SE429262B - Sett vid framstellning av ett vermemagasin for lagring av verme i berg samt vermemagasin framstellt enligt settet - Google Patents

Description

Zö 79Û7lrÛ9-2 för mycket storskaliga anläggningar där de höga anlägg- ningskostnaderna kan försvaras. En egenskap hos systemet är även att de vertikala flödesriktningarna prioriteras framför de mer horisontella, bl a genom de vertikala borr- hålen mellan de övre och undre ursprängningarna. Även en kompletterande sönderspräckning av berget mellan borrhålen genom sprängning kan genom sitt oregelbundna sprickmönster ge ökad risk för okontrollerbara kanalbildningar. Som resultat kan man alltså få ett magasin, i vilket vattnets flöde följer ett fåtal huvudsakligen vertikala kanaler.

Vid uppladdning av systemt genom inledning av varmt vatten finns det därför risk att endast de delar av magasinet som ligger nära dessa kanalbildningar uppvärms i hög grad, medan stora delar av magasinet kan förbli huvudsakligen outnyttjade genom att de icke alls eller endast i liten grad genomström- mas av det varma vattnet. Motsvarande gäller även vid maga- sinets urladdning. Magasinets effektiva volym kan med andra ord reduceras högst avsevärt genom kanalbildningen, vilken reducerar den verksamma kontaktytan mellan värmebäraren och. berget. Givetvis är det i och för sig möjligt att öka kontakt- ytan och därmed den effektiva volymen genom att förlägga de vertikala borrhålen mycket tätt, samtidigt som genomström- ningen regleras genom anpassning av trycket i stigschaktet.

Att perforera berget genom ett mycket stort antal tätt för- delade borrhål är dock mycket kostsamt, och reglering av trycket i stigschaktet kan innebära svåra reglertekniska problem. Även småskaliga system för långtidslagring av värme i berg- har föreslagits. Ett sådant system, det s k "sunrock- projektet" bygger på solvärmelagring i berg. Man har härvid tänkt sig borra ett flertal tätt liggande hål ned till ca meters nivå under markytan i berg. Dessa hål skall infodras med rör eller motsvarande. Kostnaden för att iordningställa alla dessa hål blir emellertid så hög, att 55 7907409-2 den svårligen kan accepteras, åtminstone inte vid småskaliga system. Det har därför även föreslagits "sparsystem". Ett sådant system, som redovisas i Dagens Industri nr 36, 1979, syftar till att lösa problemet med att den svaga punkten i alla befintliga solvärmesystem är de dyrbara anordningarna för värmelagringen från sommar till vinter. För att minska de totala anläggningskostnaderna i ett kombinerat värmelag- rings- och grundförstärkningssystem utnyttjas stålrörspålar som värmeväxlare mot omgivande jord. En förutsättning för att detta system skall kunna användas är emellertid att det används i kombination med en byggnad som behöver pålas, vilket i gynnsamma fall innebär att värmelagringseffekten kan byggas in utan väsentlig merkostnad.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är att erbjuda ett förfarande för värmelagring i berg utan de begränsningar som känne- tecknar befintliga system. Mer bestämt är ett syfte att åstadkomma en stor kontaktyta mellan värmebäraren - uppvärmt/nedkylt vatten eller annat fluidum - och den termiska ackumulatorn - berget. Enligt uppfinningen utnytt- jas en egenskap hos många geologiska, företrädesvis isotropa _formationer, såsom graniter, migmatiter, metagråvackor osv, nämligen att minsta huvudspänningsriktningen, med undantag för mycket lokala avvikelser, är orienterad i en bestämd riktning. Normalt överensstämmer denna riktning huvudsak- ligen med vertikalriktningen i bergets ytliga delar. Vid uppspräckning kommer berget därför att spricka i huvudsak- ligen planparallella plan, något som är känt sedan urminnes tid från bl a många stenbrott i södra Sverige. Normalt ligger de parallella sprickplanen i övervägande horison- tella riktningar, varvid med uttrycket "övervägande hori- sontella riktningar" skall förstås att medelriktningen över ett större område är huvudsakligen horisontell, men att måttliga lutningar kan förekomma. Normalt överstiger 7907409-2 lutningarna dock inte ca 300, och i de flesta fall kan tillräckligt stora områden påträffas i vilka lutningarna hos huvudsprickorna icke överstiger 200 mot horisontalplanet.

