DE69732491T2 - Erdwärmegewinnungsanlage - Google Patents

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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
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    • E21B43/305—Specific pattern of wells, e.g. optimizing the spacing of wells comprising at least one inclined or horizontal well
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Gewinnung von Erdwärme durch Zirkulation bzw. Umwälzen von Wasser durch eine mindestens 1000 m unter der Erdoberfläche liegende geologische Formation mit mindestens einer von der Oberfläche zu der Formation verlaufenden Versorgungsbohrung, mindestens einer Rücklaufbohrung zum Transport von erwärmtem Wasser von der Formation zur Oberfläche und einer die Versorgungs- und die Rücklaufbohrung verbindenden wärmeabsorbierenden Anordnung, wobei die Anordnung eine eine Mehrzahl von wärmeabsorbierenden Bohrungen umfassende wärmeübertragende Oberfläche aufweist und die Anlage eine gegebene Nennleistung in MW hat, die als die durch die Anordnung nach einem Jahr Betrieb zu absorbierende Wärme definiert ist.
  • Eine solche Anlage ist in DE-A-4 229 185 offenbart. Diese Anlage beruht für die Zirkulation bzw. Umwälzung des wärmeabsorbierenden Mediums, beispielsweise Luft, auf der natürlichen Konvektion. Demgemäß verlaufen die wärmeabsorbierenden Bohrungen unter einem Winkel von der Versorgungsbohrung zur Rücklaufbohrung nach oben, was in Hinblick auf die Wärmeübertragung unwirksam ist, weil die Temperatur des Steins bzw. Gesteins in Aufwärtsrichtung abnimmt. Abgesehen davon, beschränkt die natürliche Konvektion erheblich die Kapazität der Anlage.
  • Ein weiteres Beispiel einer geothermischen Anlage ist in US-A-3 863 709 und in US-A-4 223 729 offenbart, wobei das letztgenannte eine Weiterentwicklung des erstgenannten darstellt. US-A-4 223 729 betrifft die Gewinnung von Erdwärme aus heißtrockenen Gesteinsformationen (HDR-Formationen). Infolge der geringen Wärmeleitfähigkeiten solcher Formationen wurde allgemein angenommen, dass Wärmeenergie nicht mit einer verwendbaren Rate extrahiert werden kann, ohne dass in der geologischen Formation eine sehr große wärmeübertragende Oberfläche vorhanden ist.
  • Bis heute wurde bei fast allen bekannten Anlagen in HDR versucht, solche sehr großen Wärmeübertragungsflächen durch Erzeugen von Abbruchzonen zwischen der Versorgungsbohrung und der Rücklaufbohrung, entweder durch Erweitern bestehender Abbruchzonen, durch Sprengen des Gesteins zwischen den Bohrungen unter Verwendung von Sprengstoffen oder durch Einrichten eines Abbruchsystems durch die Verwendung von hydrostatischem Druck und/oder Wärme zu erhalten. Selbst wenn solche Abbruchzonen eingerichtet werden könnten, weisen sie ziemlich unvorhersehbare Strömungsbedingungen für das Wasser auf, weil das Wasser dazu neigt, den Weg des geringsten Widerstands zu nehmen und daher nicht durch die schmaleren Risse der Abbruchzone fließt.
  • In erheblichem Gegensatz zur allgemeinen Annahme haben die Erfinder dieser Erfindung überraschend festgestellt, dass der Betrag der wärmeübertragenden Oberfläche kein kritischer Faktor ist, falls eine Erdwärmeanlage des fraglichen Typs eine verwendbare Lebensdauer haben soll. Stattdessen ist der entscheidende Faktor die Verfügbarkeit eines großen Gesteinsvolumens in unmittelbarer Nähe zur wärmeübertragenden Oberfläche. Demgemäß nehmen die Erfinder an, dass eine Erdwärmeanlage, die beispielsweise für Heiz- und Warmwasserzwecke ausgelegt ist, für jedes kW, das die Anlage liefern soll, mindestens 15000 m3 an Gestein aufweisen sollte, das sich innerhalb von 50 m von der wärmeübertragenden Oberfläche befindet. Für kleinere Anlagen bei ungünstigen Gesteinsbedingungen kann dieses Volumen wahrscheinlicher 60000 m3/kW betragen.
