WO2014121408A1 - Vorrichtung zur gewinnung von erdwärme - Google Patents

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WO2014121408A1
WO2014121408A1 PCT/CH2014/000016 CH2014000016W WO2014121408A1 WO 2014121408 A1 WO2014121408 A1 WO 2014121408A1 CH 2014000016 W CH2014000016 W CH 2014000016W WO 2014121408 A1 WO2014121408 A1 WO 2014121408A1
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medium
container
borehole
heat
filling material
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Application number
PCT/CH2014/000016
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Heller
Catalin Teodoriu
Original Assignee
Klaus Heller
Catalin Teodoriu
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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
    • 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 device for obtaining geothermal heat from a wellbore having a wellhead and a bottom, comprising a conveyor, whereby a medium from the wellhead to the wellbore and from the wellbore to the Bohr! Ochkopf can be conveyed. Furthermore, the invention relates to a method for obtaining geothermal heat. State of the art
  • EP 2 189 731 A1 shows such a geothermal probe.
  • the apparatus comprises a downwardly directed conveyor tube which leads into a container in the ground and an upwardly directed conveyor tube, whereby a closed circuit for a medium (for example water) is formed.
  • the device may be operated by natural circulation or alternatively by a pump.
  • DE 30 29 900 A1 relates to a heat exchanger for the use of geothermal energy, with a introduced in a borehole boiler, which is thermostatically controlled by a valve or filled according to the lint principle.
  • the boiler is filled via a downpipe, while the forming steam is discharged upwards via an insulated riser pipe.
  • the known devices for the production of geothermal energy have the disadvantage that they have a too low efficiency respectively generate too low heat output respectively electrical power.
  • the device further comprises a filling material introduced into the drilling base, with which heat, preferably via a container, in particular via a vapor pressure vessel, can be transferred to the medium.
  • a transport medium conveys medium from the wellhead to the wellbore and then from the wellbore to the wellhead, transferring heat from a fill material buried in the wellbore to the medium.
  • the filler material is preferably a bulk material or a flowable solid.
  • heat pipes or heat pipes can be used for heat transfer to the container.
  • a heat exchanger With such a heat exchanger, a high heat flux density is made possible from the environment to the container.
  • the specific embodiment of such heat pipes is well known to the skilled person.
  • the wellhead refers to the entry of the borehole at the surface of the terrain or the mouth of the borehole.
  • the filling material preferably has a high thermal conductivity coefficient and / or a high specific heat capacity.
  • the high coefficient of thermal conductivity an efficient heat transfer to the medium, respectively via the vapor pressure vessel to the medium is achieved. Due to the high specific heat capacity, a high heat transfer capacity is achieved.
  • the filler material can also stabilize and support the wellbore, especially during heat recovery operation.
  • the term "drilling" is understood to mean at least one borehole in the soil or rock, which protrudes into a depth in which there is an elevated temperature relative to the surface. A hole does not necessarily have to be vertical, but can also have an angle of up to 90 ° to the horizontal.
  • the bore diameter can be sized differently and adapted to the circumstances.
  • a diameter may for example be between a few centimeters, for example between 10 and 30 cm, up to a meter or more. It is also possible that a bore does not have a single diameter, but several. For example, the bore diameter may continuously decrease from the beginning of the bore to the wellhead, that is, at the lowest point of the bore.
  • the conveyor ensures the transport of media.
  • the conveyor serves to convey the medium from the wellhead to the bottom of the well, where the medium is warmed or vaporized via the filler. Subsequently, the heated or vaporized medium is transported via the conveyor back to the wellhead, where the heat energy of the medium is used.
  • the usage can be manifold. Depending on the amount of heat can thus be operated a turbine for electricity production.
  • the heat energy can also be used directly, or via a heat exchanger, to heat buildings or to heat water. The person skilled in the art is familiar with further fields of application.
  • the conveyor need not necessarily have a drive, such as an electric motor or the like. It is also conceivable that the transport of the medium is achieved for example by a density difference between the cold medium and the heated medium. Likewise, the conveyor does not necessarily have a pipeline. In one embodiment, for example, only two separate holes may be provided, wherein in the bottom of a filling material is embedded. The medium is then guided into the first borehole and passes, for example in vapor form, back through the second borehole back to the surface. In a method for producing a device for obtaining geothermal heat, a filling material is introduced into a bore, with which heat from the filling material can be transferred to a medium.
  • the medium may be in direct contact with the filler material.
  • the filling material is preferably porous or is present as bulk material, so that a the largest possible surface is obtained, which allows a correspondingly large heat transfer with the medium.
  • the medium is preferably water. Water has several advantages, namely the high specific heat capacity, the high heat of vaporization and low viscosity at a relatively high boiling point. Due to its environmental compatibility, water can also be used in open circuits.
  • the medium is guided in a closed circuit.
  • contamination of the bottom but also of the medium can be avoided.
  • a largely free choice of the medium is achieved because the medium does not come into contact with the soil.
  • oils such as mineral oils, synthetic oils or biological oils and other media known to those skilled in the art, which are suitable as heat transfer, are used.
  • additives such as antifreeze, salts to lower the freezing point, etc.
  • the device preferably comprises a container having a container wall, a medium inlet and a medium outlet, wherein the container wall is in heat-conducting connection with the filling material and the medium inlet and the medium outlet are connected to the conveying device in a medium-conducting manner.
  • a container having a medium inlet and a medium outlet is embedded in heat-conducting contact in the filling material.
  • the container is preferably first placed in the region of the bottom of the well, in order subsequently to introduce the filling material.
  • the filling material can first be entered in order to then position the container.
  • the medium to be heated is fed into the container.
  • the medium is heated and then passes through the medium outlet again from the container.
  • the filling material does not necessarily have to be porous or have intermediate spaces, but may also be made compact, with which the heat conduction can be further increased.
  • Gaps or pores can but also be filled with a, preferably thermally conductive, medium, so that not necessarily a compact Gremateria! must be provided.
  • the medium is conveyed by the wellhead into a container located at the bottom of the well and then conveyed from the container to the wellhead, wherein the heat is transferred from the filler material via a container wall of the container to the medium.
  • the medium With which the medium can be chosen freely.
  • the medium can also be protected against contamination, with which, for example, corrosion of the device or blockages and damage can be avoided.
  • the container can also be a supply line and a derivative of the medium in the area of the bottom hole U-shaped connected.
  • the supply line in the region of the bottom of the well can also be spirally guided in order to increase the surface area for the heat exchange and to increase the time of the medium in the warm region of the bore.
  • the conveyor comprises a downcomer and a riser, wherein the downcomer is connected medium leading to the medium inlet and wherein the riser is connected medium leading to the medium outlet, wherein preferably the downpipe and the riser are coaxially guided.
