PL186556B1 - Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej - Google Patents

Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej

Info

Publication number
PL186556B1
PL186556B1 PL97333537A PL33353797A PL186556B1 PL 186556 B1 PL186556 B1 PL 186556B1 PL 97333537 A PL97333537 A PL 97333537A PL 33353797 A PL33353797 A PL 33353797A PL 186556 B1 PL186556 B1 PL 186556B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
heat
absorbing
wells
boreholes
installation according
Prior art date
Application number
PL97333537A
Other languages
English (en)
Inventor
Per H. Moe
Kjell M. Rabben
Original Assignee
Moe Per H
Rabben Kjell M
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=19900090&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=PL186556(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Moe Per H, Rabben Kjell M filed Critical Moe Per H
Publication of PL186556B1 publication Critical patent/PL186556B1/pl

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21BEARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/30Specific pattern of wells, e.g. optimising the spacing of wells
    • E21B43/305Specific pattern of wells, e.g. optimising the spacing of wells comprising at least one inclined or horizontal well
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/10Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/30Geothermal collectors using underground reservoirs for accumulating working fluids or intermediate fluids
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10Geothermal energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Road Paving Structures (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)
  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
  • Other Air-Conditioning Systems (AREA)
  • Compounds Of Unknown Constitution (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Cultivation Of Plants (AREA)
  • Building Environments (AREA)
  • Roof Covering Using Slabs Or Stiff Sheets (AREA)
  • Drilling And Exploitation, And Mining Machines And Methods (AREA)

