EP2848778B1 - Verfahren und Anlage zur Umwandlung von geothermischer Energie - Google Patents

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EP2848778B1
EP2848778B1 EP13004458.9A EP13004458A EP2848778B1 EP 2848778 B1 EP2848778 B1 EP 2848778B1 EP 13004458 A EP13004458 A EP 13004458A EP 2848778 B1 EP2848778 B1 EP 2848778B1
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EP
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probe
energy
refrigerant
heat transfer
transfer medium
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Otto Stadtherr
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International Merger & Acquisition Corp
LIPP, THOMAS
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International Merger & Acquisition Corp
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/106—Ammonia

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for converting geothermal energy, according to the independent claims 1 and 4, comprising a geothermal probe which is introduced in the upper ground to a depth of approx. 50 m. This means that no deep drilling is required.
  • This geothermal probe described consists in particular of a main probe which has at least one evaporator chamber, a heat exchanger chamber which consists of at least one heating medium chamber of the countercurrent evaporator and is arranged in an open main probe heating medium circuit of a heating medium.
  • This geothermal probe also has a feeder probe with an outer jacket, which is enclosed on its outer side by the soil, a probe gap which is at least partially limited by the inner side of the outer jacket and the probe base in which the main probe is arranged, and an inlet for the liquid warming agents.
  • From the US2013 / 213040 A1 is a method for generating energy using sources with low thermal energy, in particular geothermal energy, whereby a zeotropic mixture is always used as the working fluid.
  • the object of the invention is to provide a method and a system which work in continuous operation and with a geothermal probe, which work effectively and safely with a small probe depth, in particular with a maximum probe depth of approx. 50 m.
  • the object of the invention is achieved by a method with the features according to claim 1 and by a system with the features according to claim 4.
  • the method and the system can be operated continuously, the energy of the refrigerant is converted into a rotational movement in a gas pressure engine, the gaseous refrigerant being continuously applied to the gas pressure engine, the generator being an alternating current generator, at least the refrigerant being conducted in a closed circuit and the refrigerant is ammonia.
  • the selection, dimensioning and arrangement of the process-essential system components according to the invention was carried out in order to ensure, in particular, a process that can be operated continuously under practical conditions.
  • An essential criterion for the selection was to be able to use a common process control to control all process-essential system components and their To be able to coordinate process parameters with one another in order to ensure continuous process management.
  • a geothermal probe can be sunk into a borehole from the surface of the earth in the usual way, has an upper end to be arranged in the area of the earth's surface and a lower end to be sunk into the borehole.
  • the geothermal probe consists of a main probe, which comprises at least: an evaporator chamber, which consists of at least one refrigerant chamber of a countercurrent evaporator and a closed refrigerant circuit is arranged, a riser which is connected to the lower end of the evaporator chamber, a supply line which is connected to the evaporator chamber and is arranged in the refrigerant circuit, a heat exchanger chamber, which consists of at least one heating medium chamber of the countercurrent evaporator and is arranged in a main probe heating medium circuit of a heating medium, and a feeder probe, which comprises at least: an outer jacket, which is enclosed on its outer side by the ground, a probe gap which is at least partially limited by the inner side of the outer jacket and a probe base in which the main probe is arranged, and at least one inlet for the liquid heating medium, which in at least an open feeder probe heating medium circuit of a heating medium is arranged.
  • the geothermal probe has a measuring and control device which is integrated into the process control for providing a continuous flow of gaseous refrigerant.
  • the process measurement data obtained in the usual way for example temperature and pressure information determined by temperature and pressure measuring devices, are used by the measuring and control device in particular to at least the circuits: refrigerant circuit, main probe heat medium circuit and feeder probe heat medium Circuit to be coordinated with one another in such a way that a medium flow that is as constant as possible is present via the riser, coming from the evaporator chamber.
  • This constant media flow is a necessary prerequisite for using the geothermal probe as part of a continuously operable geothermal energy recovery system for generating mechanical energy, this system having at least one gas pressure engine as a flow machine.
  • the geothermal probe is located in the ground to a depth of a maximum of 50m, in particular up to 42m.
  • the first exemplary embodiment of the plant according to the invention for converting geothermal energy is described below with reference to FIG Fig. 1 described.
  • the main probe 1 of the geothermal probe is filled with approx. 3,000 liters of an Antifrogen, the borehole (depth) into which the geothermal probe is inserted is approx. 42 m deep.
