186556

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)186556
(13)B1
(21 ) Numer zgłoszenia:
333537
RZECZPO SPO LITA
PO L SK A
(22) Data zgłoszenia:
24.11.1997
(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego:
24.11.1997, PCT/N097/00314
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
( 5 1) IntCl7
F24J 3/08
( 87 ) Data i numer publikacji zgłoszenia
międzynarodowego:
28.05.1998, W098/22760,
PCT Gazette nr 21/98
(54)
(30)
Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej
Pierw szeństw o:
(73)
M oe Per H., Dram men, NO
R abben Kjell M., S a n d n e s, NO
22.11.1996,NO,964971
(43)
Zgłoszenie ogłoszono:
(72)
03.01.2000 BUP 00/00
(45)
O udzieleniu p a te n tu ogłoszono:
PL
186556
B1
30.01.2004 WUP 01/04
57)1( . Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej przy wykorzystaniu obiegu wodnego odbywającego się w formacji geologicznej znajdującej się
przynajmniej 1000 m pod powierzchnią ziemi, zawierająca przynajmniej jeden odwiert doprowadzający, prowadzący z powierzchni ziemi w dół do
formacji geologicznej, a poza tym przynajmniej
jeden odwiert odprowadzający, służący do odprowadzenia ogrzanej wody z formacji geologicznej na
powierzchnię, oraz układ odbierający ciepło, łączący
odwierty doprowadzający i odprowadzający, przy
czym układ ten zawiera powierzchnie wymiennika
ciepła, poprzez które ciepło przenoszone jest z formacji geologicznej do wody, znam ienna tym , że
układ, posiadający moc nominalną podawaną
w MW, określoną jako ilość ciepła pobranego przez
instalację po jednym roku pracy, obejmuje wymiennik ciepła zawierający przynajmniej jeden wywiercony odwiert absorbujący ciepło (5 ), ponadto tym,
że objętość formacji skalnej znajdującej się wewnątrz koła o promieniu 50 m, wokół powierzchni
wymiennika ciepła, wynosi przynajmniej 10 x 106 m ,
a korzystnie przynajmniej 20 x 106 m3, pomnożonych przez moc nominalną.
U praw niony z p a te n tu :
Tw órcy w ynalazku:
Per H. Moe, Dramm en, NO
Kjell M. Rabben, S a n d n e s, NO
(74)
Pełnom ocnik:
Misztak Irena, PATPOL Spółka z 0.0.
Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej
Zastrzeżenia patentowe
1. Instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej przy wykorzystaniu obiegu
wodnego odbywającego się w formacji geologicznej znajdującej się przynajmniej 1000 m pod
powierzchnią ziemi, zawierająca przynajmniej jeden odwiert doprowadzający, prowadzący
z powierzchni ziemi w dół do formacji geologicznej, a poza tym przynajmniej jeden odwiert
odprowadzający, służący do odprowadzenia ogrzanej wody z formacji geologicznej na powierzchnię, oraz układ odbierający ciepło, łączący odwierty doprowadzający i odprowadzający, przy czym układ ten zawiera powierzchnie wymiennika ciepła, poprzez które ciepło przenoszone jest z formacji geologicznej do wody, znamienna tym, że układ, posiadający moc
nominalną podawaną w MW, określoną jako ilość ciepła pobranego przez instalację po jednym roku pracy, obejmuje wymiennik ciepła zawierający przynajmniej jeden wywiercony
odwiert absorbujący ciepło (5), ponadto tym, że objętość formacji skalnej znajdującej się wewnątrz koła o promieniu 50 m, wokół powierzchni wymiennika ciepła, wynosi przynajmniej
10 x 106 m3, a korzystnie przynajmniej 20 x 106 m3, pomnożonych przez moc nominalną.
2. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że układ absorbujący ciepło zawiera
wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło (5) łączących odwierty doprowadzający
i odprowadzający (3, 4), usytuowanych równolegle względem siebie pomiędzy odwiertami (3, 4),
a korzystnie część odwiertów absorbujących ciepło znajduje się w odległości przynajmniej
50 m, a szczególnie 100 m od najbliższego następnego odwiertu odbierającego ciepło (5),
a całkowita długość otworów odbierających ciepło korzystnie przekracza 5000 m.
3. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że układ absorbujący ciepło zawiera
wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło (5) usytuowanych równolegle względem siebie, przy czym odwierty absorbujące ciepło (5) usytuowane są pod kątem (a) w kierunku do dołu, począwszy od odwiertu doprowadzającego (3) do odwiertu odprowadzającego (4).
4. Instalacja według zastrz. 3, znamienna tym, że kąt (a) jest kątem z przedziału 20°
do 50°, korzystnie wynosi około 40°.
5. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że przynajmniej zasadnicza
część odwiertów absorbujących ciepło (5) usytuowana jest równolegle do siebie.
6. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że odwierty absorbujące ciepło (5) są
ułożone w jedną warstwę (14) a korzystnie w więcej, pionowo oddzielonych warstw.
7. Instalacja według zastrz. 6, znamienna tym, że odległość pomiędzy sąsiadującymi
odwiertami (5) w każdej warstwie (14) jest zasadniczo taka sama jak odległość pomiędzy pionowo sąsiadującymi odwiertami (5).
8. Instalacja według zastrz. 6, znamienna tym, że odległość pomiędzy warstwami (14)
jest mniejsza niż około 150 m korzystnie około 100 m.
9. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że wokół wspólnego odwiertu
odprowadzającego (4) jest rozłożonych wiele odwiertów doprowadzających (3).
10. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że górne krańce odwiertu doprowadzającego (3) i odwiertu odprowadzającego (4) są umieszczone blisko siebie, a jeden
z tych odwiertów usytuowany jest zasadniczo pionowo, a drugi odchyla się zasadniczo od
pionu, i w dolnej części instalacji obydwa odwierty oddalone są na odpowiednią odległość
pomiędzy krańcami odwiertów absorbujących ciepło (5).
11. Instalacja według zastrz. 10, znamienna tym, że odległość pomiędzy krańcami odwiertów absorbujących ciepło (5) wynosi przynajmniej 500 m, a korzystnie ponad 1 km.
12. Instalacja według zastrz. 2 albo 3, znamienna tym, że odwierty absorbujące ciepło (5)
posiadają średnicę mniejszą niż 18 cm, korzystnie mniejszą niż 12 cm.
13. Instalacja według zastrz 2 albo 3, znamienna tym, że między odwiertem doprowadzającym i odprowadzającym (3, 4), jest włączonych wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło (5), przy czym średnica tych odwiertów jest mniejsza niż 14 cm.
186 556
3
14. Instalacja według zastrz. 12, znamienna tym, że odwierty (5) mają średnicę nominalną równą 10 cm.
15. Instalacja według zastrz. 12, znamienna tym, że odwiert absorbujący ciepło mający
postać wielu odwiertów absorbujących ciepło (5), ułożonych równolegle, przy czym odwierty
absorbujące ciepło (5) wymiaruje się według równania
Q = K k0,93D0,2 (0,12 + (t +1)-0,1) (Tg - Tw) l
przy czym Q jest ciepłem zaabsorbowanym przez odwiert w [W], K jest stałą pomiędzy 1,7
a 2,0, K jest przewodnością termiczną skały w [W/m°C] typowo wynosi około 3 dla gęstej
skały, TG jest początkową średnią temperaturą formacji geologicznej wzdłuż odwiertu absorbującego, TW jest średnią temperaturą wody przepływającej przez odwiert absorbujący ciepło, D jest średnicą odwiertu absorbującego ciepło w [m], L jest długością odwiertu absorbującego ciepło w [m], T jest czasem eksploatacji instalacji w latach.
16. Instalacja według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienna tym, że odwiert absorbujący
ciepło ma postać wielu odwiertów absorbujących ciepło (5) ułożonych równolegle, a odwierty
absorbujące ciepło (5) są wymiarowane według równania
Q = C (TG- Tw) k l
gdzie C jest stałą pomiędzy 0,6 a 2,4, przy czym niższa z wartości odpowiada małym instalacjom i niskiemu gradientowi temperatury w skale, wyższa z wartości odpowiada większym
instalacjom i dużemu gradientowi temperatur.
* * *
Przedmiotem wynalazku jest instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej.
Przykład takiej instalacji został przedstawiony w opisie patentowym US-A-4.223.729.
