NO860526L - Forbedringer ved jordvarmegjenvinningssystemer. - Google Patents

Description

Område for oppfinnelsen.

Denne oppfinnelse angår utvinning av geotermisk energi.

Det er vel kjent at meget varme jordlag kan finnes på forholdsvis små dybder under jordoverflaten. Vulkaniske fenomen er det mest klare eksempel, skjønt kanskje minst egnet for utvinning. Varme kilder utvinnes selvfølgelig, men disse forekom-mer sjelden.

Teknisk bakgrunn.

Man har foreslått å danne en varm kilde ved pumping av

vann gjennom varme jordlag som er brutt opp ved boring og spreng-ning. Et slikt system virker riktignok, men er ikke særlig effektiv fordi det kreves to i avstand fra hverandre beliggende borehull hvorav ett brukes til tilføring av forholdsvis kaldt vann og det andre brukes til tilbakeføring av vannet etter at det har passert de varme lag. Det er også nødvendig å benytte en betydelig mengde energi til sirkulasjon av vannet, ikke bare gjennom de varme lag, men også gjennom de lange rør som det er nødvendig å ha for å nå de varme jordlag.

Man har også foreslått å møte disse problemer ved å benytte et enkelt borehull som er utstyrt med to rør som er anordnet konsentrisk, hvor det ene brukes til tilføring av kaldt vann og det andre til bortføring av vannet. På denne måte unngår man riktignok behovet for boring av et annet borehull, men på den annen side oppstår det et enda større problem, fordi det er absolutt nødvendig å anordne en meget effektiv varmeveksler ved bunnen av borehullet ettersom varmen i dette tilfelle må utvinnes fra det forholdsvis begrensede parti av de varme lag i umiddelbar nærhet av røranordningens bunn. Hvis vannet f.eks. sirkuleres gjennom systemet under anvendelse av det enkle borehullsystemet, vil den totale virkningsgrad være ganske lav.

Det er også problem med å skaffe energi som trenges til sirkulering av vannet.

Omtale av teknikkens stand.

For å overvinne de nevnte vanskeligheter, har man foreslått at jordvarme kan utvinnes ved hjelp av et passivt system med varmerør. US patent 3 911 683 foreslår et slikt system basert på et vanlig varmerør som er oppdimensjonert, særlig i lengden. Ettersom den høye varmevirkningsgrad for varmerør er vel kjent, har man ikke beskjeftiget seg med de praktiske problemer ved en slik oppdimensjonering. Hvis ikke den høye termiske virkningsgrad kan beholdes i den oppdimensjonerte versjon, vil den resulterende anordning i dette tilfelle ikke være noe fordelaktig like overfor de tidligere kjente systemer. I verste tilfelle vil den ikke virke i det hele tatt som følge av de tapene som oppstår ved ekstreme forhold mellom lengde og diameter.

Omtale av oppfinnelsen.

I samsvar med oppfinnelsen har man tilveiebragt en fremgangsmåte for utvinning av jordvarme som omfatter innføring av et lukket rør inn i et borehull som strekker seg fra overflaten inn i en sone med forholdsvis varme lag, slik at én ende av røret er ved eller nær overflaten og den andre i den nevnte sone, anskaffelse av varmeveksleinnretninger i operativ kontakt med nevnte ene ende før eller etter evakuering av det lukkede rør og innføring av en mengde arbeidsfluid i røret, etterfulgt ved drift av nevnte varmeveksleinnretninger for utvinning av energi fra arbeidsfluidet, hvor det karakteris-tiske er at det tilveiebringes rør i form av en anordning med to rør anordnet konsentrisk hvor innerrøret utgjøres av et kapillarrør med forholdsvis liten diameter for tilbakeføring av arbeidsfluid til i nærheten av sonen med forholdsvis varme lag.

Foretrukne trekk ved oppfinnelsen.

