JPH05505664A - 地熱エネルギーを利用するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、搬送管を地殻中に埋め込み、その内部にある、地熱により加熱された 、場合により蒸気の形で運ばれる媒体を上昇させる、地熱エネルギーを利用する ための装置に関する。

地熱エネルギーを利用するための装置はすでに以前がら公知である。しかし、そ れらの装置は閉じた機構で運転するのではなく、流体を高温の岩盤中にポンプで 送り込み、ある程度別の位置で、加熱後に地表に再び搬送する場合が多い。その 際、加熱により生じた流体の圧力、水の場合には例えば水蒸気の圧力も推進力に 利用することが多い。その様な方法は例えばＤＢ−ＯＳ　２９０４１４０がら公 知であり、そこでは、水およびケトンからなる作動流体を注入坑に導入し、地熱 を蓄積した後、放出坑に回収して蒸気に転換する。その様な方法には、特にケト ンを混入する場合、投入した作動流体の一部しか回収されない、および循環系が 閉じていないために、場合により汚染物が回収された作動流体中に混入し得ると いう重大な欠陥がある。これは特に、蒸気のエネルギーを電気に変換するタービ ンを使用する場合、最も好ましくない。これらの汚染物が沈殿し、摩耗を引き起 こすことがある。

その様な開放機構の別の欠点は、蒸気の上昇に使用しなければならない位置エネ ルギーが、作動流体を下降させる時にすでに十分に利用されないことである。そ の様な、特に流体柱の下端で非常に高い流体圧力の形で生じる位置エネルギーは 、例えばＤＥ−Ｏ３２９０７３３８で利用されているが、そこではいわゆる深坑 落下刃装置が記載されている。しかし、その装置は非常に複雑で、内燃機関を含 み、地熱エネルギーにより（僅かではあっても）作動流体を加熱できることを考 慮していない。そのため、そこに提案されている装置の知識では、地熱エネルギ ーを、媒体の下降時に放出される位置エネルギーと共に簡単に利用することは不 可能である。特に、その様な装置では、１５０℃までの水の温度上昇では、坑の 一定の深さ以上では導入された流体がその温度では蒸気形成できない様な圧力が 支配しているので、蒸気形成には不十分であることが分かっている。

そのため、水量外の他の流体を利用する試みがなされている。例えばＤＥ−Ｏ３ ２９１８００１では、浅い所における加熱によりすでに蒸発する、沸点が一４１ ℃のＰｒｉｇｅｎ２２　（モノクロロジフルオロメタン）を提案している。その 様な、環境との相容性が悪いために大規模な設備では使用できない作動流体は、 冷蔵庫の逆の原理により使用することができよう。

しかし、それによって本質的には従来の熱交換器が記載されているに過ぎない。

大深度における地熱エネルギーを利用することにより生じる特殊な問題および可 能性、つまり地表における圧力と比較した流体柱における圧力上昇および地殻の 大深度における高温は、その装置によって解決もされなければ、はとんど認識さ れてもいない。

熱を機械的エネルギーに変換するためのＤＢ−Ｏ８３０１５３０７に記載されて いる方法も同じ原理により作用する。媒体としてプロパンが提案されているが、 これは大規模設備では安全性の問題がある。

また、ＤＥ−Ｏ９３４３３０５７では、ランキン過程により、高温床層から電気 および機械エネルギーを獲得するための方法および装置が開示されている。しか し、そこに記載されている、理想気体用のカルノーサイクル過程に相当する、床 層用のサイクル工程は、複雑で、妨害を受け易い、ないし保守の手間がかかる装 置を前提としている。というのは、　゛まず床層を弛緩させ、続いてその床層か ら発生する蒸気を凝縮させ、その凝縮熱を二次循環系中の作動媒体に、その膜状 蒸発からその液体作動媒体の多段階加熱を経て、その蒸発点に達するまで移送す るためである。

