DE3036762C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Speicher zur Wärmespeicherung im Gestein mit zumindest einem vertikalen Arbeitsloch, welches zum Boden des Speichers geführt ist, sowie auf ein Verfahren zu dessen Her­ stellung.

Im Rahmen der Forschung nach alternativen Energie­ quellen, dabei insbesondere Sonnenstrahlung, Windkraft, Abfallwärme und Überschußwärme von Industrieanlagen in Betracht ziehend, hat sich das Problem der Wärme­ speicherung mehr denn je gestellt.

Vor diesem Hinter­ grund sind mehrere Systeme für Wärmespeicherung in Gestein vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise in der SE-PS 3 99 761 ein System beschrieben, bei welchem Wärme in einer Gesteinsmasse im Muttergestein gespeichert wird, wobei die Gesteinsmasse zwischen einem oberen und unteren freigesprengten Platz liegt und über den oberen Platz heißes Wasser zugeleitet wird. In die Gesteinsmasse wird eine Vielzahl von Bohrlöchern eingebracht, möglicherweise begleitet von der Tat­ sache, daß dabei die Gesteinsmasse selbst ebenfalls abgesprengt wird, und Schächte führen zu dem oberen und unteren Platz.

Die umfangreichen Arbeiten, die zur Einrichtung eines sol­ chen Speichersystems erforderlich sind, und die damit ver­ bundenen hohen Kosten, beschränken die Anwendung dieses Speichersystems nur auf sehr groß angelegte Projekte, die die hohen Kosten rechtfertigen. Ein Merkmal dieses Systems ist, daß die vertikale Flußrichtung gegenüber der mehr ho­ rizontalen vorrangig ist, was unter anderem durch die vertikalen Bohrlöcher zwischem dem oberen und unteren frei­ gesprengten Platz bedingt ist. Ein zusätzliches Spalten des Gesteins zwischen den Bohrlöchern mittels Sprengkörpern würde zu dem erhöhten Risiko führen, daß sich nicht mehr kontrollierbare Durchläufe bilden. Die Möglichkeiten sind daher auf die Einrichtung eines Speichers beschränkt, bei welchem das Wasser durch wenige, hauptsächlich vertikale Durchläufe fließt. Wenn das Speichersystem durch Zuleitung von heißem Wasser gefüllt wird, so besteht deshalb die Ge­ fahr, daß nur diejenigen Bereiche des Speichers hochgradig aufgeheizt werden, die nahe den Durchläufen liegen, während große Teile des Speichers ungenutzt bleiben, da das Wasser diese überhaupt nicht oder nur zu einem geringen Grad durch­ fließt. Dasselbe gilt für das Leeren des Speichers. Mit an­ deren Worten, das Speichervolumen kann durch die Bildung von Durchläufen erheblich verringert werden, womit sich auch die tatsächliche Berührungsfläche zwischen Wärmeträger und Wärmespeicher reduziert. Zugegebenermaßen besteht an sich die Möglichkeit, die Berührungs- bzw. Kontaktfläche und damit das effektive Speichervolumen zu vergrößern, indem die vertikalen Bohrlöcher sehr nahe aneinander angeordnet werden, und der Durchfluß gleichzeitig durch Anpassung des Drucks im Anstiegsschacht reguliert wird. Das Gestein viel­ fach zu durchbohren bzw. eine Vielzahl von eng verteilten Bohrlöchern bzw. Durchbohrungen vorzusehen, ist jedoch sehr kostenaufwendig. Zudem dürfte die Druckregelung im Anstiegs­ schacht ein schwieriges Problem bereiten.