  • the downpipe can be fed either via a pump with the medium, or only on the weight of the medium itself.
  • the medium can either only be heated or evaporated.
  • a pump for feeding the downpipe can still be provided to support respectively for better regulation.
  • a pump may be provided at the end of the riser, which favor or regulate the return of the steam or the heated medium can.
  • This may optionally be designed as a vapor pump.
  • the riser is preferably thermally insulated, so that a heat loss during the transport of the steam or the heated medium kept as low as possible and the highest possible heat yield can be achieved. Sufficient possibilities are known to the person skilled in the art for isolation, such as, for example, a double jacket, an insulation coating made of a fiber material, a thermal insulation foam such as rock wool, glass wool, polystyrene and / or vacuum, etc.
  • the downpipe and the riser pipe can be coaxial be guided. In variants can be dispensed with the downpipe.
  • the container can be supplied with the medium by flooding the borehole with the medium, so that the medium can penetrate into the container through the hydrostatic pressure via a valve.
  • the riser pipe and the downpipe do not necessarily have to be guided coaxially.
  • the downpipe includes a pipe extension, it may be advantageous for structural reasons, if the downpipe and the riser are not guided coaxially.
  • the downpipe preferably comprises a tube extension located inside the container, which in particular in the region of a wellhead comprises a deflection for the distribution of the medium.
  • the medium can be guided more targeted in the container.
  • the medium can absorb heat distributed over the entire container. It should in particular be prevented that the container overheats at a lower end, so that the medium entered evaporates too early and does not reach the lower end of the container.
  • the distribution of the medium in the container can be further optimized. Furthermore, this means that the medium input is separated locally from the medium outlet, so that the residence time of the medium in the container can be increased.
  • the deflection can be formed, for example, as lying transverse to the opening plate on which the medium jet impinges perpendicularly and so can be deflected by an angle of, for example, about 90 ° or more. This deflection can also be such that the medium is at least partially atomized.
  • the baffle but can also be designed as a simple pipe bend in the end region of the pipe extension.
  • the deflection can also be dispensed with.
  • the tube extension comprises a pressure reducing valve.
  • the medium inlet can be regulated in the container.
  • the pressure reducing valve can be set fixed or else be variably controllable.
  • the pressure reducing valve or one of the pressure reducing valves can be arranged at the beginning of the pipe extension respectively at the end of the downpipe in the region of entry into the container. Further, this, or another, pressure reducing valve may also be attached to the end of the pipe extension.
  • Such pressure reducing valves are well known to those skilled in the art.
  • the pressure reducing valve can also be dispensed with.
  • the tube extension may have a smaller inner diameter or be equipped with baffles, which reduce the flow rate of the medium.
  • the tube extension comprises a plurality of openings through which the medium in the container can be distributed. These openings are preferably distributed over the length of the tube extension.
  • the opening diameter can be varied so that the most uniform possible entry of the medium in the container is possible.
  • the tube extension can thus be closed in a lower region, so that the medium emerges exclusively through the openings in the tube jacket of the tube extension.
  • the tube extension can also have a taper at the lower end, whereby a backwater for the openings is achieved.
  • the openings in the tube extension can also be dispensed with, in particular if the container is not too long.
  • the openings in the edge region on a reinforcement which includes in particular artificial gems.
  • a reinforcement which includes in particular artificial gems.
  • the openings are preferably reinforced so that they can withstand the medium flow unscathed.
  • Such reinforcement can be achieved by shaping and / or the choice of material.
  • the openings are taken with artificial gemstones, since they have a particularly high hardness and yet are relatively inexpensive.
  • other materials such as specially hardened metal alloys and the like, may be used, with either the tube extension or just the areas around the openings being provided with the material. Depending on the operating pressure of the medium and / or the material of the tube extension can be dispensed with the gain of the openings.
  • the filler has a thermal conductivity of more than 10 W / m * K, preferably more than 40 W / m * K on.
  • the heat conduction for example, against a transmission via an air gap between the medium and the environment, be optimized.
  • W / m * K is, for example, high-alloy austenitic steel with about 15 W / m * K, titanium with 22 W / m * K and certain titanium alloys. This has the advantage that it is resistant to corrosion.
  • unalloyed or low-alloy steel 40-50 W / m * K
  • iron 80 W / m * K
  • carbon 120-160 W / m * K
  • suitable materials for the filling material Preferably, they are inert materials, which are inexpensive and environmentally friendly and are characterized by a good thermal conductivity.
  • a lower thermal conductivity can be accepted if, for example, an inserted container is sufficiently large, so that the desired performance can still be achieved.
  • calcium carbonate (calcite) or silica with a thermal conductivity of more than 1 W / m * K (water is just half) can be used.
  • the filler material comprises metal, in particular metal balls. The spherical shape is preferred because it can minimize the risk of jamming when entering the wellbore.
  • Metal as the material for the filler is also to be preferred, since it can be filled very compactly between the well and container due to the high density.
  • metals are characterized by a high thermal conductivity.
  • other substances can also be used as filling material.
  • the materials can also be entered in other shapes or aggregate states in the spaces between the container and the wellbore.
  • the filler material preferably comprises steel balls, preferably with a diameter of between 0.5 and 5 mm, in particular between 1 and 3 mm.
  • steel balls in particular made of low alloy steel, are preferable because they do not rust and yet have a fairly high thermal conductivity. Due to the relatively small diameter of the steel balls, a flowable bulk material is achieved, which is particularly easy to get into the spaces between the container and the borehole. Small balls are particularly preferable, since the heat conduction can be further improved.
  • the steel balls may also deviate in diameter from the above information, in particular, a steel powder with a particle size smaller than 0.5 mm or a mixture of steel balls of different diameters can be used.
  • a hole is made in a depth where a temperature of about 300 ° C prevails.
  • the drilling depth depends on the thermal gradient, depending on the drilling ground or the region where the drilling should take place. In the case of a large thermal gradient, that is to say when the temperature per meter of drilling depth increases sharply, the drilling depth can be lower than in the case of a drilling ground in which the temperature per meter of drilling depth increases less sharply.
  • the temperature at the bottom of the well is preferably between 350 ° C and 500 ° C. Depending on the bottom of the hole, this temperature can be reached even at shallower depths.
  • the temperature may be lower, for example between 200 ° C and 300 ° C. This depends on the purpose of the geothermal energy. If only a heating, a thermal bath or the like to be fed, even lower temperatures may be sufficient, so that typically the drilling depth can be chosen lower. Preferably, however, an optimal energy yield is sought.
  • the device can be operationally suitable even at shallower depths. This depends not least on the desired performance of the device. Thus, a drilling depth of 5 to 7 km or even between 1 and 5 km may be sufficient. If the method, or the device used for example in a volcanic area, the drilling depth can also be much lower. On the other hand, the drilling depth can be greater than 7 km.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for obtaining geothermal heat of a first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic representation of a container of a second
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for obtaining geothermal heat of a first embodiment.
