NL7908171A

NL7908171A - Werkwijze voor het winnen van aardwarmte en een inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

Info

Publication number: NL7908171A
Application number: NL7908171A
Authority: NL
Original assignee: Feist Artus
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1979-11-08
Publication date: 1981-03-09
Also published as: GB2058334A; IT7912819A0; IT1124238B; FR2464441A1; DE2935832A1; PT70433A; ES8101254A1; BE880976A; ES490306A0

Description

Werkwijze voor het vinnen van aardvarmte en een inrichting voor het uitvoeren van deze werkwijze.

Het is bekend dat de temperatuur in het invendige van de aarde hoger is dan aan het oppervlak. Hierbij geldt het zogenaamd geothermisch temperatuurverloop, waarbij de temperatuur over elke 100 m 3° stijgt. In kolenmijnen, 5 waarbij op een diepte van 2.000 m aldus een temperatuur van ongeveer 60° en meer heerst, brengt dit temperatuurverloop alleen nadelen met zich mee en bemoeilijkt het werk ondergronds. Voor de hedendaagse inspanningen nieuwe energiebronnen aan te boren brengt dit geothermisch 10 temperatuurverloop evenwel grote voordelen met zich mee.

De aardwarmte vormt een nieuwe energiebron. Aan de ingenieur wordt de opgave gesteld de aardwarmte met zo eenvoudig mogelijke middelen en met zo gering mogelijke energiekosten voor het transport hiervan uit het inwendige 15 van de aarde naar het aardoppervlak te transporteren.

Dit doel ligt als grondslag aan de onderhavige uitvinding. Daarom beoogt de uitvinding een werkwijze en een inrichting, waarmee de warmte uit het inwendige van de aarde aan het aardoppervlak kan worden gebruikt. Hierbij 20 worden alleen bekende mijnbouwtechnische maatregelen toegepast om boorgaten in de grond aan te brengen, met pijpen te bekleden en dergelijke.

De oplossing voor het gestelde doel is volgens de uitvinding een werkwijze, volgens welke een vloeibaar 25 warmte-overdrachtsmiddel koud wordt ingébracht in een in de grond aangebracht boorgat en onder opname van warmte uit de omgevende grond gevoerd wordt naar het diepst 790 81 71 * /* 2 gelegen punt van het "boorgat, daarover 180° wordt omgekeerd en gescheiden van het ingébrachte koude warmte-overdrachtsmiddel omhoog gevoerd wordt in het boorgat en voor het afnemen van de opgenomen warmte 5 hieruit naar buiten gevoerd wordt. Als warmte-overdrachtsmiddel wordt water gebruikt. Natuurlijk kunnen ook andere vloeistoffen toegepast worden wanneer beter thermische eigenschappen op de voorgrond treden en hogere kosten gerechtvaardigd zijn. Vanwege de eenvoud zal hierna evenwel uitsluitend sprake zijn van water.

10 Bij de onderhavige werkwijze is in het boorgat sprake van een systeem van communicerende buizen. Deze zijn aan hun benedeneinden op het diepste punt van het boorgat onderling verbonden. In het boveneind van de ene buis wordt het koude water ingebracht. Men neemt aan 15 dat als gevolg van de natuurlijke zwaartekracht het water naar beneden zinkt. Hierbij stroomt het langs de wand van het boorgat, dat door de grond, waarvan de temperatuur toeneemt naarmate de diepte toeneemt, is omgeven. De warmte uit de grond wordt overgedragen op 20 het naar beneden stromend water en verhoogt de temperatuur hiervan. Bij eenzelfde buisdoorsnede stijgt aldus ook de stromingssnelheid hiervan. Op het diepste punt van het boorgat komt het water in de andere buis en stijgt hierin naar boven. Het systeem van de beide communicerende 25 buizen leidt er toe dat het water zonder inwerking van buiten in de ene buis naar beneden en in de andere buis naar boven stroomt. Het grotere volume van het warme water voert in de laatst genoemde buis tot een hogere stromingssnelheid. Hierdoor ontstaat een zuigwerking op het in 30 de ene buis omlaag stromend water. Zonder een extra pomp ontstaat een natuurlijke kringloop* Die temperatuur» waarop het water in deze kringloop door de grond wordt opgewarmd, hangt af van de diepte van het boorgat en van de grootte van de bereikbare warmteoverdracht. Bij een diepte van 790 8 1 71 CS 4 3 1.000 meter wordt theoretisch een opwarming van het water met 30° verkregen. Wanneer de aldus verkregen uittree-temperatuur van het water niet voldoende is voor een directe toepassing hijvoorbeeld voor het verwarmen van 5 ruimten, wordt een warmtepomp toegepast. Evenzo kan de zojuist verkregen en door de natuurlijke zwaartekracht veroorzaakte stroming door de beide communicerende buizen vergroot worden door een extra pomp.

