WO2007031227A1 - Verfahren zum erzeugen eines hdr-wärmetauschers - Google Patents

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Karl Rudolf
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/20—Geothermal collectors using underground water as working fluid; using working fluid injected directly into the ground, e.g. using injection wells and recovery wells
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10—Geothermal energy

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a hot dry rock (HDR) heat exchanger in a hot rock layer according to the preamble of claim 1.
  • HDR hot dry rock
  • Geothermal energy is an important potential source of energy.
  • the geothermal heat can under the
  • HDR hot dry rock
  • Heat Exchangers that this heat can be used on the earth's surface for the production of energy (heat, electricity).
  • a geothermal device for carrying out such an HDR method is known, for example, from JP-A-04-234576.
  • the HDR process itself Finally, the production of an H DR heat exchanger is described, for example, in US Pat. No. 3,786,858.
  • Gap widths of up to about 3 mm form For this reason, a differential pressure of up to 60 bar must be applied to ensure adequate water for an economical
  • Rock layer extending parallel to each other and be continued across several fracture planes of the rock layer.
  • the drilling of these substantially horizontal continuations is relatively complex.
  • the method for producing a hot dry rock (HDR) heat exchanger in a hot rock layer comprises the following steps: drilling a first deep hole into the hot rock layer; Pressing water under high pressure over the first deep hole into the hot rock layer
  • all explosives known in mining can be used for the explosive material.
  • liquid, gel or gaseous explosives are used, since they can be introduced separately via the first deep hole initially and are mixed only on site.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a geothermal plant according to the HDR method.
  • FIG. 1 shows, in a greatly simplified manner, the structure of a geothermal plant which after the HDR
  • the hot rock layer 12 (such as granite, basalt, gneiss and the like) at a temperature of about 100 0 C (for example 130-150 0 C) is, for example, about 4000-6000 m below ground 10th
  • a first is first
  • Deep hole 14 which is to serve as an injection well, drilled by means of suitable drilling equipment, as used for example in the oil and gas extraction, into the hot rock layer 12. Then, as is also known for example from the field of oil and gas production, a steel liner drained into the first deep hole 14, which then together with the
  • Rock layer 12 is perforated in the next area by means of a multi-Kleinhohlladitch perforation.
  • an explosive material is now pumped into the cracks thus generated in the rock layer 12. This can be done for example via a plug which almost fills the steel liner in the first deep hole 14.
  • the stopper is provided with suitable filling and mixing bores and an ignition device for the subsequent ignition of the explosive material.
  • Detonable explosives with different shock wave properties are known from civil mining.
  • the choice of the optimal explosive system is determined essentially by the gulf of the rock layer 12 and the critical thickness of the explosive.
  • Laminated plates is a reflection of the shock waves.
  • first and second deep holes 14, 16 are generally sunk as parallel as possible to the main stress direction of the rock and do not necessarily have to be drilled equally deep.
  • the subterranean heat exchanger 18 thus formed in the hot rock layer 12 forms a main component of a geothermal plant whose remaining components are not the subject of the present invention and are also well known to the person skilled in the art.
  • Earth surface 10 passed through another heat exchanger 20, where the heat is withdrawn and used for the production of energy (heat, electricity).
  • the water cooled in the further heat exchanger 20 is then pumped back into the hot rock layer 12.
  • a water reservoir 22 is provided in order to pass the water through the hot rock layer
  • the method described above with reference to a preferred embodiment for producing a heat exchanger for a geothermal plant according to the HDR method is characterized in that the flow resistance in the thus produced underground heat exchanger compared to conventional systems is significantly reduced, which is why the water with a lower pressure by the Underground heat exchanger can be passed, whereby the efficiency of the entire geothermal system is substantially increased.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR) - Wärmetauschers (18) in einer heißen Gesteinsschicht (12) vorgeschlagen, das die Schritte umfasst: Bohren einer ersten Tiefenbohrung (14) bis in die heiße Gesteinsschicht (12); Pressen von Wasser unter hohem Druck über die erste Tiefenbohrung (14) in die heiße Gesteinsschicht (12), um Risse in der Gesteinsschicht (12) zu bilden; Einbringen und Zünden eines explosiven Materials in die zuvor in der Gesteinsschicht (12) gebildeten Risse; und Bohren wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung (16) bis in die heiße Gesteinsschicht (12) in einem Bereich, in dem die Risse gebildet worden sind.

