WO2013064162A1 - Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischen strom und ggf. wärme aus geothermischer energie oder erdwärme - Google Patents

Verfahren und anlage zur erzeugung von elektrischen strom und ggf. wärme aus geothermischer energie oder erdwärme Download PDF

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WO2013064162A1
WO2013064162A1 PCT/EP2011/005538 EP2011005538W WO2013064162A1 WO 2013064162 A1 WO2013064162 A1 WO 2013064162A1 EP 2011005538 W EP2011005538 W EP 2011005538W WO 2013064162 A1 WO2013064162 A1 WO 2013064162A1
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downpipe
riser
borehole
pipe
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PCT/EP2011/005538
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Joergen BARTZ
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Bartz Joergen
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • 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

  • the invention relates to a method and a system for
  • geothermal energy geothermal energy or geothermal energy.
  • geothermal power plants Equipment for the production of electricity and heat from geothermal or geothermal energy, which are also referred to as geothermal power plants, are known. Such as in Wikipedia under the keyword “geothermal energy” in the chapter
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • pentane which vaporizes at relatively low temperatures, with the steam driven by a turbine driving the generator, allows the use of temperatures as high as 80 ° C for power generation.
  • Another alternative to the ORC process is the Kaiina process, which uses a dual-substance mixture of ammonia and water as the working medium. In these systems, however, water is always heated at a greater depth by the geothermal energy or geothermal and then used on the surface to heat in a second cycle, the organic medium or binary mixture, to ' evaporate and circulate through the turbine. However, this results in significant power losses.
  • pentane is highly flammable and ammonia is toxic, so that very elaborate safety precautions are required.
  • the present invention seeks to improve a method and a system for generating electricity and heat from geothermal energy or geothermal heat of the type mentioned in that the
  • Refrigerant contains suitable organic compound or consists of one or more such compounds, so that it is referred to simply as refrigerant in the following, circulated by a drilled hole in the ground and
  • the working medium is passed in liquid form into the borehole.
  • Within the borehole becomes the liquid
  • Working medium expediently passed through a central downpipe inserted into the well pipe string to the lower end of the borehole and there in a downpipe surrounding, communicating with the downpipe riser pipe string, where it is heated by the geothermal energy or geothermal energy and evaporated.
  • the invention is based on the idea of using a working medium instead of water, which has a lower boiling point as water possesses, so that after leaving the
  • the circulation can be supported by a pump or a compressor.
  • the object is achieved in that the working medium contains at least one suitable as a refrigerant organic compound or consists of one or more such compounds and that the circuit arranged within the well, flowed through by the working fluid pipe string with a central downpipe and the Includes downpipe surrounding, communicating at the lower end of the borehole with the downpipe riser, so that the liquid working fluid after exiting into the surrounding
  • organic medium which is used as a refrigerant in
  • Refrigeration systems can be used, that is, suitable as a refrigerant organic compound with one or more
  • Carbon atoms The term is not meant to be a
  • Such organic compounds suitable as refrigerants preferably comprise partially fluorinated hydrocarbons (HFCs or HFCs) which have no ozone depletion potential and expediently low global warming potential, are non-flammable, non-explosive and non-toxic and have a high specificity
  • Circulation through the wellbore uses a refrigerant which is liquid at ambient pressure and ambient temperature so that cooling to sub-ambient temperatures is dispensable prior to feeding the working fluid into the wellbore.
  • Boiling point can be adjusted to a desired value by using as a working medium a mixture of different
  • Refrigerants is used.
  • the depth of the borehole is expediently more than 50 meters, preferably several hundred meters and in Germany more than 1000 meters, the lower end of the borehole is always located at a depth in which the temperature of the
  • the downpipe is preferred as
  • Heat insulating tube formed at its lower end or at the lower end of the borehole by at least one
  • the riser prefers a lower heat conductivity upper portion formed as a heat insulating tube and a lower heat conductivity lower portion extending from the lower end of the well to the lower end of the upper portion.
  • the working fluid flowing through the discharge port heats up to above its boiling temperature.
  • the opening section of the outflow opening or openings is expediently smaller than or equal to the flow cross section of the downpipe, so that the evaporation of the working medium always takes place in the flow direction behind the outflow opening in the riser and no vaporized working medium can enter the downpipe.
  • the riser pipe it is possible for the riser pipe to be formed by a casing cemented into the borehole, which surrounds the downpipe and is separated from the downpipe by an annular gap.
  • the cemented tubing includes an upper portion of low thermal conductivity and a lower portion of high thermal conductivity between the upper portion and the lower end of the borehole.
  • the riser is preferred as a separate tube between the
  • thermo conductivity can be achieved by at least partially reflecting surfaces of the vacuum tubes facing the interior and / or by coating the surfaces of the downpipe and / or riser in contact with the working medium with a material of low thermal conductivity when the hollow heat insulating pipes are made of light metal, which itself has a good thermal conductivity.
  • a ' Coating used by the same time the pipe friction of the flowing working medium is reduced.
  • the lower portion of the riser is preferably made of solid light metal, which has a good thermal conductivity, a high heat capacity and a relatively low specific
  • Pipeline into the well can also be reduced.
  • the wellbore is preferably partially filled with a fluid prior to draining the pipe string into which the Lower end of the tubing dips when draining. In this way, the buoyancy of the lower end of the empty tubing dipping into the fluid provides an additional reduction in hook load.
  • a fluid a flowable thermal paste can be used, or a heat transfer fluid having a high thermal conductivity and a high heat capacity, such as
  • the riser can be provided on its outside with a corrosion protection coating.
  • the amount of fluid filled into the borehole is preferably selected so that after draining the tubing string into the wellbore, the lower portion of the high thermal conductivity tubing is completely immersed in the fluid so as to better transfer the heat from the environment of the wellbore through the annular gap in the lower section of the riser to provide.
  • the annular gap between the upper portion of the riser and the casing may be filled either with the fluid or alternatively with air or other gas, either
  • the fluid in the annular gap will be heated by convection currents, whereby cooling of the coolant in the upper section of the riser is counteracted, so that it may be possible to dispense with double-walling the upper section of the riser.
  • the gas ensures a better insulation of the upper portion of the riser
  • the annular gap is suitably closed at the upper end of the borehole in order to prevent the escape of heat from the annular gap into the atmosphere.
  • a heat-insulating and gas-tight closure is provided, so that a possible leakage of gaseous working medium from the tubing string into the interior of the annular gap can be detected.
  • the downcomer and the riser each consist of a plurality of gas-tight interconnected pieces of pipe, which are suitably bolted together, the joints or screw joints of the adjacent pipe sections of the riser pipe and the downpipe are offset in the direction of the longitudinal axis of the borehole against each other, so that when lowering the Pipe string can be alternately mounted at the upper end of the same.
  • Heat exchanger cooled and condensed to supply it in liquid form back into the well.
  • the heated and vaporized working fluid is supplied after exiting the wellbore in a heat exchanger in which it gives off its heat to another working medium.
  • the further working medium expediently contains a suitable compound as a refrigerant and is heated in the heat exchanger and evaporated before it is fed into the expansion machine and there relaxed by performing work.
  • the further working medium can be passed through a heat exchanger in which it gives off a portion of its residual heat to a district heating network, before the working fluid is liquefied in a condenser again.
  • a reciprocating machine is preferably used which is supplied with the high pressure vaporized working fluid to relax within the cylinders and move the pistons up and down in the cylinders.
  • an adjustable throttle is expediently arranged between the riser and the expansion machine.
  • FIG. 1 is a schematic view of a system according to the invention for the production of electric power and heat from
  • Fig. 2 is an enlarged detailed longitudinal sectional view of the detail II in Fig. 1;
  • Fig. 3 is an enlarged cross-sectional view taken along the line III-III of Fig. 2;
  • Fig. 4 is an enlarged cross-sectional view taken along the line
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view taken along the line
  • Fig. 6 is an enlarged cross-sectional view taken along the line
  • Fig. 7 is an enlarged cross-sectional view taken along the line
  • Fig. 8 is an enlarged cross-sectional view taken along the line VIII-VIII of Fig. 2;
  • Fig. 9 is an enlarged cross-sectional view taken along the line IX-IX of Fig. 2.
  • Fig. 10 is a schematic view corresponding to Fig. 1, but of a system with two circuits.
  • the plants 10 shown in the drawing for the production of electricity and heat from geothermal energy or Geothermal heat includes a borehole 12 drilled into the earth and at least one circuit 14 for a working medium.
  • the wellbore 12 has a depth of about 3800 m or slightly more so that the surrounding rock at the wellbore foot 16, i. the lower end of the wellbore 12, a temperature of about 115 ° C has.