  • Folglich sieht die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Gewinnung von Erdwärme der im vorstehenden einleitenden Absatz definierten Art vor, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb eines 50-m-Radius um die wärmeabsorbierende Bohrung liegende Volumen der Formation mindestens etwa 10 × 106 m3, multipliziert mit der Nennleistung, beträgt, und dass sich die wärmeabsorbierenden Bohrungen unter einem Winkel (α) von der Versorgungsbohrung zur Rücklaufbohrung nach unten erstrecken.
  • Diese Zahlen stellen eine viel größere Gesteinsmasse dar als für Anlagen aus dem Stand der Technik erwogen wurde.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass der wirksamste Weg zum Einrichten eines ausreichend großen Gesteinsvolumens in unmittelbarer Nähe der wärmeübertragenden Oberfläche darin bestehen würde, eine Bohrung für die Oberfläche zu verwenden. Eine solche Bohrung müsste jedoch recht lang sein, um das erforderliche Gesteinsvolumen zu durchdringen, und die Bohrkosten würden als übermäßig hoch erscheinen, weil weiter angenommen werden müsste, dass eine erhebliche wärmeübertragende Oberfläche, d.h. eine Bohrung mit einem großen Durchmesser, erforderlich wäre, um den erforderlichen Wärmefluss vom Gestein auf das durch die Bohrung zirkulierende Wasser bereitzustellen.
  • Dennoch haben die Erfinder damit begonnen, die Wärmeübertragung von einem großen Gesteinszylinder auf in einer mittleren Bohrung des Zylinders fließendes Wasser unter Verwendung der Differenzialgleichung zu berechnen, die von H.S. Carslaw und J.C. Jaeger in "Conduction of Heat in Solids", zweite Auflage, Oxford, dargelegt ist. Sie haben überraschenderweise herausgefunden, dass sich die Temperatur im Gestein in einem Abstand von 100 m von der Bohrung im Laufe von 30 bis 40 Jahren kaum ändert. Noch überraschender haben sie herausgefunden, dass die verfügbare Energie über diesen Zeitraum mit einer Bohrung entnommen werden könnte, die in Hinblick auf die Wärmeübertragung einen Durchmesser von lediglich 10 cm und sogar noch weniger aufweist. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die mögliche Wärmeentnahmerate durch Vergrößern des Bohrungsdurchmessers auf 1 m, wodurch die wärmeübertragende Oberfläche zehnfach vergrößert werden würde, weniger als verdoppelt werden würde, wobei die anderen Bedingungen gleich gehalten sind. Die Querschnittsfläche einer solchen Bohrung und damit die Masse, die entfernt werden muss, um die Bohrung einzubringen, würde jedoch auf das 100fache vergrößert werden. Folglich schien die wirtschaftlichste Lösung darin zu bestehen, den kleinsten Bohrungsdurchmesser zu verwenden, der über große Strecken gebohrt werden kann, welcher mit der heutigen Technologie auf etwa 10 cm begrenzt ist.
  • Die Länge einer solchen wärmeabsorbierenden Bohrung würde jedoch normalerweise selbst bei der kleinsten praktisch verwendbaren wirtschaftlichen Anlage normalerweise 5 km übersteigen, und die Versorgungsbohrung und die Rücklaufbohrung könnten sich zusätzlich über im wesentlichen die gleiche Entfernung erstrecken. Abgesehen davon könnten der Druckabfall und die sich daraus ergebenden Pumpverluste für sehr lange schmale Bohrungen zu groß sein. Zum Lösen dieses Problems haben die Erfinder vorgeschlagen, die wärmeabsorbierende Bohrung in mehrere Durchgänge zu unterteilen, die parallel geschaltet sind und ausreichend beabstandet sind, um ein ausreichendes Gesteinsvolumen verfügbar zu haben, um die gewünschte Wärme über die erforderliche Lebensdauer der Anlage zuzuführen.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der wärmeabsorbierenden Bohrungen die Versorgungs- und die Rücklaufbohrung in einer parallelen Fließbeziehung miteinander verbindet, ein wesentlicher Teil einer jeden wärmeabsorbierenden Bohrung mindestens 50 m, vorzugsweise mindestens 100 m, von der nächstliegenden wärmeabsorbierenden Bohrung beabstandet ist und die Gesamtlänge der wärmeabsorbierenden Bohrungen vorzugsweise 5000 m überschreitet.
