DE2449807C3

DE2449807C3 - Anlage zur Erschließung von Erdwärme

Info

Publication number: DE2449807C3
Application number: DE2449807A
Authority: DE
Inventors: Hans Carl Dipl.-Berging. 4444 Bentheim Deilmann; Rudolf Dipl.-Berging. 4600 Dortmund Helfferich
Original assignee: C DEILMANN AG 4444 BENTHEIM
Current assignee: C DEILMANN AG 4444 BENTHEIM
Priority date: 1974-10-19
Filing date: 1974-10-19
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2449807A1; DE2449807B2

Description

Die Erfindung betrifft ei.ie AnU^c /ur Erschließung von Eidwarme, bei der duivh eine Tiefbohrung eine produktive geologische Formation .Tschlossen ist, in der sich eine /ur Aufnahme und Abfuhr der Wärme dienende Flüssigkeit befindet, die die Wärme mit Hilfe eines Wärmetausihers an eine weitere, als Wärmeträger dienende Flüssigkeit abgibt.

Die Erschließung von Erdwärme ermöglicht die Energieerzeugung ohne den Umweg über die Verbren Bung von fossilen Brennstoffen oder die Kernspaltung bzw. Kernfusion. Sie hat deshalb den Vorteil der Umwelifreundlichkeit und der Nutzung einer praktisch unbegrenzten Energiequelle. Es kommt jedoch darauf an, ein technisch nutzbares Wärmegefälle /wischen dem mit der Erdwärme beladenen Medium und dem Wärmeverbraucher /u schaffen und dabei die Erschlicßungs- und Betriebskosten möglichst niedrig zu halten.

Es ist bereits bekannt (DE-OS 16 01 325), dem Grundoder Oberflächenwasser Wärme zu entziehen, um sie 1. B. für die Raumheizung zu nutzen. Dazu soll ein Fallrohr dienen, um das im gleichmäßigen Abstand eine Rohrspirale angeordnet ist; das Ganze ist einschließlich eines Expansionsventils einbetoniert, welches zu einer Wärmepumpe gehört. Der hierdurch erschließbarc Erdwärme/ufluß ist jedoch außerordentlich bescheiden und jedenfalls nicht im industriellen Maßstab nutzbar.

Es ist auch bekannt (CHPS 3 89 992), zur Steigerung der Wärmeausbeute ein flüssiges oder gasförmiges Medium, beispielsweise das Wasser eines oberirdischen Sees durch eine Schicht in das Erdinnere zu leiten und das dort aufgrund der geothemischen Tiefenstufe erwärmte Wasser zum Aufsteigen zu bringen, so daß es als Warmwasser verwendet werden kann. Ein solches Verfahren scheitert im allgemeinen daran, daß sich um die unterirdischen Räume, durch die das Medium strömt und aus deren Umgebung es die Wärme ,ibführt, ein Kältemantel bildet, welcher weiteren Wärmezufliiß praktisch unterbindet, so daß die Wärmegewinnung zum Stillstand kommt.

An diesem Verhallen der Erdschichten scheitert auch ein weiter vorbekanntes Verfahren (FR-PS 4 75 226). nachdem man Luft durch ein unien geschlossenes Rohr leitet, das in den Boden getrieben oder im Wasser versenkt ist; in diesem Rohr ist konzentrisch ein weiteres Rohr angeordnet, durch das die Luft zugeführt wird, die Abgabe der aufgenommenen in einer Heizung im Kreislauf geführt ist.

Daneben ist es bekannt (US-PS 33 48 883), die erhöhte Temperatur von Salzdiapiren zum Herauslösen des Salzes mit Wasser zu nutzen, und durch Abkühlen der Sole über Tage das Salz auszufällen. Ein solches Verfahren dient aber ausschließlich der Salzgewinnung und ist zur dauernden Gewinnung und Nutzung von Erdwärme nicht verwendbar.

Bekanntlich werden auch Dampf- und Thermalquellen als Primärenergie zur Gewinnung von elektrischem Strom und zur Beheizung z. B. von Gebäuden. Siedlungen. Gewachshäusern und Industriebetrieben genutzt. Kennzeichnend für diese bekannten Verfahren

2=> ist die Verwendung der starken Wärmeunterschiede, die sich durch den Vulkanismus auf und unter der Erde ergeben. Diese Art der Erschließung von Erdwarme hat jedoch den Nachteil daß die Anwendung derartiger Verfahren auf diejenigen Gebiete der Erde beschränkt

κι sind, welche über Vulkane oder Siibvulkane mit Dampfoder Thermalquellen verfugen.