そこに記載する方法は、高圧下の水は沸騰が遅く、臨界温度、すなわち水が圧力 に関係なく沸騰する温度（３７４℃）に達するには非常に深く掘削する必要があ ることを考慮しでいない。その様な深い穴を掘ることは、鋼の引き裂き長さ、す なわち鋼が自身の重量により引き裂かれずに、自身を吊り下げることができる鋼 管の長さ、は短いので不可能である。したがって、その様に記載された方法は、 地殻の火山性活動または同等のものに近い特別な点でのみ使用できる。

さらにＤＥ−Ｏ９２５３８３４４およびＤＢ−Ｏ８２７４９５０２並びにＤＥ− ＰＳ　２７１５４９９は、熱ポンプ原理を様々な実施形態で詳細に説明している が、流れ落ちる流体の位置エネルギーを利用してはいない。

最後に、ヨーロッパ特許第０１１８７８８　Ｂｌは地熱エネルギーを利用するた めの方法を記載しているが、そこでは蒸気搬送管内の液体がフィルム状の層とし て流れ落ち、地熱エネルギーの作用により蒸発し、それによって蒸気搬送管内で 大気圧を超える超過圧力が生じ、さらに、蒸気搬送管内の液体が少なくとも１０ ００ｋＪ／ｗ３の飽和蒸気の蒸発比熱を備えている。その様な装置は、管の内壁 を流体が流れ落ちるために、蒸気が、冷たい、管の上部にある、流れ落ちている 液体部分の上に降下するのを阻止することができず、高い流体柱により生じる高 い圧力を液体中で利用することができない。そのため、その様な装置は最適とは いえない。

そこで、本発明の目的は、地熱エネルギーを技術的に容易に利用できる様にする こと、その際特に流れ落ちる媒体の位置エネルギーを利用すること、およびこれ を環境に対して危険性の無い手段および僅かな保守経費で達成することである。

この目的は本発明により、媒体を輸送するための、搬送管を取り囲む第二の外側 の管が深い所に配置されていること、および密閉部品が外側の管を周囲の岩盤、 等に対して密閉し、搬送管がその下部の密閉区域で外側の管と接続していること により達成される。

その様な装置により、媒体を地表で外側の管内に導入し、場合により、流体柱の 中で、最も低い点に、つまり外側管が搬送管に接続している点に下降させること ができる。その際、特に下端で媒体が場合により蒸気の形に移行するまで加熱さ れる。続いて、加熱された媒体または蒸気は内側の搬送管を通ってさらに地上に 導かれる。その際に生じた相当量の蒸気圧は地表で電気エネルギーを発生させる ために利用される、あるいは短い管を選択し、蒸気が発生せずに、その比重が小 さいために加熱された媒体のみが上昇する場合は、この加熱された媒体を暖房媒 体として、あるいは熱交換器で利用することができる。

さらに、搬送管に断熱材を、特に搬送管の内側に、プラスチック製の断熱材から なるジャケットを取り付けることを提案する。内側の搬送管の回りのその様なジ ャケットには、非常に高温の媒体を有する内管と、媒体が下降している外管との 間の熱交換を防ぐ利点がある。特に装置の上部において、加熱された、搬送管内 にある媒体はできるだけ冷却されるべきではないので、このことは重要である。

外側管内にある媒体は、最終的に周囲の岩盤の地熱エネルギーにより加熱される 必要がある。その様な構成には、内側の搬送管を外管中に問題なく設置すること ができ、末端区域が相互の望ましい位置を確保できるという利点がある。

装置の寸法に関しては、外側管が一般的に３０　ｃｍの直径を有し、搬送管が一 般的に１５ｃ■の直径を有することを提案する。その様な寸法の選択には、従来 の掘削装置により、適当な穴を深く掘り下げることができるという利点がある。

管の寸法は大き過ぎても良くない。というのは、内部に大量の媒体が流れるため に、岩盤が著しく冷却され、岩盤の熱伝動性が低いために、ただちに補償されな いためである。