Fremgangsmåten omfatter fortrinnsvis slike trinn som anordning av innretninger så som en pumpe som kan drives for positivt å bidra til å tilbakeføre arbeidsfluidet som følge av tyngdekraften. Et tredje og ytterste rør er fordelaktig anordnet for å omgi de to rør i avstand fra dem som en innret-ning for reduksjon av ledningstap til de kaldere lag over de forholdsvis varme lag. Når tre rør benyttes, omfatter fremgangsmåten fortrinnsvis trinn med innsetting av det tredje røret i borehullet først, etterfulgt av innsetting av de to andre rør som sammen danner det egentlige lukkede rør, og denne andre innsetting utføres slik at det lukkede rør rager opp fra bunnen mens det tredje rørs nedre ende rager inn i sonen med de forholdsvis varme lag. Fremgangsmåten omfatter da fortrinnsvis også trinn med tetning av den ellers åpne ende av det tredje røret rundt det lukkede rør hvor det munner ut i sonen. Dette kan f.eks. gjøres ved innsprøytning av en sprøyte-støpeforbindelse eller sement nedover det tredje røret.

For å forbedre varmeabsorbsjonsegenskapene for det lukkede rør er det fortrinnsvis utstyrt med et termisk effektivt om-råde i nærheten av sin nedre ende i sonen for de forholdsvis varme lag. Dette kan gjøres med en indre veke av sintret kobber som er porøst for arbeidsfluidet og dettes damper og som strekker seg over kan man si hele de nederste kilometre av det lukkede rør. For å forbedre varmeoverføringen til arbeidsfluidet ytterligere, kan fremgangsmåten omfatte et preliminært trinn med oppbrytning av de forholdsvis varme lag mot bunnen av borehullet, etterfulgt med innføring av et fluid så som vann, før innsettingen av det lukke rør.

Mens fremgangsmåten også kan omfatte det ytterligere trinn med selve boringen av borehullet, vil ikke dette alltid være et vesentlig trekk, ettersom en viktig side ved denne oppfinnelsen ligger i det forhold at fremgangsmåten kan benytte et eksisterende borehull så som et eksploatasjonsborehull som var beregnet til leting etter olje, gass eller andre naturres-surser. Denne mulighet å benytte andre ellers ubrukelige borehull er ytterst viktig fordi det finnes mange flere søke-borehull enn hull hvor det er funnet olje eller gass. Forut-satt at de geotermiske egenskaper er tilfredsstillende og borehullet har passende diameter - hvilket som oftest er tilfelle - kan tørr olje eller gassbrønner benyttes som energi-kilden .

Varmeveksleinnretningene kan være av hvilken som helst passende art. Den utvunnede varme kan brukes som varme eller den kan brukes til fremstilling av elektrisitet og/eller varmt vann. Arbeidsfluidet kan være vann eller ett av de spesielle fluider som brukes i forbindelse med varmerør. Disse omfatter "FREON", "ARCTON", "THERMEX", etanol, metanol, ammoniakk, "THERMIA Oil B" og "TRISS".

Valget vil være avhengig av de forventede operasjonstempe-raturer, -trykk, energiomsetning, anleggets størrelse o.l.

Man vil forstå at ettersom det lukkede rør er evakuert før innføringen av arbeidsfluidet, virker røret heller som et varmerør enn som en enkelt kanal som fluidet kan sirkuleres gjennom ved hjelp av en pumpe. Bruken av et kapillart tilbake-føringsrør eller returrør for arbeidsfluidet er vesentlig fordi det overvinner problemer i forbindelse med oppskaling av et konvensjonelt varmerør som omfatter en veke så som beskrevet i det ovenfor nevnte US patentskrift.

