LV15234B - Metode ģeotermālās enerģijas iegūšanai slēgtā sistēmā - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts [001] Izgudrojums attiecas uz ģeotermālās siltumenerģijas ieguvi un var tikt izmantots siltuma, aukstuma, elektrības vai šo energoresursu kombinācijas ražošanai. Piedāvātais inovatīvais risinājums paredz efektīvu un videi draudzīgu ģeotermālās enerģijas iegūšanu, samazinot CO2 izmešu daudzumu, kas rodas kā rūpnieciskās ražošanas un fosilā kurināmā sadedzināšanas blakusprodukts tradicionālajā elektroenerģijas un siltuma ražošanā.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze [002] Apzinoties globālās klimata pārmaiņas un meklējot risinājumu vajadzībai samazināt ekonomikas atkarību no importētiem fosilās enerģijas resursiem, tiek pētīti un attīstīti atjaunojamās enerģijas avoti, t.sk.ģeotermālā enerģija. Lai gan ģeotermālās enerģijas kā atjaunojamā energoresursa potenciāls ir milzīgs, šobrīd ģeotermālā enerģija tiek iegūta un izmantota ierobežotā daudzumā sekojošu iemeslu dēļ:

• zināmo sistēmu augstās izmaksas un zemā efektivitāte, • neprognozējama seismiskā ietekme, • ierobežotas pieslēgšanas iespējas pie esošas siltuma un elektrības ražošanas infrastruktūras.

[003] Patents LV 14875 В (PCT pieteikuma numurs WO2015159188 A2) apraksta metodi urbuma izveidošanai un ģeotermālā siltuma iegūšanai slēgtai cirkulācijas sistēmai “caurule caurulē”, kurā kā siltumnesējs cirkulē ūdens bāzes šķidrums, tieši nesaskaroties ar pazemes iežiem un ūdeņiem. Izgudrojums paredz ekoloģiski nekaitīgu pazemes siltuma iegūšanu no sausajiem iežiem ar maksimālu siltumapmaiņas efektivitāti, bez dabisko šķidrumu, sāļu vai gāzu nonākšanas virszemē. Tiek piedāvāta urbuma izveidošanas un aizpildīšanas metode ģeotermālās enerģijas ieguves vietai, kuras tehniskais uzdevums ir paaugstināt efektivitāti zemes dzīļu siltuma pārnešanai uz siltumnesēja šķidrumu (piemēram, ūdeni) slēgtā koncentriski izvietotu cauruļu sistēmā („caurule caurulē”). Tomēr, lai izmantotu šādu ģeotermālo tehnoloģiju elektrības un siltuma ražošanai, ir nepieciešama ļoti augsta sākotnējā ūdens bāzes siltumnesēja temperatūra, kas iegūstama vairāku kilometru dziļumā. Tik dziļu urbumu veidošana prasa lielas investīcijas un sadārdzina enerģijas iegūšanu.

[004] Lai samazinātu siltumnesēja uzsildīšanai nepieciešamo temperatūru un siltuma daudzumu, līdz ar to ģeotermālā urbuma dziļumu un tā izmaksas, tiek piedāvāts aizstāt ūdens bāzes siltumnesēju ar neūdens bāzes siltumnesēju, kurš maina agregātstāvokli no šķidruma uz gāzi zemākās temperatūrās, kas sasniedzamas mazākā dziļumā. Citas neūdens bāzes siltumnesēju priekšrocības, salīdzinot ar ūdens bāzes siltumnesējiem, ir sekojošas (D.Reay and P.Kew, Heat Pipes. Theory, Design and Applications. Fifth edition):

1) sašķidrināta neūdens bāzes siltumnesēja blīvums ir mazāks kā ūdens bāzes siltumnesējam, tāpēc vajadzīga mazāka jauda tā pārsūknēšanai slēgtā ģeotermālā sistēmā “caurule caurulē”;