  • Die Neigung der wärmeabsorbierenden Bohrungen gemäß der Erfindung erleichtert das Bohren von ihnen, wobei beispielsweise ein wasserbetriebener Stoßhammer und gewundene Rohre verwendet werden. Das Gewicht am Bohrkopf kann leichter gesteuert werden, weil die Reibung der gewundenen Rohre an der Bohrungswand das Gewicht der Rohre im wesentlichen tragen kann. Hierdurch kann die Lebensdauer des Bohrkopfs erheblich vergrößert werden und können die Bohrkosten erheblich verringert werden.
  • Weil die Gesteinstemperatur mit zunehmender Tiefe ansteigt, wird dadurch, dass die Wasserflussrichtung durch die geneigten Bohrungen abwärts verläuft, ermöglicht, dass die Temperaturerhöhung in dem Wasser der Temperaturerhöhung in dem umgebenden Gestein folgt, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen dem Gestein und dem Wasser im wesentlichen konstant gehalten wird. Dies kann mit einer Gegenstrom-Wärmeübertragungsanordnung verglichen werden und ermöglicht eine geringere Länge der wärmeabsorbierenden Bohrung und eine optimale Absorption von Wärme aus dem Gestein. Es wird erwartet, dass eine Gegenstromanordnung 2- bis 3-mal länger Wärme aus demselben Gesteinsvolumen erzeugt als eine entsprechende Mitstrom-Wärmeübertragungsanordnung.
  • Die Größe des Neigungswinkels hängt von mehreren Faktoren, beispielsweise vom Temperaturgradienten in dem Gestein, der Länge der wärmeabsorbierenden Bohrung und der Wasserströmungsrate, ab. Die Berechnung des Winkels liegt innerhalb der Fähigkeiten eines Fachmanns und wird hier daher nicht detailliert ausgeführt. Der Winkel würde normalerweise zwischen 20° und 50° liegen und vorzugsweise etwa 40° betragen.
  • Weiterhin verlaufen zum Maximieren der Wärmeentnahme aus einem gegebenen Gesteinsvolumen zumindest erhebliche Teile der wärmeabsorbierenden Bohrungen parallel zueinander. Bevorzugter sind die wärmeabsorbierenden Bohrungen in einer Schicht, oder falls erforderlich, in mehreren vertikal beabstandeten Schichten angeordnet. Das Bereitstellen einer regelmäßigen Anordnung vertikal beabstandeter Schichten, wobei jede Schicht eine Mehrzahl von wärmeabsorbierenden Bohrungen aufweist, ermöglicht die Vergrößerung der Kapazität der Anlage, ohne dass die Bohrungen über einen großen Bereich ausgebreitet werden. Dies ist von erheblicher Bedeutung, wenn das Volumen der zur Erschließung verfügbaren Erde nicht groß ist.
  • Vorzugsweise gleicht der Abstand zwischen benachbarten Bohrungen in jeder Schicht dem Abstand zwischen benachbarten vertikal beabstandeten Bohrungen, wobei dieser Abstand mindestens 50 m und vorzugsweise mindestens 100 m beträgt. Andererseits sollte der Abstand kleiner als etwa 150 m sein, um die physikalischen Ausmaße der Anlage zu begrenzen. Eine Anlage gemäß der Erfindung kann lediglich eine einzige Versorgungsbohrung und eine einzige Rücklaufbohrung aufweisen. Die Anlage kann jedoch auch eine Mehrzahl von Versorgungsbohrungen aufweisen, die am bevorzugtesten in gleichem Abstand umfänglich um eine gemeinsame Rücklaufbohrung angeordnet sind. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform können beispielsweise drei Versorgungsbohrungen um eine einzige Rücklaufbohrung angeordnet sein. Es ist zu verstehen, dass die Rücklaufbohrung eine einzige Bohrung sein kann oder aus einer Anhäufung dicht beabstandeter Bohrungen geringeren Durchmessers besteht, welche im wesentlichen die gleichen Wärmeverlusteigenschaften aufweisen wie eine einzige Bohrung mit einem größeren Durchmesser.
