WO2010145888A2 - Geothermieanlage, verfahren zum betreiben einer geothermieanlage und verwendung einer geothermieanlage - Google Patents

Geothermieanlage, verfahren zum betreiben einer geothermieanlage und verwendung einer geothermieanlage Download PDF

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WO2010145888A2
WO2010145888A2 PCT/EP2010/056274 EP2010056274W WO2010145888A2 WO 2010145888 A2 WO2010145888 A2 WO 2010145888A2 EP 2010056274 W EP2010056274 W EP 2010056274W WO 2010145888 A2 WO2010145888 A2 WO 2010145888A2
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shaft
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geothermal
outer shaft
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Gustav R. Grob
Craig Hesser
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Icec Holding Ag
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24T—GEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00—Geothermal collectors
    • F24T10/10—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/17—Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using tubes closed at one end, i.e. return-type tubes
    • 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

  • Geothermal plant method for operating a geothermal plant and use of a geothermal plant
  • geothermal plant which is also referred to as a geothermal power plant, a method for operating a geothermal plant and the use of a geothermal plant.
  • Geothermal plants are designed to make thermal energy from the earth's crust technically usable.
  • Geothermal energy is regenerative energy.
  • Geothermal energy can be used directly, e.g. for heating or cooling, or it can be used to generate electricity.
  • hydrothermal geothermal water that is taken from aquifers
  • petrothermal geothermal an open system
  • the invention is specifically about harnessing heat from great depths. So it is about so-called deep geothermal energy and preferably deep geothermal energy in the hot, dry rock (HDR).
  • HDR hot, dry rock
  • a closed system is used.
  • a plant according to the invention can be realized almost at every location.
  • a system according to the invention is baseload, since the energy over a longer period of time can be permanently removed.
  • FIG. 2 A schematic of a geothermal device (geothermal power plant) is shown in FIG. Further details can be taken from FIGS. 2 to 8.
  • the geothermal device delivers base load electricity and large amounts of heat.
  • Fig. 1 shows a first device according to the invention in a schematic, lateral sectional view
  • Fig. 2 shows a second device according to the invention in a schematic, side sectional view during the construction phase
  • Fig. 3 shows a part of a shaft section in a schematic
  • FIG. 4A shows details of another device according to the invention in a schematic sectional representation during the construction phase
  • FIG. Fig. 4B shows details of the device of Fig. 4A in a schematic
  • Sectional view in the finished state shows details of a further device according to the invention in a schematic sectional view;
  • Fig. 6A shows details of a side channel of another inventive
  • FIG. 6B shows details of a further side channel of a further device according to the invention in a schematic
  • Section; Fig. 7 shows details of the upper portion of another inventive
  • FIG. 8 shows details of the portion of another inventive
  • a first embodiment of a geothermal device 100 is shown, the shaft system extends vertically into the ground U (direction center of the earth).
  • a second embodiment of a geothermal device 100 is shown, the shaft system extends obliquely into the substrate U.
  • the functional principle will be described with reference to FIGS. 1 and 2. This principle of operation can be transferred to the other embodiments of the invention.
  • the geothermal device 100 comprises an outer shaft 10, which serves as a return shaft or tube in this embodiment of FIG. 1.
  • the outer shaft 10 can also serve as a feed shaft.
  • the outer shaft 10 extends over a first effective shaft length Ll in the underground U.
  • an inner shaft 20 is provided, which preferably extends completely in the interior of the outer shaft 10 via a second effective shaft length L2 down.
  • the inner shaft 20 is used in the embodiment of Fig. 1 as Zutechnologyschacht or tube.
  • the inner shaft 20 can also serve as a return shaft.
  • the inner shaft 20 has a lateral surface (cylinder jacket surface), which is isolated from the outer shaft 10 pressure-tight. In Fig. 1, the lateral surface is indicated by dashed lines.
  • the inner shaft 20 is waterproof and thermally insulated from the outer shaft 10. This is important so that the medium M * in the well serving as the return chute is not over-cooled by the medium M in the other well serving as the feed chute.
  • the geothermal device 100 includes in all embodiments of the invention, a plurality of side channels 30, the directionally starting from the outer shaft 10, (preferably radially) in the substrate U extend.
  • Each of these side channels 30 forms a coupling region for local fluid communication between the inner well 20 and the outer well 10.
  • the coupling regions are preferably located at the extremal ends of the side channels 30 (i.e., at those ends furthest from the inner well 20).
  • the design is selected according to FIG. 1 so that a medium M passes, for example, down the inner shaft 20 in the geothermal device 100 and is conducted there with and with over inner tubes 31 in the side channels 30 to the outside.
  • a transition or transition of the medium M * takes place in the direction of the outer shaft 10.
  • Through the outer shaft 10 passes heated medium M * upwards.
  • This principle is illustrated schematically in FIG. 6A.
  • the arrangement can also be chosen so that the medium M passes from the inner shaft 20 into the side channel 30 and makes a transition into the interior of an inner tube 31 in the extremal end region of the side channel 30. Because of this Pipe 31, the warm medium M * then enter the outer shaft 10 and be guided upward, as shown in Fig. 6B.
  • a power plant device 40 is fluidly so with an upper end portion of the outer shaft 10 or the inner shaft 20 in connection that the power plant device 40 in the corresponding shaft 10 or 20 ascending warm medium M * and / or steam can continue to process.
  • the geothermal device 100 comprises a medium supply 21 in order to be able to supply the medium M in an upper region of one of the two shafts 10 or 20, in which shaft 10 or 20 the medium passes downwards.
  • Each side channel 30 comprises at least one inner tube 31, which sits axially in the side channel 30 and is surrounded by this or surrounded.
  • the inner tube 31 is fluidly connected to the medium in the interior of the shaft 10 or 20 at a shaft near end (depending on which of the shafts 10, 20 serves as a return shaft and which of the shafts 10, 20 as a feed shaft).
  • a shaft near end depending on which of the shafts 10, 20 serves as a return shaft and which of the shafts 10, 20 as a feed shaft.
  • remote (extremal) end serves a coupling region as a transition between the inner tube 31 and the side channel 30, wherein warm medium M * and / or steam emerge either from the bay remote end of the inner tube 31 and through the side channel 30 direction of the return shaft 20th or 10 is traceable (see, for example, Fig.
  • the toka ⁇ äle 30 start in all embodiments preferably from a distance A to the (earth) surface, which is selected so that the temperature of the substrate U in this area more than 100 0 C and preferably more than 150 0 C. That is, the side channels 30 are in hot and hot areas of the substrate U.
  • the corresponding distance A is indicated in Fig. 9 by means of an example.
  • the temperature can be up to 450 0 C.
  • the inner shaft may have a second effective shaft length L2, which is equal to the first effective shaft length Ll.
  • the second effective shaft length L2 can also be shorter than the first effective shaft length L1. In this case, an additional coupling region results at the lowest point of the device 100.
  • Embodiments of the invention which are designed analogously to the device 100 shown schematically in FIG. 2 are very particularly preferred. Since it is a matter of achieving a very large depth T1, the structural engineering and conveying problems in an embodiment according to FIG. 1 lead to relatively high costs. Embodiments according to FIG. 2, on the other hand, reduce the constructional and material handling costs, but a larger shaft length L 1 must be provided in order to achieve the same depth T 1 as a device 100 according to FIG. 1.
  • the effective length L1 of the outer shaft 10 can be determined from the Pythagorean theorem as follows:
  • the angle W plays an essential role.
  • the angle W increases, however, the technical problems increase as larger and larger loads go vertical. The smaller the angle W, the more forces are introduced into the subsurface U.
  • the shaft reaches in all embodiments, a depth Tl, which is greater than 3.5km and can be up to 15km.
  • the entire device 100 has a significantly larger heat coupling with the Underground U as conventional devices 100.
  • the length and the total number of side channels 30 determines the effective "catchment area" of the device 100.
  • the device 100 has an effectively effective surface for heat exchange with the substrate U, which is larger than at some factors conventional geothermal plants.
  • EGS enhanced geothermal systems
  • MW megawatts
  • the energy yield is limited to a few megawatts (MW), which is also attributable to Kirchhoff's law, the relatively rapid cooling of the water Traversed through scratches and artificial channels in the underground U.
  • MW megawatts
  • only a small fraction of the underground heat transfer surface of the inventive method can be used in the EGS process .
  • the ratio is between 1: 100 and 1: 1000, ie a geothermal device 100 according to the invention has in all embodiments a degree of coupling or an effective underground heat transfer area which is greater by a factor of 100 to 1000.
  • the invention enables a regeneration of the heat reservoir by either the amount of energy extracted per volume of the substrate U is kept “small” accordingly, or by further shafts (eg a second well according to FIG. 9) with branches (side channels 30) realized in a minimum distance If the temperature of the rock falls within one range after several decades of extraction, then another nearby facility may be deployed until the original plant has recovered.
  • two or more shafts may share a power plant device 40, as indicated in FIG. 9 by way of a schematic example.
  • the outer shaft 10 of all embodiments is assembled on site from prefabricated concrete elements or created.
  • a shaft segment 50 which is constructed from four concrete elements 50.1-50.4, is shown schematically in FIG.
  • Such a shaft segment 50 can also be composed of three, four or more than four concrete elements, as known from tunneling.
  • an outer shaft with three concrete elements 50.1, 50.2 and 50.3 is shown as a schematic example.
  • the inner shaft 20 can also be composed of three, four or more than four concrete elements, as shown schematically in Fig. 5.
  • the axial connections between the individual concrete elements of the outer shaft 10 with respect to the axial connections between the individual concrete elements of the inner shaft 20 are rotated by a few degrees, as can be seen in Fig. 5.
  • Tübbinger formwork also called tubbing
  • the Tübbinger casings can be used in all embodiments for the outer shaft 10 and / or the inner shaft 20, as shown in Fig. 5 by way of example.
  • the concrete elements 50.1 - 50.4 are preferably provided in all embodiments with so-called axial spring / groove connections 51, as indicated schematically in Figures 3, 4A and 5.
  • the spring / groove connections 51 are referred to as axial connections, since they extend parallel to the axis of rotation R of the outer shaft 10 in the axial direction.
  • spring / groove connections 52 are used between adjacent concrete elements 50.1-50.4 (viewed in the direction of the chute) , which are also referred to as radial spring / groove connections 52. These radial spring / groove connections 52 are not shown in detail in the drawings.
  • Corresponding spring / groove connections 51, 52 are known from Tübbinger formwork.
  • a concrete is preferably used, which is particularly equipped by the addition of polymer components and / or cell glass (to increase the thermal insulation property).
  • the concrete elements are 50.1 - 50.4 and thus also the outer shaft 10 and / or inner shaft 20 tight and heat-insulating.
  • sealing compound in the area of the spring / groove connections 51 and / or 52 is preferably used in all embodiments.
  • Embodiments in which, after the attachment of a plurality of concrete elements 50.1 - 50.4, the inner surface is provided with a plastic layer or plastic sheet are particularly preferred.