Abstract

1. Instalacja do wykorzystywania energii geoter- malnej przy wykorzystaniu obiegu wodnego odby- wajacego sie w formacji geologicznej znajdujacej sie przynajmniej 1000 m pod powierzchnia ziemi, za- wierajaca przynajmniej jeden odwiert doprowadza- jacy, prowadzacy z powierzchni ziemi w dól do formacji geologicznej, a poza tym przynajmniej jeden odwiert odprowadzajacy, sluzacy do odprowa- dzenia ogrzanej wody z formacji geologicznej na powierzchnie, oraz uklad odbierajacy cieplo, laczacy odwierty doprowadzajacy i odprowadzajacy, przy czym uklad ten zawiera powierzchnie wymiennika ciepla, poprzez które cieplo przenoszone jest z for- macji geologicznej do wody, znam ienna tym, ze uklad, posiadajacy moc nominalna podawana w MW, okreslona jako ilosc ciepla pobranego przez instalacje po jednym roku pracy, obejmuje wymien- nik ciepla zawierajacy przynajmniej jeden wywier- cony odwiert absorbujacy cieplo (5), ponadto tym, ze objetosc formacji skalnej znajdujacej sie we- wnatrz kola o promieniu 50 m, wokól powierzchni wymiennika ciepla, wynosi przynajmniej 10 x 106 m , a korzystnie przynajmniej 20 x 106 m3, pomnozo- nych przez moc nominalna. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej.
Przykład takiej instalacji został przedstawiony w opisie patentowym US-A-4.223.729. Przedmiotem wynalazku według US-A-4.223.729 jest instalacja służąca do wykorzystywania energii geotermalnej zmagazynowanej w suchych, gorących formacjach skalnych. W związku z niską przewodnością termiczną takich formacji, powszechnie sądzi się, że taka energia geotermalna nie może zostać wydobyta w użytecznych ilościach bez wykorzystania bardzo dużych powierzchni wymiennika ciepła, umieszczonych wewnątrz formacji geologicznej.
Jak do tej pory we wszystkich instalacjach wykorzystujących próbowano uzyskać dużą powierzchnię wymiennika ciepła przez stworzenie obszarów spękań pomiędzy odwiertami doprowadzającym i odprowadzającym, czy to przez poszerzanie istniejących obszarów spękań przez rozsadzenie skały pomiędzy odwiertami przy wykorzystaniu materiałów wybuchowych, czy też przy wykorzystaniu ciśnienia hydrostatycznego i/lub ciepła. Nawet gdyby udało się stworzyć takie obszary, charakteryzują się one raczej nieprzewidywalnymi parametrami przepływu wody, ponieważ woda ma tendencję do obierania drogi o najmniejszym oporze, a więc nie przepływa przez najwęższe rysy obszaru spękań.
Uwagę wynalazców zwrócił dokument WO 96/23181 przedstawiający próbę wykorzystania opuszczonego przybrzeżnego odwiertu naftowego, mającą na celu otrzymanie energii geotermalnej, która z kolei miała zostać przekształcona w energię elektryczną dostarczaną odbiorcom. W dokumencie tym, odwierty o głębokości 3000 m są wykorzystywane jako odwierty doprowadzające i odprowadzające, odwierty te zostały połączone w swych dolnych krańcach przy pomocy poziomo wywierconej pętli o długości 1000 m o średnicy 21.5 cm. Przez pętlę taką przepływa 700 m3/h wody o temperaturze wlotowej 20°C. Publikacja po prostu zakłada iż woda powracająca na powierzchnię będzie miała temperaturę 90°, która to temperatura jest temperaturą jaką posiada formacja geologiczna w której umieszczona została pętla, a więc dostarczy 40 MW energii cieplnej. Takie założenie jest całkowicie błędne.
W całkowitej sprzeczności z przyjętymi sądami wynalazcy doszli do wniosku iż jeśli instalacja geotermalna poszukiwanego kształtu, która ma być wykorzystywana w sposób użyteczny, wielkość powierzchni wymiennika ciepła nie jest czynnikiem krytycznym. Natomiast, czynnikiem decydującym jest dostępność dużej ilości skały znajdującej się w pobliżu powierzchni
186 556 wymiennika ciepła. Tak więc, wynalazcy zakładają iż instalacja geotermalna, na przykład przeznaczona do ogrzewania i pozyskiwania ciepłej wody, powinna obejmować przynajmniej 15000 m3 skały znajdującej się w promieniu 50 m od powierzchni wymiennika ciepła na każdy kilowat energii jak ma być z tej instalacji pozyskiwana. Dla mniejszych instalacji przy niekorzystnych warunkach geologicznych, wielkość ta może wynosić 60000 m3/kW.
Przedmiotem wynalazku jest instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej, przy wykorzystaniu obiegu wodnego odbywającego się w formacji geologicznej znajdującej się przynajmniej 1000 m pod powierzchnią ziemi, zawierająca przynajmniej jeden odwiert doprowadzający, prowadzący z powierzchni ziemi w dół do formacji geologicznej, a poza tym przynajmniej jeden odwiert odprowadzający, służący do odprowadzenia ogrzanej wody z formacji geologicznej na powierzchnię. Poza tym instalacja zawiera układ odbierający ciepło, łączący odwierty doprowadzający i odprowadzający, przy czym układ ten zawiera powierzchnie wymiennika ciepła, poprzez które ciepło przenoszone jest ze formacji geologicznej do wody.
Istota wynalazku polega na tym, że układ, posiadający moc nominalną podawaną w MW, określoną jako ilość ciepła pobranego przez instalację po jednym roku pracy, obejmuje wymiennik ciepła zawierający przynajmniej jeden wywiercony odwiert absorbujący ciepło. Objętość formacji skalnej znajdującej się wewnątrz koła o promieniu 50 m, wokół powierzchni wymiennika ciepła, wynosi przynajmniej 10 x 106 m , a korzystnie przynajmniej 20 x 106 m3, pomnożonych przez moc nominalną.
Korzystnie, układ absorbujący ciepło zawiera wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło łączących odwierty doprowadzający i odprowadzający, usytuowanych równolegle względem siebie pomiędzy odwiertami. Część odwiertów absorbujących ciepło znajduje się w odległości przynajmniej 50 m, a szczególnie 100 m od najbliższego następnego odwiertu odbierającego ciepło, a całkowita długość otworów odbierających ciepło korzystnie przekracza 5000 m.
