DE4437124A1

DE4437124A1 - Verfahren und Anordnung zur Nutzung der Erdwärme für Heizzwecke

Info

Publication number: DE4437124A1
Application number: DE4437124A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Phys Wetzel; Franz Dr Ing Bauer; Detlef Dipl Ing Schneider; Ingo Dr Ing Kraft
Original assignee: VEAG Vereinigte Energiewerke AG
Current assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2014-10-05
Also published as: DE4437124C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung mit der Erdwärme für Heizzwecke genutzt werden kann, insbesondere für die Nutzung von Gesteinswärme, deren geothermische Tiefenstufe überproportionale Werte erreicht.

Die Nutzung von Erdwärme für Heizzwecke wird in mehreren Verfahren und Anordnungen beschrieben und vorgeschlagen.

So wird beispielsweise ein Verfahren zur Nutzung geothermischer Wärme in der DD-PS 214 642 beschrieben. Hierbei sind natürliche und/oder bergmännisch aufgefahrene Hohlräume in Tiefen von 200 m bis 1500 m zu nutzen. Diese Hohlräume werden mit einer Flüssigkeit geflutet. Dazu sind mehrere Einspeise- und Entnahmesonden einzubringen. Die Flüssigkeit wird dabei als Primärkreis zur Wärmeübertragung genutzt. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die Flüssigkeit aus dem Gestein chemische Substanzen herauslöst, die die Flüssigkeit korrosiv werden läßt. Das erfordert den Einsatz korrosionsfester Materialien, die somit auch kostenaufwendig sind. Ein weiterer Nachteil kann darin bestehen, in dem Flüssigkeitsverluste entstehen, die durch Risse im Gestein verursacht werden. Außerdem sind erhebliche Energien aufzuwenden, um diese Hohlräume aufrechtzuerhalten, die Flüssigkeit in die Hohlräume einzubringen sowie wieder an die Oberfläche zu pumpen.

Ein weiteres Verfahren zur Gewinnung von Erdwärme aus heißem Tiefengestein ist das "hot dry rock" Verfahren. Dabei handelt es sich um ein hydraulisches Aufbrechen des kristallinen Gesteins zur Schaffung großflächiger Hohlräume im meist wasserundurchlässigen Untergrund. Die durch das Aufbrechen entstandenen Spalten dienen als Wärmetauscher, in dem eine Injektionsbohrung eingebracht wird, durch die dann Wasser hinabgepumpt wird. Durch eine Zweitbohrung steigt das Kreislaufwasser in Form von Heißwasser an die Erdoberfläche zurück. Die beiden Bohrungen liegen zwischen 20 und 50 Meter voneinander entfernt und sind durch Rohre zu einem Kreislaufsystem verbunden.

Auch bei diesem Verfahren ist zu erwarten, daß das Wasser chemische Substanzen aus dem Gestein herauslöst und korrosiv wird, was ebenfalls den Einsatz korrosionsfestem Material zur Folge hat. Darüber hinaus können auch hierbei Wasserverluste auftreten. Außerdem sind die energetischen Aufwendungen zur Aufrechterhaltung des hydraulischen Regimes beträchtlich.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren abzuleiten und eine Anordnung zu schaffen, mit deren Hilfe die Nutzung der Gesteinswärme, deren geothermische Tiefenstufe bestimmt ist, zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird dies nach P 43 19 111.8 dadurch erreicht, indem Deionat in eine Tiefbohrung eingeleitet wird. Beim Prozeß der Einleitung des Deionats wird dieses erwärmt. Der Wärmefluß aus dem Gestein zur Erwärmung des Deionats entspricht dem Mechanismus der dreidimensionalen Wärmegleichung. Das erwärmte Deionat wird nachfolgend nach dem Prinzip eines Wasserverdrängungsspeichers aus der Tiefbohrung entnommen und direkt einer Heizungsanlage zugeführt. Der Rücklauf aus der Heizungsanlage wird anschließend wieder in die Tiefbohrung eingeleitet. Der Kreislauf des Deionats wird in mengenkonstanter Fahrweise geführt, so daß die Endtemperatur des Deionats zeitlich unbegrenzt konstant bleiben kann.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens sieht eine Tiefbohrung vor, in die eine unten geschlossene Doppelrohrtour eingebracht ist. Die innere Rohrtour ist konzentrisch in einer äußeren Rohrtour angeordnet und weist am unteren Teil Überströmöffnungen auf. Die äußere Rohrtour ist vorzugsweise gut wärmeleitend metallisch ausgeführt, während die innere Rohrtour wärmegedämmt ist.

Der Querschnitt des Ringraumes zwischen der inneren und der äußeren Rohrtour entspricht dem Querschnitt des inneren Rohrtour.

Durch die Erfindung wird das Prinzip der regenerativen Nutzung der Geothermie wirkungsvoll möglich, indem für jede Vorlauftemperatur, jede ungestörte Temperatur, jede Sondentiefe, jeden Sondendurchmesser, jede Sondenumgebung (λ, p, c) und für jede Austauschart unter diesen Bedingungen ein maximaler Wärmestrom auf dem erzeugten tieferen Temperaturnieveau nachhaltig entnommen werden kann. Das heißt, daß der Wärmestrom zeitlich stabil gehalten kann, ohne eine weitere Auskühlung der Umgebung herbeizuführen.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß das Kreislaufwasser keine chemischen Substanzen aus dem Tiefengestein heraus lösen kann und damit die Korrosion der Heizungsanlage verringert wird. Damit verringern sich auch die Kosten für diese Anlage, da es nicht mehr erforderlich ist, über Wärmetauscher, die zusätzliche Wärmeverluste bringen würden, den Heizkreislauf aufzutrennen. Eine weitere Einsparung besteht darin, daß für die Aufrechterhaltung des Heizungskreislaufes obertägig installierte Umwälzpumpen eingesetzt werden. Erfolgt eine geringere Wärmeabnahme, erhöhen sich die Rücklauftemperaturen. Dies führt dazu, daß sich die oberen Teile der Bohrung aufwärmen und diese Überschußwärme als Speicher für niedrige Außentemperaturen zur Verfügung stehen.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt dazu die Figur eine Tiefbohrung in die eine Doppelrohrtour eingebracht ist.

Das Verfahren wird derart realisiert, indem die Sonde in einem Gleichgewicht gefahren wird. Erdwärmesonden entziehen die in der Erde gespeicherte Energie durch einen geschlossenen Wärmequellenkreislauf. Gleichzeitig kommt es in der Umgebung der Sonde zu einer Störung des Temperaturfeldes und zur Ausbildung eines Temperaturtrichters. Dieser instationäre Wärmeleitvorgang, der im Nah- und Fernbereich der Sonde einmal zum Aufbau eines Temperatur- und Wärmestromfeldes bei Entnahme führt und bei dem es zum anderen zu thermischen Ausgleichsvorgängen kommt, ist für eine energetische Gleichgewichtsfahrweise sowie der Dimensionierung der Sonde notwendig. Der Wärmefluß wird durch die Temperaturdifferenz zwischen der ungestörten Umgebung 1 und der Sonde, insbesondere deren Innenwand 3, hervorgerufen. Der Wärmezufluß aus dem Bodenkörper 1 zum Außenrohr 3 entspricht dem Wärmeabfluß vom Förderrohr 4 zur Heizanlage 5. Prinzipiell gilt, daß der Wärmestrom q zur Sondenwand des Außenrohres 3 der Gleichung

q = λ grad ϑ genügt.

Hierbei ist λ die Wärmeleitfähigkeit als Materialkonstante vom Bodenkörper 1 zum Außenrohr 3. Sie wird mit ca. 2-5 W/mK angenommen. Damit wird die Leistung der Sonde maßgeblich durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Bodenkörper 1 und der Sondeninnenwand 3 bestimmt.

In einen Bodenkörper 1 ist eine Bohrung 2 mindestens 1500 m abgeteuft. Die Bohrlochkonstruktion ergibt sich durch die geforderten Enddurchmesser und die geologisch bohrtechnisch begründeten notwendigen Zwischenrohrtouren. In diese Bohrung 2 ist eine Sonde eingebracht, die als Doppelrohrtour ausgebildet ist. Ein Außenrohr 3 ist innig mit dem Bodenkörper 1 verbunden, wobei das untere Endstück des Außenrohres 3 geschlossen ist. Ein offenes Förderrohr 4 ist konzentrisch am Sondenkopf 7 freihängend befestigt, so daß ein konzentrischer Ringspalt entsteht.

Der den Wärmeübergang charakterisierende Wärmeübergangskoeffizient ist für den konzentrischen Ringspalt mit Hilfe der Nußeltzahl Nu bestimmt:

Nu = α x d_H/λ und
Nu = f (di/da)

Dabei ist d_H = d_a-D_i,
wobei

α - Wärmeübergangskoeffizient
d_a - Außendurchmesser des Förderrohres 4
D_i - Durchmesser des Außenrohres 3
d_H - hydraulischer Durchmesser
λ - Wärmeleitfähigkeit
f (di/da) - Ähnlichkeitsfunktion

bedeuten.

Zur Vermeidung einer Auskühlung des Wärmeleitmediums, das aufbereitetes Wasser ist, ist im oberen Bereich des Förderrohres 4 eine Wärmedämmung 10 angeordnet. Die Wärmedämmung 10 ist vorzugsweise ein weiteres Rohr mit wärmedämmenden Eigenschaften, das mechanisch fest ist und entsprechend dem Durchmesser zum Förderrohr 4 einen Ringspalt bildet. Dieser Ringspalt ist atmosphärisch verschlossen und gegebenenfalls evakuiert. Die Sonde ist mit einer Heizanlage 5 über ein Ausströmrohr 8 und einem Einströmrohr 9 verbunden. Zur meßtechnischen Erfassung der Temperaturdifferenz des Wassers im Ausströmrohr 8 und im Einströmrohr 9 ist ein Regler 6 über entsprechende Fühler an diesen Rohren angeschlossen.

Bezugszeichenliste

1 Bodenkörper
2 Bohrung
3 äußere Rohrtour
4 innere Rohrtour
5 kaltes Einströmrohr
6 warmes Ausströmrohr
7 Heizeinrichtung

Claims

1. Verfahren zur Nutzung von Erdwärme für Heizzwecke mittels Wasser nach P 43 19 111.8, gekennzeichnet dadurch , daß neutrales kaltes Deionat in einem Kreislauf in eine Tiefbohrung eingeleitet wird, wobei das Deionat während der Einleitung in die Tiefbohrung durch das heiße Tiefengestein erwärmt, das erwärmte Deionat der Tiefbohrung entnommen und direkt einer Heizungsanlage zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das erwärmte Deionat nach dem Prinzip eines Wasserverdrängungsspeichers entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das kalte Deionat entsprechend dem Mechanismus der dreidimensionalen Wärmegleichung erwärmt wird.

4. Anordnung zur Nutzung von Erdwärme für Heizzwecke mittels Wasser, gekennzeichnet dadurch , daß in eine Tiefbohrung (2) eine unten geschlossene Doppelrohrtour (3; 4) eingebracht, wobei die innere konzentrisch angeordnete wärmegedämmte Rohrtour (4) Überströmöffnungen zur äußeren Rohrtour (3) aufweist und die äußere Rohrtour (3) wärmeleitend und vorzugsweise metallisch ausgeführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Querschnitt des Ringraumes zwischen innerer und äußerer Rohrtour dem Querschnitt der inneren Rohrtour entspricht.

6. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die äußere Rohrtour (3) in Rohrschüssen mit abnehmendem Durchmesser abgestuft ausgeführt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß die innere Rohrtour (4) doppelwandig ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 4 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Ringspalt der inneren doppelwandigen Rohrtour (4) atmosphärisch verschlossen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 4, 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Ringspalt der inneren doppelwandigen Rohrtour (4) atmosphärisch verschlossen und evakuiert ist.