PL204947B1

PL204947B1 - Sposób wymiany energii pomiędzy wnętrzem Ziemi a wymiennikiem energii oraz układ do realizacji tego sposobu

Info

Publication number: PL204947B1
Application number: PL361795A
Authority: PL
Inventors: Hans Hildebrand
Original assignee: Hita Ag
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2010-02-26
Also published as: AU2001293606B2; JP2004510920A; NO20031749D0; PT1327111E; HUP0301960A3; SK4762003A3; CZ20031092A3; EP1327111B1; CA2424753A1; IL155280A0; SK286380B6; ATE264486T1; MXPA03003436A; YU30503A; US7059131B2; JP2010156344A; BR0114761B1; RU2269728C2; RS49844B; BG65072B1

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu wymiany energii pomiędzy wnętrzem Ziemi a wymiennikiem energii, w szczególności do stosowania do wytwarzania prądu elektrycznego oraz układu do realizacji tego sposobu.

Ze względu na fakt, iż temperatura skorupy ziemskiej wzrasta wraz z głębokością, możliwe jest przy zastosowaniu wystarczająco głębokich odwiertów o głębokości powyżej np. 2000 m, generowanie gorącej pary wodnej zasilającej np. elektrownię geotermiczną lub system centralnego ogrzewania. Tego rodzaju sposób jest interesujący z ekonomicznego punktu widzenia. W technologii hot dry rock (HDR) (por. np. Brockhaus Encyclopedia, vol. 8, 19^th edition, F.A. Brockhaus GmbH, Mannheim, 1989, s. 337-338), ciepło gorących suchych skał w głębi Ziemi wykorzystuje się w taki sposób, że w pewnej odległości od siebie wierci się dwa otwory o wystarczającej głębokości, przez jeden z nich do sztucznie poszerzonych szczelin wprowadzana jest pod ciśnieniem woda a następnie drugim otworem pompowana jest z powrotem na powierzchnię w postaci przegrzanej wody lub pary wodnej. Elektrownie geotermiczne zasilane suchą parą wodną są najprostsze w działaniu, gdyż przegrzana para wodna może być kierowana bezpośrednio na łopatki turbin napędzające generatory. Zasadniczymi wadami technologii HDR są: konieczność wywiercenia dwóch oddzielnych otworów, sztucznego poszerzenia szczelin w skałach głębinowych i wymóg wystarczająco gorącej strefy skalnej.

Podobnie znanych jest wiele form układów służących do pozyskiwania energii z wnętrza Ziemi z mniejszych głębokości niż wspomniane na począ tku. W ukł adach takich wykorzystuje się energi ę wnętrza Ziemi z głębokości 100 do 2000 m i powyżej, w których np. woda obiegowa wypływa linią powrotną z wymiennika energii i przepływa przez porowate wypełnienie do dna odwiertu, w tym czasie nagrzewa się, a następnie jest za pomocą pompy wprowadzana linią zasilającą z powrotem do wymiennika energii. Tym niemniej, niemożliwe jest w tego typu układach pozyskiwanie gorącej pary wodnej.

Celem wynalazku było zapewnienie sposobu i układu do ekstrakcji gorącej pary wodnej ze skał głębinowych, przy uniknięciu wad wymienionych wcześniej sposobów.

Przedmiotem wynalazku jest sposób wymiany energii pomiędzy wnętrzem Ziemi a wymiennikiem energii, w szczególności do stosowania do wytwarzania prądu elektrycznego, w którym wymiennik energii połączony jest w procesie cyrkulacyjnym, poprzez przewód zasilający dla pary wodnej i przewód powrotny dla wody obiegowej, z wymiennikiem energii we wnę trzu Ziemi sięgającym do takiej głębokości wewnątrz Ziemi, na której może zachodzić wytwarzanie pary wodnej, przy czym strumień zasilający i strumień powrotny we wnętrzu Ziemi korzystają ze wspólnego otworu wiertniczego, charakteryzujący się tym, że umieszczoną w otworze wiertniczym co najmniej jedną izolowaną termicznie rurę zasilającą otacza się rurą rozdzielającą, do której na zewnątrz przylega promieniście strefa przepływu powrotnego wody obiegowej, zawierająca co najmniej jedną rurę powrotną połączoną z przewodem powrotnym oraz, co najmniej w dolnej części, porowate wypełnienie i która, co najmniej przy dnie odwiertu, połączona jest z dolnym otworem wpustowym rury zasilającej poprzez jeden lub większą liczbę otworów przepustowych w rurze rozdzielającej.

W korzystnym wariancie realizacji sposobu wedł ug wynalazku proces cyrkulacyjny oraz nastę pujące w jego wyniku wytwarzanie pary wodnej uruchamia się za pomocą co najmniej jednej pompy cyrkulacyjnej.

W innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku aby uruchomić proces cyrkulacyjny, słup wody zawarty w rurze zasilającej wypiera się za pomocą czynnika ciśnieniowego, aż do wytworzenia pary wodnej, obecnej w wymienniku energii w określonych z góry wartościach nominalnych. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku czynnik ciśnieniowy wprowadza się w górnej części rury zasilającej. W jeszcze innym szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku czynnik ciśnieniowy wprowadza się w górnej części rury powrotnej. W kolejnym szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku stosuje się podgrzany czynnik ciśnieniowy. W innym szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku jako czynnik ciśnieniowy stosuje się sprężone powietrze. W kolejnym szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku jako czynnik ciśnieniowy stosuje się parę wodną, wytwarzaną korzystnie przez ciągłe odparowywanie słupa cieczy w rurze zasilającej przy pomocy grzejnika nurkowego. W następnym szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku jako czynnik ciśnieniowy stosuje się wodę pod ciśnieniem. W dalszym szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku wodę obiegową wypływającą w procesie

PL 204 947 B1 cyrkulacyjnym z rury zasilającej podczas uruchamiania procesu cyrkulacyjnego zbiera się w basenie zbiorczym oraz korzystnie przygotowuje się i wykorzystuje w razie potrzeby do uzupełniania wody w procesie cyrkulacyjnym.

W innym korzystnym wariancie realizacji sposobu wedł ug wynalazku do rury powrotnej dostarcza się wodę obiegową o temperaturze poniżej 100°C, korzystnie od 20°C do 30°C. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku do wymiennika energii dostarcza się parę o temperaturze co najmniej 100°C, korzystnie od 350°C do 370°C. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku wzrastające ciśnienie pary wodnej równoważy się naciskiem słupa wody znajdującego się ponad parą wodną w strefie przepływu powrotnego dla zwiększenia temperatury i ciśnienia pary, przez co w części zasilającej, przykładowo na głębokości od 7500 do 12 000 m powstaje para o ciśnieniu wynoszącym przykładowo od 50 do 60 bar, po czym para ta przepływa przez korzystnie izolowaną termicznie część zasilającą do wymiennika energii.