Voor het uitvoeren van de onderhavige werkwijze 10 zijn enkele uitvoeringen mogelijk. In principe wordt een inrichting volgens de uitvinding gekenmerkt door een in de grond aangebracht gat en een hierin aangebrachte buis, waardoor een ringvormige ruimte wordt gevormd, waarbij in het onderste gedeelte hiervan gaten zijn 15 aangebracht in de wand iervan, De ringvormige ruimte tussen de wand van het boorgat en de buis vormt de buis voor het omlaag stromend water, dat de warmte direct uit de omgevende grond opneemt. Aan het benedeneind van het gat of van de ringvormige ruimte komt dit opgewarmd water 20 via de door^boringen binnen in de buis en stroomt -hierin naar boven.

Het boorgat wordt op bekende wijze met behulp van een boorbeitel, een stangenstelsel enz. aangebracht. In het algemeen zal men geen hard gesteente, zoals graniet 25 of primair gesteente aanboren. Het betekent dat het boor-gat wordt bekleed met buizen. Een tegen de wand van het boorgat aanliggende en tot het diepste punt van het boorgat reikende mantelbuis ontstaat aldus. Opdat de buis, die de buis voor het naar boven stromend water 30 vormt, concentrisch in deze mantelbuis is gelegen en zodoende gunstige stromingsomstandigheden optreden, zijn op de omtrek van de buis radiaal lopende afstands-houders aangebracht, die tegen de mantelbuis aanliggen en de buis concentrisch hierin houden* 35 Zodra het boorgat tot op de gewenste diepte is aan- 790 81 71 * k gebracht en de wand van het boorgat is bekleed met buizen, moet het boorgat aan zijn benedeneind worden afgedicht. Overeenkomstig de uitvinding wordt hiertoe een plug gebruikt, die bestaat uit een afdichtmateriaal, bijvoorbeeld 5 een uit kunststof bestaande afdichtmortel, welke plug het benedeneind van de mantelbuis en eventueel ook de daaronder zich bevindende grond opvult, respectievelijk verdringt. Hiertoe wordt het afdichtend materiaal, nadat het boorgat is bekleed met buizen en de boorbeitel met 10 het stangenstelsel is uitgenomen, van boven ingebracht in de mantelbuis. Hierna wordt de andere buis, die uit afzonderlijke aan elkaar geschroefde delen bestaat, neergelaten tot op deze plug.

De mantelbuis bestaat bij voorkeur uit afzonderlijke 15 metalen buisgedeelten. Deze bezitten de noodzakelijke sterkte en vormen voorts een goede warmte-overdracht van de grond op het omlaagstromend water. De concentrisch . in de mantelbuis liggende buis bestaat bij voorkeur uit afzonderlijke buisgedeelten van kunststof, waarop de af-20 standhouders kunnen zijn aangebracht. Bij voorkeur wordt een kunststof met een gering warmte-geleidend vermogen toegepast. Hierdoor behoudt het omhoog stromend warm water nagenoeg zijn temperatuur en wordt niet overmatig afgekoeld door het omlaag stromend koud water. Zoals reeds 25 gezegd heeft het omhoog stromend water bij een zelfde doorsnede van de beide buizen een hogere snelheid dan het omlaag stromend water. Hierdoor wordt de verblijftijd van het omhoogstromend water in de buis, waarin het geleid wordt, verkort. Aldus staat ook minder tijd ter beschikking 30 tijdens welke het water zijn warmte kan afgeven aan het omlaag stromend koud water. Hierdoor werkt de onderhavige inrichting met een hoog thermisch rendement.

