ES2219564T3 - Procedimiento y dispositivo para el intercambio de energia terrestre entre cuerpos terrestres y un intercambiador de energia, especialemnte para la generacion de corriente. - Google Patents
Procedimiento y dispositivo para el intercambio de energia terrestre entre cuerpos terrestres y un intercambiador de energia, especialemnte para la generacion de corriente.Info
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Abstract
Procedimiento para el intercambio de energía entre el cuerpo terrestre y un intercambiador de energía (2, 2a), en particular, para la generación de corriente, en el que el intercambiador de energía (2, 2a) está conectado al intercambiador de energía terrestre (18) en un proceso de circulación por medio de una tubería de alimentación (10) para vapor de agua y una tubería de retorno (14) para agua del circuito, que llega a una profundidad del cuerpo terrestre suficiente para la generación de vapor de agua, en el que se usa un único pozo (22) en el cuerpo terrestre para la alimentación y el retorno, caracterizado porque en el pozo (22) se rodea al menos un tubo de alimentación aislado térmicamente (20, 20a, 20b) con un tubo de separación (24), al que está conectada radialmente hacia el exterior una zona de retorno (28) para el agua del circuito, que contiene al menos uno de los tubos de retorno (30), que están en contacto con la tubería de retorno (14), y al menos en la parte inferior un relleno poroso (38), y que al menos en el fondo del pozo (22) está conectado por medio de una o varias aberturas de paso (44, 44a) en el tubo de separación (24) con una abertura de entrada inferior (46, 46a) del tubo de alimentación (20, 20a, 20b).
Description
Procedimiento y dispositivo para el intercambio
de energía terrestre entre cuerpos terrestres y un intercambiador de
energía, especialmente para la generación de corriente.
La invención se refiere a un procedimiento según
el preámbulo de la reivindicación 1 y a un dispositivo para la
realización del procedimiento según el preámbulo de la
reivindicación 14.
Puesto que la temperatura de la corteza terrestre
aumenta con la profundidad, es posible la generación de vapor de
agua caliente por medio de pozos de suficiente profundidad, a partir
por ejemplo de una profundidad de 2000 m, con el que se puede hacer
funcionar una central de energía geotérmica o un sistema de
calefacción a distancia. Un procedimiento de este tipo tiene un
significativo interés económico. Con el denominado "procedimiento
de rocas calientes y secas" (véase por ejemplo la Enciclopedia
Brockhaus, tomo 8, 19ª edición, F.A. Brockhaus GmbH, Mannheim, 1989,
págs. 337-338) se usa el calor de las rocas
calientes secas del subsuelo por medio de dos pozos de profundidad
suficiente situados a cierta distancia entre sí, introduciendo agua
a presión a través de uno de ellos en grietas ensanchadas
artificialmente y bombeándola de nuevo hacia la superficie a través
del otro en forma de agua recalentada o de vapor. Las de
funcionamiento más sencillo son las centrales de energía geotérmica
según el principio del vapor seco, por medio del cual se puede
conducir vapor recalentado directamente a los álabes de las turbinas
para el impulso de generadores. Los principales inconvenientes del
procedimiento de rocas calientes y secas son la necesidad de
perforar dos pozos separados, el ensanchamiento artificial de
grietas en las rocas del subsuelo y el requerimiento de una zona de
roca viva suficientemente caliente.
El documento DE 2 631 552 da a conocer un
dispositivo con un único pozo para las tuberías de alimentación y
retorno que requiere una cavidad a presión.
Se conocen múltiples dispositivos para el
aprovechamiento de la energía terrestre a poca profundidad, como el
procedimiento descrito inicialmente. Tales dispositivos usan la
energía terrestre a unas profundidades desde 100 hasta 2000 m y
mayores, fluyendo por ejemplo el agua del circuito desde la tubería
de retorno de un intercambiador de energía a través de un relleno
poroso hasta la base de un pozo, calentándose y conduciéndola de
nuevo por medio de una bomba a través de la tubería de alimentación
hasta el intercambiador de energía. El aprovechamiento del vapor de
agua caliente no es posible con dispositivos de este tipo.
El objetivo de la invención es obtener un
procedimiento y un dispositivo para el aprovechamiento del vapor de
agua caliente en las rocas del subsuelo evitando los inconvenientes
del procedimiento descrito inicialmente.
El objetivo se alcanza por medio de:
a) el procedimiento según la reivindicación 1,
y
b) el dispositivo según la reivindicación 14.
Puesto que los tubos de retorno y el tubo de
separación junto con el tubo de alimentación formado se alojan en un
único pozo, los trabajos de perforación requeridos en comparación
con el procedimiento de rocas calientes y secas se reducen a la
mitad aproximadamente. Dado que en la parte inferior del pozo, la
zona de alimentación y la zona de retorno están conectadas entre sí
por medio de una o varias aberturas de paso en el tubo de
separación, y que la parte inferior del retorno contiene finalmente
un relleno poroso, el sistema cerrado es posible, sin que
prácticamente se infiltre agua del entorno, funcionando
esencialmente con el volumen propio de agua introducido en el
circuito, por lo que el ensuciamiento del sistema del circuito se
reduce sustancialmente. Con esto, prácticamente no se debe
suministrar agua y, por otra parte, tras la puesta en marcha no se
producen pérdidas de agua hacia el entorno, con lo que los efectos
sobre el medio ambiente se reducen sustancialmente. Puesto que no se
debe suministrar agua del entorno, se evita el ensuciamiento o la
acumulación de lodos en el intercambiador de energía. Además, tras
la puesta en marcha del dispositivo tiene lugar la desmineralización
del agua del circuito debido a la vaporización reiterada, por lo que
el riesgo de daños por corrosión en las tuberías se reduce
sustancialmente. Tras un cierto tiempo de funcionamiento, el agua
del circuito puede haber alcanzado tal pureza que sólo sea necesaria
una limpieza adicional en intervalos de tiempo largos. Esto conlleva
una sustancial reducción de costes y un aumento de la seguridad de
funcionamiento.