Układ absorbujący ciepło zawiera wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło usytuowanych równolegle względem siebie, przy czym odwierty absorbujące ciepło (5) usytuowane są pod kątem a w kierunku do dołu, począwszy od odwiertu doprowadzającego do odwiertu odprowadzającego, przy czym kąt a jest kątem z przedziału 20° do 50°, korzystnie wynosi około 40°.
Zasadnicza część odwiertów absorbujących ciepło usytuowana jest równolegle do siebie, przy czym odwierty absorbujące ciepło są ułożone w jedną warstwę a korzystnie w więcej, pionowo oddzielonych warstw, a odległość pomiędzy sąsiadującymi odwiertami w każdej warstwie jest zasadniczo taka sama jak odległość pomiędzy pionowo sąsiadującymi odwiertami i jest mniejsza niż około 150 m korzystnie około 100 m.
Wokół wspólnego odwiertu odprowadzającego jest rozłożonych wiele odwiertów doprowadzających, przy czym górne krańce odwiertu doprowadzającego i odwiertu odprowadzającego są umieszczone blisko siebie, a jeden z tych odwiertów usytuowany jest zasadniczo pionowo, a drugi odchyla się zasadniczo od pionu, i w dolnej części instalacji obydwa odwierty oddalone są na odpowiednią odległość pomiędzy krańcami odwiertów absorbujących ciepło, która wynosi przynajmniej 500 m, a korzystnie ponad 1 km.
Odwierty absorbujące ciepło posiadają średnicę mniejszą niż 18 cm, korzystnie mniejszą niż 12 cm, a między odwiertem doprowadzającym i odprowadzającym, jest włączonych wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło łączących odwierty odprowadzające i doprowadzające, przy czym średnica tych odwiertów jest mniejsza niż 14 cm, a korzystnie wynosi 10 cm.
Odwiert absorbujący ciepło mający postać wielu odwiertów absorbujących ciepło, ułożonych równolegle, wymiaruje się według równania Q = K knM · D°·2 (0,12 + ( +l)-l),3) (TG -Tw)-l przy czym Q jest ciepłem zaabsorbowanym przez odwiert w [W], K jest stałą pomiędzy 1,7 a 2,0, K jest przewodnością termiczną skały w [W/m°C] typowo wynosi około 3 dla gęstej skały, TG jest początkową średnią, temperaturą formacji geologicznej wzdłuż odwiertu absorbującego, TW jest średnią temperaturą wody przepływającej przez odwiert absorbujący ciepło,
186 556
D jest średnicą odwiertu absorbującego ciepło w [m], L jest długością odwiertu absorbującego ciepło w [m], T jest czasem eksploatacji instalacji w latach.
Korzystnie, odwiert absorbujący ciepło ma postać wielu odwiertów absorbujących ciepło ułożonych równolegle, a odwierty te są wymiarowane według równania Q = C (TG- Tw) k -l gdzie C jest stałą pomiędzy 0,6 a 2,4, przy czym niższa z wartości odpowiada małym instalacjom i niskiemu gradientowi temperatury w skale, wyższa z wartości odpowiada większym instalacjom i dużemu gradientowi temperatur.
Liczby dotyczące objętości skały otaczającej instalację reprezentują znacznie większą masę skały niż te stosowane w instalacjach znanych ze stanu techniki, a które uzyskują ekonomiczną opłacalność.
Wynalazcy zauważyli iż najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania wystarczająco dużej objętości skały umieszczonej w bezpośredniej bliskości powierzchni wymiennika ciepła byłoby wywiercenie we wspomnianej powierzchni odwiertów. Jednakże odwiert taki musiałby być stosunkowo długi tak, aby penetrować wymaganą objętość skały, koszty wykonania odwiertu stanowią zasadniczą przeszkodę w realizacji projektu ponieważ należy zakładać wykonanie wymaganej powierzchni wymiennika ciepła to jest odwiertu o dużej średnicy, niezbędnego do uzyskania odpowiedniego przepływu ciepła ze skały do wody przepływającej przez otwór. Niemniej, wynalazcy wykorzystali do obliczenia współczynnika wymiany ciepła zachodzącej pomiędzy dużym cylindrem skalnym, a wodą przepływającą przez centralny odwiert, równanie różniczkowego zaprezentowane w książce „Przewodnictwo Ciepła w Ciałach Stałych” H. S Carslaw i J. C Jaeger Wydanie Drugie, Oxford. Zaskakująco, odkryli iż w przedziale 30-40 lat, temperatura skały na odcinku 100 m od otworu prawie w ogóle by się nie zmieniła. Nawet bardziej zaskakującym odkryciem jest fakt iż energia możliwa do uzyskania w takim przedziale czasu, może zostać odebrana z otworu, który z punktu widzenia wymiany termicznej miałby średnicę wynoszącą 10 cm, a nawet mniej. Dalsze analizy wykazały iż zwiększenie średnicy do 1 m, które zwiększyłoby powierzchnię wymiennika ciepła dziesięciokrotnie, spowodowałoby wzrost współczynnika odzyskiwanego ciepła mniejszy od dwóch, przy pozostałych czynnikach na niezmienionym poziomie. Jednakże pole przekroju poprzecznego takiego otworu, a co za tym idzie masa jaka musiałaby zostać usunięta z takiego otworu wzrosłaby 100-krotnie. A więc najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem wydaje się wykorzystanie otworu najmniejszej możliwej średnicy jaki można wywiercić na dużej głębokości, a jakim jest w obecnej chwili otwór o średnicy 10 cm.
Jednakże, długość takiego absorbującego ciepło otworu przekraczałaby 5 km nawet dla najmniejszej instalacji mającej zastosowanie ekonomiczne, ponadto odwierty doprowadzający i odprowadzający, musiałyby się ciągnąć na podobną odległość. Ponadto różnice ciśnień oraz straty wydajności pomp są zbyt duże dla bardzo długich smukłych odwiertów. Aby rozwiązać ten problem wynalazcy zasugerowali podzielenie odwiertu absorbującego ciepło na wiele odwiertów połączonych równolegle, wystarczająco od siebie oddalonych tak, aby odbierać energię z wystarczająco dużej ilości skały zapewniając pożądany współczynnik wymiany ciepła w zakładanym czasie życia instalacji.
Nachylenie odwiertów absorbujących ciepło ułatwia ich wywiercenie, na przykład przy wykorzystaniu napędzanego hydraulicznie młota udarowego lub wiercenia osłonowego. Masa przykładana do koronki wiertniczej może być znacznie łatwiej kontrolowana gdy siła tarcia pomiędzy osłoną, a ścianą odwiertu może zasadniczo utrzymywać masę osłony. Może to zasadniczo przedłużyć czas użytkowania koronki wiertniczej i zmniejszyć koszty wierceń.
