DE2113341C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausbeutung von Erdwärme-Energiequellen - Google Patents

Description

aberfläche ein zusätzlicher Energieaufwand zum kann es zweckmäßig sein, an der Fluidumsauslauf-

Heben des erwärmten Wärmeträger oder zum Her- stelle mindestens ein schräges Bohrloch niederzu-

ausdrücken desselben über dieses Niveau bis an die bringen, um ausreichendes Aufnahmevermögen für

Oberfläche erforderlich. Dies erfordert zusätzlichen abzuleitendes Fluidum in wenig durchlässigen Mas-

Energie-Eigenbedarf und senkt die Wirtschaftlichkeit S siven zu erhalten,

der Anlage im ganzen. Eine Vorrichtung zur Durchführung der vorstehend

Die Ausbeutung von Energiequellen, bei denen umrissenen Verfahren, bei welcher mindestens ein niedrigere Temperaturen, bedeutende Wassersätti- mindestens bis zur produktiven Schicht niedergegung und natürliche Durchlässigkeit der Gesteine an- brachtes Bohrloch vorhanden ist und die eine Futtergetroffen werden, wie dies in den meisten Gebieten io rohrtour und eine unten offene Produktionsrohrtour mit Lagerstätten von Thermalwassern der Fall ist, ist besitzt, weist erfindungsgemäß mindestens eine Ableisehr kompüziert, da die produktiven Speichergesteine tungsöffnung für das Fluidum in der Produktionsdurchlässig, die Vorräte an Thermalwasser begrenzt rohrtour und eine Einrichtung zur Wärmeübertragung und letztere oft stark mineralisiert sind, so daß teil- zwischen dem Fluidum und dem Wärmeträger auf, weises oder vollkommenes Verstopfen des Bohrlochs 15 welche in dem Abschnitt der Produktionsrohrtour, die Folge ist. der zwischen der Fluidumableitungsstelle und der

Es ist auch zu beachten, daß die Ausbeutung von produktiven Schicht liegt, angeordnet isL
Thermalwassern mit ununterbrochener Entnahme Die Einrichtung zur Wärmeübertragung dieser vorderselben ohne darauffolgende Rückleitung in den geschlagenen Vorrichtung ist zweckmäßigerweise als wasserführenden Flöz die Wasserbilanz der produk- ao Wärmeaustauscher ausgebildet, in dem der von der tiven Schicht stört. Dies erzwingt eine flächenweise Oberfläche her eingepumpte Wärmeträger zirkuliert. Ausbeutung der Lagerstätte mit einer großen Anzahl Dabei wird der Fluidumskreislauf zweckmäßig durch der niederzubringenden Bohrlöcher, wodurch die eine Pumpe, die z. B. in der Produktionsrohrtour anAusbeutung der hydrothermalen Schichten in Rieh- geordnet sein kann, erzeugt,
tung der Tiefe ihrer Lagerung begrenzt wird. as Die vorstehenden erfindungsgemäßen Vorschläge

Es sind auch andere Ausbeutungsverfahren für ermöglichen die Ausbeutung von Erdwärme-Energie-Erdwärme-Energiequellen bekannt, bei denen die in quellen in Gesteinsschichten jeder in der Natur vorihnen enthaltene geothermale Energie in Dampf- kommenden Durchlässigkeit und an beliebigen Stelhydrothermen entnommen wird. In der Regel sind len, wo ein entsprechender Bedarf besteht. Vorteilsolche Lagerstätten weit von den Hauptverbrauchern 30 haft ist insbesondere, daß durch die Anwendung des der Energie entfernt, wodurch die Verwendung der- Verfahrens die materielle Bilanz des Erdinnern nicht selben erschwert wird. beeinflußt wird. Die Tiefe der ausgebeuteten Schich-

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter ten kann zwischen einigen Dutzend Metern und meh-

Vermeidung der beschriebenen Nachteile ein Verfah- reren Kilometern betragen, wobei sowohl trockene

ren sowie eine Vorrichtung zur Ausbeutung von Erd- 35 kristalline Gesteine als auch wassergesättigte Gesteine

wärme-Energiequellen zu schaffen, welche bei gerin- mit hohem Mineralgehalt des Fluidums ausgebeutet

gern Aufwand und ohne Gefahren von Betriebsstö- werden können. Die Gefahr radioaktiver Strahlung

rungen eine zuverlässige Ausbeutung der Energie er- an der Erdoberfläche auf Grund der unterirdischen