En la fase de puesta en marcha puede ser
conveniente suministrar agua nueva y recoger en un tanque colector y
desmineralizar el agua contenida en el circuito y que está bajo
presión. Una ventaja adicional consiste en que el relleno poroso de
la zona de retorno facilita una mejora del intercambio de calor, de
manera que no es necesario el ensanchamiento artificial de grietas
en las rocas del subsuelo. Otra ventaja adicional es que para el
dispositivo según la invención presente no existen requisitos
especiales acerca de la consistencia geológica, por lo que no hay
limitaciones especiales a la ubicación de un dispositivo de este
tipo.
Las reivindicaciones 2 y 13 describen
configuraciones ventajosas del procedimiento y las reivindicaciones
13 a 35 describen configuraciones ventajosas del dispositivo.
En general, antes de la puesta en marcha, el
intercambiador de energía contiene agua del circuito, por ejemplo,
agua de limpieza o agua infiltrada del cuerpo terrestre. La presión
de la columna de agua presente en el tubo de alimentación o en los
tubos de alimentación evita la toma de vapor del intercambiador de
energía, siempre y cuando la presión de la columna de agua en la
parte inferior del tubo de alimentación o de los tubos de
alimentación sea superior a la presión del vapor de agua.
Para la puesta en marcha del procedimiento se
puede usar según la reivindicación 2 al menos una bomba de
circulación para poner en movimiento las columnas de agua de retorno
y de alimentación, de manera que el agua del circuito de
alimentación se calienta progresivamente y empieza finalmente la
generación de vapor.
Para la puesta en marcha del procedimiento o del
dispositivo se puede comprimir la columna de agua del tubo de
alimentación o de los tubos de alimentación por medio de un
dispositivo de medio a presión conectable, según las
reivindicaciones 3 a 9. La generación de vapor así iniciada en la
parte inferior del pozo pone en marcha un proceso de circulación en
el que el agua del circuito del intercambiador de energía fluye
hacia la parte inferior del pozo a través del tubo de retorno o de
los tubos de retorno, con lo que el vapor de agua aparecido llega al
intercambiador de energía a través del tubo de alimentación o de los
tubos de alimentación y la tubería de alimentación, y allí entrega
la energía realimentando el circuito en forma de agua.
El medio a presión necesario para la puesta en
marcha se puede aportar en la parte superior del tubo de
alimentación según la reivindicación 4, o en la parte superior del
tubo de retorno según la reivindicación 5. Resulta ventajoso aportar
el medio a presión previamente precalentado según la reivindicación
6 para acelerar la puesta en marcha del dispositivo. Como medio a
presión se puede usar aire comprimido según la reivindicación 7.
También resulta ventajoso según la reivindicación 8 el uso de vapor
de agua como medio a presión, que se obtiene preferentemente por
medio del descenso de un hervidor por inmersión en el tubo de
alimentación. Resulta especialmente ventajoso usar agua como medio a
presión según la reivindicación 9.
Básicamente, al poner en marcha el dispositivo,
el agua del circuito del intercambiador de energía que se debe
comprimir puede conducirse al cuerpo terrestre a través de aberturas
de paso adecuadas. Los inconvenientes geológicos y ecológicos
asociados se pueden evitar con la configuración según la
reivindicación 10. En particular, el agua del circuito evacuada
puede dilatarse, depurarse y desmineralizarse y, si se desea,
reusarse.
Se consiguen unas buenas condiciones de
funcionamiento si, según la reivindicación 11, el agua del circuito
que refluye tiene una temperatura inferior a 100ºC, preferentemente
entre 20ºC y 30ºC. La temperatura de alimentación del vapor de agua
en el intercambiador de energía debería ser 100ºC al menos, según la
reivindicación 12, preferentemente entre 350ºC y 370ºC. Otras
condiciones ventajosas se describen en la reivindicación 13.
Según la reivindicación 15, el dispositivo puede
estar dotado de una bomba de circulación en la tubería de retorno
y/o en la tubería de alimentación, que se usa especialmente para la
puesta en marcha del dispositivo, pero que también puede servir como
asistencia al funcionamiento.
También resulta ventajosa la puesta en marcha del
dispositivo mediante un medio a presión, según una configuración de
la reivindicación 16. El dispositivo para la generación del medio a
presión puede conformarse como una bomba de presión, según la
reivindicación 17. Resulta especialmente ventajosa una configuración
según la reivindicación 18, en la que se usa como dispositivo de
medio a presión un hervidor por inmersión, que al descender en el
tubo de alimentación provoca la vaporización del agua del circuito y
genera así el medio a presión.
El agua del circuito que se ha de expulsar del
tubo de alimentación en la puesta en marcha del procedimiento y/o
del dispositivo se evacúa por encima de la superficie terrestre por
el medio adecuado según la reivindicación 19. Las reivindicaciones
20 y 21 describen medios adecuados de evacuación. Como ya se ha
mencionado anteriormente, existe una solución especialmente
preferible según la reivindicación 22, que consiste en reunir el
agua del circuito que se ha de expulsar en un tanque colector para
limpiarla de sustancias contaminantes, lo que constituye una
solución respetuosa con el medio ambiente y con el dispositivo. El
agua del circuito expulsada y depurada puede volver a alimentarse en
el dispositivo según la reivindicación 23.
