Directe (diepe) geothermie
Theoretische verklaring
De warmtegeleiding van formatiegesteente kan voor een groot deel worden afgeleid uit de geldende thermische gradiënt. Geologische formaties met een laag warmtegeleidingsvermogen zullen doorgaans een hoge thermische gradiënt vertonen van 3,5 graden of meer per 100 meter diepte. Geologische formaties met een hoog warmtegeleidingsvermogen daarentegen zullen een thermische gradiënt vertonen van 2,5 graden of minder per 100 meter diepte.
Het geleidingsvermogen van energie in rotsformaties ligt gemiddeld tussen 1,3 - 8 Watt/mK
Door convectie te induceren in formaties met een permeabiliteit van 1x 10-e-17 m/s of beter kan het geleidingsvermogen worden vermenigvuldigd bij de buitendiameter van de putboring.
Schematisch overzicht van de enkelgatsbron
Bovenstaand een schematische weergave van de werking van het NotusPid systeem. Zichtbaar gemaakt is de warmte uitwisseling door convectieve stroming in de formatie binnen de zogenaamde convectie peer. Tevens is te zien hoe de warmte stroming zich verdicht aan de boorwand.
Systeemonderdelen
De belangrijkste onderdelen van de NotusPid® installatie zijn:
De zuigleiding (van de onderste putboring) is vervaardigd uit een speciale legering die bestand is tegen druk, temperatuur, chemicaliën en corrosie. De legering wordt vervaardigd en uitvoerig getest door onze exclusieve partner
Retourleidingen worden op dezelfde wijze vervaardigd en (aantal leidingen, legering, diameter, positionering zijn allemaal inbegrepen en beschermd door het octrooi) De zuigleidingen en retourleidingen worden samengevoegd in een vaste module en zullen over de volledige lengte van het boorgat worden geïnstalleerd. De lege ruimte wordt opgevuld met kiezel met een speciale korrel om de retourstroom te verspreiden en het werkgebied te vergroten door het uitwisselingsoppervlak te vergroten.
Op de bodem van de put zal de zuigleiding een filter bevatten om te voorkomen dat kleine deeltjes worden aangezogen die de bekleding en de apparatuur zouden kunnen beschadigen. (Warmtewisselaar, pompen). Lengte, grootte en korrel van het filter zullen worden bepaald na voltooiing van het boorproces.
Op grondniveau zal een kelder worden gebouwd met een diameter van ongeveer 2 meter en een diepte van maximaal 200 meter (afhankelijk van de totale diepte van de put). Deze kelder zal worden gebruikt voor de installatie van de circulatiepompen. De constructie van de kelder zal gas/vloeistof- en drukbestendig zijn met gebruikmaking van staal en beton. De leidingen van de retour- en zuigleiding worden volledig geïsoleerd. De kelder zal worden afgesloten met een verwijderbaar deksel.
De geïnstalleerde pompen zullen een capaciteit hebben van bijvoorbeeld 2X130 m³/h. Temperatuurbestendig tot 150 °C en vervaardigd van corrosiebestendig materiaal.
De elektromotor voor de aandrijving van de pompen zal buiten de natte ruimte worden geïnstalleerd. De reden waarom twee pompen zullen worden geïnstalleerd is de continuïteit van de produktie. Tijdens de productie zal één pomp altijd in de stand-by-stand staan en automatisch in werking treden wanneer de druk bij de actieve pomp daalt. De installatie zal zodanig zijn dat elke pomp kan worden vervangen (onderhoud enz.) zonder dat de productie van de put wordt onderbroken.
De aanzuig- en retourleidingen zullen door het afsluitdeksel naar de oppervlakte worden geleid.
Bovenstaand diagram geeft een uitgebreid overzicht van de de mogelijkheden van directe (dus zonder warmtepompen etc.) geothermie. Elektriciteit productie is hierin niet opgenomen en verwijzen daarvoor naar het blok geothermie en stoomproductie.