I avsevärt djupare berglager är spänningsmönstret däremot normalt det motsatta vid kristallina bergarter, dvs minsta huvudspänningsriktningen är på djupare nivåer normalt över- vägande orienterad i horisontell riktning, vilket vid upp- spräckning resulterar i övervägande vertikala spriekmönster.

I sedimentära bergarter beror spänningsriktningen dock på bergarternas lagringsplan. Detta utnyttjas sedan länge vid borrning efter olja och det har inom detta område utarbetats en väl utvecklad teknik för hydraulisk uppspräckning av djupa berglager. Genom att applicera och reglera trycket med hänsyn till de lokala förhållandena kan man få dessa verti- kala sprickor att propagera väsentliga sträckor; Vid upp- finningen kan dessa erfarenheter och tekniska landvinningar utnyttjas för att skapa ett magasin för värmelagring i ytligt liggande berglager. Lämpligen bör berget vara så tätt och homogent - "isotropt" - som möjligt, t ex granit. Området i vilket magasinet tänkas placerat bör dessutom ha ringa grundvattenströmning. Denna kan bestämmas genom strömnings- försök redan vid de första för uppspräckning av berget nöd- vändiga hålen. Läget för anläggningen kan t ex utgöras av en någorlunda väl definierad kulmination eller depression i grundvattenytan. Vidare kan anläggningen anordnas under någon byggnad för att minska effekterna från årstidsvariationens temperaturvåg eller under ljusgenomsläppligt lock för instrål- ning av solljus för ytterligare uppvärmning sommartid.

Enligt uppfinningen spräcks berget upp på olika nivåer av ett antal borrhål genom att man på nämnda nivåer applicerar hydrauliska övertryck så att man erhåller ett magasin med stort antal väsentligen planparallella sprickor, vilkas utbredningsriktningar är bestämda av bergets naturliga spänningstillstånd. Genom den hydrauliska uppspräckningen 7907409-2 har man möjlighet att i väsentlig grad selektivt förlägga de väsentligen planparallella sprickorna på önskade nivåer och med önskad delning. Delningen bestäms härvid av en rad faktorer, såsom bergets värmeledningsförmåga, vattnets tem- peratur, etc. Företrädesvis förläggs sprickplanen emellertid med en delning uppgående till mellan 0,5 och 1,5 m. Mellan sprickplanen bildas vidare tvärgående sprickor, vilka till- låter kommunikation mellan horisontella sprickor på olika nivåer. Vidare borras åtminstone ett produktionshål ned till avsedda magasinets botten, varefter varmt vatten under en uppladdningsfas kan infiltreras i det uppspräckta magasinet, varvid vattnet genomströmmar magasinet längs zick-zackvägar utstakade av de huvudsakligen parallella sprickplanen ocn tvärgående förbindelsesprickor, samtidigt som kallare vatten avleds från magasinet genom produktionshålet. För att åstad- komma de tvärgående förbindelsesprickorna mellan de paral- lella sprickplanen kan man utnyttja sprängmedel. Sprängningen sker härvid lämpligen efter det att de planparallella sprick- planen etablerats genom applicering av hydrauliska övertryck i borrhålen. Under urladdningsfasen kan det uppvärmda magaé sinet på motsvarande sätt i samma eller eventuellt i motsatt riktning avtappas på varmt vatten.

Genom geologiska undersökningar kan det hydrauliska trycket appliceras på de nivåer som är mest gynnsamma med hänsyn till spänningsbilden. Trycket appliceras sålunda inom utvalda sektioner av borrhålet. Exempelvis avtätas den utvalda sek- tionen uppåt och nedåt av tätningsmanschetter, varefter hydraultrycket appliceras mellan manschetterna. Alternativt kan man applicera trycket i en bottensektion av ett borrhål så att berget spräcks upp utgående från denna sektion av borrhålet. Därefter kan hålet borras upp ytterligare ett stycke, varefter den nya bottensektionen utsätts för hydrau~ liskt övertryck och så vidare. På något av dessa eller på annat sätt som bygger på kontrollerad hydraulisk uppspräckning, 790174094 kan de huvudsakligen planparallella sprickplanen bringas att sträcka sig över stora arealer, företrädesvis så att sprick- planen huvudsakligen sträcker sig över magasinets hela bredd.