La configuración según la reivindicación 24
resulta especialmente ventajosa para la puesta en marcha del
dispositivo. Después de cerrar la válvula de cierre en la tubería de
retorno y en la tubería de alimentación, así como la válvula de
cierre entre el primer tubo de alimentación y el resto de tubos de
alimentación, la conexión del dispositivo de medio a presión en el
primer tubo de alimentación provoca en primer lugar la presión hacia
abajo del agua del circuito en el tubo de alimentación mencionado,
con lo que un volumen de agua equivalente es presionado hacia el
exterior del sistema de retorno por el resto de tubos de
alimentación a través de la válvula de descarga. Después de drenar
de esta forma el primer tubo de alimentación, la presión de gas
introducida provoca también el drenaje de los tubos de alimentación
restantes. A continuación se desconecta el dispositivo de medio a
presión, y el proceso de circulación accionado por la fuerza del
vapor se pone en marcha cerrando la válvula de descarga y abriendo
la válvula de cierre en la tubería de retorno y en la tubería de
alimentación, así como la válvula de cierre entre el primer tubo de
alimentación y el resto de tubos de alimentación.
La configuración según la reivindicación 25
reduce las pérdidas térmicas en el tubo de alimentación y puede así
aumentar la eficiencia del dispositivo.
Básicamente se puede pensar en disponer un único
tubo de retorno en la zona de retorno. Sin embargo, se obtienen
resultados sustancialmente mejores con una conformación según la
reivindicación 26, puesto que de esa forma todas las zonas del pozo
se pueden concebir igualmente y usarse para la obtención de energía.
La disposición de varios tubos para la alimentación y/o el retorno
tiene la ventaja de que el dispositivo se puede hacer funcionar a
varias velocidades, en función de la conexión o desconexión de los
tubos individuales.
Una mejora adicional de la eficiencia se consigue
mediante la configuración según la reivindicación 27, en la que se
evita el intercambio de calor entre el agua del circuito y el cuerpo
terrestre en la parte superior del pozo, donde la temperatura
terrestre es inferior a la temperatura del agua del circuito,
mientras que en la parte inferior del pozo, donde la temperatura
terrestre es superior a la temperatura del agua del circuito, se
consigue un intercambio de calor intensificado. Además, de este modo
se evita la entrada en el pozo de agua sucia de las capas terrestres
superiores.
Resulta especialmente ventajosa una configuración
del dispositivo según la reivindicación 28, puesto que se consigue
una reducida resistencia al flujo mediante la existencia de
aberturas de paso en la parte inferior del tubo de separación y por
medio del tubo de alimentación no conformado en la zona
mencionada.
La profundidad del pozo necesaria depende del
perfil de temperatura en la corteza terrestre. En regiones sin
anomalías geotérmicas significativas son convenientes profundidades
de pozo de, por ejemplo, 2500 a 12000 m, según la reivindicación 29.
Sin embargo, son posibles profundidades mayores.
Una mejora adicional en el intercambio de calor
entre el agua del circuito y el cuerpo terrestre se consigue
mediante la formación de orificios de desvío laterales conforme a la
configuración según la reivindicación 30. Tales orificios de desvío
pueden ser orificios ciegos, aunque resultan más ventajosos los
orificios pasantes que terminan de nuevo en el pozo. De este modo se
puede incrementar sustancialmente la superficie de transmisión de
calor y, por tanto, la potencia del intercambiador de calor. Tales
orificios de desvío discurren esencialmente en la dirección del
pozo, según la reivindicación 31, puesto que de este modo son más
fáciles de construir. Con la disposición radial al pozo según la
reivindicación 32, los orificios de desvío se encuentran en zonas de
mayor temperatura y hacen así posible una mayor energía del vapor
con menor superficie de transmisión.
El intercambiador de energía alimentado con el
vapor de agua generado puede ser un consumidor de energía directo,
según la reivindicación 33, o un intercambiador de calor que
calienta un circuito adicional, según la reivindicación 34. El
último hace posible en particular un proceso de circulación cerrado,
en el que no tiene lugar una reducción de presión ni, por tanto, la
caída de minerales en el agua del circuito, por lo que se previene
la obstrucción por lodos del dispositivo. Resulta especialmente
ventajosa la configuración con la que se genera corriente eléctrica.
Un dispositivo de ese tipo puede mejorarse si se produce
adicionalmente calor, con lo que la temperatura del agua del
circuito que refluye se reduce más y la eficiencia del dispositivo
aumenta. Resulta conveniente el uso de una turbina para el
accionamiento de un generador de corriente según la reivindicación 35 en el proceso ORC, es decir, ciclos orgánicos rankine.
accionamiento de un generador de corriente según la reivindicación 35 en el proceso ORC, es decir, ciclos orgánicos rankine.
A continuación se describen con más detalle
ejemplos de realización de la invención por medio de figuras, que
muestran:
Figura 1: un dispositivo en representación
esquemática en sección vertical;
Figura 2: el sistema de tubos de un dispositivo
en representación esquemática en sección horizontal
II-II de la figura 1 y a una escala superior;
Figura 3: el sistema de tubos de un dispositivo
en representación esquemática en sección horizontal
III-III de la figura 1 y a una escala superior;
Figura 4: un dispositivo modificado en
representación esquemática en sección vertical;
Figura 5: un sistema de tuberías modificado del
dispositivo den la figura 4 en representación esquemática en sección
vertical;
Figura 6: un tanque colector para el agua del
circuito, en representación esquemática en sección vertical;
Figura 7: un dispositivo de medio a presión en
representación esquemática y en sección vertical;
Figura 8: un dispositivo con bomba de
circulación en representación esquemática en sección vertical; y
Figura 9: un intercambiador de calor terrestre
con orificios de desvío radiales en sección y en sección
vertical.