Przedmiotem wynalazku jest również układ do realizacji omówionego powyżej sposobu według wynalazku, charakteryzujący się tym, że wymiennik energii połączony jest, poprzez przewód zasilający i przewód powrotny dla wody obiegowej, z wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi zawierającym co najmniej jedną izolowaną termicznie rurę zasilającą w otworze wiertniczym, rura zasilająca otoczona jest w otworze wiertniczym rurą rozdzielającą, do której na zewnątrz przylega promieniście strefa przepływu powrotnego wody obiegowej, zawierająca przynajmniej jedną rurę powrotną połączoną z przewodem powrotnym oraz, przynajmniej w dolnej części, porowate wypełnienie i która połączona jest z dolnym otworem wpustowym rury zasilającej przynajmniej przy dnie odwiertu poprzez jeden lub więcej otworów przepustowych w rurze rozdzielającej.

W jednym z korzystnych wariantów realizacji układu według wynalazku w przewodzie powrotnym i/lub w przewodzie zasilającym umieszczona zastała pompa cyrkulacyjna. W innym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku przewód zasilający i przewód powrotny są w obu przypadkach zaopatrzone w regulowany zawór odcinający a podłączalne urządzenie generujące czynnik ciśnieniowy wypierający wodę obiegową z rury zasilającej a w konsekwencji wyzwalające proces wytwarzania i przemieszczania pary podłączone jest albo do przewodu zasilającego pomiędzy zaworem odcinającym a wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi, albo do przewodu powrotnego pomiędzy zaworem odcinającym a wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym ma postać pompy ciśnieniowej. W następnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym ma postać grzejnika nurkowego, nadającego się do wpuszczenia w rurę zasilającą. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku na powierzchni Ziemi znajdują się urządzenia służące usuwaniu wody obiegowej z rury zasilającej. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku urządzenia do usuwania wody zawierają zawór spustowy umieszczony w przewodzie powrotnym pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi a zaworem odcinającym. W dalszym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku urządzenia do usuwania wody wyposażone są w basen zbiorczy, który korzystnie zawiera przewód doprowadzający podłączony do przewodu powrotnego. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku przewód doprowadzający wodę podłączony jest do przewodu powrotnego poprzez zawór odcinający. W dalszym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku wewnątrz rury rozdzielającej jest umieszczona co najmniej jeszcze jedna rura zasilająca, kontaktująca się wewnątrz Ziemi z pierwszą rurą zasilającą i połączona na powierzchni Ziemi z pierwszą rurą zasilającą poprzez zawór odcinający, która zawiera zawór spustowy do usuwania wody obiegowej mogącej zostać wypartej przez pierwszą rurę zasilającą drugą rurą zasilającą za pomocą urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym. W następnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku obszar pomiędzy rurą zasilającą a rurą rozdzielającą wypełniony jest materiałem izolującym. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku w części pierścieniowej pomiędzy rurą rozdzielającą a ścianą odwiertu umieszczone są co najmniej dwie a korzystnie większa liczba rur powrotnych ułożonych dookoła rury rozdzielającej. W innym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku strefa odwiertu z rurą powrotną jest szczelna w górnej części, korzystnie w odległości od 1000 do 2500 m od powierzchni Ziemi a w dolnej części aż do dna odwiertu zawiera porowate wypełnienie, natomiast ściany rury powrotnej zawierają otwory przepustowe w części z porowatym wypełnieniem. W jeszcze innym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku rura zasilająca zakończona jest powyżej, korzystnie 400 m powyżej dna odwiertu, a rura rozdzielająca zawiera w tym obszarze otwory przepustowe. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku

PL 204 947 B1 odwiert ma głębokość T od 2500 do 12 000 m. W następnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku odwiert ma co najmniej jeden boczny odchylony otwór wiertniczy uchodzący z powrotem do odwiertu korzystnie w obszarze z otworami przepustowymi w rurze rozdzielającej. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku odchylony otwór wiertniczy biegnie zasadniczo w kierunku takim, jak odwiert. W innym szczególnie korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku odchylony otwór wiertniczy biegnie zasadniczo promieniowo w stosunku do kierunku odwiertu.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji ukł adu wed ł ug wynalazku wymiennik energii zawiera korzystnie wielostopniową turbinę, połączoną z generatorem prądu, a za turbiną korzystnie znajduje się kolejny odbiornik energii. W następnym korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku wymiennik energii łączy proces cyrkulacyjny w Ziemi z drugim procesem cyrkulacyjnym, który korzystnie obejmuje turbinę wielostopniową z generatorem prądu. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji układu według wynalazku turbina (4) jest przystosowana do pracy w oparciu o organiczny obieg Rankina (ORC).

Z powodu tego, że rury powrotne i rura rozdzielająca zostały umieszczone w pojedynczym odwiercie razem ze znajdującą się wewnątrz nich rurą zasilającą praca związana z wierceniem jest ograniczona w przybliżeniu do połowy pracy wymaganej w technologii HDR. Ponieważ strefa zasilająca i strefa powrotna są ze sobą połączone w dolnej części odwiertu poprzez jeden lub większą liczbę otworów przepustowych w rurze rozdzielającej a dolna część strefy przepływu powrotnego zawiera porowate wypełnienie, możliwe jest zastosowanie zamkniętego układu, do którego woda z otoczenia praktycznie nie przenika i który zasadniczo działa z wykorzystaniem określonej ilości wody dostarczonej do obiegu, przez co zanieczyszczenie układu cyrkulacyjnego zostało w znacznym stopniu ograniczone. W zasadzie nie ma zatem potrzeby dostarczania do układu wody, a z drugiej strony praktycznie nie ma strat wody po uruchomieniu układu, co w zasadniczym stopniu redukuje zanieczyszczenie środowiska. Ponieważ nie ma również potrzeby pobierania wody z otoczenia, unika się zanieczyszczenia lub zamulania wymiennika energii we wnętrzu Ziemi. Co więcej, po uruchomieniu układu, w wyniku wielokrotnego odparowania zachodzi demineralizacja wody obiegowej, która zmniejsza w istotnym stopniu ryzyko uszkodzeń związanych z korozją przewodów. Po pewnym ustalonym czasie woda obiegowa może zostać w ten sposób oczyszczona, tak że dalsze oczyszczanie jest niezbędne tylko w dłuższych przedziałach czasowych. Fakt ten przyczynia się dodatkowo do zmniejszenia kosztów i do niezawodności działania.

Podczas fazy uruchamiania korzystne może być dostarczanie do układu czystej wody oraz zbieranie i demineralizacja w basenie zbiorczym wody obiegowej zawartej w układzie i wypompowanej. Kolejną zaletą sposobu według wynalazku jest to, że zwiększona wymiana ciepła została osiągnięta poprzez zastosowanie porowatego wypełnienia strefy powrotnej, przez co nie zachodzi potrzeba wytwarzania sztucznych szczelin w skale głębinowej. Jeszcze jedną zaletą jest to, że układ według niniejszego wynalazku nie musi spełniać żadnych szczególnych wymagań dotyczących struktury geologicznej, przez co z kolei nie istnieją żadne szczególne ograniczenia dotyczące lokalizacji takiego układu.