  • This plastic layer or plastic sheet is designed so that it forms an inner skin in the outer shaft 10 or an inner skin in the inner shaft 20, or an outer skin on the inner shaft 20, which each has an additional sealing effect. This approach applies to all embodiments.
  • anchors 53 are preferably used to anchor the concrete elements 50.1 - 50.4 to the outside in the underground U.
  • FIGS. 4A and 4B show an exemplary armature 53, which extends radially outward here.
  • the use of such anchor 53 has the advantage that the weight of the individual concrete elements 50.1 - 50.4 can be intercepted largely in the surrounding rock (subsurface U). By this measure, it can be prevented that the axial spring / groove connections 51 are too heavily loaded by shear forces and the radial spring / groove connections 52 too much by compressive forces. In addition, it can be prevented that the side channels 30 are loaded by shear forces or even destroyed (sheared off).
  • sealing tapes, rings or sheaths are preferably used for sealing joints.
  • materials can be used as a molding compound, adhesives, sealants, sealing films, sealing layers, coatings, concrete admixtures that are resistant to high temperatures and pressure. Particularly suitable materials are
  • Epoxy resin base and / or
  • Metal oxide base eg Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2
  • Metal oxide base eg Al 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2
  • each of the mobile units 60,70, 80 can be used for other tasks.
  • Fig. 2 shows the state during the construction of the device 100. While a first mobile unit 60 with a drill head 61 drives the tunnel ahead, a second mobile unit 70 follows. This second mobile unit 70 may e.g. Laying roads and / or rails 90 and / or contact strips 92, if they have not been laid with the concrete elements 50.1 - 50.4 or are an integral part of the concrete elements 50.1 - 50.4. Preferably, these roadways and / or rails 90 and / or contact tracks 92 are a solid (integral) component of the concrete elements 50.1 - 50.4.
  • a third mobile unit 80 may be configured as a drilling and / or rock melting robot and / or thermal fragmentation robot to apply the side channels 30 by drilling and / or melting and / or thermal fragmentation of the rock.
  • a rock melt method can be used, which is based on the known LITHO-JET principle and / or a method of ETH Zurich that was developed by Prof. Philipp Rudolf von Rohr. Details of the LITHO-JET principle are, for example, the European Patent EP 0327598 Bl of the inventor Werner Foppe, entitled “FUSION-DRILLING PROCESS "or the international application with the publication number WO 88/05491.
  • the corresponding mobile unit 60 and / or 70 and / or 80 in all embodiments laterally against the tunnel wall or against the concrete elements 50.1 - 50.4 support as an abutment or wedging, as known from tunneling to better To allow propulsion or to hold a stable position. Due to the strong slope of the outer shaft 10 but can be dispensed with in most cases such an abutment, since the weight, for example. the mobile unit 60 presses the drill head 61 with sufficient pressure against the end wall of the tunnel.
  • Fig. 4A there is shown a mobile unit 80 in a particular embodiment employing tires or (steel) wheels 81. These tires or (steel) wheels 81 roll along guideways and / or rails 90, as shown in FIG. 4A. Due to the high temperatures, it is advantageous to use steel wheels or steel-reinforced tires 81.
  • a combination of at least one rack 91 and at least one toothed drive wheel 82 is used, as shown in Fig. 4A in a schematic form by way of example.
  • the rack 91 forms with the toothed drive wheel 82 a gear drive.
  • gear drives can be used various forms of such gear drives.
  • Particularly suitable gear drives with single rack, double rack, with staggered racks, with ladder racks, etc.
  • the toothed drive wheel 82 is so complementary executed that it securely engages in the inserted rack 91.
  • Each of the embodiments may be equipped with such a gear drive.
  • materials for the elements of the gear drive is used, which guarantee the necessary strength even at high temperatures.
  • Particularly suitable are special alloys and / or materials that do without lubrication, or that are self-lubricating.
  • the gear drive may be disposed separately from the guideways and / or rails 90 (see, e.g., Fig. 4A), or the gear drive may be integrated with the guideways and / or rails 90.
  • the two lateral guide rails 90 are formed as racks and the mobile unit (e.g., the unit 80) has at least two drive wheels 82 (instead of the tires / wheels 81 or in addition to the tires / wheels 81).
  • either at least one self-propelled (self-sufficient) mobile unit (e.g., unit 80) or at least one mobile unit (e.g., unit 80) driven by a (steel) pull-rope may be employed.
  • a self-propelled mobile unit e.g., unit 80
  • the power supply via protected contact paths 92 may, as schematically indicated in Fig. 4A, be arranged in the region of the stope.
  • the two contact tracks 92 which are required in a 2-phase supply system, are preferably placed in the interior of a profile 93 or a rail, that there is no risk of electrification in case of accidental contact.
  • the roadway can be made stepwise to better absorb the forces that otherwise eg the mobile units 60, 70, 80 pull down.
  • this principle is illustrated schematically.
  • mobile units 60 and / or 70 and / or 80 are designed as "step rotors.”
  • a gear drive is nevertheless preferably used.
  • a corresponding supply system may nevertheless be employed to power, for example, power consuming systems and motors.
  • the diameter of the outer shaft is in all embodiments between 2 and 15m.
  • Particularly preferred are tunnels which have a round cross-section and which have been hollowed out with a rotating drill head 61.
  • the tunnel may also have a different cross-sectional shape, e.g. worked out with blasting and / or hammer drills and / or milling and / or rock melts out.
  • cavities between the concrete elements 50.1 - 50.4 and the surrounding rock (subsurface U) are filled with a filling compound 11.
  • a filling compound 11 preferably cavities between the concrete elements 50.1 - 50.4 and the surrounding rock (subsurface U) are filled with a filling compound 11.
  • concrete elements 50.1 - 50.4 are preferably used, the outside of which is provided with depressions. When filling with a filling compound 11 thus the concrete elements 50.1 - 50.4 anchored even better with the surrounding rock. In such an embodiment, no anchors 53 need to be used. However, anchors 53 can still be used for safety.
  • supply and disposal lines and systems can be laid in the region of the stope.
  • the outer shaft 10 and the inner shaft 20 form a serial or parallel system for the supply and removal of a heat transfer medium (here referred to as medium M).
  • medium M a heat transfer medium
  • the system respectively the circuit is closed, so that no medium M exits into the underground U.
  • Thermal energy is transferred from the substrate U to the medium M by the geothermal device 100 and is moved or conveyed through the medium M * in the direction of the earth's surface.
  • water is preferably used in the primary circuit.
  • water or a water-based medium may be employed as the heat transport medium in the secondary circuit (e.g., in the circuit 44, 44.1, 44.2).
  • Particularly suitable water-based media are ammonia-water mixtures or CO 2 -water mixtures.
  • organic media e.g., volatile alcohols or hydrocarbons may also be used.
  • a type of return duct 10 or 20 is preferred, which offers a particularly good thermal insulation against the substrate U in the upper region. This increases the overall efficiency of the device 100, since there is less heat loss during the upward movement of the medium M * in the return chute 10 or 20.
  • Such heat insulation is preferably provided at least in the upper third or the upper half of the return shaft 10 or 20, since this section of the outer shaft 10 passes through the underground U, which is significantly colder than in larger shaft depths.
  • constructions of the outer shaft 10, in which an inner insulating layer is provided from a material having a very low thermal conductivity ⁇ are particularly preferred. This approach applies to all embodiments.
  • the inner shaft 20 is preferred, which provides a good thermal insulation with respect to the outer shaft 10, respectively the medium M, to decouple the feed region thermally from the return region.
  • the inner shaft 20 is therefore insulated (inside and outside).
  • FIGs. 4A and 4B examples of a preferred embodiment are shown.
  • Fig. 4A shows the state during the construction of the device 100.
  • Fig. 4B the final state is shown in simplified schematic form.
  • external air can be supplied through the inner shaft 20 tracked to the propulsion mechanism (mobile unit 60) or through a temporary air passage to ensure cooling of the working area.
  • the air removal is preferably done by the outer annular shaft (annular space 12) and also serves the removal of any penetrating gases.
  • gases that pass up are filtered or separated.
  • natural gases e.g., methane gas
  • penetrating liquids are conveyed by suitable (bottom) pumps directly or in cascades via intermediate container upwards.
  • the side channels 30 in the form of tubes 32 (also called outer tubes) laid in the substrate U to keep the entire cycle of the medium M closed.
  • Fig. 6A is a corresponding example shown in schematic form.
  • the medium M passes in the inner shaft 20 down, ie the inner shaft 20 serves as a feed chute.
  • the heated medium M * passes upwards.
  • the annular space 12 thus serves as a return shaft.
  • Side channel length L3 can be up to 3km.
  • Fig. 6B shows a similar approach, wherein the inner tube
  • the coupling region which provides for a transition between the return duct and the feed chute in the region of the side channels 30, can e.g. be designed so that the extremal end of the inner tube 31 is open, as indicated in Fig. 6A.
  • a method can be used which creates a sealed shell by the melting or vitrification of rock Either a side channel 30 is first drilled from the shaft 10 and then with a dense layer (eg Glass or ceramic layer), or mechanical drilling is replaced by an in-situ melting process, which melts the rock with sufficient heat to form a very stable and dense wall of glass As a result, this method, or a combination of drilling and melting techniques, also provides a dense, closed system in which no medium enters the subsurface U. Alternatively, or additionally, the side channels 30, 30 can be used also be coated inside.
  • a dense layer eg Glass or ceramic layer
  • dietary fibers may be present: silicates, silicatic acids, metal hydrixodes, clay materials, feldspar, kaolins, carbonates, minerals, metals and metal oxides and ions. These fibers are largely moved upwards by the ascending medium M *. Therefore, embodiments of the device 100 are preferred, which have in the area in front of the power plant device 40, preferably there in front of a first heat exchanger, a device 90 for separating fiber. This approach applies to all embodiments.
  • the side channels 30 When creating the side channels 30 (by drilling and / or melting) but also in continuous operation create overburden, leaching or residues. As a result, the side channels 30 can be clogged or added.
  • the side channels 30 are preferably applied in all embodiments so that they have a slight slope (between 1 and 5 degrees with respect to the horizontal) relative to the point of attachment to the outer shaft 10. Due to the corresponding slight gradient in the interior of the side channels 30 thus results in a self-cleaning effect, since all overburden, leaching or residues automatically following the principle of gravity in the outer or inner shaft 10, 20 reach.
  • Electrophoresis systems have been found to be particularly effective in separating fiber, filters designed to filter out silicates and other constituents, and stationary cyclones for separation by means of centrifugal force.
  • the device 90 may in all embodiments also comprise a combination of said systems.
  • cyclones as centrifugal separators
  • the cyclones are designed and dimensioned such that the medium M * is set in a rotational movement such that no or only slight abrasive forces occur on the outer wall of the cyclone.
  • a corundum coating or other mineral coating and / or ceramic coating eg Silicon carbide
  • cyclones which are connected in cascade one behind the other. This approach applies to all embodiments.
  • the apparatus 100 includes redundant, switchable heat exchangers to allow operation to continue while a heat exchanger is being revised.