La figura 1 muestra un dispositivo para el
aprovechamiento de la energía terrestre, por ejemplo, para la
alimentación de un intercambiador de energía 2. El intercambiador de
energía 2 está compuesto preferentemente por una turbina 4 de varios
escalones, que acciona un generador de corriente 6, y por un
consumidor de energía 8 conectado a la derivación de la turbina 4,
que puede representar, por ejemplo, una red de calefacción. El
intercambiador de energía 2 está conectado por medio de una tubería
de alimentación 10 con una válvula de cierre regulable 12 y por
medio de una tubería de retorno 14 con una válvula de cierre
regulable 16 con un intercambiador de energía terrestre 18, que
contiene en un pozo 22 al menos dos tubos de alimentación 20 y 20a
aislados térmicamente. Los tubos de alimentación 20 y 20a están
rodeados por un tubo de separación 24, al que se conecta radialmente
hacia el exterior hasta la pared del pozo 26 una zona de retorno 28,
en la que hay dispuestos tubos de retorno 30. La zona del pozo que
incluye los tubos de retorno 30 es estanca en la parte superior 32
hasta una distancia T_{1} de preferentemente 2000 a 2500 m bajo la
superficie terrestre 34, y está rellenada por un relleno poroso 38,
por ejemplo grava, en la parte inferior hasta el fondo del pozo 36.
Las paredes de los tubos de retorno 30 presentan aberturas de paso
40 en la zona del relleno poroso 38 para mejorar el intercambio de
calor, puesto que el agua y/o el vapor de los tubos de retorno 30
entra en el relleno poroso, se calienta más y puede refluir a los
tubos de retorno 30. En la tubería de retorno 14 hay conectada una
conducción 41 con una válvula de cierre 43 para poder suministrar
agua al proceso de circulación en caso de necesidad, por ejemplo, en
caso de infiltración o evaporación.
Para aumentar la eficiencia del dispositivo, la
zona entre los tubos de alimentación 20 y/o 20a y el tubo de
separación 24 está rellenada con un material aislante 42. Los tubos
de alimentación 20 y 20a terminan a una distancia T_{3}de
preferiblemente 400 m por encima del fondo del pozo 36, y en la zona
por debajo el tubo de separación 24 está dotado de aberturas de paso
44. Los tubos de alimentación 20 y 20a están intercomunicados entre
sí en la zona de sus aberturas de entrada inferiores 46 y 46a.
En la superficie terrestre 34, el primer tubo de
alimentación 20 está comunicado con la tubería de alimentación 10.
El segundo tubo de alimentación 20a está comunicado con la tubería
de alimentación 10 a través de una válvula de cierre regulable 48.
Un dispositivo de medio a presión conectable 50 se conforma aquí
como dispositivo de bomba de presión y está compuesto al menos por
una bomba de presión 52 y una válvula de conexión 54. Este
dispositivo de bomba de presión está conectado con la tubería de
alimentación 10 en la zona entre el primer tubo de alimentación 20 y
la válvula de cierre 12. La bomba de presión 52 se conforma como
bomba hidráulica preferentemente para agua caliente o, dado el caso,
como compresor para aire comprimido. Una tubería de evacuación 55
con una válvula de evacuación 56 se encuentra en la zona de la
tubería de alimentación 10 entre el segundo tubo de alimentación 20a
y la válvula de cierre 48.
Antes de la puesta en marcha del dispositivo
según la figura 1, el intercambiador de energía terrestre 18
contiene por lo general agua del circuito. Como consecuencia de la
conexión entre los tubos de retorno 30 y los tubos de alimentación
20 y 20a en la zona inferior del pozo 22, el nivel del agua en los
tubos de alimentación 20 y 20a es básicamente igual que el nivel del
agua en los tubos de retorno 30. La columna de agua presente en los
tubos de alimentación 20 y 20a y en los tubos de retorno 30 evita la
producción de vapor de agua caliente. Para la puesta en marcha del
dispositivo según la figura 1, el dispositivo de bomba de presión
conectable 50 se activa por medio de la abertura de la válvula de
conexión 54 en el primer tubo de alimentación 20, con lo que la
válvula de cierre 48 entre los tubos 20 y 20a y las válvulas de
cierre 12 y 16 de la tubería de alimentación 10 y de la tubería de
retorno 14 están cerradas. De esta forma, el agua del circuito vieja
del tubo de alimentación 20 se evacúa por medio del segundo tubo de
alimentación 20a a través de la válvula de descarga 56. Tras
reemplazar con éxito el agua vieja del circuito por agua caliente o
tras drenar los tubos de alimentación 20 y 20a por medio de aire
comprimido, la generación de vapor en el intercambiador de energía
terrestre 18 se pone en marcha. El dispositivo de bomba de presión
50 se desconecta de la alimentación al cerrar la válvula de conexión
54, y la válvula de cierre 48 se abre y la válvula de descarga 56 se
cierra. Por medio de la abertura de la válvula de cierre 16 en la
tubería de retorno 14, el intercambiador de energía 18 es alimentado
por una cantidad de agua del circuito equivalente al vapor evacuado
del intercambiador de energía 18 a través de la tubería de
alimentación 10 después de abrir la válvula de cierre 12. De esta
forma se pone en marcha un proceso de circulación accionado por la
fuerza del vapor. La temperatura, la presión y/o la cantidad de
vapor de agua en la tubería de alimentación 10 se regulan de forma
ventajosa con la válvula de cierre regulable 12. Si se extrae mucho
vapor la temperatura del vapor desciende; por el contrario, la
temperatura del vapor aumenta si se extrae poco vapor.
Para la mejora del intercambio de calor, el pozo
22 puede estar dotado, en la zona inferior a una distancia T_{1}
por debajo de la superficie terrestre, que puede ser de por ejemplo
500 m al menos, de orificios de desvío laterales 56, que pueden
estar conformados como orificios ciegos, como se muestra, o
preferiblemente como orificios pasantes 58a, como se representa con
líneas de puntos. Contienen asimismo un tubo 59 dado el caso con
agujeros 59a en la pared y están dotados de un relleno poroso 38a.
Tales orificios de desvío 58a pueden empezar a partir de 500 a 4000
m por debajo de la superficie terrestre y desembocar de nuevo en el
pozo 22 a una profundidad de entre 2500 y 12000 m, y sirven para
ampliar las superficies transmisoras de calor. Puede haber un único
orificio de desvío de ese tipo, pero es conveniente disponer varios
orificios de desvío distribuidos alrededor del pozo.