  • the Antifrogen serves as an anti-freeze agent to prevent the water in the geothermal probe from freezing.
  • antifreeze agents available on the free market can be used, alternatively also salt water or water mixed with light oil, which also prevents undesired freezing.
  • the main probe 1 can be equipped with thermal insulation 1.a for the first ten meters as seen from the surface of the earth.
  • the main probe 1 filled with Antifrogen there is a connecting pipe, 2.5 cm ⁇ internal dimension, 40 m length, with integrated countercurrent evaporators 1.2; 1.2.1; 1.2.2, with a total length of 3 x 3.40 m (a total of 10.20 m) and a power of up to 30 KW, embedded and can be anchored in at least three places as well as on the bottom of the probe.
  • the countercurrent evaporator 1.2; 1.2.1; 1.2.2 are to be arranged in the lower half of the main probe 1.
  • more than three countercurrent evaporators can also be installed, but the achieved output of up to 30 KW, due to the interaction with the mountain temperature of approx. 10 ° C and the temperature of the anti-freeze (approx. 3 - 8 ° C), or at best only marginal with greater depth, increased.
  • the countercurrent evaporator 1.2 which is divided into two chambers a / b; 1.2.1; 1.2.2 on one side there is chamber a with the coolant ammonia (NH 3 ) with a temperature of approx. -10 ° C, and on the other side chamber b with an antifrogen with a temperature of approx. + 4 ° C - + 7 ° C filled.
  • NH 3 coolant ammonia
  • coolant eg CO 2 , propane, butane, etc.
  • NH 3 a substitute for NH 3
  • the evaporation begins in the first countercurrent evaporator 1.2 connected in series and forms wet steam. This wet steam is evaporated again in the second countercurrent evaporator 1.2.1 and transferred to the third countercurrent evaporator 1.2.2 for the last evaporation.
  • the amount of ammonia gas produced by evaporation after the last evaporation is (+/-) 40 m 3 / h and is available as saturated steam.
  • ammonia gas After emerging from the bottom, the ammonia gas is passed through an expansion valve 1.3 into a countercurrent superheater 1.4 for further drying and is now available as a Dry gas available.
  • the conveyed dry gas is then passed through a flow meter 1.4.1 into a piston compressor 1.5 with an output of 75 KW and compressed to the desired pressure. After compression, the gas passes through the desuperheater and the condenser, designed as a countercurrent exchanger, into a pressure vessel as an NH 3 separator and is ready to take off energy.
  • the ammonia in chamber b is returned to the desuperheater and the condenser, designed as a countercurrent exchanger, and the building's own boiler is made available to supply heat
  • the liquid ammonia is returned to the overall cycle via the desuperheater 1.7, designed as a countercurrent exchanger.
  • the liquid ammonia arrives again via the countercurrent superheater 1.4 in the subcooler 1.9, which lowers the temperature to approx. 20 ° C.
  • the ammonia from the subcooler 1.9 is now directed to the main probe 1 to support and continuously circulate and heat the Antifrogen and then as a return back to the subcooler 1.9 and from there to a refrigerant collector with oil separator 2 and via the solenoid valve 2.1 to a countercurrent evaporator 3 transferred with an output of 50 KW.
  • an intermediate pump P and a heat exchanger P1 can supply a cold consumer, e.g. an air conditioning system or another cooling device, with temperatures of around 3-7 ° C.
  • the return from the cold consumer is again passed through the heat exchanger P1 and fed to the main probe 1, as described above, before it is transferred to two countercurrent pre-evaporators 3 via the solenoid valve 2.1 and the refrigerant collector with oil separator 2.
  • the countercurrent pre-evaporator 3 evaporates the liquid ammonia, via a valve the ammonia is again passed through the inner tube 1.1 in the main probe 1 to the countercurrent evaporator 1.2; 1.2.1; 1.2.2 is supplied. The whole process starts all over again.
  • the second exemplary embodiment for the plant according to the invention for converting geothermal energy is described below with reference to FIG Fig. 2 described. If, as in this exemplary embodiment, the method according to the invention is used exclusively for generating electricity, the supply of heat for heating purposes described in the first exemplary embodiment or the relevant system components are omitted.
  • the two. Types of use, heat supply and electricity generation can be used in parallel and / or in addition and interchangeably.
  • the gas pressure motor M used according to the invention has, for example, the following technical data: Type: Rotary piston gas engine ⁇ 50 KW electrical power Volume consumption: approx. 120 m 3 per hour with approx. 35 KW electrical power
  • the gas flows from a pressure vessel at a temperature of ⁇ 15 ° C and a pressure of ⁇ 4 bar into the gas pressure engine.