Es sind auch kleinere Systeme für Langzeit-Wärmespeicherung in Gestein vorgeschlagen worden. Eines dieser Systeme, das sogenannte "Sunrock-Projekt", basiert auf der Speicherung von Sonnenwärme in Gestein. Der Grundgedanke dieses Systems ist, eine Vielzahl von eng aneinanderliegenden Löchern etwa 25 m tief unter die Grundfläche des Gesteins bzw. Felsens zu bohren, wobei die Bohrlöcher mit Rohren oder dergleichen versehen werden. Die Herstellung der Bohrlöcher ist jedoch so kostenintensiv, daß der Aufwand zumindest für kleinere Systeme nicht lohnend ist. Aus diesem Grunde wurde auch das "Spar-System" vorgeschlagen, über welches in "Dagens In­ dustri Nr. 36, 1979" berichtet ist. Ziel dieses Systems ist die Lösung des Schwachpunktes bei allen bestehenden Syste­ men, nämlich die sehr teuere Einrichtung zur Speicherung von Sonnenwärme von Sommer bis Winter. Um die Gesamtkosten zu senken, sollen hier Wärmespeicher und Bodenbewehrung kom­ biniert werden, indem rohrförmige Stahlpfähle als Wärme­ austauscher mit dem umgebenden Boden verwendet werden. Vor­ aussetzung für die Anwendung dieses Systems ist ein Pfahl­ bau, so daß die zur Erreichung einer Speicherwirkung erfor­ derlichen Maßnahmen keinen wesentlichen Mehraufwand be­ deuten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Speicher zur Wärmespeicherung im Gestein, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Speichers zur Wärmespeicherung in Gestein ohne die vorstehenden Einschrän­ kungen zu schaffen, insbesondere aber die Kontaktfläche zwischen Wärmeträger (erwärmtes Wasser, Kühlwasser oder eine andere Flüssigkeit) und Wärmespeicher (Gestein) zu vergrößern. Diese Aufgabe wird bei einem Speicher zur Wärmespeicherung in Gestein durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren zur Herstellung dieses Speichers durch die Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei eine Eigenschaft vieler geologi­ scher Formationen wie Granit, Migmatit, Meta-Grauwacke etc. genutzt, nämlich, daß zumindest die Haupt-Spannungsrichtun­ gen, mit Ausnahme sehr begrenzter Abweichungen, in einer spezifischen Richtung orientiert sind. Normalerweise koin­ zidiert diese Richtung hauptsächlich mit der vertikalen Richtung im Oberflächenbereich des Gesteins. Das Gestein spaltet sich deshalb hauptsächlich planparallel, was seit undenkbar langer Zeit aus Steinbrüchen in Südschweden be­ kannt ist. In der Regel liegen die parallelen Spaltflächen vorwiegend in horizontaler Richtung, wobei "vorwiegend in horizontaler Richtung" bedeutet, daß die Hauptrichtung über einen großen Bereich hinweg vorwiegend horizontal ist, daß aber mäßige Neigungen bzw. Abweichungen auftreten können. Normalerweise jedoch ist der Neigungsgrad nicht größer als 30°, und in den meisten Fällen lassen sich weite Bereiche finden, in welchen die Neigung bzw. Abweichung der größten Risse bzw. Spalten 20° zur Horizontalebene nicht überschreitet. Bei beträchtlich tieferen Gesteinsschichten andererseits, ist der Spannungsverlauf normalerweise ent­ gegengesetzt demjenigen kristalliner Gesteine, das heißt sozusagen, daß zumindest die Haupt-Spannungsrichtung in größeren Tiefen in der Regel horizontal orientiert und der Spaltungsverlauf somit vorwiegend vertikal ist. Bei Sedi­ mentgesteinen jedoch ist die Spannungsrichtung von der Trag- bzw. Lagerfläche der jeweiligen Gesteinsart abhängig. Die­ se Erkenntnis wurde lange Zeit bei Erdölbohrungen genutzt und dabei eine ausgereifte Technik für die hydraulische Spaltung von tief liegenden Gesteinsschichten erarbeitet. Durch Anwendung und Regelung von Druck unter Berücksichti­ gung der örtlich vorherrschenden Bedingungen kann erreicht werden, daß sich die vertikalen Risse über eine beträchtli­ che Wegstrecke ausdehnen. Diese Erfahrungen und technischen Errungenschaften können bei der Einrichtung eines erfindungsgemäßen Speichers in oberen Gesteinsschichten ge­ nutzt werden. Das Gestein sollte so dicht und homogen - "isotropisch" - wie möglich sein, wie zum Beispiel Granit. In der Gegend des zu errichtenden Speichers sollte ein schwacher Grundwasserfluß vorhanden sein, der sich vor Be­ ginn der Spaltung durch die Bohrlöcher feststellen läßt. Der Platz zur Einrichtung des Speichers könnte zum Bei­ spiel dort sein, wo sich eine deutliche Erhöhung oder Vertiefung in der Grundwasseroberfläche abzeichnet oder unter einem Gebäude, so daß die mit der Jahreszeit variierenden Temperatureinflüsse geringer sind, oder aber unter einer lichtdurchlässigen Abdeckung, die Sonnenlicht für eine zusätzliche Erwärmung während der Sommerzeit einläßt.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Speichers wird das Gestein in verschiedenen Ebenen bzw. Schichten durch eine Anzahl von Bohrlöchern gespalten, indem die Schichten einen Hydraulik-Überdruck ausgesetzt werden, so daß schließlich ein Speicher mit einer Anzahl von in etwa planparallelen Rissen entsteht, deren Richtung durch den natürlichen Spannungszustand im Gestein bestimmt wird, wobei die Risse durch eine Anzahl von transversalen Kanälen kommunizierend verbunden sind, wobei zumindest ein Arbeitsloch vorgesehen ist, welches in bekannter Weise hinunter zum Speicherraum gebohrt wird, und wobei während der Lade- bzw. Füllphase heißes Wasser in den gespaltenen Speicherraum befördert wird, während gleichzeitig kälteres Wasser durch das Arbeitsloch aus dem Speicher abgeführt wird. Durch hydraulische Spaltung ist es weitgehend möglich, die planparallelen Risse und deren Abstand selektiv zu bestimmen. Der Abstand zwischen den Rissen hängt von mehreren Faktoren ab, so z. B. von der Wärmeleitfähig­ keit des Gesteins, der Wassertemperatur, der Chargier­ zeit etc. Der Abstand der Risse beträgt jedoch vorzugsweise zwischen einem und fünf Metern.

