DK201700092U3

DK201700092U3 - Geotermisk anlæg der anvender varm tør klippesprækkezone

Info

Publication number: DK201700092U3
Application number: DKBA201700092U
Authority: DK
Inventors: Ben Laenen
Original assignee: Vito
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2018-01-12
Also published as: PL70876Y1; FR3056288B3; FR3056288A3; DE202017105632U1; CN206477824U; PL126612U1

Abstract

Anlæg til at udnytte geotermisk energi ved at cirkulere et fluidum såsom vand gennem en sprækket geologisk formation mindst 700 m, eller 1000, 3000 eller 4000 m under jordens overflade, omfattende mindst et forsyningsrør, der fører fra overfladen ned til den geologiske formation, mindst et returrør til transporten af opvarmet fluidum såsom vand fra den geologiske formation til overfladen, og en varmeabsorberende anordning, der forbinder forsynings- og returhullerne eller rørene, hvilken varmeabsorberende anordning omfatter en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader i den geologiske formation hen over hvilken varme overføres fra den geologiske formation til fluidummet såsom vand.

Description

<¹θ> DANMARK <¹°> DK 2017 00092 U3

<¹²> BRUGSMODELSKRIFT

Registreret brugsmodel uden prøvning

Patent- og

Varemærkestyrelsen (51)

Int.CI.: F24 J 3/08(2006.01)

F 03 G 7/04(2006.01) (21) Ansøgningsnummer: BA 2017 00092 (22) Indleveringsdato: 2017-09-20 (24) Løbedag: 2017-09-20 (41) Aim. tilgængelig: 2017-12-20 (45) Registreringsdato: 2018-01-12 (45) Publiceringsdato: 2018-01-12 (30) Prioritet: 2016-09-20 CN 201621065570.X (73) Brugsmodelindehaver: VITO, Boeretang 200, 2400 Mol, Belgien (72) Frembringer: Ben Laenen, Meerhoutsebaan 55, 2400 Mol, Belgien (74) Fuldmægtig: Plougmann Vingtoft A/S, Rued Langgaards Vej 8, 2300 København S, Danmark (54) Benævnelse: GEOTERMISK ANLÆG DER ANVENDER VARM TØR KLIPPESPRÆKKEZONE (56) Relevante publikationer:

(57) Sammendrag:

Fortsættes ...

DK 2017 00092 U3

Tynde plader

Tværsnit forsynings- retur-

Figur 1

X

DK 2017 00092 U3

GEOTERMISK ANLÆG DER ANVENDER VARM TØR KLIPPE SPRÆKKEZONE

Den foreliggende opfindelse angår et anlæg til at udnytte geotermisk energi fra en geologisk formation underjorden.

Baggrund

WO 96/23181 beskriver et forsøg på at anvende forladte offshore-oliebrønde til at udvinde termisk energi, som efterfølgende kan omdannes til elektrisk strøm og leveres til en forbruger. Her anvendes to 3000 m dybe brønde til henholdsvis forsynings- og returhulleme, idet brøndene er indbyrdes forbundne ved deres laveste ender med et generelt horisontalt boret sløjfe, der er 1000 m langt og har en diameter på 21,5 cm.

700 m³/t vand cirkuleres gennem sløjfen med en indløbstemperatur på 20 grader C.

Skriftet antager blot, at vandet vil returnere ved en temperatur på 90 grader C, som er den temperatur i formationen, hvor forbindelsessløjfen er placeret, og således tilvejebringer 40 MW termisk energi. Denne antagelse anses for at være upræcis. Ved anvendelse af den oven for beskrevne fremgangsmåde har det vist sig, at returvandtemperaturen ville være kun nogle få grader over forsyningstemperaturen, og at sløjfen skal være mere end 60 gange længere for at tilvejebringe 40 MW.