  • a device 50 in the region of the wellhead, which comprises a heat exchanger, a steam dryer and a generator, medium leading.
  • the resulting between the bottom 2 and the container 10 gap is presently filled with a filler 40, which is present as steel balls with a diameter from about 0.5 mm. For an optimal heat transfer between the bottom 2 and the container 10 is achieved.
  • Drilling ground 2 is less than 5 km below the surface of the earth, with an elevated temperature of over 300 ° C at the bottom of the well.
  • the present embodiment comprises a container 10 having a length of 200 m or more with a diameter of over 15 cm.
  • the container 10 is thus formed substantially as a tube with an enlarged inner diameter.
  • the heat carrier water is used in the present embodiment.
  • the water passes through the hydrostatic pressure independently, that is without additional drive by pumps or the like, via the provided with an insulation 21 downpipe 20 in the downcomer immediately subsequent downcomer extension 26, which is already within the container 10 and therefore is not isolated ,
  • a pressure reducing valve 22 At the end of the drop tube 20 is a pressure reducing valve 22, whereby the water supply in the container 10 is controllable.
  • it is a valve with a constant setting. This is pre-set depending on the drilling depth and the downpipe diameter.
  • the water finally reaches the container 10 via the pressure reducing valve 22.
  • the heat of the bottom 2 is now transferred to the container wall via the filling material 40, ie via the steel balls. From the container wall, the heat is conducted to the medium, in this case water.
  • the water is thus vaporized and passes through the riser pipe 30, which is insulated with an insulating layer 31 against heat loss, upwards.
  • the hot steam finally enters the heat exchanger 50, where with the heat energy, for example via a steam turbine, a power generator can be operated. Before the steam reaches the steam turbine, it is passed through a superheater or steam dryer. Thus, the efficiency of the steam turbine can be increased.
  • this steam dryer can also be dispensed with if the steam temperature at the wellhead is above 374 ° C., since wet steam only exists between 100 ° C. and 374 ° C. (based on normal pressure), whereas at a temperature of more than 374 ° C. the steam already present as dry steam.
  • the now re-cooled water can be passed through the downpipe 20 into the container, making the cycle begins again.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device for obtaining geothermal heat of a second embodiment.
  • the container 10.1 is embedded in the well bottom (not shown) in a filler material 40 made of steel balls.
  • the downpipe 20.1 and the riser pipe 30.1 are guided coaxially until they enter the container 10.1.
  • the riser pipe in the present case opens inside the container 10.1 in an upper region, ie when it enters the container 10.1, laterally from the downpipe 20.1.
  • the downpipe 20.1 has an opening there.
  • the outlet can also be formed just above the container 10.1).
  • Both the downpipe 20.1 and the riser 30.1 are thermally insulated in the present case (not shown).
  • the downpipe 20.1 that is, the outer of the two coaxial tubes, immediately before entry into the container 10.1, a pressure reducing valve 22.1, which controls the entry of the water or the heat transfer medium.
  • the skilled person is aware of the design of such annular valves, for example, the pressure reducing valve 22.1 may be formed only as a taper of the downpipe.
  • the inlet of the riser 30.1 also outside, that is, formed above the container, so that the pressure reducing valve 22.1 between the inlet and the container can be arranged.
  • the entry of the riser 30.1 would be easily connected by a piece of pipe to the container, so that even a simple design, in particular controllable pressure reducing valve 22.1 can be provided.
  • the downcomer extension 20.1 has in the present case laterally openings 23, which are reinforced on the edge with artificial gemstones and thus protected against erosion. Through these openings, the water flows at high pressure and is uniformly sprayed in the container 10.1.
  • a nozzle 25 located at the distal end of the downcomer extension 26.1, ie at the outlet of the downcomer extension 26.1, a nozzle 25, which is directed downwards, in the direction of the downpipe 20.1.
  • a curved deflecting plate 24 is connected to the downcomer extension 26.1 in such a way that water exiting from the nozzle 25 strikes the concave side of the deflecting plate 24 and is sprayed on the circumference, laterally.
  • the embodiment according to FIG. 2 can also be equipped with a side-by-side parallel, ie not coaxially guided, downpipe and riser pipe.
  • the embodiment according to FIG. 1 may comprise such a deflection plate at the bottom of the downcomer extension 26.
  • the embodiment according to FIG. 1 can have openings according to the embodiment of FIG.
  • the steel balls can also have other diameters.
  • other materials for the heat transfer between bottom 2 and container 10 may be provided.
  • the gap could also be filled with a cementitious material or poured, which has a sufficiently good thermal conductivity.
  • the stability of the borehole could be further improved.
  • As a heat carrier in particular in the preferred closed circuit of the heat carrier, an oil or other liquids may be provided.
  • the pressure reducing valve 22 may also be mounted at the end of the downcomer extension 26.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung (1 ) mit einem Bohrlochkopf und einem Bohrgrund (2) umfasst eine Fördereinrichtung, womit ein Medium vom Bohrlochkopf zum Bohrgrund (2) sowie vom Bohrgrund (2) zum Bohrlochkopf förderbar ist. Die Vorrichtung umfasst weiter ein in den Bohrgrund (2) eingebrachtes Füllmaterial (40), womit Wärme an das Medium übertragbar ist.

Description

VORRICHTUNG ZUR GEWINNUNG VON ERDWÄRME
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung mit einem Bohrlochkopf und einem Bohrgrund, umfassend eine Fördereinrichtung, womit ein Medium vom Bohrlochkopf zum Bohrgrund sowie vom Bohrgrund zum Bohr!ochkopf förderbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Erdwärme. Stand der Technik
Die Gewinnung von Energie aus Erdwärme ist seit langem bekannt. Dazu wird in eine Bohrung ein Wärmeträgermedium geführt, um dies am Bohrgrund von der erhöhten Temperatur im Bohrgrund zu erwärmen und anschliessend an die Oberfläche zurück zu pumpen, wo die Wärmeenergie umgesetzt wird.
Um die geothermische Energiegewinnung zu optimieren sind verschiedenste Entwicklungen vorgenommen worden.
So zeigt zum Beispiel die EP 2 189 731 A1 eine solche geothermale Sonde. Die Vorrichtung umfasst ein abwärts gerichtetes Förderrohr, welches in einen sich im Erdreich befindlichen Behälter führt, sowie ein aufwärts gerichtetes Förderrohr, womit ein geschlossener Kreislauf für ein Medium (zum Beispiel Wasser) gebildet wird. Die Vorrichtung kann durch natürliche Zirkulation oder alternativ durch eine Pumpe betrieben sein.