  • Vorzugsweise können die oberen Enden der Versorgungsbohrung und der Rücklaufbohrung dicht beieinander angeordnet werden, wobei die Bohrungen nach unten auseinanderlaufen, so dass zwischen den Enden der dazwischen sich erstreckenden wärmeabsorbierenden Bohrungen ein erheblicher Abstand erzeugt wird. Dieser Abstand beträgt vorzugsweise mindestens 500 m. Eine solche Anlagenanordnung ermöglicht eine kompakte Anlagenkonstruktion an der Oberfläche, sie ermöglicht jedoch gleichzeitig, dass die erforderliche Länge der wärmeabsorbierenden Bohrung erhalten wird. Weil die wärmeabsorbierenden Bohrungen normalerweise bei der Versorgungsbohrung beginnend gebohrt werden, kann die Versorgungsbohrung vorteilhafterweise im wesentlichen vertikal gebildet werden, wodurch ermöglicht wird, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen die größtmögliche Tiefe (und Temperatur) erreichen, die von einer gegebenen maximalen Länge des zum Bohren verfügbaren Bohrstrangs gestattet wird. Bei Verwendung gewundener Rohre kann die praktisch erreichbare maximale Länge 6.000 – 8.000 m betragen.
  • Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Verwendung beim Auslegen einer Erdwärmeanlage gemäß Anspruch 15 vor.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Um die vorliegende Erfindung der Prospektion zuzuführen, kann WO 96/23181 betrachtet werden, worin ein Versuch offenbart ist, aufgegebene vor der Küste liegende Ölbohrlöcher beim Gewinnen von Wärmeenergie zu verwenden, die wiederum in elektrische Leistung umgewandelt werden soll und einem Verbraucher zugeführt werden soll. Hierbei werden zwei 3000 m tiefe Bohrlöcher für die Versorgungs- bzw. die Rücklaufbohrung verwendet, wobei die Bohrlöcher an ihren unteren Enden durch eine im wesentlichen horizontal gebohrte Schleife verbunden sind, die 1000 m lang ist und einen Durchmesser von 21,5 cm aufweist. 700 m3/Stunde Wasser werden durch die Schleife mit einer Eintrittstemperatur von 20°C umgewälzt. In der Veröffentlichung wird einfach angenommen, dass das Wasser bei einer Temperatur von 90°C zurückkehrt, die der Temperatur der Formation entspricht, in der sich die Verbindungsschleife befindet, so dass 40 MW an thermischer Leistung bereitgestellt werden. Diese Annahme ist inkorrekt. Unter Verwendung des vorstehend erwähnten Verfahrens kann gezeigt werden, dass die Temperatur des rücklaufenden Wassers lediglich einige Grad über der Versorgungstemperatur liegt und dass die Schleife mehr als 60-mal länger sein müsste, um 40 MW bereitzustellen. Dies zeigt klar die Nützlichkeit, Wichtigkeit und die überraschende Wirkung der vorliegenden Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung wird zum besseren Verständnis mit Bezug auf die in der anliegenden Zeichnung dargestellten als Beispiel dienenden Ausführungsformen beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Schemadarstellung einer Erdwärmeanlage gemäß der Erfindung,
  • 2 eine schematische Seitenansicht der Anlage aus 1,
  • 3 eine schematische Draufsicht einer größeren erfindungsgemäßen Erdwärmeanlage und
  • 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3.
  • Bei den beiden in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen wurden die gleichen Bezugszahlen für ähnliche Teile verwendet.
  • Die Hauptteile der in den 1 und 2 dargestellten Anlage befinden sich in einer geologischen Formation 1 unter der Erdoberfläche 2. Die Formation hat eine Wärmeleitfähigkeit von 3 W/m°C. Die Anlage weist eine Versorgungsbohrung 3 mit einem Durchmesser von 15 cm und eine Rücklaufbohrung 4 mit einem Durchmesser von 15 cm auf. Die Versorgungsbohrung 3 und die Rücklaufbohrung 4 sind durch vier wärmeabsorbierende Bohrungen 5 miteinander verbunden, die jeweils einen Durchmesser von 10 cm aufweisen und etwa 2.000 m lang sind. Der Abstand zwischen diesen Bohrungen 5 kann 100-150 m betragen. Sie wurden beginnend von der Versorgungsbohrung 3 gebohrt und enden an oder in der Nähe der Rücklaufbohrung 4. Eine Abbruchzone 6 wurde in diesem Bereich eingerichtet, um eine Fließkommunikation zwischen den Bohrungen 4 und 5 bereitzustellen, weil es schwierig wäre, die Rücklaufbohrung 4 direkt zu treffen, wenn die wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 gebohrt werden.
