199 19 555 C1 For example, a method for developing geothermal energy is known in which a vertical bore is introduced into the soil. Depending on the depth required for a sufficient supply of heat vertical holes are extremely expensive and expensive. Subsequently, a heat exchanger tube (geothermal probe) is introduced into the earth bore, through which a heat exchanger means is guided. However, the known methods are technically complex and associated with high costs.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mittels der sich Erdwärme wirtschaftlicher gewinnen läßt.Of the The invention is therefore based on the problem, a possibility to create, by means of which geothermal energy more economical win.

Die Lösung dieses Problems besteht in einer Anlage, bei der von unterhalb der Erdoberfläche befindlichen, d. h. von vorhandenen bzw. fremdgenutzten Räumen aus am Ende verschlossene Doppelrohrsonden oder Koaxialsonden für einen U-förmigen Strömungsverlauf horizontal oder auch leicht geneigt im Erdreich angeordnet und mit einem Wärmetauscher verbunden sind. Die Sonden können aus einem U-förmig verlaufenden Doppelrohr bestehen, dessen Schenkel nahe beieinander liegen und das in eine zuvor hergestellte Erdbohrung eingebracht sowie vorzugsweise mit einem gut wärmeleitenden Material umgeben sind. Dafür eignen sich beispielsweise Bentonit gegebenenfalls vermischt mit Graphit, Metallpulver oder metallhaltige Schlämme aus Hüttenwerken und Thermozemente.The The solution to this problem is a facility in which from below the earth's surface, d. H. from existing or foreign-used spaces from the end closed Double tube probes or coaxial probes for a U-shaped flow pattern arranged horizontally or slightly inclined in the ground and with are connected to a heat exchanger. The probes can consist of a U-shaped extending double tube whose Legs are close to each other and in a previously prepared Introduced Erdbohrung and preferably with a good heat conducting Material are surrounded. For example, are suitable Bentonite optionally mixed with graphite, metal powder or metalliferous sludges from metallurgical plants and thermocements.

In Frage kommen aber auch konzentrische Sonden aus einem vorne geschlossenen, beispielsweise mit einer Spitze versehenen Außenrohr und einem vorne offenen Innenrohr mit Abstand von der Außenrohrspitze.In Question but also concentric probes come from a closed front, For example, provided with a tip outer tube and a front open inner tube with distance from the outer tube tip.

Die Erfindung beruht dabei auf dem Gedanken, daß unterirdische Hohlräume und Hohlraumbauten, die entweder gerade hergestellt werden oder schon älter sind, ein idealer Ausgangspunkt für die Installation von Erdwärmesonden bzw. Wärmetauschen im weitesten Sinne zur Gewinnung von Erdwärme sind. Derartige Hohlräume wie Kel lerräume, Tunnelanlagen, Kavernen, nahezu begehbare bis begehbare Abwasserkanäle, überbaute Flußläufe, Stollen, Felsenkeller, Höhlen, Bergbauhohlräume, unterirdische Regenüberlaufbecken, U-Bahnstrecken, Leitungstunnel, Fluchtstollen etc. besitzen den großen Vorteil, daß sie relativ gleichmäßige bis sehr gleichmäßige Temperaturverhältnisse aufweisen, weil sie vor möglichen Temperaturverlusten zur Oberfläche weitgehend bis oftmals komplett geschützt sind. Die relativ gleichmäßigen Temperaturverhältnisse lassen sich somit relativ verlustfrei nutzen.The Invention is based on the idea that underground Cavities and cavities that are either straight made be or are already older, an ideal starting point for the installation of geothermal probes or heat exchangers in the broadest sense for the extraction of geothermal energy are. such Cavities such as kilns, tunnels, caverns, almost walk-in to walk-in sewers, overbuilt Rivers, galleries, rock cellars, caves, Mining cavities, underground rain overflow basins, Subway lines, line tunnels, escape tunnels, etc. have the great advantage that they are relatively uniform until very uniform temperature conditions because they are against possible temperature losses Surface largely until often completely protected are. The relatively uniform temperature conditions can thus be used relatively lossless.

Die Sonden können übereinander, nebeneinander oder vorzugsweise strahlenförmig angeordnet sein und/oder auch mit einem Winkel gegenüber der Horizontalen verlaufen.The Probes can be on top of each other, side by side or preferably be arranged radially and / or also at an angle to the horizontal.