  • Energy requirement 651 cm 3 per revolution (RPM) At one revolution from 3,000 RPM, 1,953 liters of gas / min. (1.953 m 3 ) is required.
  • Rounded approx. 120 m 3 per hour (2 x 60)
  • a suitable generator is driven via a magnetic coupling on the gas pressure engine, which delivers electrical power of up to ⁇ 35 KW to the feed point with a mains feed device.
  • the amount of gas must be increased accordingly, which can be partially solved with the geothermal probe used according to the invention.
  • a second geothermal probe can be installed to increase the amount of gas extracted.
  • the hot gas flows up to approx. 130 ° C via an oil separator and a three-way valve into the gas engine.
  • the pressure is converted from a maximum of 15 bar to 3-4 bar, while the dry gas condenses.
  • the resulting energy is delivered to a generator G, which feeds the energy into a common consumer.
  • the condensed NH 3 returns to the NH 3 separator.
  • the NH 3 separator has a standard operating pressure of 16 bar, a capacity of 0.2 m 3 and an output of 70 KW at a condensation temperature of 45 ° C.
  • the dimensions and design of the separator depend on the corresponding refrigeration requirements.
  • the gas now flows via connecting lines into the pre-evaporator and via valves into the geo-evaporators, which are designed as tube exchangers in the geothermal probe, and continue to evaporate there.
  • the evaporators are installed in series and are regulated separately, as required, with each being designed with a specific KW output.
  • the system provides a total output of 75KW of heat - a four-fold increase in the previous output.
  • the effectiveness of the system according to the invention is guaranteed by the fact that a continuous geothermal energy source is available and a higher demand can be secured with the support of heat exchangers.
  • cooling output can also be provided.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Umwandlung von geothermischer Energie, gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4, umfassend eine Erdwätmesonde, welche im oberen Erdreich bis zu einer Tiefe von ca. 50 m eingebracht ist. Dadurch ist keine Tiefenbohrung erforderlich.
  • Aus der DE 20 2012 003 480.4 ist eine solche Erdwärmesonde und Erdwärme-Gewinnungsanlage bekannt, wobei diese Anlage eine Strömungsmaschine besitzt. Zur Art und Dimensionierung der möglicherweise einzusetzenden Strömungsmaschine werden dort keine Angaben gemacht.
    Diese beschriebene Erdwärmesonde besteht insbesondere aus einer Hauptsonde, welche zumindest einen Verdampferraum, einem Wärmetauscherraum, welcher aus zumindest einer Wärmemittel-Kammer des Gegenstromverdampfers besteht und in einem offenen Hauptsonden-Wärmemittel-Kreislauf eines Wärmemittels angeordnet ist, besitzt. Diese Erdwärmesonde besitzt außerdem eine Zubringersonde mit einem Außenmantel, welcher an seiner äußeren Seite vom Erdreich umschlossen ist, einen Sondenzwischenraum, welcher zumindest teilweise durch die innere Seite des Außenmantels und dem Sondenboden begrenzt wird, in welchem die Hauptsonde angeordnet ist, und einen Zulauf für das flüssige Wärmemittel.
  • Aus der US2013/213040 A1 ist ein Verfahren zur Energiegewinnung unter Nutzung von Quellen mit geringer Wärmeenergie, insbesondere geothermischer Energie, wobei immer eine zeotrope Mischung als Arbeitsfluid zum Einsatz kommt.
  • Es besteht derzeit, zumindest in Deutschland, ein dringender Bedarf nach Erzeugungsanlagen für elektrischen Strom, welche kontinuierlich, d. h. als Grundlastkraftwerke betrieben werden können. Dabei werden diesbezügliche insbesondere technische Lösungen bezüglich Verfahren zur Verstromung von geothermischer Energie gesucht, wobei die Stromerzeugung auch autark betreibbar sein sollte. Die geothermische Energie soll unter Verwendung von Erdwärmesonden erfolgen, welche keine Tiefenbohrungen erfordern, sondern mit Bohrtiefen von ca. 50 m auskommen. Dabei stehen Erzeugungsanlagen für elektrischen Strom mit einer Leistung von ca. 75 KW im besonderen Fokus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anlage bereitzustellen, welche im kontinuierlichen Betrieb und mit einer Erdwärmesonde arbeiten, welche effektiv und sicher mit einer geringen Sondentiefe, insbesondere mit einer maximalen Sondentiefe von ca. 50 m, arbeiten.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch eine Anlage mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Erfindungswesentlich ist, dass das Verfahren und die Anlage kontinuierlich betreibbar ist, die Energie des Kälteträgermittels in einem Gasdruckmotor in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird, wobei das gasförmige Kältemittel kontinuierlich am Gasdruckmotor anliegt, der Generator ein Wechselstromgenerator ist, zumindest das Kälteträgermittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird und das Kälteträgermittel Ammoniak ist.