Zwykle przed uruchomieniem układu wymiennik energii we wnętrzu Ziemi zawiera wodę obiegową, np. wodę z płukania lub wodę, która przeniknęła z otaczającej ziemi. Ciśnienie słupa wody występujące w rurze lub rurach zasilających przeciwdziała wydostaniu się pary z wymiennika energii we wnętrzu Ziemi tak długo, jak ciśnienie słupa wody w dolnej części rury lub rur zasilających jest większe od ciśnienia pary wodnej.

Zgodnie z jednym z korzystnych wariantów sposobu według wynalazku opisanych powyżej do uruchomienia sposobu według wynalazku może służyć co najmniej jedna pompa cyrkulacyjna, ponieważ nawet małe różnice ciśnień wystarczają do puszczenia w ruch słupów wody w strumieniu powrotnym i zasilającym, skutkiem czego woda obiegowa w strumieniu zasilającym ulega sukcesywnemu podgrzewaniu i dochodzi w końcu do wygenerowania pary.

W kolejnym korzystnym wariancie sposobu według wynalazku, słup wody w rurze lub w rurach zasilających jest wypierany za pomocą podłączanego urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym. Generowanie pary, które w tych warunkach rozpoczyna się w dolnej części odwiertu napędza obieg w układzie, w wyniku którego woda obiegowa przepływa z wymiennika energii przewodem powrotnym i rurą powrotną lub rurami powrotnymi do dolnej części odwiertu, w której powstająca para wodna przepływa rurą lub rurami zasilającymi i przewodem zasilającym do wymiennika energii i stamtąd, po odebraniu energii, powraca do wody obiegowej.

PL 204 947 B1

Czynnik ciśnieniowy wprowadzany podczas uruchamiania może zostać wprowadzony, zgodnie z jednym wariantem sposobu według wynalazku - w górnej części rury zasilającej lub - zgodnie z innym wariantem sposobu według wynalazku - w górnej części rury powrotnej. Korzystnie, aby przyspieszyć uruchamianie układu, wprowadzany czynnik ciśnieniowy zostaje wcześniej podgrzany, przy czym jako czynnik ciśnieniowy może być sprężone powietrze, para wodna, otrzymywana korzystnie przy użyciu grzejnika nurkowego zanurzonego w rurze zasilającej lub woda.

Zasadniczo, podczas uruchamiania układu, woda obiegowa która ma być wypierana z wymiennika energii we wnętrzu Ziemi może przenikać do otaczającej ziemi poprzez otwory odpowiednie do jej przepływu. Związanych z tym faktem niekorzyści geologicznych i ekologicznych można uniknąć przez zastosowanie opisanym wcześniej udoskonaleń, takich, jak np. zebranie usuniętej wody obiegowej, oczyszczenie, demineralizacja i ponowne wprowadzenie do obiegu.

Dobre warunki realizacji sposobu według wynalazku uzyskuje się, gdy proces prowadzi się przy temperaturze powracającej wody cyrkulacyjnej niższej niż 100°C, korzystnie 20°C-30°C. Zgodnie z jednym z korzystnych wariantów realizacji sposobu temperatura strumienia pary zasilają cej wymiennik energii powinna wynosić co najmniej 100°C, korzystnie 350°C-370°C.

Zgodnie z kolejnym korzystnym wariantem realizacji układ według wynalazku może zawierać w przewodzie powrotnym i/lub przewodzie zasilają cym pompę cyrkulacyjną, która mo ż e sł u ż yć , w szczególności do uruchamiania układu ale również do pomocy przy obsłudze uk ładu. W jednym z udoskonaleń korzystne jest uruchamianie ukł adu przez zastosowanie czynnika ciś nieniowego, przy czym korzystnie układ generujący czynnik ciśnieniowy może być skonstruowany w postaci pompy ciśnieniowej. W jednym z korzystnych wariantów w układzie według wynalazku jako urządzenie do wytwarzania czynnika ciśnieniowego stosuje się grzejnik nurkowy, który zanurzony w rurze zasilającej, przeprowadza wodę obiegową w parę i w ten sposób generuje czynnik ciśnieniowy. W innym wariancie woda obiegowa, która ma zostać usunięta z rury zasilającej podczas uruchamiania układu według wynalazku, odprowadzana jest przy wykorzystaniu odpowiednich metod na powierzchnię.

Przy uruchamianiu układu szczególnie korzystny jest wariant sposobu według wynalazku, w którym po zamknię ciu zaworów odcinają cych w przewodzie powrotnym i przewodzie zasilają cym i zaworu odcinają cego pomię dzy pierwszą rurą zasilają c ą a pozostał ymi rurami zasilają cymi, woda obiegowa, za pomocą urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym przyłączonego do pierwszej rury zasilającej, zostaje początkowo wtłoczona w dół rury zasilającej, przy czym odpowiednia objętość wody zostaje wyparta z układu rur przepływając pozostałymi rurami zasilającymi i zaworem spustowym. Po odprowadzeniu w ten sposób cieczy z pierwszej rury zasilającej, zastosowane ciśnienie gazu prowadzi również do odprowadzenia cieczy z pozostałych rur zasilających. Następnie urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym zostaje odłączone a proces cyrkulacyjny napędzany parą wodną uruchamia się zamykając zawór spustowy i otwierając zawory odcinające w przewodzie powrotnym i zasilającym i zawór odcinający pomiędzy pierwszą rurą zasilającą a pozostałymi rurami zasilającymi.

Można sobie zasadniczo wyobrazić, że w strefie powrotnej jest umieszczona tylko jedna rura powrotna. Jednak istotnie lepsze wyniki można uzyskać wykorzystując umieszczenie - w części pierścieniowej pomiędzy rurą rozdzielającą a ścianą odwiertu - co najmniej dwóch a korzystnie większą liczbę rur powrotnych ułożonych dookoła rury rozdzielającej. Przy takim rozwiązaniu można objąć jednolicie wszystkie części odwiertu i wykorzystać je do pozyskiwania energii. Zaletą umieszczenie większej liczby rur w strumieniu zasilającym i/lub powrotnym jest to, że układ może pracować z różnymi szybkościami, zależnie od liczby przyłączonych lub odłączonych pojedynczych rur.

Kolejny wzrost wydajności można osiągnąć stosując rozwiązanie, w którym strefa odwiertu z rurą powrotną jest szczelna w górnej części, korzystnie w odległości od 1000 do 2500 m od powierzchni Ziemi a w dolnej części aż do dna odwiertu zawiera porowate wypełnienie, natomiast ściany rury powrotnej zawierają otwory przepustowe w części z porowatym wypełnieniem. W tym wariancie realizacji układu według wynalazku zapobiega się wymianie ciepła pomiędzy wodą obiegową a otaczającą ziemią w górnej części odwiertu, w której temperatura ziemi jest niższa od temperatury wody obiegowej, natomiast osiąga się zwiększoną wymianę ciepła w dolnej części odwiertu, w której temperatura ziemi jest wyższa od temperatury wody obiegowej. Co więcej, zapobiega się w ten sposób wnikaniu zanieczyszczonej wody z górnych warstw ziemi do odwiertu.