Przedmiotem wynalazku według US-A-4.223.729 jest instalacja służąca do wykorzystywania
energii geotermalnej zmagazynowanej w suchych, gorących formacjach skalnych. W związku
z niską przewodnością termiczną takich formacji, powszechnie sądzi się, że taka energia geotermalna nie może zostać wydobyta w użytecznych ilościach bez wykorzystania bardzo dużych powierzchni wymiennika ciepła, umieszczonych wewnątrz formacji geologicznej.
Jak do tej pory we wszystkich instalacjach wykorzystujących próbowano uzyskać dużą
powierzchnię wymiennika ciepła przez stworzenie obszarów spękań pomiędzy odwiertami
doprowadzającym i odprowadzającym, czy to przez poszerzanie istniejących obszarów spękań
przez rozsadzenie skały pomiędzy odwiertami przy wykorzystaniu materiałów wybuchowych,
czy też przy wykorzystaniu ciśnienia hydrostatycznego i/lub ciepła. Nawet gdyby udało się
stworzyć takie obszary, charakteryzują się one raczej nieprzewidywalnymi parametrami przepływu wody, ponieważ woda ma tendencję do obierania drogi o najmniejszym oporze, a więc
nie przepływa przez najwęższe rysy obszaru spękań.
Uwagę wynalazców zwrócił dokument WO 96/23181 przedstawiający próbę wykorzystania opuszczonego przybrzeżnego odwiertu naftowego, mającą na celu otrzymanie energii
geotermalnej, która z kolei miała zostać przekształcona w energię elektryczną dostarczaną
odbiorcom. W dokumencie tym, odwierty o głębokości 3000 m są wykorzystywane jako odwierty doprowadzające i odprowadzające, odwierty te zostały połączone w swych dolnych
krańcach przy pomocy poziomo wywierconej pętli o długości 1000 m o średnicy 21.5 cm.
Przez pętlę taką przepływa 700 m3/h wody o temperaturze wlotowej 20°C. Publikacja po prostu zakłada iż woda powracająca na powierzchnię będzie miała temperaturę 90°, która to temperatura jest temperaturą jaką posiada formacja geologiczna w której umieszczona została
pętla, a więc dostarczy 40 MW energii cieplnej. Takie założenie jest całkowicie błędne.
W całkowitej sprzeczności z przyjętymi sądami wynalazcy doszli do wniosku iż jeśli
instalacja geotermalna poszukiwanego kształtu, która ma być wykorzystywana w sposób użyteczny, wielkość powierzchni wymiennika ciepła nie jest czynnikiem krytycznym. Natomiast,
czynnikiem decydującym jest dostępność dużej ilości skały znajdującej się w pobliżu powierzchni
4
186 556
wymiennika ciepła. Tak więc, wynalazcy zakładają iż instalacja geotermalna, na przykład
przeznaczona do ogrzewania i pozyskiwania ciepłej wody, powinna obejmować przynajmniej
15000 m3 skały znajdującej się w promieniu 50 m od powierzchni wymiennika ciepła na każdy kilowat energii jak ma być z tej instalacji pozyskiwana. Dla mniejszych instalacji przy niekorzystnych warunkach geologicznych, wielkość ta może wynosić 60000 m3/kW.
Przedmiotem wynalazku jest instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej, przy
wykorzystaniu obiegu wodnego odbywającego się w formacji geologicznej znajdującej się
przynajmniej 1000 m pod powierzchnią ziemi, zawierająca przynajmniej jeden odwiert doprowadzający, prowadzący z powierzchni ziemi w dół do formacji geologicznej, a poza tym
przynajmniej jeden odwiert odprowadzający, służący do odprowadzenia ogrzanej wody
z formacji geologicznej na powierzchnię. Poza tym instalacja zawiera układ odbierający ciepło, łączący odwierty doprowadzający i odprowadzający, przy czym układ ten zawiera powierzchnie wymiennika ciepła, poprzez które ciepło przenoszone jest ze formacji geologicznej do wody.
Istota wynalazku polega na tym, że układ, posiadający moc nominalną podawaną
w MW, określoną jako ilość ciepła pobranego przez instalację po jednym roku pracy, obejmuje wymiennik ciepła zawierający przynajmniej jeden wywiercony odwiert absorbujący ciepło. Objętość formacji skalnej znajdującej się wewnątrz koła o promieniu 50 m, wokół powierzchni wymiennika ciepła, wynosi przynajmniej 10 x 106 m , a korzystnie przynajmniej
20 x 106 m3, pomnożonych przez moc nominalną.