  • Die erfindungsgemäße Auswahl, Dimensionierung und Anordnung der verfahrenswesentlichen Anlagenkomponenten erfolgte um insbesondere ein unter Praxisbedingungen kontinuierlich betreibbares Verfahren zu sichern. Ein wesentliches Kriterium der Auswahl dabei war, die Möglichkeit zu besitzen, durch eine übliche Prozesssteuerung alle verfahrenswesentlichen Anlagenkomponenten und deren Prozessparameter aufeinander abstimmen zu können, um eine kontinuierliche Prozessführung zu sichern.
  • Die erfindungsgemäße Auswahl bzw. Kombination von einem Gasdruckmotor als Strömungsmaschine und dem Kälteträgermittel Ammoniak war das Ergebnis langjähriger Untersuchungen und umfänglicher Erprobungen.
  • Eine Erdwärmesonde ist in üblicher Art und Weise von der Erdoberfläche aus in ein Bohrloch versenkbar, besitzt ein im Bereich der Erdoberfläche anzuordnendes oberes Ende und ein in das Bohrloch zu versenkendes unteres Ende.
  • Die Erdwärmesonde besteht aus einer Hauptsonde, die zumindest umfasst: einen Verdampferraum, welcher aus zumindest einer Kältemittel-Kammer eines Gegenstromverdampfers besteht und einem geschlossenen Kältemittel-Kreislauf angeordnet ist, einer Steigleitung, welche mit dem unteren Ende des Verdampferraums verbunden ist, einer Zuleitung, welche mit dem Verdampferraum verbunden ist und im Kältemittel-Kreislauf angeordnet ist, einem Wärmetauscherraum, welcher aus zumindest einer Wärmemittel-Kammer des Gegenstromverdampfers besteht und in einem Hauptsonden-Wärmemittel-Kreislauf eines Wärmemittels angeordnet ist, und einer Zubringersonde, welche zumindest umfasst: einen Außenmantel, welcher an seiner äußeren Seite vom Erdreich umschlossen ist, einem Sondenzwischenraum, welcher zumindest teilweise durch die innere Seite des Außenmantels und einem Sondenboden begrenzt wird, in welchem die Hauptsonde angeordnet ist, und zumindest einem Zulauf, für das flüssige Wärmemittel, welcher in zumindest einem offenen Zubringersonden-Wärmemittel-Kreislauf eines Wärmemittels angeordnet ist.
  • Eine solche Erdwärmesonde und deren. Funktionsweise ist in der DE 20 2012 003 480.4 beschrieben.
  • Bevorzugt ist weiterhin, dass die Erdwärmesonde eine Mess- und Regeleinrichtung besitzt, welche in die Prozesssteuerung zur Bereitstellung eines kontinuierlichen gasförmigen Kältemittelstromes integriert ist.
  • Die in üblicher Art und Weise gewonnenen Prozessmessdaten, beispielsweise durch Temperatur- und Druckmesseinrichtungen ermittelte Temperatur und Druckangaben, werden durch die Mess- und Regeleinrichtung insbesondere dazu verwendet, um zumindest die Kreisläufe: Kältemittel-Kreislauf, Hauptsonden-Wärmemittel-Kreislauf sowie Zubringersonden-Wärmemittel-Kreislauf, der Art aufeinander abzustimmen, dass über die Steigleitung, aus dem Verdampferraum kommend, ein möglichst konstanter Medienstrom anliegt. Dieser konstante Medienstrom ist insbesondere eine notwendige Voraussetzung, um die Erdwärmesonde als Bestandteil einer kontinuierlich betreibbaren Erdwärme-Gewinnungsanlage zur Erzeugung mechanischer Energie, wobei diese Anlage zumindest einen Gasdruckmotor als Strömungsmaschine besitzt, zu verwenden.
  • Die Erdwärmesonde ist bis zu einer Tiefe von maximal 50m, insbesondere bis zu 42m, im Erdboden angeordnet.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figur 1 und 2.