Bardzo korzystne jest również rozwiązanie, w którym rura zasilająca zakończona jest powyżej, korzystnie 400 m powyżej dna odwiertu, a rura rozdzielająca zawiera w tym obszarze otwory przepustowe. Dzięki obecności otworów przepustowych w dolnej części rury rozdzielającej i temu, że rury zasilające w tej strefie nie są wprowadzone, osiąga się mniejszy opór hydrauliczny.

PL 204 947 B1

Wymagana głębokość odwiertu zależy od profilu temperaturowego skorupy ziemskiej. Na obszarach bez wyraźnych anomalii geotermicznych korzystne są głębokości odwiertów np. 2500 do 12 000 m. Jednakże możliwe są nawet większe głębokości.

Dalsze zwiększenie wymiany ciepła pomiędzy wodą obiegową a otaczającą ziemią osiąga się poprzez zastosowanie bocznych odchylonych otworów wiertniczych. Tego typu odchylone otwory wiertnicze mogą być ślepo zakończone, ale bardziej korzystne są otwory ciągłe, zakończone w odwiercie. Takie rozwiązanie pozwala na istotne zwiększenie powierzchni wymiany ciepła a w konsekwencji wydajności wymiennika energii we wnętrzu Ziemi. Jeżeli kierunek odchylonych otworów wiertniczych pokrywa się generalnie z kierunkiem odwiertu, są one łatwiejsze do wytworzenia. Z kolei w poł o ż eniu promieniowym wzglę dem kierunku odwiertu odchylone otwory wiertnicze znajdują się w strefach o wyższej temperaturze co umożliwia uzyskać większą energię pary wodnej przy mniejszej powierzchni wymiany ciepła

Wymiennik energii zasilany generowaną parą wodną może bezpośrednio użytkować energię albo stanowić wymiennik ciepła ogrzewający następny obwód. To drugie rozwiązanie umożliwia, w szczególnoś ci, uzyskanie procesu w obiegu zamknię tym, w którym nie zachodzi spadek ciś nienia i spowodowane nim wytrącanie minerałów w wodzie obiegowej, dzięki czemu można zabezpieczyć się przed zamuleniem układu. Szczególnie korzystne jest udoskonalenie, w którym wytwarza się energię elektryczną. Układ taki można dalej ulepszać wytwarzając dodatkowo energię cieplną wskutek czego temperatura powracającej wody obiegowej ulega dalszemu obniżeniu a wydajność układu wzrasta. Korzystnie, turbina napędzająca generator prądu działa w oparciu o organiczny obieg Rankina (ORC).

Przedmiot rozwiązania w przykładach wykonania przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1. przedstawia schematyczną ilustrację układu w przekroju pionowym, fig. 2. przedstawia schematyczną ilustrację systemu rur w układzie w przekroju poziomym II - II fig. 1. w powiększeniu, fig. 3. przedstawia schematyczną ilustrację systemu rur w układzie w przekroju poziomym III - III fig. 1. w powiększeniu, fig. 4. przedstawia schematyczną ilustrację zmodyfikowanego układu w przekroju pionowym, fig. 5. przedstawia schematyczną ilustrację zmodyfikowanego systemu przewodów w układzie na fig. 4. w przekroju pionowym, fig. 6. przedstawia schematyczną ilustrację basenu zbiorczego wody obiegowej w przekroju pionowym, fig. 7. przedstawia schematyczną ilustrację urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym w przekroju pionowym, fig. 8. przedstawia schematyczną ilustrację układu z pompami cyrkulacyjnymi w przekroju pionowym, zaś fig. 9. przedstawia szczegóły wymiennika energii we wnętrzu Ziemi z promieniowo odchodzącymi odchylonymi otworami wiertniczymi w przekroju pionowym.

Na fig. 1. przedstawiony został układ wykorzystujący energię wnętrza Ziemi, np. do zasilania wymiennika energii 2. Wymiennik energii 2 składa się korzystnie z turbiny wielostopniowej 4, która napędza generator prądu 6 i z odbiornika energii 8, który podłączony jest do przewodu odprowadzającego z turbiny 4 i który może wchodzić w skład systemu centralnego ogrzewania. Wymiennik energii 2 połączony jest, poprzez linię zasilającą 10 z regulowanym zaworem odcinającym 12 i poprzez linię powrotną 14 z regulowanym zaworem odcinającym 16, z wymiennikiem energii we wnętrzu ziemi 18, zawierającym co najmniej dwie izolowane cieplnie rury zasilające 20 i 20a umieszczone w odwiercie 22. Rury zasilające 20 i 20a otoczone są rurą oddzielającą 24, łączącą je z położoną koncentrycznie na zewnątrz i kończącą się na ścianie odwiertu 26 strefą przepływu powrotnego 28, w której umieszczone zostały rury powrotne 30. Strefa odwiertu zawierająca rury powrotne 30 jest w górnej części 32 do odległości T₁, korzystnie 2000 do 2500 m poniżej powierzchni ziemi 34, uszczelniona, a w dolnej części aż do dna odwiertu 36 wypełniona porowatym wypełnieniem 38, np. żwirem. W ścianach rur powrotnych 30 w części z porowatym wypełnieniem 38, w celu zwiększenia wymiany ciepła, znajdują się otwory przepustowe 40, wówczas woda i/lub para wodna wypływające z rur powrotnych 30 do porowatego wypełnienia, są dodatkowo podgrzewane i mogą przepływać z powrotem do rur powrotnych 30. Przewód zasilający 41 z zaworem odcinającym 43 przyłączony jest do przewodu powrotnego 14 po to aby w razie potrzeby do procesu cyrkulacyjnego dostarczać dodatkowo wodę, np. w przypadku przesączania się lub parowania wody obiegowej.

Aby zwiększyć wydajność układu, obszar pomiędzy rurami zasilającymi 20 lub 20a a rurą oddzielającą 24 wypełniony jest materiałem izolacyjnym 42. Rury zasilające 20 i 20a kończą się w odległości T₃, korzystnie 400 m powyżej dna odwiertu 36, a rura oddzielająca 24 zawiera na odcinku położonym poniżej otwory przepustowe 44. Rury zasilające 20 oraz 20a łączą się ze sobą w obszarze gdzie znajdują się ich dolne otwory wlotowe 46 i 46a.

Na powierzchni ziemi 34 pierwsza rura zasilająca 20 połączona jest z przewodem zasilającym 10. Druga rura zasilająca 20a połączona jest z przewodem zasilającym 10 poprzez regulowany zawór

PL 204 947 B1 odcinający 48. Podłączane urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym 50 zostało tutaj zaprojektowane w postaci instalacji z pompą ciśnieniową i składa się z co najmniej jednej pompy ciśnieniowej 52 i regulowanego zaworu łączącego 54. Instalacja z pompą ciśnieniową podłączona jest do przewodu zasilającego 10 na odcinku pomiędzy pierwszą rurą zasilającą 20 i zaworem odcinającym 12. Pompa ciśnieniowa 52 została zaprojektowana w postaci pompy hydraulicznej, korzystnie na gorącą wodę oraz, jeżeli zachodzi potrzeba, w postaci kompresora na sprężone powietrze. Przewód spustowy 55 wyposażony w zawór spustowy 56 zlokalizowany jest na odcinku przewodu zasilającego 10 pomiędzy drugą rurą zasilającą 20a a zaworem odcinającym 48.

