EP4684169A1 - Vorrichtung zum austausch geothermischer energie mit einem oberflächennahen aquifer und wärmekraftwerk mit wenigstens einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum austausch geothermischer energie mit einem oberflächennahen aquifer und wärmekraftwerk mit wenigstens einer solchen vorrichtung

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Publication number
EP4684169A1
EP4684169A1 EP24718031.8A EP24718031A EP4684169A1 EP 4684169 A1 EP4684169 A1 EP 4684169A1 EP 24718031 A EP24718031 A EP 24718031A EP 4684169 A1 EP4684169 A1 EP 4684169A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injection
line
production
aquifer
bore
Prior art date
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Pending
Application number
EP24718031.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Schindler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Usc Consulting GmbH
Original Assignee
Usc Consulting GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Usc Consulting GmbH filed Critical Usc Consulting GmbH
Publication of EP4684169A1 publication Critical patent/EP4684169A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/20—Geothermal collectors using underground water as working fluid; using working fluid injected directly into the ground, e.g. using injection wells and recovery wells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T50/00—Geothermal systems 

Definitions

  • Designation Device for exchanging geothermal energy with a near-surface aquifer and thermal power plant with at least one such device
  • the invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1 and to a thermal power plant with at least one such geothermal duplicate.
  • Near-surface geothermal energy is the use of geothermal energy from depths of up to 400 meters.
  • a geothermal doublet consists of a production well for groundwater extraction and an injection well for returning the cooled water from a near-surface aquifer.
  • a geothermal doublet is the central element of a geothermal plant, although the number of production wells does not necessarily have to be the same as the number of injection wells for returning the groundwater.
  • groundwater is extracted from rock layers that contain groundwater, so-called near-surface aquifers, from which heat is extracted in a thermal power plant via a heat exchanger and/or a heat pump. For reasons of water management and water balance within the aquifer, it is then intended that water extracted via the production well is returned to the same aquifer via an injection well at a certain distance from the production well.
  • DE 10 2016 002 255 A1 describes how water is extracted from a shaft of a flooded underground mine in order to use the geothermal energy stored therein, part of the geothermal energy is extracted from the water via a heat exchanger and the water is then fed back into the flooded underground mine via another shaft.
  • a geothermal doublet consists of two vertical boreholes in appropriate distance, with one being used as a production well and the other as an injection well. Since an aquifer can be used to a maximum depth of 400 meters for near-surface geothermal energy or closed systems, a vertical borehole can extract water from the aquifer to a maximum depth of 400 meters, with the effective extraction area corresponding to the height of the aquifer, usually several 10 meters. An extension can be achieved by drilling several vertical production wells. However, this type of upscaling requires a larger area on the surface, so that the area required for it cannot be used for other purposes. It is possible to drill production and injection wells from one drilling site, with diverted boreholes opening up a larger user horizon.
  • the device according to the invention for exchanging geothermal energy or thermal energy with a near-surface aquifer for operation in a thermal power plant has a production bore for extracting groundwater from a near-surface aquifer and an injection bore for returning or injecting the extracted groundwater back into the near-surface aquifer.
  • the at least one production line is connected to the at least one injection line for water transfer via a primary line.
  • the Production well has at least one horizontal production string at its aquifer-side end, the production strings being operatively connected to at least one production line for pumping water out of the aquifer, and a filter pipe being arranged within each production string.
  • the production well will be designed as a vertical shaft, which generally has a solid shaft bottom.
  • a horizontal production string or several horizontal production strings can now be introduced into the aquifer within this shaft to pump the groundwater. It is essential to the invention that just one horizontal production string is sufficient to increase the capacity of the production well by an order of magnitude, i.e. by a factor of 10, or even more, compared to a vertical bore according to the state of the art.
  • the decisive factor here is that the at least one production string can be driven into the aquifer to a depth of over 100 meters, and groundwater can be extracted from this over 100 meters.
  • no additional vertical drilling is required, so that when the system is scaled up, additional surface space is not required.
  • the horizontal production lines located on one or more levels are collectively referred to as horizontal wells.
  • the individual production lines can be designed in either a wet or dry installation within the shaft.
  • the groundwater extracted via the production lines is collected at the bottom of the shaft and conveyed to the surface via at least one conveying line.
  • the groundwater collected in the bottom of the shaft comes into contact with the oxygen and other gases contained in the air, so that the probability of ochre formation within the at least one conveying line can increase with the service life, depending on the mineralization of the groundwater.
  • the device according to the invention is advantageously suitable for extracting geothermal energy from an aquifer in order to supply heat consumers, such as private households, but also commercial and industrial plants with heat.
  • heat consumers such as private households, but also commercial and industrial plants with heat.
  • the injection bore has at least one horizontal injection line at its aquifer-side end, wherein the at least one injection line is operatively connected to at least one injection line for introducing water into the aquifer and wherein a filter pipe is arranged within the at least one injection line.
  • the injection bore has an identical design to the production bore, i.e. it is mirrored. This is particularly advantageous because the injection bore has at least the same capacity for water to be introduced as the production bore for water to be extracted.
  • the injection bore has a larger capacity so that the introduction of the water taken from the aquifer is guaranteed in any case. A separate capacity adjustment is therefore not necessary.
  • the injection bore is not designed as a simple vertical bore. Rather, this injection bore is then also designed as a vertical injection shaft in which at least one horizontal injection line returns the groundwater to the aquifer. In this respect, the injection bore also has a horizontal well - equivalent to the production bore - in which the groundwater is returned via at least one injection line.
  • the injection lines of the injection bore within the injection shaft return the groundwater to the same aquifer at different heights. This measure also increases the absorption capacity of the injection bore, so that no further injection bore has to be carried out on the surface in the event of upscaling, which also minimizes the area required for the injection bore on the surface, so that the saved area is available for other purposes.
  • the production well with the at least one production line and the at least one production string form a first and the injection well with the at least one injection line and the at least one injection string form a second separate horizontal filter well. These two separate horizontal filter wells form a geothermal doublet. Both the production well and the Injection borehole must be designed as a shaft.
  • the groundwater extracted from the aquifer through the horizontal well or through the production bore is pumped to the injection bore in the absence of external oxygen.
  • a dry installation is implemented where possible, in which the groundwater extracted via each horizontal production line is pumped directly to the injection bore by means of a pipe system in the absence of external oxygen.
  • the advantage of the dry installation is that the entire extraction and return process of the groundwater can take place in the absence of external oxygen, which significantly minimizes the problem of calcification within the pipe system and thus significantly increases the service life of the pipe system.
  • the individual production lines are combined in a common production line, in which the extracted groundwater is conveyed to the surface and further to the injection well.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides for at least one horizontal production line to be provided at different heights of the production borehole or the production shaft within the aquifer.
  • This embodiment of the invention extracts groundwater from different levels, i.e. different heights of the aquifer, and the amount of groundwater extracted is increased again without increasing the area required on the surface.
  • this measure also increases the amount of heat that can be extracted from the geothermal doublet in a thermal power plant without having to provide additional area on the surface.
  • the extracted groundwater is then fed back into the same aquifer via the injection borehole, so that the groundwater level and thus the water balance remain unaffected and, overall, no groundwater is extracted from the aquifer.
  • the production borehole or the production shaft and the injection borehole have a minimum distance of Ten times the depth of the production borehole and the injection borehole. This measure ensures that the groundwater returned via the injection borehole has the opportunity to absorb the amount of heat extracted from the geothermal energy in the aquifer by the thermal power plant before it reaches the production borehole again and can be fed back into the thermal power plant for further heat extraction. Cooling of the aquifer is thus effectively prevented.
  • the minimum distance between the production and injection borehole or shaft must be determined using a calculation model adapted to the geology of the aquifer location. If the distance is sufficient, the geothermal energy will supply the aquifer with sufficient heat energy again, effectively preventing the aquifer from cooling down.
  • the number of horizontal injection lines within the injection bore or the vertical injection shaft corresponds to the number of horizontal production lines of the horizontal well(s) of the production bore, so that the extraction and absorption capacity is the same.
  • the number of horizontal injection lines within the injection bore is greater than the number of horizontal production lines of the horizontal well(s) of the production bore, since the extracted groundwater can be returned without additional pressure, so that the equipment required is minimized by dispensing with pumps within the injection area.