  • Particularly preferred embodiments are those in which the superheated medium M *, which passes through the return shaft up to the power plant device 40, in a cycle cycle (single flash), in two cycles of cycles (double flash) or in three cycles of cycles (tripple flash) to be led.
  • one, two or three heat circuits are used in the power plant device 40.
  • Each heat cycle can use its own heat transfer medium, which has been specially optimized for the given temperature range.
  • an optimal adaptation to the thermodynamic properties of the respective heat source can be made. All these measures serve to improve the efficiency.
  • This power plant device 40 comprises a first heat exchanger 41, which is operated with the medium M *, which is supplied from the return shaft (here via the region 12 between the outer shaft 10 and inner shaft 20).
  • the medium M * here has a temperature which can be between 200 0 C and about 450 0 C.
  • the pressure is between 50 and 250 bar.
  • the maximum pressure of the medium M can be approx. 1000 bar and the temperature reaches up to approx. 450 ° C.
  • the medium M * transfers thermal energy to the first medium M1 of the first cycle. The medium M * is thereby relaxed and cooled.
  • the medium M is after passing through the first heat exchanger 41 in the feed chute (here the inner shaft 20) out and passes through this shaft 20 back down. After passing through the first heat exchanger 41, the medium M has approximately a temperature of 30 to 60 0 C.
  • the medium Ml of the 1st cycle builds up a high vapor pressure and drives a steam turbine 42 via a steam pressure line 42.1.
  • An ammonia-water mixture can serve, for example, as a medium M1.
  • This steam turbine 42 may be mechanically coupled, for example, to a generator 43 which provides AC voltage.
  • the steam turbine 42 can be designed in multiple stages or combined with a low-pressure steam turbine in order to realize the highest possible efficiency. Via a return line 42.
  • the steam after it has driven the steam turbine 42, is sent to a second heat exchanger 44.
  • the first medium M1 passes back into the first heat exchanger 41, where it again takes heat energy of the medium M *.
  • the second heat exchanger 44 may deliver a medium (eg water vapor) via a pipe 44.1 in the direction of a district heating device.
  • a return line 44.2 returns the medium back from the district heating device.
  • the power plant device 40 can also include other systems and elements, such as, for example:
  • Transformers for generating high voltage and / or
  • Filter for separating the fibers, and / or
  • Electrophoresis systems for separating the fibers, and / or
  • the structure of the device 100 is such that a safe, controlled, closed medium primary circuit for the medium M results, with one of the shafts 10 or 20 serve as a feed chute and the other 20 or 10 as a return shaft.
  • a roadway 95 eg in the form of rails, concrete elements, or a stepped arrangement
  • a further mobile unit which is designed to create a fluidic connection between the side channels and the inner shaft 20.
  • lanes 95 are indicated schematically.
  • a probing bore is made to check tectonically critical zones and other aspects before the main manhole is sunk.
  • a probing bore may e.g. can also be used to detect gas or oil deposits and to tap these, if necessary.
  • the inner shaft 20 is pre-produced above ground or in a cavern. Then, the inner shaft 20 in the outer shaft 10 can be lowered concentrically. When lowering optional sliding elements or rolling element, sitting on the outside of the inner shaft 20, along the roadway or rails 90 of the outer shaft 10 slip or roll. With a corresponding dimensioning and positioning of the roadways or rails 90 of the outer shaft 10, the concentric mounting of the inner shaft 20 in the outer shaft 10 can be predetermined by this. In Fig. 4B is indicated by way of example, that the outer wall of the inner shaft 20 rest on the roadways or rails 90 of the outer shaft 10.
  • intermediate caverns are preferably used in all embodiments in order to be able to store building materials between them and to be able to install pumps for the cascaded conveying of water, overburden, etc.
  • the intermediate caverns can also serve as a lounge for staff.
  • the medium M is always monitored in order to keep the pH in a suitable range can.
  • the device 100 produces heat (e.g., district heating) and / or electricity;
  • the device 100 has an overall lower net cost than any other source of energy
  • the device 100 can also be easily erected and operated in the vicinity of urban regions;
  • the device 100 is virtually invisible (e.g., when the power plant device 40 is placed underground);
  • the device 100 produces no emissions and no noise. Namely, the device 100 does not emit CO 2 , sulfur dioxide and nitrogen oxides;
  • the device 100 works profitably in the long term
  • the device 100 can be advantageously combined with a seawater desalination plant
  • the device 100 can be implemented alongside existing power plants so as to be able to use the existing infrastructure (eg turbines). LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • mobile unit 80 tires or wheels 81 driving wheel 82

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Abstract

Es wird eine Geothermievorrichtung (100) mit einem Aussenschacht (10) und einem Innenschacht (20) vorgeschlagen, der sich im Inneren des Aussenschachts (10) abwärts erstreckt, wobei der Innenschacht (20) an sich gegenüber dem Aussenschacht (10) isoliert ist. Es kommen mehrere Seitenkanäle (30) zum Einsatz, die sich ausgehend von dem Aussenschacht (10) in den Untergrund (U) erstrecken, wobei die Seitenkanäle (30) als Kopplungsbereich zur lokalen strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Innenschacht (20) und dem Aussenschacht (10) dienen. Eine Kraftwerksvorrichtung (40) ist dem oberen Endbereich des Aussenschachts (10) oder des Innenschachts (20) verbunden, wobei die Kraftwerksvorrichtung (40) dazu ausgelegt ist in einem ersten der beiden Schächte (10; 20) aufsteigendes warmes Medium (M*) und/oder Dampf weiter zu verarbeiten.

Description

Geothermieanlage, Verfahren zum Betreiben einer Geothermieanlage und Verwendung einer Geothermieanlage
[0001] Es geht um eine Geothermieanlage, die auch als Geothermiekraftwerk bezeichnet wird, um ein Verfahren zum Betreiben einer Geothermieanlage und um die Verwendung einer Geothermieanlage.
[0002] Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der europäischen Patentanmeldung EP 09 162 863.6, die am 16.6.2009 beim Europäischen Patentamt mit dem Titel „Verfahren zum Betreiben einer Geothermievorrichtung und entsprechende Geothermievorrichtung (Geothermiekraftwerk)" hinterlegt wurde.
[0003] Geothermische Anlagen sind dazu ausgelegt Wärmeenergie aus der Erdkruste technisch nutzbar zu machen. Bei geothermisch gewonnener Energie handelt es sich um regenerative Energie. Geothermische Energie kann direkt genutzt werden, um z.B. zu Heizen oder zu Kühlen, oder sie kann zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt werden.
[0004] Bekannte Systeme arbeiten entweder mit Wasser, das aus Aquiferen entnommen wird (hydrothermale Geothermie genannt), oder es kommen künstlich erzeugte Risssysteme zum Einsatz, durch die in einem offenen System Wasser getrieben wird (petrothermale Geothermie genannt).
[0005] Auch bekannt sind sogenannte geschlossene binäre Systeme, bei denen Wärmesonden eingesetzt werden in denen das Wasser in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Diese geschlossenen Systeme in den oberen Sedimenten werden jedoch als ineffizient betrachtet. Ausserdem geht man bisher davon aus, dass die Leistung, die einem solchen System entzogen wird, eher gering ist. Bisher erreichten solche Systeme eine Tiefe zwischen 2 und 3 km.
[0006] Es hat in letzter Zeit verschiedene negative Schlagzeilen gegeben, da Geothermieprojekte für das Auslösen von lokalen seismischen Erschütterungen verantwortlich gemacht worden sind. Daher steigt der öffentliche Druck, solche Projekte so zu gestalten, dass sie keine Erschütterungen, lokale Beben, Quellungen oder Verwerfungen von Gesteinsstrukturen auslösen.
[0007] Es besteht ein grosser Bedarf für Geothermieanlagen. Um solche Anlagen wirtschaftlich erstellen und betreiben zu können, müssen einerseits die Investitionskosten niedrig gehalten werden. Andererseits muss man aber in grosse Tiefen vordringen, um eine Temperaturdifferenz bereit stellen zu können, die es erlaubt grossere Energiemengen zu entnehmen. Diese Vorgaben stehen jedoch in einem offensichtlichen Gegensatz zueinander. Gegen tiefe Geothermie sprechen bisher aber vor allem auch die grossen technischen Probleme, die überwunden werden müssen, um in Tiefen von mehr als 3km vorzudringen.
[0008] Gemäss Erfindung geht es speziell um Nutzbarmachung von Wärme aus grossen Tiefen. Es geht also um sogenannte tiefe Geothermie und vorzugsweise um tiefe Geothermie im heissen, trockenen Fels (hot dry rock; HDR). Gemäss Erfindung kommt ein geschlossenes System zum Einsatz.
[0009] Derartige geschlossene Systeme haben gegenüber offenen Systemen den Vorteil, dass kein Kontakt zum Grundwasser besteht.
[00010] Eine Anlage gemäss Erfindung kann nahezu an jedem Standort realisiert werden.
[00011] Derartige geschlossene Systeme haben auch den Vorteil, dass sie nicht auf Tiefenwasser oder dergleichen angewiesen sind. Das sogenannte Fündigkeitsrisiko geht daher praktisch gegen Null. [00012] Eine Anlage gemäss Erfindung ist grundlastfähig, da die Energie über einen längeren Zeitraum permanent entnommen werden kann.
[00013] Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung und/oder Wärmebereitstellung sind gemäss Erfindung Temperaturen über 150 0C erforderlich. Besonders bevorzugt sind Temperaturen im Bereich zwischen 180 0C und 450 0C.
Ein Schema einer Geothermievorrichtung (Geothermiekraftwerk) ist in Fig. 1 gezeigt. Weitere Details sind den Figuren 2 bis 8 zu entnehmen.
Vorteile der Erfindung :
• Keine Zufallsausbeute;
• Grosse Leistungen im Bereich der Gigawatt-Klasse;
• Keine Brennstoffe kommen zum Einsatz;
• Es entstehen keine Abfälle;
• Es entstehen keine Emissionen;
• Der Aushub beim Abteufen des Schachts wird vorzugsweise für Beton und Baustoffproduktion verwendet;
• Die Geothermievorrichtung liefert Grundlast-Strom und grosse Wärmemengen.
[00014] Es wird als ein Vorteil der Erfindung angesehen, dass ein sehr hoher Wärmestrom realisiert wird.
[00015] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erste erfindungsgemässe Vorrichtung in einer schematischen, seitlichen Schnittdarstellung; Fig. 2 zeigt eine zweite erfindungsgemässe Vorrichtung in einer schematischen, seitlichen Schnittdarstellung während der Bauphase; Fig. 3 zeigt einen Teil eines Schachtabschnitts in einer schematischen
Perspektivdarstellung; Fig. 4A zeigt Details einer weiteren erfindungsgemässen Vorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung während der Bauphase; Fig. 4B zeigt Details der Vorrichtung nach Fig. 4A in einer schematischen
Schnittdarstellung im fertig gestellten Zustand; Fig. 5 zeigt Details einer weiteren erfindungsgemässen Vorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung; Fig. 6A zeigt Details eines Seitenkanals einer weiteren erfindungsgemässen
Vorrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung; Fig. 6B zeigt Details eines weiteren Seitenkanals einer weiteren erfindungsgemässen Vorrichtung in einer schematischen
Schnittdarstellung; Fig. 7 zeigt Details des oberen Bereichs einer weiteren erfindungsgemässen
Vorrichtung in einer schematischen, seitlichen Schnittdarstellung; Fig. 8 zeigt Details des Abschnitts einer weiteren erfindungsgemässen
Vorrichtung in einer schematischen, seitlichen Schnittdarstellung; Fig. 9 zeigt eine weitere erfindungsgemässe Vorrichtung in einer schematischen, seitlichen Schnittdarstellung.
