DE102019129308A1

DE102019129308A1 - Erdsondensystem

Info

Publication number: DE102019129308A1
Application number: DE102019129308.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Siegmund; Cornelia Breitkopf; Uwe Gampe; Sebastian Pinnau; Andreas Jäger; Sebastian Rath; Seth Taylor
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-06
Also published as: CA3097273A1; CA3097273C

Abstract

Ein Erdsondensystem (100) kann beispielsweise Folgendes aufweisen: eine Fluidführung (110), wobei die Fluidführung ein Außenrohr (112) und ein in dem Außenrohr angeordnetes Innenrohr (114) aufweist, und wobei die Fluidführung derart eingerichtet ist, dass ein Arbeitsfluid (120) in dem Außenrohr mittels mindestens einer Wärmequelle (130) und mindestens einer Wärmesenke (140) derart temperiert werden kann, dass das Arbeitsfluid in dem Außenrohr absinken und in dem Innenrohr aufsteigen kann; und eine Turbinen-Generator-Einheit (150), welche in dem Innenrohr der Fluidführung angeordnet und derart eingerichtet ist, dass mindestens eine Turbine (152) der Turbinen-Generator-Einheit mittels des in dem Innenrohr aufsteigenden Arbeitsfluids angetrieben werden kann und dass mechanische Energie von der mindestens einen Turbine zu mindestens einem Generator (154) der Turbinen-Generator-Einheit übertragen werden kann zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels des mindestens einen Generators, wobei das Arbeitsfluid ein überkritisches Fluid aufweist.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen ein Erdsondensystem.
Im Allgemeinen sind verschiedene Systeme im Einsatz, um mittels Erdwärme (als Geothermie bezeichnet) in einem Kraftwerk-Maßstab elektrische Energie zu erzeugen. Die üblichen Systeme beruhen dabei beispielsweise auf Tiefenbohrungen, um die für das Verdampfen von Wasser nötigen Temperaturen von über 100°C zu erreichen. Dazu kann es erforderlich sein, Tiefenbohrungen bis in eine Tiefe von 4000 m oder sogar bis 5000 m durchzuführen, z.B. in Regionen, in denen keine besonders günstigen Erdwärmebedingungen herrschen. In Regionen mit besonders günstigen Erdwärmebedingungen dagegen, z.B. vielerorts in Island, können Temperaturen von über 100°C bereits in geringeren Tiefen erreicht werden.
Allgemein kann bei einer Nutzung von Erdwärme in tiefen Bodenbereichen der dortigen Umgebung entsprechend Wärme entzogen werden und an die Oberfläche transportiert werden. Bei einer tiefengeothermischen Stromerzeugung werden herkömmlicherweise beispielsweise offene Fluidsysteme verwendet. Bei einem offenen Fluidsystem kann beispielsweise mittels einer Förderbohrung heißes zuvor eingespeistes Wasser wieder an die Erdoberfläche gefördert werden, und mittels einer beispielsweise mehrere hundert Meter entfernten Injektionsbohrung kann das abgekühlte Wasser wieder in den Untergrund eingeleitet werden. Für ein offenes Fluidsystem sind somit beispielsweise mindestens zwei Tiefenbohrungen notwendig, was entsprechend kostspielig sein kann.
Beim Vorliegen von geologischen Anomalien, wie beispielsweise einem unterirdischen Wasserreservoir, kann auch eine geothermale Nutzung in Frage kommen, bei der das heiße Untergrundwasser direkt zum Heizen genutzt wird.
Geschlossene Fluidsysteme, bei denen mittels nur einer Bohrung tiefengeothermisch elektrische Energie erzeugt werden kann, sind derzeit kaum im Einsatz. Theoretisch kommen Verfahren in Frage wie der so genannte Organic-Rankine-Cycle (ORC), bei dem mittels einer organischen Wärmeträgerflüssigkeit bei Temperaturen von beispielsweise mehr als ungefähr 80°C elektrische Energie erzeugt werden kann, oder das so genannte Kalina-Verfahren, bei dem ein Zweistoffgemisch, z.B. ein Gemisch aus Ammoniak und Wasser, als Arbeitsfluid verwendet wird.
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Erdsondensystem, welches einen geschlossenen Fluidkreislauf aufweist. Somit kann beispielsweise sichergestellt sein, dass die verwendete Wärmeträgerflüssigkeit (auch als Arbeitsfluid bezeichnet) nicht mit dem Erdreich in direkten Kontakt kommt. Dabei ist das Erdsondensystem derart ausgestaltet, dass mittels des Erdsondensystems bereits in einer Tiefe von ungefähr 2000 m bzw. bei einer Erdbodentemperatur von ungefähr 50°C bis ungefähr 90°C (z.B. bei 60°C) effizient elektrische Energie erzeugt werden kann. Weiterhin wird, gemäß einigen Ausführungsformen, ein nicht-entzündliches und/oder ungiftiges Fluid als Wärmeträgerflüssigkeit (auch als Arbeitsfluid bezeichnet) verwendet.
Das hierin beschriebene Erdsondensystem kann beispielsweise derart ausgelegt sein, dass kleinere Quartiere (wie beispielsweise zwei bis drei Einfamilienhäuser) mit ausreichend elektrischer Energie (z.B. grundlastfähig mit 5 bis 10 kW elektrischer Leistung) versorgt werden können.
Somit kann das hierin beschriebene Erdsondensystem beispielsweise in einigen Ausgestaltungen folgende Vorteile bieten:

(I) Das hierin beschriebene Erdsondensystem kann beispielsweise mit geringeren Kosten installiert werden, da beispielsweise nur eine Tiefenbohrung bis in einen Bereich von ungefähr 2000 m ausreichend sein kann. Im Gegensatz dazu müssen für herkömmliche offene Systeme beispielsweise zwei Tiefenbohrungen bis ungefähr 4000 m oder 5000 m durchgeführt werden, wenn beispielsweise 120°C bis 150°C heißes Wasser verwendet werden soll.
(II) Das hierin beschriebene Erdsondensystem kann beispielsweise installiert werden, ohne Erderschütterungen zu erzeugen. Im Gegensatz dazu kann es bei der Installation herkömmlicher offener Systeme beispielsweise zu einer induzierten Seismizität kommen. Die induzierte Seismizität kann in der Stimulationsphase durch Einleiten von Wasser in die Injektionsbohrung unter hohem Druck verursacht werden.
(III) Das hierin beschriebene Erdsondensystem kann beispielsweise ohne besondere geologische Voraussetzungen verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist der Einsatz herkömmlicher offener geothermischer Systeme räumlich sehr stark begrenzt und nur dort möglich, wo die entsprechenden geologischen Gegebenheiten vorliegen, insbesondere bei geothermalen Systemen, die auf ein unterirdisches Wasserreservoir angewiesen sind.
(IV) Das hierin beschriebene Erdsondensystem kann beispielsweise ohne ein gefährliches (z.B. ohne ein giftiges und/oder entzündliches) Arbeitsfluid betrieben werden, z.B. mittels überkritischen Kohlenstoffdioxids (CO₂). Im Gegensatz dazu ist der Einsatz herkömmlicher geschlossener Systeme bei oberflächennaher Geothermie (z.B. bis in eine Tiefe von 100 m) beispielsweise auf Ammoniak oder andere nicht umweltfreundliche Arbeitsfluide angewiesen (z.B. in Wärmepumpen), was eine erhebliches Gefahrenpotential für die Umwelt darstellen kann.