  • the horizontal production lines and/or the horizontal injection lines have a length of more than 10 meters, preferably more than 50 meters and particularly preferably more than 100 meters. Upscaling can also be achieved by varying the length of the production lines, so that a larger amount of groundwater can be pumped to the thermal power plant and a larger amount of heat can be extracted from the surface without requiring additional space.
  • the corresponding length-related design of the injection lines which must be able to absorb the returned groundwater, aims in the same direction.
  • the horizontal production lines and/or the horizontal injection lines are equipped with filter pipes. This allows the groundwater to penetrate into the filter pipes of the production lines and exit from the filter pipes of the injection lines, thus enabling simple and safe extraction and return of the groundwater.
  • the filter pipes are stored in a fill, with gravel or glass beads preferably being used as fill material and/or filter material.
  • gravel or glass beads preferably being used as fill material and/or filter material.
  • These materials are particularly well suited to retaining particles, and when glass beads are used, particularly as filter material, they can be cleaned much more effectively than when gravel is used as filter material.
  • the grain size of the gravel or the size of the glass beads is adapted to the flow rate of the groundwater in the aquifer in order to enable particularly effective extraction and return of the groundwater.
  • the thermal power plant according to the invention is equipped with at least one device as described above.
  • a thermal power plant can extract or supply significantly more heat from the groundwater than when using a geothermal doublet with a normal vertical well, so that significantly more consumers can obtain heat energy from the thermal power plant or supply it to the thermal power plant and thus For example, in a residential area, significantly more households can be supplied with heat energy or cooled, or significantly more heat energy can be used for industrial purposes, both for heating and cooling.
  • Upscaling is also possible, as horizontal production lines can be installed at different heights within the vertical production borehole or the production shaft within the horizontal well. In the same way, the groundwater can be returned via the injection borehole with corresponding horizontal injection lines, without increasing the area required on the surface.
  • the thermal power plant has at least one heat exchanger and/or at least one heat pump in order to extract or supply heat energy from the groundwater extracted between the extraction well and the injection well.
  • the extracted groundwater is fed to the heat exchanger and/or the heat pump in a primary line, wherein a liquid is heated or cooled in a secondary line coupled to the heat exchanger and/or the heat pump and the supplied or extracted heat energy is passed on to consumers via the secondary line. Therefore, the at least one heat exchanger and/or the at least one heat pump is operatively connected on the one hand to the primary line and on the other hand to a closed secondary line for transmitting thermal energy, wherein the secondary line is operatively connected to consumers.
  • geothermal energy is a CO2-free and renewable form of energy
  • thermal power plants can be easily adapted to requirements by varying the number of horizontal production and injection lines or by connecting additional geothermal duplicates with horizontal wells to the thermal power plant.
  • heat is extracted from the fluid in the secondary line in a heat exchanger and/or a heat pump and fed to the groundwater via the primary line, while for heating, heat energy from the primary line is fed to the secondary line via a heat exchanger and/or a heat pump, which can then supply heat to consumers.
  • Figure 1 a first embodiment of a thermal power plant according to the invention with a first embodiment of a device according to the invention for operation in the thermal power plant,
  • Figure 2 a second embodiment of a thermal power plant according to the invention with a second embodiment of a device according to the invention for operation in the thermal power plant and
  • Figure 3 a third embodiment of a thermal power plant according to the invention with a third embodiment of a device according to the invention for operation in the thermal power plant.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a thermal power plant according to the invention in which a first embodiment of a geothermal duplicate according to the invention is used in dry installation.
  • the thermal power plant according to the invention in Figure 1 essentially consists of a heat pump 14 and a heat exchanger 13, which supply a large number of heat consumers A with thermal energy via a secondary line 18. Both the heat exchanger 13 and the heat pump 14 are coupled to a geothermal duplicate via a primary line 17.
  • the geothermal duplicate has a conveying section and an injection section, which are connected to one another by means of the primary line 17, the primary line 17 being coupled to the thermal power plant or the heat pump 14 and the heat exchanger 13 in such a way that the thermal energy of the groundwater conveyed in the primary line is transferred to the thermal power plant.
  • the conveying section essentially consists of a conveying borehole 1, which in the present exemplary embodiment is designed as a conveying shaft 10 arranged below the earth's surface 21.
  • two conveyor lines 7 are arranged in the conveyor shaft 10, which are each connected on the one hand to two conveyor strings 6 arranged at an aquifer-side end 12 of the conveyor lines 7 and on the other hand to the primary line 17.
  • two production lines 6 are arranged in the production shaft 10 at two different heights, which protrude into an aquifer 3 and are designed to pump groundwater from the aquifer 3 via the production lines 7 to the primary line 17 in order to make thermal energy contained in the groundwater available to the thermal power plant by means of the heat pump 14 and the heat exchanger 13.
  • the production lines 6 form a horizontal well 5, so that a horizontal well 5 with production lines 6 arranged at different heights is arranged within the aquifer 3 in the production shaft 10.
  • the entire horizontal well 5 is arranged below the groundwater level 19 of the aquifer 3.
  • Filter pipes 2 are arranged within the conveying lines 6. In order to separate the groundwater to be conveyed from particles, the filter pipes 2 are placed in a bed of gravel
  • each horizontal well 5 will be uniformly provided with a fill material, i.e. either gravel 15 or glass balls 16 or similar filling material, in order to accommodate the filter pipes 2.
  • a fill material i.e. either gravel 15 or glass balls 16 or similar filling material
  • the groundwater from the aquifer 3 enters the filter pipe 2 located within the production line 6 via the filling of gravel 15 or glass beads 16 or similar filling material and is passed on via the delivery line 7 to the primary line 17 of the thermal power plant.
  • a feed pump 20 is used in each delivery line 7.
  • the feed pumps 20 pump the groundwater within the delivery line 7 through the device at a pressure to be determined in each case in order to avoid or minimize precipitation or ochre formation within the delivery line 7 and injection line 9.
  • the groundwater is now fed to the thermal power plant via the heat exchanger 13 and the heat pump 14 to extract thermal energy from the groundwater.
  • the now cooled groundwater is fed further via the primary line 17 to the injection section, in which it is returned to the aquifer 3.
  • the injection section consists of an injection bore 4, which is designed as an injection shaft 11 arranged below the earth's surface 21.
  • horizontal injection lines 8 are now also arranged at different heights at an aquifer-side end 22 of the injection lines. 9, in which filter pipes 2 are arranged, which also lie in a bed of gravel 15 or glass beads 16.
  • the number of production lines 6 is equal to the number of injection lines 8, so that the same capacity level prevails on both sides of the geothermal doublet. All production lines 6 and injection lines 8 are the same length. Of course, it is also possible to increase the number of injection lines 8 or their length in order to increase the absorption capacity on the injection side, so that the performance of the feed pumps 20 in the feed area is sufficient to return the groundwater to the aquifer 3.
  • the cooled groundwater is pumped into injection lines 9 via the primary line 17.
  • An injection pump (not shown here) can also be used for pumping so that the cooled groundwater is returned to the aquifer 3 under pressure if the performance of the feed pumps 20 in the pumping area is not sufficient to return the groundwater to the aquifer 3.
  • the injection lines 9 lead the cooled groundwater into the filter pipes 2, which are stored in the horizontal injection lines 8, from where they feed the groundwater directly back into the aquifer 3.
  • the filter pipes 2 or the injection strings 8 are arranged at different heights within the injection shaft 11 and also the aquifer 3, so that the previously large amount of groundwater extracted from the aquifer 3 can be made available to the aquifer 3 again without any problems.
  • the injection strings 8 form a separate horizontal filter well 5' analogous to the production strings 6.
  • Figure 2 shows a second embodiment of a thermal power plant according to the invention, in which a second embodiment of a geothermal duplicate according to the invention is used in dry installation.
  • the part of the thermal power plant located above the earth's surface 21 corresponds to that of the embodiment of Figure 1, with a large number of consumers A being supplied with heat.
  • the production area like the embodiment in Figure 1, has a horizontal well 5 arranged in a production borehole 10 designed as a vertical shaft 10 with four horizontal production strings 6 arranged at an aquifer-side end 12 of the production lines 7.
  • each individual production string 6 is connected to a separate production line 7, with all four production lines 7 opening into the primary line 17 of the thermal power plant.