2) zem spiediena sašķidrināts neūdens bāzes siltumnesējs var atrasties šādā agregātstāvoklī nesasalstot līdz temperatūrai, kas daudz zemāka par 0 °C, nodrošinot lielāku temperatūras starpību ar ģeotermālās sistēmas sildvirsmu. Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu, situms, ko pievada darba ķermenim (sistēmai), tiek izmantots tā iekšējās enerģijas palielināšanai un darba iegūšanai Siltuma plūsma starp cieta ķermeņa virsmu un šķidrumu vai gāzi ir aprēķināma pēc Ņūtona vienādojuma un ir tieši proporcionāla starpībai starp sildvirsmas un šķidruma vai gāzes temperatūrām;

3) šķidruma iztvaikošanas fāžu pārejas temperatūra ir atkarīga no spiediena, pie kura notiek process, un pastāv sakarība - jo lielāks spiediens, jo augstāka fāžu pārejas temperatūra;

4) mainoties neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvoklim no šķidruma uz gāzi, pieaug tā spiediens un līdz ar to siltumnesējs pārvietojas no pazemes uz virszemi bez papildu sūknēšanas.

[005] Neūdens bāzes siltumnesēju sistēmu priekšrocības apstiprina ASV Ohaijo štata Kolumbusas universitātes Sandia National Laboratories 2011 .gadā veiktais pētījums par neūdens bāzes siltumnesēju, tsk.superkritiskā CO2 Braitona ciklu. Šo siltumnesēju sistēmas ir mazākas, vienkāršākas un efektīvākas, salīdzinot ar ūdens bāzes siltumnesēju sistēmām. Neūdens bāzes siltumnesēja uzsildīšanai ir piemēroti dažādi siltuma avoti, ieskaitot fosilā kurināmā sadedzināšanu, kodolenerģiju, solāro enerģiju, kā arī ģeotermālo enerģiju (skat. http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/ll/utsr/pdf/wed/Wright%20SCQ2%20Power %20Cycle%20Summarv%20UTSR%202011 %20v2a.pdf).

[006] Iekārtu sistēma neūdens bāzes siltumnesēja tvaika pārvēršanai elektrības, siltuma, aukstuma enerģijā vai to kombinācijā ir aprakstīta patentā US8833475 B2, kurš paredz sašķidrināta CO2 iesūknēšanu, uzglabāšanu un uzsildīšanu dabīgos pazemes rezervuāros atklātā ģeotermālā sistēmā. Tomēr šai sistēmai ir iespējami būtiski trūkumi. Pirmkārt, pietiekami lieli dabīgi pazemes rezervuāri atrodami tikai atsevišķās ģeogrāfiskās vietās. Otrkārt, saskaroties ar dabīgajiem pazemes ūdeņiem, CO2 var reaģēt ar tiem, pārvēršoties par ogļskābi, kas ar laiku з

saēd pazemes iežus un rada zemes iegruvumu risku. Treškārt, sašķidrinātais CO2 labi šķīst ūdenī un kopā ar ūdens plūsmu nonāk apkārtējā vidē, radot piesārņojumu. Ceturtkārt, CO2 mijiedarbība ar pazemes iežiem, sāļiem un ūdeņiem rada piesārņojumu siltumnesēja plūsmā, kas noved pie bojājumiem virszemes enerģijas konvertācijas iekārtās, sadārdzinot to apkopi un ekspluatāciju.

Izgudrojuma mērķis un tā būtība [007] Piedāvātā metodes ģeotermālās enerģijas iegūšanai slēgtā sistēmā būtība ir formulēta 1. pretenzijā, bet izmantotās slēgtās sistēmas tehniskā risinājuma varianti metodes realizācijai ir definēti no 2. līdz 5. pretenzijai. Izgudrojums paredz papildināt patentā LV 14875 В aprakstīto ģeotermālā urbuma izveidošanas un siltuma iegūšanas metodi slēgtā ģeotermālā sistēmā ar enerģijas konvertācijas sistēmu, aizstājot ūdens bāzes siltumnesēju ar neūdens bāzes siltumnesēju. Neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļu maiņas rezultātā iegūto spiedienu un temperatūru var izmantot efektīvai elektroenerģijas, siltuma, aukstuma vai to kombinācijas ražošanai.

