HU199970B - Method for recovering geothermic energy - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás geotermikus energia kinyerésére.

Jól ismert, hogy a Föld felszíne alatt viszonylag kis mélységekben igen forró rétegek találhatók. Ezek legismertebb, gyakorlati hasznosítás szempontjából azonban legkevésbé hozzáférhető képviselői a vulkanikus képződmények. A vulkanikus képződmények közül a hőforrásokat hasznosítják, ezek előfordulása azonban ritka.

Korábban már javasoltak eljárást mesterséges hőforrások kialakítására úgy, hogy a fúrással és robbantással széttört forró rétegeken vizet szivattyúznak keresztül. Noha ez az eljárás kivitelezhető, nem elég hatékony, mert kél, egymástól térben elválasztott fúrólyukat kell kialakítani, amelyek egyike a viszonylag hideg viz betáplálására, a másik pedig a forró rétegen keresztülhaladt viz elvezetésére szolgál. A viz keringtetése jelentős energiabefcktetést igényel, mert a vizet nemcsak a forró rétegen, hanem a rétegbe nyúló, viszonylag hosszú csővezetéken is keresztül kell áramoltatni.

A vázolt nehézségek csökkentésére dolgozták ki azt a megoldást, ahol egyetlen fúrólyukban egymáshoz viszonyítva koncentrikus elrendezésben két csövet helyeznek el. Az egyik cső a hideg viz bevezetésére, a másik pedig a viz elvezetésére szolgál. Ezzel a megoldással kétségtelenül kiküszöbölhető a két fúrólyuk kialakítása, komolyabb problémák adódnak azonban abból, hogy a fúrólyuk alján rendkívül nagy hóátadási hatásfokot kell biztosítani; ebben az eljárásban ugyanis a hőenergiát csupán a csőrendszer aljának közvetlen környezetében lévő, viszonylag kis kiterjedésű forró rétegből lehet kinyerni, igy ha a forró rétegen az egy fúrólyukat alkalmazó megoldás szerint vizet áramoltatnak keresztül, a geotermikus energiát csak kis összhatásfokkal lehet kinyerni.

Itt is problémát jelent, hogy a víz keringtetése energiaigényes.

A fenti nehézségek kiküszöbölésére javasolták passzív hócső alkalmazásét geotermikus energia kinyerésére. A 3 911 683. sz. amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírás szerint erre a célra méreteiben - pontosabban hosszában - lépcsőzetesen növekvő, hagyományos hőcsövet használnak fel. A hőcsövek nagy termikus hatásfoka közismert, a méretnövelésböl adódó gyakorlati nehézségeket azonban nem ismertették. Feltéve, hogy a méretnövelés hatására a termikus hatásfok nem csökken, az igy kialakított elrendezés a legjobb esetben nem biztosít semmiféle előnyt a korábbi megoldásokhoz viszonyítva. Roszszabb esetben ez az elrendezés hatástalan, ami az adott szélsőségesen nagy hossz/átmérö arányok következtében fellépő veszteségeknek tulajdonítható.

A találmány tárgya eljárás geotermikus energia kinyerésére, amelynek során a földfelszíntől egy viszonylag forró geológiai rétegbe nyúló fúrólyukba két, egymással koncentrikusan elhelyezett csőből kialakított zárt csövet - a belső cső a munkafolyadék visszavezetésére alkalmas és viszonylag kis átmérőjű - illesztünk, úgy, hogy a zárt cső egyik vége a felszínen vagy annak közelében, másik vége pedig a kivánt rétegben helyezkedjék el. A zárt cső felszíni vagy ahhoz közel eső végéhez hőcserélőt csatlakoztatunk, amellyel a munkafolyadékból kinyerjük az energiát. A találmány értelmében a zárt csövet a munkafolyadék bevezetése előtt legalább részlegesen evakuáljuk.

Egy előnyös módszer szerint az eljárásban olyan eszközöket (például szivattyúkat) használunk, amelyek elősegítik a munkafolyadék gravitációs visszaáramlását. Az egymásba helyezett két csövet előnyösen a két csőtől távközzel elválasztott harmadik - legkülső csővel vesszük körül annak érdekében, hogy csökkentsük a hő átáramiását a viszonylag forró rétegek fölött elhelyezkedő hideg rétegekbe.