Die Größe bzw. Abmessung der Risse richtet sich nach der geplanten Speicherkapazität. Geologische oder sonstige technische Eigenheiten bereiten hinsichtlich der gewünsch­ ten Risse keine Probleme. Je nach Erfordernis sind die horizontalen Risse 150 qm groß oder mehr. Die einzelnen Risse haben gewöhnlich eine Ausdehnung zwi­ schen 150 qm und 4000 qm.

Die Tiefe unter der Bodenoberfläche sowie die Anzahl der Risse kann ebenfalls variieren. Die Zahl der Risse wird so gewählt, daß der Speicher so kompakt als möglich ist, das heißt, das Volumen sollte im Verhältnis zur Außenfläche groß sein, um auf diese Weise Wärmeverluste an das umliegende Gestein zu verringern. Sofern eine zu­ sätzliche Bodenisolierung nicht vorgesehen ist, sollte die Tiefe zumindest 10 m betragen.

Die zwischen den parallelen Rissen verlaufenden transversalen Kanäle können bis zu einem gewissen Grad in Form von natürlichen Rissen vorhanden oder aber bei der Herstellung der horizontalen Risse gebildet worden sein. Zur Herstellung der transversalen Kanäle zwischen den parallelen Rissen kann aber auch Spreng­ stoff verwendet werden. Solche Sprengungen werden vorzugs­ weise nach Herstellung der parallelen Risse durch­ geführt, indem hydraulischer Druck in den Bohrlöchern an­ gewendet wird.

Alternativ oder auch in Ergänzung dazu können die trans­ versalen Kanäle zwischen den horizontalen Rissen gebohrt werden, wobei von Vorteil ist, daß die Anlegung der transversalen Kanäle und damit die Strömung bzw. der Fluß durch den Speicher in kontrollierbarer Weise erfolgt. Zum Zwecke der Regulierung können die Bohrlöcher über und unter zwei benachbarten Rissen abgedichtet bzw. zugemacht werden, so daß diese beiden Risse durch die betreffenden Bohrlöcher kommunizieren, während sie über dieselben Bohrlöcher mit weiter entfernt liegen­ den Rissen nicht kommunizieren. In gleicher Weise können andere benachbarte Risse über andere Bohr­ löcher kommunizieren, so daß das Wasser den Speicher zick-zackförmig durchfließt. Die Kombination von hydraulisch gespalteten, im wesentlichen parallelen und horizontalen Rissen und transversalen Kanälen zwischen den Rissen sorgt für gut regulierbare Transportwege des Wassers durch den Speicher.

