DE2449807A1 - Verfahren und anlage zur erschliessung von erdwaerme - Google Patents

Verfahren und anlage zur erschliessung von erdwaerme

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DE2449807A1 DE19742449807 DE2449807A DE2449807A1 DE 2449807 A1 DE2449807 A1 DE 2449807A1 DE 19742449807 DE19742449807 DE 19742449807 DE 2449807 A DE2449807 A DE 2449807A DE 2449807 A1 DE2449807 A1 DE 2449807A1
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/10Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/10Geothermal energy

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

  • "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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Erdwärme auch in anderen Gegenden der Erde zu erschließen.
  • 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.
  • Ferner wird das erfindungsEemäße yerfahren vorzugsweise dort durchgeführt, wo besonders geringe Erschließungskosten aufzuwellden sind. Gemäß dieser Ausfühnrngsform des Verfahrens finden Salzdiapire Verwendung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Hinzu kommt natürlich die plnsmä?ige Hereingewinnung von Steinsalz durch die vervollkommnete Soltechnik, welche Kavernen zurückläßt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgenutzt werden können.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In dem Salzdom befindet sich eine Kaverne 10.
  • Die Kaverne kann eigens für die Zwecke des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
  • 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.
  • Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel trifft die Tiefbohrung 11 die Kaverne 10 in ihrem obersten Teil.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Wird die Kaverne zur Speicherung von Erdöl verwendet, so kann natürlich das Erdöl den Wärmetransport bernehmen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Patentansprüche:

Claims (13)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Erschließung von Erdwärme, bei dem ein Medium, z. B. Wasser mit der Erdwärme beladen und die Wärme aus dem Medium gewonnen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine Kaverne (1o) in einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Gestein oder Mineral angebohrt und das Medium in einem geschlossenen Kreislauf durch die Bohrung (18) sowie die Kaverne (1o) geführt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t durch die Verwendung von Kavernen in Diapiren (9).
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h n e t d u r G h die Verwendung von Salzdiapiren (9).
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen t bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t D daß Wasser als Wärmetransportmedium durch die Bohrung in die Kaverne (10) und an deren Stößen (16) entlang geleitet wird, ehe es durch die Bohrung (11) zurückgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h die Verwendung von bereits in der hochwärmeleitfähigen Schicht vorhandenen Kavernen.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h die Verwendung einer gesättigten Lauge in einer Kaverne in einer Salzlagerstätte als Medium für den Transport der Erdwärme zu einem in der Kaverne befindlichen Wärmeaustauscher.
  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h die Verwendung von Erdöl, das in der Kaverne gespeichert ist, als Transportmedium für die Erdwärme zu dem WErmeaustauscher, der in der zur Speicherung des Erdöls benutzten Kaverne angeordnet ist.
  8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h die Verwendung einer Kaverne, in der flüssiges Erdgas gespeichert ist.
  9. 9. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine durch die Bohrung (11) in die Kaverne (10) geführte Rohrleitung (12), welche in der Kaverne das diese umgebende, hochwärmeleitfähige Gestein berührt und an eine Steigeleitung (18) angeschlossen ist.
  10. 10. Anlage nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Rohrleitung auf dem größeren Teil ihrer in die Kaverne (10) verlegten Länge (14, 15) spiralförmig an den Stößen (16) der Kaverne (10) verlegt ist.
  11. 11. Anlage nach den Ansprüchen 9 und 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der sich an die spiralförmige Rohrleitung anschließende Steigleitungsabschnitt (18) wärmeisoliert ist.
  12. 12. Anlage nach den Ansprüchen 9 bis 11, g e k e n nz e i c h n e t d u r c h einen Wärmetauscher (19) zur Abgabe der Erdwärme an einen Sekundärkreislauf.
  13. 13. Anlage nach den Ansprüchen 9 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in dem Kreislauf, der den in der Kaverne (10) untergebrachten Wärmeaustauscher und dem oder den über Tage angeordneten Wärmeaustauscher(n) (19) ein Alkohol strömt.
    L e e r s e i t e
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