[00016] Konstruktive Elemente mit gleicher Funktion sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Folgenden wird das Wärmetransportmedium mit M bezeichnet, wenn es sich im Zuführkreislauf- oder abschnitt befindet. Das Wärmetransportmedium wird mit M* bezeichnet, wenn es sich im Rückführkreislauf- oder abschnitt befindet. M* ist wärmer und/oder energiereicher als M.
[00017] In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Geothermievorrichtung 100 gezeigt, deren Schachtsystem sich senkrecht in den Untergrund U (Richtung Erdmitte) erstreckt. In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Geothermievorrichtung 100 gezeigt, deren Schachtsystem sich schräg in den Untergrund U erstreckt. Anhand der Figuren 1 und 2 wird das Funktionsprinzip beschrieben. Dieses Funktionsprinzip lässt sich auf die anderen Ausführungsformen der Erfindung übertragen.
[00018] Die Geothermievorrichtung 100 umfasst einen Aussenschacht 10, der bei dieser Ausführungsform von Fig. 1 als Rückführschacht oder -röhr dient. Der Aussenschacht 10 kann aber auch als Zuführschacht dienen. Der Aussenschacht 10 erstreckt sich über eine erste wirksame Schachtlänge Ll in den Untergrund U. Es ist ein Innenschacht 20 vorgesehen, der sich vorzugsweise komplett im Inneren des Aussenschachts 10 über eine zweite wirksame Schachtlänge L2 abwärts erstreckt. Der Innenschacht 20 dient bei der Ausführungsform von Fig. 1 als Zuführschacht oder -röhr. Der Innenschacht 20 kann aber auch als Rückführschacht dienen.
[00019] Der Innenschacht 20 weist eine Mantelfläche (Zylindermantelfläche) auf, die gegenüber dem Aussenschacht 10 druckdicht isoliert ist. In Fig. 1 ist die Mantelfläche durch gestrichelte Linien angedeutet. Vorzugsweise ist der Innenschacht 20 wasserdicht und thermisch gegenüber dem Aussenschacht 10 isoliert. Diese ist wichtig, damit das Medium M* in demjenigen Schacht, der als Rückführschacht dient, nicht zu stark durch das Medium M in dem anderen Schacht gekühlt wird, der als Zuführschacht dient.
[00020] Die Geothermievorrichtung 100 umfasst bei allen Ausführungsformen der Erfindung mehrere Seitenkanäle 30, die sich, richtungsmässig von dem Aussenschacht 10 ausgehend, (vorzugsweise radial) in den Untergrund U erstrecken. Jeder dieser Seitenkanäle 30 bildet einen Kopplungsbereich zur lokalen strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Innenschacht 20 und dem Aussenschacht 10. Die Kopplungsbereiche befinden sich vorzugsweise an den extremalen Enden der Seitenkanäle 30 (d.h. an denjenigen Enden, die sich am weitesten von dem Innenschacht 20 entfernt befinden).
[00021] Die Auslegung ist nach Fig. 1 so gewählt, dass ein Medium M z.B. über den Innenschacht 20 in der Geothermievorrichtung 100 nach unten gelangt und dort mit und mit über innenliegende Rohre 31 in den Seitenkanälen 30 nach aussen geleitet wird. In den erwähnten Kopplungsbereichen findet ein Übertritt oder Übergang des Mediums M* in Richtung des Aussenschachts 10 statt. Durch den Aussenschacht 10 hindurch gelangt erwärmtes Medium M* nach oben. Dieses Prinzip ist schematisch in Fig. 6A verdeutlicht. Die Anordnung kann aber auch so gewählt sein, dass das Medium M vom Innenschacht 20 aus in den Seitenkanal 30 gelangt und im extremalen Endbereich des Seitenkanals 30 einen Übergang in das Innere eines innenliegenden Rohres 31 macht. Durch dieses Rohr 31 kann das warme Medium M* dann in den Aussenschacht 10 gelangen und nach oben geführt werden, wie in Fig. 6B dargestellt.
[00022] Es ist auch möglich dieses Prinzip umzukehren indem das Medium M im Aussenschacht 10 nach unten und im Innenschacht 20 als Medium M* nach oben gelangt. Damit ergeben sich in Umkehrung der Darstellungen der Figuren 6A und 6B zwei weitere mögliche Ausführungsformen.
[00023] Es ist auch möglich statt einer seriellen Führung des Mediums eine parallele Führung des Mediums vorzusehen. Im Falle einer parallelen Führung arbeiten mehrere Medien-Kreisläufe parallel zu einander.
[00024] Eine Kraftwerksvorrichtung 40 steht strömungstechnisch so mit einem oberen Endbereich des Aussenschachts 10 oder des Innenschachts 20 in Verbindung, dass die Kraftwerksvorrichtung 40 im entsprechenden Schacht 10 oder 20 aufsteigendes warmes Medium M* und/oder Dampf weiter verarbeiten kann. Die Geothermievorrichtung 100 umfasst eine Mediumzufuhr 21, um in einem oberen Bereich eines der beiden Schächte 10 oder 20 das Medium M zuführen zu können, wobei in diesem Schacht 10 oder 20 das Medium abwärts gelangt.
[00025] Jeder Seitenkanal 30 umfasst mindestens ein Innenrohr 31, das axial in dem Seitenkanal 30 sitzt und von diesem umhüllt oder umgeben ist. Das Innenrohr 31 steht an einem schachtnahen Ende strömungstechnisch mit dem Medium im Inneren des Schachts 10 oder 20 in Verbindung (je nachdem welcher der Schächte 10, 20 als Rückführschacht und welcher der Schächte 10, 20 als Zuführschacht dient). An dem gegenüberliegenden, schachtfernen (extremalen) Ende dient ein Kopplungsbereich als Übergang zwischen dem Innenrohr 31 und dem Seitenkanal 30, wobei warmes Medium M* und/oder Dampf entweder aus dem schachtfernen Ende des Innenrohrs 31 austreten und durch den Seitenkanal 30 Richtung des Rückführschachts 20 oder 10 rückführbar ist (siehe z.B. Fig. 6A), oder warmes Medium M* und/oder Dampf am schachtfernen Ende in das Innere des Innenrohrs 31 gelangt und durch das Innenrohr 31 zurück zum Rückführschacht 10 oder 20 gelangt (siehe z.B. Fig. 6B). [00026] Die Seitenkaπäle 30 beginnen bei allen Ausführungsformen vorzugsweise ab einen Abstand A zur (Erd-) Oberfläche, der so gewählt ist, dass die Temperatur des Untergrunds U in diesem Bereich mehr als 1000C und vorzugsweise mehr als 1500C aufweist. D.h. die Seitenkanäle 30 liegen in warmen und heissen Bereichen des Untergrunds U. Der entsprechende Abstand A ist in Fig. 9 anhand eines Beispiels angedeutet.
[00027] In grosseren Tiefen kann die Temperatur bis zu 4500C betragen.
[00028] Je nach Ausführungsform kann der Innenschacht eine zweite wirksame Schachtlänge L2 haben, die gleich der ersten wirksamen Schachtlänge Ll ist. In diesem Fall gibt es keine strömungstechnische Verbindung zwischen den beiden Schächten 10, 20 am tiefsten Punkt der Vorrichtung 100. D.h. nur die erwähnten Kopplungsbereiche der Seitenkanäle 30 dienen als strömungstechnische Verbindungen zwischen dem Zuführschacht und dem Rückführschacht. Es kommen bei allen Ausführungsformen vorzugsweise Schächte 10, 20 zum Einsatz, die am tiefsten Punkt nicht strömungstechnisch verbunden sind. Die zweite wirksame Schachtlänge L2 kann aber auch kürzer sein als die erste wirksame Schachtlänge Ll. In diesem Fall ergibt sich am tiefsten Punkt der Vorrichtung 100 ein zusätzlicher Kopplungsbereich.
[00029] Ganz besonders bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, die analog zu der in Fig. 2 schematisch gezeigten Vorrichtung 100 ausgelegt sind. Da es darum geht eine sehr grosse Tiefe Tl zu erreichen, führen die bautechnischen und fördertechnischen Probleme bei einer Ausführungsform nach Fig. 1 zu relativ grossen Kosten. Ausführungsformen nach Fig. 2 hingegen reduzieren den bautechnischen und fördertechnischen Aufwand, wobei jedoch eine grösser Schachtlänge Ll vorgesehen werden muss, um die gleiche Tiefe Tl zu erreichen wie eine Vorrichtung 100 nach Fig. 1.
[00030] Die effektive Länge Ll des Aussenschachts 10 kann anhand des Satzes von Pythagoras wie folgt ermittelt werden :
Tl2 + Bl2 = Ll2 ■> Ll = ΛIT!2 + B12 [00031] Diese Aussagen beziehen sich jedoch nur auf Geothermievorrichtungen 100, die in von einer ebenen Erdoberfläche aus in den Untergrund U abgeteuft werden. Erfindungsgemässe Geothermievorrichtungen 100 können aber auch schräg in ein Bergmassiv abgeteuft werden.
[00032] Dabei spielt der Winkel W eine wesentliche Rolle. Um so steiler die Rampe (d.h. die Längsachse) des Aussenschachts 10 steht, um so schneller erreicht man grosse Tiefen Tl. Mit zunehmendem Gefälle, d.h. mit zunehmendem Winkel W, werden jedoch die technischen Probleme grösser, da immer grossere Lasten in die Vertikale gehen. Um so kleiner der Winkel W wird, um so mehr Kräfte werden in den Untergrund U eingeleitet.
[00033] Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das Gefälle im Bereich des oberen Schachtendes geringer ist als im mittleren und im unteren Schachtbereich. D.h. der Winkel W ist in diesem Fall eine Funktion des Abstands zur Erdoberfläche. Dieses Prinzip lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00034] Folgende Tabelle zeigt anhand konkreter Zahlenwerte für eine Tiefe Tl = 4km eindrücklich den Unterschied zwischen den Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 2, wobei zwei Ausführungsformen nach Fig. 2 mit beispielhaften Winkeln W=45 Grad und W=60 Grad angegeben sind :
Figure imgf000010_0001
[00035] Vorzugsweise erreicht der Schacht bei allen Ausführungsformen eine Tiefe Tl, die grösser ist als 3,5km und die bis 15km betragen kann.
