DE2904140A1

DE2904140A1 - Working fluid for hot dry rock geothermal systems - consists of a ketone and water and gives reduced scale

Info

Publication number: DE2904140A1
Application number: DE19792904140
Authority: DE
Inventors: Robert W Rex
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-03
Filing date: 1979-02-03
Publication date: 1980-08-07

Abstract

A hot dry rock geothermal system is operated by passing a fluid mixt. of a ketone and water into an injection well and through a geothermal reservoir formation to a prodn. well and flashing the prod. into a vapour. Problems with scale formation in the system when the heated fluid is flashed to steam are eliminated and, because of the relatively low b.pt. of the mixt., the system can be operated with geothermal formations having lower rock temps. Energy may be extracted by using the vapour to drive a turbine.

Description

Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion von geothermischer Energie aus heißen, trockenen Fels landschaften.The invention relates to a method for the extraction of geothermal Energy from hot, dry rock landscapes.

Mit der zunehmenden Verknappung von Erdöl bzw. fossilen Brennstoffen sowie mit deren zunehmender Verteuerung engt\ steht ein steigender Bedarf nach anderen Energiequellen.With the increasing shortage of petroleum and fossil fuels and with their increasing cost there is an increasing need for others Energy sources.

Eine derartige Energiequelle ist die geothermische Energie. Diese wird aus einer natürlichen Erdwärmequelle extrahiert. Hierzu sind bereits mehrere Verfahren und/ oder Vorrichtungen bekannt, beispielsweise aus den US-Patentschriften 3 817 038, 3 786 858 und 3 911 638. So beschreibt die US-PS 3 817 038 einen Einfüllschacht und einen Abgabeschacht, wobei ein Arbeitsfluid durch den Einfüllschacht in ein geothermisches Gebiet eingeleitet wird. Das Arbeitsfluid dringt durch die Gesteinsformation und erwärmt sich dabei. Anschließend wird das erwärmte Arbeitsfluid aus dem Abgabeschacht abgezogen. Das wiedergewonnene, erwärmte Arbeitsfluid wird dann an der Erdoberfläche zur Energiegewinnung verwendet. Beispielsweise läßt man das erwärmte Arbeitsfluid expandieren und den abgetrennten Dampf zu einer Dampfturbine strömen. Die Restflüssigkeit wird dann wieder zusammen mit Ersatzwasser in den Einfüllschacht zurückgeleitet und bildet so ein geschlossenes System.One such source of energy is geothermal energy. These is extracted from a natural geothermal source. There are already several for this Methods and / or devices known, for example from US patents 3,817,038; 3,786,858; and 3,911,638. For example, U.S. Patent 3,817,038 describes a feed chute and a discharge chute, with a working fluid flowing through the feed chute into a geothermal area is initiated. The working fluid penetrates through the rock formation and warms up. The heated working fluid is then discharged from the delivery shaft deducted. The recovered, heated working fluid is then on the earth's surface used to generate energy. For example, the heated working fluid is left expand and the separated steam flow to a steam turbine. The residual liquid is then fed back into the filling shaft together with replacement water and thus forms a closed system.

Einer der Hauptnachteile dieses bekannten Verfahrens liegt in den schlechten Eigenschaften von Wasser als Arbeitsfluid.One of the main disadvantages of this known method resides in the poor properties of water as a working fluid.

Versuche haben nämlich gezeigt, daß bei der Kontaktierung üblichen Felsgesteins mit destilliertem Wasser oder mit Natriumchloridsolen eine wesentliche Lösung von Siliziumdioxid und Mineralen erfolgt. Wenn die Fluide Natriumchlorid enthalten, ist die Wechselwirkung zwischen dem Gestein und dem zirkulierenden Fluid wesentlich erhöht. Im Gestein erfolgt eine dichte Ablagerung von Änderungsprodukten sowie eine wesentliche Quellung.Tests have shown that the contact is common Rocks with distilled water or with sodium chloride brine are essential Dissolution of silicon dioxide and minerals takes place. When the fluids are sodium chloride included is the interaction between the rock and the circulating fluid significantly increased. A dense deposit of change products takes place in the rock as well as a substantial swelling.

Das Vorhandensein von gelösten Stoffen im zirkulierenden Arbeitsfluid bewirkt schädliche Wassersteinbildung beim Verdampfen des Heißwassers. Dies läßt sich natürlich in gewissem Maße durch Verwendung eines zwischengeschalteten Wärmeaustauschers abschwächen, welcher ein Sekundärarbeitsfluid, beispielsweise Isobutan oder Propan, erwärmt. Aber auch im zwischengeschalteten Wärmeaustauscher werden Wassersteinablagerungen auftreten, und darüber hinaus ist eine derartige zweistufige Anlage wesentlich kostenspieliger als eine unmittelbare Dampfturbinenanlage.The presence of solutes in the circulating working fluid causes harmful scale formation when the hot water evaporates. This leaves to some extent, of course, by using an intermediate heat exchanger weaken which a secondary working fluid, for example isobutane or propane, warmed up. But there are also scale deposits in the intermediate heat exchanger occur, and moreover, such a two-stage system is much more expensive as an immediate steam turbine plant.