De zojuist beschreven uitvoeringsvorm wordt toegepast bij een niet harde bodem. De mantelbuis vormt 35 een bekisting en tegelijkertijd de buis of voorloopbuis 790 8 171

* A

5 voor het omlaag stromend water. Zijn groot oppervlak verzekert hierbij zonder toedoen een goede varmte-overdracht van de grond op het omlaag stromend water. Bij hard gesteente, zoals graniet of ongestoord primair gesteente, 5 vormt de mantelbuis een extra kostenfactor en kan weggelaten worden. Voor een dergelijk vast gesteente wordt een tweede uitvoeringsvorm gebruikt, die eveneens een in het gesteente aangebrachte boring bezit en gekenmerkt wordt door tenminste één in de boring aangebrachte buis-10 leiding bestaande uit delen van buizen omlaag lopend naar het diepste punt van het boorgat, daar van richting omkerend en vervolgens wederom naar boven leidend, en een uit warmte geleidend materiaal bestaand vulmiddel opvullend de holle ruimte tussen de wand van het boorgat 15 of het gesteente enerzijds en de buisleiding anderzijds.

3ij deze uitvoeringsvorm zijn aldus de omlaagvoerende buizen, respectievelijk de omlaag voerende delen van buizen identiek aan de omhoog lopende buizen, respectievelijk de omhoog lopende delen van de buizen. Aldus is 20 het thermisch rendement kleiner dan bij de eerste uitvoeringsvorm. Omdat de grond evenwel blijft staan en het boorgat open blijft, is het bekleden van het gat met buizen niet nodig en zijn de kosten voor het aanbrengen van het boorgat eveneens lager. Met gelijk blijvende 25 kosten kunnen aldus meerdere boorgaten worden aangebracht. Hierdoor wordt bij gelijkblijvende kosten ook wederom hetzelfde thermische rendement verkregen.

Wanneer het water bij zijn intrede in de omlaag voerende buizen een lagere temperatuur heeft dan de 30 omgevende grond, en alleen dan treedt de gewenste warmte-afgifte van de grond op, verdient het de voorkeur dat de omlaag lopende buizen een grotere diameter bezitten dan de omhoog lopende buizen. Hierbij kan de grotere doorsnede gevormd worden zowel door een grotere diameter 35 als ook door meerdere buizen.

790 8 1 71 ! 6

Om in een boorgat een zo groot mogelijk oppervlak voor het overgaan van de warmte van de grond op het water te verkrijgen worden overeenkomstig de uitvinding twee of meer boorleidingen elk met omlaag en omhoog lopende delen 5 van buizen aangebracht in een boorgat.

De warmte-overgang van de grond op het water hangt voornamelijk af van een goede opvulling van de holle ruimte. Voor het opvullen wordt het warmte geleidend materiaal na het inbrengen van de buizen in het boorgat 10 hierin gestort. Hierbij moet er op gelet worden dat het vulmateriaal omlaag valt tot op het diepste punt van het boorgat en vandaar gelijkmatig naar boven wordt opgebouwd. Wanneer de buizen excentrisch of niet recht in het boorgat lopen, bestaat het gevaar dat het vulmateriaal op de 15 wand van het boorgat grond meesleurt of niet omlaag valt, waardoor luchtzakken worden gevormd. Hierdoor wordt een goede warmte-overdraeht belemmerd. Voor een nauwkeurige plaatsing van de buisgedeelten zijn overeenkomstig de uitvinding op verticale afstanden hiertussen horizontaal 20 lopende afstandsribben aangebracht. Deze houden de buisgedeelten op de gewenste onderlinge afstand en verzekeren de centrische ligging hiervan in het boorgat. Bij een dergelijke ligging van de buisgedeelten valt het van boven hiertussen gestort vulmateriaal tot op het diepste 25 punt van het boorgat. Vandaar wordt het vulmateriaal naar boven opgebouwd en valt en glijdt hierbij tussen de buisgedeelten radiaal naar beneden en vult het boorgat zonder dat de wand hiervan wordt beschadigd. Overeenkomstig de uitvinding zijn de buisgedeelten samengesteld uit buis-30 delen en de hiertussen lopende afstandsribben bezitten een lengte van tenminste het 2,5-voudige van de korrel-grootte van het vulmateriaal. Hierdoor is men er van verzekerd dat het tussen de buisdelen gestort vulmateriaal hieraan voorbij radiaal naar buiten valt en glijdt en 35 de volledige holle ruimte van het boorgat opvult.