Ponieważ temperatura skały zwiększa się wraz ze wzrostem głębokości, zachowanie swobodnego przepływu wody skierowanego w dół przez nachylone odwierty umożliwi wzrost temperatury wody przepływającej w otoczeniu, którego temperatura również wzrasta, tak więc pozwoli to na zachowanie różnicy temperatur pomiędzy wodą. a otaczającą ją skałą na stałym poziomie. Umożliwi to zastosowanie układu powierzchni wymieniających ciepło wykorzystujących przepływ przeciwprądowy, co pozwoli zmniejszyć długość odwiertów absorbujących ciepło i pozwoli uzyskać optymalne parametry odbioru ciepła ze skały. Układ wykorzystujący przepływ przeciwprądowy może odbierać ciepło z tej samej objętości skały od 2 do 3
186 556 razy dłużej niż odpowiadający mu układ wykorzystujący przepływ współprądowy. Wielkość kąta nachylenia odwiertów zależy od kilku czynników, na przykład gradientu temperatury skały, długości odwiertów absorbujących ciepło oraz współczynnika przepływu wody. Obliczanie tego kąta jest czynnością dobrze znaną osobom o stosownym wykształceniu i nie będzie tutaj szczegółowo opisywane.
Wprowadzenie układu pionowo oddzielonych warstw, z których każda zawiera wiele odwiertów absorbujących ciepło, umożliwia zwiększenie pojemności instalacji bez jej rozprzestrzeniania na większym obszarze. Jest to szczególnie istotne w przypadku gdy objętość gruntu dostępnego na potrzeby instalacji jest ograniczona.
Instalacja według wynalazku może posiadać pojedynczy odwiert doprowadzający oraz pojedynczy odwiert odprowadzający. Jednakże, instalacja może zawierać wiele otworów doprowadzających, korzystnie rozłożonych równomiernie, promieniowo wokół wspólnego otworu odprowadzającego. W jednym z rozwiązań wokół wspólnego odwiertu odprowadzającego wykonano trzy pojedyncze otwory doprowadzające. Należy zauważyć iż odwiert odprowadzający może być pojedynczym odwiertem lub zespołem blisko siebie usytuowanych, odwiertów o mniejszej średnicy, które posiadają zasadniczo takie same charakterystyki strat ciepła co pojedynczy odwiert o większej średnicy.
Rozmieszczenie elementów instalacji według wynalazku umożliwia zbudowanie zwartej konstrukcji na powierzchni, a jednocześnie zapewnia stworzenie odwiertów absorbujących ciepło o wystarczającej długości. Ponieważ normalnie wiercenie odwiertów absorbujących ciepło rozpoczyna się od odwiertu doprowadzającego, odwiert doprowadzający może zostać wykonany zasadniczo jako odwiert pionowy, umożliwiając przez to dotarcie odwiertom absorbującym ciepło, na największą możliwą głębokość (najwyższa temperatura) jaką można osiągnąć przy wykorzystaniu danego zestawu wiertniczego. Wykorzystując wiercenie osłonowe, praktyczna maksymalna głębokość odwiertu wynosi od 6 do 8000 m.
Wynalazcy nieoczekiwanie odkryli iż możliwe jest wydobywanie ciepła przy wykorzystaniu odwiertów o stosunkowo niewielkiej średnicy 10 cm, a nawet mniejszej.
Wykorzystując sposób opisany w dokumentach powołanych przy okazji przedstawiania znanego stanu techniki, wynalazcy odkryli iż temperatura wody powracającej byłaby tylko o kilka stopni większa od temperatury wody doprowadzanej do instalacji pętla musiałaby być ponad 60 razy dłuższa aby możliwe byłoby uzyskanie 40 MW energii. Przedstawione rozważania jasno pokazują użyteczność, wagę oraz zaskakującą skuteczność prezentowanego wynalazku.
Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku na którym: fig. 1 przedstawia schematyczny rzut perspektywiczny instalacji geotermalnej wykonanej według prezentowanego wynalazku; fig. 2 - schematyczny widok z boku instalacji przedstawionej na fig. 1; fig. 3 jest schematycznym widokiem z boku większej instalacji geotermalnej wykonanej według prezentowanego wynalazku; fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny wykonany wzdłuż linii IV-IV z fig. 3.
W dwóch przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, te same oznaczenia numeryczne zostały użyte do opisania podobnych elementów.
Instalacja przedstawiona na fig. 1 i 2 jest w znacznej części umieszczona w formacji geologicznej 1 poniżej powierzchni ziemi 2. Formacja ta posiada przewodność termiczną wynoszącą 3 W/m°C. Instalacja zawiera odwiert doprowadzający 4 o średnicy 15 cm. Odwierty doprowadzający i odprowadzający 3, 4 są połączone przy pomocy czterech odwiertów absorbujących ciepło 5, każdy o średnicy 10 cm i długości około 2000 m. Odległość pomiędzy odwiertami 5 wynosi od 100 do 150 m, zostały one wywiercone poczynając od odwiertu doprowadzającego 3, a kończąc w lub w pobliżu odwiertu odprowadzającego 4. W tym obszarze wykonana została strefa spękań 6 zapewniająca połączenie pomiędzy odwiertami 4 i 5 ponieważ trudno byłoby trafić podczas wiercenia odwiertów absorbujących ciepło 5, bezpośrednio w odwiert odprowadzający 4.
Górne krańce odwiertów doprowadzającego i odprowadzającego 3, 4 są wyposażone w osłony sięgające do 300 m w głąb ziemi, izolując odwierty od otaczających je w tym rejonie formacji geologicznych.
186 556
Na powierzchni odwierty doprowadzający i odprowadzający 3, 4 są połączone z jednej strony do oddzielającego wymiennika ciepła 8, oraz pompy cyrkulacyjnej 9 wyposażonej w linię przesyłową 3. Pompa pomocnicza 10 umieszczona jest w dolnym krańcu osłony 7 odwiertu odprowadzającego 4, jej zadaniem jest zmniejszenie ciśnienia w odwiercie odprowadzającym powodujące zasysanie wody z odwiertów wykonanych w formacji 1.