  • Die oberen Teile der Versorgungsbohrung 3 und der Rücklaufbohrung 4 sind mit einem Gehäuse 7 versehen, das sich etwa 300 m in den Boden erstreckt, um die Bohrungen in diesem Bereich gegen die umgebende Formation abzudichten.
  • An der Oberfläche sind die Versorgungsbohrung 3 und die Rücklaufbohrung 4 mit einer Seite eines trennenden Wärmetauschers 8 verbunden, und eine Umwälzpumpe 9 ist in der Versorgungsleitung 3 bereitgestellt. Eine Hilfspumpe 10 befindet sich am unteren Ende des Gehäuses 7 der Rücklaufbohrung 4, und ihr Zweck besteht darin, den Druck in der Rücklaufbohrung zu verringern, falls Wasser dazu neigen sollte, aus den Bohrungen in die Formation 1 zu lecken.
  • Die andere Seite des trennenden Wärmetauschers 8 steht in Fließkommunikation mit verschiedenen wärmeverbrauchenden Geräten, für die ein Heizkörper 11, ein Warmwasserheizer 12 und ein Heißwassertank 13 als Beispiel angegeben sind.
  • Aus Zweckmäßigkeitsgründen zeigen die 1 und 2 die verschiedenen Temperaturen, Fließgeschwindigkeiten und Strömungsraten und Abmessungen der Erdwärmeanlage. Überdies gibt 1 an, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 0,21 kW/m absorbieren. Unter Berücksichtigung, dass die Gesamtlänge der wärmeabsorbierenden Bohrungen etwa 8.000 m beträgt, ergibt sich, dass sie etwa 1,7 MW aus dem Gestein extrahieren. Die gleiche Zahl kann durch Multiplizieren der Wasserströmungsrate und der Temperaturdifferenz zwischen der Versorgungsbohrung und der Rücklaufbohrung erhalten werden. Für eine so kleine Anlage ist der Wärmeverlust von der Rücklaufbohrung 4 an die Umgebung jedoch nicht vernachlässigbar, so dass erwartet wird, dass die Nettoleistung der Anlage etwa 1,5 MW beträgt.
  • 2 zeigt, dass die Versorgungsbohrung 3 vertikal ist und nahezu 3.200 m lang ist. Die wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 verlaufen abwärts unter einem Winkel α von etwa 45° zur Horizontalen. Unter Berücksichtigung, dass sie 2.000 m lang sind, und durch Addieren einer gewissen Länge für die gekrümmten Endabschnitte ergibt sich, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen unter Verwendung eines Stoßhammers und gewundener Rohre mit einer Länge von etwa 5.000 m gebohrt werden könnten.
  • Beim Bestimmen der Zahl 0,21 kW/m für die wärmeabsorbieren den Bohrungen haben die Erfinder das Ergebnis ihrer im einleitenden Teil dieser Beschreibung erwähnten Berechnungen verwendet. Diese Berechnungen haben einschließlich einiger Näherungen von geringer praktischer Wirksamkeit die folgende Gleichung ergeben: Q ≌ K·k0,93·D0,2(0,12 + (t + 1)–0,1)(TG – TW)·l (1)wobei:
    • Q
    die von der Bohrung absorbierte Wärme in W ist,
    K
    eine Konstante zwischen 1,7 und 2,0 ist,
    k
    die Wärmeleitfähigkeit des Gesteins in W/m°C, typischerweise etwa 3 für dichtes Gestein, ist,
    TG
    die anfängliche Durchschnittstemperatur der geologischen Formation entlang der wärmeabsorbierenden Bohrung ist,
    TW
    die Durchschnittstemperatur des durch die wärmeabsorbierende Bohrung fließenden Wassers ist,
    D
    der Durchmesser der Bohrung in Metern ist,
    l
    die Länge der Bohrung in Metern ist,
    t
    die Betriebszeit der Anlage in Jahren ist.
  • In Gleichung (1) wird ein Gegenstrom-Wärmeaustausch angenommen, und sie wäre in einer Mitstromsituation nicht genau. Der kleine Exponent 0,2 für den Durchmesser D gibt den geringen Einfluss des Durchmessers auf die Wärmeabsorption an, während der Exponent –0,1, der sich auf die Betriebszeit bezieht, dazu führt, dass die Anlage nach einem Jahr Betrieb etwa 1 % an Leistung verliert.