Insgesamt ist allerdings festzustellen, dass bei geschlossenen Systemen prinzipiell die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche deutlich geringer ist als bei offenen Systemen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Erdsondensystem bereitgestellt, welches eine geschlossene Fluidführung bzw. einen geschlossenen Fluidkreislauf aufweist. Wie vorangehend beschrieben, ist das Arbeitsfluid bei einer geschlossenen Fluidführung bzw. einem geschlossenen Fluidkreislauf nicht in direktem Kontakt mit dem Erdreich, sondern wird stets innerhalb der Fluidführung geführt. Das Erdsondensystem ist dabei derart ausgestaltet, dass mittels der Fluidführung ein Arbeitsfluid in einem Kreislauf geführt werden kann und dass eine Wärmübertragung zwischen dem Arbeitsfluid und mindestens einer Wärmequelle und zwischen dem Arbeitsfluid und mindestens einer Wärmesenke derart stattfinden kann, dass das Arbeitsfluid in dem Kreislauf zirkuliert. Die Zirkulation kann beispielsweise rein konvektiv ausgestaltet sein. Alternativ dazu kann zusätzlich eine Umwälzvorrichtung zum Einsatz kommen, mittels der das Zirkulieren des Arbeitsfluids unterstützt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Fluidführung des Erdsondensystems ein im Wesentlichen vertikal ausgerichtetes Außenrohr und ein in dem Außenrohr angeordnetes Innenrohr aufweisen. Die Fluidführung kann derart eingerichtet sein, dass das Arbeitsfluid in dem Außenrohr mittels mindestens einer Wärmequelle derart erwärmt werden kann, dass das Arbeitsfluid in dem Außenrohr absinken kann und in dem Innenrohr aufsteigen kann. Die Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsfluid und dem Erdreich findet somit beispielsweise über das Außenrohr statt. Die Fluidführung kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass ein Dichtegradient in dem Arbeitsfluid in dem Außenrohr mittels mindestens eine Wärmequelle und mindestens einer Wärmesenke erzeugt werden kann, so dass das Arbeitsfluid in dem Außenrohr absinken kann und in dem Innenrohr aufsteigen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann überkritisches CO₂ oder ein anderes überkritisches Fluid als Arbeitsfluid in dem Erdsondensystem verwendet werden. In diesem Fall kann das Arbeitsfluid beispielsweise derart in der Fluidführung geführt werden (z.B. mit einem vordefinierten Druckbereich und in einem vordefinierten Temperaturbereich), dass ein Phasenübergang zwischen flüssiger und gasförmiger Phase vermieden wird. Das Arbeitsfluid und der Fluidkreislauf können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass sich das Arbeitsfluid in dem Fluidkreislauf in einem überkritischen Zustand befindet. Das Arbeitsfluid und der Fluidkreislauf können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass sich das Arbeitsfluid zumindest in dem unterirdisch liegenden Abschnitt des Fluidkreislaufs in einem überkritischen Zustand befindet. Das Arbeitsfluid und der Fluidkreislauf können beispielsweise derart eingerichtet sein, dass sich das Arbeitsfluid in dem Fluidkreislauf zumindest ab einer Tiefe von 500 m in einem überkritischen Zustand befindet. Überkritisches CO₂ kann in dem gesamten Fluidkreislauf oder zumindest in vordefinierten Abschnitten des Fluidkreislaufs beispielsweise einen Druck von mehr als 70 bar und eine Temperatur von mehr als 31°C aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erdsondensystem eine Turbinen-Generator-Einheit aufweisen, welche in der Fluidführung (z.B. in dem Innenrohr der Fluidführung) angeordnet sein kann. Die Turbinen-Generator-Einheit kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass mindestens eine Turbine der Turbinen-Generator-Einheit mittels des zirkulierenden Arbeitsfluids angetrieben werden kann und dass von der mindestens einen Turbine mechanische Energie an mindestens einen Generator der Turbinen-Generator-Einheit übertragen werden kann zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels des mindestens einen Generators.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Turbinen-Generator-Einheit in dem Innenrohr einer koaxial ausgestalteten Doppelrohr-Fluidführung angeordnet sein und derart eingerichtet sein, dass mindestens eine Turbine der Turbinen-Generator-Einheit mittels des in dem Innenrohr aufsteigenden Arbeitsfluids angetrieben werden kann und dass mechanische Energie an mindestens einen Generator der Turbinen-Generator-Einheit übertragen werden kann zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels des mindestens einen Generators.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1 ein Erdsondensystem in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 ein Phasendiagramm eines überkritischen Fluides, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3A ein Erdsondensystem in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3B ein Erdsondensystem in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4A und 4B jeweils ein Erdsondensystem in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
5A bis 5C Berechnungen eines Kreisprozesses anhand eines schematischen Prozessablaufs, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
1 veranschaulicht ein Erdsondensystem 100 zum Erzeugen von elektrischer Energie in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erdsondensystem 100 eine Fluidführung 110 aufweisen. Die Fluidführung 110 kann beispielsweise ein Außenrohr 112 und ein in dem Außenrohr 112 angeordnetes Innenrohr 114 aufweisen. Das Außenrohr 112 der Fluidführung 110 kann beispielsweise eine Länge, L_A, in einem Bereich von ungefähr 1 km bis ungefähr 3 km aufweisen. Die Länge (L_A) des Außenrohrs 112 kann beispielsweise eine maximale Tiefe definieren, bis zu der das Erdsondensystem 100 in den Erdboden eingebracht sein kann, wenn das Erdsondensystem 100 installiert ist. Ein tiefster Abschnitt der Fluidführung 110, in dem das Arbeitsfluid 120 aus dem Außenrohr 112 in das Innenrohr fließen kann, kann beispielsweise, wenn das Erdsondensystem 100 installiert ist, bei einer Tiefe in einem Bereich von ungefähr 1 km bis ungefähr 3 km liegen, z.B. in einer Tiefe von ungefähr 2 km.