790 8 1 71 7

Een uitvoeringsvorm van de uitvinding zal thans ander worden toegelicht aan de hand van de beschrijving en bijgevoegde tekeningen, waarbij:

Fig. leen zij-aanzicht, gedeeltelijk in doorsnede 5 is van een eerste uitvoeringsvorm, waarbij in het boorgat een mantelbuis is geplaatst en een binnenbuis nog niet is aangebracht; fig. 2 een zij-aanzicht is van dezelfde uitvoeringsvorm, gedeeltelijk in doorsnede, nadat de binnenbuis is 10 aangeb racht; fig. 3 een doorsnede is volgens de lijn III-III in fig. 2; fig. k een doorsnede is volgens de lijn IV-IV in fig. 2; 15 fig. 5 een zij-aanzicht is, gedeeltelijk in door snede van een tweede uitvoeringsvorm zonder mantelbuis met reeds gedeeltelijk omlaag gelaten inwendige buisleidingen; fig. 6 een zij-aanzicht, gedeeltelijk in doorsnedes 20 van dezelfde uitvoeringsvorm in de eindtoestand met volledig omlaag gelaten inwendige buisleidingen en een ingebrachte vulling; fig. 7 een doorsnede is volgens de lijn VII-VII in fig. 5;

25 fig. 8 een doorsnede is volgens de lijn VIII-VIII

in fig. 6; fig. 9 een bovenaanzicht is van de uitvoeringsvorm volgens de fig. V en VI met een grotere doorsnede van de omlaag voerende buizen van de buisleidingen; 30 fig. 10 een bovenaanzicht is van dezelfde uit voeringsvorm waarbij in totaal drie buisleidingen zijn aangebracht.

In de fig. 1 en 2 wordt de grond of het gesteente met 12 aangegeven. Hierin is een boorgat 1¾ aangebracht.

35 Het boorgat 1^ is bekleed met een mantelbuis 16. Deze 790 8 1 71 8 bestaat uit enkele aan elkaar geschroefde metalen buis-gedeelten. Voor een beter overzicht zijn deze in fig.

2 niet afzonderlijk weergegeven. In de mantelbuis 16 wordt de middelste buis 18 onder vorming van de ringvormige 5 ruimte 20 omlaag gelaten. Op de buis 18 zitten radiale afstandshouders 22. Aan het benedeneind van het boorgat 1U, respectievelijk van de mantelbuis 16,bevindt zich een plug 2k van afdichtend materiaal. Deze sluit het diepste punt van het boorgat af, dat met 26 is aangegeven. De 10 binnenbuis 18 bezit aan zijn onderzijde de doorboringen 28.

Voor het verkrijgen van deze in de fig. 1 en 2 en de bijbehorende doorsneden 3 en ^ weergegeven uitvoeringsvorm van de onderhavige opste.lling wordt op bekende wijze een boorgat aangeboord. Hierbij wordt dit 15 gat bekleed met metalen buisgedeelten. Deze blijven staan en vormen de boormantel 16. Na het boren wordt een afdichtend materiaal gestort in het boorgat. Dit vormt de plug 2^. Vervolgens wordt de binnenbuis 18 neergelaten tot op het diepste punt 26 van het boorgat. Ook deze 20 buis bestaat uit enkele aan elkaar geschroefde delen.

De onderste delen bezitten de doorboringen 28.

In bedrijf zijnde wordt koud water, bijvoorbeeld het van een verwarming afstromend koud water ingeleid in de ringvormige ruimte 20. De beide boven in fig. 2 25 aangegeven pijlen wijzen hierop. In de ringvormige ruimte 20 valt het koude water naar beneden. Hierbij neemt het de warmte op, die via de metalen mantelbuis 16 door het gesteente 12 wordt afgegeven. De temperatuur hiervan stijgt. In het onderste, gedeelte van het boorgat 1¼ komt 30 het nu warme water via de doorboringen 28 binnen in de binnenbuis 18. De in het onderste gedeelte van fig. 2 en de in fig. 4 aangegeven pijlen geven deze overgang aan. Het warme water stroomt in de binnenbuis 18 naar boven en wordt aan het boveneind hiervan afgenomen. De beschre-35 ven uitvoeringsvorm wordt toegepast bij grond, die in het 790 81 71 - -¾ 9 boorgat zou afbrokkelen., zodat het boorgat met een mantel-buis 16 bekleed moet worden.