Korzystnie, układ absorbujący ciepło zawiera wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło łączących odwierty doprowadzający i odprowadzający, usytuowanych równolegle względem siebie pomiędzy odwiertami. Część odwiertów absorbujących ciepło znajduje
się w odległości przynajmniej 50 m, a szczególnie 100 m od najbliższego następnego odwiertu odbierającego ciepło, a całkowita długość otworów odbierających ciepło korzystnie
przekracza 5000 m.
Układ absorbujący ciepło zawiera wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło
usytuowanych równolegle względem siebie, przy czym odwierty absorbujące ciepło (5) usytuowane są pod kątem a w kierunku do dołu, począwszy od odwiertu doprowadzającego do
odwiertu odprowadzającego, przy czym kąt a jest kątem z przedziału 20° do 50°, korzystnie
wynosi około 40°.
Zasadnicza część odwiertów absorbujących ciepło usytuowana jest równolegle do siebie, przy czym odwierty absorbujące ciepło są ułożone w jedną warstwę a korzystnie w więcej, pionowo oddzielonych warstw, a odległość pomiędzy sąsiadującymi odwiertami w każdej
warstwie jest zasadniczo taka sama jak odległość pomiędzy pionowo sąsiadującymi odwiertami i jest mniejsza niż około 150 m korzystnie około 100 m.
Wokół wspólnego odwiertu odprowadzającego jest rozłożonych wiele odwiertów doprowadzających, przy czym górne krańce odwiertu doprowadzającego i odwiertu odprowadzającego są umieszczone blisko siebie, a jeden z tych odwiertów usytuowany jest zasadniczo
pionowo, a drugi odchyla się zasadniczo od pionu, i w dolnej części instalacji obydwa odwierty oddalone są na odpowiednią odległość pomiędzy krańcami odwiertów absorbujących
ciepło, która wynosi przynajmniej 500 m, a korzystnie ponad 1 km.
Odwierty absorbujące ciepło posiadają średnicę mniejszą niż 18 cm, korzystnie mniejszą niż 12 cm, a między odwiertem doprowadzającym i odprowadzającym, jest włączonych
wiele wywierconych odwiertów absorbujących ciepło łączących odwierty odprowadzające
i doprowadzające, przy czym średnica tych odwiertów jest mniejsza niż 14 cm, a korzystnie
wynosi 10 cm.
Odwiert absorbujący ciepło mający postać wielu odwiertów absorbujących ciepło, ułożonych równolegle, wymiaruje się według równania
Q = K k0.93 D 0.2 (0,12 + (t + l -0.13) (TG - T w) - l
przy czym Q jest ciepłem zaabsorbowanym przez odwiert w [W], K jest stałą pomiędzy 1,7
a 2,0, K jest przewodnością termiczną skały w [W/m°C] typowo wynosi około 3 dla gęstej
skały, TG jest początkową średnią temperaturą formacji geologicznej wzdłuż odwiertu absorbującego, TW jest średnią temperaturą wody przepływającej przez odwiert absorbujący ciepło,
186 556
5
D jest średnicą odwiertu absorbującego ciepło w [m], L jest długością odwiertu absorbującego
ciepło w [m], T jest czasem eksploatacji instalacji w latach.
Korzystnie, odwiert absorbujący ciepło ma postać wielu odwiertów absorbujących ciepło ułożonych równolegle, a odwierty te są wymiarowane według równania
Q = C (Tg- Tw) k l
gdzie C jest stałą pomiędzy 0,6 a 2,4, przy czym niższa z wartości odpowiada małym instalacjom i niskiemu gradientowi temperatury w skale, wyższa z wartości odpowiada większym
instalacjom i dużemu gradientowi temperatur.
Liczby dotyczące objętości skały otaczającej instalację reprezentują znacznie większą
masę skały niż te stosowane w instalacjach znanych ze stanu techniki, a które uzyskują ekonomiczną opłacalność.