Geothermische koel installatie. Dewarmte pomp wordt in deze opstelling aangedreven door een zonnepaneel om op deze wijze een volledig “groene” oplossing te vormen
Directe Geothermie
Een geothermisch systeem voor direct gebruik bestaat uit verschillende hoofdcomponenten, waaronder:
· Een productiefaciliteit
o Downhole en circulatiepompen en putten
· Een mechanisch systeem
o Transmissiepijpleidingen en distributienetwerken
o Warmtewisselaars
o Warmteconvectoren
o Koelsystemen (koeling)
· Piek- of back-upinstallaties
· Afvoersysteem
o Opslagbassin
o Injectieput.
Productiefaciliteit
Een put wordt in een gunstige geologische laag geboord die, bepaalt door de geothermische gradient op de locatie, op die diepte een hoge omgevingstemperatuur heeft. De formatievloeistof die de temperatuur heeft van de omgeving kan vervolgens naar het oppervlak worden gebracht. Een productie-installatie wordt gebruikt om het water naar boven te brengen, en een mechanisch systeem levert de warmte direct voor het beoogde gebruik. De vloeistof wordt na afname van de temperatuur door warmtewisselaars afgekoeld weer terug gevoerd naar de boring.
Een downhole-pomp is een instrument dat in een put wordt gebruikt om de vloeistof naar de oppervlakte te brengen. Tenzij de put een artesische (natuurlijke) bron heeft, zijn downhole-pompen nodig, vooral in een grootschalig systeem voor direct gebruik.
Mechanische systeem
De vloeistoftoestand in transmissiepijpleidingen van projecten voor direct gebruik kan formatie vloeistof of stoomdamp, of een mengsel van twee fasen (d.w.z. stoom en vloeistof) zijn. Deze pijpleidingen vervoeren vloeistoffen van de bron naar de plaats van de toepassing, of naar een stoom-waterafscheider. Thermische uitzetting van metalen pijpleidingen die snel worden verwarmd van de omgevingstemperatuur tot de temperatuur van de geothermische vloeistof (die kan variëren van 100°C tot 300°C) veroorzaakt spanningen die moeten worden opgevangen door een zorgvuldig technisch ontwerp. De kosten van transmissiepijpleidingen en distributienetwerken bij projecten voor direct gebruik zijn aanzienlijk. Dit geldt vooral wanneer de geothermische bron zich op grote afstand van het belangrijkste belastingcentrum bevindt.
Warmtewisselaars
Warmtewisselaars worden gewoonlijk gebruikt om de warmte van het geothermische water over te brengen op een secundaire vloeistof. De belangrijkste warmtewisselaars die in geothermische systemen worden gebruikt, zijn de plaat-, shell-and-tube- en downhole-types. De platenwarmtewisselaar bestaat uit een reeks platen met pakkingen die door klemstangen in een frame worden gehouden. De tegenstroom en hoge turbulentie die in platenwarmtewisselaars worden bereikt, zorgen voor een efficiënte thermische uitwisseling in een klein volume. In vergelijking met shell-and-tube-wisselaars hebben zij bovendien het voordeel dat zij minder ruimte innemen, gemakkelijk kunnen worden uitgebreid wanneer extra lading wordt toegevoegd, en doorgaans 40% goedkoper zijn. De platen zijn meestal gemaakt van roestvrij staal, maar titanium kan worden gebruikt wanneer de vloeistoffen bijzonder corrosief zijn. Platenwarmtewisselaars worden vaak gebruikt in geothermische verwarmingssystemen in de Verenigde Staten.Shell-and-tube warmtewisselaars kunnen worden gebruikt voor geothermische toepassingen, maar zijn minder populair vanwege problemen met vervuiling, de hogere aanvoertemperatuur (het verschil tussen de inkomende en uitgaande vloeistoftemperatuur), en de grotere afmetingen in vergelijking met het plaattype.