U.a. diese Nachteile sollen durch einen weiter vorbekannten Vorschlag vermieden werden (DEOS 21 13 341). von dem die Erfindung ausgeht. Das

i> bekannte Verfahren sieht vor. eine geologische Schicht. z. B. mit Hilfe einer unterirdischen Sprengung derart durch Risse und Spalten /u offnen, daß die /ur Wärmeaufnahme und abfuhr dienende Flüssigkeit unterirdisch im Kreislauf durch die Schicht und den

so Wärmeaustauscher strömen kann. Auch bei diesem Verfahren fuhrt jedoch die Wärmeabfuhr aus dem Gebirge nach relativ kur/cr /cn /ur Ausbildung eines Käliemantels. so daß das Bohrloch unergiebig wird. Außerdem verändert sich das Riß- und Spaltensystem

4Ί durch die strömende Flüssigkeit in unvorhersehbarer Weise und führt /n erheblichen praktischen Schwierigkeiten, die bislang n< >ch mehl gelöst sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anlage der eingangs bezeichneten Art nicht nur einen

in hohen Wärme/ufluE für die («ewinnung erheblicher Erdwarmemengen sicherzustellen, sondern auch die Nachteile einer strömenden Flüssigkeit /u vermeiden.

welche /ur Aufnahme und Abgabe der Erdwärme dient.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch

Yi gelöst, daß die geologische Formalion ein Sal/diapir ist. der durch eine Kaverne erschlossen ist. in der sich der Wärmetauscher und die /ur Wärmeaufnahme und •abfuhr dienende Flüssigkeit befinden.

Steinsalz ist im Gegensatz /u den meisten Sediment

«i gesleinen ein sehr guter Wärmeleiter und weist hohe Wärmegradienten auf. Während außerhalb des Sal/ge birges die Isothermen mit der geothermischen Tiefenstufe beispielsweise 30°C/l000m verhältnismäßig regelmäßig verlaufen, Werden die Isothermen in Salzstök*

6ί ken zur Oberfläche hin aufgewölbt und verlaufen in dichten Abständen. Bei der großen Mächtigkeil der Salzlagerstätten, die über einige Kilometer reichen kann, ergibt sich ein anormal hoher Erdwärmezüfluß,

der unter Vermeidung eines Kältemaniels zu einem raschen, stetigen und großen Wärmenachschub führt.

Abgesehen von der Erschließung dieses Sehornsteineffekls, der in Salzdiapiren auftritt und der dafür sorgt, daß der Erdwärmezufluß ständig aufrechterhalten bleibt, gestattet es die Erfindung, auf die Umwälzung der zur Wärmeaufnahme und -abfuhr dienenden Flüssigkeit zu verzichten. Es reicht aus, in der Kaverne eine salznculrale Flüssigkeit zu speichern. Dafür kommt in erster Linie eine gesättigte Lauge in Betracht. Eine Reihe von Staaten schreiben aber gesetzlich eine Mineralölbevorratung vor, die in Kavernen erfolgt, welche durch die vervollkommnete Soltechnik bei der Hereingewinnung von Steinsalz entstehen. Die großen Vorratsmengen, die in solchen Kavernen bei der behälterlosen Speicherung von Erdöl und Erdgas bereitgehalten werden, können für das erfindungsgemäße Verfahren ausgenutzt werden.

Gemäß dnem anderen Merkmal der Erfindung weist der in der Kaverne verlegte Wärmetauscher eine Leitung auf, die auf dem größeren Teil ihrer Länge spiralförmig ausgebildet ist. und an die spiralförmige Leitung schließt sich ein wärmeisolierter Steiglcitungüabschnitt an. In der einen senkrechten Schnitt durch die Erdrinde wiedergebenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage wiedergegeben.

An die Erdoberfläche 1 schließen sich nach unten die Schichten 2 und 3 an. Die darauf folgenden Schichten 4—8 bilden eine Injektionsfalle. In diese Schichten ist ein pilzförmiger Slcinsalzkörper 9 eingedrungen. In dem Salzturm befindet sich eine Kaverne 10.