Ha három csövet alkalmazunk, előnyösen úgy járunk el, hogy a fúrólyukba először a harmadik - legkülső - csövet helyezzük be, rnajd ebbe behelyezzük a zárt csövet alkotó két további csövet úgy, hogy a zárt cső a harmadik cső aljától a viszonylag forró rétegbe nyúlik. Egy további előnyös megoldás szerint a harmadik cső egyébként nyitott végét a zárt cső körül lezárjuk ott, ahol a zárt cső a forró rétegbe hatol. Ennek érdekében a harmadik csőbe hézagkitöltő anyagot vagy cementet injektálhatunk.

A zárt cső hófelvevő képességének növelése céljából a cső viszonylag forró rétegbe nyúló részén (az alsó rész környezetében) hőfelvételt fokozó szakaszt alakíthatunk ki. így például a zárt cső belső felületén az utolsó 1 km-es csőszakaszon a munkafolyadék és annak gőze szempontjából porózus, zsugorított rézből készült szövedéket helyezhetünk el. A munkafolyadék felé irányuló hőátadás további javítása céljából a fúrólyuk alján a viszonylag forró réteget előzetesen feltörhetjük, és a zárt cső behelyezése előtt oda folyadékot, például vizet vezethetünk.

A fúrólyuk kialakítása a találmány szerinti eljárás egyik részművelete lehet, ez azonban el is maradhat, mert a találmány egyik lényeges előnye éppen az, hogy az eljárás már meglévő fúrólyukak - például olaj, gáz vagy egyéb természetes nyersanyagforrások feltárására végzett fúrásokból származó fúrólyukak - esetében is alkalmazható. Rendkívül jelentős, hogy a találmány szerinti eljárás az egyébként hasznavehetetlen fúrólyukak hasznosítását is lehetővé teszi, mert eokkal több eredménytelen feltárásból származó fúrólyuk van annál, mint ahány sikeresen feltárt olaj- vagy gázkút üzemel. Feltéve, hogy a geotermikus jellemzők megfelelőek, és a fúrólyuk alkalmas átmérőjű - ami a legtöbb esetben adott -, energiaforrásként

IIU 199970 Β kiszáradt ola.j/gáz kutakat is hasznosíthatunk.

A találmány szerinti eljárásban tetszőleges kivitelű hőcserélőket alkalmazhatunk. A kitermelt hót egyszerűen fűtésre használhatjuk, vagy elektromosság és/vagy forró viz előállítására hasznosíthatjuk. Munkafolyadékként például vizet vagy a höc.söves rendszereknél alkalmazható speciális folyadékokat, ig.v például etanolt, metanolt, ammóniát, vagy Freon, Arcton, Thermex, Thermia oil B és Triss kereskedelmi nevű folyadékokat használhatunk. A munkafolyadékot a várható üzemi hőmérséklet és nyomás, az áláramló energiamennyiség, az üzem mérete és hasonló tényezők figyelembevételével választjuk meg.

Ha a zárt csövet a munkafolyadék bevezetése előtt evakuáljuk, a cső nem csak a szivattyúval keringtetett folyadék egyszerű vezetékeként működik, hanem hőcsőként funkcionál. Az utóbbi szempontból lényeges, hogy a munkafolyadék visszavezetésére vékony csövet alkalmazzunk; ezáltal kiküszöbölhetjük a belső kanócot tartalmazó, hagyományos hőcsövek egyszerű méretnagyitásából származó problémákat (lásd a korábban idézett amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírást).

Enélkül az elrendezés nélkül a rendszer gyorsan elér egy, a forró réteg és a felszín közötti közbülső állapotnak megfelelő labilis egyensúlyi állapotot, mert a felemelkedő forró gőz megakadályozza a kondenzált folyadék/hideg gőz megfelelő visszaáramlását a zárt cső aljára. Ez abból a tényből következik, hogy a fúrólyuk aljának eléréséhez szükséges méretnagyítás elkerülhetetlenül és rendkívül nagy mértékben megnöveli a berendezés hossz/étmérő arányát az ismert, hagyományos hóvezetékekhez viszonyítva. A zárt cső alját éró hó hatására a munkafolyadék egy része elpárolog, és a csőben nyomást alakít ki. Annak eredményeként, hogy a csövet előzetesen evakuáltuk, a felmelegitett gőz nagyon gyorsan emelkedik fel, így a cső felszíni végéhez szállított hőmennyiség minden eddigi berendezéssel elértnél nagyobb. Ez azt jelenti, hogy a hőteljesitmény is nagy, mert a gőznek kevesebb idő áll rendelkezésre a lehűléshez. A góz nem érintkezik közvetlenül a kapillárisban visszaáramló folyadékkal. Ha külső burkolatként egy harmadik csövet is használunk, a veszteségek tovább csökkennek.