Warmteconvectoren
Warmteconvectoren worden gebruikt om de warmte vanaf de warmtewisselaar te transporteren naar het toepassingsgebied. Dit kunnen woonhuizen zijn maar ook industriële toepassingen
Het is ook mogelijk koeling te leveren met de geothermische warmte
Koelsystemen
Koeling met behulp van geothermische energie kan ook worden bereikt met behulp van lithiumbromide- en ammoniak-absorptiekoelsystemen.
Het lithiumbromidesysteem is het meest gangbare omdat het water als koelmiddel gebruikt. Het is echter beperkt tot koeling boven het vriespunt van water. De belangrijkste toepassing van lithiumbromide-installaties is de levering van gekoeld water voor ruimte- en proceskoeling in eentraps- of tweetrapsinstallaties. De tweetraps units vereisen hogere temperaturen (ongeveer 160°C), maar hebben ook een hoog rendement. De eentrapsunits kunnen worden aangedreven met warm water met een temperatuur van slechts 82°C. Lagere geothermische watertemperaturen resulteren in een lager rendement en vereisen een hoger debiet. Over het algemeen is een condensatietoren of koeltoren nodig, waardoor de kosten en de benodigde ruimte toenemen.
Voor geothermisch aangedreven koeling beneden het vriespunt van water moet het ammoniakabsorptiesysteem worden overwogen. Deze systemen worden echter gewoonlijk in zeer grote capaciteiten toegepast en worden nog maar in beperkte mate gebruikt. Voor koeling bij lagere temperaturen moet de stuwtemperatuur op of boven 120°C liggen voor een redelijke prestatie.
Pieksysteem
Een pieksysteem kan nodig zijn om aan de maximale belasting te voldoen. Dit kan worden gedaan door de watertemperatuur te verhogen of door te voorzien in tankopslag. Beide opties betekenen dat er minder putten hoeven te worden geboord. Wanneer de temperatuur van het geothermische water warm is (minder dan 45°C), worden vaak warmtepompen gebruikt. De apparatuur die bij projecten voor direct gebruik wordt gebruikt, bestaat uit verschillende bedrijfseenheden.
Retour geothermische vloeistof
De afvoer van de vloeistof gebeurt door retour naar het boorgat.
Koelsystemen
Koeling met behulp van geothermische energie kan ook worden bereikt met behulp van lithiumbromide- en ammoniak-absorptiekoelsystemen.
Het lithiumbromidesysteem is het meest gangbare omdat het water als koelmiddel gebruikt. Het is echter beperkt tot koeling boven het vriespunt van water. De belangrijkste toepassing van lithiumbromide-installaties is de levering van gekoeld water voor ruimte- en proceskoeling in eentraps- of tweetrapsinstallaties. De tweetraps units vereisen hogere temperaturen (ongeveer 160°C), maar hebben ook een hoog rendement. De eentrapsunits kunnen worden aangedreven met warm water met een temperatuur van slechts 82°C. Lagere geothermische watertemperaturen resulteren in een lager rendement en vereisen een hoger debiet. Over het algemeen is een condensatietoren of koeltoren nodig, waardoor de kosten en de benodigde ruimte toenemen.
Voor geothermisch aangedreven koeling beneden het vriespunt van water moet het ammoniakabsorptiesysteem worden overwogen. Deze systemen worden echter gewoonlijk in zeer grote capaciteiten toegepast en worden nog maar in beperkte mate gebruikt. Voor koeling bij lagere temperaturen moet de stuwtemperatuur op of boven 120°C liggen voor een redelijke prestatie.
Pieksysteem
Een pieksysteem kan nodig zijn om aan de maximale belasting te voldoen. Dit kan worden gedaan door de watertemperatuur te verhogen of door te voorzien in tankopslag. Beide opties betekenen dat er minder putten hoeven te worden geboord. Wanneer de temperatuur van het geothermische water warm is (minder dan 45°C), worden vaak warmtepompen gebruikt. De apparatuur die bij projecten voor direct gebruik wordt gebruikt, bestaat uit verschillende bedrijfseenheden.
Retour geothermische vloeistof
De afvoer van de vloeistof gebeurt door retour naar het boorgat.