その様に寸法を選択することにより、地表の唯一の設備、例えばタービンに並列 した平面内で、岩盤中に多くの孔を掘ることができる。例えば、１００履ｘ１０ ０−の平面内に４つの穴を正方形の配置で掘ることができる。

さらに、搬送管が、外管の下部密閉区域で、外管上で、またはこの管を密閉する 部品上で支えられることを提案する。むろん、搬送管を内管中にのみ掛けること が考えられるが、その様な構成には、簡単で、信頼性のある密閉区域を組み立て ることができるという利点がある。

さらに、搬送管がその下部の密閉区域で、搬送管と外管とを接続する通路を備え ることを提案する。その様な構成には、外管と内管との間の接続面を小さく保つ ことができるので、調整された少量の媒体だけが内管に進入することができると いう利点がある。その様にして進入すべき正確な量は、温度関係により、並びに 設備の大きさを決定する他の量により異なる。

あるいは、搬送管の下端区域内に、加熱された、場合により蒸気状の媒体を通過 させる弁を有し、それによって搬送管に送られる媒体を調整することができる、 外管に対する分離円板を備えることができる。その際、例えば分離円板１個あた り４〜６個のスリーブ弁を備える。

さらに、密閉部品がその外周に垂直な縁部を備え、その縁部により、搬送管の下 端を支持するために搬送管と外管および密閉部品とが接続され、その際、搬送管 がその下端区域で４つの末端部分に分割され、それらの末端部分はその間に、残 りの搬送管部分における断面積よりも大きな断面積を取り巻き、これらの末端部 分の末端区域が少なくとも一つの窪みの中で密閉部品中に固定されており、その 窪みは、垂直縁部と、その縁部に隣接し、密閉部品の中央に向かって形成された 密閉部品の高くなった区域との間に形成されていることを提案する。

本発明は特に、媒体として四塩化炭素（ＣＣＩ４）を使用し、ＣＣ１４が搬送管 と外管との接続区域で本質的に十分気化するまで深く埋め込むことを提案する。

これによって、十分に利用できる高い位置エネルギーを作用させる高い比重を有 し、さらに低い臨界温度を有し、したがって周囲の圧力に関係なく低い温度で気 体状になる媒体を有することになる。ＣＣ１４の臨界温度は、２８３℃であり、 したがって水の場合よりも約１００℃低い。比重は１．８であり、したがって水 より約６０％高い。沸騰熱は４６　ｋｃａｌ／ｋｇであるのに対し、水のそれは ５３９　ｋｃａｌ／ｋｇである。沸騰温度は７６．７℃である。また、ＣＣｌ４ は不燃性なので、他の提案されている流体で起こり得る様な、爆発ないし突然燃 焼の危険性が無い。

そこで、搬送管の上端に蒸気の圧力エネルギーを利用するためのタービン設備を 備えることを提案する。

あるいは、それが都合の良い区域ないし温水供給が望ましい場合には、媒体とし て水を使用することを提案する。

水には、容易に利用できるという利点があり、場合により開放循環系で、すでに 一度供給した媒体を還流させずに運転することができる。

その際、加熱された水を取り出し、その加熱された水を温水供給系に送り込むた めの取り出し施設を備えるのが好ましい。この場合、無論、水を連続的に供給す る必要があろう。

あるいは、搬送管の上端に、加熱された、場合により気体状の媒体中に含まれる 熱エネルギーを利用する熱交換器を備えることを提案する。その様な熱交換器は 、タービン設備の前にも後にも、あるいは媒体を取り出すための取り出し設備の 前にも後にも設置することができる。しかし、タービンの後に設置するのが好ま しい。

本発明の他の特徴および利点を、以下に添付の図面を参照しながら説明する。

図１は、地中にある装置全体の好ましい実施例であり、図２は、本発明に係わる 装置の断面図であり、図３は、本発明に係わる装置の下部密閉区域の部分図であ る。

図１に、外管２、蒸気搬送管３、密閉部品４および搬送管３の下部密閉区域にあ り、その搬送管を支える末端部分８ａ、　８ｂ、　８ｃおよび８ｄを備えた、地 殻１中に埋め込んだ装置を示す。流れ落ちる液状媒体を番号５で示し、上昇する 、場合により気体状の媒体を番号６で示す。