De hierna te beschrijven uitvoeringsvorm volgens de fig. 5 tot 10 wordt daarentegen toegepast bij vast 5 gesteente. Bij de in de fig. 5 tot 10 weergegeven uitvoeringsvorm ontbreekt de bekleding van het boorgat ik met buizen, omdat het hierbij gaat om vast gesteente 12.

Fig. 5 toont het boorgat 1k waarvan het diepste punt 26 van het boorgat niet met een plug 2k wordt afgesloten, 10 maar open blijft. Fig. 5 toont de uitvoering waarbij reeds gedeeltelijk buisleidingen 30 omlaag zijn geladen. Zoals in het bijzonder de doorsnede in fig. 7 aan--geeft, gaat het om twee buisleidingen 30 met elk een omlaag voerende buis 32 en een omhoog voerende buis 3k. De tussen de 15 buizen lopende ribben 36 houden deze op nauwkeurige afstand van elkaar. Na het volledig omlaag laten van de buisleidingen 30 nemen deze de in fig. 6 weergegeven stand in. Thans wordt het materiaal, dat de vulling 38 vormt, ingebracht. Het gaat hierbij om een mortel met 20 goede warmte geleidende eigenschappen. Deze wordt tussen en zijdelings van de buisdelen ingebracht in het boorgat.

Nadat de mortel het diepste punt 26 van het boorgat heeft bereikt, wordt het opgebouwd. Tenslotte vult de mortel van beneden omhoog stijgend de gehele holle ruimte in het 25 boorgat 1k op. Hierdoor ontstaat een innige warmte-ge- leidende verbinding tussen het gesteente 12 en de buisdelen.

Zoals de pijlen in fig, 6 aangeven, wordt het koude water ingeleid in de omlaag lopende buisdelen 32.

30 Hierin stroomt het omlaag en neemt hierbij de warmte op, die door het gesteente 12 wordt afgegeven. Op het diepste punt 26 van het boorgat komt het water in de omhoog lopende buisdelen 3k. Ook daar zal het water, zo lang de temperatuur hiervan nog ligt onder die van het gesteente 12, 35 verder warmte opnemen. Tenslotte wordt het water aan het t 7908 1 71 10 boveneind van de buis 31* als warm water af genomen.

De doorsneden in de fig. 7 en 8 tonen de in de fig. 5 en 6 weergegeven uitvoeringsvorm, waarbij de omlaag en de omhoog lopende buizen dezelfde doorsnede 5 bezitten. Fig. 9 toont een uitvoeringsvorm, waarbij de omlaag lopende buizen 32 een grotere doorsnede bezitten dan die van de omhoog lopende buizen 3^. Met deze maatregel wordt onder andere bereikt dat het warme water in de buizen 31* een grotere snelheid aanneemt. Aldus 10 wordt de tijd verkort, tijdens welke het water in de delen, waarin de temperatuur hiervan ligt boven die van het gesteente 12, warmte hieraan kan afgeven. Hierdoor wordt het thermisch rendement verbeterd. In fig. 10 wordt nog een uitvoering getoond, waarbij in plaats van 15 twee drie buisleidingen met telkens een omlaag en omhoog lopende buis 32, respectievelijk 3U worden toegepast.

De bij de uitvinding toepasbare boorgatdiepten zijn theoretisch niet begrensd. In de praktijk bestaat evenwel een onderste boorgatdiepte van misschien 1.000 m 20 en een bovenste boorgatdiepte van misschien 2,000 m. Bij een boorgatdiepte van minder dan ongeveer 1.000 m ligt de temperatuur te laag en bij boorgatdiepten van boven 2.000 m worden de kosten te hoog. De diameter van het boorgat en van de buizen zullen in het algemeen vallen 25 in het gebied van 100 tot ^00 mm. De onder bepaalde omstandigheden extra gebruikte pompen, die de warmte-stroom ondersteunen, hebben slechts een zeer klein vermogen. De opwaartse druk, die door het lager soortelijk gewicht van het verwarmd water ontstaat, is in het al-30 gemeen voldoende voor het rondvoeren van het water.