  • the entire horizontal well 5 is arranged below the groundwater level 19 of the aquifer 3.
  • filter pipes 2 are arranged within the production lines 6, which are in a fill made of gravel 15 and/or glass balls 16 or similar filling material.
  • both gravel 15 and glass balls 16 are used as fill.
  • each horizontal well 5 will be uniformly provided with a fill material, i.e. either gravel 15 or glass balls 16 or similar filling material, in order to accommodate the filter pipes 2.
  • the groundwater from the aquifer 3 enters the filter pipe 2 located within the production line 6 via the filling of gravel 15 or glass beads 16 or similar filling material and is passed on via the delivery line 7 into the primary line 17 of the thermal power plant.
  • a separate pump 20 is used in each of the four delivery lines 7.
  • the groundwater is now pumped as in the embodiment of Figure 1 fed to the thermal power plant via the heat exchanger 13 and the heat pump 14 for extracting thermal energy from the groundwater.
  • the now cooled groundwater is fed further via the primary line 17 to the injection section, in which it is returned to the aquifer 3.
  • the injection section consists of an injection bore 4, which is designed as an injection shaft 11 arranged below the earth's surface 21.
  • four horizontal injection strings 8 are now formed at different heights at an aquifer-side end 22 of the injection lines 9, in which filter pipes 2 are arranged, which are also located in a bed of gravel 15 or glass balls 16.
  • the number of production strings 6 is equal to the number of injection strings 8, so that the same capacity level prevails on both sides of the geothermal doublet, with each injection string 8 being connected to the primary line 17 via a separate injection line 9.
  • all production strings 6 and injection strings 8 are the same length.
  • injection strings 8 are also possible to increase the number of injection strings 8 or their length in order to increase the absorption capacity on the injection side so that the performance of the feed pumps 20 in the feed area is sufficient to return the groundwater to the aquifer 3.
  • the injection strings 8, analogous to the feed strings 6, also form a separate horizontal filter well 5'.
  • the cooled groundwater is pumped into injection lines 9 via the primary line 17.
  • an injection pump (not shown here) can be used for pumping so that the cooled groundwater is returned to the aquifer 3 under pressure if the performance of the feed pumps 20 in the pumping area is not sufficient to return the groundwater to the aquifer 3.
  • the embodiment Figure 3 shows a geothermal duplicate in wet installation.
  • the part of the thermal power plant located above the earth's surface 21 corresponds to that of the two previously described embodiments, whereby a large number of consumers A are supplied with heat.
  • the production area like the previously described embodiments, has a horizontal well 5 arranged in a production borehole 10 designed as a vertical shaft 10 with four horizontal production lines 6 arranged at an aquifer-side end 12 of the production lines 7.
  • each individual production line 6 flows directly into the production shaft 10 in which the groundwater collects.
  • the entire horizontal well 5 is also arranged below the groundwater level 19 of the aquifer 3.
  • Two production lines 7 dip into the groundwater collected in the production shaft 10, each of which is provided with a feed pump 20 and which pump the groundwater into a common primary line 17 of the thermal power plant, from where it is fed back to an injection area.
  • this is also designed as a wet installation and consists of an injection shaft 11 designed as an injection bore 4.
  • Four horizontal injection lines 8 are introduced into the injection shaft 11, which lead directly into the injection shaft 11.
  • Two injection lines 9 also lead from the primary line 17 into the injection shaft 11, into which the groundwater pumped by the feed pumps 20 is collected, whereby the groundwater level 19 is also established here.
  • the groundwater is fed back into the aquifer from the injection shaft 11 via the injection lines 8.
  • both the production lines 6 and the injection lines 8 have filter pipes 2 which are located in a fill which can be made of gravel 15 and/or glass balls 16 or similar filling material.
  • both gravel 15 and glass balls 16 are used as fill.
  • each horizontal well 5, 5' will be uniformly provided with a fill material, i.e. either gravel 15 or glass balls 16 or similar filling material, in order to accommodate the filter pipes 2.
  • the use of glass balls 16 is recommended here, as these can be cleaned of particles more easily than gravel.
  • a wet installation of the geothermal duplicate is generally recommended if the groundwater flowing in Aquifer 3 is mineralized to such an extent that rock formation in the pipe system of the geothermal duplicate appears unlikely.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch geothermischer Energie mit einem oberflächennahen Aquifer zum Betrieb in einem Wärmekraftwerk mit einer Förderbohrung (1) zur Förderung von Grundwasser aus dem Aquifer (3) durch wenigstens eine Förderleitung (7) und mit einer Injektionsbohrung (4) zur Injektion des geförderten Grundwassers in den Aquifer (3) durch wenigstens eine Injektionsleitung (9), wobei die wenigstens eine Förderleitung (7) mit der wenigstens einen Injektionsleitung (9) zur Wasserweiterleitung über eine Primärleitung (17) miteinander verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Förderbohrung (1) an ihrem aquiferseitigen Ende (12) wenigstens einen horizontalen Förderstrang (6) aufweist, wobei dieser wenigstens eine Förderstrang (6) mit wenigstens einer Förderleitung (7) zur Wasserförderung aus dem Aquifer (3) heraus in Wirkverbindung stehen und wobei innerhalb des wenigstens einen Förderstrangs (6) ein Filterrohr (2) angeordnet ist.

Description

Bezeichnung: Vorrichtung zum Austausch geothermischer Energie mit einem oberflächennahen Aquifer und Wärmekraftwerk mit wenigstens einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Wärmekraftwerk mit wenigstens einer solchen geothermischen Dublette.
Unter oberflächennahe Geothermie versteht man die Nutzung der Erdwärme aus bis zu 400 Meter Tiefe. Eine geothermische Dublette besteht aus einer Förderbohrung zur Grundwasserentnahme und einer Injektionsbohrung zur Rückführung des abgekühlten Wassers aus einem oberflächennahen Aquifer. Eine geothermische Dublette ist dabei das zentrale Element einer Geothermieanlage, wobei die Zahl der Förderbohrungen nicht unbedingt gleich der Zahl der Injektionsbohrung zur Rückführung des Grundwassers sein muss. Bei einer geothermischen Dublette wird also Grundwasser aus grundwasserführenden Gesteinsschichten, sogenannten oberflächennahen Aquiferen, gefördert, dem in einem Wärmekraftwerk über einen Wärmetauscher und/oder eine Wärmepumpe Wärme entzogen wird. Aus Gründen des Wasserhaushaltes und des Wassergleichgewichtes innerhalb des Aquifers ist es dann vorgesehen, dass über die Förderbohrung entnommene Wasser in einer bestimmten Entfernung zur Förderbohrung über eine Injektionsbohrung in denselben Aquifer zurückzuführen.
Grundsätzlich sind schon eine Vielzahl von Vorrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. So wird beispielsweise in der DE 10 2016 002 255 A1 beschreiben, wie Wasser zur Nutzung der darin gespeicherten geothermischen Energie aus einem Schacht eines gefluteten Untertagebergwerks gefördert, über einen Wärmetauscher ein Teil der geothermischen Energie dem Wasser entzogen und dann das Wasser über einen weiteren Schacht dem überflutetet Untertagebergwerk wieder zugeführt wird.
Weitere Vorrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind auch aus der DE 10 2008 057 943 A1 , der DE 10 2015 002 744 B4, CH 703 613 A1 und der DE 103 43 544 A1 bekannt.