  • the depth of the borehole 12 is matched to the working medium such that it is in the vapor state at the temperature and pressure conditions prevailing at the borehole root 16.
  • the borehole 12 has an inner diameter extending from the wellhead 18, i. from the upper end of the wellbore 12, tapers downwardly to step-like, for example, from an inner diameter of 17 1/2 "below the wellhead 18 (FIG. 4) to an inner diameter of 6 1/2" above the wellbore foot 16 (FIG. 9).
  • the borehole 12 is provided with a casing 20.
  • Casing 20 consists of a plurality of down to step tapered pipe runs 22, 24, 26, 28, whose outer diameter is each slightly smaller than the outer diameter of the borehole 12 in the corresponding depth.
  • Each tube tour 22, 24, 26, 28 includes a plurality of gas-tight screwed liner pipes, which are suspended in the overlying tube tour and after
  • Fig. 1 circuit 14 for the working medium comprises a disposed within the borehole 12
  • a first heat exchanger 42 which is connected by a second line section 44 of the circulation line 40 with the expansion machine 36 and by a third line section 46 of the circulation line 38 and a capacitor 47 to the upper end of the drop tube 32.
  • a generator 50 for generating electricity expansion machine 36 is a gas expansion engine in the form of a piston engine with a
  • a speed controller 52 in the form of an adjustable throttle in the first line section 38, with which from the riser 34 for
  • Expansion machine 36 supplied flow of the
  • Working medium can be adjusted by throttling.
  • the heat exchanger 42 is connected by a first line section 54 of a bypass line 56 to a reservoir 58 into which a portion of the working medium from the heat exchanger 42 can be supplied to the intermediate storage to the stored working medium if necessary by a second and third
  • the electrical current generated by the generator 50 during operation of the system is fed via a transformer 66 into a high-voltage network. From the heat exchanger 42 and the heat storage 58th Excess heat can be dissipated to a district heating network 68.
  • the circuit 14 is a plurality of
  • Holes 12 and a plurality of expansion machines 36 which are respectively connected to the risers 34 of each tubing 30, as indicated in Fig. 2 and 3 by a plurality of terminals 70 at the upper end of the riser 34.
  • Expander 36 is kept in reserve in the event of a revision or malfunction.
  • the tubing string 30 in the wellbore 12 from the central cylindrical downpipe 32 is passed through the cold liquid working fluid from the wellhead 18 down to the borehole 16, and the
  • Downpipe 32 surrounding cylindrical riser 34 is passed through the heated and vaporized working medium back up to the wellhead 18.
  • Both the riser 34 and the downpipe 32 each consist of a plurality of superposed pipe sections (not shown) with a length of about 9 m, which are gas-tight screwed to adjacent pipe sections.
  • an annular gap 72 free Between the outer circumference of the riser 34 and the inner circumference of the casing 20 remains an annular gap 72 free, which can be monitored with sensors (not shown) to detect within the annular gap 72 a possible leak-induced leakage of working fluid can.
  • the riser 34 may be provided with projecting spacers (not shown), preferably made of a corrosion resistant
  • Spacer (not shown) are introduced, which preferably in the region of the cross-sectional constrictions on the upwardly facing annular shoulders of the tube tours 24, 26, 28 are supported.
  • the tubing of the riser 34 and the downer 32 are made of a light alloy, preferably a light alloy having a relatively high tensile strength, such as duralumin, having a tensile strength between 180 and 450 N / mm 2 has.
  • the pipe sections are similar to the rotary drilling gripped with a collet and each screwed their lower end to the upper end of the already mounted riser 34 and down pipe 32 before the tubing string 30 by moving down the collet again by half the length of a Pipe piece can be lowered into the finished cased borehole 12, and then to assemble the next piece of pipe in the same way.
  • the drop tube 32 is formed over its entire length as a double-walled isolierrohr which encloses a standing under a vacuum interior 74, as best shown in Figures 4 to 9. That way, for a good one
  • the riser 34 includes a solid bottom tube 76 of about 600 meters in length (represented by a cross-hatch in FIGS. 2 and 8) extending upwardly from the wellbore 16 and due to the high thermal conductivity of the light metal alloy for good heat transfer the surrounding rock or soil into the working medium in the
  • Riser 34 provides, as well as an upper tube section 78 which extends from the upper end of the solid tube section 76 up to the wellhead 18, wherein the pipe section 78 as the drop tube 32 is formed as a double-walled isolierrohr and one standing under a vacuum
  • Interior 74 encloses. In this way, it is possible to prevent the working medium heated in the lower tube section 76 from passing through the upper one on its way upwards
  • the inner and outer peripheral surfaces of the drop tube 32 and the inner peripheral surface of the riser 34 may be provided with a coating (not shown) of Teflon or the like, with which the friction of the
  • Riser 34 may be provided with a coating (not shown) to prevent any corrosion of the riser 34 from the side of the annular gap 72 ago.
  • the lowermost pipe section of the riser pipe 34 is closed gas-tight downwards through a plate-shaped foot piece 80 (FIG. 2) with a height of approximately 50 mm.
  • the base 80 has a transition at its junction between its reinforced flat bottom and its cylindrical peripheral surface
  • the reinforced foot 80 serves to prevent damage to the tubing string 30 as it is discharged into the wellbore 12 or when placed on the wellbore foot 16.
  • the lowermost piece of pipe of the drop tube 32 is welded to the foot piece 80 of the riser 34 and contains immediately above the foot two rows of spaced and staggered flow-optimized outflow openings 82 which are arranged one above the other at the lower end of the drop tube 32.
  • Inner cross section of the downpipe 32 corresponds.
  • the liquid is preferably water or another liquid which has a high thermal conductivity and a high heat capacity in order to improve the heat transfer from the surrounding rock or soil through the annular gap 72 into the riser 34.
  • a liquid is selected, the boiling point of which lies in the annular gap 72 prevailing hydrostatic pressure above the temperature of the surrounding rock or soil, ie at the lower end of the borehole above about 115 ° C, so that there is no evaporation of the liquid.
  • Liquid can also be used a flowable thermal paste, which has a higher thermal conductivity.
  • the working medium circulating in the circuit 14 is a partially fluorinated hydrocarbon suitable as refrigerant for a refrigeration plant, preferably 1,1,1,3,3-pentafluoropropane (CHF 2 CH 2 CF 3 ) having a boiling point of about 15 ° C.
  • Ambient pressure and a liquid density of 207 kg / m 3 which is also referred to as R245fa.
  • the working medium is supplied in liquid form at ambient pressure and a temperature of about 5 ° C in the upper end of the drop tube 32, so that it flows in the drop tube 32 down.
  • the downcomer 32 When the downcomer 32 is completely filled with the working fluid, its temperature remains almost constant due to the heat insulation of the downpipe 32 by the vacuum in the interior 74 to the lower end of the downcomer 32, while its pressure due to the increase of the hydrostatic pressure of the liquid working medium in Downpipe 32 increases. However, the working medium remains liquid.
  • the drop tube 32 can only be filled in its lower part with liquid working medium, for example up to a height of 600 m, corresponding to the height of the lower portion of the riser.
  • the overlying upper part of the drop tube 32 has a larger diameter, so that the supplied at the wellhead 18 into the downpipe 32 liquid working fluid moves in free fall through this upper portion and / or to the
  • the amount of circulating working fluid in the circuit 14 can be reduced, but will edoch on the other hand, the working medium in passing through the upper portion and due to friction and conversion of kinetic energy into heat upon impact with the liquid column in the lower section, so that the temperature of the working medium should be lowered by a degree corresponding to the amount of heating when it is fed into the downpipe 32 to prevent evaporation of Avoid working medium inside the downpipe.
  • the pressure at the lower end of the riser 34 decreases compared to the pressure at the lower end of the drop tube 32, so that flows from itself further liquid working fluid through the discharge openings 82 in the riser 34. This ensures that the
  • Working medium does not need to be pumped through the pipe string 30 and the circuit 14, but by a kind Thermosyphon- effect by itself through the circuit 14 flows.
  • the pressure which is established in the lower tube section 76 of the riser 34, on the one hand by the hydrostatic pressure of the vapor refrigerant in the riser 34 and the other by the desired vapor pressure of the working medium before Expansion machine 36 determines. Because of the large decrease in the specific gravity of the refrigerant in the evaporation, the hydrostatic pressure of the vaporized working fluid in the riser is significantly less than the hydrostatic pressure of the liquid working fluid at the bottom of the downcomer 32, so that the working fluid of the expander can be supplied under considerable pressure without the
  • Standpipe 34 are formed as heat insulating pipes, the working fluid within the riser 34 cools down to the wellhead 18 only slightly, so that its temperature there is still almost 100 ° C or more. After exiting the riser 34, the pressurized vapor
  • Expansion machine 36 to a gas expansion engine with a plurality of cylinders and pistons, each cylinder
  • the gas expansion engine has at least one inlet and outlet valve, which is controlled by an electronic valve control.