Antalet borrhål anpassas till volymen på det önskade magasinet samt till spänningsbilden i berget. För att undvika "kanal- effekter" i magasinet genom de borrade uppspräckningshålen kan dessa tätas sedan de fullgjort sin uppgift, dvs utgjort lokaler för hydrauliska uppspräckningsmedel. Exempelvis kan borrhålen tätas med betong, specialcement, bentonit eller liknande.

För att öka de bildade sprickornas genomslâpplighet för vatten, och i synnerhet för att förhindra att sprickorna sätter igen på grund av att berget utvidgas då det varma vattnet filtre- ras in, är det lämpligt att injicera hårda partiklar i syste- met under tryck. Exempelvis kan de injiceras med hjälp av en vattenbärare genom borrhålen innan dessa pluggas igen. Sålunda kan de injiceras tillsammans med hydraulvätskan i samband med uppspräckningen. Distanspartiklar avkvarts är lämpliga i sammanhanget. För att effektivisera införandet av distans-' partiklarna i sprickorna kan partiklarna införas tillsammans med ett smörjmedel eller annat ämne med likartade egenskaper.

Sedan berget sålunda spräckts upp, eller eventuellt dessför- innan, borras ett produktionshål ned till sprickmagasinets botten. I de fall magasinet har en måttligt stor volym borras endast ett produktionshål som förläggs i centrum. Vid större magasin kan flera produktionshål bli aktuella. Produktions- hålet används som pumphål vid drift av magasinet.

Under uppladdningen av det på ovanstående sätt preparerade berget infiltreras varmt vatten i det uppspräckta magasinet, samtidigt som kallare vatten avleds från magasinet genom produktionshålet. Genom det relativt finmaskiga nät av vattenkanaler som man spräckt upp i bergvolymen, väsentligen utan vertikala "snabbledningskanaler", kan man åstadkomma en effektiv värmeuppladdning av berget med högt utnyttjande av värmebärarens energiinnehåll. Det varma vattnet erhålls normalt från solfångare, vindkraftverk, överskotts- eller FG V1 50 7907409-2 spillvärme fràn industrier eller dylikt. Varmvattnet kan inledas 1 magasinet via en infiltrationsyta ovanpå sprick- magasinet i det fall detta har sina översta sprickor direkt i överytan av berget, eller via ett antal hål ned till sprickmagasinet i det fall detta är förlagt på större djup.

Genomströmningen i magasinet kan styras genom pumpning i produktionshålet, men systemet kan även sättas under tryck, dvs så att det varma vattnet pressas in i sprickmagasinet.

Anläggningen kan i det senare fallet sägas vara sluten. En viss pumpning i produktionshålet kan även förekomma mellan uppladdnings- och urladdningsfaserna för att hålla värmen "på plats" om någon mindre grundvattenström genom magasinet skulle förekomma. Pumpningen regleras härvid så att den avpassas efter denna grundvattenström.

Vid urladdningen av magasinet under urladdningsfasen avtappas varmt vatten genom pumpning ur produktionshålet.

Det vatten som avtappas ersätts av kallare vatten som inleds samma väg och i samma riktning som det varma vattnet under urladdningsfasen. Detta varma vatten kan på i och för sig känt sätt användas för husuppvärmning i radiatorsystem eller för annat syfte, eventuellt via värmepump. Produk- tionshålets eller produktionshålens pumpkapacitet, ingående vattens temperatur, magasinets volym, bergets värmekapaci- tet och värmeledningsförmåga bestämmer systemets kapacitet.

Vid förfarandet enligt uppfinningen utnyttjas de hydro- geologiska, termiska och bergmekaniska egenskaperna och förutsättningarna hos berget.

Förutom för värmelagring kan samma magasin som det ovan beskrivna användas även för "kyllagring". I detta fall kyls magasinet ned med hjälp av kylvatten under en upp- laddningsfas, varefter magasinet urladdas på analogt sätt som i föregående fall. Denna modifikation av förfarandet 7907409-2 enligt ippfinningen kan utnyttjas exempelvis för att çu ett ekonomiskt fördelaktigt sätt erbjuda kylvatten för luftkonditioneringssystem. Även andra applikationer och kombinationsmöjligheter kan tänkas, exempelvis som referenstemperaturlager vid använd- ning av den s k kemiska värmepumpen.