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Innenrohr 114 beispielsweise koaxial in dem Außenrohr 112 angeordnet sein. Dabei kann die Fluidführung 110 bzw. können die beiden Rohre 112, 114 derart eingerichtet sein, dass ein Arbeitsfluid 120 durch das Außenrohr 112 und das Innenrohr 114 zirkulieren kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das Außenrohr 112 und das Innenrohr 114 derart eingerichtet sein, dass die effektive Querschnittsfläche zum Leiten des Arbeitsfluids in dem Außenrohr 112 und dem Innenrohr 114 im Wesentlichen gleich ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verhältnis (D_I/D_A) des Innendurchmessers, D_I, des Innenrohrs 114 zu dem Innendurchmesser, D_A, des Außenrohrs 112 in einem Bereich von 0,4 bis 0,9 liegen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verhältnis (D_I/D_A) derart bereitgestellt sein, dass die Strömungsgeschwindigkeiten im Innen- und Außenrohr ungefähr gleich sind. Der Druckverlust in der Fluidführung hängt beispielsweise von den im Betrieb vorliegenden Strömungsgeschwindigkeiten des Arbeitsfluids ab, so dass hier bei geeigneter Wahl des Verhältnisses (D_I/D_A) ein besonders effizienter Betrieb möglich sein kann. Dabei kann zusätzlich der Druckverlust in Abhängigkeit der Viskosität des Arbeitsfluids berücksichtigt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Strömungseigenschaften des Arbeitsfluids innerhalb der Fluidführung dadurch beeinflusst oder gezielt eingestellt werden, dass Rohrabschnitte für das Außenrohr 112 und/oder das Innenrohr 114 bereitgestellt werden, die einen entsprechend angepassten Innendurchmesser aufweisen. Beispielsweise kann ein tieferliegender Abschnitt des jeweiligen Rohrs einen geringeren Innendurchmesser aufweisen als ein weiter obenliegender Abschnitt des jeweiligen Rohrs.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Außenrohr 112 beispielsweise einen Innendurchmesser (D_A) von weniger als 1 m aufweisen. Somit kann die Fluidführung 110 nur einen geringen Oberflächenbereich des Erdbodens belegen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Fluidführung 110 derart eingerichtet sein, dass das Arbeitsfluid 120 in dem Außenrohr 112 mittels mindestens einer Wärmequelle 130 und mindestens einer Wärmesenke 140 derart temperiert werden kann, dass das Arbeitsfluid 120 in dem Außenrohr 112 absinken und in dem Innenrohr 114 aufsteigen kann. Das Arbeitsfluid 120 kann beispielsweise somit einen Temperaturgradienten aufweisen, beispielsweise kann das Arbeitsfluid 120 im Außenrohr 112 mit zunehmender Tiefe eine höhere Temperatur aufweisen. Das Zirkulieren des Arbeitsfluids 120 kann beispielsweise aufgrund eines mit dem Temperaturgradienten einhergehenden Dichtegradienten in dem Arbeitsfluid 120 verursacht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erdsondensystem 100 eine Turbinen-Generator-Einheit 150 aufweisen. Die Turbinen-Generator-Einheit 150 kann beispielsweise in dem Innenrohr 114 der Fluidführung 110 angeordnet sein. Die Turbinen-Generator-Einheit 150 kann eine Turbine 152 oder mehrere Turbinen 152 und einen Generator 154 oder mehrere Generatoren 154 aufweisen. Es versteht sich, dass die ein oder mehreren Generatoren 154 mit den ein oder mehreren Turbinen 152 derart gekoppelt sind, dass mittels der ein oder mehreren Generatoren aus der mechanischen Energie (E_mech ), die mittels der ein oder mehreren Turbinen 152 bereitgestellt wird, elektrische Energie (E_ele ) erzeugt werden kann.
Die Turbinen-Generator-Einheit 150 kann derart eingerichtet sein, dass mindestens eine Turbine 152 der Turbinen-Generator-Einheit mittels des in dem Innenrohr 114 aufsteigenden Arbeitsfluids 120 angetrieben werden kann. Die Turbinen-Generator-Einheit 150 kann ferner derart eingerichtet sein, dass mechanische Energie (E_mech ) von der mindestens einen Turbine 152 zu mindestens einem Generator 154 der Turbinen-Generator-Einheit 150 übertragen werden kann zum Erzeugen von elektrischer Energie (E_ele ) mittels des mindestens einen Generators 154.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 120 ein überkritisches Fluid sein, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
2 veranschaulicht ein schematisches Phasendiagramm 200 eines Fluids, das einen überkritischen Zustand aufweisen kann, am Beispiel von CO₂, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Dabei ist in dem schematischen Phasendiagramm 200 auf der vertikalen Achse der Druck in [kPa] aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist das spezifische Volumen in [m³/kg] aufgetragen. Oberhalb einer kritischen Temperatur T_C und oberhalb eines kritischen Druckes p_C befindet sich das Phasengebiet (IV), in welchem das Fluid in dem überkritischen Zustand ist. In dem Phasengebiet (I) ist das Fluid in einem flüssigen Zustand. In dem Phasengebiet (III) ist das Fluid in einem gasförmigen Zustand. In dem Phasengebiet (II) ist das Fluid in einem gemischten flüssig/gasförmigen Zustand.
Wie in 2 beispielhaft dargestellt ist, kann Kohlenstoffdioxid (CO₂) überkritisch gehalten werden und als Arbeitsfluid 120 in dem Erdsondensystem 100 verwendet werden. Alternativ zu überkritischem CO₂ kann beispielsweise mindestens eins der folgenden überkritischen Fluide als Arbeitsfluid 120 in dem Erdsondensystem 100 verwendet werden: überkritisches Schwefelhexafluorid (SF₆), überkritisches Fluoroform (CHF₃), überkritisches Distickstoffoxid (N₂O), überkritisches Chlortrifluormethan (CClF₃), und/oder überkritisches Ethan (C₂H₆).
Dabei kann sich überkritisches CO₂ besonders vorteilhaft erweisen, z.B. wegen der günstigen Lage des kritischen Punktes (bei T=T_C und p=p_C, z.B. für CO₂ T_C=304 K und p_C=73,8 bar), wegen der Umweltverträglichkeit, etc.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 120 des Erdsondensystems 100 ferner Nanopartikel aufweisen zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit des überkritischen Fluids ohne die eingebrachten Nanopartikel. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 120 des Erdsondensystems 100 ferner Nanopartikel aufweisen zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten verglichen mit dem Wärmeübergangskoeffizienten des überkritischen Fluids ohne die eingebrachten Nanopartikel. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Arbeitsfluid 120 des Erdsondensystems 100 ferner Nanopartikel aufweisen zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einer höheren spezifischen Wärmekapazität verglichen mit der spezifischen Wärmekapazität des überkritischen Fluids ohne die eingebrachten Nanopartikel.
Die Nanopartikel können beispielsweise kohlenstoffhaltige Nanopartikel sein, z.B. Graphit-Nanopartikel. Die Nanopartikel können beispielsweise Metall-Nanopartikel sein, z.B. Aluminium-Nanopartikel. Die Auswahl der Menge und/oder Art der Nanopartikel kann entsprechend derart erfolgen, dass vordefinierte Eigenschaften (z.B. bezüglich der Wärmeleitfähigkeit, des Wärmeübergangskoeffizienten, der spezifischen Wärmekapazität, etc.) für das Arbeitsfluid 120 eingestellt sind.