  • the speed regulator 52 With the aid of the speed regulator 52, the gas expansion engine can be operated at or near the rated speed where it reaches a maximum
  • the heated in the heat exchanger 42 heat exchanger medium can be fed for use as district heating in the district heating network 68.
  • the heated liquid heat exchange medium may be returned to the gas expansion motor 36 in a separate heating circuit (not shown) to heat it to prevent ice formation.
  • the working fluid may be supplied to the reservoir 58, from which it may be directed into the second heat exchanger 64 as needed.
  • the liquid working medium may there be heated by heat exchange with a hot heat exchange medium, such as preferably steam, to vaporize it and bring to a temperature of about 100 ° and a desired pressure so that it can be fed in place of the hot pressurized working fluid from the riser 34 or in addition to this before the speed controller 52 in the circuit 14 in front of the expansion machine 36.
  • the depth to which the borehole 12 is drilled depends not only on the geothermal depth at the location of the borehole 12, but also on the working medium or its boiling point used and on the specific gravity of the liquid and vaporous working medium. It is essential that the temperature of the rock or soil at the lower end of the drop tube 32 is sufficiently high to rapidly vaporize the working medium. This means that the borehole 12 may have a smaller depth at the same geothermal depth stage, if instead of 1, 1, 1, 3, 3-pentafluoropropane (CHF 2 CH 2 CF 3 ) another refrigerant or a mixture of
  • Refrigerants with a lower boiling point is used.
  • the boiling point at ambient pressure should not be too low to limit the energy necessary for cooling and liquefaction.
  • the circuit 14 In order to avoid that during the initial filling of the circuit 14 with the working medium, the air previously in the circuit 14 mixed with the working fluid, the circuit 14 is evacuated before the first filling. Thereby, an undesirable change in the boiling point of the working medium can be prevented.
  • the expansion machine 36 and the speed controller 52 are not included in the circuit 14, but in a separate second circuit 84, which is traversed by another second working medium.
  • this second working medium is preferably a
  • Refrigerant which at ambient temperature and pressure has a lower boiling point than the refrigerant in the circuit 14, for example, 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane (CH 2 FCF 3 ) with a boiling point of about - 25 ° C at ambient pressure, also as Rl34a is called.
  • CH 2 FCF 3 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane
  • the circuit 14 comprises, instead of the expansion machine 36, a heat exchanger 86 which passes through the first line section 38 of the circulation line 40 with the riser 34 and through the second line section 44 of the circulation line 40 with the
  • Heat exchanger 42 is connected.
  • the second circuit 84 includes a recirculation line 88 leading from the exit of the expansion machine 36 through the heat exchanger 84, a reservoir 90 and the
  • Speed controller 52 leads to the input of the expansion machine 36, so that the second working fluid in countercurrent to the first
  • Working fluid flows through the heat exchanger 84.
  • the memory 58 in the first circuit 14 is here by the second line section 60, the heat exchanger 64 and the third 62 line section of the bypass line 56 before
  • Heat exchanger 84 connected to the first line section 38.
  • Circuit 84 there are fewer problems in the case of unwanted leakage of working fluid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage (10) zur Erzeugung von elektrischem Strom und ggf. von Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme. Die Anlage (10) umfasst ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch (12) und einen Kreislauf (14) für ein Arbeitsmedium, das mindestens eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält. Der Kreislauf (14) umfasst einen innerhalb des Bohrlochs (12) angeordneten, vom Arbeitsmedium durchströmten Röhrstrang (30) mit einem zentralen Fallrohr (32) und einem das Fallrohr (32) umgebenden, am unteren Ende (16) des Bohrlochs (12) mit dem Fallrohr (32) kommunizierenden Steigrohr (34). Das Arbeitsmedium strömt in flüssiger Form durch das Fallrohr (32), aus dem es am unteren Ende (16) des Bohrlochs (12) in das Steigrohr (34) gelangt, wo es durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird. Weiter ist eine Expansionsmaschine (36) vorgesehen, in der das unter Druck stehende verdampfte Arbeitsmedium oder ein durch Wärmetausch mit dem Arbeitsmedium aufgeheiztes und verdampftes weiteres Arbeitsmedium unter Verrichtung von Arbeit entspannt wird.

Description

Verfahren und Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und ggf. Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur
Erzeugung von elektrischem Strom und ggf. Wärme aus
geothermischer Energie oder Erdwärme.
Anlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme, die auch als Geothermie- Kraftwerke bezeichnet werden, sind bekannt. Wie beispielsweise in Wikipedia unter dem Stichwort "Geothermie" im Kapitel
"Stromerzeugung" beschrieben ist, werden diese Anlagen
gewöhnlich in Ländern eingesetzt, die über Hochenthalpie- Lagerstätten verfügen, in denen in vergleichsweise geringen
Tiefen von weniger als 2000 m Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius herrschen. Dabei wird als Arbeitsmedium gewöhnlich Wasser verwendet, das durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird, wobei der unter Druck stehende Wasserdampf zum Antrieb einer Turbine eines Generators genutzt werden kann. Die Abwärme dieser Geothermie-Kraftwerke kann als Fernwärme genutzt werden. Da jedoch in Deutschland die üblichen Temperaturen geologischer Warmwasservorkommen
niedriger sind, wurde lange Zeit Thermalwasser nur zur
Gebäudeheizung genutzt. Neu entwickelte Organic-Rankine- Cycle (ORC) -Anlagen, die mit einem organischen Medium, z.B.
Pentan, arbeiten, das bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft, wobei der Dampf über eine Turbine den Generator antreibt, ermöglichen jedoch eine Nutzung von Temperaturen ab 80°C zur Stromerzeugung. Als Alternative zum ORC-Verfahren wird weiter das Kaiina-Verfahren genannt, das als Arbeitsmedium ein Zweistoffgemisch aus Ammoniak und Wasser verwendet. Bei diesen Anlagen wird jedoch ebenfalls stets Wasser in größerer Tiefe durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und dann an der Oberfläche benutzt, um in einem zweiten Kreislauf das organische Medium oder Zweistoffgemisch aufzuheizen, zu' verdampfen und durch die Turbine umzuwälzen. Dabei entstehen jedoch erhebliche Leistungsverluste. Darüber hinaus wird als nachteilig angesehen, dass Pentan hochentzündlich und Ammoniak giftig ist, so dass sehr aufwändige Sicherheitsvorkehrungen erforderlich sind.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich die
Leistungsverluste reduzieren lassen. Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass ein Arbeitsmedium, das mindestens eine als
Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält oder aus einer oder mehreren solchen Verbindungen besteht, so dass es nachfolgend vereinfacht als Kältemittel bezeichnet wird, durch ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch umgewälzt und
innerhalb des Bohrlochs durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird.
Vorzugsweise wird das Arbeitsmedium in flüssiger Form in das Bohrloch geleitet. Innerhalb des Bohrlochs wird das flüssige
Arbeitsmedium zweckmäßig durch ein zentrales Fallrohr eines in das Bohrloch eingebrachten Rohrstrangs bis zum unteren Ende des Bohrlochs und dort in ein das Fallrohr umgebendes, mit dem Fallrohr kommunizierendes Steigrohr des Rohrstrangs geleitet, wo es durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, statt Wasser ein Arbeitsmedium zu verwenden, das einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser besitzt, so dass es nach dem Austritt aus dem
Fallrohr schnell verdampft und ein hoher Dampfdruck erzielt wird. Durch das Verdampfen des Arbeitsmediums kann auf eine Zwangsumwälzung durch den Kreislauf verzichtet werden, da infolge der Differenz zwischen dem hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr und dem Druck des
verdampften und damit leichteren Arbeitsmediums im Steigrohr für eine selbsttätige Umwälzung des Arbeitsmediums durch den Kreislauf gesorgt wird. Ggf. kann die Umwälzung jedoch durch eine Pumpe oder einen Verdichter unterstützt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium mindestens eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält oder aus einer oder mehreren solchen Verbindungen besteht und dass der Kreislauf einen innerhalb des Bohrlochs angeordneten, vom Arbeitsmedium durchströmten Rohrstrang mit einem zentralen Fallrohr und einem das Fallrohr umgebenden, am unteren Ende des Bohrlochs mit dem Fallrohr kommunizierenden Steigrohr umfasst, so dass das flüssige Arbeitsmedium nach dem Austritt in das umgebende
Fallrohr durch die geothermische Energie oder Erdwärme
aufgeheizt und verdampft werden kann.