Diese Kaverne kann eigens für die Zwecke der Erfindung hergestellt sein; sie kann aber auch durch planmäßige Gewinnung von Steinsalz entstehen. Sie ist mit einer Tiefbohrung 11 von der Tagesoberfläche 1 erschlossen. Gemäß dem dargestellten Auslührungsbeispiel trifft die Tiefbohrung 11 die Kaverne 10 in ihrem oberen Teil.

Eine Rohrleitung 12 führt von der Tagesoberfläche 1 in die Kaverne 10 durch die Bohrung 11 und mündet in einen Abschnitt 14, der bis zum Tiefsien der Kaverne 10 führt, das bei 13 dargestellt ist. Daran schließt sich ein spiralförmiger Rohrlcilungsabschnitl 15 an. Er folgt im wesentlichen dem Stoß 16 der Kaverne. Das kann dadurch erreicht werden, daß man eine flexible Rohrleitung t'urch dir Tiefbohrung 11 h die Kaverne 10 einführt, wodurch sich die Rohrleitung von selbst den Stoßen 16 anlegt.

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 über Tage, d. h. auf der Erdoherfläche 1 aufgebaut ist. Durch den geschlossenen Kreislauf der Rohrabschnitte 12, 15, 18 und des Wärmeaustauschers 19 wird Wasser als Transportmedium fur die

m 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 Wärmetauscher, 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

jo vermeidet die beschriebene Anlage die Mineralisierung des Wärmetragers, der deshalb kontinuierlich ohne Wärmeaustausch oder Korrosionspro^eme z. B. durch Auskristallisieren Wärme abführt, die über Tage ebenso problemlos an den Verbraucherkreislauf abgegeben

y_t werden kann. Den Wärmeaustausch mit dem Gebirge besorgt ein weiteres Medium, für das hauptsächlich Wasser .;i Frage kommt, wenn es sich bei einer Salzlagerstätte um eine gesättigte Lauge handelt. Wird die Kaverne zur Speicherung von Erdöl verwendet, so

in kann natürlich das Erdöl den Wärmetransport übernehmen.

Von besonderem Interesse sind insbesondere im Salz hergestellte Kavernen, die mit flüssigem Erdgas gefüllt werden, um die eingangs beschriebene Vorratshaltung

r> durchzuführen. Hierbei wirkt das erfindungsgemäße Verfahren als Wärmepumpe, welche aus dem die Kaverne umgebenden Gebirge die Wärme entnimmt und dadurch die im Erdgas gespeicherte Wärme zurückgewinnt bzw. nutzbar macht.

Obwohl man als Wärmeträger hauptsächlich Wasser verwenden wird, weil Wasser das billigste Medium ist, kommen daneben auch andere Flüssigkeiten, z. B. Alkonol in Betracht. Die Strömung des Mediums ist grundsätzlich beliebig. Zweckmäßig wählt man sie so, daß das Medium vom tiefsten und damit v/ärmsten Punkt auf kürzestem Wege zu dem oder den Wärmetauschern über Tage geführt wird, wie es in der Zeichnung dargestellt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zur Erschließung von Erdwärme, bei der durch eine Tiefbohrung eine produktive, geologische Formation erschlossen ist, in der sich eine zur Aufnahme und Abfuhr von Wärme dienende Flüssigkeit befindet, die die Wärme mit Hilfe eines Wärmetauschers an eine weitere, als Wärmeträger dienende Flüssigkeit abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die geologische Formation ein Salzdiapir (9) ist, der durch eine Kaverne (10) erschlossen ist, in der sich der Wärmetauscher und die zur Wärmeaufnahme und -abfuhr dienende Flüssigkeil befindet.

2. Anlage nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme aufnehmende und abführende Flüssigkeit Erdöl ist, das in der Kaverne gespeichert ist.

3. Anlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme aufnehmende und abführende Flüssigkeit /.' Jssiges Erdgas ist, das in der Kaverne gespeichert ινγ.

4. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Kaverne (10) verlegte Wärmetauscher eine Leitung aufweist, die auf dem größeren Teil ihrer Länge (14, 15) spiralförmig ausgebildet ist. und daß sich an die spiralförmige Leitung ein wärmeisolierier Steigeleitungsjbschnitt(18)anschließt.