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"Verfahren und Anlage zur Erschließung von Erdwärme" Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Erschließung von Erdwärme, bei dem ein I;;edium, z. B.
Wasser mit der Erdwärme beladen und die Wärme aus dem Medium gewonnen wird Die Erfindung
betrifft ferner Anlagen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Die Erschließung von Erdwärme ermöglicht die Energieerzeugung ozone
den Umweg über die Verbrennung von fossilen Brennstoffen oder die Kernspalturg bzw,
Kernfusion. Sie hat deshalb den Vorteil der Umweltfreundlichkeit und der Nutzung
einer praktisch unbegrenzten Energiequelle. i,s kommt jedoch darauf an, ein technisch
nutzbares Wärmegefälle zwischen dem mit der
Erdwärme beladenem Medium
und dem Wärmeverbraucher zu schaffen und dabei die Erschließungs-und Betriebskosten
möglichst niedrig zu halten.
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Es ist bekannt, Dampf- und Thermalquellen als Primärenergie zur Gewinnung
von elektrischem Strom und zur Beheizung z. B. von Gebäuden, Siedlungen, Gewächshäusern
und Industriebetrieben zu nutzen.
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Kennzeichnend für diese bekannten Verfahren ist die Verwendung der
starken Wärmeunterschiede, die sich durch den Vulkanismus auf und unter der Erde
ergeben. Die bekannte Art der Erschließung von Erdwärme hat den Nachteil, daß die
Anwendung solcher Verfahren auf diejenigen Gebiete der Erde beschränkt sind, welche
über Vulkane oder Subvulkane mit Dampf- oder Thermalquellen verfügen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Erdwärme auch in anderen
Gegenden der Erde zu erschließen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Kaverne
in einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Gestein oder Mineral angebohrt
und das Medium in einem geschlossenen Kreislauf durch die Bohrung sowie die Kaverne
geführt wird,
Insbesondere finden für das erfindungsgemäße Verfahren
die Diapire Verwendung. In solchen pfropfen- oder pilzförmigen Gesteins- oder Mineralkörpern
entsteht nämlich bei Vorliegen der übrigen Voraussetzungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ein Schornsteineffekt. Dieser bewirkt, daß der Brdwärmezufluß gerade
in dem Diapir anomal hoch ist. Es ergibt sich dann also der Vorteil, daß die Erdwärme
in einer Gesteins- oder Mineralschicht erschlossen wird, die besonders viel Wärme
führt und dadurch das Medium entsprechend stark mit Wärme beladen kann.
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Ferner wird das erfindungsEemäße yerfahren vorzugsweise dort durchgeführt,
wo besonders geringe Erschließungskosten aufzuwellden sind. Gemäß dieser Ausfühnrngsform
des Verfahrens finden Salzdiapire Verwendung.
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Steinsalz ist im Gegensatz zu den meisten Sedimentgesteinen ein sehr
guter Wärmeleiter und weist hohe Wärmegradienten auf. Während außerhalb des Salzgebirges
die Isothermen mit der geothermischen Tiefenstufe beispielsweise 300 C / looo m
verhältnismäßig regelmäßig verlaufen, werden die Isothermen in Salzstöcken zur Oberfläche
hin aufgewölbt und verlaufen in dichten Abständen. Bei der großen
Mächtigkeit
der Salzlagerstätten, die über einige Kilometer reichen kann, ergibt sich ein anomal
hoher Erdwärmezufluß, der bei Ausbeutung der Erdwärme zu einem sehr raschen, stetigen
und großen Wärmenachsenub führt.
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Diese Ausführungsform des erfinaungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil,
daß sie in vielen Gebieten der Erde verwirklicht werden kann, weil eine Vielzahl
von Salzstrukturen großer Mächtigkeiten (800-1000 m und mehr) in Form von Salzstöcken
oder Salzdomen stark verbreitet ist; das ist z. B.
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im nordwestdeutschen Raum der Fall Außerdem sind in derartigen Salzlagerstätten
häufig Kavernen vorhanden. Eine Reihe von Staaten, darunter auch die Bundesrepublik
Deutschland, schreiben gesetzlich eine lineralölbevorratung vor. Die großen Vorratsmengen
können nur in unterirdichen Hohlräumen untergebracht werden. Hierfür kommen vor
allem ausgesolte Kavernen in Salzstöcken in Betracht. Infolgedessen sind bereits
die für das erfinaungsgemäße Verfahren notwendigen Kavernen für die behälterlose
Speicherung von Erdöl und Erdgas in vielen Gegenden vorhanden oder müssen ohnehin
angelegt werden.