Geologische Untersuchungen erlauben, daß diejenigen Risse hydraulischem Druck ausgesetzt werden, die mit Hinblick auf den Spannungsverlauf am besten geeignet sind. Die Druckanwendung erfolgt daher in vorher bestimmten Sek­ tionen eines Bohrlochs. Die betreffende Sektion zum Bei­ spiel, wird oben und unten mittels Dichtungshülsen abge­ dichtet, und die Anwendung von hydraulischem Druck er­ folgt zwischen den Hülsen. Alternativ dazu kann die Druck­ anwendung auch in einem Bodenabschnitt des Bohrlochs er­ folgen, so daß das Gestein ab diesem Bereich gespalten wird. Anschließend kann das Loch ausgebohrt und der neue bzw. ein weiterer Bodenabschnitt hydraulischem Druck ausgesetzt werden. Auf diesem oder anderem Wege gesteuerter hydrauli­ scher Spaltung wird erreicht, daß sich die hauptsächlich planparallelen Risse über einen weiten Bereich aus­ dehnen, vorzugsweise so, daß die Risse jeweils der Gesamtbreite des Speichers entsprechen. Die Zahl der Bohr­ löcher richtet sich nach Speichervolumen und Spannungsver­ lauf in dem Gestein. Um zu verhindern, daß sich in dem Speicher durch die Bohrlöcher Nebenkanäle bzw. Durchlässe bilden, können die Bohrlöcher nach Erfüllung ihres Zweckes mit Beton, Spezialzement, Bentonit oder der­ gleichen abgedichtet bzw. verfüllt werden. Alternativ dazu können diese Bohrlöcher auch als transversale Ver­ bindungskanäle zwischen den Spaltflächen dienen, nachdem sie gegebenenfalls in vorstehend beschriebener Weise se­ lektiv verstöpselt bzw. zugemacht worden sind.

Um die Permeabilität der zur Bewässerung dienenden Risse und möglicher transversaler Kanäle zu erhöhen und insbeson­ dere um zu verhindern, daß sich die Kanäle und Risse auf­ grund der Tatsache, daß sich das Gestein durch den Zulauf von heißem Wasser ausdehnt, wieder schließen, ist es em­ pfehlenswert vor Schließen der Bohrlöcher durch diese harte Teilchen beispielsweise mittels eines Wasserträgers oder zusammen mit der hydraulischen Flüssigkeit bei Spalten des Gesteins unter Druck in das System einzubringen. Quarz­ teilchen sind dafür geeignet. Zur besseren Verteilung in den Spalten können diese Teilchen in Verbindung mit einem Schmiermittel oder einer ähnlich gearteten Substanz ein­ gebracht werden.

Nach oder möglicherweise auch vor der Spaltung des Gesteins werden ein oder mehrere Arbeitslöcher bis zum Boden des Speichers gebohrt. Bei einem mäßig großen Speichervolumen wird ein Arbeitsloch in der Mitte des Speichers gebohrt. Bei einem größeren Speichervolumen werden entsprechend mehr Arbeitslöcher vorgesehen. Das Arbeitsloch wird während des Betriebs des Speichers als Pumploch verwendet.

Bei Laden bzw. Auffüllen des in der oben beschriebenen Wei­ se bearbeiteten Speichergesteins wird heißes Wasser in den Speicher gefüllt und kälteres Wasser zugleich über das Arbeitsloch aus dem Speicher abgeführt. Durch das relativ feinmaschige Netz von Wasserwegen, das bei der Spaltung des Gesteins im wesentlichen ohne "Hochgeschwindigkeits- Durchführungen" entstanden ist, kann eine wirksame Er­ wärmung des Gesteins ohne hohe Ausbeutung des Energiegehalts des Wärmeträgers erzielt werden. Die Versorgung mit heißem Wasser erfolgt in der Regel über Sonnenkollektoren, Wind­ mühlen oder Abfallwärme von Industrieanlagen. Liegt der Speicher in einer größeren Tiefe, so kann das heiße Wasser über eine über dem Speicher vorgesehene Filteranlage zuge­ führt werden. Die Strömung bzw. der Wasserfluß durch den Speicher läßt sich durch Pumpen im Arbeitsloch regulieren. Das System kann aber auch mit Druck beaufschlagt werden, so daß das Wasser unter Zwang in den Speicher gelangt.

Im letzten Fall handelt es sich um ein geschlossenes System. Um die Wärme zu halten, wenn etwas Grundwasser durch den Speicher fließt, kann zwischen der Lade- und Entladephase im Arbeitsloch gepumpt werden. In diesem Fall wird der Pumpvorgang entsprechend dem Grundwasserfluß gesteuert.

Bei der Entleerung des Speichers während der Entleerungs­ phase wird das heiße Wasser aus dem Arbeitsloch gepumpt. Das abgeleitete Wasser wird durch kaltes Wasser ersetzt, das in gleicher Weise und in gleicher Richtung wie das heiße Wasser bei der Lade- bzw. Füllphase zugeführt wird. Das heiße Wasser kann in an sich bekannter Weise für Hei­ zungsanlagen in Häusern oder für andere Zwecke, möglicher­ weise über eine Wärmepumpe verwendet werden. Die Pump­ kapazität im Arbeitsloch oder in den Arbeitslöchern, die Temperatur des zugeleiteten Wassers, das Speichervolumen, die Wärmekapazität des Gesteins sowie dessen Wärmeleit­ fähigkeit bestimmen die Kapazität des Speichersystems. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die hydrogeo­ logischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften und die Beschaffenheit des Gesteins genutzt.

