NO305622B2 - Anordning for utnyttelse av naturvarme - Google Patents

Description

Teknisk bakgrunn og tidligere kjent teknologi

Foreliggende oppfinnelse vedrører et anlegg for utnyttelse av geotermisk energi ved sirkulasjon av vann gjennom en geologisk formasjon minst 2 m under jordoverflaten, omfattende flere tilførselshull som fører fra overflaten ned til nevnte formasjon, hvor de er tilknyttet i det minste ett tilbakeløpshull for transport av oppvarmet vann fra formasjonen til overflaten. Et slikt anlegg er foreslått i US 5,515,679 og er tenkt med tre tilførselshull som skal føres ned til et dyp på 6100 m for produksjon av vanndamp. Her er temperaturen omtrent 550 °C, en temperatur som er så høy at det ikke finnes utstyr som kan foreta den nød-vendige retningsboring av tilførselshullet. Videre er den foreslåtte lengde av tilførselshullene langt fra tilstrek-kelig til å gi et positivt utbytte av betydning over tid.

Jordens varmestrøm gjennom overflaten

Jorden har en gjennomsnittlig varmestrøm gjennom overflaten på 80 mW/m<2>, hvorav ca. 25 mW/m<2>kommer fra nedkjøling av kjernen og ca. 55 mW/m<2>kommer fra radioaktive prosesser i litosfæren. Dette gir opphav til en temperaturgradient som avhenger av fjellets varmeledningsevne, men som i gjennom-snitt er 30-35 "C/km. Variasjonene er imidlertid store. I områder med vulkansk aktivitet er varmestrømmen større, og temperaturgradienten mye større, mens varmestrømmen i områder med gammelt grunnfjell til overflaten kan være nede i 30-40 mW/m<2>og temperaturgradienten bare 10-15 °C/km.

Bruk av geotermisk energi

Jordvarme, eller geotermisk energi, har vært tatt i bruk som energikilde i stor målestokk i dette århundre, men ve-sentlig i områder med vulkansk aktivitet der dybden til energiressursene (høy temperatur) er liten, og særlig der porøst fjell med grunnvannsressurser gjør det mulig å tappe varmt vann direkte fra grunnen, som for eksempel på Island og i Italia.

Fra begynnelsen av 70-årene økte oppmerksomheten om bruken av jordens ikke-fornybare energiressurser, og sammen med den brå stigning i oljeprisen som fant sted i 1973, førte dette til en økt interesse for alternative energikilder, inklusive geotermisk energi. I tillegg til de allerede kjente metoder for utnyttelse av denne energikilden, begyn-te for alvor forskning omkring utnyttelse av energien i Tørt Varmt Fjell i dypet. (Eller Hot Dry Rock - HDR - som betegnelsen er på engelsk). Også her så man av økonomiske gunner i første rekke etter bergarter der temperaturgradienten eller varmestrømmen var høy. I USA ble det under le-delse av Los Alamos National Laboratory bygget et forsøk-sanlegg i Fenton Hill i New Mexico, der temperaturgradienten er ca. 70 °C/km. I Storbritannia har Cambourne School of Mines utført et større forskningsprogram på Carnme-nelgranitten i Cornwall. Denne granitten har høy egenpro-duksjon av varme og en varmestrøm på ca. 110 mW/m<2>. Senere har både Tyskland og Frankrike kommet med i dette forsk-ningsarbeidet .

Ved alle kjente anlegg i TVF til nå har man forsøkt å etablere forbindelse mellom to borehull som man sirkulerer vann igjennom, ved å lage sprekksoner mellom borehullene enten ved å bruke eksisterende sprekksoner, ved å sprenge opp fjellet mellom borehullene med eksplosiver, eller ved å etablere et sprekksystem ved hydrostatisk trykk og/eller varme. Dette gir usikre strømingsforhold for vannet og usikker varmeovergang mellom fjell og vann.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et anlegg for utnyttelse av geotermisk energi som ikke er beheftet med ovennevnte ulemper.

Ifølge oppfinnelsen, som er definert i krav 1, har man funnet at et slikt anlegg må tilfredsstille følgende kriterier: 1. Anlegget må ha kontrollerbare sirkulasjons- og strømningsforhold for vann, slik at energiutbytte i forhold til investering kan beregnes på forhånd. 2. Energiopptaket må foregå over stor lengde i det ak-tuelle temperaturområde i reservoaret. 3. Energitapet til kaldere fjell ved transport til overflaten må begrenses mest mulig. 4. Anlegget må kunne bygges med effektive og kjente metoder .

Beskrivelse

På vedlagte skisse er det vist et anlegg for 50 MW nomi-nell ytelse og 40 MW gjennomsnittlig ytelse over 240.000 timers bruk (60 år ved 4.000 timer/år).