Zanim nastąpi uruchomienie układu według fig. 1. wymiennik energii we wnętrzu Ziemi 18 zawiera zazwyczaj wodę obiegową. Wskutek tego, że rury powrotne 30 oraz zasilające 20 i 20a w dolnej części odwiertu 22 są łączą się ze sobą poziom wody w rurach zasilających 20 i 20a znajduje się na tej samej wysokości co poziom wody rurach powrotnych 30. Słup wody znajdujący się w rurach zasilających 20 i 20a oraz rurach powrotnych 30 zapobiega wydobywaniu się gorącej pary. Aby uruchomić układ według fig. 1. do pierwszej rury zasilającej 20 podłącza się instalację z pompą ciśnieniową 50, co uzyskuje się otwierając zawór łączący 54 przy zamkniętym zaworze 48 pomiędzy rurami zasilającymi 20 i 20a oraz zamkniętych zaworach odcinających 12 i 16 w przewodzie zasilającym 10 i przewodzie powrotnym 14. Stara woda obiegowa zostaje w ten sposób drugą rurą zasilającą 20a przez otwarty zawór spustowy 56 usunięta z rury zasilającej 20. Po zastąpieniu starej wody obiegowej gorącą wodą albo po usunięciu za pomocą sprężonego powietrza cieczy z rur zasilających 20 i 20a, w wymienniku energii we wnętrzu Ziemi 18 rozpoczyna się wytwarzanie pary. Instalacja z pompą ciśnieniową 50 zostaje w wyniku zamknięcia zaworu łączącego 54 odłączona od strumienia zasilającego, otwiera się zawór odcinający 48 i zamyka zawór spustowy 56. Po otwarciu zaworu odcinającego 16 w przewodzie powrotnym 14, do wymiennika energii we wnętrzu Ziemi 18 dostaje się tyle wody obiegowej ile pary wodnej opuszcza wymiennik energii we wnętrzu Ziemi 18 przewodem zasilającym 10 po otwarciu zaworu odcinającego 12. W ten sposób uruchomiony zostaje proces cyrkulacyjny napędzany parą wodną. Temperaturę, ciśnienie i/lub ilość pary wodnej w przewodzie zasilającym 10 reguluje się korzystnie stosując regulowany zawór odcinający 12. Jeżeli następuje pobór większej ilości pary, wówczas temperatura pary wodnej spada i odwrotnie, przy małym poborze pary jej temperatura wzrasta.

Aby zwiększyć wymianę ciepła odwiert 22 może zawierać strefę, poniżej głębokości T₁, wynoszącej, np. co najmniej 500 m licząc od powierzchni ziemi, zawierającą boczne odchylone otwory wiertnicze 58, które jak pokazano, zostały skonstruowane w postaci ślepo zakończonych otworów wiertnicznych lub jak oznaczono linią przerywano-kropkową, korzystnie jako otwory przepustowe 58a. Analogicznie otwory te zawierają rurę 59, w razie potrzeby z otworami 59a w ścianie i wypełnione są porowatym wypełnieniem 38a. Tego typu odchylone otwory wiertnicze 58a mogą rozpoczynać się na głębokości od 500 do 4000 m pod powierzchnią ziemi i na głębokości 2500 do 12 000 m uchodzić ponownie do odwiertu 22, służąc zwiększeniu powierzchni wymiany ciepła. W układzie obecny może być tylko jeden tego typu boczny otwór wiertniczy, ale korzystnie występuje większa liczba bocznych otworów wiertniczych rozmieszczonych wokół odwiertu.

Na fig. 2. przedstawiono schematyczną ilustrację układu z fig. 1. w postaci przekroju poziomego II-II fig. 1. na głębokości np. 1000 do 12 000 m poniżej poziomu ziemi 34. Odwiert ma średnicę D np. 150 do 500 mm. Obszar wewnątrz rury rozdzielającej 24 pomiędzy rurami zasilającymi 20 i 20a wypełniony jest materiałem izolacyjnym 42. W części odwiertu 22 w kształcie pierścienia 60 pomiędzy rurą rozdzielającą 24 a ścianą odwiertu 26 znajdują się np. cztery rury powrotne 30 rozmieszczone na okręgu. Przestrzeń pierścienia 60 pomiędzy rurami powrotnymi 30 wypełniona jest porowatym wypełnieniem 38. Ściany rur powrotnych 30 zawierają otwory przepustowe 40.

Na fig. 3. przedstawiono schematyczną ilustrację układu z fig. 1. w postaci przekroju poziomego III-III fig. 1. w strefie na głębokości T₃ np. do 400 m powyżej dna odwiertu 36. Rura rozdzielająca 24 zawiera otwory przepustowe 44, pozbawiona jest rur zasilających i materiału izolacyjnego i stanowi przestrzeń, w której zbiera się para wodna.

Rozruch układu, to znaczy produkcja pary wodnej, rozpoczyna się w temperaturze powyżej 100°C. Temperatura pracy wymiennika energii 2 jest wyższa niż 100°C i wynosi korzystnie 350° do 370°C w przewodzie zasilającym 10. W parowej turbinie wielostopniowej 4 wymiennika energii 2 para wodna zostaje schłodzona do temperatury niższej niż 100°C i skrapla się tworząc wodę obiegową dostarczaną do odbiornika energii 8, np. wymiennika ciepła. W wymienniku ciepła strumień zasilający 8a w obwodzie odbiornika ogrzewany jest do ok. 90°C i po oddaniu ciepła wraca w postaci stru8

PL 204 947 B1 mienia powrotnego 8b o temperaturze ok. 20°C z powrotem do wymiennika ciepła. Wskutek tego woda obiegowa opuszcza wymiennik ciepła 8 a w konsekwencji wymiennik energii 2 z temperaturą 25°C do 30°C i przewodem powrotnym 14 dostarczana jest do rur powrotnych 30.

Fig. 4. przedstawia układ według fig. 1., choć z obecną tylko jedną rurą zasilającą 20. Strefa przepływu powrotnego 28 połączona jest z dolnym otworem wlotowym 46 rury zasilającej 20 w dolnej części odwiertu 22 poprzez jeden lub więcej otworów przepustowych 44a w rurze rozdzielającej 24. Alternatywnie, cała dolna część odwiertu 22 może zostać zaprojektowana tak jak przedstawiono na fig. 1. i 3. Rury powrotne 30 połączone zostały w przewód powrotny 14, który znajduje się w obszarze pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi 18 a zaworem odcinającym 16, wyposażony korzystnie w zawór 56a przewodu spustowego 55. Ponadto do przewodu powrotnego 14 podłączono przewód doprowadzający 41 z zaworem odcinającym 43 dostarczający czystą wodę lub wodę obiegową. Podłączane urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym 50a, które znów zaprojektowane zostało w postaci instalacji z pompą ciśnieniową składającej się z co najmniej jednej pompy ciśnieniowej 52a i zaworu przyłączającego 54a, podłączone zostało do przewodu zasilającego 10 na odcinku pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi 18 i zaworem odcinającym 12.