    • Fig. 1 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anlage zur Umwandlung von geothermischer Energie in elektrische Energie und Wärmeenergie, und
    • Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anlage zur Umwandlung von geothermischer Energie in elektrische Energie.
  • Das erste Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anlage zur Umwandlung von geothermischer Energie wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
  • Die Hauptsonde 1 der Erdwärmesonde ist mit ca. 3.000 Liter eines Antifrogen gefüllt, wobei das Bohrloch(Teufe), in welches die Erdwärmesonde in üblicher Art und Weise eingebracht ist, ca. 42 m tief ist. Das Antifrogen dient als Frostschutzmittel, um das Einfrieren des Wassers in der Erdwärmesonde zu vermeiden.
  • Alternativ können andere auf dem freien Markt verfügbare Frostschutzmittel eingesetzt werden, hilfsweise auch Salzwasser oder mit Leichtöl versetztes Wasser, was ebenfalls das unerwünschte Einfrieren verhindert.
  • Zusätzlich kann die Hauptsonde 1 auf den ersten zehn Tiefenmetern, von der Erdoberfläche aus gesehen, mit einer thermischen Isolation 1.a ausgerüstet werden.
  • In die mit Antifrogen gefüllte Hauptsonde 1 ist ein Verbindungsrohr, 2,5 cm Ø Innenmaß, 40m Länge, mit integrierten Gegenstromverdampfern 1.2; 1.2.1; 1.2.2, mit einer Gesamtlänge von 3 x 3,40m (insgesamt 10,20m) und einer Leistung von bis zu 30 KW, eingelassen und kann an mindestens drei Stellen sowie am Boden der Sonde verankert sein. Die Gegenstromverdampfer 1.2; 1.2.1; 1.2.2 sind in der unteren Hälfte der Hauptsonde 1 anzuordnen.
  • Je nach technischer Bauweise und Anordnung können im Sinne der Erfindung alternativ auch mehr als drei Gegenstromverdampfer eingebaut werden, jedoch wird die erzielte Leistung von bis 30 KW, aufgrund der Wechselwirkung mit der Gebirgstemperatur von ca. 10°C und der Temperatur des Antifrogens (ca. 3 - 8°C), bzw, bestenfalls nur marginal mit größerer Teufe, erhöht.
  • Die in zwei Kammern a/b geteilten Gegenstromverdampfer 1.2; 1.2.1; 1.2.2 sind auf einer Seite die Kammer a mit dem Kühlmittel Ammoniak (NH3) mit einer Temperatur von ca. -10°C, und auf der anderen Seite die Kammer b mit einem Antifrogen mit einer Temperatur von ca. +4°C - +7°C gefüllt.
  • Alternativ kann ein anderes Kühlmittel (z.B. CO2, Propan, Butan, etc.) als Ersatz für NH3 genutzt werden, was jedoch die Effektivität und damit die Gasfördermenge verringert.
  • Durch die Temperaturspreizung der beiden Flüssigkeiten in den Gegenstromverdampfern 1.2; 1.2.1; 1.2.2 entsteht eine chemische Reaktion, welche im Ergebnis das benötigte Ammoniakgas durch Verdampfung produziert.
  • Die Verdampfung beginnt in dem ersten, in Reihe geschalteten Gegenstromverdampfer 1.2 und bildet Nassdampf. Dieser Nassdampf wird im zweiten Gegenstromverdampfer 1.2.1 abermals verdampft und in den dritten Gegenstromverdampfer 1.2.2 für die letzte Verdampfung überführt. Die durch Verdampfung produzierte Menge Ammoniakgas nach der letzten Verdampfung beträgt (+/-) 40 m3/h und steht als Sattdampf zur Verfügung.
  • Am unteren Ende des letzten Gegenstromverdampfers 1.2.2 steigt der Sattdampf auf natürlichem Wege durch die jetzt wieder nach oben geführte Sonde zur Erdoberfläche.
  • Nach Austritt aus dem Boden wird das Ammoniakgas über ein Expansionsventil 1.3 in einen Gegenstromüberhitzer 1.4 zur weiteren Trocknung geleitet und steht nun als Trockengas zur Verfügung.
  • Das geförderte Trockengas wird dann über einen Durchflussmengenmesser 1.4.1 in einen Kolbenverdichter 1.5 mit einer Leistung von 75 KW geleitet und auf den gewünschten Druck verdichtet. Nach der Verdichtung gelangt das Gas über den Enthitzer und den Kondensator, ausgelegt als Gegenstromtauscher, in einen Druckbehälter als NH3 -Abscheider und steht zur Abnahme von Energie bereit.