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Hinzu kommt natürlich die plnsmä?ige Hereingewinnung von Steinsalz
durch die vervollkommnete Soltechnik,
welche Kavernen zurückläßt,
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt werden können.
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Insbesondere wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Wasser
als Särmetransportmedium benutzt, das durch die Bohrung in die Kaverne geleitet
und durch die Bohrung auch wieder zurückgeführt wird.
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Wasser kann nämlich, obwohl es große Mengen Salz bei Verwendung von
Salzdiapiren lösen wurde, in einer geeignet aufgebauten Anlage als Transportmedium
für die Erdwärme benutzt werden.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand eines
AusfdErungsbeispieles näher beschrieben, das in der Zeichnung schematisch, d. h.
unter Fortlassung aller für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Einzelheiten
wiedergegeben ist.
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Die Zeichnung zeigt einen senkrechten Schnitt durch die Erdrinde.
Die Erdoberfläche ist bei 1 wiedergegeben. Mehrere Schichten 2 und 3 folgen aufeinander.
Die Schichten 4, 5, 6, 7 und 8 bilden eine Injektionsfalte. In diese Schichten ist
nämlich ein pilzförmiger Steinsalzkörper 9 eingedrungen.
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In dem Salzdom befindet sich eine Kaverne 10.
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Die Kaverne kann eigens für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden.
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Es läßt sich jedoch auch eine beispielsweise durch planmäßige Gewinnung
von Steinsalz entstandene Kaverne benutzen. Die Kaverne ist mit einer Tiefbohrung
11 von der Tagesoberfläche 1 erschlossen.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trifft die Tiefbohrung 11
die Kaverne 10 in ihrem obersten Teil.
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Eine Rohrleitung 12 führt von der Tagesoberfläche 1 in die Kaverne
1o durch die Bohrung 11. Diese Rohrleitung verlauft zunächst annähernd bis zum Tiefsten
der Kaverne lo, das bei 13 dargestellt ist. An diesen im wesentlichen senLvecht
durch die Kaverne lo verlaufenden und an den in der Bohrung 11 verlegten Rohrleitungsteil
12 angeschlossenen Rohrleitungsteil 14 schließt sich ein spiralförmiger Rohrleitungsabschnitt
15 an.
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Auf dem spiralförmigen Teil 15 liegt die Rohrleitung dem Stoß 16 der
Kaverne mit einer möglichst großen Fläche an. Man kann das z. B. dadurch erreichen,
daß man eine flexible Rohrleitung durch die Tiefbohrung 11 in die Kaverne 1o einfuhrt
und sich dabei eines flexiblen Werkstoffes bedient,
so daß sich
die Rohrleitung den Stößen 16 von selber anlegt.
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In der Kaverne 1o liegt danach der Rohrabschnitt 15 in Spiralen oder
Windungen auf einer sehr großen Länge dem Kavernenraum an. Es entsteht dadurch eine
große Oberfläche, auf der die Rohrleitung mit dem wärmefuhrenden Salzgestein Kontakte
hat.
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An das Ende des spiralförmigen Teiles 15 schließt sich eine ebenfalls
durch die Bohrung 11 geführte Rücklaufleitung 18 an. Dieser Rohrleitungsabschnitt
ist eine isolierte Steigleitung, die bis zu einem Wärmeaustauscher 19 reicht, welcher
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bber Tage, d. h. auf der Erdoberfläche
1 aufgebaut gast. Durch den geschlossenen Kreislauf der Rohrabschnitte 12, 15, 18
und des Wärmeaustauschers 19 wird Wasser als Transportmedium für die Erdwärme geschickt.