Sistēmas apraksts piedāvātās metodes realizācijai [008] Ģeotermalas enerģijas ražošanas sistēma darbojas slēgtā cikla. Visi sistēmas mezgli, caurules un enerģijas konvertācijas iekārtas tiek savstarpēji hermētiski savienoti, lai nepieļautu šķidra vai gāzveida siltumnesēja saskari ar pazemes iežiem, ūdeņiem un apkārtējo vidi. Viens un tas pats ne-ūdens bāzes siltumnesēja apjoms cirkulē un daudzkārtīgi maina agregātstāvokļus no šķidruma uz gāzi un atpakaļ slēgtā koncentriski izvietotu cauruļu sistēmā. Pazemes daļā notiek siltumnesēja uzsildīšana, virszemes daļā notiek iegūtā ģeotermālā siltuma un spiediena konvertācija elektroenerģijas, siltuma, aukstuma vai to kombinācijas ražošanai.

[009] Sistēmas pazemes daļa nodrošina efektīvu ģeotermālās siltuma plūsmas izmantošanu neūdens bāzes siltumnesēja uzsildīšanai slēgtā cirkulācijas sistēmā „caurule caurulē”:

- tiek izveidoti viens vai vairāki vertikāli urbumi līdz dziļumam, kurā sasniegta optimālā temperatūra ne-ūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi;

- sasniedzot nepieciešamo temperatūru, urbumi tiek novirzīti 0 - 90° leņķī pret vertikāli un izveidoti pēc patentā LV 14875 В aprakstītās tehnoloģijas, palielinot urbuma ģeotermālo siltuma plūsmu uztverošās kontaktvirsmas laukumu un paaugstinot siltumapmaiņas procesa efektivitāti;

- ārējā caurulē tiek ievietotas viena vai vairākas mazāka diametra caurules ar noslēgtiem galiem un kalibrētām atverēm šķidrā ne-ūdens bāzes siltumnesēja ievadīšanai pazemē.

- pa vienu vai vairākām iekšējām caurulēm no virszemes iekārtām tiek palaista šķidrā ne-ūdens bāzes siltumnesēja plūsma, kas pa kalibrētām atverēm nonāk kontaktā ar ārējās caurules iekšējo sildvirsmu, sasilst un maina agregātstāvokli no šķidruma uz gāzi.

- pa ārējo cauruli, kura pazemē ir noslēgta un virszemē savienota ar enerģijas konvertēšanas iekārtu sistēmu, tiek palaista atpakaļgaitas siltumnesēja plūsma gāzveida agregātstāvoklī.

[010] Sistēmas virszemes daļa ir spējīga darboties bez arejiem enerģijas avotiem, pati pilnība nodrošinot darba procesam nepieciešamos energoresursus. Virszemes daļa ietver :

- vienu vai vairākus gāzu ģeneratorus elektrības ražošanai, kur griezes momentu rada ne-ūdens bāzes siltumnesēja atpakaļgaitas gāzveida plūsmas spiediens,

- vienu vai vairākus siltummaiņus siltuma ražošanai, kuros pēc gāzu ģeneratora tiek pazemināta siltumnesēja gāzes temperatūra un spiediens,

- vienu vai vairākus siltummaiņus-iztvaicētājus aukstuma ražošanai pirms kompresora, lai iegūtu optimālu temperatūru gāzes sašķidrināšanai,

- vienu vai vairākus kompresorus gāzes saspiešanai līdz šķidram agregātstāvoklim un spiediena paaugstināšanai cirkulācijas sistēmā,

- vienu vai vairākus siltummaiņus-kondensatorus saspiestā šķidruma temperatūras samazināšanai pēc kompresora,

- vienu vai vairākas augstspiediena tvertnes sašķidrinātā neūdens bāzes siltumnesēja uzglabāšanai pirms atkārtotas palaišanas vienā vai vairākās pazemes cirkulācijas sistēmas turpgaitas caurulēs,

- vienu vai vairākus kontroles un vadības blokus,

- vienu vai vairākus drošības vārstus spiediena samazināšanai sistēmā.