Po drugiej stronie oddzielający wymiennik ciepła 8 połączony jest z różnego rodzaju urządzeniami odbierającymi ciepło przykładowo reprezentowanymi przez chłodnicę 11, podgrzewacz ciepłego powietrza, 12 oraz zbiornik ciepłej wody 13. W celu zachowania spójności opisu fig. 1 i 2 odpowiadają instalacjom geotermicznym o różnych wymiarach geometrycznych, temperaturach, prędkościach i wielkościach przepływu. Ponadto fig. 1 pokazuje iż odwierty absorbujące ciepło 5 pochłaniają 0,21 kW/m. Rozważając całkowitą długość odwiertów absorbujących ciepło wynoszącą 8000 m, odbierają od otaczającej je skały 1,7 MW energii. Ta sama wielkość może zostać pomnożona przez współczynnik przepływu wody oraz różnicę temperatur pomiędzy odwiertami doprowadzającym i odprowadzającym. Jednakże dla instalacji tak małych jak ta, starty ciepła oddawanego przez odwiert odprowadzający 4 do otoczenia nie sąpomijalne, a więc moc wyjściowa netto instalacji wynosiłaby około 1,5 MW.
Figura 2 pokazuje że odwiert doprowadzający 3 jest odwiertem pionowym o długości blisko 3200 m, odwierty absorbujące ciepło 5 ciągną się w dół pod kątem a równym około 45° w stosunku do poziomu. Rozważając fakt iż mają długość 2000 m plus pewną długość zakrzywionych części końcowych, odwierty absorbujące ciepło mogłyby zostać wywiercone przy wykorzystaniu młota udarowego oraz osłony rurowej o długości 5000 m.
Przy określaniu wielkości 0.21 kW/m charakteryzującej odwiert, absorbujący ciepło, wynalazcy posłużyli się wynikami kalkulacjach w części wstępnej tego opisu. Kalkulacje te zawierają kilka przybliżeń o mniejszym praktycznym zastosowaniu, i są wynikiem poniższego równania:
Q = K k°·93 · D°·2 (0,12 + (t+1)-0·’) t(TG-Tw) Ί (1) gdzie
Q jest ciepłem zaabsorbowanym przez odwiert w [W]
K jest stała pomiędzy 1,7 a 2,0
K jest przewodnością termiczną skały w [W/m°C] typowo wynosi około 3 dla gęstej skały TG jest początkową średnią temperaturą formacji geologicznej wzdłuż odwiertu absorbującego
TW jest średnią temperaturą wody przepływającej przez odwiert absorbujący ciepło
D jest średnicą odwiertu absorbującego ciepło w [m]
L jest długością odwiertu absorbującego ciepło w [m]
T jest czasem eksploatacji instalacji w latach
Równanie (1) zakłada wymianę cieplna z przepływem przeciwprądowym i nie byłoby poprawne dla sytuacji w której zachodziłby przepływ współprądowy. Niewielki wykładnik 0,2 przy średnicy D wskazuje niewielki wpływ średnicy na absorpcję ciepła, podczas gdy wykładnik -0,1 odnoszący się do czasu eksploatacji instalacji, mówi iż instalacja traci 1% mocy rocznie po jednym roku eksploatacji.
Równanie to może zostać ponadto wykorzystane do obliczenia z odpowiednią dokładnością straty ciepła z odwiertu odprowadzającego 4.
Ponieważ równanie (1) powyżej pokazuje iż wpływ średnicy jest stosunkowo mały oraz to iż z powodów ekonomicznych średnica ta będzie utrzymywana na niewielkim poziomie, a ponieważ wyczerpywanie się ciepła zgromadzonego w skale odbywa się stosunkowo wolno, równanie (1) można uprościć do postaci:
Q = C · (TG-Tw) kH (2)
186 556 gdzie:
C jest stałą pomiędzy 0,6 a 2,4 niższa z wartości odpowiada małym instalacjom i niskiemu gradientowi temperatury w skale, wyższa z wartości odpowiada większym instalacjom i dużemu gradientowi temperatur.
Przykład wykonania przedstawiony na fig. 3 i 4 jest projektem instalacji geotermalnej o nominalnej mocy 50 MW i przeciętnej mocy wyjściowej 40 MW uzyskiwanej na przestrzeni 240000 godzin pracy (60 lat przy wykorzystaniu 4000 godzin rocznie). Temperatura wody doprowadzanej wynosi 40°C, a temperatura wody odprowadzanej 1()0°C, przy współczynniku przepływu wynoszącym około 200 kg/sekundę. Formacja geologiczna 1 składa się z granitu posiadającego przewodność termiczną wynoszącą 4 W/m°C i gradient temperatury wynoszący 30°C/km. Aby uzyskać niezbędną całkowitą długość odwiertów absorbujących ciepło 5, muszą one zostać pogrupowane w trzy zestawy przesunięte względem siebie o 120° połączone ze wspólnym odwiertem odprowadzającym 4. Każdy zestaw odwiertów absorbujących 5 zawiera siedem warstw 15 odwiertów absorbujących 5, warstwy zawierają trzy zasadniczo równoległe do siebie odwierty absorbujące ciepło. Odwierty absorbujące ciepło 5 są od siebie oddalone o około 100 m w kierunku, poziomym i około 100 - 150 m w kierunku pionowym. Każdy odwiert posiada średnicę około 10 cm i ma długość około 2300 m. Tworząc w stosunku do poziomu kąt a równy około 40°. Odwiert doprowadzający 3 każdego z zestawów odwiertów absorbujących ciepło posiada średnicę około 25 cm, średnica odwiertu odprowadzającego 4 wynosi około 40 cm. Oznacza to iż prędkość wody w odwiercie odprowadzającym jest czterokrotnie większa niż prędkość wody w odwiertach absorbujących ciepło 5.
W celu uproszczenia opisu, wyposażenie znajdujące się na powierzchni ziemi 2 wykorzystujące ciepło uzyskane przez instalację, nie zostało przedstawione. Jeśli po wielu latach eksploatacji ciepło znajdujące się w skałach otaczających odwierty absorbujące 5 zostałoby zużyte, nowe odwierty absorbujące można wywiercić w sekcjach skały znajdujących się pomiędzy istniejącymi zespołami odwiertów absorbujących ciepło, lub też mogą one zostać wywiercone poniżej istniejących odwiertów. Wiercenie nowych odwiertów poniżej już istniejących, jest także naturalnym sposobem zwiększania lub odnawiania pojemności instalacji przedstawionej na tig. 1 i 2.
Należy zauważyć iż odwierty absorbujące ciepło 5 przedstawione w przykładzie wykonania na fig. 3 i 4 posiadają długość około 145 k. Posiadają one taką samą moc cieplną co oczekiwana z jednego kilometra odwiertu absorbującego ciepło przedstawionego w dokumencie WO 96/23181.
Należy zauważyć iż wynalazek nie jest ograniczony w żaden sposób do opisanych powyżej przykładów wykonania, lecz może zostać poddany modyfikacjom i przekształceniom bez naruszania myśli innowacyjnej wynalazku oraz jego zakresu określonego przez załączone zastrzeżenia patentowe.
186 556
1630m
Χΐ-
0009
186 556
Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.
Cena 2,00 zł.