In der Regel besteht eine geothermische Dublette daher aus zwei Vertikalbohrungen in entsprechender Entfernung, wobei eine als Förderbohrung und die andere als Injektionsbohrung genutzt wird. Da ein Aquifer bei oberflächennaher Geothermie oder geschlossenen Systemen maximal bis 400 Meter Tiefe genutzt werden kann, kann eine vertikale Bohrung bis maximal 400 Meter Tiefe Wasser aus dem Aquifer fördern, wobei der effektive Entnahmebereich der Höhe des Aquifers, in der Regel mehrere 10 Meter, entspricht. Eine Erweiterung kann durch mehrere vertikale Förderbohrungen erfolgen. Ein derartiges Upscaling weist an der Oberfläche aber einen größeren Flächenbedarf auf, sodass die dafür benötigte Fläche nicht anderweitig genutzt werden kann. Zwar ist es möglich Förder- und Injektionsbohrungen von einem Bohrplatz aus abzuteufen, wobei durch abgelenkte Bohrungen ein größerer Nutzerhorizont erschlossen wird. Allerdings benötigt auch ein weiteres Upscaling bei derartig abgeteuften Vertikalbohrungen durch zusätzliche Vertikalbohrungen an der Oberfläche einen größeren Platzbedarf, sodass auch in diesem Fall der durch das Upscaling notwendige Flächenbedarf nicht anderweitig genutzt werden kann. Zudem liegt durch eine weitere Bohrung die Kapazitätserhöhung lediglich bei einem Faktor 2 gegenüber der ursprünglichen Bohrung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Verfügung zu stellen, mit welcher ein Upscaling ohne zusätzlichen Flächenbedarf an der Oberfläche gegeben ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Wärmekraftwerk mit einer derartigen Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bezüglich des Wärmekraftwerks wird diese Aufgabe durch ein Wärmekraftwerk mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch geothermischer Energie beziehungsweise von Wärmeenergie mit einem oberflächennahen Aquifer zum Betrieb in einem Wärmekraftwerk weist dabei eine Förderbohrung zur Förderung von Grundwasser aus einem oberflächennahen Aquifer und eine Injektionsbohrung zur Rückführung beziehungsweise Injektion des geförderten Grundwassers in den oberflächennahen Aquifer zurück auf. Dabei sind die wenigstens eine Förderleitung mit der wenigstens einen Injektionsleitung zur Wasserweiterleitung über eine Primärleitung miteinander verbunden. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Förderbohrung an ihrem aquiferseitigen Ende wenigstens einen horizontalen Förderstrang aufweist, wobei die Förderstränge mit wenigstens einer Förderleitung zur Wasserförderung aus dem Aquifer heraus in Wirkverbindung stehen und wobei innerhalb jeden Förderstrangs ein Filterrohr angeordnet ist. In der Praxis wird dabei die Förderbohrung als vertikaler Schacht ausgebildet sein, der in der Regel einen festen Schachtboden aufweist. Innerhalb dieses Schachtes können nun in dem Aquifer ein horizontaler Förderstrang beziehungsweise mehrere horizontale Förderstränge zum Fördern des Grundwassers eingebracht werden. Dabei ist erfindungswesentlich, dass bereits ein horizontaler Förderstrang ausreicht, um die Kapazität der Förderbohrung gegenüber einer Vertikalbohrung nach dem Stand der Technik um eine Größenordnung, also um den Faktor 10, oder sogar mehr zu erhöhen. Ausschlaggebend hierfür ist, dass der wenigstens eine Förderstrang bis über 100 Meter in den Aquifer hineingetrieben werden kann und aus diesen über 100 Metern Grundwasser entnommen werden kann. Je größer die Anzahl der Förderstränge dabei ist, desto größer wird auch die Kapazität der gesamten Vorrichtung und somit der Wärmemenge, die dem Grundwasser in einem Wärmekraftwerk entzogen oder zugeführt werden kann. Hierzu ist neben dem einen vertikalen Schacht keine zusätzliche vertikale Bohrung notwendig, sodass beim Upscaling der Anlage ein Flächenmehrbedarf an der Oberfläche nicht notwendig ist. Die in einer oder mehreren Ebenen liegenden horizontalen Förderstränge werden dabei auch in ihrer Gesamtheit als Horizontalbrunnen bezeichnet.
Die einzelnen Förderstränge können dabei innerhalb des Schachtes sowohl in Nass- als auch in Trockenaufstellung ausgeführt sein. Bei einer Nassaufstellung wird dabei das über die Förderstränge geförderte Grundwasser am Schachtboden gesammelt und über wenigstens eine Förderleitung zur Oberfläche gefördert. Dabei kommt das im Schachtboden gesammelt Grundwasser allerdings mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff und anderen Gasen in Kontakt, sodass innerhalb der wenigstens einen Förderleitung je nach Mineralisierung des Grundwassers die Wahrscheinlichkeit einer Verockerung mit der Standzeit zunehmen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorteilhafterweise zum einem zur Entnahme geothermischer Energie aus einen Aquifer geeignet, um Wärmeabnehmer, wie beispielsweise private Haushalte, aber auch gewerbliche und industrielle Anlagen mit Wärme zu versorgen. Zum anderen ist es aber auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen zu nutzen. Dabei können wiederum sowohl private Haushalte als auch gewerbliche und industrielle Anlagen, wie beispielsweise energieintensive Rechenzentren oder dergleichen, gekühlt werden.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Injektionsbohrung an ihrem aquiferseitigen Ende wenigstens einen horizontalen Injektionsstrang aufweist, wobei der wenigstens eine Injektionsstrang mit wenigstens einer Injektionsleitung zur Wassereinleitung in den Aquifer hinein in Wirkverbindung steht und wobei innerhalb des wenigstens einen Injektionsstrangs ein Filterrohr angeordnet ist. Nach dieser Ausgestaltung der Erfindung besteht die Injektionsbohrung in einer identischen Ausgestaltung wie die Förderbohrung, ist also gespiegelt. Diese ist insbesondere daher von Vorteil, da dabei die Injektionsbohrung mindestens die gleiche Kapazität für einzuleitendes Wasser aufweist, wie die Förderbohrung für zu förderndes Wasser. Vorteilhafterweise weist die Injektionsbohrung allerdings eine größere Kapazität auf, damit die Einleitung des es dem Aquifer entnommen Wassers auf jeden Fall sichergestellt ist. Somit ist eine separate Kapazitätsanpassung nicht notwendig. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es dann vorgesehen, die Injektionsbohrung nicht als einfache vertikale Bohrung auszuführen. Vielmehr wird diese Injektionsbohrung dann auch als vertikal ausgebildeter Injektionsschacht ausgeführt, in dem wenigstens ein horizontaler Injektionsstrang das Grundwasser in den Aquifer zurückführt. Insofern verfügt die Injektionsbohrung ebenfalls - äquivalent zur Förderbohrung - über einen Horizontalbrunnen, in dem allerdings das Grundwasser über den wenigstens einen Injektionsstrang zurückgeführt wird. Auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Injektionsstränge der Injektionsbohrung innerhalb des Injektionsschachtes in verschiedenen Höhen das Grundwasser in denselben Aquifer zurückführen. Durch diese Maßnahme ist die Aufnahmeleistung der Injektionsbohrung ebenfalls erhöht, sodass auch an der Oberfläche keine weitere Injektionsbohrung bei einem Upscaling durchgeführt werden muss, wodurch ebenfalls der Flächenbedarf für die Injektionsbohrung an der Oberfläche minimiert ist, sodass die eingesparte Fläche für andere Zwecke zur Verfügung steht.
Dabei bilden sowohl die Förderbohrung mit der wenigstens einen Förderleitung sowie dem wenigstens einen Förderstrangen einen ersten und die Injektionsbohrung mit der wenigstens einen Injektionsleitung sowie dem wenigstens einen Injektionsstrang einen zweiten separaten Horizontalfilterbrunnen. Diese beiden separaten Horizontalfilterbrunnen bilden dabei eine geothermische Dublette. Dabei können sowohl die Förderbohrung als auch die Injektionsbohrung als Schacht ausgebildet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es allerdings vorgesehen, dass das aus dem Aquifer durch den einen Horizontalbrunnen beziehungsweise durch die Förderbohrung geförderte Grundwasser unter Ausschluss externen Sauerstoffs zur Injektionsbohrung gefördert wird. Hierbei wird möglichst eine Trockenaufstellung realisiert, bei der das über jeden horizontalen Förderstrang geförderte Grundwasser direkt mittels eines Leitungssystems unter Ausschluss externen Sauerstoffs zur Injektionsbohrung gefördert wird. Bei der Trockenaufstellung ist von Vorteil, dass der gesamte Entnahme- und Rückführungsprozess des Grundwassers unter Ausschluss externen Sauerstoffs erfolgen kann, wodurch die Verockerungsproblematik innerhalb des Leitungssystems deutlich minimiert und somit die Standzeit des Leitungssystems deutlich erhöht wird.
Dabei werden in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die einzelnen Förderstränge in einer gemeinsamen Förderleitung zusammengefasst, in welcher das geförderte Grundwasser zur Oberfläche und weiter zur Injektionsbohrung gefördert wird.