Die DE 30 29 900 A1 betrifft einen Wärmetauscher zur Nutzung der Erdwärme, mit einem in einem Bohrloch eingebrachten Heizkessel, welcher über ein Ventil thermostatgesteuert oder nach dem Sturzflaschenprinzip gefüllt wird. Der Kessel wird über ein Fallrohr gefüllt, während der sich bildende Dampf über ein isoliertes Steigrohr nach oben abgeleitet wird.
Die bekannten Vorrichtungen zur Gewinnung von geothermischer Energie haben den Nachteil, dass sie einen zu kleinen Wirkungsgrad aufweisen respektive eine zu geringe Wärmeleistung respektive elektrische Leistung erzeugen.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Vorrichtung zur geothermischen Energiegewinnung zu schaffen, womit eine hohe Leistung erzeugbar ist. Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst die Vorrichtung weiter ein in den Bohrgrund eingebrachtes Füllmaterial, womit Wärme, vorzugsweise über einen Behälter, insbesondere über einen Dampfdruckbehälter, an das Medium übertragbar ist. In einem Verfahren zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung mit einem Bohrlochkopf und einem Bohrgrund wird mit einer Transporteinrichtung ein Medium vom Bohrlochkopf zum Bohrgrund und anschliessend vom Bohrgrund zum Bohrlochkopf gefördert, wobei Wärme von einem in den Bohrgrund eingelassenen Füllmaterial an das Medium übertragen wird. Beim Füllmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Schüttgut oder um einen fliessfähigen Feststoff. Alternativ können zur Wärmeübertragung an den Behälter auch sogenannte Wärmerohre oder Heatpipes eingesetzt werden. Mit solchen Wärmeüberträger wird eine hohe Wärmestromdichte von der Umgebung an den Behälter ermöglicht. Die konkrete Ausgestaltung solcher Wärmerohre ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Der Bohrlochkopf bezeichnet dabei den Eintritt des Bohrlochs an der Oberfläche des Geländes oder die Mündung des Bohrlochs.
Mit dem Füllmaterial wird ein Wärmetransport von der Umgebung des Bohrgrundes an das Medium verbessert. Dazu weist das Füllmaterial vorzugsweise einen hohen Wärmeleitkoeffizienten und/oder eine hohe spezifische Wärmekapazität auf. Mit dem hohen Wärmeleitkoeffizienten wird ein effizienter Wärmetransport zum Medium, respektive über den Dampfdruckbehälter zum Medium erreicht. Durch die hohe spezifische Wärmekapazität wird zudem eine hohe Wärmetransportleistung erreicht. Das Füllmaterial kann zudem das Bohrloch, insbesondere im Betrieb der Wärmegewinnung, stabilisieren und stützen. Unter dem Begriff "Bohrung" wird mindestens ein Bohrloch im Erdreich oder Gestein verstanden, welches in eine Tiefe ragt, in welcher eine erhöhte Temperatur gegenüber der Oberfläche herrscht. Eine Bohrung muss nicht zwingend senkrecht sein, sondern kann auch zur horizontalen einen Winkel von bis zu 90° aufweisen. Der Bohrungsdurchmesser kann unterschiedlich bemessen und den Umständen angepasst sein. Ein Durchmesser kann zum Beispiel zwischen wenigen Zentimetern, zum Beispiel zwischen 10 und 30 cm, bis hin zu einem Meter oder mehr betragen. Es ist auch möglich, dass eine Bohrung nicht einen einzigen Durchmesser aufweist, sondern mehrere. So kann der Bohrungsdurchmesser zum Beispiel vom Beginn der Bohrung an respektive vom Bohrlochkopf an der Erdoberfläche hin zum Bohrgrund, das heisst, am tiefsten Punkt der Bohrung, kontinuierlich abnehmen.
Die Fördereinrichtung stellt den Mediumtransport sicher. Einerseits dient die Fördereinrichtung der Förderung des Mediums vom Bohrlochkopf zum Bohrgrund, wo das Medium über das Füllmaterial aufgewärmt oder verdampft wird. Anschliessend wird das erwärmte oder verdampfte Medium über die Fördereinrichtung wieder zum Bohrlochkopf transportiert, wo die Wärmeenergie des Medium genutzt wird. Die Nutzung kann dabei vielfältig sein. Je nach Wärmemenge kann damit eine Turbine zur Stromproduktion betrieben werden. Weiter kann die Wärmeenergie auch direkt, oder über einen Wärmetauscher geführt, zum Heizen von Gebäuden oder zur Warmwasseraufbereitung verwendet werden. Dem Fachmann sind weitere Anwendungsgebiete bekannt.
Die Fördereinrichtung muss nicht zwingend über einen Antrieb, wie zum Beispiel einen Elektormotor oder dergleichen, verfügen. Es ist auch denkbar, dass der Transport des Medium zum Beispiel durch einen Dichteunterschied zwischen dem kalten Medium und dem erwärmten Medium erreicht wird. Ebenso muss die Fördereinrichtung nicht zwingend über eine Rohrleitung verfügen. In einer Ausführung können zum Beispiel lediglich zwei separate Bohrlöcher vorgesehen sein, wobei im Bohrgrund ein Füllmaterial eingelassen wird. Das Medium wird anschliessend in das erste Bohrloch geführt und gelangt, zum Beispiel dampfförmig, durch das zweite Bohrloch wieder zurück an die Oberfläche. In einem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme wird in eine Bohrung ein Füllmaterial gegeben, womit Wärme vom Füllmaterial an ein Medium übertragbar ist.
Das Medium kann zum Beispiel in direktem Kontakt mit dem Füllmaterial sein. In diesem Fall ist das Füllmaterial vorzugsweise porös oder liegt als Schüttgut vor, so dass eine möglichst grosse Oberfläche erhalten wird, welche eine entsprechend grosse Wärmeübertragung mit dem Medium ermöglicht. In diesem Fall ist das Medium vorzugsweise Wasser. Wasser hat mehrere Vorzüge, nämlich die hohe spezifische Wärmekapazität, die hohe Verdampfungswärme und niedrige Viskosität bei relativ hohem Siedepunkt. Aufgrund der Umweltverträglichkeit kann Wasser zudem eben in offenen Kreisläufen eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist das Medium aber in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Damit können einerseits Kontaminationen des Bohrgrundes, aber auch des Mediums vermieden werden. Des Weiteren wird damit eine weitgehend freie Wahl des Mediums erreicht, da das Medium ja mit dem Erdreich nicht in Kontakt kommt. So können auch Öle, wie zum Beispiel Mineralöle, Synthetiköle oder biologische Öle und andere dem Fachmann bekannte Medien, welche als Wärmeträger geeignet sind, , eingesetzt werden. Beim Einsatz von Wasser können damit auch Zusätze, wie Frostschutz, Salze zur Gefrierpunktsenkung etc. zugegeben werden. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Behälter mit einer Behälterwandung, einem Mediumeinlass und einem Mediumauslass, wobei die Behälterwandung in wärmeleitender Verbindung mit dem Füllmaterial steht und der Mediumeinlass und der Mediumauslass mediumführend mit der Fördereinrichtung verbunden sind.