Ferner können Nanopartikel auch als Schmiermittel in dem Arbeitsfluid fungieren, so dass beweglich gelagerte Bauteile innerhalb der Fluidführung geschmiert werden.
Die Nanopartikel können anschaulich in dem überkritischen Fluid dispergiert sein oder werden, z.B. ähnlich einer Suspension bzw. eines Aerosols.
3A veranschaulicht ein Erdsondensystem 100 zum Erzeugen von elektrischer Energie in einer schematischen Ansicht, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Das Erdsondensystem 100 kann beispielsweise in den Erdboden 300 eingebracht sein oder werden. Anschaulich kann sich die Fluidführung 110 bis in eine vordefinierte Tiefe (T_F) in den Erdboden 300 hinein erstrecken. Das im Außenrohr des Erdsondensystems 100 nach unten strömende Arbeitsfluid 120 kann beispielsweise durch Wärme 330 aus einem erdoberflächenfernen Bereich 300f des Erdbodens 300 erwärmt werden. Mit anderen Worten kann Wärme 330 aus einem erdoberflächenfernen Bereich 300f des Erdbodens 300 (über das Außenrohr) an das Arbeitsfluid 120 übertragen werden. Als erdoberflächenferner Bereich 300f des Erdbodens 300 kann beispielsweise ein Bereich des Erdbodens 300 in einer Tiefe von 1 km bis 3 km verstanden werden.
Je nach der Wärmemenge, die dem erdoberflächenfernen Bereich 300f des Erdbodens 300 entzogen wird, kann beispielsweise die Temperatur des Erdbodens in einem Bereich von beispielsweise 10 m um das Außenrohr herum um mehrere Grad absinken.
Je nach der Wärmemenge, die dem erdoberflächenfernen Bereich 300f des Erdbodens 300 entzogen wird, kann beispielsweise bei der Installation mehrerer Erdsondensysteme 100 nebeneinander ein Mindestabstand in einem Bereich von ungefähr 10 m bis ungefähr 50 m eingehalten werden, z.B. ein Mindestabstand von 20 m.
Am Bohrlochgrund 300g kann das Arbeitsfluid 120 innerhalb der Fluidführung 110 umgelenkt werden und im Innenrohr der Fluidführung 110 wieder nach oben strömen. Auf einer vordefinierten (z.B. einstellbaren) Höhe (H_TGE) kann die Turbinen-Generator-Einheit 150 angeordnet sein oder werden. Die Höhe (H_TGE) kann von dem Bohrlochgrund 300g ausgehend gemessen werden. Entsprechend ergibt sich auch eine vordefinierte (z.B. einstellbare) Tiefe (T_TGE) der Turbinen-Generator-Einheit 150 in dem Erdboden 300. In der Turbinen-Generator-Einheit 150 kann das Arbeitsfluid 120 beispielsweise entspannt werden und die mittels der Turbine 152 dabei erzeugte mechanische Energie kann mittels des Generators 154 in elektrische Energie umgewandelt werden. Das entspannte Arbeitsfluid 120 kann anschließend in Richtung der Erdoberfläche 300s befördert werden.
Wie in 3A schematisch veranschaulicht ist, kann sich das Erdsondensystem 100 bis in eine vordefinierte Tiefe (T_F) in den Erdboden 300 hinein erstrecken (auch als Teufe bezeichnet). Die Turbinen-Generator-Einheit 150 kann in einer Höhe (T_TGE) von 0% bis 70% der vordefinierten Tiefe (T_F) in dem Innenrohr der Fluidführung angeordnet sein. Die Turbinen-Generator-Einheit 150 kann in einer Tiefe (H_TGE) von 0% bis 70% der vordefinierten Tiefe (T_F) in dem Innenrohr der Fluidführung angeordnet sein.
Im erdoberflächennahen Bereich 300n kann das Arbeitsfluid 120 abgekühlt werden. Mit anderen Worten kann Wärme 340 von dem Arbeitsfluid 120 (über das Außenrohr) an den erdoberflächennahen Bereich 300n des Erdbodens 300 übertragen werden. Es versteht sich, dass der erdoberflächennahe Bereich 300n des Erdbodens 300 in einer geringen Tiefe liegt als der erdoberflächenferne Bereich 300f. Als erdoberflächennaher Bereich 300n des Erdbodens 300 kann beispielsweise ein Bereich des Erdbodens 300 in einer Tiefe von bis zu 1 km verstanden werden.
Im unterirdischen Bereich 300u kann Wärme von dem Arbeitsfluid 120 in einen Erdbodenbereich, der in einem körperlichen Kontakt mit dem Außenrohr der Fluidführung aufweist (z.B. in den erdoberflächennahen Bereich 300n des Erdbodens 300), abgeführt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann im unterirdischen Bereich 300u Wärme von dem Arbeitsfluid 120 mittels eines zusätzlichen Wärmeübertragers (z.B. mittels einer Kühlstruktur, eines Wärmetauschers, etc.) abgeführt werden, der in einer Tiefe in dem Erdboden von weniger als 50 m (z.B. weniger als 25 m oder weniger als 10 m) installiert ist. Anschaulich kann ein oberflächennaher Kühler installiert sein oder werden, wenn gewünscht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erdsondensystem 100 derart eingerichtet sein, dass optional eine Wärmeabfuhr innerhalb eines oberirdischen Bereichs 300o erfolgen kann. Anschaulich kann Wärme von dem Arbeitsfluid 120 mittels einer oberirdischen Wärmesenke abgeführt werden. Dies bietet sich beispielsweise optional im Winter (d.h. bei niedrigen Umgebungstemperaturen von beispielsweise weniger als 15°C, oder weniger als 10°C) an, wenn die Außenlufttemperatur niedriger ist als die Temperatur im erdoberflächennahen Bereich 300n des Erdbodens 300.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Wärmeübertrager 360 (z.B. eine Kühlstruktur, ein Wärmetauscher, etc.) oberirdisch bereitgestellt sein. Der Wärmeübertrager 360 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass dieser von dem Arbeitsfluid 120 zumindest abschnittsweise durchflossen werden kann. Beispielsweise kann ein Nebenfluidkreis 360f derart bereitgestellt sein, dass das Arbeitsfluid 120 wahlweise (z.B. gesteuert mittels eines Ventils 360v) durch den Wärmeübertrager 360 geleitet und abgekühlt werden kann.
Im unterirdischen Bereich 300u kann Wärme aus einem Erdbodenbereich, der einen körperlichen Kontakt mit dem Außenrohr der Fluidführung aufweist (z.B. aus dem erdoberflächenfernen Bereich 300f des Erdbodens 300), in das Arbeitsfluid 120 eingebracht werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann im unterirdischen Bereich 300u Wärme mittels eines zusätzlichen Wärmeübertragers (z.B. mittels einer Rippenstruktur, etc.) in das Arbeitsfluid 120 eingebracht werden, wobei der zusätzliche Wärmeübertrager beispielsweise in einer Tiefe in dem Erdboden von mehr als 1 km installiert sein kann. Anschaulich können ein oder mehrere Finnen an einer Außenmantelfläche des Außenrohrs angebracht sein als zusätzliche Wärmeübertrager zwischen dem Außenrohr (und somit dem Arbeitsfluid 120) und dem Erdboden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Erdsondensystem 100 mindestens einen Verdichter und/oder mindestens eine Pumpe 370 aufweisen, welcher beispielsweise oberhalb der Turbinen-Generator-Einheit, beispielsweise oberirdisch, installiert sein kann.