möglichen. nuklearen Sprengungen ist beseitigt.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs be- 40 Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschriebenen Art wird hierzu erfindungsgemäß vorge- Schreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der schlagen, daß gleichzeitig mit dem Einpumpen des Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt
Wärmeträgers das im Gestein enthaltene Fluidum F i g. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum unter Bildung eines unterirdischen Kreislaufs in den Gewinnen geothermaler Energie,
Bohrschacht geleitet, in diesem in Wärmeaustausch 45 F i g. 2 eine im Bohrloch befindliche, erfindungsgemit dem Wärmeträger gebracht, über oder unter der mäße Einrichtung zum Durchführen des Wärmeausproduktiven Gesteinsschicht wieder aus dem Bohr- tausches zwischen Wärmeträger und Fluidum,
schacht entlassen und durch das durchlässige Ge- F i g. 3 in schematischer Darstellung die Bewegung stein zu seinem Einlaß in den Bohrschacht zurückge- des Fluidums und des Wärmeträgers im Abschnitt, in führt wird. 5° dem erfindungsgemäß ihr Wärmeaustausch stattfindet,

Bei diesem Verfahren kann der Wärmeträger so- F i g. 4 die Anordnung des in Sektionsbauart aus·

wohl vom Fluidum Wärme aufnehmen als auch geführten erfiudungsgemäßen Wärmeaustauschers im

Wärme an dieses abgeben, so daß die Ausbeutung Querschnitt,

Von positiven oder negativen Erdwärme-Energiequel- F i g. 5 die Anordnung des erfindungsgemäßer

len in gleicher Weise vorteilhaft möglich ist. 55 Wärmeaustauschers vom Typ mit ineinander einge

Es ist eine vorteilhafte Maßnahme, daß das flui- setzten Rohren im Querschnitt.

dumsdurchlässige Gesteinsmassiv über oder unter der Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahrer

produktiven Schicht mittels mindestens einer unter- und der Vorrichtung zu seiner Durchführung wird ir

irdischen Sprengung erzeugt wird, während das Flui- den Gesteinen enthaltenes Fluidum in das Bohrlocr

dum aus der produktiven Schicht längs des Schachts 60 geleitet, seine Strömung im Schacht veranlaßt, dei

bis zur Auslaufstelle, die sich in der Zone des ge- Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger durchgeführ

schossenen Gesteins befindet, geleitet wird. Es ist und das verbrauchte Fluidum aus dem Bohrloch ir

weiterhin vorteilhaft, wenn in der produktiven Schicht die letzteres umgebenden Gesteine geleitet, die siel

mindestens eine unterirdische Sprengung durchge- durch hohe Durchlässigkeit und großes Aufnahme

führt wird, um die Durchlässigkeit der Gesteine zur 65 vermögen auszeichnen sowie über oder unter der pro

Verbesserung des Fluidumskreislaufs im Gesteins- duktiven Schicht liegen, aus der das Fluidum ent

massiv zu erhöhen. nommen wurde. Das aus dem Bohrloch fortgeleitet«

Unter bestimmten geologischen Verhältnissen Fluidum breitet sich in Streichrichtung der Flöze unc

2 113 34t: *
5 ^J 6

sahkreehtguihF aus, durchdringtieinen großen Raum liegt, das Flüidutni wünschenswerterweise über seiner mit dufehlässigen Gesteinen und'kehrt zu seiner Ent- Aufnahmestelle im iBohrlqchjfprtgeleite,t_f werden. In riähmeStelle^:iiim "Bohrloch· zürübk, wobei sich sein der Praxis sind fälle möglich* wo der,Pluidumsa^laüf Wärmeinhält; diircH'Kontakt mit'den Gesteinen ändert umgekehrt durchgeführt, werden rmyß und.die öben^ und ein geschlossenes unterirdisches Umlaufsystem 5 dargelegten Prinzipien nicht beachtet werden. _: entsteht. Äüf'-diese"Weise fcsinn'iFluidum in deniGe- Die Art des Wärmeträgers, der.in. das. Elphrloch steinsflözenyurnläuferi, währendi'der Wärmeaustausch geleitet wirdj<hängt;ypmGharakter^nd.ypri/den Ber mit dem Wärmeträger durchgeführt werden kann, dürfnissen des Verbrauchers sowie von der Zweckbeohne daß das Fluidum an die Oberfläche gehoben Stimmung des Wärmeträgers (Entnehmen von Fluiwird und ohne daß sein Aggregatzustand und die io dumsenergie oder Abgeben von Energie ans Fluidum) Flözverhältnisse geändert werden, was besonders ab. Der Abschnitt des thermodynamischen Kreislaufs, wichtig beim Gewinnen von geothermer Energie aus in dem die Wechselwirkung des Fluidums mit dem erwärmten Gesteinen, die in großer Tiefe liegen, so- Wärmeträger stattfinden soll, wird auf Grund konwie zum Erleichtern der Bohrloch-Betriebsbedingun- kreter Betriebsbedingungen des Systems und der Forgen und zum Beseitigen der Bohrlochverstopfung ist, 15 derungen des Verbrauchers gewählt. In den Fällen, wenn hochmineralisierte hydrothermale Lagerstätten wenn der thermodynamische Kreislauf durch Entnehausgebeutet werden. Auf diese Weise kann auch der men der Energie und Gewinnen derselben an der Auswuif von Radioaktivität und die hiermit verbun- Oberfläche oder in den hochliegenden Schichtreihen dene Gefahr radioaktiver Verseuchung der Aus- erfolgt, findet der Wärmeaustausch im Bohrlochrüstung vermieden werden. ao schacht in dem Abschnitt, der zwischen Aufnahme-