[00036] Dadurch, dass die Erfindung viele Seitenkanäle 30 aufweist, hat die gesamte Vorrichtung 100 eine deutlich grossere Wärmekopplung mit dem Untergrund U als herkömmliche Vorrichtungen 100. Dabei bestimmt die Länge und die Gesamtzahl der Seitenkanäle 30 das wirksame „Einzugsgebiet" der Vorrichtung 100. Insgesamt hat die Vorrichtung 100 eine effektiv wirksame Oberfläche zum Wärmeaustausch mit dem Untergrund U, die um einige Faktoren grösser ist als bei konventionellen Geothermieanlagen.
[00037] Bei sogenannten „enhanced geothermal Systems" (EGS) mit zwei oder mehreren Bohrungen von oben, wird der Energieertrag auf wenige Megawatt (MW) begrenzt, was auch dem Kirchhoff'schen Gesetz zuzuschreiben ist, das zu relativ raschen Abkühlungen der mit Wasser durchströmten Ritzen und künstlichen Kanäle im Untergrund U führt. Typischerweise kann beim EGS- Verfahren nur ein kleiner Bruchteil der unterirdischen Wärmeübertragungsfläche des erfindungsgemässen Verfahrens genutzt werden. Das Verhältnis liegt zwischen 1 : 100 und 1 : 1000, d.h. eine erfindungsgemässe Geothermievorrichtung 100 hat bei allen Ausführungsformen einen Kopplungsgrad oder eine effektive unterirdische Wärmeübertragungsfläche, der/die um einen Faktor 100 bis 1000 grösser ist.
[00038] Trotz des grosseren wirksamen „Einzugsgebiets" der erfindungsgemässen Geothermievorrichtungen 100, kommt es im Verlauf mehrerer Jahrzehnte zu einer Absenkung der Temperatur des Untergrunds U, da mehr Wärme entnommen wird als aus dem Erdinneren nachgeliefert wird.
[00039] Die Erfindung ermöglicht eine Regeneration des Wärmereservoirs indem entweder die entnommene Energiemenge pro Volumen des Untergrunds U entsprechend „klein" gehalten wird, oder indem weitere Schächte (z.B. ein Zweitschacht gemäss Fig. 9) mit Verzweigungen (Seitenkanälen 30) in einem Mindestabstand realisiert werden. Wenn die Temperatur des Gesteins in einem Bereich nach mehreren Jahrzehnten der Entnahme sinkt, dann kann eine andere Anlage, die in der Nähe liegt, zum Einsatz gebracht werden, bis sich die ursprüngliche Anlage wieder „erholt" hat. Um die Infrastrukturkosten und Investitionen klein zu halten, können sich zwei oder mehrere Schächte eine Kraftwerksvorrichtung 40 teilen, wie in Fig. 9 anhand eines schematischen Beispiels angedeutet. [00040] Vorzugsweise wird der Aussenschacht 10 aller Ausführungsformen vor Ort aus vorgefertigten Betonelementen zusammengesetzt oder erstellt. Ein Schachtsegment 50, das aus vier Betonelementen 50.1 - 50.4 aufgebaut ist, ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Ein solches Schachtsegment 50 kann auch aus drei, vier oder mehr als vier Betonelementen zusammengesetzt sein, wie aus dem Tunnelbau bekannt. In Fig. 5 ist ein Aussenschacht mit drei Betonelementen 50.1, 50.2 und 50.3 als schematisches Beispiel gezeigt. Der Innenschacht 20 kann auch aus drei, vier oder mehr als vier Betonelementen zusammengesetzt sein, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt. Vorzugsweise sind die axialen Verbindungen zwischen den einzelnen Betonelementen des Aussenschachts 10 gegenüber den axialen Verbindungen zwischen den einzelnen Betonelementen des Innenschachts 20 um einige Winkelgrade verdreht, wie in Fig. 5 zu erkennen ist.
[00041] Besonders bevorzugt ist der Einsatz von sogenannten Tübbinger Verschalungen (auch Tübbings genannt). Die Tübbinger Verschalungen lassen sich bei allen Ausführungsformen für den Aussenschacht 10 und/oder den Innenschacht 20 anwenden, wie in Fig. 5 beispielhaft gezeigt.
[00042] Die Betonelemente 50.1 - 50.4 sind vorzugsweise bei allen Ausführungsformen mit sogenannten axialen Feder/Nut-Verbindungen 51 versehen, wie in den Figuren 3, 4A und 5 schematisch angedeutet. Die Feder/Nut-Verbindungen 51 werden als axiale Verbindungen bezeichnet, da sie sich parallel zu der Rotationsachse R des Aussenschachts 10 in axialer Richtung erstrecken. Zwischen benachbarten (in Schachtrichtung betrachtet aufeinander folgende) Betonelementen 50.1 - 50.4 kommen vorzugsweise Feder/Nut- Verbindungen 52 zum Einsatz, die auch als radiale Feder/Nut-Verbindungen 52 bezeichnet werden. Diese radialen Feder/Nut-Verbindungen 52 sind in den Zeichnungen nicht im Detail dargestellt. Entsprechende Feder/Nut-Verbindungen 51, 52 sind von Tübbinger Verschalungen bekannt.
[00043] Bei allen Ausführungsformen kommt vorzugsweise ein Beton zum Einsatz, der durch die Zugabe von Polymeranteilen und/oder Zellglas (zur Erhöhung der Wärmedämmeigenschaft) besonders ausgestattet ist. Durch das Hinzufügen von Polymer und/oder Zellglas sind die Betonelemente 50.1 - 50.4 und somit auch der Aussenschacht 10 und/oder Innenschacht 20 dicht und wärmedämmend. Um die Dichtigkeit und/oder Wärmedämmung zu verbessern, wird vorzugsweise bei allen Ausführungsformen Dichtmasse im Bereich der Feder/Nut-Verbindungen 51 und/oder 52 eingesetzt.
[00044] Ganz besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen nach dem Anbau mehrerer Betonelemente 50.1 - 50.4 die Innenfläche mit einer Kunststoffschicht oder Kunststoffbahn versehen wird. Diese Kunststoffschicht oder Kunststoffbahn ist so ausgelegt, dass sie eine Innenhaut im Aussenschacht 10 oder eine Innenhaut im Innenschacht 20, oder eine Aussenhaut am Innenschacht 20 bildet, die je eine zusätzliche dichtende Wirkung hat. Dieser Ansatz lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00045] Ganz besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die erwähnte Kunststoffschicht mit zusätzlichen Armierungen (z.B. Kohle-Kevelar- Armierungen) versehen ist, um dem Aussenschacht 10 zusätzliche Stabilität zu verleihen, um so den Gesteinsdruck besser abfangen und ableiten zu können. Dieser Ansatz lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00046] Bei allen Ausführungsformen kommen vorzugsweise Anker 53 zum Einsatz, um die Betonelemente 50.1 - 50.4 nach aussen im Untergrund U zu verankern. In Fig. 4A und 4B ist ein beispielhafter Anker 53 gezeigt, der sich hier radial nach aussen erstreckt. Der Einsatz solcher Anker 53 hat den Vorteil, dass das Gewicht der einzelnen Betonelemente 50.1 - 50.4 zum Grossteil im umgebenden Gestein (Untergrund U) abgefangen werden kann. Durch diese Massnahme kann verhindert werden, dass die axialen Feder/Nut-Verbindungen 51 zu stark durch Scherkräfte und die radialen Feder/Nut-Verbindungen 52 zu stark durch Druckkräfte belastet werden. Ausserdem kann dadurch verhindert werden, dass die Seitenkanäle 30 durch Scherkräfte belastet oder gar zerstört (abgeschert) werden.
[00047] Bei allen Ausführungsformen kommen vorzugsweise zur Abdichtung von Fugen Dichtungsbänder, -ringe oder -hüllen zum Einsatz. [00048] Bei allen Ausführungsformen können Materialien als Gussmasse, Klebstoffe, Dichtmasse, Dichtfolien, Dichtschichten, Überzüge, Betonzusätze eingesetzt werden, die hochtemperaturfest und druckfest sind. Besonders geeignet sind Materialien auf
- Epoxid-Harzbasis, und/oder
- Keramikbasis, und/oder
- Metallbasis, und/oder
- Metalloxidbasis (z.B. AI2O3, ZrO2, SiO2) , und/oder
- Graphitbasis.
[00049] Beim Abteufen des (Haupt- )Tunnels der Geothermievorrichtung 100, kommen vorzugsweise mehrere mobile Einheiten 60 und/oder 70 und/oder 80 zum Einsatz, wobei jede der mobilen Einheiten 60,70, 80 für andere Aufgaben einsetzbar ist.
[00050] In Fig. 2 ist das Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Fig. 2 zeigt den Zustand während des Baus der Vorrichtung 100. Während eine erste mobile Einheit 60 mit einem Bohrkopf 61 den Tunnel voran treibt, folgt eine zweite mobile Einheit 70 nach. Diese zweite mobile Einheit 70 kann z.B. Fahrbahnen und/oder -schienen 90 und/oder Kontaktbahnen 92 verlegen, falls diese nicht bereits mit den Betonelementen 50.1 - 50.4 verlegt wurden oder integraler Bestandteil der Betonelemente 50.1 - 50.4 sind. Vorzugsweise sind diese Fahrbahnen und/oder -schienen 90 und/oder Kontaktbahnen 92 ein fester (integraler) Bestandteil der Betonelemente 50.1 - 50.4. Eine dritte mobile Einheit 80 kann als Bohr- und/oder Gesteinsschmelzrobotor und/oder thermisch arbeitender Fragmentationsrobotor ausgelegt sein, um die Seitenkanäle 30 durch Bohren und/oder Aufschmelzen und/oder thermische Fragmentation des Gesteins anzulegen.
[00051] Bei allen Ausführungsformen kann ein Gesteinsschmelzverfahren eingesetzt werden, das auf dem bekannten LITHO-JET Prinzip und/oder einem Verfahren der ETH Zürich beruht, dass von Prof. Philipp Rudolf von Rohr entwickelt wurde. Details zum LITHO-JET Prinzip sind z.B. dem Europäischen Patent EP 0327598 Bl des Erfinders Werner Foppe, mit Titel „FUSION-DRILLING PROCESS" oder der internationalen Anmeldung mit der Publikationsnummer WO 88/05491 zu entnehmen.
[00052] Während einzelner Bearbeitungsschritte kann sich die entsprechende mobile Einheit 60 und/oder 70 und/oder 80 bei allen Ausführungsformen seitlich gegenüber der Tunnelwand oder gegenüber den Betonelementen 50.1 - 50.4 als Widerlager abstützen oder verkeilen, wie aus dem Tunnelbau bekannt, um einen besseren Vortrieb zu ermöglichen oder um eine stabile Position halten zu können. Aufgrund des starken Gefälles des Aussenschachts 10 kann aber in den meisten Fällen auf ein solches Widerlager verzichtet werden, da das Eigengewicht z.B. der mobilen Einheit 60 den Bohrkopf 61 mit ausreichendem Druck gegen die Stirnwand des Tunnels drückt.