Claims (16)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej przy wykorzystaniu obiegu wodnego odbywającego się w formacji geologicznej znajdującej się przynajmniej 1000 m pod powierzchnią ziemi, zawierająca przynajmniej jeden odwiert doprowadzający, prowadzący z powierzchni ziemi w dół do formacji geologicznej, a poza tym przynajmniej jeden odwiert odprowadzający, służący do odprowadzenia ogrzanej wody z formacji geologicznej na powierzchnię, oraz układ odbierający ciepło, łączący odwierty doprowadzający i odprowadzający, przy czym układ ten zawiera powierzchnie wymiennika ciepła, poprzez które ciepło przenoszone jest z formacji geologicznej do wody, znamienna tym, że układ, posiadający moc nominalną podawaną w MW, określoną jako ilość ciepła pobranego przez instalację po jednym roku pracy, obejmuje wymiennik ciepła zawierający przynajmniej jeden wywiercony odwiert absorbujący ciepło (5), ponadto tym, że objętość formacji skalnej znajdującej się wewnątrz koła o promieniu 50 m, wokół powierzchni wymiennika ciepła, wynosi przynajmniej 10 x 106 m3, a korzystnie przynajmniej 20 x 106 m3, pomnożonych przez moc nominalną.
  2. 2. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że układ absorbujący ciepło zawiera wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło (5) łączących odwierty doprowadzający i odprowadzający (3, 4), usytuowanych równolegle względem siebie pomiędzy odwiertami (3, 4), a korzystnie część odwiertów absorbujących ciepło znajduje się w odległości przynajmniej 50 m, a szczególnie 100 m od najbliższego następnego odwiertu odbierającego ciepło (5), a całkowita długość otworów odbierających ciepło korzystnie przekracza 5000 m.
  3. 3. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że układ absorbujący ciepło zawiera wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło (5) usytuowanych równolegle względem siebie, przy czym odwierty absorbujące ciepło (5) usytuowane są pod kątem (a) w kierunku do dołu, począwszy od odwiertu doprowadzającego (3) do odwiertu odprowadzającego (4).
  4. 4. Instalacja według zastrz. 3, znamienna tym, że kąt (a) jest kątem z przedziału 20° do 50°, korzystnie wynosi około 40°.
  5. 5. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że przynajmniej zasadnicza część odwiertów absorbujących ciepło (5) usytuowana jest równolegle do siebie.
  6. 6. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że odwierty absorbujące ciepło (5) są ułożone w jedną warstwę (14) a korzystnie w więcej, pionowo oddzielonych warstw.
  7. 7. Instalacja według zastrz. 6, znamienna tym, że odległość pomiędzy sąsiadującymi odwiertami (5) w każdej warstwie (14) jest zasadniczo taka sama jak odległość pomiędzy pionowo sąsiadującymi odwiertami (5).
  8. 8. Instalacja według zastrz. 6, znamienna tym, że odległość pomiędzy warstwami (14) jest mniejsza niż około 150 m korzystnie około 100 m.
  9. 9. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że wokół wspólnego odwiertu odprowadzającego (4) jest rozłożonych wiele odwiertów doprowadzających (3).
  10. 10. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że górne krańce odwiertu doprowadzającego (3) i odwiertu odprowadzającego (4) są umieszczone blisko siebie, a jeden z tych odwiertów usytuowany jest zasadniczo pionowo, a drugi odchyla się zasadniczo od pionu, i w dolnej części instalacji obydwa odwierty oddalone są na odpowiednią odległość pomiędzy krańcami odwiertów absorbujących ciepło (5).
  11. 11. Instalacja według zastrz. 10, znamienna tym, że odległość pomiędzy krańcami odwiertów absorbujących ciepło (5) wynosi przynajmniej 500 m, a korzystnie ponad 1 km.
  12. 12. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że odwierty absorbujące ciepło (5) posiadają średnicę mniejszą niż 18 cm, korzystnie mniejszą niż 12 cm.
  13. 13. Instalacja według zastrz 2 albo 3, znamienna tym, że między odwiertem doprowadzającym i odprowadzającym (3, 4), jest włączonych wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło (5), przy czym średnica tych odwiertów jest mniejsza niż 14 cm.
    186 556
  14. 14. Instalacja według zastrz. 12, znamienna tym, że odwierty (5) mają średnicę nominalną równą 10 cm.
  15. 15. Instalacja według zastrz. 12, znamienna tym, że odwiert absorbujący ciepło mający postać wielu odwiertów absorbujących ciepło (5), ułożonych równolegle, przy czym odwierty absorbujące ciepło (5) wymiaruje się według równania
    Q =K · k0'93 -D°·2 (0,12-) (t +1)-°·') - (TG -Tw) l przy czym Q jest ciepłem zaabsorbowanym przez odwiert w [W], K jest stałą pomiędzy 1,7 a 2,0, K jest przewodnością termiczną skały w [W/m°C] typowo wynosi około 3 dla gęstej skały, TG jest początkową średnią temperaturą formacji geologicznej wzdłuż odwiertu absorbującego, TW jest średnią temperaturą wody przepływającej przez odwiert absorbujący ciepło, D jest średnicą odwiertu absorbującego ciepło w [m], L jest długością odwiertu absorbującego ciepło w [m], T jest czasem eksploatacji instalacji w latach.
  16. 16. Instalacja według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienna tym, że odwiert absorbujący ciepło ma postać wielu odwiertów absorbujących ciepło (5) ułożonych równolegle, a odwierty absorbujące ciepło (5) są wymiarowane według równania
    Q = C-(Tg-T()+ k-l gdzie C jest stałą pomiędzy 0,6 a 2,4, przy czym niższa z wartości odpowiada małym instalacjom i niskiemu gradientowi temperatury w skale, wyższa z wartości odpowiada większym instalacjom i dużemu gradientowi temperatur.
PL97333537A 1996-11-22 1997-11-24 Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej PL186556B1 (pl)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO19964971A NO305622B2 (no) 1996-11-22 1996-11-22 Anordning for utnyttelse av naturvarme
PCT/NO1997/000314 WO1998022760A1 (en) 1996-11-22 1997-11-24 A plant for exploiting geothermal energy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
PL186556B1 true PL186556B1 (pl) 2004-01-30