Description

Diehl BGT Defence GmbH & Co. KG. Alte Nußdorfer Straße 13. 88662 Überlingen
VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINES HDR-WÄRMETAUSCHERS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR) - Wärmetauschers in einer heißen Gesteinsschicht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Erdwärme ist eine wichtige potentielle Energiequelle. Die Erdwärme kann unter der
Erdoberfläche in verschiedenen Weisen gespeichert sein, zum Beispiel in Wasserdampf, in Wasser und/oder in heißen Gesteinsschichten.
Zur Erschließung der in heißen Gesteinsschichten gespeicherten Energie ist ein so genanntes Hot-Dry-Rock (HDR) - Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt eine erste Tiefenbohrung bis in die heiße Gesteinsschicht gebohrt. Über diese Tiefenbohrung wird Wasser mit hohem Druck in die Gesteinsschicht gepresst, sodass sich Risse im Gestein bilden („Hydraulic Fracturing"). Mit wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung wird in einem gewissen Abstand der Bereich der heißen Gesteinsschicht angebohrt, in dem sich die Risse ausgebildet haben. Anschließend kann Wasser über die erste Tiefenbohrung (Injektionsbohrung) in die Gesteinsschicht gepumpt, durch die Risse zu der wenigstens einen zweiten Tiefenbohrung geleitet und über die wenigstens eine zweite Tiefenbohrung (Produktionsbohrung) zur Erdoberfläche gefördert werden. Das Wasser hat sich dabei durch Wärmeaustausch in der heißen Gesteinsschicht so erwärmt („HDR-
Wärmetauscher"), dass diese Wärme an der Erdoberfläche zur Gewinnung von Energie (Wärme, Strom) genutzt werden kann.
Eine Geothermievorrichtung zur Durchführung eines derartigen HDR-Verfahrens ist zum Beispiel aus der JP-A-04-234576 bekannt. Das HDR-Verfahren selbst, ein- schließlich der Erzeugung eines H DR-Wärmetauschers ist zum Beispiel in dem US- Patent Nr. 3,786,858 beschrieben.
Nachteilig bei diesen HDR-Geothermieanlagen ist es, dass sich bei dem „Hydraulic Fracturing" die Risse häufig nur entlang einer Bruchebene und nur mit geringen
Spaltbreiten von bis zu etwa 3 mm bilden. Aus diesem Grund muss ein Differenzdruck von bis zu 60 bar aufgebracht werden, um ausreichend Wasser für eine wirtschaftliche
Energiegewinnung durch die Gesteinsschicht pumpen zu können. Die hierfür benötigte
(elektrische) Energie reduziert dementsprechend den Wirkungsgrad der Geothermieanlage erheblich.
Weiter offenbaren diverse US-Patente (z.B. 3,878,884 und 4,223,729) ein Verfahren, bei dem mittels des „Hydraulic Fracturing" eine größere Wärmetauschfläche zwischen dem heißen Gestein und dem hindurchgeleiteten Wasser erzeugt wird, indem die Tiefenbohrungen in der Tiefe der heißen Gesteinsschicht innerhalb der
Gesteinsschicht verlaufend parallel zueinander und quer zu mehreren Bruchebenen der Gesteinsschicht fortgesetzt werden. Das Bohren dieser im Wesentlichen horizontalen Fortsetzungen ist aber relativ aufwändig.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erzeugen eines HDR-Wärmetauschers mit relativ einfachen Mitteln vorzusehen, der einen Wirkungsgrad einer mit einem solchen Wärmetauscher aufgebauten Geothermieanlage verbessert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR) - Wärmetauschers in einer heißen Gesteinsschicht umfasst gemäß der Erfindung die folgenden Schritte: Bohren einer ersten Tiefenbohrung bis in die heiße Gesteinsschicht; Pressen von Wasser unter hohem Druck über die erste Tiefenbohrung in die heiße Gesteinsschicht, um
Risse in der Gesteinsschicht zu bilden; Einbringen und Zünden eines explosiven
Materials in die zuvor in der Gesteinsschicht gebildeten Risse; und Bohren wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung bis in die heiße Gesteinsschicht in einem Bereich, in dem die Risse gebildet worden sind. Durch das Einbringen und Zünden eines explosiven Materials in die in der heißen Gesteinsschicht gebildeten Risse werden in der Gesteinsschicht weitere Schichtrisse und ein weiteres Abplatzen von Gesteinsrieseln erzeugt. Die ursprünglichen Rissbreiten können so deutlich erhöht werden, sodass der Strömungswiderstand für das durch die heiße Gesteinsschicht zu pumpende Wasser deutlich reduziert werden kann, was wiederum zu einer deutlichen Erhöhung des Wirkungsgrades der mit einem solchen Wärmetauscher aufgebauten Geothermieanlage führt.