Der Fluidumkreislauf verläuft, wenn der Wärme- und Auslaufstelle des Fluidums liegt, statt. Wenn träger gekühlt werden muß, ebenso im unterirdischen während des Kreisprozesses der Wärmeträger abge-Kreislauf. Es kann jedoch, wenn die Tiefen gering kühlt wird und wenn die Bohrlochtiefe es nicht ersind und das Fluidum aus schwachmineralisiertem möglicht, einen effektiven Wärmeaustausch zwischen reinem Wasser besteht, die Wechselwirkung zwischen 25 Wärmeträger und Fluidum durchzuführen, kann die-Wärmeträger und Fluidum außerhalb des Bohrlochs ser Abschnitt außerhalb des Bohrlochs, z. B. im Grustattfinden, das bis zur produktiven Schicht niederge- benbau oder an der Oberfläche, angeordnet werden, bracht ist, wobei aber das Fluidum ebenso wie früher Hierbei entsprechen Auslauf und Kreislauf des Fluifortgeleitet wird. dums dem oben beschriebenen Prinzip. Im Allge-

Bekanntlich besteht ein Gesteinsflöz aus einem 30 meinfall, wenn Fluidum und Wärmeträger wesenskomplizierten geologischen und hydrologischen Sy- ähnlich sind, können sie längs eines bestimmten Abstem, dessen Haupteigenschaften — Durchlässigkeit, Schnitts der thermodynamischen Wechselwirkung zu Wassersättigung, Temperatur — sehr ungleichmäßig einem gemeinsamen Wärmeträger vereinigt werden, sind und sich in weitem Bereich nicht nur in Höhen- Da die Vorrichtung einen verlustlosen Kreislauf richtung des geologischen Profils, sondern auch in 35 des Wärmeträgers im Bohrloch in der Wärmeaus-Streichrichtung des Flözes selbst ändern können. tauschzone sicherstellt und da er von der Oberfläche

Infolgedessen kann die unterirdische Sprengung, her eingepumpt werden kann, kann vorliegendes Verdie an gegebener Stelle des geologischen Profils durch- fahren im Tiefenbereich von einigen Dutzend Metern geführt ist, als Mittel zum Verbessern der Filtrations- bis zu Tiefen verwandt werden, die durch den Stand charakteristik des Flözes mindestens im Bereich des 40 und die Entwicklung neuzeitlicher Mittel zum Bohrgeschossenen Gesteins betrachtet werden. loohniederbringen begrenzt werden.

Die Ausbeutung von wenig durchlässigen Gesteinen Für konkrete hydrogeologische und geothemische

des Kristalline ist praktisch überhaupt unmöglich, Verhältnisse des Gebiets können gewählt werden:

ohne zuvor Bedingungen zu schaffen, welche die schematisch unterschiedliche Anlagenausführungen,

Fluidumströmung ermöglichen. 45 Zahl und Durchmesser der Produktionsbohrlöcher,

Durchlässige Gesteine der Sedimentdeckschicht Ausbeutungstiefe; Wänneaustauschertyp, -fläche und können ebenfalls das Ausführen von unterirdischen -länge; Durchlaufmenge des Fluidums und Wärme-Sprengungen verlangen, wenn auch nur um das Auf- trägers; unterirdischer Kesselrauminhalt usw. Die aahmevermögen und die Fütrationseigenschaften der obere Produktivitätsgrenze bei festgelegter Ausbeu-Flöze zn verbessern. So tungsdauer der Anlage wird durch Ausgangstempera-

Es wird danach gestiebt, durch Anzahl and Korn- tor der Gesteine, Förderleistung der Pumpen, unterbinieren der Sprengungen den besten Effekt bei der irdischen Kesselraummhalt, ausgenutztes Tempera-Ausnutzung aller Möglichkeiten and Besonderheiten turgeiälle bestimmt. AHe erwähnten Parameter werjeder einzelnen geologischen Formation zu erhalten, den in jedem konkreten FaQ auf Grund techmscanm den Kreislauf des Fluidums und Wärmeaustausch SS ökonomischer Berechnung festgelegt
desselben mit einem möglichst großen Gesteinsraum Die Erfindung wkd mit einer Vorrichtung verwirkzu erzeugen. ficht, welche mmdesteas eine bis zur produktiven