Die Erfindung ermöglicht die Wärmespeicherung zwischen energiereichen und energiearmen Perioden und ist sowohl für Kurzzeitspeicherung als auch für Langzeitspeicherung geeignet. Im Normalfall wird der Speicher im Sommer gefüllt und im Winter entleert.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann ebenso als "Kälte­ speicher" verwendet werden. In diesem Fall wird der Spei­ cher während der Ladephase mittels kaltem Wasser gekühlt und in vorstehend beschriebener Weise geleert. Die Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zur Ver­ sorgung mit kaltem Wasser in wirtschaftlich vorteilhafter Weise beispielsweise für Klimaanlagen möglich.

Andere Verwendungsformen und Kombinationen wie zum Bei­ spiel als Bezugstemperatur-Speicher beim Einsatz von chemi­ schen Wärmepumpen sind ebenfalls möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht eines auf der Fels- bzw. Gesteinsoberfläche angeordneten Speichers,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Speichers in größeren Tiefen des Ge­ steins,

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht eines in alternativer Weise arbeitenden Speichers,

Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht einer weiteren modi­ fizierten Ausführungsform des Speichers und

Fig. 5 eine vertikale Schnittansicht einer noch weiteren Aus­ führungsform des Speichers.

In den Zeichnungen sind nur die wesentli­ chen Teile abgebildet. Weniger wichtige Teile wurden weg­ gelassen.

In Fig. 1 bezeichnet Ziffer 1 eine als Wärmespeicher dienende Gesteinsmasse. Ziffer 2 bezeichnet die Oberfläche des Ge­ steinskörpers. Eine Schicht aus Sand, Moränen oder der­ gleichen ist mit Ziffer 3 bezeichnet. Über dem Wärmespeicher ist eine Filteranlage 4 vorgesehen, die die Gesteinsmasse 1 im Wesentlichen abdeckt und aus einer Abdeckung 5 mit einer Wand 6 besteht, die rundherum geführt und dichtend mit der Oberfläche 2 verbunden ist. Die Abdeckung 5 und die Wand 6 können beispielsweise aus Beton gefertigt sein, der an Ort und Stelle, das heißt auf der Oberfläche 2 gegossen wird, wonach die Schicht 3 die Abdeckung 5 abdeckt, so daß Hydraulikdruck in der Filterfläche 7 der Filteranlage 4 ange­ wendet werden kann. Eine Wasserversorgungsleitung 8 führt in die Filterfläche 7 der Filteranlage 4. Die Wasserversorgungsleitung 8 und damit die Filterfläche 7 der Filteranlage 4 können unter Überdruck gesetzt werden.

Zur Spaltung der Gesteinsmasse 1 wird eine Anzahl von vertikalen Bohrlöchern 9 hergestellt. Durch hydraulischen Überdruck in den Bohrlöchern 9 wird das Gestein an bestimmten Abschnitten der Bohrlöcher 9 gespalten. Da der für die Einrichtung des Speichers günstigste Ort gewählt wurde, spaltet sich das Gestein, dessen kleinste Haupt-Spannungsrichtung in verti­ kaler Richtung orientiert ist, hauptsächlich in horizontaler Richtung. Ziffer 10 bezeichnet die hauptsächlich horizontalen Risse. Zwischen den horizontalen Rissen 10 verlaufen Kanäle 11, die mehr oder weniger vertikal orientiert sind, so daß ein Netz von einer sehr großen Spaltfläche gebildet wird. Die Permeabilität der Risse 10 und Kanäle 11 wird vergrößert, indem Sand unter Druck über die Bohrlöcher 9 eingespritzt wird.

Um in der Gesteinsmasse 1 ein Ausfließen zu verhindern, werden die Bohrlöcher 9 mit Beton, Spezialzement oder Ben­ tonit verschlossen bzw. verfüllt. In die Mitte der Gesteinsmasse 1 wird ein Arbeitsloch 12 bis zum Bo­ den des Speichers gebohrt. Eine Verbindungsleitung 13 führt zu dem Arbeitsloch 12.