Für das explosive Material können grundsätzlich alle im Bergbau bekannten Spreng- Stoffe eingesetzt werden. Vorzugsweise werden jedoch flüssige, gelförmige oder gasförmige Sprengstoffe verwendet, da diese über die erste Tiefenbohrung zunächst getrennt eingebracht werden können und erst vor Ort gemischt werden.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nach- folgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung besser verständlich. Darin zeigt die einzige Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Geothermieanlage nach dem HDR-Verfahren.
Fig. 1 zeigt stark vereinfacht den Aufbau einer Geothermieanlage, die nach dem HDR-
Verfahren funktioniert. Die heiße Gesteinsschicht 12 (z.B. Granit, Basalt, Gneis und dergleichen) mit einer Temperatur von über 1000C (z.B. 130-1500C) befindet sich beispielsweise etwa 4.000-6.000 m unterhalb der Erdoberfläche 10.
Beim HDR-Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst eine erste
Tiefenbohrung 14, die als Injektionsbohrung dienen soll, mittels geeigneter Bohreinrichtungen, wie sie zum Beispiel auch bei der Erdöl- und Erdgasförderung eingesetzt werden, bis in die heiße Gesteinsschicht 12 gebohrt. Anschließend wird, wie dies ebenfalls zum Beispiel aus dem Bereich der Erdöl- und Erdgasförderung bekannt ist, ein Stahlliner in die erste Tiefenbohrung 14 abgelassen, der dann gemeinsam mit der
Gesteinsschicht 12 im Nächstbereich mittels einer Multi-Kleinhohlladungen- Perforationsanordnung perforiert wird.
Anschließend wird über diese erste Tiefenbohrung 14 Wasser mit hohem Druck von bis zu 400 bar in die Gesteinsschicht gepresst, sodass im Naturgestein 12 ein vielschichtiges, sehr großflächiges Aufreißen erreicht wird („Hydraulic Fracturing").
Während dieses Aufreißens der Gesteinsschicht 12 platzt mehr oder weniger bis gar kein Gesteinsriesel ab, sodass sich im günstigsten Fall nur Spaltbreiten von bis zu 3 mm bilden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun in die so erzeugten Risse in der Gesteinsschicht 12 ein explosives Material eingepumpt. Dies kann zum Beispiel über einen Stopfen erfolgen, der den Stahlliner in der ersten Tiefenbohrung 14 nahezu ausfüllt. Der Stopfen ist mit geeigneten Füll- und Mischbohrungen sowie einer Zündeinrichtung für das nachfolgende Zünden des explosiven Materials versehen.
Detonationsfähige Sprengstoffe mit unterschiedlichen Stoßwelleneigenschaften sind aus dem zivilen Bergbau bekannt. Vorteilhaft bei flüssigen, gelförmigen und gasförmigen Sprengstoffsystemen, wie zum Beispiel Wasserstoff/Sauerstoff, Acetylen/ Sauerstoff und dergleichen ist, dass diese getrennt bis zum Stopfen in der ersten Tiefenbohrung 14 niedergebracht und erst dort entsprechend vermischt werden. Dies erhöht die Sicherheit beim Umgang mit diesen Sprengstoffen wesentlich. Die Wahl des optimalen Sprengstoffsystems wird im Wesentlichen durch die Kluftigkeit der Gesteinsschicht 12 und die kritische Dicke des Sprengstoffs festgelegt.
Nach dem Auslösen der Detonation des eingebrachten explosiven Materials läuft eine Detonationsfront durch die Risse in der Gesteinsschicht 12, wobei lateral gleichzeitig eine Stoßwelle von beiden Seiten einer Schichtplatte eingeleitet wird. Nach dem
Aufeinanderprallen dieser beiden Stoßwellenfronten etwa in der Mittelfläche der
Schichtplatten erfolgt eine Reflexion der Stoßwellen. Bei ausreichender Stärke der
Stoßwellen folgt infolge der Zugwelle und der hohen Sprödigkeit derartigen Gesteins 12 die Bildung weiterer Schichtrisse. Sobald die reflektierten Stoßwellen wieder die
„freien" Oberflächen der Schichtplatten erreichen, treten aufgrund der
Gesteinseigenschaften „Abplatzer" von Gesteinsmaterial auf, die zu der gewünschten verstärkten Rieselbildung führen. Dieser Effekt wird außerdem durch die „statische"
Druckerhöhung auf ein Vielfaches im Vergleich zu dem Zeitpunkt vor der Detonation unterstützt, wodurch die ursprünglichen Rissbreiten zusätzlich vergrößert werden und ein Abplatzen von Gesteinsriesel begünstigt wird.