W celu uruchomienia układu przedstawionego na fig. 4., przy zamkniętym zaworze odcinającym 12 przewodu zasilającego 10 i zamkniętym zaworze odcinającym 16 przewodu powrotnego 14, podłącza się instalację z pompą ciśnieniową 50a przez otwarcie zaworu przyłączającego 54a. Woda obiegowa w rurze zasilającej 20 wypychana jest w dół i usuwana rurami powrotnymi 30 przez zawór spustowy 56a na powierzchni ziemi 34. Po usunięciu cieczy z rury zasilającej 20 i napełnieniu jej gorącą wodą rozpoczyna się proces wytwarzania w wymienniku energii we wnętrzu Ziemi 18 pary wodnej. Instalacja z pompą ciśnieniową 50a zostaje odłączona od przewodu zasilającego 10 poprzez zamknięcie zaworu przyłączającego 54a i zaworu spustowego 56a. Otwierając zawór odcinający 16 w przewodzie powrotnym 14 i zawór odcinający 12 w przewodzie zasilającym 10, proces cyrkulacyjny napędzany parą wodną zastaje wprawiony w ruch.

Na fig. 5. przedstawiony został naziemny system przewodów z układu na fig. 4., z tym, że podłączane urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym 50b nie zostało przyłączone do przewodu zasilającego 10, jak to miało miejsce w przykładach na fig. 1. i 3., ale do przewodu powrotnego 14 na odcinku pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi 18 a zaworem odcinającym 16. Przewód spustowy 55 z zaworem spustowym 56b podłączony został do przewodu zasilającego 10 na odcinku pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi 18 a zaworem odcinającym 12. W tym przypadku w celu uruchomienia układu, przy zamkniętych zaworach 12, 16 w przewodzie zasilającym 10 i przewodzie powrotnym 14, z przynajmniej jednej rury powrotnej 30 i jednej rury zasilającej 20 zostaje usunięta ciecz lub zostają one napełnione gorącą wodą z wykorzystaniem instalacji w pompą ciśnieniową 50b przy otwartym zaworze przyłączającym 54b, oraz wypompowywaniu wody obiegowej na zewnątrz przez zawór spustowy 56b i przewód spustowy 55. Natychmiast po zakończeniu tej operacji zawór spustowy 56b i zawór przyłączający 54b muszą zostać zamknięte. Otwierając zawór odcinający 12 w przewodzie zasilającym 10, wprowadza się wytworzoną parę wodną do wymiennika energii 2. Wodę obiegową niezbędną do wytwarzania pary dostarcza się, otwierając zawór odcinający 16, przewodem powrotnym 14 i rurami powrotnymi 30 przy, jeżeli zachodzi taka potrzeba, tymczasowo uruchomionej pompie ciśnieniowej (nie uwidocznionej na ilustracji) i/lub z otaczającej ziemi w dolnej części odwiertu i/lub poprzez przewód doprowadzający 41 przyłączony do przewodu powrotnego 14 poprzez zawór odcinający 43.

W tego typu układach woda obiegowa usuwana z wymiennika energii we wnętrzu Ziemi 18 poprzez zawór spustowy 56, 56a, 56b i przewód spustowy 55 podczas uruchamiania układu w korzystnym rozwiązaniu nie jest uwalniana do otoczenia, ale zgodnie z przykładową odmianą wynalazku z fig. 6., zbierana w basenie zbiorczym 62. W nim woda obiegowa 64 może zostać oczyszczona, np. uwolniona ze szlamu 66 i zdemineralizowana a w razie potrzeby na nowo dostarczona do obiegu przewodem doprowadzającym 41 przez zawór odcinający 43. Basen zbiorczy 62 można również wykorzystywać, w ogólności, do pewnych sposobów postępowania, takich jak oczyszczanie, demineralizacja itp., z wodą obiegową gdy wyniki pomiarów wykazują że jest ona zbyt zanieczyszczona jak na wymogi procesu cyrkulacyjnego. W ten sposób unika się zanieczyszczenia środowiska wypartą a w szczególności - zanieczyszczoną wodą obiegową. Dzięki oczyszczaniu i w razie potrzeby pewnym sposobom postępowania z wypompowaną wodą obiegową, proces cyrkulacyjny można zaopatrywać w wodę o optymalnych parametrach, dzięki czemu z jednej strony zabezpiecza się układ przed uszkoPL 204 947 B1 dzeniem, w szczególności korozją a z drugiej strony ziemia otaczająca wymiennik energii we wnętrzu

Ziemi 18 zostaje zabezpieczona przed szkodliwym działaniem zanieczyszczeń.

Na fig. 7. przedstawiono kolejną przykładową odmianę urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym 50c, które zamiast czynnika ciśnieniowego takiego jak sprężone powietrze lub woda pod ciśnieniem w przypadku instalacji z pompą ciśnieniową z przykładowych odmian wynalazku z fig. od 1. do 4., przeprowadza wodę obiegową 64 w rurze zasilającej 23 w parę i wykorzystuje tę parę jako czynnik ciśnieniowy wypierający wodę obiegową 64 z rury zasilającej 20b. Urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym zawiera grzejnik nurkowy 68 zanurzony w wodzie obiegowej 64 znajdującej się w rurze zasilającej 20b, który jest prowadzony i scentrowany w rurze zasilającej przy użyciu bocznych prowadnic 70. Grzejnik nurkowy 68 zawieszony jest na stalowej linie 72 poprowadzonej przez zamknięcie ciśnieniowe 74 w pokrywie 76 zamykającej z zewnątrz rurę zasilającą 20b i przez kołowrót uchylny 78 poprowadzonej do wciągarki 80. Podobnie przewód elektryczny 82 zasilający grzejnik nurkowy 68 wyprowadzono przez zamknięcie ciśnieniowe 74 i poprzez kołowrót uchylny 84 poprowadzono do wciągarki 86. Wymienione powyżej dwie wciągarki 80, 86 napędzane są w przeciwnych kierunkach za pomocą wspólnego silnika napędowego 88 i wspólnej przekładni 90. Położenie grzejnika nurkowego 68 dzięki wciągarkom 80, 86 dostosowuje się do zmian poziomu wody obiegowej, spowodowanych postępującym parowaniem i wypieraniem wody obiegowej aż do momentu, gdy rozpocznie się wytwarzanie pary wodnej w wymienniku energii we wnętrzu Ziemi i nastąpi uruchomienie procesu cyrkulacyjnego. Grzejnik nurkowy 68 może zostać wówczas za pomocą wciągarek 80, 86 ustawiony w początkowym położeniu.