Wynalazcy zauważyli iż najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania wystarczająco dużej objętości skały umieszczonej w bezpośredniej bliskości powierzchni wymiennika
ciepła byłoby wywiercenie we wspomnianej powierzchni odwiertów. Jednakże odwiert taki
musiałby być stosunkowo długi tak, aby penetrować wymaganą objętość skały, koszty wykonania odwiertu stanowią zasadniczą przeszkodę w realizacji projektu ponieważ należy zakładać wykonanie wymaganej powierzchni wymiennika ciepła to jest odwiertu o dużej średnicy,
niezbędnego do uzyskania odpowiedniego przepływu ciepła ze skały do wody przepływającej
przez otwór. Niemniej, wynalazcy wykorzystali do obliczenia współczynnika wymiany ciepła
zachodzącej pomiędzy dużym cylindrem skalnym, a wodą przepływającą przez centralny odwiert, równanie różniczkowego zaprezentowane w książce „Przewodnictwo Ciepła w Ciałach
Stałych” H. S Carslaw i J. C Jaeger Wydanie Drugie, Oxford. Zaskakująco, odkryli iż w przedziale 30-40 lat, temperatura skały na odcinku 100 m od otworu prawie w ogóle by się nie
zmieniła. Nawet bardziej zaskakującym odkryciem jest fakt iż energia możliwa do uzyskania
w takim przedziale czasu, może zostać odebrana z otworu, który z punktu widzenia wymiany
termicznej miałby średnicę wynoszącą 10 cm, a nawet mniej. Dalsze analizy wykazały iż
zwiększenie średnicy do 1 m, które zwiększyłoby powierzchnię wymiennika ciepła dziesięciokrotnie, spowodowałoby wzrost współczynnika odzyskiwanego ciepła mniejszy od dwóch,
przy pozostałych czynnikach na niezmienionym poziomie. Jednakże pole przekroju poprzecznego takiego otworu, a co za tym idzie masa jaka musiałaby zostać usunięta z takiego otworu
wzrosłaby 100-krotnie. A więc najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem wydaje się wykorzystanie otworu najmniejszej możliwej średnicy jaki można wywiercić na dużej głębokości,
a jakim jest w obecnej chwili otwór o średnicy 10 cm.
Jednakże, długość takiego absorbującego ciepło otworu przekraczałaby 5 km nawet dla
najmniejszej instalacji mającej zastosowanie ekonomiczne, ponadto odwierty doprowadzający
i odprowadzający, musiałyby się ciągnąć na podobną odległość. Ponadto różnice ciśnień oraz
straty wydajności pomp są zbyt duże dla bardzo długich smukłych odwiertów. Aby rozwiązać
ten problem wynalazcy zasugerowali podzielenie odwiertu absorbującego ciepło na wiele odwiertów połączonych równolegle, wystarczająco od siebie oddalonych tak, aby odbierać energię z wystarczająco dużej ilości skały zapewniając pożądany współczynnik wymiany ciepła
w zakładanym czasie życia instalacji.
Nachylenie odwiertów absorbujących ciepło ułatwia ich wywiercenie, na przykład przy
wykorzystaniu napędzanego hydraulicznie młota udarowego lub wiercenia osłonowego. Masa
przykładana do koronki wiertniczej może być znacznie łatwiej kontrolowana gdy siła tarcia
pomiędzy osłoną, a ścianą odwiertu może zasadniczo utrzymywać masę osłony. Może to zasadniczo przedłużyć czas użytkowania koronki wiertniczej i zmniejszyć koszty wierceń.
Ponieważ temperatura skały zwiększa się wraz ze wzrostem głębokości, zachowanie
swobodnego przepływu wody skierowanego w dół przez nachylone odwierty umożliwi wzrost
temperatury wody przepływającej w otoczeniu, którego temperatura również wzrasta, tak więc
pozwoli to na zachowanie różnicy temperatur pomiędzy wodą. a otaczającą ją skałą na stałym
poziomie. Umożliwi to zastosowanie układu powierzchni wymieniających ciepło wykorzystujących przepływ przeciwprądowy, co pozwoli zmniejszyć długość odwiertów absorbujących ciepło i pozwoli uzyskać optymalne parametry odbioru ciepła ze skały. Układ wykorzystujący przepływ przeciwprądowy może odbierać ciepło z tej samej objętości skały od 2 do 3
6
186 556
razy dłużej niż odpowiadający mu układ wykorzystujący przepływ współprądowy. Wielkość
kąta nachylenia odwiertów zależy od kilku czynników, na przykład gradientu temperatury
skały, długości odwiertów absorbujących ciepło oraz współczynnika przepływu wody. Obliczanie tego kąta jest czynnością dobrze znaną osobom o stosownym wykształceniu i nie będzie tutaj szczegółowo opisywane.