[011] Izgudrojuma darbības shēma ir attēlota aprakstam pievienotajos zīmējumos: Fig.l ir parādīts kopējais sistēmas garengriezums virszemē un pazemē, Fig.2 ir parādīts sistēmas šķērsgriezums Sl zemes slāņos A, kur nav sasniegta optimālā temperatūra neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi, bet Fig.3 ir parādīts sistēmas šķērsgriezumu S2 zemes slāņos zemes slāņos C, kur ir sasniegta optimālā temperatūra ne-ūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi. Sistēmas pazemes daļa sadalās sekojošos posmos: А - vertikālais urbums, lai sasniegtu optimālo ģeotermālās temperatūras dziļumu, В - urbuma pagrieziena rādiusa daļa, C - urbuma novirzītā daļa, kurā notiek ne-ūdens bāzes siltumnesēja uzsildīšana un agregātstāvokļa maiņa.

[012] Sistēma ietver sekojošus elementus: Г - vertikālais urbums; 1 - novirzītais urbums; 2 ārējā atpakaļgaitas caurule; 3 - ārējās caurules izolācija; 4, 5 - iekšējās turpgaitas caurules ar izolāciju un kalibrētām atverēm; 6 - paaugstinātas siltuma vadītspējas materiāls; 7 - turpgaitas šķidrā siltumnesēja plūsma; 8 - atpakaļgaitas gāzveida siltumnesēja plūsma; 9 - iekšējās caurules distanced, kas nodrošina attālumu starp turpgaitas un atpakaļgaitas caurulēm; 10 kalibrētās atveres turpgaitas caurulē; 11 - zemes slāņi, kur nav sasniegta optimālā temperatūra ne-ūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi; 12 - zemes slāņi, kur ir sasniegta optimālā temperatūra ne-ūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi; 13 - drošības vārsts; 14 - gāzu turbīna ar elektrības ģeneratoru; 15 siltummainis gāzes temperatūras un spiediena samazināšanai; 16 - siltummainis (iztvaikotājs) aukstuma iegūšanai; 17 - kompresors; 18 - siltummainis (kondensators) sašķidrināta siltumnesēja temperatūras samazināšanai; 19‘ - caurule, kas savieno kompresoru ar siltummaini-kondensatoru (18); 19” - caurule, kas savieno siltummaini ar augstspiediena tvertni (20); 20 - augstspiediena tvertne; 21,22 - ventiļi sašķidrinātās turpgaitas plūsmas regulēšanai; 23 - caurule uz siltummaini-iztvaikotāju; 24 - termoventilis, 25 - kompresors pēc aukstuma siltummaiņa-iztvaikotāja (16); 26 - caurule, kas savieno kompresoru (25) ar cauruli (19’); 27 - ārējās caurules noslēgbloks; 28 - vadības bloks; 29 - zemes virsma; 30 ģeotermālā siltuma plūsma.

[013] Sistēma darbojas pēc sekojošas shēmas:

1) augstspiediena tvertnē (20) zem spiediena tiek iepildīts sašķidrināts ne-ūdens bāzes siltumnesējs.

2) caur ventili (21) pa cirkulācijas cauruli (4) tiek palaista sašķidrinātā ne-ūdens bāzes siltumnesēja turpgaitas plūsma (7) uz pazemi līdz daļai C, kurā caurulē (4) izvietotas kalibrētas atveres (10) siltumnesēja novadīšanai uz ārējās caurules (2) iekšējo sildvirsmu.

3) nonākot uz ārējās caurules (2) iekšējās sildvirsmas, ne-ūdens bāzes siltumnesējs uzsilst un maina agregātstāvokli no šķidruma uz gāzi. Tā rezultātā caurulē (2) pieaug spiediens un temperatūra. Tā kā caurules (2) galā ir noslēgbloks (27), gāzveida siltumnesēja plūsma (8) ir spiesta atgriezties virszemē.

4) lai palielinātu sistēmas jaudu un maksimāli izmantotu siltumnesēja agregātstāvokļu maiņas rezultātā iegūto siltumu, caurules posmā A pa cauruli (5) tiek papildus ievadīts šķidrais ne-ūdens bāzes siltumnesējs, kura daudzumu kontrolē ventilis (22).