Ett par tänkbara utföringsformer av värmemagasinet enligt uppfinningen skall beskrivas i det följande med hänvisning till de bifogade ritningsfigurerna.

KORT FIGURBESKRIVNING Några tänkbara utföringsformer av värmemagasinet enligt uppfinningen illustreras schematiskt i ritningsfigurerna.

Fig. 1 visar ett vertikalt snitt genom ett värmemagasin anordnat i anslutning till bergets yta.

Fig. 2 visar på motsvarande schematiska sätt ett snitt genom ett värmemagasin anordnat på ett större djup _ i en bergkropp.

Fig. 5 visar ett vertikalt snitt genom ett värmemagasin avsett att arbeta enligt ett alternativt sätt enligt uppfinningen.

I figurerna har endast de för uppfinningens förståelse väsentliga delarna medtagits; medan andra detaljer av mindre betydelse för uppfinningens förståelse har ute- lämnats för att det väsentliga bättre skall framträda.

LW 7907409-2 LESKHIVNING AV FÜHEDRAGNA UTFÜHLNQSFOHMEK Befererande först till Fig. 1 betecknas ett värmemagasin i en bergkropp allmänt med siffran 1. Bergkroppens övre yta har betecknats 2. Ett lager av sand, morän eller liknande har betecknats 5. Över värmemagasinet 1 har an- ordnats en infiltrationsanläggning 4, som väsentligen täcker magasinet 1 och består av ett lock 5 med en runtom- gående vägg 6 som är tätande ansluten mot bergytan 2.

Locket 5 och väggen 6 kan exempelvis bestå av betong som gjutits mot berget 2 varefter lagret 3 bringats att täcka locket 5, så att väsentliga hydrauliska tryck kan appli- ceras i infiltrationsanläggningens 4 inre 7. En tillförsel- ledning för vatten till infiltrationsanläggningens inre har betecknats 8. Ledningen 8 och därmed anläggningens 4 inre 7 kan sättas under övertryck.

För uppspräckningen av magasinet 1 har upptagits ett antal vertikala borrhål 9. Genom hydrauliska övertryck i borrhålen 3 har berget spräckts upp inom väl definierade sektioner av borrhålen. Då man valt en gynnsam lokal för anläggningen har berget, som har minsta nuvudspänningsriktning oriente- rad i vcrtikalled, spruckit huvudsakligen i horisontell riktning. De huvudsakligen horisontella sprickverken har betecknats 10. Mellan de horisontella sprickverken löper även mer eller mindre vertikalt orienterade sprickor 11 så att man erhållit ett nätverk med en mycket stor sprickyta.

Sprickornas 10 och 11 genomsläpplighet har även ökats genom att sand har injicerats under tryck via borrhålen 9. Där- efter har borrhålen 9 tätats - pluggats igen - med betong, specialcement eller bentonit för att undvika "kanaleffekter" i värmelagringsmagasinet 1. I centrum på det åstadkomna ärmelagringsmagasinet 1 har ett produktionshål 12 - pump- hål - borrats ned till magasinets botten. Ett anslutnings- rör till produktionshålet 12 har betecknats 13. 7907409-2 Uppvärmningen av magasinet 1 sker genom tillförsel av varmt vatten - eventuellt under tryck - till infiltrationsytan ovanpå värmelagrinsmagasinet, dvs till infiltrations- anläggningens 4 inre 7. Det varma vattnet avancerar nedåt i magasinet 1 och följer härvid ett otal zick-zackvägar utstakade av de huvudsakligen horisontella sprickverken 10 och de mer vertikala förbindelsesprickorna 11. Genomströma ningen i magasinet kan styras genom reglerad pumpning i produktionshålets 12 botten eller eventuellt på olika nivåer av produktionshålet. Vid urladdning avleds det varma vattnet ur borrhålet 12 samtidigt som kallare vatten får fylla maga-V sinet 1.

Fig. 2 visar ett värmelagringsmagasin på ett större djup i berget. För delar som har motsvarighet i Fig. 1 har samma hänvisningsbeteckningar använts med tillägget '.

För dessa delar hänvisas därför till beskrivningen av föregående utföringsform. Anläggningen enligt Fig. 2 skiljer sig från den föregående endast i att den anlagts på ett större djup samt av att anslutningarna till maga- sinet med anledning härav måst modifieras och kompletteras.