Der vereinfachte Begriff Kältemittel, wie er im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung verwendet wird, soll ein
organisches Medium bezeichnen, das als Kältemittel in
Kälteanlagen einsetzbar ist, das heißt eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung mit einem oder mehr
Kohlenstoffatomen . Der Begriff soll jedoch nicht als ein
Arbeitsmedium verstanden werden, das wie in einer Kälteanlage üblich bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt . Derartige als Kältemittel geeignete organische Verbindungen umfassen vorzugsweise teilflourierte Kohlenwasserstoffe (FKW oder HFKW) die kein Ozonabbaupotential und zweckmäßig ein geringes Treibhauspotential besitzen, nicht brennbar, nicht explosiv und nicht giftig sind und eine hohe spezifische
Verdampfungsenthalpie, eine hohe kritische Temperatur und eine niedrige Viskosität besitzen. Vorteilhafterweise wird zur
Umwälzung durch das Bohrloch ein Kältemittel verwendet, das bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur flüssig ist, so dass vor der Zufuhr des Arbeitsmediums in das Bohrloch eine Abkühlung auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur entbehrlich ist .
Die Eigenschaften des Arbeitsmediums und vor allem sein
Siedepunkt lassen sich auf einen gewünschten Wert einstellen, indem als Arbeitsmedium eine Mischung aus verschiedenen
Kältemitteln verwendet wird.
Durch die Verwendung von nicht-explosiven und ungiftigen organischen Kältemitteln als Arbeitsmedium sind aufwändige Sicherheitsvorkehrungen außerhalb des Bohrlochs entbehrlich. Innerhalb des Bohrlochs sorgen eine gasdichte Abdichtung des Rohrstrangs sowie eine einzementierte Verrohrung dafür, dass kein Kältemittel in das umgebende Erdreich oder Gestein
gelangen kann.
Die Tiefe des Bohrlochs beträgt zweckmäßig mehr als 50 Meter, vorzugsweise mehrere hundert Meter und in Deutschland am besten mehr als 1000 Meter, wobei das untere Ende des Bohrlochs immer in einer Tiefe angeordnet ist, in der die Temperatur der
Umgebung, d.h. des Gesteins oder Erdreichs, oberhalb von der Siedetemperatur des Arbeitsmediums liegt, und zwar bei
demjenigen Druck, der durch das spezifische Gewicht der Säule des flüssigen Arbeitsmediums am unteren Ende des Fallrohrs herrschen wird. Um den hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr zu reduzieren, ist es sinnvoll, nur einen Teil des Fallrohrs mit flüssigem Arbeitsmedium zu füllen, so dass dessen Druck am unteren Ende des Fallrohrs einen Wert von etwa 100 bar nicht übersteigt.
Um eine vorzeitige Verdampfung des flüssigen Kältemittels innerhalb des Fallrohrs infolge der zum unteren Ende des
Bohrlochs hin zunehmenden Temperatur des Gesteins oder
Erdreichs zu verhindern, ist das Fallrohr bevorzugt als
Wärmeisolierrohr ausgebildet, das an seinem unteren Ende bzw. am unteren Ende des Bohrlochs durch mindestens eine
Ausströmöffnung mit dem Steigrohr kommuniziert. Um einerseits während des Aufstiegs des verdampften Kältemittels durch das Steigrohr eine Abkühlung des Kältemittels im kälteren Gestein oder Erdreich um den oberen Teil des Bohrlochs herum zu
verhindern und andererseits für einen guten Wärmeübergang von dem heißeren Gestein oder Erdreich um den unteren Teil des Bohrlochs herum in das Kältemittel zu sorgen, weist das
Steigrohr bevorzugt einen als Wärmeisolierrohr ausgebildeten oberen Abschnitt mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und einen unteren Abschnitt mit höherer Wärmeleitfähigkeit auf, der sich vom unteren Ende des Bohrlochs aus bis zum unteren Ende des oberen Abschnitts erstreckt. In diesem unteren Abschnitt des Steigrohrs erwärmt sich das durch die Ausströmöffnung strömende Arbeitsmedium bis über seine Siedetemperatur hinaus.
Der Öffnungs uerschnitt der Ausströmöffnung oder -Öffnungen ist zweckmäßig kleiner als der oder gleich dem Strömungsquerschnitt des Fallrohrs, so dass die Verdampfung des Arbeitsmediums stets in Strömungsrichtung hinter der Ausströmöffnung im Steigrohr erfolgt und kein verdampftes Arbeitsmedium in das Fallrohr eintreten kann. Grundsätzlich ist es möglich, dass das Steigrohr von einer in das Bohrloch einzementierten Verrohrung gebildet wird, die das Fallrohr umgibt und durch einen Ringspalt vom Fallrohr getrennt ist. In diesem Fall umfasst die einzementierte Verrohrung einen oberen Abschnitt mit geringer Wärmeleitfähigkeit sowie einen unteren Abschnitt mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem' oberen Abschnitt und dem unteren Ende des Bohrlochs. Bevorzugt wird das Steigrohr jedoch als separates Rohr zwischen dem
Fallrohr und einer in das Bohrloch einzementierten Verrohrung angeordnet, wobei das Steigrohr jeweils durch einen Ringspalt vom zentralen Steigrohr und von der Verrohrung getrennt ist. Das Steigrohr und das Fallrohr bilden dabei einen zum Ringspalt hin abgedichteten Rohrstrang. Obwohl es grundsätzlich auch möglich ist, das Fallrohr und den oberen Abschnitt des Steigrohrs, die als Wärmeisolierrohre ausgebildet sind, einwandig aus einem leichten und zugfesten Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit herzustellen, wie einem kohlefaserverstärkten Kunststoff oder Kunstharz, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Wärmeisolierrohre mindestens teilweise als doppelwandige Vakuumrohre ausgebildet sind, die einen unter Unterdruck stehenden Innenraum umschließen, wodurch die Wärmeisolierrohre eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, und vorteilhaft aus Leichtmetall bestehen, so dass die Hakenlast beim Ablassen des Rohrstrangs in das Bohrloch reduziert werden kann. Eine noch weitere Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit kann dadurch erreicht werden, dass dem Innenraum zugewandte Oberflächen der Vakuumrohre mindestens teilweise verspiegelt sind und/oder dass die im Kontakt mit dem Arbeitsmedium stehende Oberflächen des Fallrohrs und/oder des Steigrohrs mit einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit beschichtet sind, besonders dann, wenn die hohlen Wärmeisolierrohre aus Leichtmetall bestehen, das selbst eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Vorteilhaft wird eine' Beschichtung verwendet, durch die gleichzeitig die Rohrreibung des strömenden Arbeitsmediums verringert wird.
Der untere Abschnitt des Steigrohrs besteht vorzugsweise aus massivem Leichtmetall, das eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Wärmekapazität und ein relativ geringes spezifisches
Gewicht besitzt, wodurch die Hakenlast beim Ablassen des
Rohrstrangs in das Bohrloch ebenfalls reduziert werden kann. Dort, wo das Steigrohr als separates Rohr zwischen dem Fallrohr und der Verrohrung des Bohrlochs angeordnet und jeweils durch einen Ringspalt vom Steigrohr und von der Verrohrung getrennt ist, wird das Bohrloch vorzugsweise noch vor dem Ablassen des Rohrstrangs teilweise mit einem Fluid gefüllt, in welches das untere Ende des Rohrstrangs beim Ablassen eintaucht. Auf diese Weise sorgt der Auftrieb des in das Fluid eintauchenden unteren Endes des leeren Rohrstrangs für eine zusätzliche Reduzierung der Hakenlast. Als Fluid kann eine fließfähige Wärmeleitpaste verwendet werden, oder eine Wärmeträgerflüssigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Wärmekapazität, wie
Wasser, dem als Korrosionsschutz für den Rohrstrang zweckmäßig ein geeignetes Additiv zugesetzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Steigrohr an seiner Außenseite mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen werden. Die Menge des in das Bohrloch gefüllten Fluids ist bevorzugt so gewählt, dass nach dem Ablassen des Rohrstrangs in das Bohrloch der untere Abschnitt des Steigrohrs mit der hohen Wärmeleitfähigkeit vollständig in das Fluid eintaucht, um so für einen besseren Übergang der Wärme aus der Umgebung des Bohrlochs durch den Ringspalt in den unteren Abschnitt des Steigrohrs zu sorgen.