3B veranschaulicht ein Erdsondensystem 100 in einer schematischen Ansicht, wobei dieses ähnlich wie das in 3A beschriebene Erdsondensystem 100 aufgebaut ist und betrieben wird, mit dem Unterschied, dass, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, ein oberflächennaher Erdkollektor zur Wärmeabfuhr verwendet wird. In diesem Fall kann das gesamte Erdsondensystem 100, wenn dieses installiert ist, unterhalb der Erdoberfläche angeordnet sein.
4A veranschaulicht ein Erdsondensystem 100 in einer schematischen Ansicht, wobei eine Tesla-Turbine 452a zum Erzeugen der elektrischen Energie verwendet wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 4A enthält eine vergrößerte Ansicht 400a der Tesla-Turbine 452a.
4B veranschaulicht ein Erdsondensystem 100 in einer schematischen Ansicht, wobei eine Radial-Turbine 452b zum Erzeugen der elektrischen Energie verwendet wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 4B enthält eine vergrößerte Ansicht 400b der Radial-Turbine 452b.
Das in den 4A und 4B schematisch dargestellte Erdsondensystem 100 kann beispielsweise in gleicher oder ähnlicher Weise ausgestaltet sein, wie das vorangehend beschriebene Erdsondensystem 100.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Generator 154 unterhalb der Turbine 152, 452a, 452b angeordnet sein. Der Generator 154 kann derart geformt oder verkleidet sein, dass die jeweilige Turbine 152, 452a, 452 radial angeströmt wird.
Auslegungsrechnungen zur Tesla-Turbine 452a und zur Radial-Turbine 452b haben beispielsweise gezeigt, dass in Verbindung mit überkritischem CO₂ vergleichsweise geringe Durchmesser der jeweiligen Turbine (z.B. weniger als 50 cm, weniger als 30 cm, oder weniger als 15 cm) realisierbar sind, die den Einbau der jeweiligen Turbine 452a, 452b in das Innenrohr 114 der Fluidführung 110 ermöglichen. Beispielsweise kann eine Radialturbine verwendet werden, welche ein Laufrad mit einem Laufraddurchmesser von weniger als 20 cm aufweist, z.B. einen Laufraddurchmesser von weniger als 10 cm.
Bei einer Tesla-Turbine 452a kann sich bezüglich eines vordefinierten Fluidmassenstroms eine optimale Anzahl von parallel angeordneten Scheiben 553a ergeben. Die Effizienz der Tesla-Turbine 452a kann beispielsweise durch eine Nano-Beschichtung der Scheiben 553a gesteigert werden und/oder durch Zugabe von Nanopartikeln in das Arbeitsfluid 120. Auch die Effizienz der Radial-Turbine 452b kann beispielsweise mittels einer Nano-Beschichtung der Schaufeln 553b und/oder mittels Nanopartikeln im Arbeitsfluid 120 gesteigert werden.
Die mindestens eine Turbine 152, 452a, 452b des Erdsondensystems 100 kann beispielsweise derart eingerichtet sein, dass eine Drehachse 152r einer Turbinenwelle 152w der jeweiligen Turbine 152, 452a, 452b im Wesentlichen parallel zur Rohrachse 114r des Innenrohrs 114 verläuft.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Außenrohr 112 der Fluidführung 110 aus einer Vielzahl von Rohrsegmenten zusammengesetzt sein. Dabei sind die jeweiligen Rohrsegmente druckdicht miteinander verbunden, z.B. verschraubt oder verschweißt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Innenrohr 114 der Fluidführung 110 aus einer Vielzahl von Rohrsegmenten zusammengesetzt sein.
Der maximale Betriebsdruck in der Fluidführung kann beispielsweise bei 2000 m Tiefe mit CO₂ als Arbeitsfluid bei ungefähr 230 bar liegen, wenn an der Erdoberfläche ein Fülldruck von beispielsweise 70 bar herrscht. In 3000 m Tiefe kann der maximale Betriebsdruck ungefähr 290 bar sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Fluidführung derart druckdicht ausgestaltet sein, dass diese bis zu einem Druck von ungefähr 300 bar oder mehr als 300 bar (z.B. bis 400 bar oder bis 500 bar) belastet werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Innenrohr 114 der Fluidführung 110 zumindest abschnittweise aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt sein, mit einem thermisch isolierenden Material beschichtet sein, und/oder von einem thermisch isolierenden Material umgeben sein. Es kann beispielsweise hilfreich sein, eine Wärmeübertragung zwischen dem Arbeitsfluid 120 im Außenrohr 112 und dem Arbeitsfluid 120 im Innenrohr 114 zu reduzieren. Dies ist insbesondere in Bereichen des Arbeitsfluids 120 unterhalb der Turbinen-Generator-Einheit 150 sinnvoll. Beispielsweise kann das Innenrohr 114 der Fluidführung 110 ab einer Tiefe von mehr als der Einbautiefe T_TGE der Turbinen-Generator-Einheit 150 thermisch isolierend ausgestaltet sein.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Berechnung für eine Stromerzeugung aus geothermaler Energie basierend auf nur einer Bohrung bis etwa 2000 m Tiefe beschrieben. Für eine solche Anlage können mögliche Kreisprozesse mit verschiedenen Arbeitsfluiden berechnet werden. Für die Prozessführung wird von dem in 5A dargestellten Schema ausgegangen.
5A zeigt eine schematische Prozessführung 500. Die Prozessführung 500 kann als Grundlage für die Berechnung eines Kreisprozesses mit verschiedenen Arbeitsfluiden verwendet werden. In der schematischen Prozessführung 500 sind ein Kühler 502, ein Verdichter 504, ein Erhitzer 506, und eine Turbine 508 mit angeschlossenem Generator dargestellt. Die Prozessführung 500 weist das übliche Verdichten, Erwärmen, Expandieren (Wandeln in mechanische Energie), und Abkühlen auf.
Die erreichbaren Temperaturen im unteren Bereich des Erdsondensystems liegen beispielsweise für die angestrebte Tiefe bei etwa 70°C. In der Nähe der Erdoberfläche können für die Rückkühlung Temperaturen von beispielsweise 10°C angenommen werden. Als Gütegrade für Turbine und Verdichter kann jeweils ein Wert von 0,8 unterstellt werden. Mit diesen Randbedingungen kann beispielsweise jeweils ein Kreisprozess 500a, 500b für die Fluide CO₂ und Ethanol berechnet werden.
5B zeigt einen für die Prozessführung 500 berechneten beispielhaften Kreisprozess 500a mit überkritischem Kohlenstoffdioxid als Arbeitsfluid und zum Vergleich zeigt 5C einen Kreisprozess 500b mit Ethanol als Arbeitsfluid unter gleichen Randbedingungen.
In den in 5B und 5C dargestellten T-s-Diagrammen ist jeweils die Temperatur, T, in [K] auf der vertikalen Achse aufgetragen und die Entropie, s, in [J/(kg K)] auf der horizontalen Achse.
Aus der Berechnung ergeben sich folgende Werte für den minimalen Druck, p_min, den maximalen Druck, p_max, die spezifische Arbeit, w, den thermischen Wirkungsgrad, η_th, den Massestrom, m, den Volumenstrom, V₃, vor der Turbine, und den Volumenstrom, V₄, hinter der Turbine.