Das Fluidum dient als natürlicher Wäretrer, Schicht niedergebrachte trrobrtor, eine unten

der außer seinen thermophysikalischen Eigenschaften offene Produktionsrohrtour, Mittel zum Zuleiten von noch durch den Gehalt an gelösten Salzen and Gasen *> Fluidum von seiner Entnahmestelle and Mittel zum

sowie einigen schädlichen Beimengungen gekenn- Andern des Wätmeinhaltes des Wärmeträgers, der zeichnet ist Die Änderung der Fhridmnstemperatar zum Wärmeaustausch mit dem Fhridnm ins Bohrloch hängt von der Änderung der Fluidamsdichte ab. Des- gepumpt wird, umfaßt

halb ist es zweckmäßig, wenn die Fluidumtemperatur Als Mittel zum ZateHen des Fhridams wird eine gjer der WeüitiM liegt, abgekühltes 63 Tauchpumpe verwandt, die an der Stelle, an der

Fhndnm miterhalb seiner Aufnabmesterie foitzaki- Flaidum aas der produktiven Schient ten Umgekehrt soll, wenn die Fhridamtemperatar wird, angeordnet werden kann. Als Einrichtung zum enter der Temperatur des zn Wärmeträgers Andern des Wärmeinhalts dient em Wu-

scher, ζ. B. ein Oberflächenwärmeaustauscher, der triert wird» schrägen Btihrlöcliern 8 sowie 2Lenlentisich im Bohrlochschacht über der Pumpe befindet. ringen'-Is*zum FixiereWder-lÄge» einzelner'ii

Fig. 1 zeigt eine Anlage zum Gewinnen geother- tungsteile und zum^ Besiommen^deS maler Energie, wobei mit der Vorrichtung das oben tüng vonWärmeträger Und FMdü beschriebene Verfahren durchgeführt wird. Die erfin- 5 tauscher und im zwischen dem Wärmeaustauscher? dungsgemäße Vorrichtung befindet sich in der Zone der Prodaktionsrohrtour 3 und dem Bohrloch gebilder unterirdischen Sprengung, die in der produktiven detein Räam. i'' ;i >-; >■" ) η-ϊ<ν ynrf;¹- ; nV Schicht 1 vorgenommen wurde. Zur Vorrichtung ge- An dei5iÄuslaüfstellef4tderiSPrödiu^n*srMf^r3 hört mindestens eine Futterrohrtour 2, die mindestens befinden sich eine oder mehrere öffnungen'"1S, "die bis zur Tiefe der produktiven Schicht 1 niederge- io durch Perforieren oder Bohren hergestellt sind, bracht und ausgebaut ist. In die Futterrohrtour 2 ist F i g. 3 zeigt die Stromungsrichtung des Wärmeeine Produktionsrohrtour 3 eingesetzt. Die Rolle der trägers und Fluidums in der erfindungsgemäßen Vorletzteren kann die Futterrohrtour 2 des Bohrlochs richtung. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers mit offenem Ende an der Bohrlochsohle oder mit ist in F i g. 2 und 3 durch Strichlinien, die des Flui-Perforierung in der Nähe der unteren Höhenlage spie- 15 dums durch Volumen angegeben, len. Im Ober- und Unterteil des Schachtes des Bohr- Der erwärmte Wärmeträger steigt hoch und wird lochs befinden sich eine Auslaufstelle 4 und eine Auf- zum Verbraucher geleitet, der sich an der Oberfläche nahmestelle 5 des Fluidums, deren Lage im Schacht oder in einer Gesteinsschichtreihe befinden kann, von den Verhältnissen des konkreten geologischen Wärmeverluste beim Aufsteigen des erwärmten Profils abhängt. Die Auslaufstelle 4 des Fluidums ao Wärmeträgers können durch bekannte Isolier-Methokann sich über oder unter der produktiven Schicht 1 den, z. B. durch Aufbringen auf die Rohroberfläche befinden, während die Aufnahmestelle 5 in gut durch- von Werkstoffen, die geringe Wärmeleitfähigkeit lässigen, das Bohrloch umgebenden Gesteinen der haben, oder durch Verwenden eines Ringspalts, der produktiven Schicht 1 gewählt werden kann. An der mit Gas oder Flüssigkeit mit niedriger Wärmeleit-Aufnahmestdle 5 befindet sich eine Einrichtung zum as f ähigkeit gefüllt ist, vermindert werden. Entnehmen und Weiterleiten des Fluidums im Bohr- F i g. 4 zeigt den Querschnitt des Wärmeaustaulochschacht, z. B. eine Tauchpumpe 6. Die letztere schers 7 in Sektionsbauart mit Sektionen 16. wird dann vorgesehen, wenn der natürliche Druck Bei dieser Ausbildung kann der Wärmeträger, der des aus der produktiven Schicht 1 zuströmenden Flui- entsprechend den Forderungen des Verbrauchers in dums nicht ausreicht, um es auf die erforderliche 30 jede der Sektionen 16 geleitet wird, verschiedenartig Höhe zu heben. Zum Durchführen des Wärmeaus- sein, z. B. kann eine Sektion von flüssigem Wärmetauschs des Fluidums mit dem Wärmeträger wird in träger und eine andere Sektion von gasförmigem der Produktionsrohrtour 3 des Bohrlochs ein Wärme- Wärmeträger durchströmt werden, austauscher 7 mit in ihm umlaufendem Wärmeträger F i g. 5 zeigt den Querschnitt des Wärmetnigers 7 angebracht. 35 vom Typ der ineinander eingesetzten Rohre, der in