Vorzugsweise wird ein Behälter mit einem Mediumeinlass und einem Mediumauslass in wärmeleitendem Kontakt in das Füllmaterial eingebettet. Bevorzugt wird dazu zuerst der Behälter im Bereich des Bohrgrunds platziert, um anschliessend das Füllmaterial einzutragen. In Varianten kann auch zuerst das Füllmaterial eingetragen werden, um anschliessend den Behälter zu positionieren.
Über den Mediumeinlass wird das aufzuwärmende Medium in den Behälter geführt. Im Behälter wird das Medium erwärmt und gelangt anschliessend durch den Mediumauslass wieder aus dem Behälter. Durch das Vorsehen eines Behälters wird nun ein geschlossener Mediumkreislauf ermöglicht. Das Füllmaterial muss in diesem Fall nicht zwingend porös sein respektive Zwischenräume aufweisen, sondern kann auch kompakt ausgebildet sein, womit die Wärmeleitung weiter erhöht werden kann. Zwischenräume oder Poren können aber auch mit einem, vorzugsweise wärmeleitenden, Medium gefüllt sein, so dass nicht zwingend ein kompaktes Füllmateria! vorgesehen sein muss.
Vorzugsweise wird das Medium vom Bohrlochkopf in einen sich am Bohrgrund befindlichen Behälter gefördert und anschliessend vom Behälter zum Bohrlochkopf gefördert, wobei die Wärme vom Füllmaterial über eine Behälterwandung des Behälters an das Medium übertragen wird. Damit wird eine physikalische Trennung des Füllmaterials und der Umgebung des Bohrgrundes vom Medium erreicht, womit das Medium frei gewählt werden kann. Dadurch kann das Medium auch vor Verunreinigungen geschützt werden, womit zum Beispiel eine Korrosion der Vorrichtung oder Verstopfungen und Beschädigungen vermieden werden können.
In Varianten kann auch auf den Behälter verzichtet werden. Es kann auch eine Zuleitung und eine Ableitung des Mediums im Bereich des Bohrgrunds U-förmig verbunden sein. In diesem Fall kann die Zuleitung im Bereich des Bohrgrunds auch spiralförmig geführt sein, um die Oberfläche für den Wärmeaustausch zu vergrössern und den zeitlichen Aufenthalt des Mediums im warmen Bereich der Bohrung zu vergrössern.
Bevorzugt umfasst die Fördereinrichtung ein Fallrohr und ein Steigrohr, wobei das Fallrohr mit dem Mediumeinlass mediumführend verbunden ist und wobei das Steigrohr mit dem Mediumauslass mediumführend verbunden ist, wobei vorzugsweise das Fallrohr und das Steigrohr koaxial geführt sind. Das Fallrohr kann dabei entweder über eine Pumpe mit dem Medium, oder nur über die Gewichtskraft des Mediums selbst gespiesen sein. Im Behälter angelangt, kann nämlich das Medium entweder nur aufgeheizt oder aber verdampft werden. Insbesondere im letzteren Fall, wenn das Medium im Behälter verdampft wird, hat dies zur Folge, dass die Dichte des Mediums massiv sinkt und mit Druck wieder an die Oberfläche geführt werden kann, so dass der hydrostatische Druck durch die Mediumsäule im Fallrohr dazu ausreichen kann. Natürlich kann zur Unterstützung respektive für eine bessere Regulierung dennoch eine Pumpe zum Speisen des Fallrohrs vorgesehen sein. Auch kann gegebenenfalls eine Pumpe am Ende des Steigrohrs vorgesehen sein, welche die Rückführung des Dampfes oder des erhitzten Mediums begünstigen respektive regulieren kann. Diese kann gegebenenfalls als Dampfpumpe ausgebildet sein. Das Steigrohr ist vorzugsweise wärmeisoliert, so dass ein Wärmeverlust während des Transportes des Dampfes respektive des aufgeheizten Mediums möglichst gering gehalten und eine möglichst grosse Wärmeausbeute erreicht werden kann. Für die Isolation sind dem Fachmann hinreichend Möglichkeiten bekannt, wie zum Beispiel durch einen Doppelmantel, eine Isolationsbeschichtung aus einem Faserwerkstoff, einem Wärmedämmschaum wie zum Beispiel Steinwolle, Glaswolle, Polystyrol und/oder Vakuum etc. In einer bevorzugten Ausführungsform können das Fallrohr und das Steigrohr koaxial geführt sein. In Varianten kann auch auf das Fallrohr verzichtet werden. Der Behälter kann in diesem Fall mit dem Medium versorgt werden, indem das Bohrloch mit dem Medium geflutet wird, so dass das Medium durch den hydrostatischen Druck über ein Ventil in den Behälter eindringen kann. Das Steigrohr und das Fallrohr müssen nicht zwingen koaxial geführt sein. Insbesondere wenn das Fallrohr einen Rohrfortsatz umfasst, kann es aus konstruktiven Gründen von Vorteil sein, wenn das Fallrohr und das Steigrohr nicht koaxial geführt sind.
Vorzugsweise umfasst das Fallrohr einen innerhalb des Behälters liegenden Rohrfortsatz, welcher insbesondere im Bereich eines Bohrlochkopfs eine Umlenkung zur Verteilung des Mediums umfasst. Damit kann das Medium gezielter in den Behälter geführt werden. Weiter kann damit gewährleistet werden, dass auch in einem verhältnismässig langen Behälter das Medium über den gesamten Behälter verteilt Wärme aufnehmen kann. Es soll insbesondere verhindert werden, dass der Behälter an einem unteren Ende überhitzt, so dass das eingetragene Medium zu früh verdampft und nicht bis zum unteren Ende des Behälters gelangt. Mit der Umlenkung kann die Verteilung des Mediums im Behälter weiter optimiert werden. Des Weiteren wird damit der Mediumeingang lokal vom Mediumausgang getrennt, so dass die Verweilzeit des Mediums im Behälter vergrössert werden kann. Die Umlenkung kann zum Beispiel als Quer zur Öffnung liegendes Blech ausgebildet sein, auf welches der Mediumstrahl senkrecht auftrifft und so um einen Winkel von beispielsweise ungefähr 90° oder mehr abgelenkt werden kann. Diese Umlenkung kann auch derart beschaffen sein, dass das Medium zumindest teilweise zerstäubt wird. Das Umlenkblech kann aber auch als einfacher Rohrbogen im Endbereich des Rohrfortsatzes ausgebildet sein.