Der Ringspalt zwischen dem oberen Abschnitt des Steigrohrs und der Verrohrung kann entweder ebenfalls mit dem Fluid oder alternativ mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt sein, im zuerst genannten Fall wird sich im oberen Teil des Bohrlochs das Fluid im Ringspalt durch KonvektionsStrömungen erwärmen, wodurch einer Abkühlung des Kühlmittels im oberen Abschnitt des Steigrohrs entgegengewirkt wird, so dass ggf. darauf verzichtet werden kann, den oberen Abschnitt des Steigrohrs doppelwandig auszubilden. Im zuletzt genannten Fall sorgt das Gas für eine bessere Isolierung des oberen Abschnitts des Steigrohrs
gegenüber der Verrohrung und gegenüber dem umgebenden kühleren Gestein oder Erdreich.
In beiden Fällen ist der Ringspalt zweckmäßig am oberen Ende des Bohrlochs verschlossen, um einen Austritt von Wärme aus dem Ringspalt in die Atmosphäre zu verhindern. Bevorzugt wird ein wärmeisolierender und gasdichter Verschluss vorgesehen, so dass eine eventuelle Leckage von gasförmigem Arbeitsmedium aus dem Rohrstrang in das Innere des Ringspalts detektiert werden kann.
Um den Rohrstrang innerhalb der Verrohrung zu zentrieren, sind zweckmäßig Abstandhalter zwischen der Verrohrung und dem
Steigrohr angeordnet, vorzugsweise an Stellen, an denen der Innendurchmesser der Verrohrung stufenweise kleiner wird.
Vorzugsweise bestehen das Fallrohr und das Steigrohr jeweils aus mehreren gasdicht miteinander verbundenen Rohrstücken, die zweckmäßig miteinander verschraubt sind, wobei die Stöße oder Schraubverbindungen der benachbarten Rohrstücke des Steigrohrs und des Fallrohrs in Richtung der Längsachse des Bohrlochs gegeneinander versetzt sind, so dass sie beim Absenken des Rohrstrangs abwechselnd am oberen Ende desselben montiert werden können.
Grundsätzlich ist es möglich, das Arbeitsmedium in einem einzigen Kreislauf zu führen, der eine als Antrieb für einen Generator dienende Expansionsmaschine dient, wobei in diesem Fall das aufgeheizte und verdampfte Arbeitsmedium nach dem Austritt aus dem Bohrloch direkt in die Expansionsmaschine zugeführt wird, um es dort unter Verrichtung von Arbeit zu entspannen. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem
Wärmetauscher abgekühlt und kondensiert, um es in flüssiger Form wieder in das Bohrloch zuzuführen.
Alternativ können jedoch auch zwei Kreisläufe verwendet werden, von denen einer den Rohrstrang im Bohrloch und der andere die Expansionsmaschine umfasst. In diesem Fall wird das aufgeheizte und verdampfte Arbeitsmedium nach dem Austritt aus dem Bohrloch in einen Wärmetauscher zugeführt, in dem es seine Wärme an ein weiteres Arbeitsmedium abgibt. Auch das weitere Arbeitsmedium enthält zweckmäßig eine als Kältemittel geeignete Verbindung und wird im Wärmetauscher aufgeheizt und verdampft, bevor es in die Expansionsmaschine zugeführt und dort unter Verrichtung von Arbeit entspannt wird. Nach der Entspannung kann das weitere Arbeitsmedium durch einen Wärmetauscher geleitet werden, in dem es einen Teil seiner Restwärme an ein Fernwärmenetz abgibt, bevor das Arbeitsmedium in einem Kondensator wieder verflüssigt wird.
Als Expansionsmaschine wird vorzugsweise eine Kolbenmaschine verwendet, der das unter einem hohen Druck stehende verdampfte Arbeitsmedium zugeführt wird, um es innerhalb der Zylinder zu entspannen und die Kolben in den Zylindern auf und ab zu bewegen. Zur Regelung der Drehzahl der Expansionsmaschine ist zwischen dem Steigrohr und der Expansionsmaschine zweckmäßig eine verstellbare Drossel angeordnet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus
geothermischer Energie oder Erdwärme mit einem einzigen
Kreislauf für ein Arbeitsmedium;
Fig. 2 eine vergrößerte detaillierte Längsschnittansicht des Ausschnitts II in Fig. 1 ;
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie III-III der Fig. 2 ;
Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie
IV-IV der Fig. 2; Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie
V-V der Fig. 2 ;
Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie
VI-VI der Fig. 2 ;
Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie
VII-VII der Fig. 2;
Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 2 ;
Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX der Fig. 2. Fig. 10 eine schematische Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch von einer Anlage mit zwei Kreisläufen.
Die in der Zeichnung dargestellten Anlagen 10 zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme umfassen ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch 12 sowie mindestens einen Kreislauf 14 für ein Arbeitsmedium.
Bei einer geothermischen Tiefenstufe von 33 m/°K entsprechend einem Tiefengradienten von 3°K/100 m Tiefe weist das Bohrloch 12 eine Tiefe von etwa 3800 m oder etwas mehr auf, so dass das umgebende Gestein am Bohrlochfuß 16, d.h. dem unteren Ende des Bohrlochs 12, eine Temperatur von etwa 115°C besitzt. Die Tiefe des Bohrlochs 12 ist so auf das Arbeitsmedium abgestimmt, dass dieses bei den am Bohrlochfuß 16 herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen in dampfförmigem Zustand vorliegt.
Das Bohrloch 12 weist einen Innendurchmesser auf, der sich vom Bohrlochkopf 18, d.h. dem oberen Ende des Bohrlochs 12, aus nach unten zu stufenförmig verjüngt, beispielsweise von einem Innendurchmesser von 17 1/2" unterhalb des Bohrlochkopfs 18 (Fig. 4) bis zu einem Innendurchmesser von 6 1/2" oberhalb des Bohrlochfußes 16 (Fig. 9). Zur Verhinderung eines Einsturzes ist das Bohrloch 12 mit einer Verrohrung 20 versehen. Die
Verrohrung 20 besteht aus mehreren nach unten zu stufenförmig verjüngten Rohrtouren 22, 24, 26, 28, deren Außendurchmesser jeweils etwas kleiner als der Außendurchmesser des Bohrlochs 12 in der entsprechenden Tiefe ist. Jede Rohrtour 22, 24, 26, 28 umfasst eine Mehrzahl von gasdicht verschraubten Futterrohren, die in der darüber befindlichen Rohrtour abgehängt und nach
Fertigstellung der Rohrtour durch Einpressen eines gasdichten Zements (nicht dargestellt) in den Ringraum zwischen der
Bohrlochwand und den Futterohren verankert werden. Durch die Verrohrung 20 und die Zementierung wird sichergestellt, dass das Innere des Bohrlochs 12 entsprechend den bergrechtlichen
Vorschriften gegenüber dem umgebenden Gestein oder Erdreich gasdicht abgedichtet ist. Der in Fig. 1 dargestellte Kreislauf 14 für das Arbeitsmedium umfasst einen innerhalb des Bohrlochs 12 angeordneten
Rohrstrang 30 aus einem zentralen Fallrohr 32 und einem das Fallrohr 32 umgebenden Steigrohr 34 ( eine Expansionsmaschine 36, die durch einen ersten Leitungsabschnitt 38 einer
Umwälzleitung 40 mit dem oberen Ende des Steigrohrs 34
verbunden ist, sowie einen ersten Wärmetauscher 42, der durch einen zweiten Leitungsabschnitt 44 der Umwälzleitung 40 mit der Expansionsmaschine 36 und durch einen dritten Leitungsabschnitt 46 der Umwälzleitung 38 sowie einen Kondensator 47 mit dem oberen Ende des Fallrohrs 32 verbunden ist. Bei der über eine Dämpfungskupplung 48 mit einem Generator 50 zur Stromerzeugung verbundenen Expansionsmaschine 36 handelt es sich um einen Gasexpansionsmotor in Form einer Kolbenmaschine mit einer
Mehrzahl von Zylindern und Kolben. Zur Regelung der Drehzahl der Expansionsmaschine 36 ist im ersten Leitungsabschnitt 38 ein als Drehzahlregler 52 in Form einer verstellbaren Drossel angeordnet, mit dem sich die aus dem Steigrohr 34 zur
Expansionsmaschine 36 zugeführte Strömungsmenge des
Arbeitsmediums durch Drosselung verstellen lässt.
Der Wärmetauscher 42 ist durch einen ersten Leitungsabschnitt 54 einer Bypassleitung 56 mit einem Speicher 58 verbunden, in den ein Teil des Arbeitsmediums aus dem Wärmetauscher 42 zur Zwischenspeicherung zugeführt werden kann, um das gespeicherte Arbeitsmedium bei Bedarf durch einen zweiten und dritten
Leitungsabschnitt 60, 62 der Bypassleitung 56 sowie einen dazwischen angeordneten zweiten Wärmetauscher 64 unter Umgehung des Rohrstrangs 30 vor dem Drehzahlregler 52 in den ersten Leitungsabschnitt 38 der Umwälzleitung 40 zuzuführen.