[00053] Bei allen Ausführungsformen befinden sich gemäss Erfindung im ausgebauten Zustand im Bereich der Strosse (unterer Teil des Tunnelquerschnitts) Führungsbahnen und/oder -schienen 90, wie in Fig. 4A angedeutet. Diese Führungsbahnen und/oder -schienen 90 dienen während dem Bau oder nach der Fertigstellung als Führung oder Fahrbahn z.B. für die mobilen Einheiten 70 oder 80. In Fig. 4A ist eine mobile Einheit 80 in einer speziellen Ausführungsform gezeigt, bei der Reifen oder (Stahl-)Räder 81 zum Einsatz kommen. Diese Reifen oder (Stahl-)Räder 81 rollen entlang von Führungsbahnen und/oder -schienen 90, wie in Fig. 4A gezeigt. Aufgrund der hohen Temperaturen ist es von Vorteil Stahlräder oder stahlbewehrte Reifen 81 einzusetzen.
[00054] Um grosse Steigungen im Aussenschacht 10 überwinden zu können, kommt bei allen Ausführungsformen eine Kombination aus mindestens einer Zahnstange 91 und mindestens einem verzahnten Treibrad 82 zum Einsatz, wie in Fig. 4A in schematischer Form anhand eines Beispiels gezeigt. Die Zahnstange 91 bildet mit dem verzahnten Treibrad 82 einen Zahnradantrieb.
[00055] Es können verschiedenste Formen von solchen Zahnradantrieben eingesetzt werden. Besonders geeignet sind Zahnradantriebe mit Einzelzahnstange, Doppelzahnstange, mit versetzten Zahnstangen, mit Leiterzahnstangen usw. Das verzahnte Treibrad 82 ist jeweils so komplementär ausgeführt, dass es sicher in die eingesetzte Zahnstange 91 eingreift. Jede der Ausführungsformen kann mit einem solchen Zahnradantrieb ausgestattet sein.
[00056] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen Materialien für die Elemente des Zahnradantriebs verwendet, die auch bei den hohen Temperaturen die notwendige Festigkeit garantieren. Besonders geeignet sind Speziallegierungen und/oder Materialien, die ohne Schmierung auskommen, oder die selbstschmierend sind.
[00057] Der Zahnradantrieb kann separat von den Führungsbahnen und/oder -schienen 90 angeordnet sein (siehe z.B. Fig. 4A), oder der Zahnradantrieb kann in die Führungsbahnen und/oder -schienen 90 integriert sein. Bei einer besonders bevorzugten Variante sind die beiden seitlichen Führungsschienen 90 als Zahnstangen ausgebildet und die mobile Einheit (z.B. die Einheit 80) weist mindestens zwei Treibräder 82 (anstatt der Reifen/Räder 81 oder zusätzlich zu den Reifen/Rädern 81) auf.
[00058] Bei allen Ausführungsformen kann entweder mindestens eine selbstangetriebene (im Sinne von autark) mobile Einheit (z.B. die Einheit 80) oder mindestens eine mit einem (Stahl-)Zugseil angetriebene mobile Einheit (z.B. die Einheit 80) zum Einsatz kommen. Um grossere Distanzen autark zurück legen zu können, wird jedoch eine selbstangetriebene mobile Einheit (z.B. die Einheit 80) bevorzugt. Vorzugsweise erfolgt in diesem Fall die Stromzufuhr über geschützte Kontaktbahnen 92. Diese Kontaktbahnen 92 können, wie in Fig. 4A schematisch angedeutet, im Bereich der Strosse angeordnet sein. Die beiden Kontaktbahnen 92, die bei einem 2-phasigen Versorgungssystem erforderlich sind, sind dabei vorzugsweise so im Inneren eines Profils 93 oder einer Schiene platziert, dass keine Gefahr des Elektrisierens bei versehentlichem Berühren besteht.
[00059] Bei allen Ausführungsformen kann die Fahrbahn stufenartig ausgeführt sein, um die Kräfte, die ansonsten z.B. die mobilen Einheiten 60, 70, 80 nach unten ziehen, besser abfangen zu können. In Fig. 8 ist dieses Prinzip schematisch veranschaulicht. In dem Aussenschacht 10 (und/oder im Innenschacht 20) können entsprechende (Beton-)Stufen 94 vorgesehen sein. Die mobilen Einheiten 60 und/oder 70 und/oder 80 sind in diesem Fall als „Stufenläufer" ausgelegt. Bei einer Ausführungsform nach Fig. 8 kommt vorzugsweise trotzdem ein Zahnradantrieb zum Einsatz.
[00060] Bei Ausführungsformen, die mit einem (Stahl-)Zugseil eine mobile Einheit (z.B. die Einheit 80) bewegen, kann trotzdem ein entsprechendes Versorgungssystem eingesetzt werden, um zum Beispiel stromverbrauchende Systeme und Motoren antreiben zu können.
[00061] Der Durchmesser des Aussenschachts beträgt bei allen Ausführungsformen zwischen 2 und 15m. Besonders bevorzugt sind Tunnel, die einen runden Querschnitt aufweisen und die mit einem rotierenden Bohrkopf 61 ausgehöhlt wurden. Der Tunnel kann aber auch eine andere Querschnittsform haben, die z.B. mit Sprengungen und/oder Bohrhämmern und/oder Fräsen und/oder Gesteinsschmelzen heraus gearbeitet wurde.
[00062] Bei allen Ausführungsformen werden vorzugsweise Hohlräume zwischen den Betonelementen 50.1 - 50.4 und dem umgebenden Gestein (Untergrund U) mit einer Verfüllmasse 11 ausgefüllt. Dadurch können einerseits die Betonelemente 50.1 - 50.4 besser nach aussen verankert werden. Andererseits kann bei geeigneter Wahl der Materialeigenschaften der Verfüllmasse 11 erreicht werden, dass der Druck des umgebenden Gesteins gleichmässiger auf die Aussenseite der Betonelemente 50.1 - 50.4 verteilt wird.
[00063] Bei allen Ausführungsformen werden vorzugsweise Betonelemente 50.1 - 50.4 eingesetzt, deren Aussenseite mit Vertiefungen versehen ist. Beim Verfüllen mit einer Verfüllmasse 11 werden somit die Betonelemente 50.1 - 50.4 noch besser mit dem umgebenden Gestein verankert. Bei einer solchen Ausführungsform brauchen keine Anker 53 eingesetzt zu werden. Es können zur Sicherheit aber trotzdem Anker 53 eingesetzt werden.
[00064] Bei allen Ausführungsformen können im Bereich der Strosse Versorgungs- und Entsorgungsleitungen und Systeme verlegt werden. [00065] Gemäss Erfindung bilden der Aussenschacht 10 und der Innenschacht 20 ein serielles oder paralleles System für die Zufuhr und Abfuhr eines Wärmetransportmediums (hier kurz als Medium M bezeichnet). Insgesamt ist das System, respektive der Kreislauf geschlossen, so dass kein Medium M in den Untergrund U austritt. Durch die Geothermievorrichtung 100 wird Wärmeenergie aus dem Untergrund U an das Medium M übertragen und durch das Medium M* in Richtung Erdoberfläche bewegt oder gefördert.
[00066] Bei allen Ausführungsformen wird vorzugsweise Wasser im Primärkreislauf eingesetzt. Bei allen Ausführungsformen kann Wasser oder ein wasser-basiertes Medium als Wärmetransportmedium im Sekundärkreislauf (z.B. im Kreislauf 44, 44.1, 44.2) eingesetzt werden. Besonders geeignete wasserbasierte Medien sind Ammoniak-Wasser-Gemische oder Cθ2-Wasser-Gemische. Es können aber auch organische Medien (z.B. leichtflüchtige Alkohole oder Kohlenwasserstoffe) eingesetzt werden.
[00067] Bei allen Ausführungsformen wird eine Bauart des Rückführschachts 10 oder 20 bevorzugt, die im oberen Bereich eine besonders gute Wärmeisolation gegenüber dem Untergrund U bietet. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad der Vorrichtung 100, da weniger Wärmeverluste beim Aufwärtsbewegen des Mediums M* im Rückführschacht 10 oder 20 auftreten. Eine solche Wärmeisolation ist vorzugsweise mindestens im oberen Drittel oder der oberen Hälfte des Rückführschachts 10 oder 20 vorgesehen, da dieser Abschnitt des Aussenschachts 10 durch Untergrund U verläuft, der deutlich kälter ist als in grosseren Schachttiefen. Bevorzugt sind bei allen Ausführungsformen Betonsorten und/oder Kompositbauweisen (Schichtbauweise), die eine effektive Wärmeleitfähigkeit λ aufweisen, die kleiner ist als 0,1 W/(m K) und vorzugsweise kleiner als 0,03 W/(m K) ist.
[00068] Besonders bei der schrägen Tunnelbauweise (z.B. gemäss Fig. 2 und 9) sind die Drucklasten auf den einzelnen Betonelementen 50.1 - 50.4 über die gesamte Schachtlänge mehr oder weniger gleich, da ein Teil der auftretenden Kräfte (direkt und/oder über Anker 53) in den Untergrund U abgeleitet werden. Dies erlaubt es Betonelemente 50.1 - 50.4 einzusetzen, die aus Spezialbeton und/oder Kompositwerkstoffen aufgebaut sind, um eine niedrige effektive Wärmeleitfähigkeit λ zu erzielen.
[00069] Besonders bevorzugt sind Bauweisen des Aussenschachts 10, bei denen eine innenliegende Isolationsschicht aus einem Material mit sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit λ vorgesehen ist. Dieser Ansatz lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00070] Bei allen Ausführungsformen wird eine Bauart des Innenschachts 20 bevorzugt, die eine gute Wärmeisolation gegenüber dem Aussenschacht 10, respektive dem Medium M bietet, um den Zuführbereich thermisch von dem Rückführbereich zu entkoppeln. Vorzugsweise ist der Innenschacht 20 daher (innen und aussen) gedämmt.
[00071] In Fig. 4A und 4B sind Beispiele einer bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Fig. 4A zeigt den Zustand während des Baus der Vorrichtung 100. In Fig. 4B ist der Endzustand in vereinfachter schematischer Form gezeigt.
[00072] Bei allen Ausführungsform kann durch den bis zum Vortriebsmechanismus (mobile Einheit 60) nachgeführten inneren Schacht 20 oder durch einen temporären Luftkanal Aussenluft zugeführt werden, um die Kühlung des Arbeitsbereichs zu gewährleisten. Die Luftabfuhr geschieht vorzugsweise durch den äusseren Ringschacht (ringförmiger Zwischenraum 12) und dient auch der Abführung von eventuell eindringenden Gasen. Vorzugsweise werden Gase, die so nach oben gelangen, gefiltert oder abgetrennt. So können z.B. natürliche Gase (z.B. Methangase) aufgefangen und verwertet werden.
[00073] Vorzugsweise werden bei allen Ausführungsformen eindringende Flüssigkeiten (geologisches Wasser oder Mineralöle aus Sedimentschichten des Untergrunds U) durch geeignete (Sumpf-) Pumpen direkt oder in Kaskaden über Zwischenbehälter nach oben befördert.