Nachdem auf diese Weise in der heißen Gesteinsschicht 12 ein Wasserweg mit einem gegenüber den herkömmlichen Systemen deutlich reduzierten Strömungswiderstand aufgrund der größeren Rissbreiten geschaffen worden ist, wird in dem Bereich der
Rissbildung in der Gesteinsschicht 12 wenigstens eine zweiten Tiefenbohrung 16, die als Produktionsbohrung dienen soll, analog zu der ersten Tiefenbohrung 14 gebohrt. Die ersten und zweiten Tiefenbohrungen 14, 16 werden im Allgemeinen möglichst parallel zur Hauptspannungsrichtung des Gesteins abgeteuft und müssen nicht unbedingt jeweils gleich tief gebohrt werden.
Der so gebildete unterirdische Wärmetauscher 18 in der heißen Gesteinsschicht 12 bildet eine Hauptkomponente einer Geothermieanlage, deren übrigen Komponenten nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind und dem Fachmann außerdem hinlänglich bekannt sind.
Durch die erste Tiefenbohrung (Injektionsbohrung) 14 wird Wasser in die heiße
Gesteinsschicht 12 gepumpt, welches dann durch das Kluftsystem in der Gesteinsschicht 12 zu der wenigstens einen zweiten Tiefenbohrung (Produktionsbohrung) 16 strömt und über diese zur Erdoberfläche 10 gefördert wird. Innerhalb der heißen Gesteinsschicht 12 nimmt das Wasser Wärme aus der Gesteinsschicht 12 auf (Wärmetauscher 18) und wird erwärmt. Das so erwärmte Wasser wird oberhalb der
Erdoberfläche 10 durch einen weiteren Wärmetauscher 20 geleitet, wo ihm die Wärme wieder entzogen wird und zur Gewinnung von Energie (Wärme, Strom) genutzt wird. Das in dem weiteren Wärmetauscher 20 abgekühlte Wasser wird dann wieder in die heiße Gesteinsschicht 12 zurück gepumpt. Zusätzlich ist ein Wasserspeicher 22 vorgesehen, um die beim Hindurchleiten des Wassers durch die heiße Gesteinsschicht
12 verloren gegangene Wassermenge auszugleichen.
Das oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschriebene Verfahren zum Erzeugen eines Wärmetauschers für eine Geothermieanlage nach dem HDR- Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungswiderstand in dem so erzeugten unterirdischen Wärmetauscher gegenüber herkömmlichen Systemen deutlich reduziert ist, weshalb das Wasser mit einem geringeren Druck durch den unterirdischen Wärmetauscher geleitet werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Geothermieanlage wesentlich erhöht wird. BEZUGSZIFFERNLISTE
10 Erdoberfläche
12 Heiße Gesteinsschicht
14 Erste Tiefenbohrung
16 Zweite Tiefenbohrung
18 (unterirdischer) Wärmetauscher
20 Wärmetauscher
22 Wasserspeicher

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Hot-Dry-Rock (HDR) - Wärmetauschers (18) in einer heißen Gesteinsschicht (12), mit den Schritten: a) Bohren einer ersten Tiefenbohrung (14) bis in die heiße Gesteinsschicht
(12); b) Pressen von Wasser unter hohem Druck über die erste Tiefenbohrung (14) in die heiße Gesteinsschicht (12), um Risse in der Gesteinsschicht (12) zu bilden; und c) Bohren wenigstens einer zweiten Tiefenbohrung (16) bis in die heiße Gesteinsschicht (12) in einem Bereich, in dem die Risse gebildet worden sind, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt b) in die in Schritt b) gebildeten Risse in der Gesteinsschicht (12) ein explosives Material eingebracht und gezündet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das explosive Material ein flüssiges, gelförmiges oder gasförmiges Material ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das explosive Material über die erste Tiefenbohrung (14) in die Risse in der heißen Gesteinsschicht (12) eingebracht wird.
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