Die Sonden- oder Tauscherrohre können auch an den Wänden, den Firsten oder auf den Böden verlegt werden, sie können aber auch in das begleitende Gebirge bzw. Gestein eingebracht werden. Besonders ergiebig für die Wärmegewinnung ist ein Verlegen im Gestein oder in wassererfüllten oder teilerfüllten Hohlräumen. Die Verlegung in lufterfüllten Hohlräumen ist möglich, bietet aber ein wesentlich geringeres Ausbringen an Wärme.The Probe or exchanger tubes can also be attached to the walls, they can be laid on the ridges or on the floors but also be introduced into the accompanying mountains or rock. Especially It is productive for the heat production is a laying in the rock or in water-filled or partially filled Cavities. The laying in air-filled cavities is possible, but offers a much lower yield of heat.

Eine solche Erdwärmeerschließung läßt sich mit Vertikalbohrungen nicht so einfach und kostengünstig erreichen, da sich Vertikalbohrungen nur mit großem Aufwand und großen Kosten in unterirdische Hohlräume einbringen lassen. Vertikalbohrungen sind zudem problematisch, da sie in Abhängigkeit von der Tiefe zunehmend aufwendiger, risikoreicher und stetig teurer werden.A such geothermal closure leaves not so easy and inexpensive with vertical drilling achieve, since vertical drilling only with great effort and bring large costs into underground cavities to let. Vertical drilling is also problematic as it depends on the depth increasingly expensive, risky and constantly more expensive become.

Entscheidend ist dabei, daß die Erfindung einen auf höherem Niveau als die Erdoberfläche befindlichen vorhandenen oder auch im Entstehen begriffenen Hohlraum als Ausgangspunkt für die Doppelrohrsonden benutzt und auf diese Weise ohne besonderem Aufwand Raumtiefe gewinnt. Dabei ist der Verlauf der Rohre nicht von entscheidender Bedeutung, weil es wirtschaftliche Bohrverfahren und -vorrichtungen sowie Verlegeverfahren und -vorrichtungen gibt, mit deren Hilfe sich die erfindungsgemäßen Doppelrohrsonden auch aus verhältnismäßig kleinen, natürlichen oder künstlichen Räumen in das Erdreich rammend oder bohrend einbringen lassen. Dazu sind die konzentrischen Doppelrohre zweckmäßigerweise am vorderen Ende mit einer Spitze versehen, um ein leichtes Fortbewegen im Erdreich und das Überwinden von Bodenhindernissen zu ermöglichen. Die Spitze kann bohrerähnlich beschaffen sein, um bei drehend angetriebenen Bohrvorrichtungen das Eindringen ins Erdreich zu erleichtern.critical is that the invention on a higher Level existing as existing or the surface of the earth also emerging cavity as a starting point for used the double tube probes and in this way without particular Effort space depth wins. The course of the pipes is not crucial because it is economical drilling and devices as well as laying methods and devices, with the help of the double tube probes according to the invention also from relatively small, natural or ramming artificial spaces into the ground or drilling. These are the concentric double tubes expediently provided with a tip at the front end, for easy movement in the ground and overcoming of ground obstacles. The tip can be drill-like be designed to rotatably driven drilling devices to facilitate the penetration into the soil.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Hilfe einer üblichen Bohrvorrichtung durchführen, die lediglich auf einem Hub- und/oder Drehgestell angeordnet zu sein braucht. Mit Hilfe eines solchen Gestells lassen sich sternförmig bzw. in einer Ebene angeordnete Doppelrohrsonden in das Erdreich einbringen.The method according to the invention can be carried out with the aid of a conventional drilling device, which only needs to be arranged on a lifting and / or bogie. With the help of such a frame can be star-shaped or arranged in a plane double tube probes bring into the ground.