  • Das in Kammer b befindliche Ammoniak wird nach der Verdampfung im Druckbehälter wieder in den Enthitzer und den Kondensator ausgelegt als Gegenstromtauscher, rückgeführt, den gebäudeeigenen Heizkessel zur Versorgung mit Wärme bereit gestellt
  • Nach erfolgter Energieabgabe (1./2. und/oder 1 + 2) wird das flüssige Ammoniak über den Enthitzer 1.7, ausgelegt als Gegenstromtauscher, in den Gesamtkreislauf zurückgeführt.
  • Das flüssige Ammoniak gelangt, nach dem zwischengeschalteten Durchflussmengenmesser 1.4.1, wieder über den Gegenstrom überhitzer 1.4 in den Unterkühler 1.9, welcher die Temperatur auf ca. 20°C absenkt. Das Ammoniak aus dem Unterkühler 1.9 wird nun zur Unterstützung und zur ständigen Umwälzung und Erwärmung des Antifrogen in die Hauptsonde 1 geleitet und anschließend als Rücklauf wieder in den Unterkühler 1.9 und von dort in einen Kältemittelsammler mit Ölabschneider 2 und über das Magnetventil 2.1 in einen Gegenstromverdampfer 3 mit einer Leistung von 50 KW überführt.
  • Bevor das Ammoniak aus dem Unterkühler 1.9 in die Hauptsonde 1 geleitet wird, kann über eine zwischengeschaltete Pumpe P und einem Wärmetauscher P1 ein Kälteabnehmer, z.B. eine Klimaanlage oder eine andere Kühleinrichtung, mit Temperaturen von rd. 3 - 7°C, versorgt werden.
  • Der Rücklauf aus dem Kälteabnehmer wird wieder durch den Wärmetauscher P1 geleitet und der Hauptsonde 1, wie oben beschrieben, zugeführt, bevor es über das Magnetventil 2.1 und den Kältemittelsammler mit Ölabscheider 2 in zwei Gegenstromvorverdampfer 3, überführt wird.
  • Der Gegenstromvorverdampfer 3 verdampft das flüssige Ammoniak, über ein Ventil wird das Ammoniak wieder durch das Innenrohr 1.1 in der Hauptsonde 1 den Gegenstromverdampfern 1.2; 1.2.1; 1.2.2 zugeführt wird.
    Der Gesamtprozess beginnt von vorne.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Anlage zur Umwandlung von geothermischer Energie wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Wird, wie in diesem Ausführungsbeispiel, das erfindungsgemäße Verfahren ausschließlich zur Verstromung genutzt, entfällt die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Versorgung mit Wärme zu Heizzwecken bzw. die diesbezüglichen Anlagenteile.
  • Die beiden. Nutzungsarten, Wärmelieferung und Verstromung, können parallel und/oder ergänzend sowie austauschbar eingesetzt werden.
  • Der erfindungsgemäß eingesetzte Gasdruckmotor M besitzt beispielsweise die folgenden technischen Daten:
    Typ: Drehkolben Gasdruckmotor < 50 KW elektrische Leistung
    Mengenverbrauch: ca. 120 m3 pro Stunde bei ca. 35 KW elektrischer Leistung
  • Aus dem in der Anlage integriertem Verdichter strömt das Gas aus einem Druckbehälter, bei einer Temperatur von <15°C und mit einem Druck von < 4 Bar, in den Gasdruckmotor.
    Energiebedarf: 651 cm3 pro Umdrehung (RPM)
    Bei einer Umdrehungszahl von 3.000 RPM werden 1.953 Liter Gas/Min. (1,953 m3) benötigt.
    Gerundet: ca. 120 m3 pro Stunde (2 x 60)
  • Über eine Magnetkupplung am Gasdruckmotor wird ein geeigneter Generator angetrieben, welcher mit einer Netzeinspeisevorrichtung eine elektrische Leistung von bis< 35 KW an den Einspeisepunkt abgibt.
  • Wichtig ist einen Wechselstromgenerator zu wählen (keinen Gleichstromgenerator), da im Dauerbetrieb (< 8.500 Std./p.a.) Fluktuationen und damit Schwankungen der Umdrehungszahl, im Gasdruckmotor möglich sind.