La figura 2 muestra el dispositivo según la
figura 1 en representación esquemática en sección horizontal
II-II de la figura 1, a una profundidad de, por
ejemplo, entre 1000 y 12000 m por debajo de la superficie terrestre
34. El pozo tiene un diámetro D de, por ejemplo, 150 a 500 mm. La
zona por debajo del tubo de separación 24 entre los tubos de
alimentación 20 y 20a está rellenada por medio de un material
aislante 42. En la zona circular 60 del pozo 22 entre el tubo de
separación 24 y la pared del pozo 26 hay dispuestos, por ejemplo,
cuatro tubos de retorno 30 distribuidos en torno al contorno. La
cavidad de la zona circular 60 entre los tubos de retorno 30 está
rellenada con un relleno poroso 38. La pared del tubo de retorno 30
está dotada de aberturas de paso 40.
La figura 3 muestra el dispositivo según la
figura 1 en representación esquemática en sección horizontal
III-III de la figura 1, a una profundidad T_{3}
de, por ejemplo, hasta 400 m por encima del fondo del pozo 38. El
tubo de separación 24 está dotado de aberturas de paso 44 y está
libre de tubos de alimentación y material aislante, y sirve como
espacio colector para el vapor de agua.
La puesta en marcha del dispositivo, es decir, la
generación de vapor, se produce a una temperatura superior a 100ºC.
La temperatura de funcionamiento del intercambiador de energía 2 es
superior a 100ºC, y es preferentemente de entre 350ºC y 370ºC en la
tubería de alimentación 10. En la turbina de vapor de varios
escalones 4 del intercambiador de energía 2, el vapor se enfría a
menos de 100ºC y se condensa en agua del circuito, que el consumidor
de energía 8 suministra, por ejemplo, a un intercambiador de calor.
En el intercambiador de calor, una alimentación 8a de un circuito
consumidor se calienta hasta aproximadamente 90ºC, que tras la
entrega de calor refluye como retorno 8b al intercambiador de calor
a aproximadamente 20ºC. Esto provoca que el agua del circuito del
intercambiador de calor 8 lo abandone, y con ello el intercambiador
de energía 2, con una temperatura de aproximadamente 25ºC a 30ºC, y
sea suministrada a través de la tubería de retorno 14 a los tubos de
retorno 30.
La figura 4 muestra un dispositivo según la
figura 1, en el que sin embargo hay conformado sólo un tubo de
alimentación 20. La zona de retorno 28 está conectada en la zona
inferior del pozo 22 con la abertura inferior de entrada 46 del tubo
de alimentación 20 a través de una o varias aberturas de paso 44a en
el tubo de separación 24. De forma alternativa se conforma toda la
zona inferior del pozo 22 como se representa en las figuras 1 y 3.
Los tubos de retorno 30 se concentran en la tubería de retorno 14,
que en la zona entre el intercambiador de energía 18 y la válvula de
cierre 16 está preferentemente dotada de una válvula de descarga 56a
a una tubería de evacuación 55. A una distancia mayor, la tubería de
retorno 14 está conectada a una conducción 41 con una válvula de
cierre 43 para el suministro de agua nueva o agua de retorno. Un
dispositivo de medio a presión 50a, conformado de nuevo como
dispositivo de bomba de presión y formado al menos por una bomba de
presión 52a y una válvula de conexión 54a, está conectado a la
tubería de alimentación 10 en la zona entre el intercambiador de
energía terrestre 18 y la válvula de cierre 12.
Para la puesta en marcha del dispositivo mostrado
en la figura 4, el dispositivo de bomba de presión 50a se activa,
con la válvula de cierre 12 de la tubería de alimentación 10 cerrada
y la válvula de cierre 16 de la tubería de retorno 14 cerrada, por
medio de la abertura de la válvula de conexión 54a. El agua del
circuito en el tubo de alimentación 20 es presionada hacia abajo y
evacuada por encima de la superficie terrestre 34 por medio del tubo
de retorno 30 a través de la válvula de descarga 56a. Tras el
drenaje con éxito del tubo de alimentación 20, o tras el llenado con
éxito con agua caliente, la generación de vapor en el intercambiador
de energía terrestre 18 se pone en marcha. El dispositivo de bomba
de presión 50a se desconecta de la tubería de alimentación 10 al
cerrar la válvula de conexión 54a y la válvula de descarga 56a se
cierra.. Por medio de la abertura de la válvula de cierre 16 en la
tubería de retorno 14 y de la válvula de cierre 12 en la tubería de
alimentación 10, el proceso de circulación se pone en marcha por
medio de la fuerza del vapor.
La figura 5 muestra el sistema de tuberías por
encima de la superficie terrestre del dispositivo de la figura 4, en
el que sin embargo el dispositivo de medio a presión 50b no está
conectado con la tubería de alimentación 10 como en el ejemplo de
las figuras 1 y 3, sino con la tubería de retorno 14 en la zona
entre el intercambiador de energía terrestre 18 y la válvula de
cierre 16. Una tubería de evacuación 55 con una válvula de descarga
56b está conectada a la tubería de alimentación 10 en la zona entre
el intercambiador de energía terrestre 18 y la válvula de cierre 12.
En este caso, para la puesta en marcha del dispositivo se drena o se
llena con agua caliente al menos un tubo de retorno 30, con las
válvulas de cierre 12, 16 en la tubería de alimentación 10 y en la
tubería de retorno 14 cerradas, y el tubo de alimentación 20 por
medio del dispositivo de bomba de presión 50b con la válvula de
conexión 54b abierta, de forma que el agua del circuito presionada
se evacúa a través de la válvula de descarga 56b y la tubería de
evacuación 55. Una vez finalizado el proceso, la válvula de descarga
56b y la válvula de conexión 54b deben cerrarse. Por medio de la
abertura de la válvula de cierre 12 de la tubería de alimentación
10, el vapor aparecido se puede conducir al intercambiador de
energía 2. El agua del circuito necesaria para la generación de
vapor está disponible por medio de la abertura de la válvula de
cierre 16 a través de la tubería de retorno 14 y los tubos de
retorno 30, dado el caso mediante la conmutación temporal de una
bomba de presión (no representada), y/o del cuerpo terrestre en la
zona inferior del pozo, y/o a través de una conducción 41 conectada
a la tubería de retorno 14 por medio de una válvula de cierre
43.