In Varianten kann auf die Umlenkung auch verzichtet werden.
Vorzugsweise umfasst der Rohrfortsatz ein Druckreduzierventil. Damit kann der Mediumeinlass in den Behälter reguliert werden. Je nach Länge des Behälters respektive des Rohrfortsatzes kann es von Vorteil sein, mehrere Druckreduzierventile vorzusehen. Das Druckreduzierventil kann fix eingestellt sein oder aber auch variabel steuerbar sein. Das Druckreduzierventil oder eines der Druckreduzierventile kann eingangs des Rohrfortsatzes respektive am Ende des Fallrohrs im Bereich des Eintritts in den Behälter angeordnet sein. Weiter kann das, oder ein weiteres, Druckreduzierventil auch am Ende des Rohrfortsatzes angebracht sein. Solche Druckreduzierventile sind dem Fachmann hinreichend bekannt.
In Varianten kann auf das Druckreduzierventil auch verzichtet werden. Stattdessen kann auch der Rohrfortsatz einen geringeren Innendurchmesser aufweisen oder mit Schikanen ausgestattet sein, welche die Fliessgeschwindigkeit des Mediums reduzieren.
Bevorzugt umfasst der Rohrfortsatz mehrere Öffnungen, über welche das Medium im Behälter verteilbar ist. Diese Öffnungen sind vorzugsweise über die Länge des Rohrfortsatzes verteilt. Die Öffnungsdurchmesser können dabei derart variiert sein, dass ein möglichst gleichmässiger Eintrag des Mediums in den Behälter möglich wird. Der Rohrfortsatz kann damit in einem unteren Bereich geschlossen sein, so dass das Medium ausschliesslich durch die Öffnungen im Rohrmantel des Rohrfortsatzes austritt. Der Rohrfortsatz kann aber auch am unteren Ende eine Verjüngung aufweisen, womit ein Rückstau für die Öffnungen erreicht wird.
In Varianten kann auf die Öffnungen im Rohrfortsatz auch verzichtet werden, insbesondere wenn der Behälter nicht zu lang ist.
Vorzugsweise weisen die Öffnungen im Randbereich eine Verstärkung auf, welche insbesondere künstliche Edelsteine umfasst. Auch wenn der Rohrfortsatz aus besonders hartem Edelstahl hergestellt ist, muss dennoch an Kanten mit erosiven Beschädigungen durch das Medium gerechnet werden, da das Medium typischerweise mit hohem Druck in den Behälter eingetragen wird. Daher sind die Öffnungen bevorzugt derart verstärkt, dass sie dem Mediumstrom unbeschadet standhalten können. Eine solche Verstärkung kann durch eine Formgebung und/oder die Materialwahl erreicht werden. Besonders bevorzugt sind die Öffnungen mit künstlichen Edelsteinen gefasst, da diese eine besonders hohe Härte aufweisen und dennoch relativ kostengünstig sind. Alternativ können auch andere Materialien, wie speziell gehärtete Metalllegierungen und dergleichen eingesetzt werden, wobei entweder der Rohrfortsatz oder eben nur die Bereiche um die Öffnungen mit dem Material ausgestattet werden. Je nach Betriebsdruck des Mediums und/oder dem Material des Rohrfortsatzes kann auf die Verstärkung der Öffnungen auch verzichtet werden.
Bevorzugt weist das Füllmaterial eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/m*K, bevorzugt mehr als 40 W/m*K auf. Damit kann die Wärmeleitung, zum Beispiel gegenüber einer Übertragung über einen Luft-Zwischenraum zwischen dem Medium und der Umgebung, optimiert werden.
In einem Bereich von mehr als 10 W/m*K liegt zum Beispiel hochlegierter, austenitischer Stahl mit ca. 15 W/m*K, Titan mit 22 W/m*K sowie gewisse Titanlegierungen. Dieser hat den Vorteil, dass er resistent gegenüber Korrosion ist.
In einem Beeich von mehr als 40 W/m*K fallen zum Beispiel unlegierter oder niedrig legierter Stahl (40 - 50 W/m*K), Eisen (80 W/m*K) oder Kohlenstoff ( 120 - 160 W/m*K). Dem Fachmann sind auch weitere geeignete Stoffe für das Füllmaterial bekannt. Vorzugsweise handelt es sich um inerte Stoffe, welche kostengünstig und umweltverträglich sind und sich durch eine gute Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
In Varianten kann auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit in Kauf genommen werden, wenn zum Beispiel ein eingesetzter Behälter hinreichend gross ist, so dass die gewünschte Leistung dennoch erreicht werden kann. In diesem Fall kann auch Calciumcarbonat (Calcit) oder Siliciumdioxid mit einer Wärmeleitfähigkeit von jeweils über 1 W/m*K (Wasser weist gerade mal die Hälfte auf) eingesetzt werden. Bevorzugt umfasst aber das Füllmaterial Metall, insbesondere Metallkugeln. Die Kugelform ist bevorzugt, da damit die Gefahr des Verkantens beim Eintragen in das Bohrloch gering gehalten werden kann. Metall als Material für das Füllmaterial ist zudem zu bevorzugen, da es aufgrund der hohen Dichte besonders kompakt zwischen Bohrloch und Behälter eingefüllt werden kann. Zudem zeichnen sich Metalle durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
In Varianten können, wie weiter oben bereits erwähnt, auch andere Stoffe als Füllmaterial eingesetzt werden. Ebenso können die Materialien auch in anderen Formen oder Aggregatzuständen in die Zwischenräume zwischen dem Behälter und dem Bohrloch eingetragen werden.
Bevorzugt umfasst das Füllmaterial Stahlkugeln, vorzugsweise mit einem Durchmesser zwischen 0.5 und 5 mm, insbesondere zwischen 1 und 3 mm. Obschon reines Eisen etwa eine doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, sind Stahlkugeln, insbesondere aus niedrig legiertem Stahl, zu bevorzugen, da diese nicht rosten und dennoch eine recht hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Durch die relativ geringen Durchmesser der Stahlkugeln wird ein fliessfähiges Schüttgut erreicht, welches besonders einfach in die Zwischenräume zwischen dem Behälter und dem Bohrloch gelangen kann. Kleine Kugeln sind insbesondere zu bevorzugen, da damit die Wärmeleitung weiter verbessert werden kann.