Die Erwärmung des Speichers erfolgt durch Zuleitung von heißem Wasser - möglicherweise unter Druck - über die Filter­ oberfläche in der Filterfläche 7 der Filteranlage 4. Das Wasser fließt nach unten in die Gesteinsmasse 1 und folgt einer Vielzahl von zick-zackförmigen Pfaden, die durch die hauptsächlich horizontalen Risse 10 und die mehr vertikalen Kanäle 11 gebildet werden. Das Fließen des Wassers durch den Speicher kann durch Pumpen im Bodenbereich oder möglicherweise an verschiedenen Höhen des Arbeitslochs 12 reguliert werden. Während der Entladung bzw. Entleerung wird heißes Wasser aus dem Arbeitsloch 12 abgezogen, während gleichzeitig kaltes Wasser die Gesteinsmasse 1 füllt.

In Fig. 2 ist ein Speicher abgebildet, der in größerer Tiefe des Gesteins eingerichtet ist. Teile, die denjenigen in Fig. 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugsziffern und "′" ver­ sehen. Die Beschreibung der in Fig. 1 genannten Teile gilt ebenso für die entsprechenden Teile in Fig. 2. Der in Fig. 2 gezeigte Speicher unterscheidet sich von demjenigen in Fig. 1 lediglich dadurch, daß er tiefer angeordnet ist und die zum Speicher führenden Leitungen deshalb modifiziert und entsprechend ergänzt werden müssen. Das Wasser wird folg­ lich nicht über eine Filteranlage zugeführt, sondern über eine Anzahl von vertikalen Sickerrohren 15, die zum oberen Bereich der Gesteinsmasse 1′ führen. Die Sickerrohre 15 sind an ein Versorgungsrohr 16 angeschlossen, welches mit Druck beaufschlagt werden kann.

Fig. 3 zeigt ein Wärmespeichersystem, das sich in seiner Funktion bzw. Betriebsart von den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Systemen unterscheidet. Teile in Fig. 3, die den­ jenigen in den Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit glei­ chen Bezugsziffern und ′′ versehen. Gemäß dieser Ausfüh­ rungsform ist ein vertikales Sickerrohr 18 vorgesehen. Im Unterschied zu den vorgenannten Sickerrohren, führt das Einfiltrierungsloch 19, an welches das Sickerrohr 18 angeschlossen ist, zum Boden der Gesteinsmasse 1′′. Die Zahl der Einfiltrierungslöcher 19 und der Sickerrohre 18 kann variieren. Zum Beispiel kann eine Zahl von Einfiltrierungslöchern 19 mit den dazugehörigen Sicker­ rohren 18 in einer Reihe und beispielsweise eine gleich große Anzahl von Arbeitslöchern parallel zu den Einfiltrierungs­ löchern 19 angeordnet sein. Es ist ebenso möglich, ein Arbeitsloch in der Mitte und Einfiltrierungslöcher konzen­ trisch um das Arbeitsloch anzuordnen. In das Arbeitsloch 12′′ wird ein Pumprohr 20 hinabgelassen, das im Wesentlichen bis zum Boden des Arbeitsloches 12′′ reicht. Das Pumprohr 20 kann in jeweils geeigneter Höhe perforiert sein, so daß es Wasser aufnehmen und direkt von diesen Höhen bzw. Ebenen abpumpen kann.

Während das Wasser bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 in den oberen Bereich des Speichers gelei­ tet und zick-zackförmig nach unten durch den Speicher trans­ portiert wird, wird das heiße Wasser gemäß der Ausführungs­ form in Fig. 3 in das Einfiltrierungsloch 19 geführt und verteilt sich im Wesentlichen horizontal entlang der Risse 10′′ zu dem Arbeitsloch 12′′. Aus dem Arbeitsloch 12′′ wird das Wasser durch das Pumprohr 20 solange hochgepumpt, bis sich der Speicher erwärmt hat.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 4, in welcher die Teile, die denjenigen in den Fig. 1, 2 und 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern und ′′′ versehen sind, dominiert die horizontale Flußrichtung des Wassers noch stärker. Die vertikalen Kanäle zwischen den horizontalen Rissen 10′′′ sind auf Kanäle 22 und das Arbeits­ loch 24 reduziert. Natürliche Risse können jedoch bis zu einem gewissen Grad vorhanden sein oder aber bei der Spal­ tung des Gesteins durch die horizontalen Risse 10′′′ entstehen. In die Kanäle 22 werden zum oberen Bereich des Speichers Verbindungs­ rohre 21 eingesetzt, und in dem Arbeitsloch 24 ist ein Pump­ rohr 23 vorgesehen. Das heiße Wasser wird durch die Verbindungsrohre 21 und die Kanäle 22 geführt, von wo aus das Was­ ser den parallelen Rissen 10′′′ zum Arbeitsloch 24 folgt, aus welchem das kältere Wasser während der Lade- bzw. Füllzeit durch das Pumprohr 23 einfach hochgepumpt wer­ den kann. Während der Entladungszeit wird in entsprechen­ der Weise heißes Wasser aus dem Arbeitsloch 24 hochgepumpt, und zwar zur selben Zeit, da kälteres Wasser durch das Pumprohr 23 und die Kanäle 22 zufließt.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind keine besonderen transversalen Kanäle zwischen den im Wesentlichen parallelen und horizontalen Rissen 10 a-e ausgebildet. Der vertikalen Kanäle werden durch ein als Einfiltrierungs­ loch 25 dienendes Bohrloch 26 und gegebenenfalls durch ein zusätzliches Loch 27 gebildet. Ein Arbeitsloch ist mit Ziffer 29 und eine Pump­ leitung mit Ziffer 28 bezeichnet. In das Bohrloch 26 wird in dem oberen Bereich der Gesteinsmasse 1 ^* das Einfil­ tierungsrohr 25 eingesetzt. Die Oberfläche des Gesteins ist mit Ziffer 2 ^* und die Schicht darüber mit Ziffer 3 ^* bezeichnet.