Aldus is een pomp alleen nodig om de stromingsverliezen op te heffen. Dienovereenkomstig zal het vermogen hiervan klein zijn.

790 8 171

Claims

1 1 1« Werkwijze voor het winnen van aardwarmte met het kenmerk, dat een stromend warmte-overdrachtsmiddel koud ingébracht wordt in een boorgat, dat is aangebracht in de grond, en onder opname van warmte uit de omgevende 5 grond gevoerd wordt naar het diepste punt van het boorgat, daar over 180° wordt omgekeerd en gescheiden van het ingebrachte koud warmte-overdrachtsmiddel omhoog gevoerd wordt in het boorgat en voor het afnemen van de opgenomen warmte hieruit naar buiten wordt afgevoerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk. dat als warmte-overdrachtsmiddel water wordt gebruikt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 met het kenmerk. dat de door de natuurlijke zwaartekracht veroorzaakte stroming van het warmte-overdrachtsmiddel ondersteund 15 wordt door een pomp. 1*. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de conclusies 1-3 gekenmerkt door een in de grond (12) aangebracht boorgat (1M en een hierin geplaatste buis (18), waardoor een ringvormige ruimte (20) 20 wordt gevormd, waarbij in het onderste gedeelte van de wand van deze buis (18) doorboringen (28) zijn aangebracht.

5. Inrichting volgens conclusie U gekenmerkt door een in het boorgat (1U) aangebrachte mantelbuis (16), die aanligt tegen de wand vanhet boorgat en reikt 25 tot op het diepste punt van het boorgat.

6. Inrichting volgens conclusie t en 5 gekenmerkt door op de omtrek van de buis (18) aangebrachte radiaal lopende afstandhouders (22), die aanliggen tegen de mantelbuis (16) en de buis (18) concentrisch in de 30 mantelbuis (16) houden.

7. Inrichting volgens conclusie k-6 met het kenmerk, dat een uit een afdichtend materiaal bestaande plug (2^) het benedeneind van de mantelbuis (16) en eventueel ook de zich daaronder bevindende grond opvult, respectie- 790 8 1 71 velijk verdringt.

8. Inrichting volgens conclusie U-7 met het kenmerk, dat de mantelbuis (16) bestaat uit metalen buisdelen.

9. Inrichting volgens conclusie U-8 met het kenmerk, 5 dat de buis (18) bestaat uit buisdelen van kunststof en dat de afstandshoudeis (22·) hierop zijn aangebracht.

10. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de conclusies 1-3 gekenmerkt door een in de grond (12) aangebracht boorgat (1H), tenminste een in het 10 boorgat (1^) aangebrachte buisleiding bestaande uit een tot op het diepste punt (26) van het boorgat omlaag lopende, daar van richting omkerende en vervolgens wederom omhoog lopende buis (32, 3^·) en een uit warmtegeleidend materiaal bestaande vulling (38), die de holle ruimte tussen de 15 wand van het boorgat en de buisleiding opvult.

11. Inrichting volgens conclusie 10 met het kenmerk, dat de omlaag lopende buis (32) een grotere doorsnede bezit dan de omhoog lopende buis (3*0.

12. Inrichting volgens conclusie 10 met het kenmerk. 20 dat twee of meer buisleidingen (30) elk met een omlaag en omhoog lopende buis (32, 3M aanwezig zijn.

13. Inrichting volgens conclusie 10-12 gekenmerkt door op verticale afstanden horizontaal tussen de buizen (32, 3M lopende afstandsribben (36), 25 1U. Inrichting volgens conclusie 10-13 met het ken merk, dat de buizen (32, 3*0 bestaan uit afzonderlijke buisgedeelten en dat de afstandsribben (36) een lengte van tenminste het 2,5-voudige van de korrelgrootte van het materiaal, dat de vulling (38) vormt, bezitten. 30 15· Inrichting in hoofdzaak zoals beschreven in de beschrijving en/of weergegeven in de tekeningen. 790 8 1 71