Um ein abermaliges Upscaling der gesamten geothermischen Dublette zu ermöglichen, ist es nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in unterschiedlichen Höhen der Förderbohrung beziehungsweise des Förderschachtes innerhalb des Aquifers wenigstens jeweils ein horizontaler Förderstrang vorgesehen ist. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird aus unterschiedlichen Ebenen, also unterschiedlichen Höhen des Aquifers Grundwasser entnommen und die Fördermenge des Grundwassers nochmals erhöht, ohne den Flächenbedarf an der Oberfläche zu erhöhen. Insofern ist auch durch diese Maßnahme die Wärmemenge, die in einem Wärmekraftwerk der geothermischen Dublette entnommen werden kann, nochmals erhöht, ohne zusätzlichen Flächenbedarf an der Oberfläche zur Verfügung stellen zu müssen. Über die Injektionsbohrung wird das entnommene Grundwasser dabei wieder demselben Aquifer zugeführt, sodass der Grundwasserspiegel und somit der Wasserhaushalt unbeeinflusst bleibt und in Summe keine Entnahme von Grundwasser aus dem Aquifer stattfindet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Förderbohrung beziehungsweise der Förderschacht und die Injektionsbohrung einen Mindestabstand des Zehnfachen der Tiefe der Förderbohrung und der Injektionsbohrung zueinander aufweist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass das über die Injektionsbohrung zurückgeführte Grundwasser die Möglichkeit hat im Aquifer die durch das Wärmekraftwerk entnommene Wärmemenge aus der Erdwärme wieder aufzunehmen, bevor es wieder die Förderbohrung erreicht und wieder zur erneuten Wärmeentnahme dem Wärmekraftwerk zugeführt werden kann. Eine Abkühlung des Aquifers wird somit wirkungsvoll vermieden. Um eine effiziente Wärmeentnahme zu ermöglichen, ohne eine Abkühlung des gesamten Aquifers über einen längeren Zeitraum zu generieren, ist über ein der Geologie des Standortes des Aquifers angepasstes Rechenmodel der Mindestabstand zwischen Förder- und Injektionsbohrung beziehungsweise Schacht zu bestimmen. Bei ausreichendem Abstand wird dem Aquifer durch die Erdwärme wieder genügend Wärmenergie zugeführt, sodass ein Abkühlen des Aquifers wirkungsvoll vermieden ist.
Grundsätzlich kann es dabei vorgesehen sein, dass die Anzahl der horizontalen Injektionsstränge innerhalb der Injektionsbohrung beziehungsweise des vertikalen Injektionsschachtes der Anzahl der horizontalen Förderstränge des oder der Horizontalbrunnen der Förderbohrung entspricht, damit die Entnahme- und Aufnahmekapazität gleich ist. Vorteilhaft ist es allerdings, wenn die Anzahl der horizontalen Injektionsstränge innerhalb der Injektionsbohrung größer ist als die Anzahl der horizontalen Förderstränge des oder der Horizontalbrunnen der Förderbohrung, da das Rückführen des geförderten Grundwassers ohne zusätzlichen Druck erfolgen kann, sodass der apparative Aufwand durch Verzicht auf Pumpen innerhalb des Injektionsbereiches minimiert ist.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die horizontalen Förderstränge und/oder die horizontalen Injektionsstränge eine Länge von mehr als 10 Meter, bevorzugt mehr als 50 Meter und besonders bevorzugt mehr als 100 Meter auf. Auch durch die Variation der Länge der Förderstränge kann ein Upscaling erreicht werden, sodass eine größere Menge Grundwasser zum Wärmekraftwerk gefördert werden kann und dort eine größere Wärmemenge ohne zusätzlichen Flächenbedarf an der Oberfläche entnommen werden kann. In dieselbe Richtung zielt die entsprechende längenmässige Ausgestaltung der Injektionsstränge, die in der Lage sein müssen, dass zurückgeführte Grundwasser wieder aufzunehmen. Durch die Variation der Länge der einzelnen Förder- und Injektionsstränge ist es in einfacher Weise möglich, die geothermische Dublette beziehungsweise das Wärmekraftwerk an die Wärmeabnehmer anzupassen. Grundsätzlich besteht sogar die Möglichkeit die Kapazität der geothermischen Dublette beziehungsweise des Wärmekraftwerks nachträglich durch Einbringen weiterer horizontaler Förder- und Injektionsstränge zu erhöhen.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es vorgesehen, dass die horizontalen Förderstränge und/oder die horizontalen Injektionsstränge mit Filterrohren ausgestattet sind. Hierdurch ist es ermöglicht, dass das Grundwasser in die Filterrohre der Förderstränge eindringen und aus den Filterrohren der Injektionsstränge austreten kann und somit eine einfache und sicher Entnahme und Rückführung des Grundwassers ermöglicht ist.
Um dabei das Grundwasser von möglichen größeren Partikeln zu befreien, ist es vorgesehen, dass die Filterrohre in einer Schüttung gelagert sind, wobei vorzugsweise als Schüttungsmaterial und/oder Filtermaterial Kies oder Glaskugeln verwendet werden. Diese Materialien sind besonders gut geeignet, Partikel zurückzuhalten, wobei bei Verwendung von Glaskugeln, insbesondere als Filtermaterial, eine Reinigung derselben deutlich effektiver durchgeführt werden kann als bei der Verwendung von Kies als Filtermaterial. Zusätzlich wird dabei die Körnung des Kieses beziehungsweise die Größe der Glaskugeln an die Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers in dem Aquifer angepasst, um eine besonders effektive Entnahme und Rückführung des Grundwassers zu ermöglichen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels der Förderpumpen innerhalb der Vorrichtung, insbesondere innerhalb der wenigstens einen Förderleitung und der wenigstens einen Injektionsleitung ein Überdruck aufrechterhalten wird beziehungsweise das Wasser mit einem festzulegenden beziehungsweise angepassten Druck durch die wenigstens eine Förderleitung und die wenigstens einen Injektionsleitung gepumpt wird, um Ausfällung und Verockerungen innerhalb der wenigstens einen Förderleitung und der wenigstens einen Injektionsleitung zu vermeiden beziehungsweise zu minimieren.
Das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk ist mit wenigstens einer Vorrichtung wie zuvor beschrieben ausgestattet. Ein derartiges Wärmekraftwerk kann dem Grundwasser deutlich mehr Wärmemenge entziehen oder zuführen als bei Verwendung mit einer geothermischen Dublette mit einem normalem Vertikalbrunnen, sodass deutlich mehr Abnehmer Wärmenergie aus dem Wärmekraftwerk beziehen oder dem Wärmekraftwerk zuführen können und somit beispielsweise in einem Wohngebiet deutlich mehr Haushalte mit Wärmeenergie versorgt oder gekühlt werden können oder deutlich mehr Wärmeenergie für industrielle Zwecke sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen genutzt werden kann. Auch ist ein Upscaling möglich, da innerhalb der vertikalen Förderbohrung beziehungsweise des Förderschachtes innerhalb des Horizontalbrunnens in unterschiedlichen Höhen horizontale Förderstränge eingebracht werden können. In gleicher Weise ist auch die Rückführung des Grundwassers über die Injektionsbohrung mit entsprechenden horizontalen Injektionssträngen möglich, ohne den Flächenbedarf an der Oberfläche zu erhöhen.
Dabei hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, dass das Wärmekraftwerk wenigstens einen Wärmetauscher und/oder wenigstens eine Wärmepumpe aufweist, um den zwischen Förderbohrung und Injektionsbohrung geförderten Grundwasser Wärmeenergie zu entnehmen oder zu zuführen. Hierzu wird das geförderte Grundwasser in einer Primärleitung dem Wärmetauscher und/oder der Wärmepumpe zugeführt, wobei eine Flüssigkeit in einer mit dem Wärmetauscher und/oder der Wärmepumpe gekoppelten Sekundärleitung erwärmt oder gekühlt wird und die zugeführte oder entnommene Wärmeenergie über die Sekundärleitung an Abnehmer weitergeführt wird. Daher ist der wenigstens eine Wärmetauscher und/oder die wenigstens eine Wärmepumpe zum einen mit der Primärleitung und zum anderen mit einer geschlossenen Sekundärleitung zur Übertragung thermischer Energie wirkverbunden, wobei die Sekundärleitung mit Abnehmern wirkverbunden ist.