Der im Betrieb der Anlage vom Generator 50 erzeugte elektrische Strom wird über einen Transformator 66 in ein Hochspannungsnetz eingespeist. Aus dem Wärmetauscher 42 und dem Wärmespeicher 58 kann überschüssige Wärme an ein Fernwärmenetz 68 abgeführt werden .
In der Regel wird der Kreislauf 14 eine Mehrzahl von
Bohrlöchern 12 und eine Mehrzahl von Expansionsmaschinen 36 umfassen, die jeweils mit den Steigrohren 34 jedes Rohrstrangs 30 verbunden sind, wie in Fig. 2 und 3 durch mehrere Anschlüsse 70 am oberen Ende des Steigrohrs 34 angedeutet. Eine der
Expansionsmaschinen 36 wird für den Fall einer Revision oder einer Störung in Reserve gehalten.
Wie am besten in Fig. 2 dargestellt, besteht der Rohrstrang 30 im Bohrloch 12 aus dem zentralen zylindrischen Fallrohr 32, durch das kaltes flüssiges Arbeitsmedium vom Bohrlochkopf 18 nach unten zum Bohrlochfuß 16 geleitet wird, sowie dem das
Fallrohr 32 umgebenden zylindrischen Steigrohr 34, durch das erwärmtes und verdampftes Arbeitsmedium wieder nach oben zum Bohrlochkopf 18 geleitet wird. Sowohl das Steigrohr 34 und das Fallrohr 32 bestehen jeweils aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Rohrstücke (nicht dargestellt) mit einer Länge von etwa 9 m, die gasdicht mit benachbarten Rohrstücken verschraubt sind. Zwischen dem äußeren Umfang des Steigrohrs 34 und dem inneren Umfang der Verrohrung 20 bleibt ein Ringspalt 72 frei, der mit Sensoren (nicht dargestellt) überwacht werden kann, um innerhalb des Ringspalts 72 einen eventuellen leckagebedingten Austritt von Arbeitsmedium erfassen zu können. Zur Zentrierung des Rohrstrangs 30 im Bohrloch 12 kann das Steigrohr 34 mit überstehenden Abstandhaltern (nicht dargestellt) versehen werden, die vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen
Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit bestehen.
Alternativ oder zusätzlich können auch in die Verrohrung 20
Abstandhalter (nicht dargestellt) eingebracht werden, die sich vorzugsweise im Bereich der Querschnittsverengungen auf den nach oben weisenden Ringschultern der Rohrtouren 24, 26, 28 abstützen.
Um die Hakenlast beim Absenken des Rohrstrangs 30 so gering wie möglich zu halten, werden die Rohrstücke des Steigrohrs 34 und des Fallrohrs 32 aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung mit einer relativ hohen Zugfestigkeit, wie Duraluminium, das eine Zugfestigkeit zwischen 180 und 450 N/mm2 besitzt. Zur Erleichterung der
Montage sind die Rohrstücke des Steigrohrs 34 und des Fallrohrs 32 in Richtung der Längsachse des Bohrlochs 12 um ihre halbe Länge gegeneinander versetzt. Zur Montage des Rohrstrangs 30 werden die Rohrstücke ähnlich wie beim Drehbohren mit einer Spannzange ergriffen und jeweils ihr unteres Ende mit dem oberen Ende des bereits montierten Steigrohrs 34 bzw. Fallrohrs 32 verschraubt, bevor der Rohrstrang 30 durch Abwärtsbewegen der Spannzange erneut um die halbe Länge eines Rohrstücks in das fertig verrohrte Bohrloch 12 abgesenkt werden kann, um dann in derselben Weise das nächste Rohrstück zu montieren.
Das Fallrohr 32 ist über seine gesamte Länge als doppelwandiges Wärmeisolierrohr ausgebildet, das einen unter einem Vakuum stehenden Innenraum 74 umschließt, wie am besten in den Figuren 4 bis 9 dargestellt. Auf diese Weise wird für eine gute
Wärmeisolierung zwischen dem im Fallrohr 32 nach unten
strömenden kalten Arbeitsmedium und dem im Steigrohr 34 nach oben strömenden erwärmten Arbeitsmedium gesorgt, so dass sich die Temperatur des Arbeitsmediums im Fallrohr 32 zwischen dem Bohrlochkopf 18 und dem Bohrlochfuß 16 nicht wesentlich erhöht. Ggf. können im Inneren des Fallrohrs 32 Einbauten vorgesehen werden, um für eine kontrollierte Abwärtsströmung des flüssigen Arbeitsmediums zu sorgen, wie zum Beispiel eine Wendel oder dergleichen. Das Steigrohr 34 umfasst einen massiven unteren Rohrabschnitt 76 mit einer Länge von etwa 600 m (in Fig. 2 und 8 durch eine Kreuzschraffür dargestellt) , der sich vom Bohrlochfuß 16 aus nach oben erstreckt und wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit der Leichtmetalllegierung für einen guten Wärmeübergang von dem umgebenden Gestein oder Erdreich in das Arbeitsmedium im
Steigrohr 34 sorgt, sowie einen oberen Rohrabschnitt 78, der sich vom oberen Ende des massiven Rohrabschnitts 76 nach oben zu bis zum Bohrlochkopf 18 erstreckt, wobei der Rohrabschnitt 78 wie das Fallrohr 32 als doppelwandiges Wärmeisolierrohr ausgebildet ist und einen unter einem Vakuum stehenden
Innenraum 74 umschließt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich das im unteren Rohrabschnitt 76 erwärmte Arbeitsmedium auf seinem Weg nach oben durch den oberen
Rohrabschnitt 78 infolge der nach oben zu abnehmenden
Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs wieder abkühlt .
Sowohl bei dem doppelwandigen Fallrohr 32 als auch bei dem doppelwandigen oberen Rohrabschnitt 78 des Steigrohrs 34 sind die dem Innenraum zugewandten Oberflächen der beiden Wände verspiegelt, um für eine weitere Reduzierung des
Wärmeübergangskoeffizienten zu sorgen. Darüber hinaus können die innere und die äußere Umfangsfläche des Fallrohrs 32 und die innere Umfangsfläche des Steigrohrs 34 mit einer Beschichtung (nicht dargestellt) aus Teflon oder dergleichen versehen sein, mit der sich die Reibung des
Arbeitmediums beim Hindurchtritt durch das Fallrohr 32 bzw. das Steigrohr 34 vermindern lässt. Die äußere Umfangsfläche des
Steigrohrs 34 kann mit einer Beschichtung (nicht dargestellt) versehen sein, um eine eventuelle Korrosion des Steigrohrs 34 von der Seite des Ringspalts 72 her zu verhindern. Das unterste Rohrstück des Steigrohrs 34 ist nach unten zu durch ein tellerförmiges Fußstück 80 (Fig. 2) mit einer Höhe von etwa 50 mm gasdicht verschlossen. Um das Einführen des Rohrstrangs 30 in das verrohrte Bohrloch 12 zu erleichtern, weist das Fußstück 80 am Übergang zwischen seinem verstärkten ebenen Boden und seiner zylindrischen Umfangsflache eine
Abschrägung oder Fase auf. Das verstärkte Fußstück 80 dient dazu, eine Beschädigung des Rohrstrangs 30 beim Ablassen in das Bohrloch 12 bzw. beim Aufsetzen auf den Bohrlochfuß 16 zu verhindern.
Das unterste Rohrstück des Fallrohrs 32 ist mit dem Fußstück 80 des Steigrohrs 34 verschweißt und enthält unmittelbar oberhalb vom Fußstück zwei Reihen von beabstandeten und gegeneinander versetzten strömungsoptimierten Ausströmöffnungen 82, die am unteren Ende des Fallrohrs 32 übereinander angeordnet sind. Die Öffnungen 82, durch die das Arbeitsmedium aus dem Fallrohr 32 in das Steigrohr 34 austreten kann, weisen gemeinsam einen definierten Strömungsquerschnitt auf, der genau dem
Innenquerschnitt des Fallrohrs 32 entspricht.
Der untere Teil des verrohrten Bohrlochs 12 wird vor dem
Absenken des Rohrstrangs 30 mit einer Flüssigkeit gefüllt, um während des Absenkens des Rohrstrangs 30 die Hakenlast zu verringern, sobald das untere Ende des Rohrstrangs 30 in die Flüssigkeit eintaucht und dadurch Auftriebskräfte auf den
Rohrstrang 30 einwirken. Bei der Flüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität besitzt, um den Wärmeübergang aus dem umgebenden Gestein oder Erdreichs durch den Ringspalt 72 in das Steigrohr 34 zu verbessern.