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgen- der Produktionsrohrtour 3 montiert ist Erfindungsdermaßen. Das Fluidum wird mittels Pumpe 6 aus gemäß wird kalter Wärmeträger in das Bohrloch über der produktiven Schicht 1 entnommen und längs des den Außenring 17 zwischen der Produktionsrohrtour 3 Schachts bis zu seiner Auslaufstelle 4 geleitet, die in und dem Außenrohr 18 des Wärmeaustauschers 7 geForm eines perforierten Abschnitts der Produktions- 40 leitet und kehrt über das Innenrohr 19 zurück. Der rohrtour 3 ausgeführt ist. Weiter fließt das Fluidum innere Ringspalt zwischen den Rohren 18 und 19 des in die durchlässigen Gesteine, welche die Auslauf- Wärmeaustauschers ist, um Wärmeverluste zu verstelle 4 umgeben, und bei unzureichendem Aufnahme- mindern, mit Gas oder Flüssigkeit mit niedriger vermögen der Gesteine in schräge Bohrlöcher 8, die Wärmeleitungszahl gefüllt.

es in Gesteine leiten, wo es über Risse 9 und Hohl- 45 Wichtige Elemente der Anlage sind Auslauf- und räume zwischen Bruchstücken 10 des Gesteins herab- Aufnahmestelle des Fluidums. Hierunter werden besickert und gefiltert wird. Das abgekühlte Fluidum liebige Einrichtungen wie Grubenbau oder Kavernen wird beim Kontakt mit den erwärmten Gesteinen, die verstanden, welche die Aufnahme der erforderlichen großen Raum einnehmen, wieder erwärmt und kehrt Fluidumsmenge und Auslauf derselben sicherstellen, zur Aefnahmestene 5 zurück, wobei da unterirdischer 5° Derartige Einrichtungen können sein: Kanäle, weiche Kreislauf entsteht, to Fig. 1 ist die Strömungsrich- durch hydraulische Rißbildong in den Flözen, durch to^ des Fluidums durch Pfeäe gezeigt. Ausspülen von io Omen eingelagerten lösbaren Ge-

Das Fluidum umspSk im Schachtiribschnitt der Pro- steinen, z.B. vom Halogentyp, cräer durch tektoniscbe duktionsrohrtour 3 des Bohrlochs zwischen seiner Bruchsteilen aod Störungen geschaffen werden; niete Aofnahsiestene 5 und seiner Auslaufstelle 4 den 55 verrohrte and errort Bohrschäcbte mit Perfora-WänneaastaBscher 7 mit dem in Bun strömenden !ionen an der Fläche, die ausreichend durchlässigen Wanneträger. Hierbei wad das Fhädum durch Sedimcnt-GestdnsSözen oder aufgeschossenen Ge-Andera semes Wärmeiahalts abgekühlt stemsmassrvea zugewandt ist; schräge Abzweigangen

Fig. 2 zeigt den Aafbaa des Wärmeaustauschers7 vom Haptschft, dfe verrohrt mft perforierten Ronim Abschnitt der Prodoktionsrohrtour 3 zwischen 60 ren oder aicfat verratet sein können and bis ze Aufnahmestefle 5 and Anslanfstefle 4 des Flaidums. Schichten mit Flözen ader gesiusneu Massiven Dieser Abschnitt besteht aas ProduktionsrohrtOHT 3 niedergebracht werden, welche ongäane Auf-EHt Aufnahmestelte S und Aasteufstelte 4 des Fhä- nähme der erforderficben Fhwfoansmenge ermögdums, FBler 11 zeta Reinigen des Fhridums tob me- Bchen; aufgeschossene Gesteme. Unter gönsägenVerchanischea Bengen, VerbindHngsleitungen 12 65 häUnissen bei hoher Durchlässigkeit and großem zamSteaeniderTancfapanttAO, Wärmeanstauscher7 Aufnahmergen der dieu Gesteine wird vom Typ mk ineinander eingesetzte Rohren, der ha das Fltridum direkt iber des aas der Rofartrerfo-Schacht des Bohrlochs durch Einsteckenden 13 zen- ration bestehenden Ausflog in das Flöz getötet end

■ Schachtöffnung oder Perforation mit Hilfe deraTauchpumpe 6 oder einet anderen Einrichtung oder;, im Selbstfluß; bei großer Ergiebigkeit der produktiven Schicht und hohem Druck in letzterer entnotnmen;,

·..;·,%· weEden_k?:um die Effektivität der betrachteten Vorrichtung zum Gewinnen von geothermaler Energie einzuschätzen, nachstehende Überschlagsrechnungen ,durchgeführt.