図２には、図１の線Ａ−Ａに沿って見た装置の断面を示す。提案する搬送管３と 外管２の大きさの関係が明らかである。

図３には、図１の部分図で、本発明に係わる装置の下部密閉部分の構造を示す。

密閉部品４は、搬送管３の末端部分８ａ〜８ｄと外管２との間にある垂直縁部７ を有する。さらに、密閉部品４には、垂直縁部に隣接して、密閉部品４の中央に 向かって、密閉部品の高（なった区域が形成されている。この構造により、内側 の、後から設置する搬送管３を所定の位置に正確に導入し、保持することができ る。

搬送管３が深い所で密閉部品４を圧迫する特殊な構造により、外管２は効果的に 密閉される。この様に、内側搬送管３の総重量が、密閉部品４を掘削孔ないし外 管２に固く押し付けるのに利用される。その際、密閉部品４の「へり」が利用さ れ、外管２に対して押し付けられる。

この図に示す装置により、媒体を臨界温度まで加熱することができる。臨界温度 では、蒸気と液体がより並立して存在するので、それ以上蒸発熱を使用する必要 が無い。臨界温度を超えると、提案する媒体は、低温の液状媒体の比重の約半分 の比重を有するので、搬送管３内の流体柱と外管２内の流体柱の重量差により、 搬送管３内の媒体６を上昇させる圧力が生じるので、この圧力下にある媒体６か らタービンにより電気エネルギーを得ることができる。

媒体５は約７０　ｓ／ｓの速度で外管内へ導入され、そこから蒸気が約２００■ ／Ｓの速度で外に出る。

ＣＣｌ４を使用することにより、２５ｍ／”Ｃの地熱深度勾配を前提とすれば、 通常の地殻で、７０００　ｍの掘削深度で臨界温度に達することができる。その 程度の掘削深度は実際に到達可能である。比重が高いために、液体柱と蒸気柱と の間にｃＩ２あたり大きな重量差が得られるので、タービンを通して発電機に入 力する圧力が拡大される。

ＣＣｌ４の沸点が７６．７℃であることも、水による熱交換器を使用して作動媒 体を確実に凝縮させ、その媒体を大気圧で貯蔵し、新たに使用するために供給す ることができるので、有利である。

さらにＣＣｌ４は、腐食性が無く、不燃性なので有利である。

適切な装置の設計により、地表で約３００ａｔｕ（７０００ｇ深度における約５ ２０気圧で）のオーダーの蒸気圧が得られるが、これはいずれの場合もタービン に十分である。ＣＣ１４用の冷却装置に使用する水は、その冷却装置から約７０ ℃の温度で排出されるので、この装置を市内に建設すれば、居住区域の暖房目的 、等に利用できる。これによって、他の、熱または電気を燃料から得る装置、な いし他の、風または水からエネルギーを得る、固定した公知のエネルギー発生設 備と比較して、効率損失が少なくなる。

公知のエネルギー供給設備と比較して、この提案する装置は、化石燃料を必要と せず、ＣＯ２を新たに大気中に放出せず、僅かな面積だけを必要とするので、特 に環境に対して好ましい。

以下に、水を利用する例として、一つの実施例を記載する。その際、直径３００ ｍで深さ約４０００厘の孔を掘り、石油掘削で一般的に行う様に、孔の側面を支 持するために、１２ツオル（ｚｏｌｌ）管を外管２として使用する。約６ツオル の搬送管３の内側に断熱材を施す。