Das erfindungsgemäße System eignet sich vorteilhaft für das Einbringen einer Vielzahl von benachbarten Doppelrohrsonden, die sich so äußerst wirtschaftlich verlegen lassen. Insbesondere ist ein Einsatz bei Bauprojekten möglich, die deutlich ins Erdreich eingreifen. Ziel kann hierbei sein, die erfindungsgemäße Anlage bei derartigen Bauprojekten von vorneherein mit einzuplanen. Beim Bau eines U-Bahn- oder Straßentunnels können dann Geothermiebohrungen für eine Versorgung der darüber liegenden Gebäude erstellt werden; gleiches gilt für tiefe oder bergseitige Kellerräume, Tiefgaragen, Parkkavernen, Abwasserkanäle, Schachtbauwerke oder ähnliches, bei denen stets eine Erdwärmegewinnung für verbundene oder in der Nähe angesiedelte Bauwerke möglich ist. Beispielsweise können bei tiefen Fundamenten, die nicht mit Pfahlgründungen einhergehen, schräg zur Tiefe und in die Flanken Sondenbohrungen geschaffen werden.The inventive system is advantageous for introducing a plurality of adjacent double tube probes, which can be so extremely economical. In particular, use in construction projects is possible, which intervene significantly in the soil. The goal here can be, the inventive plant in such construction projects of to plan ahead with. When building a subway or road tunnel can then geothermal wells for a supply the building above it; the same applies to deep or mountain-sided basement rooms, Underground parking, parking caverns, sewers, manhole structures or the like, which always geothermal energy for connected or nearby buildings possible is. For example, in deep foundations, the not associated with pile foundations, oblique to the depth and into the flanks probe bores are created.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:The Invention will now be described with reference to the drawing Embodiments of the closer explained. In the drawing show:

1 den Einsatz erfindungsgemäßer Systeme aus Verfahr- und Horizontalbohrvorrichtung in einem Kellerraum und 1 the use of inventive systems of traversing and horizontal drilling in a basement and

2 den Einsatz eines erfindungsgemäßen Systems in einer Tunnelanlage. 2 the use of a system according to the invention in a tunnel installation.

In 1 ist der Einsatz erfindungsgemäßer Systeme aus Verfahrvorrichtung und Horizontalbohrvorrichtung in einem Kellerraum 5 dargestellt. Lediglich zur Veranschaulichung möglicher Bohrvorrichtungen sind in dem Kellerraum insgesamt drei Möglichkeiten dargestellt. Aufgrund der Vielseitigkeit, die die Erfindung bietet, ist dagegen zumeist der Einsatz nur einer Bohrvorrichtung ausreichend.In 1 is the use of inventive systems of traversing and horizontal drilling in a basement room 5 shown. Only to illustrate possible drilling devices in the basement room a total of three options are shown. Due to the versatility offered by the invention, on the other hand, the use of only one boring device is usually sufficient.

Bei der auf der linken Seite der 1 dargestellten Vorrichtung erlaubt eine Hubbühne 1 ein Verlagern der Horizontalbohrvorrichtung 2 mittels nicht dargestellter Hydraulikzylinder in vertikaler Richtung. Neben hydraulischen sind auch elektrische und pneumatische Antriebe möglich, wobei in beiden Komponenten derselbe Antrieb vorgesehen sein kann.At the left side of the 1 illustrated device allows a lifting platform 1 a displacement of the horizontal drilling device 2 by means not shown hydraulic cylinder in the vertical direction. In addition to hydraulic and electrical and pneumatic drives are possible, in both components, the same drive can be provided.

Um ein einfaches Positionieren und Ausrichten der Bohrvorrichtung zu gewährleisten, ist die Hubbühne 1 weiterhin mit Fahrrollen 3 ausgestattet, die beim Bohren blockiert werden, um eine ungewollte Bewegung der Vorrichtung zu verhindern. Da eine Sicherung über die blockierten Fahrrollen häufig nicht ausreicht, ist die Vorrichtung weiterhin über Ketten 4 mit Ankerstäben (nicht dargestellt) verbunden, die in die Wand des Kellerraums 5 getrieben sind.To ensure easy positioning and alignment of the drilling device is the lifting platform 1 continue with casters 3 equipped, which are blocked during drilling, to prevent unwanted movement of the device. Since a backup over the blocked rollers is often insufficient, the device is still on chains 4 connected with anchor rods (not shown), which are in the wall of the basement room 5 are driven.

Die Hubbühne des auf der linken Seite dargestellten Systems 1, 2, 3, 4 ermöglicht ein schnelles und einfaches Einbringen von Bohrungen für Erdwärmesonden an beliebigen Stellen in unterschiedlichen Höhen.The lifting platform of the system shown on the left 1 . 2 . 3 . 4 enables quick and easy drilling of boreholes for geothermal probes anywhere in different heights.