Die Abmessungen der Zone, in der der Wärmeaustausch vonstatten geht, sind gleich den Abmessungen der geschossenen rissigen Zone, die durch unterirdische Sprengung geschaffen wurde. Wärme wird gleichzeitig im ganzen Zonenraum abgegeben. Wärmezustrom von außen her in die erwähnte Zone ist gleich Null. Durch Sprengung ausgeschiedene Wärme wird nicht in Rechnung gesetzt. Der betrachtete Fall ist der allerungünstigste von allen in der Praxis vorkommenden. Gemäß der Wärmeübertragungstheorie kann die Zeit τ, während der das anfängliche Wärmegefälle um 25% sinkt, nach folgender Formel errechnet werden:

4 τ = In 0,75 ³ -

U¹

wobei bedeutet

r = Radius der rissigen Gesteinszone,

γ = Gesteinsdichte, C = Wärmekapazität des Fluidums, w = Wasseräquivalent für die Flözflüssigkeit.

■ Es wird angenommen, daß die geschossene Gesteinszone Rissigkeit im Radius r = 250 ... 300 m aufweist sowie daß Auslaufstelle und Aufnahmestelle des Fluidums vom Sprengungspunkt ebensoweit entfernt sind.

Vorausgesetzt eine Gesteinsdichte γ = 2,5 · 10^s kg' m³, Wärmekapazität des Gesteins und des in ihm ent-

haltenen Fluidums C = 0,25 ... 0,30 -^, Wasseräquivalent w = 0,1 Gcal/h ⁰C, wird die Zeit τ bestimmt, welche ungefähr 17 Jahre beträgt.

Dies bedeutet, daß das im unterirdischen Kreislauf zirkulierende Fluidum die Ausbeutung der Gesteine im Laufe einer langwährenden Zeitspanne ermöglicht Die erfindungsgemäß aus dem Erdinnern gewonnene Wärmemenge liegt bei den obenerwähnten Parametern im Bereiche von (0,4... 0,7) -10¹² kcal.

Die Haeptkermwerte des Wärmeaustauschers können ebenfalls nah Hilfe der WarmeSbertragungsfteorie äberscHäglicb werden. Es wird andaß sich Wärmeträger and Ffutdum im

Abschnitt, in dem ier Wärmeaustausch erfolgt, im GegeastTom bewegen. Bobriocndarcantesser, Länge des Wärmeasthabschnitts (etwa 600 m) sowie die Abraessengen der ProduktionsTohrtouren, der Sektionsrohre, der Taacfepatyp asw. werden so angenommen, daß die Strösamgsverhäitnisse des Wänaeträgers end des Fhadums tmgefihr gleich bei h«^dWäG 100»/h

gg sind, was w = (M Gcai/h ⁰C entspricht. Der Wärmeaustauscher soö aus einer Sektion bestehen. Es wird agjnaea, dafi. oai die BeFedinuag zu veremfacfaea, der Warmeaastaoscher vom Typ der ineinander eingesetzten Rohre ist, wobei der erwärmte Wärmeträger täags des Wärmeaustauschabschnitts im Innenrohr aufsteigt, das im Oberteil des Rohrschachts adiabatisch isoliert ist.

Das Ergebnis der Berechnung zeigt, daß beim erfindungsgemäßen Beispiel die Strömungsgeschwindig-

S keit des Fluidums in der Rohrtour gleich 0,82 m/s ist,

was einer Reynoldszahl Re = 0,9 · 10* entspricht. Der

Wärmeträger hat 0,75 m/s Strömungsgeschwindigkeit

und entsprechend Re = 1,2 · 10^B.

Im betrachteten Fall mit Stahlrohren ist der

ίο Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Fluidum und Wärmeträger gleich 900 kcal/m² h · ⁰C, was einer Wärmeaustauschfläche von 600 m* entspricht.

Bei 100° C Fluidumstemperatur und 10° C Wärmeträgertemperatur am Eintritt beträgt die Wärmeträ- gertemperatur am Austritt aus dem Bohrloch 86° C. Wenn die Durchflußmenge des Fluidums auf das l,5fache erhöht wird, steigt die Wärmeträgertemperatur am Austritt auf 92° C.