Da es sich bei der Nutzung der geothermischen Energie um eine CO2-freie und regenerative Energienutzung handelt, bietet sich an, den gesamten Energienutzungsprozess CO2-frei zu halten, um den Betrieb der geothermischen Dublette und des Wärmekraftwerks möglichst emissionsfrei zu gestalten. Deshalb ist es sinnvoll, zum Betrieb der wenigsten einen Wärmepumpe, Strom zu verwenden, der regenerativ, beispielsweise mittels Photovoltaik- oder Windkraftanlagen erzeugt wurde.
Durch die Verwendung von geothermischen Dubletten mit Horizontalbrunnen lässt sich die Kapazität des Wärmekraftwerks deutlich erhöhen, da auf kleiner Fläche dem Aquifer deutlich mehr Grundwasser entnommen und wieder zurückgeführt werden kann als bei Vertikalbrunnen, so dass dem Wärmekraftwerk deutlich mehr Grundwasser zur Verfügung gestellt werden kann, dem dann auch deutlich mehr Wärmeenergie entzogen werden kann. Dabei lässt sich das Wärmekraftwerk in einfacher Weise an den Bedarf anpassen, indem die Anzahl der horizontalen Förder- und Injektionsstränge variiert werden oder auch zusätzlich geothermische Dubletten mit Horizontalbrunnen an das Wärmekraftwerk anschließbar sind.
Wie schon beschrieben ist es möglich, den gesamten Prozess in entgegengesetzten Richtungen ablaufen zu lassen und die geothermische Dublette sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen zu verwenden. Zum Kühlen wird Wärme aus der Flüssigkeit der Sekundärleitung in einem Wärmetauscher und/oder einer Wärmepumpe entnommen und dem Grundwasser über die Primärleitung zugeführt, während zum Heizen über einen Wärmetauscher und/oder einer Wärmepumpe Wärmeenergie aus der Primärleitung der Sekundärleitung zugeführt wird, über welch dann Abnehmer mit Wärme versorgt werden können.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
Figur 1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb in dem Wärmekraftwerk,
Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb in dem Wärmekraftwerk und
Figur 3: ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Betrieb in dem Wärmekraftwerk.
In der Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks dargestellt, in dem ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen geothermischen Dublette in Trockenaufstellung zum Einsatz kommt.
Das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk der Figur 1 besteht dabei im Wesentlichen aus einer Wärmepumpe 14 und einem Wärmetauscher 13, die über eine Sekundärleitung 18 eine Vielzahl von Wärmeabnehmern A mit Wärmeenergie versorgen. Dabei sind sowohl der Wärmetauscher 13 als auch die Wärmepumpe 14 über eine Primärleitung 17 mit einer geothermischen Dublette gekoppelt. Die geothermische Dublette weist dabei einen Förderabschnitt und einen Injektionsabschnitt auf, die mittels der Primärleitung 17 miteinander verbunden sind, wobei die Primärleitung 17 derart mit dem Wärmekraftwerk beziehungsweise der Wärmepumpe 14 und dem Wärmetauscher 13 gekoppelt ist, um die Wärmeenergie des in der Primärleitung geförderten Grundwassers an das Wärmekraftwerk abzugeben. Der Förderabschnitt besteht dabei im Wesentlichen aus einer Förderbohrung 1 , die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein unterhalb der Erdoberfläche 21 angeordneter Förderschacht 10 ausgebildet ist. In dem Förderschacht 10 sind vorliegend zwei Förderleitungen 7 angeordnet, die einerseits jeweils mit zwei an einem aquiferseitigen Ende 12 der Förderleitungen 7 angeordneten Fördersträngen 6 und andererseits mit der Primärleitung 17 in Verbindung stehen.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in dem Förderschacht 10 in zwei unterschiedlichen Höhen jeweils zwei Förderstränge 6 angeordnet, die in einen Aquifer 3 hineinragen und dazu ausgebildet sind Grundwasser aus dem Aquifer 3 über die Förderleitungen 7 zur Primärleitung 17 zu fördern, um im Grundwasser enthaltene thermische Energie dem Wärmekraftwerk mittels der Wärmepumpe 14 und des Wärmetauschers 13 zur Verfügung zu stellen. Die Förderstränge 6 bilden dabei einen Horizontalbrunnen 5 aus, sodass in dem Förderschacht 10 ein Horizontalbrunnen 5 mit unterschiedlich hoch angeordneten Förderstränge 6 innerhalb des Aquifers 3 angeordnet ist. Der gesamte Horizontalbrunnen 5 ist dabei unterhalb des Grundwasserspiegels 19 des Aquifers 3 angeordnet. Dadurch können aus dem Aquifer 3 größere Mengen Grundwasser dem Wärmekraftwerk zur Verfügung gestellt werden als mit aus dem Stand er Technik bekannten Vertikalbrunnen. Insofern ist es möglich, dem Wärmekraftwerk deutlich mehr Grundwasser zuzuführen und somit deutlich mehr Wärmeenergie zu entnehmen, die einer Mehrzahl von Wärmeabnehmern A zur Verfügung gestellt werden kann, ohne den Flächenbedarf an der Oberfläche vergrößern zu müssen. Innerhalb der Förderstränge 6 sind dabei Filterrohre 2 angeordnet. Um das zu fördernde Grundwasser von Partikeln zu trennen, liegen die Filterrohre 2 in einer Schüttung, die aus Kies
15 und/oder Glaskugeln 16 beziehungsweise ähnlichem Füllmaterial gebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird sowohl Kies15 als auch Glaskugeln 16 als Schüttung verwendet. Dies ist jedoch nur beispielhaft, in der Praxis wird jeder Horizontalbrunnen 5 einheitlich mit einem Schüttmaterial, also entweder Kies 15 oder Glaskugeln 16 oder ähnlichem Füllmaterial versehen sein, um die Filterrohre 2 aufzunehmen. Die Verwendung von Glaskugeln
16 bietet sich dabei an, da diese einfacher von Partikeln gereinigt werden können als Kies. Je nach örtlicher Geologie kann dabei sowohl die Filtergröße der Filterrohre 2 als auch die Korngröße des Füllmaterials angepasst werden, um eine Füllung der Filterrohre 2 mit Sand zu vermeiden.
Über die Schüttung aus Kies 15 oder Glaskugeln 16 beziehungsweise ähnlichem Füllmaterial tritt das Grundwasser aus dem Aquifer 3 in das innerhalb des Förderstrangs 6 liegende Filterrohr 2 in dieses ein und wird über die Förderleitung 7 in die Primärleitung 17 des Wärmekraftwerkes weitergeleitet. Zur Förderung des Grundwassers aus dem Aquifer 3 in die Primärleitung 17 wird dabei in jeder Förderleitung 7 eine Förderpumpe 20 verwendet. Die Förderpumpen 20 fördern dabei das Grundwasser innerhalb der Förderleitung 7 mit einem jeweils festzulegenden Druck durch die Vorrichtung, um Ausfällungen oder Verockerungen innerhalb der Förderleitung 7 und Injektionsleitung 9 zu vermeiden beziehungsweise zu minimieren.
In der Primärleitung 17 wird nunmehr das Grundwasser dem Wärmekraftwerk über den Wärmetauscher 13 und der Wärmepumpe 14 zur Entnahme von im Grundwasser befindlicher Wärmeenergie zugeführt. Nachdem das Grundwasser in der Primärleitung 17 den Wärmetauscher 13 und die Wärmepumpe 14 passiert hat, wird das nunmehr abgekühlte Grundwasser weiter über die Primärleitung 17 dem Injektionsabschnitt zugeführt, in welchem es in den Aquifer 3 zurückgeführt wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Injektionsabschnitt aus einer Injektionsbohrung 4, die als unterhalb der Erdoberfläche 21 angeordneter Injektionsschacht 11 ausgebildet ist. Auch innerhalb dieses Injektionsschachtes 11 sind nunmehr in unterschiedlichen Höhen horizontale Injektionsstränge 8 an einem aquiferseitigen Ende 22 der Injektionsleitungen 9 ausgebildet, in denen wiederum Filterrohre 2 angeordnet sind, die ebenfalls in einer Schüttung aus Kies 15 oder Glaskugeln 16 liegen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Förderstränge 6 gleich der Anzahl der Injektionsstränge 8, sodass auf beiden Seiten der geothermischen Dublette das gleich Kapazitätsniveau herrscht. Dabei sind alle Förderstränge 6 und Injektionsstränge 8 gleich lang. Natürlich ist es auch möglich die Anzahl der Injektionsstränge 8 beziehungsweise deren Länge zu erhöhen, um die Aufnahmekapazität auf der Injektionsseite zu erhöhen, damit die Leistung der Förderpumpen 20 im Förderbereich ausreichen, das Grundwasser wieder in den Aquifer 3 zurückzuführen.