En dispositivos de este tipo, el agua del
circuito comprimida al poner en marcha el dispositivo
preferentemente no se evacua al entorno desde el intercambiador de
energía 18 a través de las válvulas de descarga 56, 56a, 56b y la
tubería de evacuación 55, sino que, según el ejemplo de realización
de la figura 6, se acumula en un tanque colector 62. Allí, el agua
del circuito 64 se depura, por ejemplo, se libera de lodos 66 y se
desmineraliza, y dado el caso se suministra de nuevo al proceso de
circulación a través de la conducción 41 y la válvula de cierre 43.
El tanque colector 62 también puede usarse en general para la
preparación de la depuración, desmineralización, etc. del agua del
circuito, si las mediciones indican que ésta está demasiado sucia
para el proceso de circulación. De este modo se evita en todo caso
el impacto ambiental provocado por el agua del circuito sucia y a
presión. Por medio de la depuración y en todo caso la preparación
del agua del circuito a presión, se puede suministrar al proceso de
circulación agua en condiciones óptimas, con lo que, por una parte,
el dispositivo se protege frente a posibles daños, especialmente
corrosión, y, por otra parte, el cuerpo terrestre que envuelve el
intercambiador de energía terrestre 18 se protege frente a daños por
contaminación.
La figura 7 muestra un ejemplo adicional de
realización de un dispositivo de medio a presión 50c, que como medio
a presión para expulsar el agua del circuito 64 del tubo de
alimentación 20b usa, en lugar de aire comprimido o agua a presión
del dispositivo de bomba de presión de los ejemplos de realización
de las figuras 1 a 4, el vapor resultante de la vaporización del
agua del circuito 64 en el tubo de alimentación 20b. El dispositivo
de medio de presión contiene un hervidor por inmersión 68, que se
sumerge en el agua del circuito 64 del tubo de alimentación 20b y se
guía y centra en el tubo de alimentación por medio de elementos de
guiado laterales 70. El hervidor por inmersión 68 cuelga de un cable
de acero 72, que es guiado a través de una esclusa de presión 74 en
una tapa de cierre 76 del tubo de alimentación 20b hacia el exterior
y por medio de una polea de inversión 78 hasta un torno 80.
Análogamente, también una conducción eléctrica 82 del hervidor por
inmersión 68 es guiada a través de una esclusa de presión 74 hacia
el exterior y por medio de una polea de inversión 84 hasta un torno
86. Ambos tornos 80, 86 son accionados en sentido contrario por un
único motor de accionamiento 88 y un único mecanismo 90. El hervidor
por inmersión 68 puede seguir por medio de los tornos 80, 86 el
nivel del agua del circuito tanto tiempo como sea necesario, en
función de la progresiva vaporización y de la progresiva evacuación
del agua del circuito, para que empiece la generación de vapor en el
intercambiador de energía terrestre y el proceso de circulación se
ponga en marcha. A continuación, el hervidor por inmersión 68 puede
retornar a la posición de salida por medio de los tornos 80, 86.
La figura 8 muestra el sistema de tuberías por
encima de la superficie terrestre del dispositivo de la figura 5, en
el que sin embargo en lugar del dispositivo de medio a presión
conectable 50b de la figura 5 se ha dispuesto una bomba de
circulación 92 y 94 en la tubería de retorno 14 y en todo caso en la
tubería de retorno 10. Una tubería de evacuación 55 con una válvula
de descarga 56b está conectada de nuevo a la tubería de alimentación
10 tras la bomba de circulación 94. A una distancia mayor, la
tubería de retorno 14 está conectada a una conducción 41 con una
válvula de cierre 43. Como intercambiador de energía 2a funciona un
sistema cerrado que conecta el dispositivo con un segundo circuito
96 con alimentación 96a y retorno 96b, que conducen a uno o varios
consumidores de energía como turbinas (por ejemplo, para generadores
de corriente), calefactores y otros. En este caso no son necesarias
las válvulas de cierre 12, 16 en la tubería de alimentación 10 y en
la tubería de retorno 14. Para la puesta en marcha del dispositivo
se activan las bombas de circulación 92, 94 y se hace circular el
agua del circuito en el sistema hasta que ha alcanzado un
calentamiento tal que la evacuación de una parte del agua del
circuito a través de la tubería de evacuación 55 y el consiguiente
descenso de presión en el circuito provoca la aparición de vapor de
agua y el circuito pasa a ser autónomo, de forma que las bombas de
circulación 92, 94 se pueden desactivar.