Die angeführte Berechnung ist typisch für eine

ao Vorrichtung zum Gewinnen von geothermaler Energie, wenn eine verhältnismäßig kleine Zone geschossener Gesteine ausgenutzt wird. Beim Vergrößern der erwähnten Zone wachsen die Wärmeleistung und Betriebsdauer proportional dem Rauminhalt der Zone

as bei im übrigen gleichen Bedingungen. Hierbei kann durch Vergrößern der Anzahl der Bohrlöcher, die in die Gesteinszone niedergebracht sind, welche mindestens durch eine Sprengung geschossen wurde, und durch Vergrößern der Bohrlochdurchmesser eine Wärmeleistung von Dutzenden und Hunderten Gcal/h erzielt werden.

Es sind große Reserven zur Erhöhung der Effektivität der vorliegenden Erfindung vorhanden, welche in folgendem bestehen: Vergrößerung der Wärmeträ-

ger enthaltenden Sektionen; Wahl des Rohrwerkstoffs auf dem Abschnitt, in dem Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger und Fluidum stattfindet, mit besseren wärmetechnischen Daten als bei Stahl; rationelle Wahl der Ausfluß- und Aufnahmestelle; rationelle Kombination einzelner Vorrichtungselemente im Bohrlochschacht.

Wenn in erwärmten Gesteinsmassiven kein Fluidum vorhanden ist, aber solches in der darüberliegenden Schichtreihe angetroffen wird oder an der

Erdoberfläche in Form von Staubecken, kleinen Flüssen usw. vorhanden ist, können Arbeiten durchgeführt werden, um die geschossene Zone in der Schicht wenig durchlässiger erwärmter Gesteine mit Wasser zu füllen. Solche Maßnahmen werden nach bekann ten Verfahren durch Zuleiten von Fluidum längs des Ringspalts, der zwischen Wärmeaustaascherrohr end dem Rohr der Fatterrohrtour entstanden ist, oder längs eines besonderen Bohrlochs oder Grubenbaus durchgeführt.

SS Das Wesea der Erfindung ändert sich ntcbt, wen« die Zweckbestimmung des ben und unteren perforierten Abschnitts geändert wird (d. h. wenn Fhäduai über den oberen Abschnitt entnommen aad über de« unteren Abschnitt fortgeleitet wird), wenn andere

Einrichtungen als Pumpen zum Entnehme« sad Επί pumpen des Fkridaras in den Bohrlochschacht ver wandt werden, wenn der Abstand zwischen diesel Einrichtangen trad Are MontagesteHen (am ober» and enteren perforierten Abschnitt der Prodsktioas-

«S rohrtour) besonders gewählt werden, wenn de Wärmeträger as die Obernacne geleitet oder in det Tiefe ausgenutzt wird. Weiterhin kann verbrauchtes aber noch asrecend warmes Fhadnm in prodak

tive Flöze zum Gewinnen von Schwefel und Erdöl sowie zu anderen geotechnologischen Zwecken, einschließlich darauffolgender Rückführung des Fluidums in die Ausgangsschicht geleitet werden. Es können auch zwei oder mehr Abschnitte zur Wasserentnahme längs einer Achse oder in Bohrlöchern, die gruppenweise von einem Hauptschacht ausgehend

niedergebracht sind, vorgesehen werden. Anstelle des ganzen Produktionsbohrlochs oder eines einzelnen Abschnitts desselben kann ein beliebiger anderer Grubenbau, z. B. ein Schacht usw., verwandt werden. Es können zum Erzeugen einer durchlässigen Gesteinszone beliebige Typen von Sprengladungen verwandt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Anordnung der Pumpe (6) in der Patentansprüche: Produktionsrohrtour (3),

1. Verfahren zum Ausbeuten von Erdwärme- 5

Energiequellen, bei dem mindestens ein Bohr- ——■— schacht wenigstens bis zur produktiven Gesteinsschicht niedergebracht und ein Wärmeträger in

diesen Bohrschacht eingepumpt und dort im Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kreislauf geführt wird, dadurch gekenn- io Verfahren zum Ausbeuten von Erdwärme-Energiezeichnet, daß gleichzeitig mit dem Einpum- quellen, bei dem mindestens ein Bohrschacht wenigpen des Wärmeträgers das im Gestein enthaltene stens bis zur produktiven Gesteinsschicht niederge-Fluidum unter Bildung eines unterirdischen Kreis- bracht und ein Wärmeträger in diesen Bohrschach ι laufs in den Bohrschacht geleitet, in diesem in eingepumpt und dort im Kreislauf geführt wird, so-Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger gebracht, 15 wie auf Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verüber oder unter der produktiven Gesteinsschicht fahrens.

wieder aus dem Bohrschacht entlassen und durch Ein Verfahren wie das vorstehend beschriebene ist

das durchlässige Gestein zu seinem Einlaß in den aus der britischen Patentschrift 856 900 bekannt.