Forutsetningene er:

1. Utnyttelse av energien mellom 100 °C (utløpstempera-tur for vann) og 40 °C (innløpstemperatur). 2. Reservoaret er en granitt med varmeledningsevne på 4 W/m°C.

3. Temperaturgradient på 30 °C/km.

4. Massestrøm: ca. 200 kg/s.

Det bores et sentralt tilbakeløpshull på 16" diameter til 6.000 m dyp.

Det bores tre tilførselshull for vann på 10" diameter. Disse skrås ut til ca. 1.630 m avstand fra sentralhullet på 3.370 m dyp, og videre vertikalt til 4.370 m dyp. Fra tilførselshullet bores 21 stk 4" grenhull for varmeovergang inn mot sentralhullet med nøyaktig styrt boring. Disse ligger 3 og 3 i samme plan med senteravstand på 100-150 m. Høydeavstand mellom plan: 150 m.

Diameteren på grenhull kan varieres for å få lik strøm-ningsmotstand til sentralhull ved å variere størrelsen på borkronen.

Alle rette hull bores med vanndreven slaghammer. Avviks-boring og innboring mot sentralhull foretas med bormotor og rulleborkrone.

Grenhull bores ut fra tilførselshull gjennom egen casing i tilførselshull og sko for styring av startretning. Av-bøyning i starten og styring inn mot sentralhull bores med bormotor og rulleborkrone.

Denne konfigurasjonen gir høye vannhastigheter i tilfør-selshull, og særlig i sentralhullet. Det reduserer bore-kostnader og energitapet på vei til overflaten. Samtidig har en stort areal for vanngjennomstrømming i reservoaret som gir lavt pumpetap, og lange lenger av borehull i reservoaret som gir høyt varmeopptak.

Grenhull for varmeopptak starter på stort dyp, mellom 3.370 og 4.370 m, slik at borekostnadene blir minst mulig pr. kW effekt, ved at man sparer kostnadene for å bore seg ned til reservoaret for hvert hull.

Bruk av vanndreven slaghammer reduserer kostnadene for boring.

Claims (11)

1. Anlegg for utnyttelse av geotermisk energi ved sirkulasjon av vann gjennom en geologisk formasjon (1) minst 2000 m under jordoverflaten (2), omfattende flere tilfør-selshull (3) som fører fra overflaten (2) ned til nevnte formasjon (1), hvor de er tilknyttet i det minste ett til-bakeløpshull (4) for transport av oppvarmet vann fra nevnte formasjon (1) til overflaten (2),karakterisert vedat det mellom hvert til-førselshull (3) og tilbakeløpshullet (4) forløper varmeopptagende hull (5) i flere, over hverandre anordnede plan (6).

2. Anlegg ifølge krav 1, karakterisert vedat det forløper flere varmeopptagende hull (5) i hvert av nevnte plan (6).

3. Anlegg ifølge krav 2, karakterisert vedat det i hvert av nevnte plan (6) forløper tre, hovedsakelig innbyrdes parallel-le varmeopptagende hull (5).

4. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat den hovedsakelige del av hvert varmeopptagende hull (5) ligger minst 50 m, fortrinnsvis 100 m, men helst ikke mer enn 150 m fra det nærmeste varmeopptagende hull (5).

5. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat det totale strøm-nings-tverrsnitt av de varmeopptagende hull (5) er minst dobbelt sa stort, helst fire eller flere ganger så stort som strømningstverrsnittet av tilbakeløpshullet (4).

6. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat den hovedsakelige del av de varmeopptagende hull (5) forløper i en vinkel (a) med horisontalplanet, hvilken vinkel fortrinnsvis er ca. 40 °.

7. Anlegg ifølge et foregående krav, hvor de varmeopptagende hull (5) har minst ett rett og ett krumt parti,karakterisert vedat det krumme parti er boret med en rulleborkrone og det rette parti er boret med en slaghammer.

8. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat tilbakeløpshullets (4) lengde og den totale lengde av de varmeopptagende rør (5) er av størrelsesorden 6 km, hhv. 150 km.

9. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat det omfatter tre til-førselshull (3), at diameteren av tilførselshullene (3), tilbakeløpshullet (4) og de varmeopptagende hull (5) er av størrelsesorden hhv. 25 cm, 40 cm og 10 cm, og at avstanden mellom nevnte plan (6) er ca. 150 m.

10. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat det øvre parti av tilbakeløpshullet (4) er forsynt med en fortrinnsvis ter-misk isolerende foring (7).

11. Anlegg ifølge et foregående krav,karakterisert vedat forholdet mellom den totale lengde av de varmeopptagende hull (5) og anleggets nominelle ytelse er av størrelsesorden 3 m/kW.