5) no caurules (2) posma A, kur gāzes siltumnesēja spiediens un temperatūra ir sasnieguši maksimumu, plūsma (8) nonāk gāzu ģeneratorā (14), kurā rada griezes momentu elektroenerģijas ražošanai.

6) siltummainis (15), kurā gāzes siltumnesēja plūsma (8) nonāk pēc gāzu ģeneratora (14), samazina tās temperatūru un spiedienu, novadot iegūto siltumu komerciāliem patērētājiem vai ne-ūdens bāzes siltumnesēja uzsildīšanai papildus cirkulācijas cilpā.

7) siltummainis-iztvaicētājs (16) pirms kompresora (17) strādā kā saldēšanas iekārta, radot aukstumu, lai absorbētu atlikušo siltumu no gāzes siltumnesēja plūsmas (8) un iegūtu optimālu temperatūru gāzes sašķidrināšanai. Kā aukstuma aģents saldēšanas ciklā tiek izmantots tas pats ne-ūdens bāzes siltumnesējs, kas šķidrā veidā cirkulē sistēmā, no caurules (19”) nonāk caurulē (23) un caur termoventili (24) iztvaiko siltummainī-iztvaikotājā (16), radot aukstumu. Aukstuma aģenta tvaikus kompresors (25) saspiež, atgriežot tos šķidrā stāvoklī pa cauruli (26) caurulē (19’) un tālāk siltummainī-kondensatorā (18).

8) kompresors (17) gāzes siltumnesēja plūsmu saspiež līdz šķidram agregātstāvoklim, kā rezultātā paaugstinās siltumnesēja temperatūra un spiediens augstspiediena tvertnē (20) pirms atkārtotas palaišanas vienā vai vairākās pazemes cirkulācijas sistēmas turpgaitas caurulēs (4, 5).

9) siltummainis-kondensators (18), kur pēc saspiešanas kompresorā (17) šķidrais siltumnesējs ar paaugstināto temperatūru nonāk pa cauruli (19’), samazina šķidrā siltumnesēja temperatūru pirms tā nonākšanas augstspiediena tvertnē (20) pa cauruli (19”).

10) siltumnesēja plūsmas spiediena kontrole notiek caur drošības ventiļiem (13).

11) slēgtās ģeotermālās sistēmas enerģijas ražošanas cikla kontrole notiek caur vadības bloku (28).

[014] Šai izgudrojuma aprakstīta pazemes siltuma iegūšanas metode nodrošina efektīvu un inovatīvu risinājumu videi draudzīgas atjaunojamās enerģijas ražošanai. Slēgtā ģeotermālās cirkulācijas cilpa.....„caurule caurulē” kombinācijā ar......ne-ūdens.....bāzes siltumnesēja termodinamiskajām, hidrodinamiskajām un ķīmiskajām īpašībām veido sistēmu, kas minimāli iejaucas dabā, nerada kaitējumu apkārtējai videi, ir kompakti izvietojama jebkurā ģeogrāfiskā vietā un pieslēdzama pie esošiem infrastruktūras tīkliem. Šī risinājuma ieviešana enerģijas ražošanā ļaus ievērojami samazināt fosilā kurināmā izmantošanu un CO₂ izmešu daudzumu.

Claims (5)

1. Pretenzijas

   1. Ģeotermālās enerģijas iegūšanas metode siltuma, aukstuma, elektrības vai to kombinācijas ražošanai, kas raksturīga ar to, ka viens vai vairāki dziļurbumi, kuros cirkulē neūdens bāzes siltumnesējs un daudzkārtīgi maina agregātstāvokļus no šķidruma uz gāzi un atpakaļ slēgtā koncentriski izvietotu cauruļu sistēmā, pie kam pazemes telpa starp ārējās caurules virsmu un iežiem tiek aizpildīta ar materiālu, kura siltumvadītspēja ir paaugstināta, salīdzinot ar pamatieža siltumvadītspēju.
2. 2. Metode saskaņā ar 1. pretenziju, kurā tiek izmantoti ģeotermālie dziļurbumi sekojošos veidos:

   a) viens vai vairāki urbumi tiek izveidoti perpendikulāri pret zemes virsmu zemes slāņos, kur nav sasniegta optimālā temperatūra neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi, un tiek novirzīti 0 līdz 90° leņķī pret vertikāli zemes slāņos, kur ir sasniegta optimālā temperatūra neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi;

   b) viens vai vairāki urbumi tiek izveidoti leņķī pret zemes virsmu zemes slāņos, kur nav sasniegta optimālā temperatūra neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi, un tiek novirzīti 0 līdz 90° leņķī pret sākotnējo urbumu zemes slāņos, kur ir sasniegta optimālā temperatūra neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi;

   c) koncentriski izvietotas cirkulācijas caurules tiek ievietotas esošos urbumos, kur ir sasniegta optimālā temperatūra neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņai no šķidruma uz gāzi.
3. 3. Metode saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, turklāt slēgtajā cauruļu sistēmā cirkulē un maina agregātstāvokli neūdens bāzes siltumnesējs sekojošā veidā:

   a) pa vienu vai vairākām iekšējām caurulēm no virszemes iekārtām tiek palaista turpgaitas siltumnesēja plūsma šķidrā agregātstāvoklī, kuru pa kalibrētām atverēm novada uz ārējās caurules iekšējo sildvirsmu,

   b) saskaroties ar ārējās caurules iekšējo sildvirsmu, siltumnesēja plūsma maina agregātstāvokli no šķidruma uz gāzi,

   c) pa ārējo cauruli, kas pazemē ir noslēgta un virszemē ir savienota ar enerģijas konvertēšanas sistēmu, tiek palaista atpakaļgaitas siltumnesēja plūsma gāzveida agregātstāvoklī.
4. 4. Metode saskaņā ar jebkuru iepriekšējo pretenziju, turklāt vienam vai vairākiem dziļurbumiem tiek pieslēgta virszemē izvietota slēgta enerģijas konvertēšanas sistēma, kura satur sekojošas savstarpēji hermētiski savienotas iekārtas:

   a) vienu vai vairākus gāzu ģeneratorus elektrības ražošanai, kuros griezes momentu rada neūdens bāzes siltumnesēja atpakaļgaitas gāzveida plūsmas spiediens,

   b) vienu vai vairākus siltummaiņus, kuri pēc gāzu ģeneratora pazemina siltumnesēja plūsmas temperatūru un spiedienu un var tikt izmantoti siltuma ražošanai,

   c) jebkuras citas enerģijas konvertēšanas iekārtas, kas veic lietderīgu darbu siltumnesēja plūsmas spiediena un/vai temperatūras ietekmē.
5. 5. Metode saskaņā ar jebkuru iepriekšējo pretenziju, turklāt slēgtas cirkulācijas sistēmas virszemes daļa satur sekojošas savstarpēji hermētiski savienotas neūdens bāzes siltumnesēja agregātstāvokļa maiņas iekārtas:

   a) vienu vai vairākus siltummaiņus-iztvaicētājus aukstuma ražošanai pirms kompresora, lai iegūtu optimālu temperatūru gāzes sašķidrināšanai,

   b) vienu vai vairākus kompresorus gāzes saspiešanai līdz šķidram agregātstāvoklim un spiediena paaugstināšanai cirkulācijas sistēmā,

   c) vienu vai vairākus siltummaiņus-kondensatorus saspiestā šķidruma temperatūras samazināšanai pēc kompresora, kas var tikt izmantoti siltuma ražošanai,

   d) jebkuras citas iekārtas, kas maina siltumnesēja plūsmas spiedienu, temperatūru un/vai agregātstāvokli,

   e) vienu vai vairākas augstspiediena tvertnes sašķidrinātā neūdens bāzes siltumnesēja uzglabāšanai pirms atkārtotas palaišanas vienā vai vairākās pazemes cirkulācijas sistēmas turpgaitas caurulēs.