Bohrschacht zurückgeführt wird. Verfahren dieser Art können zur Gewinnung geo-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ao thermaler Energie in der Weise dienen, daß den auf kennzeichnet, daß der Wärmeträger vom Fluidum natürliche Weise erwärmten Gesteinen durch den Wärme aufnimmt. Kreislauf unter Abkühlung derselben Wärmeenergie

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- entzogen wird — in diesem Fall soll von positiver kennzeichnet, daß der Wärmeträger Wärme an Energiequelle gesprochen werden —, oder es kann das Fluidum abgibt. as das unterirdische Gestein zur Kühlung des Wärme-

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, trägers in der Weise herangezogen werden, daß die dadurch gekennzeichnet, daß das fluidumdurch- diesem durch verschiedene technologische Prozesse lässige Gesteinsmassiv über oder unter der pro- zugeführte Wärmeenergie unterirdisch unter Erwärduktiven Schicht mittels mindestens einer unter- mung des Gesteins wieder abgegeben wird. In diesem irdischen Sprengung erzeugt wird, während das 30 Fall soll von negativer Energiequelle gesprochen Fluidum aus der produktiven Schicht längs des werden.

Schachts bis zur Auslaufstelle, die sich in der Bei der Ausbeutung von positiven Erdwärme-Zone des geschossenen Gesteins befindet, geleitet Energiequellen für die Energiewirtschaft von Induwird. strie und Kommunen wird z. B. durch das niederge-

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 35 brachte Bohrloch kaltes Wasser in die warmen probis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der pro- duktiven Gesteinsschichten eingepumpt, welches dort duktiven Schicht mindestens eine unterirdische verdampft und über weitere Bohrlöcher zur Ober-Sprengung durchgeführt wird, um die Durchlas- fläche zurückgeleitet wird, wo es in einer Turbine sigkeit der Gesteine zur Verbesserung des Flui- Nutzarbeit leistet.

dumskreislaufs im Gesteinsmassiv zu erhöhen. 4° Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, daß

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 das zugeführte Wasser unter dem hohen Druck, den bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Flui- es auf dem Niveau der produktiven Gesteinsschichdumsauslaufstelle mindestens ein schräges Bohr- ten hat, durch Undichtigkeiten desselben entweicht loch niedergebracht wird, um ausreichendes Auf- und unwiederbringlich verlorengebt. Dies gilt besonnahmevermögen für abzuleitendes Fluidum in 45 ders, wenn — wie es bei dem bekannten Verfahren wenig durchlässigen Massiven zu erhalten. auch vorgesehen ist — die produktive Schicht durch

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- vorherige unterirdische Sprengung unter Bildung rens zum Ausbeuten von Erdwärme-Energiequel- einer Kaverne aufgelockert wurde, um die Wärmelen nach den Ansprüchen 1 bis 6, welche minde- Übergangsflächen zu vergrößern.

stens ein mindestens bis zur produktiven Schicht 5° Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens

niedergebrachtes Bohrloch mit einer Futterrohr- zeigt sich, wenn die unterirdische Sprengung mittel!

tour und eine unten offene Produktionsrohrtour nuklearen Sprengstoffs durchgeführt wurde; dabei

besitzt, gekennzeichnet durch mindestens eine besteht die Gefahr, daß dann radioaktive Produkte

Ableitungsöffnung (4) für das Fluidum in der an der Oberfläche austreten und eine entsprechende

Produktionsrohrtour (3) und eine Einrichtung 55 Verseuchungsgefahr mit sich bringen,

zur Wärmeübertragung zwischen dem Fluidum Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahren;

und dem Wärmeträger, welche in dem Abschnitt liegt darin, daß das als Wärmeträger verwendete

der Produktionsrohrtour (3), der zwischen der Wasser Mineralsalze enthält, die sich in den Rohret

Fluidumsableitungsstelle (4) und der produktiven und der Turbine ablagern und zu Störungen führet

Schicht (1) liegt, angeordnet ist. 60 können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- Zusätzlicher Aufwand wird erforderlich, wenn mai kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Wärme- sich vor den beschriebenen Nachteilen durch vor Übertragung als Wärmeaustauscher (7) ausgebil- herige Wasseraufbereitung und Maßnahmen zun det ist, in dem der von der Oberfläche her einge- Strahlungsschutz schützen will. In jedem Fall müssei pumpte Wärmeträger zirkuliert. 65 große Wärmeträgervorräte bereitgestellt werden

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, ge- Hierdurch wird der Betrieb der Anlage teuer, kennzeichnet durch eine Pumpe (6) zur Erzeu- Außerdem ist bei niedrigem Druck-Niveau des ir gung des Fluidumkreislaufs. Gestein vorhandenen Fluidums in bezug auf die Erd