Family

ID=19900090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL97333537A PL186556B1 (pl) 1996-11-22 1997-11-24 Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej

Country Status (14)

Country Link
US (1) US6247313B1 (pl)
EP (1) EP0939879B1 (pl)
AT (1) ATE289044T1 (pl)
AU (1) AU5140198A (pl)
CA (1) CA2271301A1 (pl)
CZ (1) CZ180199A3 (pl)
DE (1) DE69732491T2 (pl)
EA (1) EA002169B1 (pl)
EE (1) EE9900204A (pl)
LT (1) LT4635B (pl)
LV (1) LV12364B (pl)
NO (1) NO305622B2 (pl)
PL (1) PL186556B1 (pl)
WO (1) WO1998022760A1 (pl)

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE375449T1 (de) * 2004-09-16 2007-10-15 Enro Geothermieentwicklung Gmb Verfahren zur nutzung von erdwärme
DE102005044352B4 (de) * 2005-09-16 2007-10-31 Rudolf, Karl, Dipl.-Ing. Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock(HDR)-Wärmetauschers
DE102006012903B3 (de) * 2006-03-17 2007-07-26 Feldmann, Wolfgang, Dipl.-Ing. Erdwärmesonde
US20070245729A1 (en) * 2006-04-21 2007-10-25 Mickleson D Lynn Directional geothermal energy system and method
US20080223041A1 (en) * 2007-03-17 2008-09-18 Reynolds J David Geothermal canal with hydrostatic system for use in a geothermal power plant
US12013155B2 (en) 2007-06-28 2024-06-18 Nikola Lakic Self-contained in-ground geothermal generator and heat exchanger with in-line pump used in several alternative applications including the restoration of the Salton Sea
US9909782B2 (en) * 2007-06-28 2018-03-06 Nikola Lakic Self-contained heat-exchanger for electricity generation
US11098926B2 (en) 2007-06-28 2021-08-24 Nikola Lakic Self-contained in-ground geothermal generator and heat exchanger with in-line pump used in several alternative applications including the restoration of the salton sea
DE102007040709A1 (de) * 2007-08-29 2009-03-05 Sasse, Heiko, Dipl.-Ing. Geothermisches Sonden-System
US20090250192A1 (en) * 2008-04-07 2009-10-08 Garver Theodore M System and method for reducing ice interaction
US20110067399A1 (en) * 2009-09-22 2011-03-24 7238703 Canada Inc. Geothermal power system
DE102010006141A1 (de) * 2010-01-29 2011-08-04 Piasentin, Angelo, 81245 DDS für die tiefe Erdwärme
CN103362442B (zh) * 2012-03-30 2016-01-13 刘洪斌 钻井多点连通循环采集地热法
SE536722C2 (sv) 2012-11-01 2014-06-17 Skanska Sverige Ab Energilager
SE537267C2 (sv) 2012-11-01 2015-03-17 Skanska Sverige Ab Förfarande för drift av en anordning för lagring av termiskenergi
SE536723C2 (sv) * 2012-11-01 2014-06-24 Skanska Sverige Ab Termiskt energilager innefattande ett expansionsutrymme
EP2811109A1 (en) 2013-06-04 2014-12-10 Kongsberg Devotek AS Method of establishing a well
CA2922626C (en) * 2013-08-27 2022-02-22 Geovarme As A geothermal energy plant and a method for establishing same
CA2871569C (en) * 2013-11-22 2017-08-15 Cenovus Energy Inc. Waste heat recovery from depleted reservoir
CA2871568C (en) * 2013-11-22 2022-07-05 Cenovus Energy Inc. Waste heat recovery from depleted reservoir
MX2016011519A (es) 2014-03-07 2017-01-09 Greenfire Energy Inc Proceso y metodo para producir energia geotermica.
WO2016082188A1 (zh) * 2014-11-28 2016-06-02 吉林大学 干热岩多循环加热系统及其生产方法
CN104713259A (zh) * 2015-03-20 2015-06-17 清华大学 一种提取干热岩热能的方法及系统
CN114542045A (zh) * 2015-09-24 2022-05-27 地热解决方案有限责任公司 地热热量采收机
JP6770578B2 (ja) * 2016-08-18 2020-10-14 協同テック株式会社 広域型地熱発電システム
CN106285475B (zh) * 2016-08-30 2018-07-17 中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院 一种地热井热循环方法
AU2019202101A1 (en) 2018-05-10 2019-11-28 Eavor Technologies Inc Fluid for use in power production environments
CA3044153C (en) 2018-07-04 2020-09-15 Eavor Technologies Inc. Method for forming high efficiency geothermal wellbores
CA3167574A1 (en) 2018-08-12 2020-02-12 Eavor Technologies Inc. Method for thermal profile control and energy recovery in geothermal wells
SK8762Y1 (sk) * 2019-03-26 2020-05-04 Ga Drilling As Geotermálny výmenník na získavanie geotermálnej energie zo suchých hornín prostredníctvom teplonosného média
CA3085901C (en) 2020-07-06 2024-01-09 Eavor Technologies Inc. Method for configuring wellbores in a geologic formation
DE202020005988U1 (de) 2020-07-15 2024-04-08 Eavor Technologies Inc. System zur Ausgestaltung von Bohrlöchern in einer geologischen Formation
EP4182615A4 (en) 2020-07-15 2024-05-29 Eavor Technologies Inc. METHOD FOR CONFIGURING BOREHOLES IN A GEOLOGICAL FORMATION
CN114198016B (zh) * 2021-12-31 2022-09-16 北京派创石油技术服务有限公司 地热闭环工质循环开采方法
US11708818B1 (en) 2022-10-17 2023-07-25 Roda Energy Corporation Systems for generating energy from geothermal sources and methods of operating and constructing same