Fig. 8. przedstawia naziemny system przewodów w układzie na fig. 5., przy czym w miejsce podłączanego urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym 50b z fig. 5., odpowiednio w przewodzie powrotnym 14 oraz w razie potrzeby w przewodzie zasilającym 10, wprowadzono pompy cyrkulacyjne 92 i 94. Przewód spustowy 55 z zaworem spustowym 56b został ponownie podłączony do linii zasilającej 10 w ten szczególny sposób, że znajduje się za pompą cyrkulacyjną 94 w kierunku przepływu. Poza tym, do przewodu powrotnego 14 znowu podłączono przewód doprowadzający 41 z zaworem odcinającym 43. Wymiennik energii 2a występuje jako zamknięty system łączący układ z drugim obwodem 96, w którym występuje strumień zasilający 96a i strumień powrotny 96b prowadzące do jednego lub więcej odbiorników energii takich jak turbiny (np. generatorów prądu), układów grzewczych itp. W tym przypadku z zaworów odcinających 12, 16 w przewodzie zasilającym 10 i przewodzie powrotnym 14 można zrezygnować. W celu uruchomienia układu włącza się pompy cyrkulacyjne 92, 94 i woda obiegowa zaczyna krążyć w układzie do czasu gdy zostanie ogrzana w takim stopniu, że podczas usunięcia części wody obiegowej przewodem spustowym 55 i związanego z tym faktem spadkiem ciśnienia, w obwodzie następuje wytworzenie się pary i cyrkulacja staje się automatyczna, przez co pompy cyrkulacyjne 92, 94 mogą zostać wyłączone.

Na fig. 9. przedstawiono najniżej położony obszar odwiertu 22 podobny do przykładu z fig. 1., przy czym boczne odchylone otwory wiertnicze 58b nie biegną zgodnie z kierunkiem odwiertu 22, ale są położone względem niego radialnie. Odchylone otwory wiertnicze 58b wychodzą radialnie z odwiertu 22 nad dnem odwiertu 36, tworzą pętlę 98 i powracają do odwiertu 22 w pobliżu dna odwiertu 36. Odchylony otwór wiertniczy 58b również wyłożony jest rurą 59 z otworami 59a i wypełniony porowatym wypełnieniem 38a. Poprzez taką konfigurację we wnętrzu ziemi o wysokiej temperaturze uzyskuje się dużą powierzchnię wymiany energii.

Claims

1. Sposób wymiany energii pomiędzy wnętrzem Ziemi a wymiennikiem energii, w szczególności do stosowania do wytwarzania prądu elektrycznego, w którym wymiennik energii połączony jest w procesie cyrkulacyjnym, poprzez przewód zasilający dla pary wodnej i przewód powrotny dla wody obiegowej, z wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi sięgającym do takiej głębokości wewnątrz Ziemi, na której może zachodzić wytwarzanie pary wodnej, przy czym strumień zasilający i strumień, powrotny we wnętrzu Ziemi korzystają ze wspólnego otworu wiertniczego, znamienny tym, że umieszczoną w otworze wiertniczym (22), co najmniej jedną izolowaną termicznie rurę zasilającą (20, 20a, 20b) otacza się rurą rozdzielającą (24), do której na zewnątrz przylega promieniście strefa przepływu powrotnego (28) wody obiegowej, zawierająca co najmniej jedną rurę powrotną (30) połączoną z przewodem powrotnym (14) oraz, co najmniej w dolnej części, porowate wypełnienie (38) i która, co naj10

PL 204 947 B1 mniej przy dnie odwiertu (22), połączona jest z dolnym otworem wpustowym (46, 46a) rury zasilającej (20, 20a, 20b) poprzez jeden lub większą liczbę otworów przepustowych (44, 44a) w rurze rozdzielającej (24).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces cyrkulacyjny oraz następujące w jego wyniku wytwarzanie pary wodnej uruchamia się za pomocą co najmniej jednej pompy cyrkulacyjnej (92, 94).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że aby uruchomić proces cyrkulacyjny, słup wody zawarty w rurze zasilającej (20, 20a, 20b) wypiera się za pomocą czynnika ciśnieniowego, aż do wytworzenia pary wodnej, obecnej w wymienniku energii (2, 2a) w określonych z góry wartościach nominalnych.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że czynnik ciśnieniowy wprowadza się w górnej części rury zasilającej (20, 20b).

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że czynnik ciśnieniowy wprowadza się w górnej części rury powrotnej (30).

6. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że stosuje się podgrzany czynnik ciśnieniowy.

7. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że jako czynnik ciśnieniowy stosuje się sprężone powietrze.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako czynnik ciśnieniowy stosuje się sprężone powietrze.

9. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że jako czynnik ciśnieniowy stosuje się parę wodną, wytwarzaną korzystnie przez ciągłe odparowywanie słupa cieczy w rurze zasilającej (20b) przy pomocy grzejnika nurkowego (68).

10. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że jako czynnik ciśnieniowy stosuje się parę wodną, wytwarzaną korzystnie przez ciągłe odparowywanie słupa cieczy w rurze zasilającej (20b) przy pomocy grzejnika nurkowego (68).

11. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że jako czynnik ciśnieniowy stosuje się wodę pod ciśnieniem.

12. Sposób według zastrz. 3 albo 4, albo 5, znamienny tym, że wodę obiegową (64) wypływającą w procesie cyrkulacyjnym z rury zasilającej (20, 20a, 20b) podczas uruchamiania procesu cyrkulacyjnego zbiera się w basenie zbiorczym (62) oraz korzystnie przygotowuje się i wykorzystuje w razie potrzeby do uzupełniania wody w procesie cyrkulacyjnym.

13. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że wodę obiegową (64) wypływającą w procesie cyrkulacyjnym z rury zasilającej (20, 20a, 20b) podczas uruchamiania procesu cyrkulacyjnego zbiera się w basenie zbiorczym (62) oraz korzystnie przygotowuje się i wykorzystuje w razie potrzeby do uzupełniania wody w procesie cyrkulacyjnym.

14. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że do rury powrotnej (30) dostarcza się wodę obiegową o temperaturze poniżej 100°C, korzystnie od 20°C do 30°C.

15. Sposób według 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że do wymiennika energii (2, 2a) dostarcza się parę o temperaturze co najmniej 100°C, korzystnie od 350°C do 370°C.

16. Sposób według 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że wzrastające ciśnienie pary wodnej równoważy się naciskiem słupa wody znajdującego się ponad parą wodną w strefie przepływu powrotnego (28) dla zwiększenia temperatury i ciśnienia pary, przez co w części zasilającej (20, 20a, 20b, 24), przykładowo na głębokości od 7500 do 12 000 m powstaje para o ciśnieniu wynoszącym przykładowo od 50 do 60 bar, po czym para ta przepływa przez korzystnie izolowaną termicznie część zasilającą (20, 20a, 20b, 24) do wymiennika energii (2, 2a).

