Direkte (tiefe) Geothermie
Theoretische Erklärung
Die Wärmeleitfähigkeit von Formationsgestein lässt sich weitgehend aus dem vorherrschenden Wärmegradienten ableiten. Geologische Formationen mit geringer Wärmeleitfähigkeit weisen in der Regel einen hohen Temperaturgradienten von 3,5 Grad oder mehr pro 100 Meter Tiefe auf. Im Gegensatz dazu weisen geologische Formationen mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen Temperaturgradienten von 2,5 Grad oder weniger pro 100 Meter Tiefe auf.
Die Leitfähigkeit von Energie in Gesteinsschichten liegt im Durchschnitt zwischen 1,3 und 8 Watt/mK.
Durch die Induktion von Konvektion in Formationen mit einer Durchlässigkeit von 1x 10-e-17 m/s oder besser kann die Leitfähigkeit am Außendurchmesser des Bohrlochs vervielfacht werden.
Schematischer Überblick über die Einzellochquelle
Systemkomponenten
Die Hauptkomponenten der NotusPid®-Installation sind:
Die Saugleitung (vom unteren Bohrloch) besteht aus einer speziellen Legierung, die druck-, temperatur-, chemikalien- und korrosionsbeständig ist. Die Legierung wird von unserem exklusiven Partner hergestellt und ausgiebig getestet
Die Rücklaufrohre werden auf die gleiche Weise hergestellt (Anzahl der Rohre, Legierung, Durchmesser, Positionierung - all dies ist durch das Patent geschützt). Der Hohlraum wird mit Kies mit spezieller Körnung gefüllt, um den Rückfluss zu verteilen und den Arbeitsbereich durch Vergrößerung der Austauschfläche zu vergrößern.
Die Saugleitung am Boden des Brunnens enthält einen Filter, der das Ansaugen kleiner Partikel verhindert, die die Auskleidung und die Ausrüstung beschädigen könnten. (Wärmetauscher, Pumpen). Länge, Größe und Körnung des Filters werden nach Abschluss des Bohrvorgangs festgelegt.
Auf Bodenhöhe wird ein Keller mit einem Durchmesser von etwa 2 Metern (nach Gesamttiefe des Brunnens) errichtet. Dieser Keller wird für die Installation des Systems genutzt. Die Konstruktion des Untergeschosses wird gas-, flüssigkeits- und druckfest sein. Die Rücklauf- und Ansaugrohrleitungen werden vollständig isoliert sein. Der Keller wird mit einer abnehmbaren Abdeckung versiegelt.
Die installierten Zirkulation Pumpen haben eine Kapazität zwischen 20 - 130 m³/h. (je nach Auslegung und Tiefe des Systems) Temperaturbeständig bis zu 150 °C und aus korrosionsbeständigem Material hergestellt.
Der Elektromotor zum Antrieb der Pumpen wird außerhalb der Nasszelle installiert. Bei Bedarf können auch zwei Umwälzpumpen installiert werden. Der Grund, warum zwei Pumpen installiert werden, ist die Kontinuität der Produktion. Während der Produktion befindet sich eine Pumpe immer im Standby-Modus und schaltet sich automatisch ein, wenn der Druck an der aktiven Pumpe abfällt. Die Anlage ist so konzipiert, dass jede Pumpe ausgetauscht werden kann (Wartung usw.), ohne dass die Produktion des Brunnens unterbrochen wird.
Die Ansaug- und Rücklaufleitungen werden durch den Abschlussdeckel an die Oberfläche geführt.
Das obige Diagramm gibt einen umfassenden Überblick über die Möglichkeiten der direkten (d.h. ohne Wärmepumpen etc.) Geothermie. Die Stromerzeugung ist darin nicht enthalten, siehe dazu den Block Geothermie und Dampferzeugung.
Geothermisches Kühlsystem. In dieser Anordnung wird die Wärmepumpe durch ein Solarpanel mit Strom versorgt, um auf diese Weise eine vollständig "grüne" Lösung zu schaffen
Direkte Geothermie
Ein geothermisches System mit direkter Nutzung besteht aus mehreren Hauptkomponenten, darunter:
- Eine Produktionsstätte
o Bohrloch- und Umwälzpumpen und Bohrlöcher
- Ein mechanisches System
o Übertragungsleitungen und Verteilungsnetze
o Wärmetauscher
o Wärmekonvektoren
o Kühlsysteme (Kältetechnik)
- Peak- oder Back-up-Systeme
- Entwässerungsanlage
o Vorratsbehälter
o Injektionsbohrung.