La figura 9 muestra la parte inferior del pozo 22
de forma análoga al ejemplo de la figura 1, pero con los orificios
de desvío laterales 58b no dispuestos en la dirección del pozo 22,
sino esencialmente en dirección radial a ésta. Los orificios de
desvío 58b parten por encima del fondo del pozo 36 de forma radial
desde el pozo 22, trazan un lazo 98 y vuelven a entrar en el pozo 22
cerca del fondo del pozo 36. El orificio de desvío 58b está dotado
de nuevo de un tubo 59 perforado con agujeros 59a y de un relleno
poroso 38a. Por medio de esta configuración se consigue una gran
superficie de intercambio de calor a una profundidad terrestre con
alta temperatura.
| 2 | Intercambiador de energía |
| 4 | Turbina de vapor de varios escalones |
| 6 | Generador de corriente |
| 8 | Consumidor de energía |
| 8a | Alimentación |
| 8b | Retorno |
| 10 | Tubería de alimentación |
| 12 | Válvula de cierre regulable |
| 14 | Tubería de retorno |
| 16 | Válvula de cierre regulable |
| 18 | Intercambiador de energía terrestre |
| 20, 20a, 20b | Tubo de alimentación |
| 22 | Pozo |
| 24 | Tubo de separación |
| 26 | Pared del pozo |
| 28 | Zona de retorno |
| 30 | Tubo de retorno |
| 32 | Zona estanca |
| 34 | Superficie terrestre |
| 36 | Fondo del pozo |
| 38, 38a | Relleno poroso |
| 40 | Aberturas de paso en el tubo de retorno |
| 41 | Conducción |
| 42 | Material aislante |
| 43 | Válvula de cierre |
| 44, 44a | Aberturas de paso en el tubo de separación |
| 46, 46a | Abertura de entrada inferior del tubo de alimentación |
| 48 | Válvula de cierre |
| 50, 50a, 50b, 50c | Dispositivo de medio a presión conectable (dispositivo de bomba de presión) |
| 52, 52a, 52b | Bomba de presión |
| 54, 54a, 54b | Válvula de conexión regulable |
| 55 | Tubería de evacuación |
| 56, 56a, 56b | Válvula de descarga |
| 58 | Orificio de desvío lateral |
| 58a | Orificio de desvío lateral |
| 58b | Orificio de desvío lateral |
| 59 | Tubo |
| 59a | Agujero |
| 60 | Zona circular |
| 62 | Tanque colector |
| 64 | Agua del circuito |
| 66 | Lodo |
| 68 | Hervidor por inmersión |
| 70 | Elemento de guiado |
| 72 | Cable de acero |
| 74 | Esclusa de presión |
| 76 | Tapa de cierre |
| 78 | Polea de inversión |
| 80 | Torno |
| 82 | Conducción eléctrica |
| 84 | Polea de inversión |
| 86 | Torno |
| 88 | Motor de accionamiento |
| 90 | Mecanismo |
| 92 | Bomba de circulación |
| 94 | Bomba de circulación |
| 96 | Segundo circuito |
| 96a | Alimentación |
| 96b | Retorno |
| 98 | Lazo |
Claims (35)
1. Procedimiento para el intercambio de energía
entre el cuerpo terrestre y un intercambiador de energía (2, 2a), en
particular, para la generación de corriente, en el que el
intercambiador de energía (2, 2a) está conectado al intercambiador
de energía terrestre (18) en un proceso de circulación por medio de
una tubería de alimentación (10) para vapor de agua y una tubería de
retorno (14) para agua del circuito, que llega a una profundidad del
cuerpo terrestre suficiente para la generación de vapor de agua, en
el que se usa un único pozo (22) en el cuerpo terrestre para la
alimentación y el retorno, caracterizado porque en el pozo
(22) se rodea al menos un tubo de alimentación aislado térmicamente
(20, 20a, 20b) con un tubo de separación (24), al que está conectada
radialmente hacia el exterior una zona de retorno (28) para el agua
del circuito, que contiene al menos uno de los tubos de retorno
(30), que están en contacto con la tubería de retorno (14), y al
menos en la parte inferior un relleno poroso (38), y que al menos en
el fondo del pozo (22) está conectado por medio de una o varias
aberturas de paso (44, 44a) en el tubo de separación (24) con una
abertura de entrada inferior (46, 46a) del tubo de alimentación (20,
20a, 20b).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque el proceso de circulación y, por tanto,
la generación de vapor, se pone en marcha por medio de al menos una
bomba de circulación (92, 94).
3. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque para la puesta en marcha del proceso de
circulación se comprime una columna de agua presente en el tubo de
alimentación (20, 20a, 20b) mediante un medio a presión, hasta que
aparece vapor de agua y está disponible en el intercambiador de
energía (2, 2a) con un valor nominal predeterminado.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el medio a presión se introduce en la
zona superior del tubo de alimentación (20, 20b).
5. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque el medio a presión se introduce en la
zona superior del tubo de retorno (30).
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque se usa un medio
a presión precalentado.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque se usa aire
comprimido como medio a presión.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque se usa vapor de
agua como medio a presión, generado preferentemente por medio de la
vaporización progresiva de la columna de agua en el tubo de
alimentación (20b) por medio de un hervidor de inmersión (68).
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque se usa agua a
presión como medio a presión.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque el agua del
circuito (64) que se evacua del tubo de alimentación (20, 20a, 20b)
al poner en marcha el proceso de circulación se recoge en un tanque
colector (62) y preferentemente se prepara y se usa según las
necesidades para añadir al proceso de circulación.
11. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el tubo de
retorno (30) se alimenta con agua del circuito con una temperatura
por debajo de los 100ºC, preferentemente entre 20ºC y 30ºC.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el
intercambiador de energía (2, 2a) se alimenta con vapor de agua con
una temperatura de al menos 100ºC, preferentemente entre 350ºC y
370ºC.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque se compensa la
presión del vapor de agua generada, en el que se presiona hacia
abajo la columna de agua presente en la zona de retorno (28) encima
del vapor de agua para aumentar la temperatura y la presión, de
forma que en la zona de alimentación (20, 20a, 20b, 24) a una
profundidad de, por ejemplo, 7500 a 12000 m se genera vapor de agua
a una presión de, por ejemplo, 50 a 80 bar, que fluye a través de la
zona de alimentación (20, 20a, 20b, 24), preferentemente aislada
térmicamente, hacia el intercambiador de energía (2, 2a).