Wprowadzenie układu pionowo oddzielonych warstw, z których każda zawiera wiele
odwiertów absorbujących ciepło, umożliwia zwiększenie pojemności instalacji bez jej rozprzestrzeniania na większym obszarze. Jest to szczególnie istotne w przypadku gdy objętość
gruntu dostępnego na potrzeby instalacji jest ograniczona.
Instalacja według wynalazku może posiadać pojedynczy odwiert doprowadzający oraz;
pojedynczy odwiert odprowadzający. Jednakże, instalacja może zawierać wiele otworów doprowadzających, korzystnie rozłożonych równomiernie, promieniowo wokół wspólnego
otworu odprowadzającego. W jednym z rozwiązań wokół wspólnego odwiertu odprowadzającego wykonano trzy pojedyncze otwory doprowadzające. Należy zauważyć iż odwiert odprowadzający może być pojedynczym odwiertem lub zespołem blisko siebie usytuowanych, odwiertów o mniejszej średnicy, które posiadają zasadniczo takie same charakterystyki strat ciepła co pojedynczy odwiert o większej średnicy.
Rozmieszczenie elementów instalacji według wynalazku umożliwia zbudowanie zwartej konstrukcji na powierzchni, a jednocześnie zapewnia stworzenie odwiertów absorbujących
ciepło o wystarczającej długości. Ponieważ normalnie wiercenie odwiertów absorbujących
ciepło rozpoczyna się od odwiertu doprowadzającego, odwiert doprowadzający może zostać
wykonany zasadniczo jako odwiert pionowy, umożliwiając przez to dotarcie odwiertom absorbującym ciepło, na największą możliwą głębokość (najwyższa temperatura) jaką można
osiągnąć przy wykorzystaniu danego zestawu wiertniczego. Wykorzystując wiercenie osłonowe, praktyczna maksymalna głębokość odwiertu wynosi od 6 do 8000 m.
Wynalazcy nieoczekiwanie odkryli iż możliwe jest wydobywanie ciepła przy wykorzystaniu odwiertów o stosunkowo niewielkiej średnicy 10 cm, a nawet mniejszej.
Wykorzystując sposób opisany w dokumentach powołanych przy okazji przedstawiania
znanego stanu techniki, wynalazcy odkryli iż temperatura wody powracającej byłaby tylko
o kilka stopni większa od temperatury wody doprowadzanej do instalacji pętla musiałaby być
ponad 60 razy dłuższa aby możliwe byłoby uzyskanie 40 MW energii. Przedstawione rozważania jasno pokazują użyteczność, wagę oraz zaskakującą skuteczność prezentowanego wynalazku.
Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku na
którym: fig. 1 przedstawia schematyczny rzut perspektywiczny instalacji geotermalnej wykonanej według prezentowanego wynalazku; fig. 2 - schematyczny widok z boku instalacji
przedstawionej na fig. 1; fig. 3 jest schematycznym widokiem z boku większej instalacji geotermalnej wykonanej według prezentowanego wynalazku; fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny wykonany wzdłuż linii IV-IV z fig. 3.
W dwóch przykładach wykonania przedstawionych na rysunku, te same oznaczenia numeryczne zostały użyte do opisania podobnych elementów.
Instalacja przedstawiona na fig. 1 i 2 jest w znacznej części umieszczona w formacji
geologicznej 1 poniżej powierzchni ziemi 2. Formacja ta posiada przewodność termiczną wynoszącą 3 W/m°C. Instalacja zawiera odwiert doprowadzający 4 o średnicy 15 cm. Odwierty
doprowadzający i odprowadzający 3, 4 są połączone przy pomocy czterech odwiertów absorbujących ciepło 5, każdy o średnicy 10 cm i długości około 2000 m. Odległość pomiędzy odwiertami 5 wynosi od 100 do 150 m, zostały one wywiercone poczynając od odwiertu doprowadzającego 3, a kończąc w lub w pobliżu odwiertu odprowadzającego 4. W tym obszarze
wykonana została strefa spękań 6 zapewniająca połączenie pomiędzy odwiertami 4 i 5 ponieważ trudno byłoby trafić podczas wiercenia odwiertów absorbujących ciepło 5, bezpośrednio
w odwiert odprowadzający 4.