Es hat sich daher ein Bedürfnis nach einem verbesserten Arbeitsfluid entwickelt, das die erwähnten Nachteile nicht aufweist.There has therefore been a need for an improved working fluid developed that does not have the disadvantages mentioned.

Ein derartiges verbessertes Arbeitsfluid ist durch die Erfindung geschaffen, und zwar ist es eine Mischung aus einem Keton, vorzugsweise Aceton und Wasser. Eine derartige Mischung enthält in Lösung wesentlich weniger Siliziumdioxid, Salze, etc. als reines Wasser. Außerdem haben die Aceton-Wassermischungen eine starke Neigung zum Ausflocken kolloidaler Stoffe, beispielsweise Lehm, und Unterdrücken deren Dispersion. Ferner haben Aceton-Wassermischungen einen tieferen Siedepunkt als reines Wasser.Such an improved working fluid is created by the invention, namely, it is a mixture of a ketone, preferably acetone and water. One Such a mixture contains significantly less silicon dioxide, salts, etc. in solution. than pure water. In addition, the acetone-water mixtures have a strong tendency for flocculating colloidal substances, e.g. clay, and suppressing their dispersion. Furthermore, acetone-water mixtures have a lower boiling point than pure water.

Die beiliegende Figur zeigt eine Anlage, bei der das erfindungsgemäße Arbeitsfluid einsetzbar ist.The accompanying figure shows a system in which the inventive Working fluid can be used.

Gemäß Erfindung werden eine Mischung aus 2 bis 100 % Aceton mit entsprechendem Rest Wasser als Arbeitsfluid verwendet. Zur Unterdrückung von Salz in der Lösung ist ein Bereich von 2 bis 20 % Aceton ausreichend. Ein maximaler thermodynamischer Wirkungsgrad läßt sich bei einem Prozentsatz von 10 bis 30 % Aceton erzielen. Der tatsächlich zweckmäßigste Acetonanteil hängt jedoch von den in der Anlage oder im System auftretenden Temperaturen sowie von anderen Kostenfaktoren ab. Aceton senkt nämlich den Gefrierpunkt, so daß gelegentlich größere Acetonanteile bis zu etwa 100 % erforderlich sind. Bei kaltem Wetter ist zur Verhinderung des Einfrierens demnach ein größerer Acetonanteil zweckmäßig, nämlich dann, wenn das Aceton-Wassergemisch in einem luftgekühlten System eingesetzt wird und die Lufttemperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt liegen. Außerdem werden größere Acetonanteile gebraucht, wenn das geothermische System Wasser aufweist, welches das Arbeitsfluid verwässern würde. Man braucht den höheren Acetonanteil dann, um im gesamten System das gewünschte Mischungsverhältnis aufrechtzuerhalten. Versuche haben ergeben, daß die erfindungsgemäße Mischung weniger Siliziumdioxid, weniger Salze und auch weniger andere Stoffe in Lösung enthält, als reines Wasser. Wegen ihres geringeren Siedepunktes ist die erfindungsgemäße Mischung auch zur Extraktion von Wärmeenergie in Bruchgestein eines heißen trockenen Gesteins bei niedrigereren Gesteinstemperaturen verwendbar, als dies mit Wasser möglich wäre. Da auch weniger derartige Stoffe in der Lösung gelöst werden, ist die Anlage wassersteinfrei, oder zumindest wird wesentlich weniger Wasserstein bei der Verdampfung des Arbeitsfluids gebildet. Außerdem ist die Lehmbildung unterdrückt. Natürlich vorkommender Lehm dispergiert normalerweise nicht, und es ist daher ein unmittelbarer Einsatz des expandierten Dampfes in Turbinen möglich. Vorzugsweise dient die in der US-PS 3 817 038 beschriebene Anlage mit einem Oberflächenkondensierapparat, bei dem das von der Turbine abgeführte Kondensat wieder zurückgeführt wird, zur Minimierung der verbrauchten Acetonmenge bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Kondensat wird also von der Turbine nicht an die Atmosphäre abgelassen.According to the invention, a mixture of 2 to 100% acetone with the corresponding Remaining water used as the working fluid. To suppress salt in the solution a range of 2 to 20% acetone is sufficient. A maximum thermodynamic Efficiency can be achieved with a percentage of 10 to 30% acetone. Of the however, the most appropriate acetone content depends on the in the plant or in the Temperatures occurring in the system as well as other cost factors. Acetone lowers namely the Freezing point, so that occasionally larger proportions of acetone up to about 100% are required. In cold weather is to prevent the When freezing, a larger proportion of acetone is advisable, namely when that Acetone-water mixture is used in an air-cooled system and the air temperatures be well below freezing point. In addition, larger proportions of acetone are needed, when the geothermal system has water which dilute the working fluid would. The higher proportion of acetone is then required to achieve the desired level in the entire system Maintain mixing ratio. Tests have shown that the invention Mix in less silicon dioxide, less salts and also less other substances Contains solution than pure water. Because of its lower boiling point, that is according to the invention Mixture also used to extract thermal energy in broken rock of a hot dry Rock can be used at lower rock temperatures than with water it is possible. Since fewer such substances are also dissolved in the solution the system is free of scale, or at least there is significantly less scale the evaporation of the working fluid formed. In addition, the formation of clay is suppressed. Naturally occurring clay does not usually disperse, and therefore it is a The expanded steam can be used directly in turbines. Preferably that described in US Pat. No. 3,817,038 is used Plant with a Surface condenser in which the condensate discharged from the turbine is restored is recycled to minimize the amount of acetone consumed in the implementation of the method according to the invention. The turbine does not produce the condensate released to the atmosphere.