Die Stahlkugeln können natürlich im Durchmesser auch von obigen Angaben abweichen, insbesondere kann auch ein Stahlpulver mit kleinerer Korngrösse als 0.5 mm oder ein Mischung von Stahlkugeln verschiedener Durchmesser eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird, in Abhängigkeit des Bohrgrundes, eine Bohrung in eine Tiefe vorgenommen, wo eine Temperatur von über 300°C herrscht. Anschliessend wird, allenfalls zuerst der Behälter und dann das Füllmaterial eingelassen. Die Bohrtiefe ist in Bezug auf den Wärmegradienten abhängig vom Bohrgrund respektive der Region, wo die Bohrung statt finden soll. Bei einem grossen Wärmegradienten, das heisst, wenn die Temperatur pro Meter Bohrtiefe stark zunimmt, kann die Bohrtiefe geringer ausfallen, als bei einem Bohrgrund, bei welchem die Temperatur pro Meter Bohrtiefe weniger stark zunimmt. Die Temperatur am Bohrgrund liegt vorzugsweise zwischen 350°C und 500°C. Je nach Bohrgrund kann diese Temperatur aber schon bei geringeren Tiefen erreicht werden. Abhängig von der gewünschten Leistung kann auch die Temperatur tiefer sein, zum Beispiel zwischen 200°C und 300°C. Dies hängt vom Einsatzzweck der Erdwärme ab. Falls lediglich eine Heizung, ein Thermalbad oder dergleichen gespiesen werden soll, können auch tiefere Temperaturen ausreichen, so dass typischerweise auch die Bohrtiefe geringer gewählt werden kann. Vorzugsweise wird aber eine optimale Energieausbeute angestrebt.
Dem Fachmann ist aber klar, dass die Vorrichtung auch bei geringeren Tiefen betriebstauglich sein kann. Dies hängt nicht zuletzt von der gewünschten Leistung der Vorrichtung ab. So kann eine Bohrtiefe von 5 bis 7 km oder sogar zwischen 1 und 5 km bereits ausreichen. Wird das Verfahren, respektive die Vorrichtung zum Beispiel in einem vulkanischen Gebiet eingesetzt, so kann die Bohrtiefe auch wesentlich geringer ausfallen. Andererseits kann die Bohrtiefe auch grösser als 7 km sein.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Gewinnung von geothermaler Wärme einer ersten Ausführungsform; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Behälters einer zweiten
Ausführungsform.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Gewinnung von geothermaler Wärme einer ersten Ausführungsform. In einem Bohrloch 1 wird dazu ein Behälter 10 am Bohrgrund 2 platziert, welcher über ein Fallrohr 20 und ein Steigrohr 30 mit einer Einrichtung 50 im Bereich des Bohrlochkopfs, welche einen Wärmetauscher, einen Dampftrockner und einen Generator umfasst, mediumführend verbunden ist. Der sich zwischen dem Bohrgrund 2 und dem Behälter 10 ergebende Zwischenraum ist vorliegend mit einem Füllmaterial 40 gefüllt, welches als Stahlkugeln mit Durchmesser ab ca. 0.5 mm vorliegt. Damit wird ein optimaler Wärmetransport zwischen dem Bohrgrund 2 und dem Behälter 10 erreicht.
Der Bohrgrund 2 befindet sich unter 5 km unter der Erdoberfläche, wobei am Bohrgrund eine erhöhte Temperatur von über 300°C herrscht. Die vorliegende Ausführungsform umfasst einen Behälter 10, welcher eine Länge von 200 m oder mehr bei einem Durchmesser von über 15 cm aufweist. Der Behälter 10 ist damit im Wesentlichen als Rohr mit vergrössertem Innendurchmesser ausgebildet.
Als Wärmeträger wird in der vorliegenden Ausführungsform Wasser eingesetzt. Das Wasser gelangt durch den hydrostatischen Druck selbstständig, das heisst ohne zusätzlichen Antrieb durch Pumpen oder dergleichen, über das mit einer Isolation 21 versehene Fallrohr 20 in den sich dem Fallrohr unmittelbar anschliessenden Fallrohrfortsatz 26, welcher bereits innerhalb des Behälters 10 liegt und daher nicht isoliert ist. Am Ende des Fallrohres 20 befindet sich ein Druckreduzierventil 22, womit die Wasserzufuhr in den Behälter 10 steuerbar ist. Vorliegend handelt es sich um ein Ventil mit konstanter Einstellung. Dies wird abhängig von der Bohrtiefe und dem Fallrohrdurchmesser vorgängig eingestellt.
Über das Druckreduzierventil 22 gelangt das Wasser schliesslich in den Behälter 10. Die Wärme des Bohrgrunds 2 wird nun über das Füllmaterial 40, das heisst über die Stahlkugeln, an die Behälterwand übertragen. Von der Behälterwand wird die Wärme an das Medium, vorliegend Wasser geleitet. Das Wasser wird damit verdampft und gelangt über das Steigrohr 30, welches mit einer Isolationsschicht 31 gegen Wärmeverlust isoliert ist, nach oben. Der heisse Dampf gelangt schliesslich in den Wärmetauscher 50, wo mit der Wärmeenergie, zum Beispiel über eine Dampfturbine, ein Stromgenerator betrieben werden kann. Bevor der Dampf zur Dampfturbine gelangt, wird er über einen Überhitzer oder Dampftrockner geführt. Damit kann der Wirkungsgrad der Dampfturbine erhöht werden. Auf diesen Dampftrockner kann aber auch verzichtet werden, wenn die Dampftemperatur beim Bohrlochkopf über 374°C liegt, da Nassdampf nur zwischen 100°C und 374°C existiert (bezogen auf Normaldruck), wohingegen bei einer Temperatur von mehr als 374°C der Dampf bereits als Trockendampf vorliegt.
Nachdem dem kondensierten Dampf die Restwärme entzogen worden ist, kann das nun wieder abgekühlte Wasser über das Fallrohr 20 in den Behälter geführt werden, womit der Kreislauf von neuem beginnt.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Gewinnung von geothermaler Wärme einer zweiten Ausführungsform. Wie bei der ersten Ausführungsform ist der Behälter 10.1 im Bohrgrund (nicht dargestellt) in einem Füllmaterial 40 bestehend aus Stahlkugeln, eingebettet. Im Unterschied zur Figur 1 sind das Fallrohr 20.1 und das Steigrohr 30.1 bis zum Eintritt in den Behälter 10.1 koaxial geführt. Um den Auslass aus dem Fallrohr 20.1 und den Einlass des Steigrohrs 30.1 lokal zu trennen, mündet das Steigrohr vorliegend innerhalb des Behälters 10.1 in einem oberen Bereich, das heisst beim Eintritt in den Behälter 10.1 , seitlich aus dem Fallrohr 20.1. Dazu weist das Fallrohr 20.1 dort eine Durchbrechung auf. Dem Fachmann sind aber auch andere Modifikationen desselben Prinzips bekannt (der Austritt kann auch knapp oberhalb des Behälters 10.1 ausgebildet sein).