17. Układ do realizacji sposobu określonego w zastrz. 1, znamienny tym, że wymiennik energii (2, 2a) połączony jest, poprzez przewód zasilający (10) i przewód powrotny (14) dla wody obiegowej, z wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi (18) zawierającym co najmniej jedną izolowaną termicznie rurę zasilającą (20, 20a, 20b) w otworze wiertniczym (22), rura zasilająca (20, 20a, 20b) otoczona jest w otworze wiertniczym (22) rurą rozdzielającą (24), do której na zewnątrz przylega promieniście strefa przepływu powrotnego (28) wody obiegowej, zawierająca przynajmniej jedną rurę powrotną (30) połączoną z przewodem powrotnym (14) oraz, przynajmniej w dolnej części, porowate wypełnienie (38) i która połączona jest z dolnym otworem wpustowym (46, 46a) rury zasilającej (20, 20a, 20b) przynajmniej przy dnie odwiertu (22) poprzez jeden lub więcej otworów przepustowych (44, 44a) w rurze rozdzielającej (24).

PL 204 947 B1

18. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że w przewodzie powrotnym (14) i/lub w przewodzie zasilającym (10) umieszczona zastała pompa cyrkulacyjna (92, 94).

19. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że przewód zasilający (10) i przewód powrotny (14) są w obu przypadkach zaopatrzone w regulowany zawór odcinający (12, 16) a podłączalne urządzenie (50a, 50b, 50c) generujące czynnik ciśnieniowy wypierający wodę obiegową z rury zasilającej (20, 20a, 20b) a w konsekwencji wyzwalające proces wytwarzania i przemieszczania pary podłączone jest albo do przewodu zasilającego (10) pomiędzy zaworem odcinającym (12) a wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi (18), albo do przewodu powrotnego (14) pomiędzy zaworem odcinającym (16) a wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi (18).

20. Układ według zastrz. 19, znamienny tym, że urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym ma postać pompy ciśnieniowej (50a, 50b).

21. Układ według zastrz. 19, znamienny tym, że urządzenie z czynnikiem ciśnieniowym ma postać grzejnika nurkowego (50c), nadającego się do wpuszczenia w rurę zasilającą.

22. Układ według zastrz. 17 albo 18, albo 19, albo 20, albo 21, znamienny tym, że na powierzchni Ziemi (34) znajdują się urządzenia służące usuwaniu wody obiegowej z rury zasilającej (20, 20a, 20b).

23. Układ według zastrz. 19, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody zawierają zawór spustowy (56a) umieszczony w przewodzie powrotnym (14) pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi a zaworem odcinającym (16).

24. Układ według zastrz. 22, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody zawierają zawór spustowy (56a) umieszczony w przewodzie powrotnym (14) pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi a zaworem odcinającym (16).

25. Układ według zastrz. 19, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody zawierają zawór spustowy (56b) umieszczony w przewodzie zasilającym (10) pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi (18) a zaworem odcinającym (12).

26. Układ według zastrz. 22, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody zawierają zawór spustowy (56b) umieszczony w przewodzie zasilającym (10) pomiędzy wymiennikiem energii we wnętrzu Ziemi (18) a zaworem odcinającym (12).

27. Układ według zastrz. 22, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody wyposażone są w basen zbiorczy (62), który korzystnie zawiera przewód doprowadzający (41) podłączony do przewodu powrotnego (14).

28. Układ według zastrz. 23, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody wyposażone są w basen zbiorczy (62), który korzystnie zawiera przewód doprowadzający (41) podłączony do przewodu powrotnego (14).

29. Układ według zastrz. 24, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody wyposażone są w basen zbiorczy (62), który korzystnie zawiera przewód doprowadzający (41) podłączony do przewodu powrotnego (14).

30. Układ według zastrz. 25, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody wyposażone są w basen zbiorczy (62), który korzystnie zawiera przewód doprowadzający (41) podłączony do przewodu powrotnego (14).

31. Układ według zastrz. 26, znamienny tym, że urządzenia do usuwania wody wyposażone są w basen zbiorczy (62), który korzystnie zawiera przewód doprowadzający (41) podłączony do przewodu powrotnego (14).

32. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że przewód doprowadzający wodę (41) podłączony jest do przewodu powrotnego (14) poprzez zawór odcinający (43).

33. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że wewnątrz rury rozdzielającej (24) jest umieszczona co najmniej jeszcze jedna rura zasilająca (20a), kontaktująca się wewnątrz Ziemi z pierwszą rurą zasilającą (20) i połączona na powierzchni Ziemi (34) z pierwszą rurą zasilającą (20) poprzez zawór odcinający (48), która zawiera zawór spustowy (56) do usuwania wody obiegowej mogącej zostać wypartej przez pierwszą rurę zasilającą (20) drugą rurą zasilającą (20a) za pomocą urządzenia z czynnikiem ciśnieniowym (50).

34. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że obszar pomiędzy rurą zasilającą (20, 20a, 20b) a rurą rozdzielającą (24) wypełniony jest materiałem izolującym (42).

35. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że w części pierścieniowej (60) pomiędzy rurą rozdzielającą (24) a ścianą odwiertu (26) umieszczone są co najmniej dwie a korzystnie większa liczba rur powrotnych (30) ułożonych dookoła rury rozdzielającej (24).

PL 204 947 B1

36. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że strefa odwiertu z rurą powrotną (30) jest szczelna w górnej części (32), korzystnie w odległości od 1000 do 2500 m od powierzchni Ziemi (34) a w dolnej części aż do dna odwiertu (36) zawiera porowate wypełnienie (38), natomiast ściany rury powrotnej (30) zawierają otwory przepustowe (40) w części z porowatym wypełnieniem (38).

37. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że rura zasilająca (20, 20a, 20b) zakończona jest powyżej, korzystnie 400 m powyżej dna odwiertu (36), a rura rozdzielająca (24) zawiera w tym obszarze otwory przepustowe (44).

38. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że odwiert (22) ma głębokość T od 2500 do 12 000 m.

39. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że odwiert (22) ma co najmniej jeden boczny odchylony otwór wiertniczy (58, 58a, 58b) uchodzący z powrotem do odwiertu (22) korzystnie w obszarze z otworami przepustowymi (44, 44a) w rurze rozdzielającej (24).

40. Układ według zastrz. 39, znamienny tym, że odchylony otwór wiertniczy (58b) biegnie zasadniczo w kierunku takim, jak odwiert (22).

41. Układ według zastrz. 39, znamienny tym, że odchylony otwór wiertniczy (58b) biegnie zasadniczo promieniowo w stosunku do kierunku odwiertu (22).

42. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że wymiennik energii (2) zawiera korzystnie wielostopniową turbinę (4), połączoną z generatorem prądu (6), a za turbiną (4) korzystnie znajduje się kolejny odbiornik energii (8).

43. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że wymiennik energii (2a) łączy proces cyrkulacyjny w Ziemi z drugim procesem cyrkulacyjnym (96), który korzystnie obejmuje turbinę wielostopniową z generatorem prądu.

44. Układ według zastrz. 42 albo 43, znamienny tym, że turbina (4) jest przystosowana do pracy w oparciu o organiczny obieg Rankina (ORC).