Produktionsstätte
Ein Bohrloch wird in eine günstige geologische Schicht gebohrt, die, bestimmt durch den geothermischen Gradienten am Standort, in dieser Tiefe eine hohe Umgebungstemperatur aufweist. Die Formationsflüssigkeit, die die Umgebungstemperatur hat, kann dann an die Oberfläche gebracht werden. Eine Förderanlage bringt das Wasser an die Oberfläche, und ein mechanisches System stellt die Wärme direkt für den vorgesehenen Zweck bereit. Sobald die Temperatur gesunken ist, wird die Flüssigkeit durch Wärmetauscher abgekühlt und in das Bohrloch zurückgeführt.
Eine Bohrlochpumpe ist ein Instrument, das in einem Bohrloch verwendet wird, um die Flüssigkeit an die Oberfläche zu bringen. Sofern der Brunnen nicht über eine artesische (natürliche) Quelle verfügt, sind Bohrlochpumpen erforderlich, vor allem bei einem großen System zur direkten Nutzung.
Mechanisches System
Der Flüssigkeitszustand in Transportleitungen von Projekten zur direkten Nutzung kann Formationsflüssigkeit oder Dampf oder eine Mischung aus zwei Phasen (d. h. Dampf und Flüssigkeit) sein. Diese Rohrleitungen transportieren Flüssigkeiten von der Quelle zum Einsatzort oder zu einem Dampf-Wasser-Trenner. Die thermische Ausdehnung von Metallrohrleitungen, die schnell von der Umgebungstemperatur auf die Temperatur des geothermischen Fluids (die zwischen 100°C und 300°C liegen kann) aufgeheizt werden, verursacht Spannungen, die durch eine sorgfältige technische Planung ausgeglichen werden müssen. Die Kosten für Übertragungsleitungen und Verteilungsnetze bei Projekten zur direkten Nutzung sind erheblich. Dies gilt insbesondere dann, wenn die geothermische Quelle weit vom Hauptlastzentrum entfernt ist.
Wärmetauscher
Wärmetauscher werden in der Regel zur Übertragung von Wärme aus dem geothermischen Wasser auf ein Sekundärfluid verwendet. Die wichtigsten Wärmetauscher, die in geothermischen Systemen verwendet werden, sind Plattenwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher und Erdwärmesonden. Der Plattenwärmetauscher besteht aus einer Reihe von Platten mit Dichtungen, die durch Klemmstangen in einem Rahmen gehalten werden. Die Gegenströmung und die hohe Turbulenz, die in Plattenwärmetauschern erreicht werden, gewährleisten einen effizienten Wärmeaustausch auf kleinem Raum. Im Vergleich zu Rohrbündelwärmetauschern haben sie außerdem den Vorteil, dass sie weniger Platz benötigen, leicht erweitert werden können, wenn zusätzliche Last hinzukommt, und in der Regel 40 % günstiger sind. Die Platten bestehen in der Regel aus rostfreiem Stahl, aber auch Titan kann verwendet werden, wenn die Flüssigkeiten besonders korrosiv sind. Rohrbündelwärmetauscher können für geothermische Anwendungen verwendet werden, sind aber wegen der Probleme mit Verschmutzung, der höheren Eintrittstemperatur (der Differenz zwischen der Temperatur der eintretenden und der austretenden Flüssigkeit) und der größeren Abmessungen im Vergleich zum Plattentyp weniger beliebt.
Wärmekonvektoren
Wärmekonvektoren werden eingesetzt, um die Wärme vom Wärmetauscher zum Anwendungsbereich zu transportieren. Dies können sowohl private als auch industrielle Anwendungen sein.
Es ist auch möglich, mit der Erdwärme Kälte zu erzeugen
Kühlungssysteme
Die Kühlung mit geothermischer Energie kann auch mit Lithiumbromid- und Ammoniak-Absorptionskühlsystemen erfolgen.