Das Wasser kann infolge des geschlossenen Kreislaufes kein Salz aus dem Diapir 9
herauslösen. Im Wärmeaustauscher 19 kann die Erdwärme einem weiteren Transportmedium
aufgeladen werden. Dann wird in einem zweiten Wärmeaustauscher, der in der Zeichnung
nicht wiedergegeben ist, die Erdwärme an einen Verbraucherkreislauf abgegeben. Natürlich
kann das in der beschriebenen Rohrleitung strömende Wasser, das salzfrei
ist,
auch unmittelbar in den Erzeugerkreislauf geleitet werden. Allgemein vermeidet die
beschriebene Anlage die Mineralisierung des Wärmeträgers, der deshalb kontinuierlich
ohne Wärmeaustausch oder Korrosionsprobleme z. B, durch Auskristallisieren dem Diapir
Wärme entzieht, die über Tage ebenso problemlos an den Verbraucherkreislauf abgegeben
werden kann.
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Zusammenfassend ist also festzustellen, daß je nach den örtlichen
Gegebenheiten bereits vorhandene oder erst noch herzustellende Kavernen für das
erfindungsgemäße Verfahren Verwendung finden können. Die Mächtigkeit der Lagerstätte
ist, obwohl sie von gewissem Einfluß auf die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
sein kann, für die;Durchfùhrung dieses Verfahrens nicht entscheidend. Deshalb können
für die Erfindung auch flachliegende oder weniger mächtige Salzformationen benutzt
werden, aus denen dann ein gewisses Volumen Salz zur Herstellung einer Kaverne ausgelaugt
oder auf andere Weise hereingewonnen wird, um in diesem Raum eine Rohrschlange oder
ein Rohrbündel mit angemessener Gesamtoberfläche unterzubringen.
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Der so hergestellte erste Wärmeaustauscher, der zur Aufnahme der Wärme
aus dem Gebirge und dazu dient, die Wärme dem im Kreislauf geführten Medium aufzuladen,
kann in verschiedener Weise ausgestattet sein. Während in dem Ausführungsbeispiel
das Rohr dem hochwärmeleitfähigen Gestein, beispielsweise dem Salz unmittelbar anliegt,
kann man den Wärmeaustausch
auch durchVermittlung eines weiteren
Mediums bewirken und dadurch gegebenenfalls verbessern. Hierfür kommt auch Wasser
in Frage, wenn es sich bei einer Salzlagerstätte um eine gesättigte Lauge handelt.
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Wird die Kaverne zur Speicherung von Erdöl verwendet, so kann natürlich
das Erdöl den Wärmetransport bernehmen.
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Von besonderem Interesse sind insbesondere im Salz hergestellte Kavernen,
die mit flüssigem Erdgas gefüllt werden, um die eingangs beschriebene Vorratshaltung
durchzuführen. Hier wirkt das erfindungsgemäße Verfahren in Form einer Wärmepumpe,
welcheaus dem die Kaverne umgebenden Gebirge die Wärme entnimmt und dadurch die
im Erdgas gespeicherte Wärme zurückgewinnt bzw. nutzbar macht.
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Kavernen für das erfindungsgemäße Verfahren sind begrenzte Räume,
in denen sich der erwähnte erste Wärmeaustauscher unterbringen lädt. Es handelt
sich also nicht um Kluftsysteme, unabhängig davon, ob diese auf natürliche Weise
entstanden oder bereits vorhanden sind oder technisch hergestellt werden müssen,
was beispielsweise durch Sprengungen geschehen kann. Durch solche Kluftsysteme kann
auch ein Transportmedium hindurchgepresst werden, es findet jedoch nicht der von
der Erfindung angestrebte dauernde Wärmeaustausch aus dem Gebirge statt.
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Das in dem,in einer solchen Kaverne untergebrachten Wärmeaustauscher
umlaufende Medium, das die Wärme durch
die Bohrung zu einem oder
mehreren weiteren W§rmeaustauschern oder zur unmittelbaren Verwendung in Kraftmaschinen
transportiertp kann und wird in den meisten Fällen Wasser sein, weil Wasser das
billigste Medium ist. Es kommen daneben aber auch andere Flüssigkeiten, z.B. Alkohol
in Betracht.
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Die Strömungsrichtung eines solchen Mediums ist grundsätzlich beliebig.
Zweckmäßig wählt man sie so, daß das Medium vom tiefsten und damit wärmsten Punkt
auf kürzestem Wege zudem oder den Wärmeaustauscher(n) über Tage geführt wird.
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Patentansprüche: