DE4437124C2

DE4437124C2 - Verwendung einer Sonde aus einer unten geschlossenen Doppelrohrtour

Info

Publication number: DE4437124C2
Application number: DE4437124A
Authority: DE
Inventors: Horst Wetzel; Franz Bauer; Detlef Schneider; Ingo Kraft
Original assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Current assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Priority date: 1993-06-04
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2014-10-05
Also published as: DE4437124A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Sonde aus einer unten geschlosse nen Doppelrohrtour, mit der Erdwärme für Heizzwecke genutzt werden kann, nach dem Patent DE 43 19 111.

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

So ist bekannt, 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 ein zubringen. 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 auf rechtzuerhalten, die Flüssigkeit in die Hohlräume einzubringen sowie wieder an die Oberfläche zu pumpen.

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

Auch bei diesem Verfahren ist zu erwarten, dass das Wasser chemische Sub stanzen aus dem Gestein herauslöst und korrosiv wird, was ebenfalls den Ein satz korrosionsfestem Material zur Folge hat. Darüber hinaus können auch hierbei Wasserverluste auftreten. Außerdem sind die energetischen Aufwen dungen zur Aufrechterhaltung des hydraulischen Regimes beträchtlich.

In der DE 87 02 244 U1 wird eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwi schen einer Speichermasse und einem mit dichten Wandungen, von der Spei chermasse getrennten Fluidum, beschrieben.

Zur Erschließung der Speichermassen sind Bohrungen bis einige Hundert Meter Tiefe nötig. Die Vorrichtung ist für die Wärmegewinnung aus Tiefbohrungen nicht vorgesehen. Der eingesetzte Kunststoff weist darauf hin, dass die be schriebene Vorrichtung nicht für Tiefbohrungen geeignet ist. Den in der Tiefe herrschende Druck würde der Kunststoff nicht standhalten.

Die DE 30 33 255 A1 beschreibt Rohrsonden zum Gewinnen von Erdwärme, die mit einem Rammbohrgerät in die Erde getrieben werden. Damit sind keinesfalls Tiefen erreichbar, wie sie in der Geothermie notwendig sind, um Erdwärme im eigentlichen Sinne zu nutzen. Die Sonden, die aus Kunststoff bestehen, halten den in Tiefbohrungen herrschenden Druck nicht stand. Somit können diese Sonden nur in erdoberflächennahen Erdschichten verwendet werden.

In der DE 30 16 456 A1 sind Wärmetauschelemente beschrieben, welche aus dem Erdboden Wärme aufnehmen, aber auch Wärme zum Speichern an den Erdboden abgeben. Sie sind mit einer Einrammspitze versehen. Somit gelangen die Wärmetauschelemente durch Einrammen nur in erdoberflächennahe Schichten. Eine Anwendung der beschriebenen Erfindung für Tiefbohrungen vermittelt die Lehre nicht. Die verwendeten Wärmetauscherelemente würden den Druckverhältnissen in Tiefbohrungen nicht standhalten.

Bei einer in der DE 27 48 727 A1 beschriebenen Lösung handelt es sich um ein Verfahren zum Speichern thermischer Energie mit niedriger Temperatur. Ange geben sind vorzugsweise 35°C, welche die den Absorber verlassende Träger flüssigkeit haben sollte. Um die thermische Energie im Erdbereich speichern zu können, muss das Erdreich eine niedrigere Temperatur aufweisen. Dieses nied rigere Temperaturniveau entspricht auch geringer Tiefe. Damit ist auch diese technische Lösung nur für das Gebiet der Flachbohrtechnik relevant, so dass ohne weiteres nicht auf Tiefbohrungen geschlossen werden kann.

Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verwendung einer Sonde aus einer unten geschlossenen Doppelrohrtour für die Gewinnung von Erdwärme für Heizzwecke nach dem Patent DE 43 19 111 wesentlich zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird dies zur Nutzung der Erdwärme mittels Wasser aus ei ner Tiefbohrung für Heizzwecke nach Patent DE 43 19 111 dadurch erreicht, dass die äußere Rohrtour in Rohrschüssen mit abnehmendem Durchmesser abgestuft ausgeführt ist und deren innere Rohrtour doppelwandig ausgebildet ist. Der Ringspalt der inneren doppelwandigen Rohrtour ist dabei atmosphä risch verschlossen oder atmosphärisch verschlossen und evakuiert.

Durch die Erfindung wird das Prinzip der regenerativen Nutzung der Geother mie wirkungsvoll möglich, indem für jede Vorlauftemperatur, jede ungestörte Temperatur, jede Sondentiefe, jeden Sondendurchmesser, jede Sondenumge bung (λ, p, c) und für jede Austauschart unter diesen Bedingungen ein maxi maler Wärmestrom auf dem erzeugten tieferen Temperaturniveau 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 chemi schen Substanzen aus dem Tiefengestein herauslösen kann und damit die Kor rosion 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 Hei zungskreislaufes obertägig installierte Umwälzpumpen eingesetzt werden. Er folgt 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 Ener gie 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 Dimensio nierung der Sonde notwendig. Der Wärmefluss wird durch die Temperaturdiffe renz zwischen der ungestörten Umgebung 1 und der Sonde, insbesondere de ren Innenwand 3, hervorgerufen. Der Wärmezufluss aus dem Bodenkörper 1 zum Außenrohr 3 entspricht dem Wärmeabfluss vom Förderrohr 4 zur Heizan lage 5. Prinzipiell gilt, dass der Wärmestrom q zur Sondenwand des Außenroh res 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 Au ßenrohr 3 aus Rohrschüssen mit abnehmendem Durchmesser gebildet ist und das untere Endstück des Außenrohres 3 geschlossen ist. Ein offenes Förder rohr 4 ist konzentrisch am Sondenkopf 7 freihängend befestigt, so dass ein konzentrischer Ringspalt entsteht. Das Förderrohr 4 ist doppelwandig ausgebil det.

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

Nu = α × 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 verbun den. 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.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Bodenkörper

2

Bohrung

3

äußere Rohrtour

4

innere Rohrtour

5

kaltes Einströmrohr

6

warmes Ausströmrohr

7

Heizeinrichtung

8

Ausströmrohr

9

Einströmrohr

10

Wärmedämmung

Claims

1. Verwendung einer Sonde aus einer unten geschlossenen Doppelrohrtour nach Patent DE 43 19 111, deren äußere Rohrtour 3 in Rohrschüssen mit ab nehmendem Durchmesser abgestuft ausgeführt ist und deren innere Rohrtour 4 doppelwandig ausgebildet ist, zur Nutzung der Erdwärme mittels Wasser aus einer Tiefbohrung für Heizzwecke.

2. Verwendung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Ringspalt der inneren doppelwandigen Rohrtour 4 atmosphärisch verschlossen ist.

3. Verwendung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Ringspalt der inneren doppelwandigen Rohrtour 4 atmosphärisch verschlossen und evakuiert ist.