  • Die Gleichung kann auch mit einem recht guten Genauigkeits grad zum Berechnen des Wärmeverlusts von der Rücklaufbohrung 4 verwendet werden.
  • Weil Gleichung (1) u.a. zeigt, dass die Wirkung des Durchmessers recht gering ist und dass der Durchmesser aus wirtschaftlichen Gründen recht klein gehalten wird, und weil die Erschöpfung der in dem Gestein verfügbaren Wärme recht langsam abläuft, kann Gleichung (1) zu der folgenden Form weiter vereinfacht werden: Q ≌ C·(TG – TW)· k·l (2)
  • Hierbei gilt:
    • C
    ist eine Konstante zwischen 0,6 und 2,4, wobei die untere Grenze für kleinere Anlagen und niedrige Temperaturgradienten in dem Gestein und die obere Grenze für größere Anlagen und hohe Temperaturgradienten gilt.
  • Die Ausführungsform in den 3 und 4 ist eine Erdwärmeanlage, die für eine Nennleistung von 50 MW und eine durchschnittliche Leistung von 40 MW über eine Verwendung von 240.000 Stunden (60 Jahre bei 4.000 Stunden pro Jahr) ausgelegt ist. Die Versorgungswassertemperatur beträgt 40°C, und die Rückflusstemperatur beträgt 100°C bei einer Wasserströmungsrate von etwa 200 kg/s. Die geologische Formation 1 besteht aus Granit mit einer Wärmeleitfähigkeit von 4 W/m°C, und der Temperaturgradient beträgt 30°C/km.
  • Zum Erhalten der erforderlichen Gesamtlänge der wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 wurden sie in drei um 120° beabstandeten Gruppen angeordnet, die in eine gemeinsame Rücklauf bohrung 4 einspeisen. Jede Gruppe der wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 besteht aus sieben Schichten 14 von wärmeabsorbierenden Bohrungen 5, wobei die Schichten drei im wesentlichen parallele wärmeabsorbierende Bohrungen enthalten. Der Abstand zwischen den Bohrungen 5 beträgt etwa 100 m in Längsrichtung und 100 – 150 m in vertikaler Richtung. Jede Bohrung hat einen Durchmesser von 10 cm und ist etwa 2.300 m lang. Sie bildet einen Winkel α mit der Horizontalen von etwa 40°. Die Versorgungsbohrung 3, die in jeder Gruppe der wärmeabsorbierenden Bohrungen einspeist, hat einen Durchmesser von 25 cm, und der Durchmesser der Rücklaufbohrung 4 beträgt etwa 40 cm. Dies bedeutet, dass die Wassergeschwindigkeit in der Rücklaufbohrung 4 das vierfache der Geschwindigkeit in den wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 ist.
  • Der Einfachheit halber sei bemerkt, dass die Einrichtungen an der Erdoberfläche 2 zur Verwendung der von der Anlage erzeugten Wärme nicht dargestellt sind. Falls nach vielen Betriebsjahren die Wärme in dem die wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 umgebenden Gestein erschöpft ist, können neue wärmeabsorbierende Bohrungen in den Sektoren zwischen den bestehenden Gruppen gebohrt werden oder sie können unter den bestehenden Bohrungen gebohrt werden. Das Bohren neuer Bohrungen unter den bestehenden ist auch der natürliche Weg zum Vergrößern oder Erneuern der Kapazität der in den 1 und 2 dargestellten Anlage.
  • Es sei bemerkt, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen 5 bei der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform eine Gesamtlänge von etwa 145 km aufweisen. Sie haben jedoch die gleiche thermische Leistung, die von einem Kilo meter einer wärmeabsorbierenden Bohrung in WO 96/23181 erwartet wird.