[00074] Vorzugsweise werden bei allen Ausführungsformen die Seitenkanäle 30 in Form von Rohren 32 (auch Aussenrohre genannt) in den Untergrund U verlegt, um den gesamten Kreislauf des Mediums M geschlossen zu halten. In Fig. 6A ist ein entsprechendes Beispiel in schematischer Form gezeigt. Das Medium M gelangt im Innenschacht 20 nach unten, d.h. der Innenschacht 20 dient hier als Zuführschacht. Im (ringförmigen) Bereich 12 zwischen dem Innenschacht 20 und dem Aussenschacht 10 gelangt der erhitzte Medium M* nach oben. Der ringförmige Zwischenraum 12 dient hier also als Rückführschacht. Die Seitenkanallänge L3 kann bis zu 3km betragen.
[00075] Fig. 6B zeigt einen ähnlichen Ansatz, wobei das innenliegenden Rohr
31 das Medium M* zurück führt.
[00076] Der Kopplungsbereich, der im Bereich der Seitenkanäle 30 für einen Übergang zwischen dem Rückführschacht und dem Zuführschacht sorgt, kann z.B. so ausgeführt sein, dass das extremale Ende des innenliegenden Rohrs 31 offen ist, wie in Fig. 6A angedeutet. Es ist aber auch (oder zusätzlich) möglich das innenliegende Rohr 31 am extremalen Ende porös auszuführen oder mit Löchern zu versehen, wie in Fig. 6B angedeutet. Diese Varianten lassen sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00077] Anstatt die Seitenkanäle 30 durch das Einbringen von Aussenrohren
32 gegenüber dem Untergrund U druckdicht zu „entkoppeln", kann ein Verfahren eingesetzt werden, das durch das Aufschmelzen oder Verglasen von Gestein eine dichte Hülle schafft. Entweder wird ein Seitenkanal 30 erst vom Schacht 10 aus gebohrt und dann mit einer dichten Schicht (z.B. einer Glas- und/oder Keramikschicht) abgedichtet, oder das mechanische Bohren wird durch ein In- Situ-Schmelzverfahren ersetzt. Bei diesem Schmelzverfahren wird das Gestein mit ausreichender Hitze zum Schmelzen gebracht. Bei diesem Prozess bildet sich eine sehr stabile und dichte Wandung aus einer Glas- und/oder Keramikschicht, je nach Beschaffenheit der Gesteinsformation. Im Ergebnis liefert auch dieses Verfahren, oder eine Kombination aus Bohr- und Schmelzverfahren ein dichtes, geschlossenes System, bei dem kein Medium in den Untergrund U gelangt. Alternativ oder zusätzlich können die Seitenkanäle 30 auch innen beschichtet werden.
[00078] Sowohl beim Bau, als auch beim späteren Betrieb der Vorrichtung 100 können Sedimente, Auswaschungen und andere Materialien (hier als Ballaststoffe bezeichnet) in das Medium M gelangen. Unter anderem können die folgenden Ballaststoffe auftreten: Silikate, silikatische Säuren, Metall-Hydrixode, Tonmaterialien, Feldspat, Kaoline, Carbonate, Mineralien, Metalle und Metalloxide und -ionen. Diese Ballaststoffe werden durch das aufsteigende Medium M* zum Grossteil mit nach oben bewegt. Daher werden Ausführungsformen der Vorrichtung 100 bevorzugt, die im Bereich vor der Kraftwerksvorrichtung 40, vorzugsweise dort vor einem ersten Wärmetauscher, eine Vorrichtung 90 zum Abtrennen von Ballaststoffen aufweisen. Dieser Ansatz lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00079] Beim Erstellen der Seitenkanäle 30 (durch Bohren und/oder Schmelzen) aber auch im Dauerbetrieb entstehen Abraum, Auswaschungen oder Rückstände. Dadurch können die Seitenkanäle 30 verstopft oder zugesetzt werden. Um das zu vermeiden, werden die Seitenkanäle 30 vorzugsweise bei allen Ausführungsformen so angelegt, dass sie eine leichte Steigung (zwischen 1 und 5 Grad gegenüber der Horizontalen) gegenüber dem Ansatzpunkt am Aussenschacht 10 haben. Durch das entsprechende leichte Gefälle im Inneren der Seitenkanäle 30 ergibt sich somit ein Selbstreinigungseffekt, da sämtlicher Abraum, Auswaschungen oder Rückstände automatisch dem Prinzip der Schwerkraft folgend in den Aussen- oder Innenschacht 10, 20 gelangen.
[00080] Besonders bewährt haben sich Elektrophoreseanlagen zum Abscheiden der Ballaststoffe, Filter, die dazu ausgelegt sind, um Silikate und andere Bestandteile heraus zu filtern, und stationäre Zyklone zum Abtrennen mittels Zentrifugalkraft. Die Vorrichtung 90 kann bei allen Ausführungsformen auch eine Kombination der genannten Anlagen umfassen.
[00081] Besonders bevorzugt sind bei allen Ausführungsformen stationäre Zyklone (als Zentrifugalabtrenner), die so ausgelegt sind, dass sie den hohen Temperaturen und den mechanischen Belastungen auf der Rückführseite stand halten. Vorzugsweise sind die Zyklone so ausgelegt und dimensioniert, dass das Medium M* so in einen Rotationsbewegung versetzt wird, dass an der Aussenwand des Zyklons keine oder nur geringe abrasive Kräfte auftreten. Um die Aussenwand des Zyklons zu schützen, kann eine Korrundbeschichtung oder eine andere Mineralbeschichtung und/oder Keramikbeschichtung (z.B. Siliziumcarbid) vorgesehen sein. Dieser Ansatz lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00082] Besonders bevorzugt sind Zyklone, die kaskadiert hintereinander geschaltet sind. Dieser Ansatz lässt sich auf alle Ausführungsformen anwenden.
[00083] Besonders bewährt haben sich auch Ausführungsformen, bei denen die Wärmetauscher so ausgelegt sind, dass sie gereinigt oder ausgewechselt werden können. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 100 daher redundante, umschaltbare Wärmetauscher, damit der Betrieb weiter laufen kann, während ein Wärmetauscher revidiert wird.
[00084] Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das überhitzte Medium M*, das durch den Rückführschacht nach oben zur Kraftwerksvorrichtung 40 gelangt, in einen Kreislaufzyklus (Single Flash), in zwei Kreislaufzyklen (double Flash) oder in drei Kreislaufzyklen (tripple Flash) geführt wird.
[00085] In der Kraftwerksvorrichtung 40 kommen, je nach Ausführungsform, ein, zwei oder drei Wärmekreisläufe zum Einsatz. Jeder Wärmekreislauf kann ein eigenes Wärmetransportmedium einsetzen, das speziell für den gegebenen Temperaturbereich optimiert wurde. Durch Auswahl der geeigneten Materialien (Medien) kann eine optimale Anpassung an die thermodynamischen Eigenschaften der jeweiligen Wärmequelle vorgenommen werden. Alle diese Massnahmen dienen einer Verbesserung des Wirkungsgrades.
[00086] In Fig. 7 sind Details einer Kraftwerksvorrichtung 40 gezeigt, die bei allen Ausführungsformen zum Einsatz kommen kann. Diese Kraftwerksvorrichtung 40 umfasst einen ersten Wärmetauscher 41, der mit dem Medium M* betrieben wird, das aus dem Rückführschacht (hier über den Bereich 12 zwischen Aussenschacht 10 und Innenschacht 20) zugeführt wird. Das Medium M* hat hier eine Temperatur, die zwischen 2000C und ca. 4500C liegen kann. Der Druck beträgt hier z.B. zwischen 50 und 250 bar. Am tiefsten Punkt des Schachts kann der Maximaldruck des Mediums M ca. 1000 bar betragen und die Temperatur erreicht hier bis ca. 4500C erreichen. [00087] In dem ersten Wärmetauscher 41 überträgt das Medium M* Wärmeenergie an das erste Medium Ml des 1. Kreislaufs. Das Medium M* wird dabei entspannt und abgekühlt. Das Medium M wird nach dem Durchlaufen des ersten Wärmetauschers 41 in den Zuführschacht (hier der Innenschacht 20) geführt und gelangt durch diesen Schacht 20 wieder nach unten. Nach dem Durchlaufen des ersten Wärmetauschers 41 hat das Medium M ungefähr eine Temperatur von 30 bis 600C. Das Medium Ml des 1. Kreislaufs baut einen hohen Dampfdruck auf und treibt über eine Dampfdruckleitung 42.1 eine Dampfturbine 42 an. Ein Ammoniak-Wasser-Gemisch kann z.B. als Medium Ml dienen. Diese Dampfturbine 42 kann mechanisch z.B. mit einem Generator 43 gekoppelt sein, der Wechselspannung bereit stellt. Die Dampfturbine 42 kann mehrstufig ausgelegt oder mit einer Niederdruck-Dampfturbine kombiniert werden, um den höchstmöglichen Wirkungsgrad zu realisieren. Über eine Rückführleitung 42.2 wird der Dampf, nachdem er die Dampfturbine 42 angetrieben hat, in einen zweiten Wärmetauscher 44 geschickt. Vom zweiten Wärmetauscher 44 gelangt das erste Medium Ml wieder zurück in den ersten Wärmetauscher 41, wo es erneut Wärmeenergie des Mediums M* übernimmt. Der zweite Wärmetauscher 44 kann ein Medium (z.B. Wasserdampf) über eine Rohrleitung 44.1 in Richtung einer Fernwärmeeinrichtung abgeben. Eine Rückleitung 44.2 führt das Medium wieder von der Fernwärmeeinrichtung zurück. Die Kraftwerksvorrichtung 40 kann neben den gezeigten Anlagen und Elementen auch noch weitere Anlagen und Elemente umfassen, wie zum Beispiel :
Transformatoren zum Erzeugen von Hochspannung und/oder
Schaltwerke, und/oder
Filter zum Abscheiden der Ballaststoffe, und/oder
Elektrophoreseanlagen zum Abscheiden der Ballaststoffe, und/oder
Zyklone zum Abscheiden der Ballaststoffe.
[00088] Insgesamt ist der Aufbau der Vorrichtung 100 so, dass sich ein sicherer, kontrollierter, geschlossener Medium-Primärkreislauf für das Medium M ergibt, wobei einer der Schächte 10 oder 20 als Zuführschacht und der andere 20 oder 10 als Rückführschacht dienen.
[00089] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen auch im Innenschacht 20 eine Fahrbahn 95 (z.B. in Form von Schienen, Betonelementen, oder einer stufenförmigen Anordnung) und/oder Kontaktbahnen vorgesehen, damit im Innenschacht 20 eine weitere mobile Einheit fahren kann, die dazu ausgelegt ist eine strömungstechnische Verbindung zwischen den Seitenkanälen und dem Innenschacht 20 zu erstellen. In Fig. 4B sind solche Fahrbahnen 95 schematisch angedeutet.
[00090] Es ist auch möglich die Seitenkanäle 30 erst zu erstellen, wenn der Innenschacht 20 eingebracht/errichtet wurde.