Sowohl das Fallrohr 20.1 als auch das Steigrohr 30.1 sind vorliegend wärmeisoliert (nicht dargestellt). Das Fallrohr 20.1 , das heisst, das äussere der beiden koaxialen Rohre, umfasst unmittelbar vor dem Eintritt in den Behälter 10.1 ein Druckreduzierventil 22.1 , welches den Eintritt des Wassers respektive des Wärmeträgermediums kontrolliert. Dem Fachmann ist die Ausbildung solcher annularen Ventile bekannt, zum Beispiel kann das Druckreduzierventil 22.1 lediglich als eine Verjüngung des Fallrohrs ausgebildet sein.
Alternativ kann der Eintritt des Steigrohrs 30.1 auch ausserhalb, das heisst oberhalb des Behälters ausgebildet sein, so dass das Druckreduzierventil 22.1 zwischen dem Eintritt und dem Behälter angeordnet werden kann. Der Eintritt des Steigrohrs 30.1 würde einfach durch ein Rohrstück mit dem Behälter verbunden werden, so dass auch ein einfach aufgebautes, insbesondere regelbares Druckreduzierventil 22.1 vorgesehen sein kann.
Der Fallrohrfortsatz 20.1 weist vorliegend seitlich Öffnungen 23 auf, welche randseitig mit künstlichen Edelsteinen verstärkt und so gegen Erosion geschützt sind. Durch diese Öffnungen strömt das Wasser mit hohem Druck und wird gleichmässig im Behälter 10.1 versprüht. In dieser Ausführung befindet sich am distalen Ende des Fallrohrfortsatzes 26.1 , das heisst beim Austritt des Fallrohrfortsatzes 26.1 , eine Düse 25, welche nach unten, in Richtung des Fallrohrs 20.1 , gerichtet ist. Unterhalb der Düse 25 ist ein gewölbtes Umlenkblech 24 mit dem Fallrohrfortsatz 26.1 derart verbunden, dass aus der Düse 25 austretendes Wasser auf die konkave Seite des Umlenkblechs 24 trifft und so umfangseitig, seitlich versprüht wird.
In einer dritten, nicht dargestellten Variante kann auf das Umlenkblech in der Ausführung gemäss Figur 2 auch verzichtet werden. Ebenso kann die Ausführungsform gemäss Figur 2 auch mit parallel nebeneinander, das heisst nicht koaxial geführten, Fallrohr und Steigrohr ausgestattet sein. In einer vierten, nicht dargestellten Variante kann die Ausführungsform gemäss Figur 1 ein solches Umlenkblech unten am Fallrohrfortsatz 26 umfassen. In einer fünften, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Ausführungsform gemäss Figur 1 Öffnungen gemäss der Ausführungsform der Figur 2 aufweisen. Die Stahlkugeln können auch andere Durchmesser aufweisen. Zudem können auch andere Materialien für den Wärmetransport zwischen Bohrgrund 2 und Behälter 10 vorgesehen sein. So könnte der Zwischenraum auch mit einem zementartigen Material aufgefüllt respektive ausgegossen werden, welches eine hinreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Damit könnte zudem die Stabilität des Bohrlochs weiter verbessert werden. Als Wärmeträger können, insbesondere beim bevorzugten geschlossenen Kreislauf des Wärmeträgers, auch ein Öl oder weitere Flüssigkeiten vorgesehen sein. Das Druckreduzierventil 22 kann auch am Ende des Fallrohrfortsatzes 26 montiert sein.
Statt den Wasserdampf durch einen Wärmetauscher zu führen, kann damit auch direkt eine Dampfturbine oder dergleichen betrieben werden (zum Beispiel zur Stromerzeugung). Auch wenn in der Figur 1 die Bohrung senkrecht dargestellt wird, ist dem Fachmann klar, dass solche Bohrungen auch einen gewissen Neigungswinkel aufweisen können. Dieser kann zum Beispiel zwischen einem Winkel von bis 10° zur Vertikalen liegen oder auch grösser sein. Zusammenfassend ist festzustellen, dass erfindungsgemäss eine besonders effiziente Vorrichtung zur Gewinnung von geothermaler Energie geschaffen wird.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung (1 ) mit einem Bohrlochkopf und einem Bohrgrund (2), umfassend eine Fördereinrichtung, womit ein Medium von dem Bohrlochkopf zum Bohrgrund (2) sowie vom Bohrgrund (2) zum Bohriochkopf förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiter ein in den Bohrgrund (2) eingebrachtes Füllmaterial (40) umfasst, womit Wärme an das Medium übertragbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Behälter ( 10) mit einer Behälterwandung, einem Mediumeinlass und einem Mediumauslass umfasst, wobei die Behälterwandung in wärmeleitender Verbindung mit dem Füllmaterial (40) steht und der Mediumeinlass und der Mediumauslass mediumführend mit der Fördereinrichtung verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung ein Fallrohr (20) und ein Steigrohr (30) umfasst, wobei das Fallrohr (20) mit dem Mediumeinlass mediumführend verbunden ist und wobei das Steigrohr (30) mit dem Mediumauslass mediumführend verbunden ist, wobei vorzugsweise das Fallrohr (20) und das Steigrohr (30) koaxial geführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fallrohr (20) einen innerhalb des Behälters (10) liegender Rohrfortsatz (26) umfasst, welcher insbesondere im Bereich eines Bohrlochkopfs des Rohrfortsatzes (26) eine Umlenkung zur Verteilung des Mediums umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrfortsatz (26) ein Druckreduzierventil (22) umfasst.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrfortsatz (26) mehrere Öffnungen (23) umfasst, über welche das Medium im Behälter (10) verteilbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (23) im Randbereich eine Verstärkung aufweisen, welche insbesondere künstliche Edelsteine umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (40) eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/m*K, bevorzugt mehr als 40 W/m*K, aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (40) Metall, insbesondere Metallkugeln, umfasst.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (40) Stahlkugeln umfasst, vorzugsweise mit einen Durchmesser zwischen 0.4 und 5 mm, insbesondere zwischen 0.5 und 3 mm.
1 1. Verfahren zur Gewinnung von Erdwärme aus einer Bohrung mit einem Bohrlochkopf und einem Bohrgrund (2), wobei mit einer Transporteinrichtung ein Medium vom Bohrlochkopf zum Bohrgrund (2) und anschliessend vom Bohrgrund (2) zum Bohrlochkopf gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von einem in den Bohrgrund (2) eingelassenen Füllmaterial (40) an das Medium übertragen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Medium vom Bohrlochkopf in einen sich am Bohrgrund (2) befindlichen Behälter ( 10) gefördert wird und anschliessend vom Behälter (10) zum Bohrlochkopf gefördert wird, wobei die Wärme vom Füllmaterial (40) über eine Behälterwandung des Behälters ( 10) an das Medium übertragen wird.
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