Uten dette trekk vil systemet raskt nå en ustabil like-vektstilstand mellom de varme lag og overflaten, med den sti-gende hete damp hindrende den egentlige tilbakeføringsstrøm av kondensert væske/kald damp til bunnen av det lukkede rør. Dette skyldes det forhold at oppskalingen som kreves for å

nå bunnen av et borehull uunngåelig og enormt øker forholdet mellom lengden og diameteren av anordningen sammenlignet med vanlige varmerør. Varmeinntaket til bunnen av det lukkede rør tvinger noe av arbeidsfluidet til å fordampe og danne trykk i røret. Den opphetede damp stiger meget raskt fordi røret er opprinnelig evakuert. Varmeoverføringsmengden til rørets overflateende er stor sammenlignet med andre systemer. Dette innebærer at den termiske virkningsgrad også er stor fordi dampen får mindre tid til nedkjøling. Dessuten er dampen skilt fra direkte kontakt med returfluidet i kapillarrøret. Når et tredje rør benyttes som en ytre mantel blir tapene selv-følgelig enda mindre.

Typiske systemparametre.

I et vanlig utvinningssystem for jordvarmeenergi som be-nytter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, kan det brukes et enkelt borehull med diameter 15 - 30 cm, med et lukket rør med f.eks. diameter på 10 - 20 cm. I et slikt system vil det indre kapillarrør for tilbakeføring av arbeidsfluidet til bunnen av det lukkede rør ha en diameter på 3 - 5 cm. Man vil forstå at dybden av borehullet ikke er lett å bestemme, og det kan lett være over 1000 m, avhengig av geologien på stedet.Dyb-der fra 4 - 5000 m eller mere kan betraktes som normale hvis temperaturen av de varme lag er tilstrekkelig høy for å gjøre metoden økonomisk. Dette vil selvfølgelig være viktig for den ovenfor omtalte oppdimensjonering eller oppskaling idet problemet ikke er så enkelt som det kunne fremgå av de tidligere publikasjoner.

Det lukkede rør rager fortrinnsvis i det minste 200 m

fra enden av det tredje rør som måtte være brukt for å redusere varmetapene. Det sistnevnte rør kan være utstyrt med en rekke isolerende og/eller sentrerende avstandsstykker for det lukkede rør for å redusere risikoen for tap ved direkte varmeledning mellom rørene. I tilfelle med det lukkede rør, kan skjøtene mellom de enkelte rør som danner rørstrengen fortrinnsvis være sveiset for å sikre at det ferdige rør kan evakueres effektivt. Det er selvfølgelig lite sannsynlig at skruegjengede koblinger vil ha de nødvendige tetningsegenskaper.

Kort beskrivelse av en foretrukken utførelse.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere nedenfor under hen-visning til tegningen hvis figur skjematisk illustrerer et energiutvinningssystem i samsvar med oppfinnelsen. Under hen-visning til figuren kan systemet hensiktsmessig beskrives i to deler, den ene over grunnivået og den andre under. Den delen som er under grunnivået omfatter det meste av den lukkede røranordning 1. Denne består av et ytre rør 2 og et indre rør 3.

Det sistnevnte utgjør kapillarrøret eller tynnrøret som

er omtalt tidligere og røret slutter kort foran bunnen av det omgivende rør 2 hvis bunn er forseglet. Det skal antas i dette tilfelle at bunnpartiet 4 av anordningen er plassert i et om-råde med stor varmeenergi. Dette vil si at den nederste del av det lukke rør (typisk opp til en halv kilometer langt) er omgitt av varme jordlag frembragt ved varmt vann og/eller damp.

Returrøret eller innerrøret 2 er fortrinnsvis utstyrt med mange små hull (antydet med piler) for å fordele bedre arbeidsfluidet i sonen 4.

Man vil forstå at det lukkede ytterrør 2 vil være meget lengre enn det anvises på en tegning som denne, kanskje så meget som 5 km eller mer. Fortrinnsvis er den nederste halve kilometer eller så av det lukkede ytterrøret utstyrt med sterkt varmeledende belegg (cladding) for økning av overføringen av energien gjennom rørveggen. Dette belegget tjener også til å beskytte ytterflaten av røret mot korrosjon. I noen omgivel-ser kan dette være en viktig faktor fordi hyppig vedlikehold vil normalt være upraktisk. Ytterrørets 2 innerflate er fortrinnsvis forsynt med en veke av sintret metall i form av en foring 10. Denne foring vil tjene til å forbedre varmeled-ningen til arbeidsfluidet.