Die beiliegende Figur zeigt die Anlage in Form eines Blockschaltbilds, wobei das Arbeitsfluid in einem geschlossenen Kreislauf strömt. Das Arbeitsfluid wird anfänglich eingespeist und über eine Ersatzleitung 11 mit Ersatzfluid versehen. Die Ersatzleitung 11 ist an eine Einfülleitung 13 angeschlossen, die in einen Einfüllschacht 15 mündet. Der Einfüllschacht ist bis zur Tiefe eines heißen Felsgesteins 17 vorgetrieben. Das Arbeitsfluid strömt durch das heiße Felsgestein 17 und wird in einem Abgabeschacht 19 gesammelt. Das aus dem Abgabeschacht 19 austretende und vom heißen, trockenen Felsgestein 17 erwärmte Arbeitsfluid strömt in einer Abgabeleitung 21 zu einer Dampfturbine 23, indem es expandiert wird. Die Turbine 25 dient zum Antreiben einer getriebenen Vorrichtung 25, beispielsweise zum Antreiben eines Generators.The attached figure shows the system in the form of a block diagram, wherein the working fluid flows in a closed circuit. The working fluid is initially fed in and provided with replacement fluid via a replacement line 11. The replacement line 11 is connected to a filling line 13, which is in a filling shaft 15 opens. The feed chute is driven to the depth of a hot rock 17. The working fluid flows through the hot rock 17 and is in a discharge shaft 19 collected. The emerging from the discharge chute 19 and from the hot, dry Working fluid heated to rock 17 flows in a discharge line 21 to a steam turbine 23 by expanding it. The turbine 25 is used to drive a driven one Device 25, for example for driving a generator.

Das aus der Dampfturbine austretende Arbeitsfluid wird in Dampfform über eine Leitung 25 zu einem Kondensator 27 abgelassen, welcher das Fluid wieder in die flüssige Phase zurückbringt. Die zurückgewonnene Flüssigkeit strömt dann über eine Ansaugleitung 29 zu einer Pumpe 31, welche die Flüssigkeit wieder in den Einfüllschacht 15 pumpt. Durch die Verwendung eines geschlossenen Systems mit einem Kondensator wird das Arbeitsfluid im Kreislauf gehalten. Auftretende Verluste werden durch Zusetzen von Ersatzwasser über die Ersatzleitung 11 ausgeglichen.The working fluid emerging from the steam turbine is in the form of steam Drained through a line 25 to a condenser 27, which the fluid again into the liquid phase brings back. The recovered liquid then flows via a suction line 29 to a pump 31, which the liquid pumps back into the feed chute 15. By using a closed Systems with a condenser, the working fluid is kept in the circuit. Occurring Losses are compensated for by adding replacement water via the replacement line 11.

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Claims

Process for extracting energy from hot, dry rock Method for extracting energy from hot, dry rock for use in a geothermal system, with a working fluid in a feed shaft initiated, guided through a geothermal storage formation, in a discharge shaft recovered and converted into steam from which the energy is extracted, characterized in that a mixture of a ketone is used as the working fluid Water used.

2. The method according to claim 1, characterized in that as Ketone acetone used.

3. The method according to claim 2, characterized in that the working fluid 2. Contains up to 99% acetone and the remainder water.

4. The method according to claim 3, characterized in that the working fluid Contains 10 to 30% acetone.

5. Working fluid for use in a hot, dry rock operated geothermal system, characterized in that the fluid is a mixture is made up of water and acetone.

6. Working fluid according to claim 5, characterized in that the acetone content Is 2 to 99% and that the remainder is water.

7. Working fluid according to claim 6, characterized by a proportion from 10 to 30% acetone.

8. The method according to claim 1, characterized in that the energy is extracted in order to use the steam obtained to drive a turbine.

9. The method according to claim 8, characterized in that the turbine exhaust steam condenses and the condensate is fed back into the feed shaft.

10. The method according to claim 9, characterized in that as Ketone acetone used.

11. The method according to claim 8, characterized in that the working fluid Contains 2 to 99% acetone and that the remainder is water.