Fluid p_min p_max w η_th m V₃ V₄

bar bar kj/kg % kg/s m³/h m³/h

CO₂ 45,022 101,30 -5,43 5,09 0,184 2,615 5,000

Ethanol 0,0315 0,23 -87,45 8,55 0,011 109,785 665,338
Für CO₂ erfolgt die Wärmezufuhr aufgrund der Temperatur- und Druckbedingungen im überkritischen Zustandsbereich. Der Vorteil der Nutzung von CO₂ im überkritischen Zustand zeigt sich beispielsweise anhand der Volumenströme vor (V₃) und nach der Turbine (V₄). Bedingt durch die hohe Dichte sind diese Volumenströme für CO₂ bei gleicher mechanischer Leistung deutlich kleiner, so dass die Baugröße der Turbine erheblich reduziert werden kann. Somit ist eine Positionierung der Turbine innerhalb des Bohrloches möglich.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein nicht entzündliches, ungiftiges Arbeitsfluid verwendet werden, das bei einer Temperatur von weniger als 90°C in den überkritischen Zustand gebracht werden kann. Zum Erzeugen von elektrischer Energie kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, eine integrierte Turbinen-Generator-Einheit verwendet werden. Als Turbine kann beispielsweise eine Tesla-Turbine oder eine Radial-Turbine verwendet werden. Die Turbinen-Generator-Einheit kann beispielsweise im Bohrloch in einer optimalen Einbautiefe integriert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eigenschaften des Arbeitsfluids optional mittels Nanopartikeln verbessert werden. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit erhöht werden, der Wärmeübergangskoeffizient kann erhöht werden, die spezifische Wärmekapazität und damit die Energiedichte des Fluids kann erhöht werden. Die Eigenschaften der Turbinen-Generator-Einheit können optional mittels Nanopartikeln im Fluid und/oder mittels einer Nanobeschichtung verbessert werden. Dadurch kann beispielsweise die auf Reibungskräften basierende Energieübertragung vom Arbeitsfluid auf die Turbine (z.B. auf eine Tesla-Turbine) verbessert werden. Ferner kann die Schubspannung an der Wand proportional zur Viskosität des Fluids sein. Wenn somit die Viskosität des Arbeitsfluids angepasst wird, z.B. durch den Zusatz von Nanopartikeln, kann die Schubspannung ebenfalls angepasst sein. Auch kann eine Nanostrukturierung von Oberflächen erfolgen, z.B. auf den Scheiben einer Tesla-Turbine, was beispielsweise eine Beeinflussung der Benetzbarkeit (zwischen vollständig und gar nicht benetzbar) ermöglicht und damit eine gezielte Steuerung der Reibungskräfte zwischen dem Arbeitsfluid und der Wand. Die Effizienz des geschlossenen Kreislaufs kann mittels der Nanopartikel in dem Arbeitsfluid erhöht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Scheiben der Tesla-Turbine relativ zueinander jeweils einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen, wobei zumindest zwei der Durchmesser verschieden voneinander sind. Ferner kann eine Zuführstruktur verwendet werden zum Lenken des Fluidstroms in Bereiche zwischen jeweils einander benachbarten Scheiben der Tesla-Turbine.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die jeweilige Turbine oberhalb des Generators angeordnet sein, so dass beispielsweise der Generator verwendet werden kann, um die räumliche Verteilung des Arbeitsfluids zu beeinflussen. Beispielsweise kann ein Gehäuse oder ein Anbauteil des Generators derart ausgebildet sein, dass das Arbeitsfluid im Innenrohr radial nach außen gelenkt wird. Somit kann beispielsweise die jeweilige Turbine effizienter angeströmt werden, z.B. radial von außen nach innen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können bewegliche Lager oder andere Bauteile, die in der Fluidführung des Erdsondensystems angeordnet sind, z.B. Bauteile der Turbinen-Generator-Einheit, mittels der Nanopartikel in dem Arbeitsfluid geschmiert werden, z.B. mittels Kohlenstoff-Nanopartikeln.
Das hierin beschriebene Erdsondensystem kann beispielsweise mindestens eins von Folgendem ermöglichen: im Gegensatz zu geothermalen Systemen kann die Anwendung standortunabhängig und auch ohne geologische Anomalien erfolgen; eine Stromerzeugung ist ohne Turbinengebäude möglich, insbesondere ohne Infrastruktur an der Oberfläche; die Installation ist sicherer als bei einem Hot-Dry-Rock Verfahren, z.B. wegen der geringeren Bohrtiefe und des Verzichts auf ein Erzeugen von Rissen im Gestein und Einpressen von Wasser mit der Gefahr von Beben; ein erdbebensicherer Betrieb ist möglich sofern ein ungiftiges und nicht entzündliches Arbeitsfluid verwendet wird; eine platzsparende Anbringung ist möglich aufgrund der Integration der Turbinen-Generator-Einheit in die Erdsonde; eine verlustreiche, kostenintensive Stromübertragung kann vermieden werden durch die mittels des Erdsondensystems ermöglichte dezentrale Stromerzeugung direkt beim Verbraucher; eine flächendeckende Stromversorgung ohne Stromtrassen ist möglich; Erdwärme ist ferner eine regenerative, nicht-fluktuierende Energiequelle; es besteht die Möglichkeit einer Abdeckung der Grundlast der Stromversorgung im Unterschied zu anderen regenerativen Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das hierin Beschriebene und in den Figuren Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein Erdsondensystem zum Erzeugen von elektrischer Energie, das Erdsondensystem aufweisend: eine Fluidführung, wobei die Fluidführung ein Außenrohr und ein in dem Außenrohr angeordnetes Innenrohr aufweist, und wobei die Fluidführung derart eingerichtet ist, dass ein Arbeitsfluid in dem Außenrohr mittels mindestens einer Wärmequelle und mindestens einer Wärmesenke derart temperiert werden kann, dass das Arbeitsfluid in dem Außenrohr absinken und in dem Innenrohr aufsteigen kann; und eine Turbinen-Generator-Einheit, welche in dem Innenrohr der Fluidführung angeordnet und derart eingerichtet ist, dass mindestens eine Turbine der Turbinen-Generator-Einheit mittels des in dem Innenrohr aufsteigenden Arbeitsfluids angetrieben werden kann und dass mechanische Energie von der mindestens einen Turbine zu mindestens einem Generator der Turbinen-Generator-Einheit übertragen werden kann zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels des mindestens einen Generators, wobei das Arbeitsfluid ein überkritisches Fluid aufweist.
In Beispiel 2 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 1 optional aufweisen, dass das Arbeitsfluid überkritisches Kohlenstoffdioxid (CO₂) aufweist oder ist.
In Beispiel 3 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 1 oder 2 optional aufweisen, dass das Arbeitsfluid mindestens eines von Folgendem aufweist oder ist:

überkritisches Schwefelhexafluorid (SF6),
überkritisches Fluoroform (CHF3),
überkritisches Distickstoffoxid (N2O),
überkritisches Ammoniak (NH3),
überkritisches Chlortrifluormethan (CClF3), und/oder überkritisches Ethan (C2H6).

