DE19724627A1

DE19724627A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme von warmem Tiefenwasser

Info

Publication number: DE19724627A1
Application number: DE19724627A
Authority: DE
Inventors: Stefan Berli; Reinhard Pingel
Original assignee: FORALITH AG
Current assignee: FORALITH AG
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1998-02-05
Also published as: CH691326A5; CH691326A8; AT409159B; BG101673A; ATA109197A; BG62789B1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Entnahme von warmem Tiefenwasser mit einer Erdwärmesondenanordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zur Entnahme von warmen Tiefenwasser mit einer Erdwärmesondenanordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 4.

Die Wärmegewinnung mit rohrförmigen Erdwärmesonden ist bekannt. Dabei sind zwei Typen zu unterscheiden. Es kann durch die rohrförmige Erdwärmesonde im Erdinnern vorhandenes warmes Wasser abgepumpt werden, oder es wird von der Erdoberfläche durch die rohrförmige Erdwärmesonde Wasser ins Erdinnere geleitet und auf dem Weg zum unteren Ende der Erdwärmesonde und auch beim nachfolgenden Aufstieg durch die Erdwärme erwärmt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den ersten Typus.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mit einem Bohrgerät eine im wesentlichen vertikale Bohrung ins Erdinnere zu treiben, bis deren Ende eine warmes Wasser führende Schicht erreicht. Dieses warme Wasser kann anschließend durch ein ins Bohrloch eingesetztes Rohr an die Erdoberfläche gepumpt werden. Befindet sich die Warmwasser führende Schicht sehr nahe der Erdoberfläche, so wird das heraufgepumpte warme Wasser auf seinem Weg zur Erdoberfläche nicht mehr weiter erwärmt, und es muß dafür gesorgt werden, daß beim Durchfließen kälterer Schichten eine Abkühlung vermieden werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von warmem Tiefenwasser zu schaffen, mit denen das gefaßte Wasser auf dem Weg zur Erdoberfläche zusätzlich erwärmt werden kann.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.

Die Wasserfassung kann auf im wesentlichen beliebiger Höhe zwischen der Erdoberfläche und dem unteren Ende des Bohrloches erfolgen. Je weiter oben die Wasserfassung liegt, umso länger kann die Erwärmungsstrecke gegen das Erdinnere ausgebildet werden. Es ist auch möglich, das gefaßte Wasser mit der Erdwärmesonde durch weitere Wasser führende und wärmere Zonen hindurchzuleiten, auch wenn die Wasserqualität in diesen Zonen ungeeignet ist für eine Entnahme. Geeignet angeordnete Isolationsbereiche bewahren das in den wärmeren Zonen aufgewärmte Wasser vor einer Abkühlung beim Durchfließen oberflächennaher Zonen oder kälteres Wasser führender Zonen.

Anhand eines illustrierten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur einen Querschnitt durch ein schematisch dargestelltes Bohrloch mit einer Erdwärmesonde in koaxialer Anordnung.

In einer Bohrung 1, die im Erdreich 3 erstellt worden ist und eine Tiefe von mehreren 100 m, beispielsweise 800 m aufweist, ist ein Steigrohr 5 eingesetzt, das von der Oberfläche 7 bis nahe an den Grund 9 des Bohrloches 1 reicht. Im höchst gelegenen Bereich A ist der Durchmesser D1 des Steigrohres 5 zur Aufnahme einer Unterwasserpumpe vorzugsweise größer als in den darunter liegenden Bereichen A bis F. Der dünnere Rohrabschnitt mit Durchmesser D2 ist konzentrisch von einem Mantel- oder Außenrohr 11 umgeben, das ebenfalls bis zum Grund 9 des Bohrloches 1 geführt ist und unten durch einen Deckel 13 oder einen Zementpfropfen abgeschlossen ist. Das obere Ende des Mantelrohres 11 liegt etwa an der Kontaktstelle des Bereiches A mit dem Bereich B. Im Bereich B ist das Mantelrohr 11 mit einer Vielzahl von Bohrungen oder Schlitzen 15 in Form eines Filterrohres ausgebildet, welche den Durchtritt von Wasser in den Zwischenraum 17 zwischen dem Steigrohr 5 und dem Mantelrohr 11 erlauben. Das Bohrloch 1 ist oberhalb und unterhalb des Bereiches B abgedichtet, so daß nur Wasser aus der Zone im Bereich B durch die Bohrungen oder Schlitze 15 in das Mantelrohr 11 eintreten kann. Das untere Ende 19 des Steigrohres 5 liegt entweder in einem Abstand zum Deckel 13, so daß die untere Öffnung des Steigrohres 5 freiliegt, oder es sind im unteren Endbereich des Steigrohres 5 ebenfalls Schlitze oder Perforationen ausgebildet, welche den Eintritt bzw. Übertritt von Wasser aus dem Zwischenraum 17 in das Steigrohr 5 ermöglichen.

Das obere Ende des Steigrohres 5 ist als Pumpenkammer mit Durchmesser D1 ausgebildet, so daß es mit einer Pumpe P verbunden resp. eine Pumpe aufnehmen kann, welche das aus dem Bereich (B) zufließende Wasser schöpft.