Bei dem auf der rechten Seite dargestellten System ist die Bohrvorrichtung 2 ebenfalls auf einer Hubbühne 1 montiert, die jedoch in ihrer völlig eingefahrenen Position dargestellt ist. Um ein Verschwenken der Bohrvorrichtung 2 um eine Horizontalachse zu ermöglichen, können Keile 6 unterschiedlicher Höhe zwischen der Bohrvorrichtung 2 und der oberen Standfläche der Hubbühne 1 angeordnet werden.In the system shown on the right side is the drilling device 2 also on a lifting platform 1 mounted, but which is shown in its fully retracted position. To pivot the drilling device 2 to allow a horizontal axis, wedges 6 different height between the drilling device 2 and the upper footprint of the lifting platform 1 to be ordered.

Derselbe Keil 6 kann auch dazu dienen, die Bohrvorrichtung in die entgegengesetzte Richtung zu verschwenken, wie dies bei der mittig dargestellten Vorrichtung der Fall ist.The same wedge 6 may also serve to pivot the drilling device in the opposite direction, as is the case in the device shown in the middle.

2 zeigt den Einsatz einer Bohrvorrichtung in einem Verkehrstunnel, bei dem eine Vielzahl von Erdwärmesonden 9 sternförmig sowohl aus dem Haupttunnel 7 als auch aus einem Versorgungsschacht 8 heraus in das Erdreich eingebracht sind. 2 shows the use of a drilling device in a traffic tunnel, in which a variety of geothermal probes 9 star shaped both from the main tunnel 7 as well as from a supply shaft 8th are introduced into the soil.

Das Einbringen der Sonden 9 kann insbesondere schon während des Tunnelbaus geschehen, womit lediglich geringe Zusatzkosten verbunden sind. Werden die Sonden noch vor dem Verschalen der Tunnelröhre eingebracht, lassen sich entsprechende Zu-, Ab- oder Verbindungsleitungen hinter der Tunnelschale verlegen oder in diese integrieren.The introduction of the probes 9 can happen especially during tunneling, which are associated with only small additional costs. If the probes are inserted before the tunneling of the tunnel tube, appropriate supply, discharge or connecting lines can be installed behind the tunnel shell or integrated into it.

In 2 ist die Versorgung eines Gebäudes 10 mit der gewonnenen Erdwärme dargestellt. Über eine Pumpe 12 wird hierzu ein Wärmeträger durch die Sonden gepumpt und erwärmt. Über einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) läßt sich die gewonnene Wärme beispielsweise zum Beheizen des Gebäudes 10 oder für eine Warmwasserversorgung verwenden. Da die Sonden 9 im Erdreich enden, kommen Doppelrohrsonden zum Einsatz, die einen Vorlauf für den Wärmeträger über ein Hüllrohr und einen Rücklauf über ein mit radialem Abstand innerhalb des Hüllrohrs angeordnetes Innenrohr ermöglichen.In 2 is the supply of a building 10 represented with the recovered geothermal energy. About a pump 12 For this purpose, a heat transfer medium is pumped through the probes and heated. About a heat exchanger (not shown), the heat obtained, for example, to heat the building 10 or use for a hot water supply. Because the probes 9 ending in the soil, double tube probes are used, which allow a flow for the heat transfer medium via a cladding tube and a return via an inner tube arranged at a radial distance within the cladding tube.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19919555 C1 [0003]

Claims

Plant for extracting geothermal energy from areas below ground ( 5 ) from double-tube probes closed at the front end ( 9 ) are arranged for a U-shaped flow in the ground and connected to a heat exchanger.

Plant according to claim 1, characterized by a U-shaped profile of the double-tube probe ( 9 ).

Plant according to claim 1, characterized by a double-tube probe ( 9 ) with closed by a tip outer tube and an inner tube arranged therein at a radial distance from the outer tube.

Installation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the double-tube probes ( 9 ) are arranged in several heights.

Installation according to one of claims 1 to 4, characterized in that the double-tube probes ( 9 ) inclined with respect to the horizontal.

Installation according to one of claims 1 to 5, characterized by a plurality of radially arranged double-tube probes ( 9 ).