Bevorzugt wird eine Flüssigkeit gewählt, deren Siedepunkt bei dem im Ringspalt 72 herrschenden hydrostatischen Druck über der Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs liegt, d.h. am unteren Ende des Bohrlochs über etwa 115°C, so dass es nicht zu einer Verdampfung der Flüssigkeit kommt. An Stelle der
Flüssigkeit kann auch eine fließfähige Wärmeleitpaste verwendet werden, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Bei dem im Kreislauf 14 zirkulierenden Arbeitsmedium handelt es sich um einen als Kältemittel für eine Kälteanlage geeigneten teilfluorierten Kohlenwasserstoff, vorzugsweise 1,1,1,3,3- Pentafluorpropan (CHF2CH2CF3) mit einer Siedetemperatur von etwa 15°C bei Umgebungsdruck und einer Flüssigkeitsdichte von 207 kg/m3, das auch als R245fa bezeichnet wird. Das Arbeitsmedium wird in flüssiger Form bei Umgebungsdruck und einer Temperatur von etwa 5°C in das obere Ende des Fallrohrs 32 zugeführt, so dass es im Fallrohr 32 nach unten strömt. Wenn das Fallrohr 32 ganz mit dem Arbeitsmedium gefüllt ist, bleibt die Temperatur desselben wegen der Wärmeisolierung des Fallrohrs 32 durch das Vakuum im Innenraum 74 bis zum unteren Ende des Fallrohrs 32 nahezu konstant, während sein Druck infolge der Zunahme des hydrostatischen Drucks des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr 32 ansteigt. Dabei bleibt das Arbeitsmedium jedoch flüssig.
Um den hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums am unteren Ende des Fallrohrs zu verringern, kann das Fallrohr 32 nur in seinem unteren Teil mit flüssigem Arbeitsmedium gefüllt werden, zum Beispiel bis zu einer Höhe von 600 m, entsprechend der Höhe des unteren Abschnitts des Steigrohrs. In diesem Fall besitzt der darüber befindliche obere Teil des Fallrohrs 32 , einen größeren Durchmesser, so dass sich das am Bohrlochkopf 18 in das Fallrohr 32 zugeführte flüssige Arbeitsmedium im freien Fall durch diesen oberen Abschnitt bewegt und/oder an den
Wänden des Fallrohrs entlang nach unten strömt. Dadurch kann die Menge des zirkulierenden Arbeitsmediums im Kreislauf 14 verringert werden, edoch wird sich auf der anderen Seite das Arbeitsmedium beim Hindurchtritt durch den oberen Abschnitt und beim Aufprall auf die Flüssigkeitssäule im unteren Abschnitt infolge von Reibung und Umwandlung von kinetische Energie in Wärme etwas erwärmen, so dass die Temperatur des Arbeitsmediums bei der Zufuhr in das Fallrohr 32 um ein dem Maß der Erwärmung entsprechendes Maß abgesenkt werden sollte, um ein Verdampfen von Arbeitsmedium im Inneren des Fallrohr zu vermeiden.
Wenn das flüssige Arbeitsmedium durch die Ausströmöffnungen 82 in das Steigrohr 34 strömt, in dem infolge der zuvor genannten Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs von etwa
115°C eine Temperatur von etwa 100°C herrscht, kommt es hinter den Ausströmöffnungen 82 zu einer schnellen Erwärmung des
Arbeitsmediums, während dieses durch den unteren Rohrabschnitt 76 des Steigrohrs 34 strömt, der nicht als Wärmeisolierrohr ausgebildet ist. Dabei erwärmt sich das Arbeitsmedium bis zum Erreichen des oberen Endes des unteren Rohrabschnitts 76 auf eine Temperatur von etwa 100 °C. Diese Temperaturerhöhung führt zum Verdampfen des Arbeitsmediums, wodurch sich dessen Volumen stark vergrößert, während zugleich das spezifische Gewicht stark abnimmt.
Aufgrund der Verdampfung des Arbeitsmediums sinkt der Druck am unteren Ende des Steigrohrs 34 verglichen mit dem Druck am unteren Ende des Fallrohrs 32 ab, so dass von selbst weiteres flüssiges Arbeitsmedium durch die Ausströmöffnungen 82 in das Steigrohr 34 nachströmt. Dadurch wird erreicht, dass das
Arbeitsmediums nicht durch den Rohrstrang 30 bzw. den Kreislauf 14 gepumpt werden braucht, sondern durch eine Art Thermosyphon- Effekt von selbst durch den Kreislauf 14 strömt.
Der Druck, der sich im unteren Rohrabschnitt 76 des Steigrohrs 34 einstellt, wird zum einen durch den hydrostatischen Druck des dampfförmigen Kältemittels im Steigrohr 34 und zum anderen durch den gewünschten Dampfdruck des Arbeitsmediums vor der Expansionsmaschine 36 bestimmt. Wegen der starken Abnahme des spezifischen Gewichts des Kältemittels bei der Verdampfung ist der hydrostatische Druck des verdampften Arbeitsmediums im Steigrohr erheblich kleiner als der hydrostatische Druck des flüssigen Arbeitsmediums am unteren Ende des Fallrohrs 32, so dass das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine unter einem beträchtlichen Druck zugeführt werden kann, ohne die
selbsttätige Strömung des Arbeitsmediums durch den Rohrstrang 30 bzw. durch den Kreislauf 14 zu unterbrechen.
Da das Fallrohr 32 und der obere Rohrabschnitt 78 des
Steigrohrs 34 als Wärmeisolierrohre ausgebildet sind, kühlt sich das Arbeitsmedium innerhalb des Steigrohrs 34 bis zum Bohrlochkopf 18 nur wenig ab, so dass seine Temperatur dort noch nahezu 100°C oder mehr beträgt. Nach dem Austritt aus dem Steigrohr 34 wird das unter Druck stehende dampfförmige
Arbeitsmedium durch den ersten Leitungsabschnitt 38 und den Drehzahlregler 52 in die Expansionsmaschine 36 zugeführt, um dort mechanische Arbeit zu verrichten und den Generator 50 anzutreiben.
Wie bereits ausgeführt wurde, handelt es sich bei der
Expansionsmaschine 36 um einen Gasexpansionsmotor mit einer Mehrzahl von Zylindern und Kolben, wobei jeder Zylinder
mindestens ein Ein- und Auslassventil besitzt, das durch eine elektronische Ventilsteuerung gesteuert wird. Mit Hilfe des Drehzahlreglers 52 kann der Gasexpansionsmotor bei oder nahe der Nenndrehzahl betrieben werden, wo er einen maximalen
Wirkungsgrad besitzt.
Um das unter Druck stehende heiße Arbeitsmedium in einen der Zylinder des Gasexpansionsmotors 36 zuzuführen, wird dessen Einlassventil von der Ventilsteuerung kurzzeitig geöffnet, wenn sich der Kolben innerhalb des Zylinders etwa 10 Grad unter dem oberen Totpunkt befindet. Nach dem Schließen des Einlassventils expandiert das im Zylinder eingeschlossene dampfförmige
Arbeitsmedium und verschiebt dabei den Kolben im Zylinder nach unten, wodurch der Generator 50 vom Gasexpansionsmotor 36
angetrieben wird.
Bei der Expansion des Arbeitsmediums im Zylinder wird dieses auf einen geringeren Druck entspannt, wobei es sich abkühlt. Nach dem Austritt aus dem Gasexpansionsmotor 36 wird das noch dampfförmige Arbeitsmedium durch den zweiten Leitungsabschnitt 44 in den ersten Wärmetauscher 42 zugeführt, wo es durch
Wärmetausch mit einem kalten Wärmetauschermedium, vorzugsweise kaltem Wasser, abgekühlt, und dann im Kondensator 47 wieder' verflüssigt wird. Durch die Abkühlung und die Verflüssigung des Arbeitsmediums sinkt dessen Druck weiter ab. Das verflüssigte Arbeitsmedium kann dann durch den dritten Leitungsabschnitt 46 zum Bohrlochkopf 18 geleitet und dort in das Fallrohr 32
zugeführt werden, um es im Fallrohr 32 erneut nach unten zu leiten. Das im Wärmetauscher 42 erwärmte Wärmetauschermedium kann für eine Nutzung als Fernwärme in das Fernwärmenetz 68 eingespeist werden.