In Beispiel 4 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 3 optional aufweisen, dass das Arbeitsfluid ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als die des überkritischen Fluids.
In Beispiel 5 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 optional aufweisen, dass das Arbeitsfluid ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten als der des überkritischen Fluids.
In Beispiel 6 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 5 optional aufweisen, dass das Arbeitsfluid ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einer höheren spezifischen Wärmekapazität als die des überkritischen Fluids.
In Beispiel 7 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 6 optional aufweisen, dass das Arbeitsfluid ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Schmiermittels innerhalb des Arbeitsfluids.
In Beispiel 8 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 optional aufweisen, dass die Fluidführung einen geschlossenen Fluidkreislauf bildet zum Verhindern eines Austretens des Arbeitsfluids aus der Fluidführung.
In Beispiel 9 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 8 optional aufweisen, dass das Außenrohr der Fluidführung eine Länge in einem Bereich von 1 km bis 3 km aufweist.
In Beispiel 10 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 optional aufweisen, dass ein Verhältnis des Innendurchmessers des Innenrohrs zu dem Innendurchmesser des Außenrohrs in einem Bereich von 0,4 bis 0,9 liegt.
In Beispiel 11 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 10 optional aufweisen, dass das Außenrohr einen Innendurchmesser von weniger als 1 m oder weniger als 60 cm aufweist.
In Beispiel 12 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 optional aufweisen, dass sich das Außenrohr, wenn das Erdsondensystem installiert ist, bis in eine vordefinierte Tiefe in den Erdboden hinein (Teufe) erstreckt, beispielsweise bis zu einer Tiefe in einem Bereich von 1 km bis 3 km.
In Beispiel 13 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 12 optional aufweisen, dass die Turbinen-Generator-Einheit in einer Tiefe von bis zu 0,7 der vordefinierten Tiefe installiert ist.
In Beispiel 14 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 12 optional aufweisen, dass die Turbinen-Generator-Einheit in einer Tiefe von mehr als 0,3 der vordefinierten Tiefe installiert ist.
In Beispiel 15 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 14 optional aufweisen, dass die mindestens eine Turbine mindestens eine Tesla-Turbine aufweist.
In Beispiel 16 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 15 optional aufweisen, dass mindestens eine Scheibe der mindestens einen Tesla-Turbine eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist.
In Beispiel 17 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 14 optional aufweisen, dass die mindestens eine Turbine mindestens eine Radial-Turbine aufweist.
In Beispiel 18 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 17 optional aufweisen, dass mindestens eine Schaufel der mindestens einen Radial-Turbine eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist.
In Beispiel 19 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 18 optional aufweisen, dass die mindestens eine Turbine derart eingerichtet ist, dass eine Drehachse einer Turbinenwelle der mindestens einen Turbine im Wesentlichen parallel zur Rohrachse des Innenrohrs verläuft.
In Beispiel 20 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 19 optional aufweisen, dass die mindestens eine Turbine koaxial in dem Innenrohr angeordnet ist.
In Beispiel 21 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 20 optional aufweisen, dass das Innenrohr koaxial in dem Außenrohr angeordnet ist.
In Beispiel 22 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 21 optional aufweisen, dass die mindestens eine Wärmesenke von einem körperlichen Kontakt des Außenrohrs mit dem Erdboden gebildet wird.
In Beispiel 23 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 22 optional aufweisen, dass die mindestens eine Wärmesenke einen Wärmeübertrager aufweist, wobei der Wärmeübertrager, wenn das Erdsondensystem installiert ist, in einer Tiefe in dem Erdboden von weniger als 50 m installiert ist.
In Beispiel 24 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 23 optional aufweisen, dass die mindestens eine Wärmesenke einen Wärmeübertrager aufweist, der oberirdisch installiert ist.
In Beispiel 25 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 24 optional aufweisen, dass der Wärmeübertrager, der oberirdisch installiert ist, derart eingerichtet ist, dass dieser von dem Arbeitsfluid zumindest abschnittsweise durchflossen werden kann.
In Beispiel 26 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 25 optional aufweisen, dass die mindestens eine Wärmequelle von einem körperlichen Kontakt des Außenrohrs mit dem Erdboden gebildet wird.
In Beispiel 27 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 26 optional aufweisen, dass die mindestens eine Wärmesenke oder die mindestens eine Wärmequelle einen Wärmeübertrager aufweist, wobei der Wärmeübertrager, wenn das Erdsondensystem installiert ist, in einer Tiefe in dem Erdboden von mehr als 1 km installiert ist.
In Beispiel 28 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 23 oder 27 optional aufweisen, dass der Wärmeübertrager eine Finne oder mehrere Finnen aufweist, welche an der Außenmantelfläche des Außenrohrs montiert ist/sind.
In Beispiel 29 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 28 optional ferner aufweisen: mindestens eine Umwälzpumpe zum Unterstützen eines umlaufenden Bewegens des Arbeitsfluids in der Fluidführung.
In Beispiel 30 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 29 optional aufweisen, dass die Fluidführung und das Arbeitsfluid derart eingerichtet sind, dass das Arbeitsfluid zumindest in einem Bereich an und unterhalb der Turbinen-Generator-Einheit in dem überkritischen Zustand ist.
In Beispiel 31 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 30 optional aufweisen, dass die Fluidführung und das Arbeitsfluid derart eingerichtet sind, dass das Arbeitsfluid in jedem Bereich der Fluidführung in dem überkritischen Zustand ist.
In Beispiel 32 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 31 optional aufweisen, dass die Fluidführung derart druckdicht ausgestaltet ist, dass das Arbeitsfluid mit einem Druck von mehr als 30 bar in der Fluidführung geführt werden kann.
In Beispiel 33 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 32 optional ferner aufweisen: mindestens einen Verdichter und/oder mindestens eine Pumpe, welcher/welche oberhalb der Turbinen-Generator-Einheit, beispielsweise oberirdisch, installiert ist.
In Beispiel 34 kann das Erdsondensystem gemäß einem der Beispiele 1 bis 33 optional aufweisen, dass die Fluidführung zumindest abschnittsweise thermisch isoliert ist. Beispielsweise kann ein Abschnitt des Innenrohrs mittels eines thermisch isolierenden Materials versehen sein (z.B. innen mit einem thermisch isolierenden Material ausgekleidet sein und/oder außen mit einem thermisch isolierenden Material verkleidet sein) und/oder aus einem thermisch isolierenden Material bestehen.
In Beispiel 35 kann das Erdsondensystem gemäß Beispiel 34 optional aufweisen, dass sich der thermisch isolierte Abschnitt der Fluidführung (z.B. ein thermisch isolierter Abschnitt des Innenrohrs) unterhalb der Turbinen-Generator-Einheit erstreckt. Beispielsweise kann das gesamte Innenrohr unterhalb der Turbinen-Generator-Einheit thermisch isoliert ausgestaltet sein.
Aus Gründen der Effizienz kann es beispielsweise sinnvoll sein, die Zirkulation des Arbeitsfluids in dem Erdsondensystem mittels Naturumlauf (d.h. beispielsweise rein konvektiv) zu betreiben. Es ist aber ebenfalls möglich, dass sich die Zirkulation des Arbeitsfluids nur sehr langsam oder nicht ausreichend effizient von allein einstellt. In diesem Fall kann, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, zumindest der Anlauf des Fluidkreislaufs durch mindestens eine installierte Pumpe initiiert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann diese installierte Pumpe nur zeitweise betrieben werden, z.B. in einem Zeitraum von weniger als 20% der gesamten Betriebszeit. Die installierte Pumpe kann beispielsweise für eine vordefinierte Zeit während der Inbetriebnahme des Erdsondensystems, für eine vordefinierte Zeit nach der Installation des Erdsondensystems, für eine vordefinierte Zeit nach einer Wartung des Erdsondensystems und/oder für eine vordefinierte Zeit nach einer Störung des Betriebs des Erdsondensystems betrieben werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Turbinen-Generator-Einheit zeitweise als Pumpe betrieben werden, z.B. bis der Naturumlauf einsetzt bzw. ausreichend effizient etabliert ist. Anschaulich kann der Generator der Turbinen-Generator-Einheit im Umkehrbetrieb zeitweise als Motor verwendet werden, wobei die Turbine der Turbinen-Generator-Einheit das Arbeitsfluid bewegt.
Es versteht sich, dass Funktionen, Algorithmen, etc. die hierin mit Bezug auf ein Verfahren beschrieben sind auch in gleicher Weise in einer Regelvorrichtung implementiert sein können und vice versa.