Im folgenden werden das Verfahren zur Entnahme von zusätzlich erwärmtem Tiefenwasser und die dazu verwendete Vorrichtung erläutert. Das Bohrloch 1 von der Gesamtlänge bzw. Tiefe L_T, führt im dargestellten Beispiel durch fünf verschiedene Gesteinsschichten, kurz als Bereiche A bis F bezeichnet. Der Bereich A ist nicht wasserführend, und es kann ihm - da oberflächennahe gelegen - keine wirtschaftlich nutzbare Wärme entzogen werden. Der durch diesen Bereich A führende Teil des Steigrohres 5 kann daher vorzugsweise von einer Isolation 21 umgeben sein. Der darunter liegende Bereich B ist wasserführend und die Qualität des Wassers für eine Nutzung geeignet. Allerdings ist die Temperatur T₀ des Wassers für eine Nutzung, beispielsweise als Thermalwasser, zu niedrig. Unterhalb des Bereiches B liegt wiederum ein im wesentlich wasserfreier Bereich C unter dem ein wasserführender Bereich D anschließt. Die Temperatur T₁ im Bereich D ist wohl höher als im Bereich B, jedoch das Wasser für die Nutzung ungeeignet. Sie weist z. B. einen zu hohen Mineral- oder Gasgehalt auf. Unterhalb des Bereiches D liegt wiederum eine beispielsweise sehr dicke, nicht wasserführende Schicht E, an die unten im Bereich F wiederum eine wasserführende Schicht mit einer Wassertemperatur T₂ anschließt. Deren Temperatur liegt wiederum höher als die diejenige im Bereich B. Allerdings ist die Nutzung dieses Wassers nicht möglich, da beispielsweise dessen Mineral- oder Gasgehalt ebenfalls zu hoch ist. Nutzbar aber ist dessen Wärmeinhalt. Die Nutzung des Wärmeinhaltes der wasserführenden Schicht F und auch der darüber liegenden wasserfreien und wasserführenden Schichten B bis E ist dennoch möglich, und zwar dadurch, daß durch die Öffnungen 15 im Mantelrohr 11 Wasser in den Zwischenraum 17 gelangt und zwangsweise sukzessive nach unten fließt. Durch das Loch am unteren Ende des Steigrohres 5 oder durch dort angebrachte Schlitze kann das Wasser aus dem Bereich B im Steigrohr 5 wieder nach oben fließen. Auf dem Weg aus dem Bereich B nach unten und wieder zurück nimmt das Wasser von der Umgebung über den Mantel des Mantelrohres 11 Wärme auf und kann durch die Pumpe mit einer Temperatur T₃ abgesaugt werden, welche über der Temperatur T₀ im Entnahmebereich B liegt.

Es ist auch denkbar, daß in einem oder mehreren der vertikal zweimal durchflossenen Bereiche B bis F eine niedrigere Temperatur herrscht als in einem der darüber liegenden Bereiche. Ist dies der Fall, so kann das Mantelrohr 11 im jeweiligen Bereich, angenommen es sei der Bereich C, mit einer Isolation 23 umgeben werden.

Ebenfalls um eine Rückkühlung zu vermeiden, kann das gesamte oder zumindest der obere Teil des Steigrohres 5 isoliert werden, um einen Rückfluß von Wärme in das Wasser im Zwischenraum 17 zu verhindern.

Der unvermeidbare Zwischenraum 25 zwischen der Bohrlochwandung und der Erdwärmesonde bzw. der darum gelegten Isolation wird in bekannter Weise durch ein gut wärmeleitendes Material bzw. nach bohrtechnischen Erfordernissen ausgefüllt.

Claims

1. Verfahren zur Entnahme von warmem Tiefenwasser mit einer Erdwärmesondenanordnung, bei der das Tiefenwasser von einem in das Tiefenwasser vorgetriebenes Steigrohr gefaßt und von dort an die Erdoberfläche gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserfassung in einem Bereich (B) oberhalb des unteren Endes (19) des Steigrohres (5) gefaßt, in einem das Steigrohr (5) umgebenden Mantelrohr (11) nach unten zum Ende (19) des Steigrohres (5) geführt und von dort über ein parallel zum Mantelrohr (11) verlaufendes Steigrohr (5) geleitet und an die Erdoberfläche gepumpt wird, wobei das Tiefenwasser auf seinem Weg nach unten durch das umliegende Erdreich erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser durch das im Innern des Mantelrohres (11) geführte Steigrohr (5) nach oben geleitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (5) im oberen oberflächennahen Bereich gegenüber der Umgebung thermisch isoliert geführt wird.

4. Vorrichtung zur Entnahme von warmem Tiefenwasser mit einer Erdwärmesonde mit einem Steigrohr, durch welches Tiefenwasser zwangsgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (5) an seinem unteren Ende (19) offen oder mit Filteröffnungen versehen ist und daß das Mantelrohr (11) im Bereich seines oberen Endes Bohrungen oder Schlitze (15) zur Wasserfassung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (11) das Steigrohr (5) konzentrisch umgibt und unterhalb des oberen Endes des Steigrohres (5) endet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steigrohr (5) und/oder das Mantelrohr (11) im obenliegenden Bereich wärmeisoliert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der oberen Zone im Bereich (B) der Zwischenraum (25) zum Bohrloch (1) hin nach oben und nach unten abgedichtet ist.