Górne krańce odwiertów doprowadzającego i odprowadzającego 3, 4 są wyposażone
w osłony sięgające do 300 m w głąb ziemi, izolując odwierty od otaczających je w tym rejonie
formacji geologicznych.
186 556
7
Na powierzchni odwierty doprowadzający i odprowadzający 3, 4 są połączone z jednej
strony do oddzielającego wymiennika ciepła 8, oraz pompy cyrkulacyjnej 9 wyposażonej
w linię przesyłową 3. Pompa pomocnicza 10 umieszczona jest w dolnym krańcu osłony 7
odwiertu odprowadzającego 4, jej zadaniem jest zmniejszenie ciśnienia w odwiercie odprowadzającym powodujące zasysanie wody z odwiertów wykonanych w formacji 1.
Po drugiej stronie oddzielający wymiennik ciepła 8 połączony jest z różnego rodzaju
urządzeniami odbierającymi ciepło przykładowo reprezentowanymi przez chłodnicę 11, podgrzewacz ciepłego powietrza, 12 oraz zbiornik ciepłej wody 13. W celu zachowania spójności
opisu fig. 1 i 2 odpowiadają instalacjom geotermicznym o różnych wymiarach geometrycznych, temperaturach, prędkościach i wielkościach przepływu. Ponadto fig. 1 pokazuje iż odwierty absorbujące ciepło 5 pochłaniają 0,21 kW/m. Rozważając całkowitą długość odwiertów absorbujących ciepło wynoszącą 8000 m, odbierają od otaczającej je skały 1,7 MW energii. Ta sama wielkość może zostać pomnożona przez współczynnik przepływu wody oraz
różnicę temperatur pomiędzy odwiertami doprowadzającym i odprowadzającym. Jednakże dla
instalacji tak małych jak ta, starty ciepła oddawanego przez odwiert odprowadzający 4 do otoczenia nie s ą pomijalne, a więc moc wyjściowa netto instalacji wynosiłaby około 1,5 MW.
Figura 2 pokazuje że odwiert doprowadzający 3 jest odwiertem pionowym o długości
blisko 3200 m, odwierty absorbujące ciepło 5 ciągną się w dół pod kątem a równym około
45° w stosunku do poziomu. Rozważając fakt iż mają długość 2000 m plus pewną długość
zakrzywionych części końcowych, odwierty absorbujące ciepło mogłyby zostać wywiercone
przy wykorzystaniu młota udarowego oraz osłony rurowej o długości 5000 m.
Przy określaniu wielkości 0.21 kW/m charakteryzującej odwiert, absorbujący ciepło,
wynalazcy posłużyli się wynikami kalkulacjach w części wstępnej tego opisu. Kalkulacje te
zawierają kilka przybliżeń o mniejszym praktycznym zastosowaniu, i są wynikiem poniższego
równania:
Q ≡ K k0.93 D0.2 (0,12 + (t +1)-0.1) (Tg - T w) l
(1)
gdzie
Q jest ciepłem zaabsorbowanym przez odwiert w [W]
K jest stała pomiędzy 1,7 a 2,0
K jest przewodnością termiczną skały w [W/m°C]
typowo wynosi około 3 dla gęstej skały
TG jest początkową średnią temperaturą formacji
geologicznej wzdłuż odwiertu absorbującego
TW jest średnią temperaturą wody przepływającej przez odwiert absorbujący ciepło
D jest średnicą odwiertu absorbującego ciepło w [m]
L jest długością odwiertu absorbującego ciepło w [m]
T jest czasem eksploatacji instalacji w latach
Równanie (1) zakłada wymianę cieplna z przepływem przeciwprądowym i nie byłoby
poprawne dla sytuacji w której zachodziłby przepływ współprądowy. Niewielki wykładnik 0,2
przy średnicy D wskazuje niewielki wpływ średnicy na absorpcję ciepła, podczas gdy wykładnik -0,1 odnoszący się do czasu eksploatacji instalacji, mówi iż instalacja traci 1% mocy
rocznie po jednym roku eksploatacji.