In dem Bohrloch 26 und dem zusätzlichen Loch 27 (anstelle des Lochs 27 kann auch ein weiteres Einfiltrierungsloch oder eine Viel­ zahl derselben angeordnet werden) sind Stopfen 30 vorge­ sehen, so daß das Wasser zwangsläufig zick-zackförmig durch den Speicher fließt. Das Wasser fließt zunächst von der Leitung bzw. dem Einfiltrierungsrohr 25 entlang dem Riß 10 a zu dem Loch 27 und wird von dort aus zum Riß 10 b geleitet. Nach und nach erreicht das Wasser wieder das Bohrloch 26 und wird von dort aus zum nächsten Riß 10 c geleitet. Von dem Riß 10 c aus wird das Wasser über das Loch 27 zum Riß 10 d und schließlich über das Bohrloch 26 zum unteren Riß 10 e geleitet, die mit der Unterseite bzw. dem Boden des Arbeits­ loches 29 kommuniziert, von wo aus das Wasser über die Pumpleitung 28 hochgepumpt werden kann.

Es folgen zwei Beispiele, anhand welcher der Wärmespeicher beschrieben wird.

A) Wärmespeicher für ein Einfamilienhaus:

Wohnfläche: 130 qm
Wärmebedarf pro Jahr: ca. 20 MWh
Erforderliche Höchstleistung: 10 kW

B) Wärmespeicher für ein Mehrfamilienhaus:

Wohnfläche: 1000 qm
Wärmebedarf pro Jahr: ca. 200 MWh
Erforderliche Höchstleistung: 100 kW
Es sei angenommen, daß das Muttergestein aus "normalem" Granit mit folgender Temperaturcharakteristik besteht:
Wärmeleitfähigkeit: 3,5 W/m, °C
Wärmekapazität: 0,563 kWh/m³

Es sei angenommen, daß der Koeffizient des Wärmeübergangs von der Bodenoberfläche zu den umgebenden Bereichen in ei­ ner Größenordnung von 10 W/m², °C liegt.

Um den gesamten Jahresbedarf an Wärme speichern zu können, wird für das Beispiel A ein effektives Gesteinsvolumen von etwa 2400 m³ und für das Beispiel B von 24 000 m³ benötigt. Für den Fall, daß die Speichertemperaturen über der Durch­ schnittstemperatur des Gesteins liegt, müssen auch große Bereiche des das effektive Speichervolumen umgebenden Ge­ steins bearbeitet werden, so daß Wärmeverluste im effekti­ ven Speichervolumen innerhalb tolerierbarer Grenzen ge­ halten werden. Bei den oben genannten Beispielen sei an­ genommen, daß die Speicheroberfläche etwa 20 m tief unter der Erdoberfläche liegt.

Die für die oben genannten Beispiele A und B erforderlichen Risse sind unter den vorgenannten Bedingungen unge­ fähr 700 qm bzw. 7000 qm groß. Zur Speicherung des jähr­ lichen Gesamtbedarfs an Wärme werden für das Beispiel A nur zwei und für das Beispiel B fünf Risse benötigt. Der Wasserzulauf für das Laden/Entladen liegt in einer Größenordnung von etwa 90 l/min für A und 900 l/min für B.