Über die Primärleitung 17 wird das abgekühlte Grundwasser in Injektionsleitungen 9 gefördert. Auch hierbei kann zur Förderung eine hier nicht dargestellte Injektionspumpe verwendet werden, damit das abgekühlte Grundwasser unter Druck in den Aquifer 3 zurückgeführt wird, wenn die Leistung der Förderpumpen 20 im Förderbereich nicht ausreichen, das Grundwasser wieder in den Aquifer 3 zurückzuführen.
Die Injektionsleitungen 9 führen dabei das abgekühlte Grundwasser in die Filterrohre 2, die in den horizontalen Injektionssträngen 8 gelagert sind, von wo sie das Grundwasser direkt wieder dem Aquifer 3 zuführt.
Auch innerhalb des Injektionsabschnittes sind die Filterrohre 2 beziehungsweise die Injektionsstränge 8 in unterschiedlichen Höhen innerhalb des Injektionsschachtes 11 und auch des Aquifers 3 angeordnet, sodass auch die zuvor große aus dem Aquifer 3 geförderte Menge Grundwasser problemlos dem Aquifer 3 wieder zur Verfügung gestellt werden kann. Insofern bilden die Injektionsstränge 8 analog zu den Fördersträngen 6 einen separaten Horizontalfilterbrunnen 5‘.
Wie aus der Darstellung der Figur 1 zu entnehmen ist, findet die gesamte Förderung des Grundwassers im Förderabschnitt und die Rückführung des Grundwassers in dem Injektionsabschnitts unter Ausschluss von externem Sauerstoff und externem Gas statt, sodass die Verockerungsproblematik deutlich minimiert ist und die gesamte Standzeit des Leitungssystems hierdurch deutlich erhöht wird. Grundsätzlich können auch andere oder weitere technisch bekannte Maßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung elektrischen Potenziale oder - wie bereits beschrieben - durch Überdruck im System, genutzt werden, um Verockerungen im Leitungssystem der geothermischen Dublette zu minimieren.
In der Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks dargestellt, in dem ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen geothermischen Dublette in Trockenaufstellung zum Einsatz kommt. Dabei entspricht der über der Erdoberfläche 21 liegende Teil des Wärmekraftwerks dem des Ausführungsbeispiels der Figur 1 , wobei eine Vielzahl von Abnehmern A mit Wärme versorgt werden.
Allerdings unterscheidet sich die unter der Erdoberfläche 21 liegende Teile der geothermischen Dublette in einigen Einzelheiten. Zwar weist der Förderbereich wie auch das Ausführungsbeispiel der Figur 1 einen in einem als vertikaler Schacht 10 ausgebildeten Förderbohrungl angeordneten Horizontalbrunnen 5 mit vier horizontalen, an einem aquiferseitigen Ende 12 der Förderleitungen 7 angeordneten Fördersträngen 6 auf. Allerdings ist in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 jeder einzelne Förderstrang 6 an eine separate Förderleitung 7 angeschlossen, wobei alle vier Förderleitungen 7 in die Primärleitung 17 des Wärmekraftwerks münden. Der gesamte Horizontalbrunnen 5 ist dabei unterhalb des Grundwasserspiegels 19 des Aquifers 3 angeordnet.
Innerhalb der Förderstränge 6 sind auch hier Filterrohre 2 angeordnet, die in einer Schüttung, die aus Kies 15 und/oder Glaskugeln 16 beziehungsweise ähnlichem Füllmaterial liegen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel wird sowohl Kies15 als auch Glaskugeln 16 als Schüttung verwendet. Dies ist jedoch nur beispielhaft, in der Praxis wird jeder Horizontalbrunnen 5 einheitlich mit einem Schüttmaterial, also entweder Kies 15 oder Glaskugeln 16 oder ähnlichem Füllmaterial versehen sein, um die Filterrohre 2 aufzunehmen.
Über die Schüttung aus Kies 15 oder Glaskugeln 16 beziehungsweise ähnlichem Füllmaterial tritt das Grundwasser aus dem Aquifer 3 in das innerhalb des Förderstrangs 6 liegende Filterrohr 2 in dieses ein und wird über die Förderleitung 7 in die Primärleitung 17 des Wärmekraftwerkes weitergeleitet. Zur Förderung des Grundwassers aus dem Aquifer 3 in die Primärleitung 17 wird dabei in jeder der vier Förderleitung 7 eine separate Förderpumpe 20 verwendet.
In der Primärleitung 17 wird nunmehr das Grundwasser wie im Ausführungsbeispiel der Figur 1 dem Wärmekraftwerk über den Wärmetauscher 13 und der Wärmepumpe 14 zur Entnahme von im Grundwasser befindlicher Wärmeenergie zugeführt. Nachdem das Grundwasser in der Primärleitung 17 den Wärmetauscher 13 und die Wärmepumpe 14 passiert hat, wird das nunmehr abgekühlte Grundwasser weiter über die Primärleitung 17 dem Injektionsabschnitt zugeführt, in welchem es in den Aquifer 3 zurückgeführt wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Injektionsabschnitt aus einer Injektionsbohrung 4, die als unterhalb der Erdoberfläche 21 angeordneter Injektionsschacht 11 ausgebildet ist. Auch innerhalb dieses Injektionsschachtes 11 sind nunmehr in unterschiedlichen Höhen an einem aquiferseitigen Ende 22 der Injektionsleitungen 9 vier horizontale Injektionsstränge 8 ausgebildet, in denen wiederum Filterrohre 2 angeordnet sind, die ebenfalls in einer Schüttung aus Kies 15 oder Glaskugeln 16 liegen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Förderstränge 6 gleich der Anzahl der Injektionsstränge 8, sodass auf beiden Seiten der geothermischen Dublette das gleich Kapazitätsniveau herrscht, wobei jeder Injektionsstrang 8 über eine separate Injektionsleitung 9 mit der Primärleitung 17 verbunden ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind alle Förderstränge 6 und Injektionsstränge 8 gleich lang. Natürlich ist es auch möglich die Anzahl der Injektionsstränge 8 beziehungsweise deren Länge zu erhöhen, um die Aufnahmekapazität auf der Injektionsseite zu erhöhen, damit die Leistung der Förderpumpen 20 im Förderbereich ausreichen, das Grundwasser wieder in den Aquifer 3 zurückzuführen. Insofern bilden die Injektionsstränge 8 analog zu den Fördersträngen 6 auch hier einen separaten Horizontalfilterbrunnen 5‘.
Auch hier wird über die Primärleitung 17 das abgekühlte Grundwasser in Injektionsleitungen 9 gefördert. Auch hierbei kann zur Förderung eine hier nicht dargestellte Injektionspumpe verwendet werden, damit das abgekühlte Grundwasser unter Druck in den Aquifer 3 zurückgeführt wird, wenn die Leistung der Förderpumpen 20 im Förderbereich nicht ausreichen, das Grundwasser wieder in den Aquifer 3 zurückzuführen.
Da auch das Ausführungsbeispiel der Figur 2 eine abgeschlossenen Trockenaufstellung der geothermischen Dublette zeigt, ist dadurch - wie auch im Ausführungsbeispiel der Figur 1 - der Verockerungsproblematik des Leitungssystems entgegengewirkt.
Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 zeigt das Ausführungsbeispiel der Figur 3 eine geothermische Dublette in Nassaufstellung. Zwar entspricht der über der Erdoberfläche 21 liegende Teil des Wärmekraftwerks dem der zuvor beschriebenen beiden Ausführungsbeispiele, wobei eine Vielzahl von Abnehmern A mit Wärme versorgt werden.