Das Lithiumbromid-System ist das gebräuchlichste, da es Wasser als Kältemittel verwendet. Sie ist jedoch auf die Kühlung oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser beschränkt. Die Hauptanwendung von Lithiumbromidsystemen ist die Bereitstellung von Kaltwasser für die Raum- und Prozesskühlung in ein- oder zweistufigen Anlagen. Die zweistufigen Geräte benötigen höhere Temperaturen (etwa 160 °C), haben aber auch einen hohen Wirkungsgrad. Die einstufigen Geräte können mit bis zu 82°C heißem Wasser betrieben werden. Niedrigere geothermische Wassertemperaturen führen zu einem geringeren Wirkungsgrad und erfordern höhere Durchflussraten. In der Regel ist ein Kondensations- oder Kühlturm erforderlich, was Kosten und Platzbedarf erhöht.
Für die geothermisch betriebene Kühlung unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sollten Ammoniak-Absorptionssysteme in Betracht gezogen werden. Diese Systeme werden jedoch in der Regel in sehr großen Kapazitäten eingesetzt und sind noch wenig verbreitet. Für die Kühlung bei niedrigeren Temperaturen sollte die Schubtemperatur bei oder über 120°C liegen, um eine angemessene Leistung zu erzielen.
Spitzenwert-System
Um die maximale Last zu bewältigen, kann ein Spitzensystem erforderlich sein. Dies kann durch eine Erhöhung der Wassertemperatur oder durch die Bereitstellung eines Speichers geschehen. Beide Optionen bedeuten, dass weniger Bohrlöcher gebohrt werden müssen. Wenn die Temperatur des geothermischen Wassers warm ist (weniger als 45 °C), werden häufig Wärmepumpen eingesetzt. Die bei Projekten zur direkten Nutzung eingesetzten Geräte bestehen aus mehreren Betriebseinheiten.
Rückführung der geothermischen Flüssigkeit
Die Ableitung der Flüssigkeit erfolgt durch Rückführung in das Bohrloch.
Kühlungssysteme
Die Kühlung mit geothermischer Energie kann auch mit Lithiumbromid- und Ammoniak-Absorptionskühlsystemen erfolgen.
Das Lithiumbromid-System ist das gebräuchlichste, da es Wasser als Kältemittel verwendet. Sie ist jedoch auf die Kühlung oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser beschränkt. Die Hauptanwendung von Lithiumbromidsystemen ist die Bereitstellung von Kaltwasser für die Raum- und Prozesskühlung in ein- oder zweistufigen Anlagen. Die zweistufigen Geräte benötigen höhere Temperaturen (etwa 160 °C), haben aber auch einen hohen Wirkungsgrad. Die einstufigen Geräte können mit bis zu 82°C heißem Wasser betrieben werden. Niedrigere geothermische Wassertemperaturen führen zu einem geringeren Wirkungsgrad und erfordern höhere Durchflussraten. In der Regel ist ein Kondensations- oder Kühlturm erforderlich, was Kosten und Platzbedarf erhöht.
Für die geothermisch betriebene Kühlung unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser sollten Ammoniak-Absorptionssysteme in Betracht gezogen werden. Diese Systeme werden jedoch in der Regel in sehr großen Kapazitäten eingesetzt und sind noch wenig verbreitet. Für die Kühlung bei niedrigeren Temperaturen sollte die Schubtemperatur bei oder über 120°C liegen, um eine angemessene Leistung zu erzielen.
Spitzenwert-System
Um die maximale Last zu bewältigen, kann ein Spitzensystem erforderlich sein. Dies kann durch eine Erhöhung der Wassertemperatur oder durch die Bereitstellung eines Speichers geschehen. Beide Optionen bedeuten, dass weniger Bohrlöcher gebohrt werden müssen. Wenn die Temperatur des geothermischen Wassers warm ist (weniger als 45 °C), werden häufig Wärmepumpen eingesetzt. Die bei Projekten zur direkten Nutzung eingesetzten Geräte bestehen aus mehreren Betriebseinheiten.
Rückführung der geothermischen Flüssigkeit
Die Ableitung der Flüssigkeit erfolgt durch Rückführung in das Bohrloch.