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3682246A (en) * 1971-01-19 1972-08-08 Shell Oil Co Fracturing to interconnect wells
US3810510A (en) * 1973-03-15 1974-05-14 Mobil Oil Corp Method of viscous oil recovery through hydraulically fractured wells
US3878884A (en) * 1973-04-02 1975-04-22 Cecil B Raleigh Formation fracturing method
US3863709A (en) 1973-12-20 1975-02-04 Mobil Oil Corp Method of recovering geothermal energy
FR2318396A1 (fr) * 1975-07-18 1977-02-11 Keruzore Francois Utilisation de la geothermie pour la production d'eau chaude
US4015663A (en) * 1976-03-11 1977-04-05 Mobil Oil Corporation Method of subterranean steam generation by in situ combustion of coal
US4223729A (en) 1979-01-12 1980-09-23 Foster John W Method for producing a geothermal reservoir in a hot dry rock formation for the recovery of geothermal energy
DE3930232A1 (de) * 1989-09-11 1991-03-14 Werner Foppe Hot-weak-rock verfahren zur allgemeinen erdwaermenutzung in der 'zone of weakness' (in tiefen von 13 - 30 km)
DE4229185C2 (de) * 1992-09-02 1994-08-18 Kieslinger Hans Dipl Ing Fh Energiegewinnung mittels eines aus Erdwärme erzeugten Aufwindsystems
US5515679A (en) 1995-01-13 1996-05-14 Jerome S. Spevack Geothermal heat mining and utilization
NO302781B1 (no) * 1995-01-27 1998-04-20 Einar Langset Anvendelse av minst to adskilte brönner til utvinning av hydrokarboner til utvinning av geotermisk energi
US5697218A (en) * 1995-06-07 1997-12-16 Shnell; James H. System for geothermal production of electricity

Also Published As

Publication number Publication date
EP0939879A1 (en) 1999-09-08
US6247313B1 (en) 2001-06-19
DE69732491T2 (de) 2006-01-05
WO1998022760A1 (en) 1998-05-28
LV12364A (lv) 1999-10-20
DE69732491D1 (de) 2005-03-17
NO964971L (no) 1998-05-25
ATE289044T1 (de) 2005-02-15
EA199900492A1 (ru) 2000-02-28
NO964971D0 (no) 1996-11-22
LT99066A (en) 1999-10-25
NO305622B1 (no) 1999-06-28
AU5140198A (en) 1998-06-10
CA2271301A1 (en) 1998-05-28
CZ180199A3 (cs) 1999-12-15
LT4635B (lt) 2000-03-27
EE9900204A (et) 1999-12-15
NO305622B2 (no) 2012-04-02
EP0939879B1 (en) 2005-02-09
LV12364B (en) 2000-03-20
EA002169B1 (ru) 2002-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
PL186556B1 (pl) Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej
US4448237A (en) System for efficiently exchanging heat with ground water in an aquifer
US7856839B2 (en) Direct exchange geothermal heating/cooling system sub-surface tubing installation with supplemental sub-surface tubing configuration
US4052857A (en) Geothermal energy from salt formations
EP0804709B1 (en) Use of at least two wells to the extraction of geothermal energy
US20070245729A1 (en) Directional geothermal energy system and method
CA3050274C (en) Method for thermal profile control and energy recovery in geothermal wells
EP0090860A1 (en) Earth storage structural energy system
US20120018120A1 (en) Geothermal energy extraction system and method
CA3085901C (en) Method for configuring wellbores in a geologic formation
JP2023536644A (ja) 複数の作動流体を使用する地熱エネルギー生成
CA3189788A1 (en) Construction and operation of conductive and convective geothermal wells
CA1143620A (en) Method of storing heat and heat store for carrying out the method
WO2012140324A1 (en) Apparatus for implementing a ground source heat system and method for exploiting the same
CA2916811A1 (en) A linear geothermal heat exchange device
US20240271828A1 (en) Partially cased wellbore in magma reservoir
JPS60178250A (ja) 帯水層内の地下水を熱源および熱貯蔵所として使用する方法および装置
CN208059337U (zh) 用于开采地热能的换热系统
Morita et al. Snow-melting on sidewalks with ground-coupled heat pumps in a heavy snowfall city
AU2020458732B2 (en) Method for configuring wellbores in a geologic formation
RU2701029C1 (ru) Способ извлечения петротермального тепла
Nordell et al. Freezing problems in borehole heat exchangers
RU2056597C1 (ru) Геотермальная установка
RU51637U1 (ru) Геотермальная теплонасосная система теплоснабжения и холодоснабжения зданий и сооружений
CN109869936A (zh) 非能动井下换热系统以及换热方法

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Decisions on the lapse of the protection rights

Effective date: 20051124