Claims (10)

1. Speicher zur Wärmespeicherung in Gestein mit zumindest einem vertikalen Arbeitsloch (12, 24, 29), welches zum Boden des Speichers geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gesteinsmasse (1, 1′, 1′′) eine Vielzahl von ungefähr horizontalen Rissen (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) an einer Vielzahl von Bohrlöchern (9, 9′, 9′′, 26) aufweist, wobei die horizontalen Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) so miteinander verbunden sind, daß ein zusammenhängendes Spaltbild bzw. Spaltsystem gebildet wird, und daß Trennteilchen in die Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) eingebracht sind, die verhindern, daß sich die Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) aufgrund einer Wärmeausdehnung des Gesteins wieder schließen.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) durch Kanäle (11, 11′, 11′′, 22) miteinander verbunden sind, so daß in dem System ein zusammengehängendes, zick-zackförmiges Netz gebildet wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Speichers zur Wärme­ speicherung in Gestein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestein in verschiedenen Ebenen einer Anzahl von Bohrlöchern (9, 9′, 9′′, 26) durch Anwendung von Hydraulik-Überdruck an diesen verschiedenen Ebenen gespalten wird, so daß ein Speicherraum in Form einer Gesteinsmasse (1, 1′, 1′′, 1′′′, 1 ^*) mit einer Anzahl von etwa planparallelen Rissen (10, 10′, 10′′, 10 a-e) gebildet wird, deren Richtung durch den natürlichen Spannungszustand im Gestein bestimmt wird, wobei die Risse (10, 10′, 10′′, 10 a-e) durch eine Anzahl von transversalen Kanälen (11, 11′, 11′′, 22) kommunizierend verbunden sind, daß zumindest ein Arbeitsloch (12, 12′, 12′′, 24, 29) vorgesehen ist, welches in bekannter Weise hinunter zum Speicherraum gebohrt wird, und daß während der Lade- bzw. Füllphase heißes Wasser in den gespalteten Speicherraum befördert wird, während gleichzeitig kälteres Wasser durch das Arbeitsloch aus dem Speicher abgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherraum in einer Gesteinsmasse (1, 1′, 1′′, 1′′′, 1 ^*) angeordnet wird, deren kleinste Spannungsrichtung in vertikaler Richtung orientiert ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den in Form von den Rissen (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) gebildeten parallelen Spaltflächen durch Sprengen transversale Kanäle (11, 11′, 11′′, 22) gebildet werden, nachdem die planparallelen Spaltflächen durch Anwendung von Hydraulik-Überdruck in den Bohrlöchern (9, 9′, 9′′, 26) hergestellt worden sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß transversale Kanäle (11, 11′, 11′′, 22) durch Bohrlöcher (9, 9′, 9′′, 26) zwischen benachbarten Rissen gebildet werden, und daß die Bohrlöcher (9, 9′, 9′′, 26), um zu verhindern, daß sich den Speicher gerade durchlaufende Durchlässe bilden, gegenüber anderen Spaltflächen selektiv verschlossen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdurchlässigkeit der Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 22) aufrechterhalten wird, indem harte Partikel, vorzugsweise Sand, unter Druck in die Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 22) eingebracht werden, wobei die Partikel als Trennelemente dienen und verhindern, daß sich die Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 22) aufgrund der Ausdehnung des Gesteins bei Zuführung von heißem Wasser wieder schließen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser von dem oberen Bereich des Speicherraums entlang zick-zackförmiger Wege, die durch die in etwa planparallelen Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e) und transversale Kanäle (11, 11′, 11′′, 22) gebildet werden, zum Boden des Speicherraums befördert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser von einem oder mehreren Einfiltrierungslöchern (19) in etwa horizontaler Richtung entlang der in etwa plan­ parallelen Risse (10, 10′, 10′′, 10′′′, 10 a-e), die dann in dem System parallel miteinander ver­ bunden werden, zu einem oder mehreren Arbeits­ löchern (12′′, 24) befördert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß heißes Wasser während der Lade- bzw. Füllphase zu einer über der gespaltenen Gesteinsmasse (1, 1′) angeordneten Filterfläche (7) und/oder über eine Vielzahl von kurzen Sickerrohren (15) direkt hinab zu der gespaltenen Gesteinsmasse (1, 1′) befördert wird, während gleichzeitig der Durchfluß bzw. Wasserdurchfluß durch Pumpen im Arbeitsloch (12, 12′, 12′′, 24, 29) und/oder dadurch, daß das zugeleitete heiße Wasser unter Überdruck gesetzt wird, reguliert bzw. geregelt wird.