上記の説明並びに請求項および図面に示す本発明の特徴は、単独でも、任意の組 合わせでも、本発明を様々な実施形態で実行するのに不可欠である。

１　周囲の岩盤 ２　外管 ３　搬送管 ４　密閉部品 ５　降下する媒体 ６　上昇する媒体 ７　（密閉部品の）縁部 ８ａ、　８ｂ、　８ｃ、　８ｄ　（搬送管の）末端部分９　通路 要　約　書 搬送管（３）を地殻中に深く埋設し、その内部にある、地熱エネルギーにより加 熱され、場合により蒸気の形で運ばれる媒体を上昇させる、地熱エネルギーを利 用するための装置であって、その媒体を深い所に供給するための、搬送管を取り 囲む第二の外管（２）、およびその外管を周囲の岩盤、等に対して高圧密閉する 密閉部品（４）を備え、搬送管がその下部の密閉区域において外管と接続してい る装置。

国際調査報告 一一一−Ａ−−−ＩＩｓＰｃＴ７’ｔｘ　９１１００４％国際調査報告 ＤＥ　９１００４０６ Ｓ＾４７４１２

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．搬送管を地殻中に深く埋没し、その内部にある、地熱エネルギーにより加熱 され、場合により蒸気の形で運ばれる媒体を上昇させる、地熱エネルギーを利用 するための装置であって、その媒体を深い所に供給するための、搬送管（３）を 取り囲む第二の外管（２）、およびその外管を周囲の岩盤（１）、等に対して高 圧密閉する密閉部品（４）を備え、搬送管（３）がその下部の密閉区域において 外管（２）と接続していることを特徴とする装置。
2. ２．搬送管（３）が断熱材を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項記載 の装置。
3. ３．断熱材が、搬送管（３）の内側に取り付けたプラスチック絶縁材料からなる ジャケットを含むことを特徴とする請求の範囲第２項記載の装置。
4. ４．外管（２）の直径が約３０ｃｍ、搬送管（３）の直径が約１５ｃｍであるこ とを特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項記載の装置。
5. ５．搬送管（３）が、外管（２）の下部密閉区域で、その外管またはこの管を密 閉している部品に支持されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項の いずれか１項記載の装置。
6. ６．搬送管（３）が、その下部密閉区域で、搬送管（３）と外管（２）を接続す る通路（９）を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれ か１項記載の装置。
7. ７．搬送管（３）の下部末端部分で、加熱された、場合により蒸気状の媒体を通 過させるための弁を備えた分離円板が外管（２）に対して設置されていることを 特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１項記載の装置。
8. ８．密閉部品（４）がその外周に垂直な縁部（７）を備え、その縁部により、搬 送管（３）の下端を支持するために搬送管（３）と外管（２）および密閉部品（ ４）とが接続され、その際、搬送管（３）がその下部の密閉区域で少なくとも４ つの末端部分（８ａ、８ｂ、８ｃおよび８ｄ）に分割され、それらの末端部分は その間に、残りの搬送管（３）部分における断面積よりも大きな断面積を取り巻 き、これらの末端部分（８ａ、８ｂ、８ｃおよび８ｄ）の末端区域が少なくとも 一つの窪みの中で密閉部品（４）中に固定されており、その窪みは、垂直縁部（ ７）と、その縁部に隣接し、密閉部品（４）の中央に向かって形成された密閉部 品（４）の高くなった区域との間に形成されていることを特徴とする請求の範囲 第１項〜第７項のいずれか１項記載の装置。
9. ９．媒体が四塩化炭素（ＣＣｌ４）であり、搬送管（３）が、搬送管（３）と外 管（２）との後続区域でＣＣｌ４が本質的に十分に蒸発する所まで深く埋め込ま れていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１項記載の装置 。
10. １０．搬送管（３）の上端に、蒸気の圧力エネルギーを利用するためのタービン 設備を備えていることを特徴とする請求の範囲第９項記載の装置。
11. １１．媒体が水であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第８項のいずれか１ 項記載の装置。
12. １２．搬送管（３）の上端で、加熱された水を取り出し、その加熱された水を温 水供給に使用するための、請求の範囲第１１項記載の装置。
13. １３．搬送管（３）の上端に、媒体中に含まれる熱エネルギーを利用する熱交換 器を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１２項のいずれか１項記 載の装置。