  • Um auf eine max. elektrische Auslastung des Gasdruckmotors zu kommen (bei o.g. Input <35 KW), muss die Gasmenge entsprechend erhöht werden, was teilweise mit der erfindungsgemäß eingesetzten Erdwärmesonde lösbar ist.
    Alternativ kann eine zweite Erdwärmesonde gesetzt werden, um die geförderte Gasmenge zu erhöhen.
  • Nach dem Verdichter strömt das heiße Gas, bis ca. 130°C, über ein Ölabscheider und ein Dreiwegeventil in den Gasmotor.
    Im Gasdruckmotor erfolgt eine Druckumwandlung von max. 15 bar auf 3-4 bar dabei kondensiert das trockene Gas. Die entstandene Energie wird an einen Generator G abgegeben, der die Energie in einen üblichen Abnehmer einspeist.
    Das kondensierte NH3 gelangt wieder in den NH3 -Abscheider.
    Der NH3-Abschneider hat einen standardmäßigen Betriebsdruck von 16 Bar, einen Inhalt von 0,2 m3 und eine Leistung von 70 KW bei einer Kondensationstemperatur von 45°C.
  • Die Abmessung und Ausführung des Abscheiders richtet sich nach den entsprechenden kältetechnischen Erfordernissen.
  • Das Gas strömt nun über Verbindungsleitungen in den Vorverdampfer und über Ventile in die Geoverdampfer, welche in der Erdwärmesonde als Röhrentauscher ausgebildet sind, und verdampft dort weiter. Die Verdampfer werden in Reihe eingebaut und werden separat, je nach Bedarf, geregelt, wobei jeder mit einer bestimmten KW Leistung ausgelegt ist.
  • Die Anlage erbringt mit dieser Bauweise eine Gesamtleistung von 75KW Wärme - eine Vervierfachung der bisherigen Leistung. Durch eine gezielte, jedoch übliche Steuerung der einzelnen Wärmetauscher ist es möglich, den Bedarf an Wärmeleistung zu regulieren.
  • Die Effektivität der erfindungsgemäßen Anlage wird dadurch garantiert, dass eine kontinuierliche geothermische Energiequelle bereit steht und mit der Unterstützung von Wärmetauschern ein höherer Bedarf abgesichert werden kann. Hinzu kommt, dass neben der Wärmeleistung auch Kälteleistung bereitgestellt werden kann.
    • Liste der Bezugszeichen
    • 1
    Hauptsonde
    1.a
    thermische Isolation
    1.1
    Verbindungsrohr
    1.2; 1.2.1; 1.2.2
    Gegenstromverdampfer
    1.3
    Expansionsventil
    1.4
    Gegenstromüberhitzer
    1.4.1
    Durchflussmengenmesser
    1.5
    Kolbenverdichter
    1.7
    Enthitzer
    1.8
    Druckbehälter
    1.8.1
    Lagertank
    1.9
    Unterkühler
    2
    Ölabschneider
    2.1
    Magnetventil
    3
    Gegenstromverdampfer
    M
    Gasdruckmotor (1.8.2)
    G
    Generator
    P
    Pumpe
    P1
    Wärmetauscher

Claims (5)

  1. Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie, wobei mit zumindest einer Erdwärmesonde, welche bis zu einer Tiefe von maximal 50 m im Erdboden angeordnet ist vom Erdreich Wärmeenergie auf ein flüssiges Medium übertragen wird, diese Energie vom flüssigen Medium auf ein flüssiges Wärmeträgermittel übertragen wird, diese Energie vom flüssigen Wärmeträgermittel auf ein Kälteträgermittel im Gegenstrom übertragen wird, wobei dabei das Kälteträgermittel in einen gasförmigen Zustand überführt wird, nachfolgend die Energie des Kälteträgermittels in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird und die Energie der Rotationsbewegung mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei das Verfahren kontinuierlich betreibbar ist, die Energie des Kälteträgermittels in einem Gasdruckmotor in eine Rotationsbewegung umgesetzt wird, wobei das gasförmige Kälteträgermittel kontinuierlich am Gasdruckmotor anliegt, der Generator ein Wechselstromgenerator ist, zumindest das Kälteträgermittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird und das Kälteträgermittel Ammoniak ist, wobei die Erdwärmesonde eine solche ist, welche zumindest bestehend aus einer Hauptsonde (1), welche zumindest umfasst:
    - einen Verdampferraum, welcher aus zumindest einer Kältemittel-Kammer eines Gegenstromverdampfers (1.2; 1.2.1; 1.2.2) besteht und dem geschlossenen Kälteträgermittel-Kreislauf angeordnet ist,