A találmány szerinti megoldást hasznosító, geotermikus energia kinyerésére alkalmas tipikus elrendezésben egyetlen, 10-30 cm átmérőjű fúrólyukat használhatunk, amelybe például 10-20 cm átmérőjű zárt csövet helyezhetünk. Ebben az elrendezésben a munkafolyadékot a zárt cső aljára visszavezető vékony cső átmérője 3-5 cm lehet. Könnyen belátható, hogy a fúrólyuk mélysége nem adható meg egyértelműen; az adott környezet geológiai viszonyaitól függően a mélység 4 lényegesen meghaladhatja az 1000 m-t. Ha a forró réteg hömérsékete elegendően magas uhhoz, hogy biztosítsa az eljárás gazdaságosságát, még a 4000-5000 m-es kútmélység is elfogadható. Ilyen esetekben fokozottan jelentkeznek a fent ismertetett méretnövelés hátrányos hutásui; a probléma megoldása tehát koránlsen olyan egyszerű, mint ahogy azt a megelőző közlemények tárgyalják.

A hóveszteségek csökkentése céljából a zárt cső az esetlegesen használt harmadik cső végén legalább 200 méterrel túlnyúlik. Az utóbbi - harmadik - csövet a zárt cső szigetelésére és/vagy középre állítására alkalmas távolságtartókkal láthatjuk el, és igy csökkenthetjük a csövek közötti közvetlen érintkezésből származó veszteségeket. A zárt cső esetén a kész csövet alkotó csőelemeket előnyösen hegesztéssel illesztjük össze annak érdekében, hogy a kész cső megfelelően evakuálható legyen. Csavarmenetes illesztéssel a szükséges szoros illeszkedést várhatóan nem biztosíthatjuk.

A találmányt a továbbiakban kiviteli példa kapcsán, rajz alapján ismertetjük részletesebben.

Az 1. ábra a találmány szerinti eljárásban alkalmazható energiakitermeló rendszer vázlatos képe.

A berendezés két részből - föld feletti és föld alatti részből - áll. A föld alatti részben helyezkedik el az 1 zárt cső túlnyomó része. Az 1 zárt cső 2 külső csőből és abban elhelyezett 3 belső csőből áll.

A korábban ismertetett vékony csövet a 3 belső cső alkotja. A 3 belső cső röviddel a 2 külső cső alja fölött végződik; a 2 külső cső alsó vége zárt. A jelen esetben feltételezzük, hogy az elrendezés 4 alsó része helyezkedik el a magas hőmérsékletű térben. Ez azt jelenti, hogy a zárt cső legalsó (tipikusan legföljebb fél kilométer hosszúságú) szakaszát forró réteg veszi körül, forró viz és/vagy góz árasztja el. A visszavezető vékony csövet előnyösen sok apró nyílással látjuk el (ezeket az ábrán nyilakkal jelöltük) annak érdekében, hogy a munkafolyadék egyenletes eloszlását biztosítsuk a 4 alsó részben.

Könnyen belátható, hogy a zárt cső lényegesen hosszabb annál, mint amit az ábrán méretarányosan bemutathatunk. A zárt cső hossza esetenként 5 km vagy annál nagyobb érték is lehet. Előnyösen a zárt cső legalsó, körülbelül fél kilométeres szakasza nagy hővezető képességű bevonattal van ellátva annak érdekében, hogy elősegítse az energiaátadást a csőfalon keresztül. Ez a bevonat a cső külső falának korrózió elleni védelmére is szolgálhat. Egyes környezeti körülmények között a korrózióvédelem igen lényeges lehet, mert a csó gyakori karbantartása rendszerint nem végezhető el. A 2 külső csó belső felszínén előnyösen zsugorított fémszövedékből álló 10 bélés helyezkedik el, ami javítja a

HU 199970 Β hőátadást a munkafolyadék felé. Erre a célra például rezet vagy rozsdamentes acélt használhatunk.