  • Es sei bemerkt, dass die Erfindung in keiner Weise durch die vorstehend beschriebenen als Beispiel dienenden Ausführungsformen beschränkt ist, sondern in einer Vielzahl von Arten geändert und modifiziert werden kann, ohne vom Schutzumfang der anliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims (16)

  1. Anlage zur Gewinnung von Erdwärme durch Zirkulation von Wasser durch eine mindestens 1000 m unterhalb der Erdoberfläche (2) liegende geologische Formation (1), mit mindestens einer von der Oberfläche (2) zu der Formation (1) verlaufenden Versorgungsbohrung (3), mindestens einer Rücklaufbohrung (4) zum Transport von erwärmtem Wasser von der Formation zur Oberfläche und einer die Versorgungs- und die Rücklaufbohrung (3, 4) verbindenden wärmeabsorbierenden Anordnung (5), wobei die Anordnung eine eine Mehrzahl von wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) umfassende wärmeübertragende Oberfläche aufweist und die Anlage eine spezifizierte Nennleistung in MW hat, die als die durch die wärmeabsorbierende Anordnung nach einem Jahr Betrieb zu absorbierende Wärme definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) sich in einem Winkel (α) abwärts von der Versorgungsbohrung (3) zu der Rücklaufbohrung (4) erstrecken, wobei das innerhalb eines 50-Meter-Radius um die wärmeabsorbierende Bohrung (5) liegende Volumen der Formation mindestens etwa 10 × 106 m3 multipliziert mit der Nennleistung beträgt.
  2. Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen mindestens 20 × 106 m3 beträgt.
  3. Anlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) die Versorgungs- und Rücklaufbohrung (3, 4) in einer parallelen Fließbeziehung miteinander verbindet, ein we sentlicher Teil einer jeden wärmeabsorbierenden Bohrung (5) mindestens 50 m von der nächstliegenden wärmeabsorbierenden Bohrung (5) beabstandet ist und die gesamte Länge der wärmeabsorbierenden Bohrungen 5000 m überschreitet.
  4. Anlage nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen etwa 20° und 50° liegt.
  5. Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wesentlicher Abschnitt der wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) parallel zueinander verläuft.
  6. Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) in vertikal beabstandeten Schichten (14) angeordnet sind.
  7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Bohrungen (5) in jeder Schicht (14) annähernd gleich dem Abstand zwischen benachbarten vertikalen Bohrungen (5) ist.
  8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Schichten (14) kleiner als 150 m ist.
  9. Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Versorgungsbohrungen (3) um eine gemeinsame Rücklaufbohrung (4) angeordnet ist.
  10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen Enden der Versorgungsbohrung (3) und der Rücklaufbohrung (4) nahe zueinander angeordnet sind, wobei eine der Bohrungen im wesentlichen vertikal verläuft und die andere von dieser Vertikalen abweicht, um so einen substantiellen Abstand zwischen den Enden der wärmeabsorbierenden Bohrungen zu erhalten.
  11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand mindestens 1 km beträgt.
  12. Anlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) einen Durchmesser kleiner 18 cm aufweisen.
  13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) einen Durchmesser kleiner 14 cm aufweisen.
  14. Anlage nach Anspruch 13, wobei die Bohrungen (5) einen nominellen Durchmesser von 4'' (10 cm) aufweisen.
  15. Verfahren zur Verwendung beim Konstruieren einer Anlage zur Gewinnung von Erdwärme nach Anspruch 1, mit den folgenden Schritten: – Bilden der Mehrzahl von wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) durch Bohren von Löchern in einer parallelen Fließbeziehung, – Dimensionieren der Mehrzahl von wärmeabsorbierenden Bohrungen (5) gemäß der Formel: Q ≌ K·k0,93·D0,2 (0,12 + (t + 1)–0,1)(TG – TW)·lwobei: Q ist die von der Bohrung absorbierte Wärme in W K ist eine Konstante zwischen 1,7 und 2,0 k ist die Wärmeleitfähigkeit des Steins in W/m°C, typischerweise etwa 3 für dichten Stein TG ist die anfängliche Durchschnittstemperatur der geologischen Formation entlang der wärmeabsorbierenden Bohrung TW ist die Durchschnittstemperatur des Wassers, was durch die wärmeabsorbierende Bohrung fließt D ist der Durchmesser der Bohrung in Metern l ist die Länge der Bohrung in Metern t ist die Betriebszeit der Anlage in Jahren
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Formel zu folgender Form vereinfacht ist: Q ≌ C·(TG – TW)·k·lwobei: C ist die Konstante zwischen 0,6 und 2,4, die untere Grenze ist dabei für kleinere Teile und niedere Temperaturgradienten in dem Stein und die obere Grenze für größere Anlagen und hohe Temperaturgradienten.
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