Sålunda leds vattnet till magasinet - inte via en infiltra- tionsyta - utan via ett antal vertikala infiltrationsled- ningar 15 som mynnar i magasinets 1' övre del. Ledningarna är anslutna till en matarledning 16 som kan sättas under tryck.

Fig. 3 visar ett värmelagringssystem avsett att arbeta på ett sätt som skiljer sig från systemen enligt Fig. 1 och 2.

För delar som har motsvarighet i Fig. 1 och 2 har samma hänvisningsbeteckningar använts i Fig. 3 med tillägget ".

Enligt utföringsformen har en vertikal infiltrationsledning betecknats 18. Till skillnad från vad som var fallet vid infiltrationsledningarna enligt de tidigare utföringsfor- merna, sträcker sig det borrhål 19 till vilket ledningen 18 7907409-2 är ansluten, ända ned till sprickmagasinets 11' botten.

Antalet borrhål 19 och infiltrationsledningar 18 kan variera.

Exempelvis kan ett antal infiltrationsborrnål 19 hed till- hörande ledningar 18 anordnas i rad, och parallellt med borrhålen 19 anordnas ett antal, exempelvis lika stort antal, produktionshål 12". Det är även möjligt att anordna ett produktionshål i centrum och infiltrationshål koncentriskt omkring produktionshålet. I produktionshålet 12" är nedïörd en pumpledning 20, som sträcker sig väsentligen ned till produktionshålets 12" botten. Eventuellt är pumpledningen 20 försedd med perforeringar på lämpliga nivåer för att kunna mottaga och pumpa upp vatten direkt från dessa nivåer.

Medan vattnet i systemen enligt Fig. 1 och 2 var avsett att införas i spricksystemens övre delar och därefter transpor- tera sig nedåt i ett zick-zackmönster genom sprickmagasinet, är det varma vattnet enligt utföringsformen enligt Fig. 3 avsett att införas i borrhålet 19 och från detta förflytta sig väsentligen horisontellt längs sprickplanen 10" till produktionshålet 12". Från produktionshålet 12" pumpas vatten upp genom pumpledningen 20 tills dess magasinet värmts UPP-

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 79Û7lr09-2 PAIENTKRAV

1. Sätt vid framställning av ett värmemagasin för lagring av värme i berg, k ä n n e t e c k n a t av att berget spräcks upp på olika nivåer av ett antal borrhål (9, 9', 9") genom att på nämnda nivåer appliceras hydrauliska övertryck så att man erhåller en magasinsvolym i form av en bergskropp (1, 1', 1") med ett antal väsentligen plan- parallella sprickor (10, 10', 10") i riktningar bestämda av bergets naturliga spänningstillstånd, vilka sprickplan förbinds genom tvär- gående kanaler (11, 11'), och att åtminstone ett produktionshål (12, 12') borras ned till det avsedda magasinet.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att spricksystemet förläggs till en bergskropp där berget har sin minsta huvudspännings- riktning väsentligen orienterad i vertikalled, så att sprickorna utbreder sig huvudsakligen i horisontell riktning.

3. Sätt enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att de tvärgående kanalerna har formen av sprickor vilka åstadkommes genom sprängning efter det att de planparallella spríckplanen etablerats.

4. Sätt enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t av att sprickornas genomsläpplighet för vatten permanentas genom att hårda partiklar, företrädesvis sand, injiceras i sprickorna under tryck, vilka partiklar verkar likt distanselement som väsentligen förhindrar att sprickorna sätter igen.

5. Sätt enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda borrhål (9, 9', 9") avtätas efter verkställd uppspräckning för att undvika icke önskade kanaleffekter.

6. Värmemagasin framställt enligt sättet enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a t av en bergsvolym (1, 1', 1") med ett stort antal huvudsakligen horisontella sprickor (10, 10', 10") utgående från ett antal borrhål, vilka horisontella sprickor är förenade med varandra så att ett samanhängande spricksystem erhålls, varjämte sand 10 7907409-2 är injicerat i spricksystemet för att förhindra att detta sätts igen, exempelvis på grund av värmerörelser i berget, vilket värmemagasin dessutom uppvisar åtminstone ett vertikalt produktionshål (12, 12', 12") som sträcker sig ned till magasinets botten.