Claims

Erdsondensystem (100) zum Erzeugen von elektrischer Energie, das Erdsondensystem aufweisend: eine Fluidführung (110), wobei die Fluidführung (110) ein Außenrohr (112) und ein in dem Außenrohr angeordnetes Innenrohr (114) aufweist, und wobei die Fluidführung (110) derart eingerichtet ist, dass ein Arbeitsfluid (120) in dem Außenrohr (112) mittels mindestens einer Wärmequelle (130) und mindestens einer Wärmesenke (140) derart temperiert werden kann, dass das Arbeitsfluid (120) in dem Außenrohr (112) absinken und in dem Innenrohr (114) aufsteigen kann; und eine Turbinen-Generator-Einheit (150), welche in dem Innenrohr (114) der Fluidführung (110) angeordnet und derart eingerichtet ist, dass mindestens eine Turbine (152) der Turbinen-Generator-Einheit (150) mittels des in dem Innenrohr (114) aufsteigenden Arbeitsfluids (120) angetrieben werden kann und dass mechanische Energie von der mindestens einen Turbine (152) zu mindestens einem Generator (154) der Turbinen-Generator-Einheit (150) übertragen werden kann zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels des mindestens einen Generators (154), wobei das Arbeitsfluid (120) ein überkritisches Fluid aufweist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Arbeitsfluid (120) überkritisches Kohlenstoffdioxid (CO₂) aufweist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Arbeitsfluid (120) ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit als die des überkritischen Fluids; wobei das Arbeitsfluid (120) ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten als der des überkritischen Fluids; wobei das Arbeitsfluid (120) ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Arbeitsfluids mit einer höheren spezifischen Wärmekapazität als die des überkritischen Fluids; und/oder wobei das Arbeitsfluid (120) ferner Nanopartikel aufweist zum Bereitstellen eines Schmiermittels innerhalb des Arbeitsfluids.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fluidführung (110) einen geschlossenen Fluidkreislauf bildet zum Verhindern eines Austretens des Arbeitsfluids aus der Fluidführung.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Außenrohr (112) der Fluidführung (110) eine Länge in einem Bereich von 1 km bis 3 km aufweist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Verhältnis des Innendurchmessers des Innenrohrs (114) zu dem Innendurchmesser des Außenrohrs (112) in einem Bereich von 0,4 bis 0,9 liegt.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Außenrohr (112) einen Innendurchmesser von weniger als 1 m oder weniger als 60 cm aufweist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich das Außenrohr (112), wenn das Erdsondensystem installiert ist, bis in eine vordefinierte Tiefe in den Erdboden hinein erstreckt, vorzugsweise bis zu einer Tiefe in einem Bereich von 1 km bis 3 km; und wobei die Turbinen-Generator-Einheit (150) in einer Höhe oder Tiefe von bis zu 0,7 der vordefinierten Tiefe installiert ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine Turbine (152) mindestens eine Tesla-Turbine (452a) aufweist, wobei vorzugsweise mindestens eine Scheibe (553a) der mindestens einen Tesla-Turbine (452a) eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die mindestens eine Turbine (152) mindestens eine Radial-Turbine (452b) aufweist, wobei vorzugsweise mindestens eine Schaufel (553b) der mindestens einen Radial-Turbine (452b) eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Turbine (152) derart eingerichtet ist, dass eine Drehachse (152r) einer Turbinenwelle (152w) der mindestens einen Turbine (152) im Wesentlichen parallel zur Rohrachse des Innenrohrs (114) verläuft, wobei vorzugsweise die mindestens eine Turbine (152) koaxial in dem Innenrohr (114) angeordnet ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Innenrohr (114) koaxial in dem Außenrohr (112) angeordnet ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine Wärmesenke (140) von einem körperlichen Kontakt des Außenrohrs (112) mit dem Erdboden gebildet wird.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine Wärmesenke (140) einen Wärmeübertrager aufweist, wobei der Wärmeübertrager, wenn das Erdsondensystem (100) installiert ist, in einer Tiefe in dem Erdboden von weniger als 50 m installiert ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die mindestens eine Wärmesenke (140) einen Wärmeübertrager aufweist, der oberirdisch installiert ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die mindestens eine Wärmequelle (130) von einem körperlichen Kontakt des Außenrohrs (112) mit dem Erdboden gebildet wird.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die mindestens eine Wärmequelle (130) einen Wärmeübertrager aufweist, wobei der Wärmeübertrager, wenn das Erdsondensystem (100) installiert ist, in einer Tiefe in dem Erdboden von mehr als 1 km installiert ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, ferner aufweisend: mindestens eine Umwälzpumpe (370) zum Unterstützen eines umlaufenden Bewegens des Arbeitsfluids (120) in der Fluidführung (110); und/oder mindestens einen Verdichter (370), welcher oberhalb der Turbinen-Generator-Einheit (150), vorzugsweise oberirdisch, installiert ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Fluidführung (110) und das Arbeitsfluid (120) derart eingerichtet sind, dass das Arbeitsfluid (120) zumindest in einem Bereich an und unterhalb der Turbinen-Generator-Einheit (150) in dem überkritischen Zustand ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Fluidführung (110) und das Arbeitsfluid (120) derart eingerichtet sind, dass das Arbeitsfluid (120) in jedem Bereich der Fluidführung (110) in dem überkritischen Zustand ist.
Das Erdsondensystem (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Fluidführung (110) zumindest abschnittsweise thermisch isoliert ist, wobei sich vorzugsweise der thermisch isolierte Abschnitt der Fluidführung (110) unterhalb der Turbinen-Generator-Einheit (150) erstreckt.