Allerdings unterscheidet sich die unter der Erdoberfläche 21 liegende Teile der geothermischen Dublette in einigen Einzelheiten. Zwar weist der Förderbereich wie auch die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele einen in einem als vertikaler Schacht 10 ausgebildeten Förderbohrungl angeordneten Horizontalbrunnen 5 mit vier horizontalen, an einem aquiferseitigen Ende 12 der Förderleitungen 7 angeordneten Fördersträngen 6 auf. Allerdings mündet in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 jeder einzelne Förderstrang 6 direkt in den Förderschacht 10, in dem sich das Grundwasser sammelt. Der gesamte Horizontalbrunnen 5 ist auch hier unterhalb des Grundwasserspiegels 19 des Aquifers 3 angeordnet. In das im Förderschacht 10 gesammelte Grundwasser tauchen zwei Förderleitungen 7 ein, die mit jeweils einer Förderpumpe 20 versehen sind und das Grundwasser in eine gemeinsame Primärleitung 17 des Wärmekraftwerks fördern, von wo es wieder einem Injektionsbereich zugeführt wird. Auch dieser ist in diesem Ausführungsbeispiel in Nassaufstellung ausgebildet und besteht aus einer als Injektionsbohrung 4 ausgebildeten Injektionsschacht 11. In dem Injektionsschacht 11 sind vier horizontale Injektionsstränge 8 eingebracht, die direkt in den Injektionsschacht 11 münden. Weiter führen von der Primärleitung 17 zwei Injektionsleitungen 9 in den Injektionsschacht 11, in den das durch die Förderpumpen 20 geförderte Grundwasser aufgenommen wird, wobei sich hier auch der Grundwasserspiegel 19 einstellt. Aus dem Injektionsschacht 11 wird das Grundwasser über die Injektionsstränge 8 wieder dem Aquifer zugeführt.
Sowohl die Förderstränge 6 als auch die Injektionsstränge 8 weisen auch hier Filterrohre 2 auf, die in einer Schüttung liegen, die aus Kies 15 und/oder Glaskugeln 16 beziehungsweise ähnlichem Füllmaterial gebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird sowohl Kies15 als auch Glaskugeln 16 als Schüttung verwendet. Dies ist jedoch nur beispielhaft, in der Praxis wird jeder Horizontalbrunnen 5, 5‘ einheitlich mit einem Schüttmaterial, also entweder Kies 15 oder Glaskugeln 16 oder ähnlichem Füllmaterial versehen sein, um die Filterrohre 2 aufzunehmen. Die Verwendung von Glaskugeln 16 bietet sich dabei an, da diese einfacher von Partikeln gereinigt werden können als Kies. Eine Ausführung der geothermischen Dublette in Nassaufstellung bietet sich in der Regel dann an, wenn das im Aquifer 3 fließende Grundwasser eine Mineralisierung aufweist, die eine Verrockerung des Leitungssystems der geothermischen Dublette unwahrscheinlich erscheinen lässt.
Zwar wurde vorliegend die in den Figur 1 bis 3 dargestellten Anlagen zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Aquifer 3 beschrieben. Allerdings ist es auch möglich, die Anlage zum Kühlen zu verwenden, indem Wärmeenergie in den Aquifer 3 eingeführt wird, nachdem das dem Aquifer entnommene Wasser über den Wärmetauscher 13 beziehungsweise die Wärmepumpe 14 erwärmt wurde.
Bezugszeichenliste
1 Förderbohrung
2 Filterrohr
3 Aquifer
4 Injektionsbohrung
5 Horizontalbrunnen
6 Förderstrang
7 Förderleitung
8 Injektionsstrang
9 Injektionsleitung
10 Förderschacht
11 Injektionsschacht
12 aquiferseitiges Ende
13 Wärmetauscher
14 Wärmepumpe
15 Kies
16 Glaskugeln
17 Primärleitung
18 Sekundärleitung
19 Grundwasserspiegel
20 Förderpumpe
21 Erdoberfläche
22 aquiferseitiges Ende
A Wärmeabnehmer

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Austausch geothermischer Energie mit einem oberflächennahen Aquifer zum Betrieb in einem Wärmekraftwerk mit einer Förderbohrung (1) zur Förderung von Grundwasser aus dem Aquifer (3) durch wenigstens eine Förderleitung (7) und einer Injektionsbohrung (4) zur Injektion des geförderten Grundwassers in den Aquifer (3) durch wenigstens eine Injektionsleitung (9), wobei die wenigstens eine Förderleitung (7) mit der wenigstens einen Injektionsleitung (9) zur Wasserweiterleitung über eine Primärleitung (17) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderbohrung (1) an ihrem aquiferseitigen Ende (12) wenigstens einen horizontalen Förderstrang (6) aufweist, wobei dieser wenigstens eine Förderstrang (6) mit wenigstens einer Förderleitung (7) zur Wasserförderung aus dem Aquifer (3) heraus in Wirkverbindung stehen und wobei innerhalb des wenigstens einen Förderstrangs (6) ein Filterrohr (2) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionsbohrung (4) an ihrem aquiferseitigen Ende (22) wenigstens einen horizontalen Injektionsstrang (8) aufweist, wobei die Injektionsstränge (8) mit wenigstens einer Injektionsleitung (7) zur Wassereinleitung in den Aquifer (3) hinein in Wirkverbindung stehen und wobei innerhalb jeden Injektionsstrangs (8) ein Filterrohr (2) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Förderbohrung (1) mit der wenigstens einen Förderleitung (7) sowie dem wenigstens einen Förderstrang (6) einen ersten Horizontalfilterbrunnen (5) und b) die Injektionsbohrung (4) mit der wenigstens einen Injektionsleitung (9) sowie dem wenigstens einen Injektionsstrang (8) einen zweiten Horizontalfilterbrunnen (5‘) bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Horizontalfilterbrunnen (5, 5‘) eine geothermische Dublette bilden.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderbohrung (1) als ein erster Schacht (10) und die Injektionsbohrung (4) als ein zweiter Schacht (11) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Aquifer (3) durch die Förderbohrung (1) geförderte Grundwasser unter Ausschluss externen Sauerstoffs zur Injektionsbohrung (4) gefördert wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderbohrung (1) wenigstens zwei horizontale Förderstränge (6) aufweist, die in unterschiedlichen Höhen der Förderbohrung (1) innerhalb des Aquifers (3) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderbohrung (1) und die Injektionsbohrung (4) einen Mindestabstand des Zehnfachen der Tiefe der Förderbohrung (1) und der Injektionsbohrung (4) zueinander aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Förderstränge (6) und/oder die horizontalen Injektionsstränge (8) eine Länge von größer 10 Meter, bevorzugt größer 50 Meter und besonders bevorzugt größer 100 Meter aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterrohre (2) in einer Schüttung gelagert sind, wobei als Schüttungsmaterial und/oder Filtermaterial Kies oder Glaskugeln verwendet werden.
11 . Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Förderung des Wassers innerhalb des Förderbohrung (1), insbesondere innerhalb der wenigstens einen Förderleitung (7), und/oder innerhalb der Injektionsbohrung (4), insbesondere innerhalb der wenigstens einen Injektionsleitung (9) Förderpumpen (20) angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Förderpumpen (20) innerhalb der Vorrichtung, insbesondere innerhalb der wenigstens einen Förderleitung (7) und der wenigstens einen Injektionsleitung (9) ein Überdruck aufrechterhalten wird oder das Wasser mit einem festzulegenden beziehungsweise angepassten Druck durch die wenigstens eine Förderleitung (7) und die wenigstens einen Injektionsleitung (9) gepumpt wird.
13. Wärmekraftwerk mit wenigstens einer Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche.
14. Wärmekraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Wärmetauscher (13) und/oder wenigstens eine Wärmepumpe (14) aufweist, um dem zwischen Förderbohrung (1) und Injektionsbohrung (4) geförderten Grundwasser Wärmeenergie zu entnehmen oder zu zuführen.
15. Wärmekraftwerk nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens einen Wärmetauscher (13) und/oder die wenigstens eine Wärmepumpe (14) zum einen mit der Primärleitung (17) und zum anderen mit einer geschlossenen Sekundärleitung (18) zur Übertragung thermischer Energie wirkverbunden ist, wobei die Sekundärleitung (18) mit Wärmeabnehmern (A) wirkverbunden ist.
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