Równanie to może zostać ponadto wykorzystane do obliczenia z odpowiednią dokładnością straty ciepła z odwiertu odprowadzającego 4.
Ponieważ równanie (1) powyżej pokazuje iż wpływ średnicy jest stosunkowo mały oraz
to iż z powodów ekonomicznych średnica ta będzie utrzymywana na niewielkim poziomie,
a ponieważ wyczerpywanie się ciepła zgromadzonego w skale odbywa się stosunkowo wolno,
równanie (1) można uprościć do postaci:
Q≡ C (T g -T w) k l
(2)
8
186 556
gdzie:
C jest stałą pomiędzy 0,6 a 2,4 niższa z wartości odpowiada małym instalacjom
i niskiemu gradientowi temperatury w skale, wyższa z wartości odpowiada większym instalacjom i dużemu gradientowi temperatur.
Przykład wykonania przedstawiony na fig. 3 i 4 jest projektem instalacji geotermalnej
o nominalnej mocy 50 MW i przeciętnej mocy wyjściowej 40 MW uzyskiwanej na przestrzeni
240000 godzin pracy (60 lat przy wykorzystaniu 4000 godzin rocznie). Temperatura wody
doprowadzanej wynosi 40°C, a temperatura wody odprowadzanej 100°C, przy współczynniku
przepływu wynoszącym około 200 kg/sekundę. Formacja geologiczna 1 składa się z granitu
posiadającego przewodność termiczną wynoszącą 4 W/m°C i gradient temperatury wynoszący
30°C/km. Aby uzyskać niezbędną całkowitą długość odwiertów absorbujących ciepło 5, muszą one zostać pogrupowane w trzy zestawy przesunięte względem siebie o 120° połączone ze
wspólnym odwiertem odprowadzającym 4. Każdy zestaw odwiertów absorbujących 5 zawiera
siedem warstw 15 odwiertów absorbujących 5, warstwy zawierają trzy zasadniczo równoległe
do siebie odwierty absorbujące ciepło. Odwierty absorbujące ciepło 5 są od siebie oddalone
o około 100 m w kierunku, poziomym i około 100 - 150 m w kierunku pionowym. Każdy
odwiert posiada średnicę około 10 cm i ma długość około 2300 m. Tworząc w stosunku do
poziomu kąt a równy około 40°. Odwiert doprowadzający 3 każdego z zestawów odwiertów
absorbujących ciepło posiada średnicę około 25 cm, średnica odwiertu odprowadzającego 4
wynosi około 40 cm. Oznacza to iż prędkość wody w odwiercie odprowadzającym jest czterokrotnie większa niż prędkość wody w odwiertach absorbujących ciepło 5.
W celu uproszczenia opisu, wyposażenie znajdujące się na powierzchni ziemi 2 wykorzystujące ciepło uzyskane przez instalację, nie zostało przedstawione. Jeśli po wielu latach
eksploatacji ciepło znajdujące się w skałach otaczających odwierty absorbujące 5 zostałoby
zużyte, nowe odwierty absorbujące można wywiercić w sekcjach skały znajdujących się pomiędzy istniejącymi zespołami odwiertów absorbujących ciepło, lub też mogą one zostać wywiercone poniżej istniejących odwiertów. Wiercenie nowych odwiertów poniżej już istniejących, jest także naturalnym sposobem zwiększania lub odnawiania pojemności instalacji
przedstawionej na tig. 1 i 2.
Należy zauważyć iż odwierty absorbujące ciepło 5 przedstawione w przykładzie wykonania na fig. 3 i 4 posiadają długość około 145 k. Posiadają one taką samą moc cieplną co
oczekiwana z jednego kilometra odwiertu absorbującego ciepło przedstawionego w dokumencie WO 96/23181.
Należy zauważyć iż wynalazek nie jest ograniczony w żaden sposób do opisanych powyżej przykładów wykonania, lecz może zostać poddany modyfikacjom i przekształceniom
bez naruszania myśli innowacyjnej wynalazku oraz jego zakresu określonego przez załączone
zastrzeżenia patentowe.
Flg. 4
Fig. 3
186 556
186 556
Fig. 2
Fig. 1
Departament W ydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.
Cena 2,00 zł.