[00091] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen vor dem Abteufen des Schachts eine Sondierungsbohrung vorgenommen, um tektonisch kritische Zonen und andere Aspekte prüfen zu können, bevor der Hauptschacht abgeteuft wird. Eine solche Sondierungsbohrung kann z.B. auch dazu verwendet werden, um Gas- oder Ölvorkommen zu detektieren und um diese gegebenenfalls abzapfen zu können.
[00092] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen der Innenschacht 20 überirdisch oder in einer Kaverne vorproduziert. Dann kann der Innenschacht 20 in dem Aussenschacht 10 konzentrisch herab gelassen werden. Beim Herablassen können optionale Gleitelemente oder Rollelement, die an der Aussenseite des Innenschachts 20 sitzen, entlang der Fahrbahn- oder schienen 90 des Aussenschachts 10 rutschen oder rollen. Bei einer entsprechenden Dimensionierung und Positionierung der Fahrbahnen oder Schienen 90 des Aussenschachts 10 kann durch diese die konzentrische Lagerung des Innenschachts 20 im Aussenschacht 10 vorgegeben werden. In Fig. 4B ist anhand eines Beispiels angedeutet, dass die Aussenwand des Innenschachts 20 auf den Fahrbahnen oder Schienen 90 des Aussenschachts 10 aufliegen.
[00093] Vorzugsweise kommen bei allen Ausführungsformen sogenannte Zwischenkavernen zum Einsatz, um Baumaterialien zwischen lagern zu können und um Pumpen für das kaskadierte Fördern von Wasser, Abraum usw. installieren zu können. Die Zwischenkavernen können auch als Aufenthaltsraum für Personal dienen. [00094] Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen das Medium M stets überwacht, um den pH-Wert in einem geeigneten Bereich halten zu können.
[00095] Im Folgenden werden einige Vorteile der Erfindung stichwortartig zusammen gefasst:
- Die Vorrichtung 100 produziert Wärme (z.B. Fernwärme) und/oder Strom;
- Die Vorrichtung 100 weist insgesamt niedrigere Nettokosten auf als jede andere Energiequelle;
- Die Vorrichtung 100 kann problemlos auch in der Nähe von urbanen Regionen errichtet und betrieben werden;
- Es ergeben sich geringere Energieübertragungsverluste und - kosten;
- Die Vorrichtung 100 ist quasi unsichtbar (z.B. wenn die Kraftwerksvorrichtung 40 unterirdisch angelegt wird);
- Die Vorrichtung 100 produziert keine Emissionen und auch keine Geräusche. Die Vorrichtung 100 stösst nämlich kein CO2, kein Schwefeldioxid und keine Stickstoffoxide aus;
- Keine Strahlungs- und andere Umweltrisiken;
- Keine Probleme mit schädlichen oder radioaktiven Abfällen;
- Die Laufzeiten sind sehr hoch;
- Die Vorrichtung 100 arbeitet langfristig rentabel;
- Nebenprodukte wie Silizium, Lithium, Salz und Trinkwasser können verwendet/ verwertet werden;
- Die Vorrichtung 100 kann in vorteilhafter Weise mit einer Meerwasserentsalzungsanlage kombiniert werden;
- Die Vorrichtung 100 kann neben existierenden Kraftwerke realisiert werden, um so die existierende Infrastruktur (z.B. Turbinen) nutzen zu können. Bezugszeichenliste:
Ausseπschacht / Rückführschacht oder -röhr 10
Ausseπschächte einer Doppelanlage 10.1, 10.2
Verfüllmasse 11
Ringförmiger Zwischenraum 12
Innenschacht / Zuführschacht oder -röhr 20
Innenschächte einer Doppelanlage 20.1, 20.2
Mediumzufuhr 21
Seitenkanäle 30
Seitenkanäle einer Doppelanlage 30.1, 30.2
Innenliegende Rohre 31
Aussenrohr 32
Kraftwerksvorrichtung 40
1. Wärmetauscher 41 Dampfdruckleitung 42.1 Rückführleitung 42.2 Dampfturbine 42 Generator 43
2. Wärmetauscher 44 Rohrleitung 44.1 Rückleitung 44.2
Schachtsegment 50
Betonelemente 50.1 - 50.4
Axiale Feder/Nut-Verbindungen 51
Radiale Feder/Nut-Verbindungen 52
Anker 53
1. mobile Einheit 60 Bohrkopf 61
2. mobile Einheit 70
3. mobile Einheit 80 Reifen oder Räder 81 Treibrad 82
Fahrbahn- oder schiene 90
Zahnstange 91
Kontaktbahnen 92
Profil 93
Stufen 94
Fahrbahn- oder schiene 95
Geothermievorrichtung 100 Abstand A
Breite Bl
Erste wirksame Schachtläπge Ll zweite wirksame Schachtlänge L2
Seitenkanallänge L3
Medium M
Wärmeres Medium M*
Medium des 1. Kreislaufs Ml
Rotationsachse R
Tiefe Tl
Untergrund U
Winkel W

Claims

Patentansprüche:
1. Geothermievorrichtung (100) mit
- einem Aussenschacht (10; 10.1, 10.2), der sich in den Untergrund (U) erstreckt,
- einem Innenschacht (20; 20.1, 20.2), der sich im Inneren des Aussenschachts (10; 10.1, 10.2) abwärts erstreckt, wobei der Innenschacht (20; 20.1, 20.2) an sich gegenüber dem Aussenschacht (10; 10.1, 10.2) isoliert ist, wobei ein erster der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) zum Führen von aufsteigendem warmem Medium (M) und/oder Dampf ausgelegt ist,
- mehreren Seitenkanälen (30), die sich, ausgehend von dem Aussenschacht (10; 10.1, 10.2), in den Untergrund (U) erstrecken, wobei die Seitenkanäle (30) als Kopplungsbereich zur lokalen strömungstechnischen Verbindung zwischen dem Innenschacht (20; 20.1, 20.2) und dem Aussenschacht (10; 10.1, 10.2) dienen,
- einer Mediumzufuhr (21), um in einem oberen Bereich eines zweiten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) das Medium (M) zuführen zu können, wobei der zweite der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) so ausgelegt ist, dass das Medium (M) in diesem Schacht (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) abwärts gelangt, und
- wobei mindestens einer der mehreren Seitenkanäle (30) ein Innenrohr (31) aufweist, o das in dem Seitenkanal (30) sitzt und von diesem umhüllt ist, o das an einem schachtnahen Ende strömungstechnisch mit dem
Medium im Inneren des zweiten der beiden Schächte (10; 10.1,
10.2; 20; 20.1, 20.2) in Verbindung steht, und o das an dem gegenüberliegenden, schachtfernen Ende als
Kopplungsbereich einen Übergang zwischen dem Innenrohr (31) und dem Seitenkanal (30) aufweist.
2. Geothermievorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopplungsbereich so ausgelegt ist, dass warmes Medium (M*) und/oder Dampf an dem schachtfernen Ende des Innenrohrs (31) von dem zweiten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) in den ersten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) rückführbar ist.
3. Geothermievorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftwerksvorrichtung (40) umfasst, die strömungstechnisch mit einem oberen Endbereich des Aussenschachts (10; 10.1, 10.2) oder des Innenschachts (20; 20.1, 20.2) in Verbindung steht, wobei die Kraftwerksvorrichtung (40) dazu ausgelegt ist in einem ersten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) aufsteigendes warmes Medium (M) und/oder Dampf weiter zu verarbeiten.
4. Geothermievorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenschacht (20; 20.1, 20.2) koaxial im Inneren des Aussenschachts (10; 10.1, 10.2) angeordnet ist.
5. Geothermievorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenschacht (10; 10.1, 10.2) ein Gefälle mit einem Winkel (W) zwischen 25 und 75 Grad aufweist.
6. Geothermievorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefälle eine Funktion des Abstandes von der Erdoberfläche ist.
7. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Form eines geschlossenen Medium/Dampfkreislaufs realisiert ist, bei dem kein Medium (M) oder Dampf auf direktem Wege aus dem Innenschacht (20; 20.1, 20.2) oder dem Aussenschacht (10; 10.1, 10.2) in den Untergrund (U) gelangt.
8. Geothermievorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Medium/Dampfkreislauf auch im Bereich der Kraftwerksvorrichtung (40) geschlossen ist.
9. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen geschlossenen Medium- Primärkreislauf aufweist, der sich von dem ersten der beiden Schächte (10;
10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) über die Seitenkanäle (30) und den zweiten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) erstreckt.
10. Geothermievorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Medium-Primärkreislauf einen Wärmetauscher (41) umfasst.
11. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Dampfturbinen-Kreislauf (44, 441., 44.2) mit Wärme-Kraftkopplung für Fernheizungen und/oder Treibhäuser und/oder Industrie aufweist.
12. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenschacht (10; 10.1, 10.2) eine maximale Tiefe (Tl) im Bereich zwischen 3 und 15 km hat.
13. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Grosse Anzahl von Seitenkanälen (30) umfasst, wobei jeder der Seitenkanäle (30) eine Seitenkanallänge (L3) zwischen 100m und 3km hat.
14. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkanäle (30) leicht nach oben geneigt sind und ihren tiefsten Punkt im Bereich des Aussenschachts (10; 10.1, 10.2) haben, wobei die Seitenkanäle (30) vorzugsweise einen Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen aufweisen, der zwischen 1 und 5 Grad beträgt.
15. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Seitenkanäle (30) ein Aussenrohr (32) und ein axial innen liegendes Rohr (31) umfasst.
16. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Seitenkanäle (30) eine aussen liegende undurchlässige Schicht und ein innen liegendes Rohr (31) umfasst.
17. Geothermievorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Anlage zur Meerwasserentsalzung kombiniert ist.
18. Verfahren zum Betreiben einer Geothermievorrichtung (100), die einen Aussenschacht (10; 10.1, 10.2) und einen konzentrisch im Inneren des Aussenschachts (10; 10.1, 10.2) positionierten Innenschacht (20; 20.1, 20.2) umfasst, wobei ein erster der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) als Zuführschacht und ein zweiter der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) als Rückführschacht dient, und wobei mindestens ein Seitenkanal (30) mit einer Kopplungszone eine strömungstechnische Verbindung zwischen dem ersten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) und dem zweiten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) bereit stellt, mit den folgenden Schritten:
- Einbringen eines flüssigen Mediums (M) in den ersten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2), wobei das Medium (M) durch diesen ersten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2) in eine Tiefe im Untergrund (U) gelangt, die grösser ist als 3km,
- Rückführen des Mediums (M*) durch den zweiten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2), nachdem es aus dem Untergrund (U) Wärmeenergie aufgenommen hat,
- Zuführen des rückgeführten Mediums (M*) einer Kraftwerksvorrichtung (40), um dem rückgeführten Medium (M*) Energie zu entziehen und das rückgeführte Medium (M*) dabei zu entspannen oder abzukühlen, und
- Bereitstellen des abgekühlten oder entspannten Mediums (M) für das erneute Einbringen in den ersten der beiden Schächte (10; 10.1, 10.2; 20; 20.1, 20.2).
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Nebenprodukte entnommen werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wärme in einer Anlage Kälte erzeugt wird.
21. Verwendung einer Geothermievorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Bereitstellen von Strom und/oder Wärme.
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