Kobber og rustfritt stål er eksempler på materialer som kan brukes til dette formål.

Den delen av systemet som befinner seg over grunnivået omfatter en Rankine varmeveksler/varmeutvinningsenhet og en pumpe 5. Arbeidsfluidet i dampfasen kommer til overflaten og slippes ut i et ekspansjonskammer 6 hvorfra den strømmer inn i en kondensatorseksjon 7.

Ekspansjonskammeret 6 utgjør en del av en turbin 8 og dampen brukes da direkte til fremstilling av elektrisitet.

Man vil forstå at ekspansjonskammeret istedet kan være av den art som omfatter en varmeveksler som brukes til å fremstille damp. Dampen kan da føres gjennom en turbin/generator 8 for fremstilling av elektrisitet i et indirekte system. Kondensa-torens vikling 9 tilføres kaldt vann feom eventuelt kan brukes til ekstrahering av restvarmeenergi fra arbeidsfluidet) før dette fluidet går til pumpen 5. Pumpen mater fluidet til top-pen av innerrøret 3 og bidrar til at fluidet som følge av tyngdekraften kommer ned i hullet for fortsatt drift av systemet som et varmerør.

Man vil forstå at den lukkede røranordning 2, 3 må være

i det minste delvis evakuert før innføringen av arbeidsfluidet ellers vil den ikke virke som varmerør. Man vil også forstå

at det lukkede rør må være montert på overflaten og sukessivt senkes på plass under anvendelse av metoder som vanligvis er

kjent i oppretting av oljebrønner men med ekstra omhu med hen-syn til tetning av skjøtene mellom de enkelte seksjoner av rørstrengen. Som nevnt ovenfor kan en ytre mantel (ikke vist) anordnes først og brukes til å redusere varmetap fra den lukkede røranordning. Et slikt ytterrør vil selvfølgelig ikke strekke seg helt ned til bunnen av det lukkede rør. Med andre ord,

det vil ikke omslutte bunnpartiet på en halv kilometer eller så, som er i intim kontakt med de varme lag. Isolerende avstandsstykker benyttes fortrinnsvis for å holde yttermantelen borte fra det lukkede rør. Ytterrørets bunn er fortrinnsvis forseglet også for å holde tapene på et minimum.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for utvinning av varmeenergi omfattende innsetting av et lukket rør i et borehull som strekker seg fra overflaten inn i en sone med forholdsvis varme lag slik at rørets ene ende er ved eller nær overflaten og den andre ende i sonen, anordning av varmeveksleinnretninger i drifts-kontakt med den ene ende, før eller etter i det minste delvis evakuering av det lukkede rør, og innføring av en mengde arbeidsfluid inn i røret, etterfulgt ved drift av nevnte varme-veksleinnretning for utvinning av energi fra arbeidsfluidet, karakterisert ved at det lukkede rør anordnes i form av en anordning med to rør anordnet konsentrisk i hverandre, hvor det indre rør består av et rør med forholdsvis liten diameter for tilbakeføring av arbeidsfluidet til i nærheten av sonen med forholdsvis varme lag.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved anbringelse av innretningen som positivt bidrar til tilbakeføring av arbeidsfluidet ved tyngdekraften.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at arbeidsfluidet pumpes ned i det tynne røret til i nærheten av sonen med forholdsvis varme jordlag.

4. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at det lukkede rør omgis med et tredje rør bortsett fra det parti som er i intim kontakt med sonen med forholdsvis hete jordlag.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det anordnes isolerende avstandsstykker mellom ytter-røret og det lukkede rør for å redusere varmetapene.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det parti av det lukkede rør som er i intim kontakt med sonen med forholdsvis varme lag forsynes med en indre foring av forholdsvis godt varmeledende materiale.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at foringen er i form av sintret veke av kobber.

8. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at det parti av det lukkede rør som er i intim kontakt med sonen med forholdsvis hete jordlag utstyres med en ytre foring av godt varmeledende materiale som fortrinnsvis også tjener til å beskytte partiet mot korrosjon i sonen.