    - einer Steigleitung, welche mit dem unteren Ende des Verdampferraums (2.1) verbunden ist,
    - einer Zuleitung, welche mit dem Verdampferraum verbunden ist und im Kälteträgermittel-Kreislauf angeordnet ist,
    - einem Wärmetauscherraum (2.3), welcher aus zumindest einer Wärmeträgermittel-Kammer des Gegenstromverdampfers (1.2; 1.2.1; 1,2.2) besteht und in einem Hauptsonden-Wärmeträgermittel-Kreislauf des Wärmeträgermittels angeordnet ist, und einer Zubringersonde, welche zumindest umfasst:
    - einen Außenmantel, welcher an seiner äußeren Seite vom Erdreich umschlossen ist,
    - einem Sondenzwischenraum, welcher zumindest teilweise durch eine innere Seite des Außenmantels und einem Sondenboden begrenzt wird, in welchem die Hauptsonde (1) angeordnet ist, und zumindest einem Zulauf, für das flüssige Wärmeträgermittel, welcher in zumindest einem offenen Zubringersonden-Wärmeträgermittel-Kreislauf des Wärmeträgermittels angeordnet ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Erdwärmesonde eine Mess- und Regeleinrichtung besitzt, welche in die Prozesssteuerung zur Bereitstellung des kontinuierlichen gasförmigen Kälteträgermittels integriert ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Umwandlung von geothermischer Energie in elektrische Energie und/oder in Wärmeenergie erfolgt.
  4. Anlage für die Umwandlung von geothermischer Energie, die geeignet ist für die Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine Erdwärmesonde, die so ausgebildet ist, dass vom Erdreich Wärmeenergie auf ein flüssiges Medium übertragen wird, diese Energie vom flüssigen Medium auf ein flüssiges Wärmeträgermittel übertragen wird, diese Energie vom flüssigen Wärmeträgermittel auf ein Kälteträgermittel im Gegenstrom übertragen wird und in einen gasförmigen Zustand überführt wird, umfassend einen Gasdruckmotor (M) und einen Wechselstromgenerator (G), mittels Energie des gasförmigen Kälteträgermittels in eine Rotationsbewegung umgewandelt wird und die Energie der Rotationsbewegung mit dem Wechselstromgenerator (G) in elektrische Energie umgewandelt wird, wobei das Kälteträgermittel in einem geschlossenen Kältemittel-Kreislauf geführt wird, wobei die Erdwärmesonde bis zu einer Tiefe von maximal 50 m im Erdboden angeordnet ist und zumindest aus einer Hauptsonde (1) besteht, die zumindest umfasst: - einen Verdampferraum, welcher aus zumindest einer Kälteträgermittel-Kammer eines Gegenstrom Verdampfers (1.2, 1.2.1, 1.2.2) besteht und dem geschlossenen Kälteträgermittel-Kreislauf angeordnet ist, - einer Steigleitung, welche mit dem unteren Ende des Verdampferraums (2.1) verbunden ist, - einer Zuleitung, welche mit dem Verdampferraum verbunden ist und im Kälteträgermittel-Kreislauf angeordnet ist, - einem Wärmetauscherraum (2.3), welcher aus zumindest einer Wärmeträgermittel-Kammer des Gegenstromverdampfers (1.2, 1.2.1, 1.2.2) besteht und in einem Hauptsonden-Wärmeträgermittel-Kreislauf des Wärmeträgermittels angeordnet ist, und einer Zubringersonde, welche zumindest umfasst: - einen Außenmantel, welcher an seiner äußeren Seite vom Erdreich umschlossen ist, - einem Sondenzwischenraum, welcher zumindest teilweisedurch eine innere Seite des Außenmantels und einem Sondenboden begrenzt wird, in welchem die Hauptsonde (1) angeordnet ist, und zumindest einem Zulauf, für das flüssige Wärmeträgermittel, welcher in zumindest einem offenen Zubringersonden-Wärmeträgermittel-Kreislauf des Wärmeträgermittels angeordnet ist.
  5. Anlage gemäß Anspruch 4, wobei diese so ausgelegt ist, dass diese eine maximale Gesamtleistung von 75KW Wärmeleistung besitzt, wobei mit einer Netzeinspeisevorrichtung eine elektrische Leistung von < 35 KW an den Einspeisepunkt abgegeben wird.
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