14. Dispositivo para la realización del
procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13,
caracterizado porque el intercambiador de energía (2, 2a)
está conectado a un intercambiador de energía terrestre (18) por
medio de una tubería de alimentación (10) y una tubería de retorno
(14) para el agua del circuito, que presenta en un pozo (22) al
menos un tubo de alimentación (20, 20a, 20b) aislado térmicamente,
en el que el tubo de alimentación (20, 20a, 20b) en el pozo (22)
está rodeado por un tubo de separación (24), al que está conectado
radialmente hacia el exterior una zona de retorno (28) para el agua
del circuito, que contiene al menos en uno de los tubos de retorno
(30) que están en contacto con la tubería de retorno (14) y al menos
en la parte inferior un relleno poroso (38), y que al menos en el
fondo del pozo (22) está conectado por medio de una o varias
aberturas de paso (44, 44a) en el tubo de separación (24) con una
abertura de entrada inferior (46, 46a) del tubo de alimentación (20,
20a, 20b).
15. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque en la tubería de retorno (14) y/o en la
tubería de alimentación (10) está dispuesta una bomba de circulación
(92, 94).
16. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque la tubería de alimentación (10) y la
tubería de retorno (14) están dotadas cada una con una válvula de
cierre regulable (12, 16) y porque, o bien en la tubería de
alimentación (10) entre la válvula de cierre (12) y el
intercambiador de energía terrestre (18), o bien en la tubería de
retorno (14) entre la válvula de cierre (16) y el intercambiador de
energía terrestre (18), está conectado un dispositivo conectable
(50a, 50b, 50c) para la generación de un medio a presión para la
evacuación del agua del circuito del tubo de alimentación (20, 20a,
20b) y, por tanto, para el inicio de la generación de vapor y su
incremento.
17. Dispositivo según la reivindicación 16,
caracterizado porque el dispositivo de medio a presión está
conformado como bomba de presión (50a, 50b).
18. Dispositivo según la reivindicación 16,
caracterizado porque el dispositivo de medio a presión está
conformado como hervidor por inmersión (50c) sumergible en el tubo
de alimentación.
19. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 18, caracterizado porque por encima de la superficie
terrestre (34) hay disponibles medios para la evacuación del agua
del circuito del tubo de alimentación (20, 20a, 20b).
20. Dispositivo según las reivindicaciones 16 y
19, caracterizado porque los medios de evacuación presentan
una válvula de descarga (56a) dispuesta en la tubería de retorno
(14) entre el intercambiador de energía terrestre (18) y la válvula
de cierre (16).
21. Dispositivo según las reivindicaciones 16 y
19, caracterizado porque los medios de evacuación presentan
una válvula de descarga (56b) dispuesta en la tubería de
alimentación (10) entre el intercambiador de energía terrestre (18)
y la válvula de cierre (12).
22. Dispositivo según una de las reivindicaciones
19 a 21, caracterizado porque los medios de evacuación
presentan un tanque colector (62), que preferentemente contiene una
conducción (41) conectada a la tubería de retorno (14).
23. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 22, caracterizado porque en la tubería de retorno (14)
hay dispuesta una conducción (41) para agua a través de una válvula
de cierre (43).
24. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 23, caracterizado porque en el interior del tubo de
separación (24) hay dispuesto al menos un tubo de alimentación
adicional (20a), que por el lado terrestre está comunicado con el
primer tubo de alimentación (20) y en la superficie terrestre (34)
está conectado al primer tubo de alimentación (20) a través de una
válvula de cierre (48), y que presenta una válvula de descarga (56)
para la evacuación del agua del circuito que se debe extraer del
primer tubo de alimentación (20) a través del segundo tubo de
alimentación (20a) por medio del dispositivo de medio a presión
(50).
25. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 24, caracterizado porque la zona entre el tubo de
alimentación (20, 20a, 20b) y el tubo de separación (24) está
rellenada con un material aislante (42).
26. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 25, caracterizado porque en la zona circular (60) entre
el tubo de separación (24) y la pared del pozo (26) hay dispuestos
al menos dos, preferentemente más, tubos de retorno (30)
distribuidos alrededor del tubo de separación (24).
27. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 26, caracterizado porque la parte del pozo que rodea el
tubo de retorno (30) está conformada en la parte superior (32),
preferentemente hasta profundidades de 1000 a 2500 m bajo la
superficie terrestre (34), de forma estanca, y en la parte inferior
hasta el fondo del pozo (36) está dotada de un relleno poroso (38),
y la pared del tubo de retorno (30) está dotada de aberturas de paso
(40) en la zona del relleno poroso (38).
28. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 27, caracterizado porque el tubo de alimentación (20,
20a, 20b) termina por encima del fondo del pozo (36),
preferentemente a 400 m, y el tubo de separación (24) está dotado de
aberturas de paso (44) en esta zona.
29. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 28, caracterizado porque el pozo (22) presenta una
profundidad T de 2500 a 12000 m.
30. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 29, caracterizado porque el pozo (22) presenta al menos
un orificio de desvío lateral (58, 58a, 58b), que preferentemente
desemboca de nuevo en el pozo (22) en la zona de la abertura de paso
(44, 44a) del tubo de separación (24).
31. Dispositivo según la reivindicación 30,
caracterizado porque el orificio de desvío (58a) discurre
esencialmente en la dirección del pozo (22).
32. Dispositivo según la reivindicación 30,
caracterizado porque el orificio de desvío (58b) discurre
esencialmente en dirección radial al pozo (22).
33. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 32, caracterizado porque el intercambiador de energía
(2) presenta una turbina (4) preferentemente de varios escalones,
que está conectada a un generador de corriente (6), y la turbina (4)
está preferentemente conectada a un consumidor de energía (8)
adicional.
34. Dispositivo según una de las reivindicaciones
14 a 32, caracterizado porque el intercambiador de energía
(2a) conecta el proceso de circulación terrestre con un segundo
proceso de circulación (96), que preferentemente contiene una
turbina de varios escalones con un generador de corriente.
35. Dispositivo según la reivindicación 33 ó 34,
caracterizado porque la turbina (4) está conformada para
funcionar según el proceso ORC.
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|---|---|---|---|
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