A berendezés föld feletti része Rankine-ciklusú höcseréló/energia-kinyerő egységei, és ahhoz csatlakozó 5 szivattyút tartalmaz. A felszínre érkező gözhalinazállapotú munkafolyadékot 6 expanziós térbe vezetjük, ahonnan a folyadék 7 hűtőtérbe kerül.

A bemutatott berendezésben a 6 expanziós tér a 8 turbina í'észét képezi, és így a gőzt közvetlenül elektromos energia termelésére hasznosítjuk. Nyilvánvaló, hogy az expanziós tér egy hőcserélő része is lehet, amely utóbbiban gőzt fejlesztünk, és az itt fejlesztett gőzt a 8 turbinán keresztülvezetve is hasznosíthatjuk elektromos energia termelésére (közvetett energiatermelés). A hűtőtérben lévő 9 hütökigyóban hűtővizet áramoltatunk; a hűtővízzel a munkafolyadék 20 maradék hőenergiáját is kivonhatjuk. A kimerült munkafolyadékot ezután az 5 szivatytyúhoz vezetjük. Az 5 szivattyúval a munkafolyadékot a 3 vékony belső cső felső végéhez tápláljuk; a szivattyú közrehat abban, 25 hogy a folyadék gravitációs úton lefelé haladjon, és a rendszer höcsőként működjön.

Nyilvánvaló, hogy a 2 külső és 3 belső csőből álló zárt csövet a munkafolyadék bevezetése előtt legalább részlegesen evakuál- 30 nunk kell, ellenkező esetben ugyanis nem működik hővezetékkén. Az is nyilvánvaló, hogy a zárt csövet a felszínen kell összeszerelnünk, és fokozatosan kell a végső helyzetbe süllyesztenünk, az olajkutak kialakító- 35 sánál általánosan alkalmazott módszerek szerint. Fokozottan kell ügyelnünk arra, hogy a cső egyes elemei között szoros illeszkedést biztosítsunk. Miként mór korábban említettük, első lépésben a fúrólyukba az ábrán fel 40 nem tüntetett külső védőburkolatot is elhelyezhetünk, ami a hőveszteségek csökkentésére szolgál. Ez a külső vödöburkolat azonban természetesen nem nyúlik le a zárt cső aljáig; azaz alulról számítva körülbelül fél 45 kilométer magasságban nem veszi körül a zárt csövet, így a zárt cső ott közvetlenül érintkezik a forró réteggel. A külső védőburkolatot előnyösen szigetelő távolságtartókkal választjuk el a zárt csőtől. A hővesz- 50 Leségek csökkentése céljából a külső védőburkolat alját előnyösen lezárjuk.

Claims (6)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás geotermikus energia kinyerésére, amelynek során a földfelszíntől egy vi5 szonylag forró geológiai rétegbe nyúló fúrólyukba kél, egymással koncentrikusan elhelyezett csövet - külső, zárt csövet és benne elhelyezett, a munkafolyadék visszavezetésére alkalmas vékony csövet - illesztünk úgy, 10 hogy a zárt cső egyik vége a felszínen vagy annak közelében, másik vége pedig a kívánt rétegben helyezkedjék el, a zárt cső felszíni vagy ahhoz közel eső végéhez hőcserélőt csatlakoztatunk, és a hőcserélővel a munka15 folyadékból kinyerjük az energiát, azzal jellemezve, hogy a zárt csövet a munkafolyadék bevezetése előtt legalább részben evakuáljuk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a munkafolyadék visszavezetésére alkalmas vékony cső falót legalsó szakaszán nyílásokkal látjuk el.
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a zárt cső alsó szakaszának belső felületéi a nyílásokon ót visszavezetett munkafolyadék höfelvételének javítása céljából zsugorított fém-bevonattal látjuk el.
4. 4. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a bevonatot zsugorított rézszövedékből alakítjuk ki.
5. 5. Az előző igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a zárt csőnek a viszonylag forró geológiai réteggel érintkező szakaszát hővezető anyagból készült, adott esetben korrózió ellen védelmet biztositó külső burkolattal látjuk el.
6. 6. Az előző igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy Rankine-ciklusú hőcserélő (energiakinyerő egységet) alkalmazunk.