Da sich der Gasexpansionsmotor 36 infolge der Expansion des Arbeitsmediums in den Zylindern abkühlt, kann ein Teil der erwärmten flüssigen Wärmetauschermediums in einem separaten Heizkreislauf (nicht dargestellt) zum Gasexpansionsmotor 36 zurück geleitet werden, um diesen zur Vermeidung von Eisbildung zu erwärmen . Alternativ kann das Arbeitsmedium in den Speicher 58 zugeführt werden, aus dem es bei Bedarf in den zweiten Wärmetauscher 64 geleitet werden kann. Das flüssige Arbeitsmedium kann dort durch Wärmetausch mit einem heißen Wärmetauschermedium, wie vorzugsweise Wasserdampf, erhitzt werden, um es zu verdampfen und auf eine Temperatur von etwa 100° und einen gewünschten Druck zu bringen, so dass es an Stelle des heißen unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus dem Steigrohr 34 oder zusätzlich zu diesem vor dem Drehzahlregler 52 in den Kreislauf 14 vor der Expansionsmaschine 36 eingespeist werden kann.
Die Tiefe, bis zu der das Bohrloch 12 niedergebracht wird, hängt nicht nur von der geothermischen Tiefenstufe am Ort des Bohrlochs 12, sondern auch noch vom verwendeten Arbeitsmedium bzw. von dessen Siedepunkt sowie vom spezifischen Gewicht des flüssigen und dampfförmigen Arbeitsmediums ab. Wesentlich ist, dass die Temperatur des Gesteins oder Erdreichs am unteren Ende des Fallrohrs 32 ausreichend hoch ist, um das Arbeitsmedium schnell zu verdampfen. Dies bedeutet, dass das Bohrloch 12 bei derselben geothermischen Tiefenstufe eine geringere Tiefe aufweisen kann, wenn an Stelle von 1 , 1 , 1 , 3 , 3-Pentafluorpropan (CHF2CH2CF3) ein anderes Kältemittel oder ein Gemisch von
Kältemitteln mit einem niedrigeren Siedepunkt verwendet wird. Jedoch sollte der Siedepunkt bei Umgebungsdruck nicht zu niedrig sein, um die zur Abkühlung und Verflüssigung notwendige Energie zu begrenzen.
Um zu vermeiden, dass sich bei der Erstbefüllung des Kreislaufs 14 mit dem Arbeitsmedium die zuvor im Kreislauf 14 befindliche Luft mit dem Arbeitsmedium vermischt, wird der Kreislauf 14 vor der Erstbefüllung evakuiert. Dadurch kann eine unerwünschte Veränderung des Siedepunkts des Arbeitsmediums verhindert werden . Anders als bei der zuvor beschriebenen Anlage 10 sind bei der in Fig. 10 dargestellte Anlage 10 die Expansionsmaschine 36 und der Drehzahlregler 52 nicht in dem Kreislauf 14, sondern in einem separaten zweiten Kreislauf 84 enthalten, der von einem anderen zweiten Arbeitsmedium durchströmt wird. Bei diesem zweiten Arbeitsmedium handelt es sich vorzugsweise um ein
Kältemittel, das bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck einen niedrigeren Siedpunkt als das Kältemittel im Kreislauf 14 besitz, zum Beispiel 1 , 1 , 1 , 2-Tetrafluorethan (CH2FCF3) mit einer Siedetemperatur von etwa - 25°C bei Umgebungsdruck, das auch als Rl34a bezeichnet wird.
Der Kreislauf 14 umfasst an Stelle der Expansionsmaschine 36 einen Wärmetauscher 86, der durch den ersten Leitungsabschnitt 38 der Umwälzleitung 40 mit dem Steigrohr 34 und durch den zweiten Leitungsabschnitt 44 der Umwälzleitung 40 mit dem
Wärmetauscher 42 verbunden ist. Der zweite Kreislauf 84 umfasst eine Umwälzleitung 88, die vom Ausgang der Expansionsmaschine 36 durch den Wärmetauscher 84, einen Speicher 90 und den
Drehzahlregler 52 zum Eingang der Expansionsmaschine 36 führt, so dass das zweite Arbeitsmedium im Gegenstrom zum ersten
Arbeitsmedium durch den Wärmetauscher 84 strömt.
Der Speicher 58 im ersten Kreislauf 14 ist hier durch den zweiten Leitungsabschnitt 60, den Wärmetauscher 64 und den dritten 62 Leitungsabschnitt der Bypassleitung 56 vor dem
Wärmetauscher 84 mit dem ersten Leitungsabschnitt 38 verbunden.
Aufgrund der kleineren Mengen an Arbeitsmedium im zweiten
Kreislauf 84 gibt es im Fall einer ungewollten Leckage von Arbeitsmedium weniger Probleme.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom aus
geothermischer Energie oder Erdwärme, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsmedium, das mindestens eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält, durch ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch umgewälzt und innerhalb des Bohrlochs durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in flüssiger Form durch ein zentrales
Fallrohr (32) eines Rohrstrangs (30) bis zum unteren Ende des Bohrlochs (12) geleitet wird und dort in ein das Fallrohr (32) umgebendes, mit dem Fallrohr (32) kommunizierendes Steigrohr (34) strömt, in dem es durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach dem Eintritt in das Steigrohr (34) beim Aufstieg durch einen unteren Abschnitt des Steigrohrs (34) mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgeheizt und verdampft wird und dann im Wesentlichen isotherm durch einen oberen Abschnitt des
Steigrohrs (34) mit geringer Wärmeleitfähigkeit geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzung des Arbeitsmediums durch den Kreislauf (14) durch die Differenz zwischen einem hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr (32) und einem Druck des verdampften Arbeitsmediums im Steigrohr (34) bewirkt oder unterstützt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mindestens einen
teilfluorierten Kohlenwasserstoff enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgeheizte und verdampfte
Arbeitsmedium nach dem Austritt aus dem Bohrloch entweder unter Verrichtung von Arbeit in einer Expansionsmaschine entspannt wird oder in einem Wärmetauscher Wärme an ein weiteres
Arbeitsmedium abgibt, das im Wärmetauscher aufgeheizt und verdampft und dann unter Verrichtung von Arbeit in einer
Expansionsmaschine entspannt wird.
7. Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom aus
geothermischer Energie oder Erdwärme, mit einem in die Erde niedergebrachten Bohrloch (12) und einem Kreislauf (14) für ein Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium mindestens eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält und dass der Kreislauf (14) einen innerhalb des
Bohrlochs (12) angeordneten, vom Arbeitsmedium durchströmten
Rohrstrang (30) mit einem zentralen Fallrohr (32) und einem das Fallrohr (32) umgebenden, am unteren Ende (16) des Bohrlochs (12) mit dem Fallrohr (32) kommunizierenden Steigrohr (34) umfasst .
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (32) als Wärmeisolierrohr ausgebildet ist, und dass das Steigrohr (34) einen als Wärmeisolierrohr ausgebildeten oberen Abschnitt (78) mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und einen zwischen dem oberen Abschnitt (78) und dem unteren Ende
(16) des Bohrlochs (12) angeordneten unteren Abschnitt (76) mit höherer Wärmeleitfähigkeit umfasst.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolierrohre mindestens teilweise als doppelwandige
Vakuumrohre ausgebildet sind, die einen unter Unterdruck stehenden Innenraum (74) umschließen.
10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abschnitt (76) des Steigrohrs (34) massiv ist und aus Metall besteht.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Fallrohr (32) und das Steigrohr (34) aus einer Leichtmetalllegierung bestehen.
12. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass das Fallrohr (32) und das Steigrohr (34) jeweils aus mehreren gasdicht miteinander verschraubten
Rohrstücken bestehen.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Stöße oder Schraubverbindungen zwischen benachbarten
Rohrstücken des Fallrohrs (32) und des Steigrohrs (34) in Richtung der Längsachse des Bohrlochs (12) gegeneinander versetzt sind.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass das Bohrloch (12) durch eine
einzementierte Verrohrung (20) gasdicht gegenüber dem
umgebenden Gestein oder Erdreich abgedichtet ist.
15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrohrung (20) im Wesentlichen über die ganze Länge des
Rohrstrangs (30) durch einen Ringspalt (72) vom Steigrohr (34) getrennt ist.
16. Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (72) zumindest entlang des unteren Abschnitts (76) des Steigrohrs (34) mit einem Medium hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass ein unteres Ende (16) des Bohrlochs (12) in einer Tiefe angeordnet ist, in der die Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs bei dem am unteren Ende des Fallrohrs (32) herrschenden Druck über der Siedetemperatur des Arbeitsmediums liegt.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kreislauf (14) außerhalb des Bohrlochs (12) eine Expansionsmaschine (36) umfasst.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, dass der Kreislauf (14) außerhalb des Bohrlochs (12) einen Wärmetauscher (86) umfasst, in dem das Arbeitsmedium Wärme an ein weiteres, durch einen zweiten Kreislauf (84)
zirkulierendes Arbeitsmedium abgibt, wobei der zweite Kreislauf (84) eine Expansionsmaschine (36) umfasst.
20. Anlage nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (36) eine Kolbenmaschine ist.
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