Sammendrag af opfindelsen

I et aspekt angår den foreliggende opfindelse et anlæg til at udvinde geotermisk energi ved at cirkulere et fluidum gennem en geologisk formation, omfattende:

mindst et forsyningsrør der er i stand til at transportere et fluidum fra overfladen ned til den geologiske formation, mindst et returrør til transporten af opvarmet fluidum fra den geologiske formation til overfladen, og en varmeabsorberende anordning, der forbinder forsynings- og returrørene, idet den varmeabsorberende anordning omfatter en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der er indrettet i den geologiske formation hen over hvilken, varme overføres fra den geologiske formation til fluidummet, endvidere omfattende:

DK 2017 00092 U3 et første bundrør fra bunden af forsyningsrøret, der strækker sig væk fra forsyningsrøret;

et andet bundrør fra bunden af returrøret, der strækker sig væk fra returrøret, og som er adskilt fra det første bundrør med en afstand i de horisontale og vertikale retninger (Χ,Υ,Ζ), idet de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader er væskemæssigt forbundet med de første og anden bundrør.

Rør foretrækkes fremfor borede huller i jorden på grund af nogle eller en kombination af følgende fordele:

rør forhindrer, at væske fra klippen ved en hvilken som helst dybde trænger ind i rørene og fortynder væsken såsom vand, der flyder i disse rør, rørene hjælper således med at forhindre væske- og varmeenergiudveksling ved andre positioner end sprækkezonen;

rør reducerer muligheden for, at rørene bliver tilstoppet af klippenedfald, hvilket således forlænger anlæggets levetid.

rør øger muligheden for at anlægget stadig er i drift på trods af seismisk aktivitet;

rør tillader, at der anvendes højere tryk, mens de reducerer udslip i klippen udover i sprækkezonen.

Anlægget kan indrettes til at cirkulere et fluidum såsom vand gennem den geologiske formation mindst 700 m, eller 1000, 3000 eller 4000 m underjordens overflade. Forsyningsrøret og/eller returrøret og/eller det første bundrør og/eller det andet bundrør kan fremstilles af aluminium eller en aluminiumlegering såsom en havaluminiumlegering, der er resistent over for saltholdige væsker såsom saltvand.

Forsynings- og returrørene er fortrinsvis teleskoprør. Det første og/eller det andet bundrør kan eventuelt være teleskoprør.

Rørene kan være placeret i borede huller.

I et andet aspekt angår den foreliggende opfindelse et anlæg, der skal forberedes til at udnytte geotermisk energi beregnet til at cirkulere et fluidum såsom vand gennem en

DK 2017 00092 U3 geologisk formation mindst 700 m, eller 1000, 3000 eller 4000 m underjordens overflade, omfattende mindst et forsyningshul, der fører fra overfladen ned til den geologiske formation, mindst et returhul til transporten af opvarmet fluidum såsom vand fra den geologiske formation til overfladen, og en varmeabsorberende anordning, der forbinder forsynings- og returhulleme, hvilken varmeabsorberende anordning omfatter en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader i den geologiske formation hen over hvilken, varme overføres fra den geologiske formation til fluidummet såsom vand.

Sådanne geotermiske energianlæg som almindeligvis danner sprækker i klippen for at få adgang til underjordiske varmereservoirer kan fremkalde jordskælv, og udførelsesformer af den foreliggende opfindelse er udformet til at begrænse risikoen for jordskælv. Derudover begrænser et geotermisk anlæg ifølge udførelsesformer af den foreliggende opfindelse risikoen for ikke at være i stand til at danne hydraulisk forbindelse mellem forsynings- og returhulleme gennem den varme klippemasse.

Den foreliggende opfindelse omfatter en sprækket geologisk formation med et anlæg til at udnytte geotermisk energi indrettet til at cirkulere et fluidum såsom vand gennem den sprækkede geologiske formation mindst 700 m, eller 1000, 3000 eller 4000 m under jordens overflade.

Anlægget omfatter et forsyningshul eller rør, der fører fra overfladen ned til den geologiske formation, et første hul eller rør, der går fra bunden af forsyningshullet, som er skråt for forsyningsborehullet eller røret, eventuelt i det væsentlige horisontalt; mindst et returhul eller rør til transporten af opvarmet fluidum såsom vand fra den geologiske formation til overfladen, idet returhullet eller røret eventuelt ikke er så dybt som forsyningshullet eller røret, et andet hul, der går fra bunden af returhullet, som er skråt for forsyningsborehullet, eventuelt i det væsentlige horisontalt, og som er adskilt fra det første hul med en afstand i de horisontale og vertikale retninger; og sprækkezoner i den geologiske formation mellem de første og anden huller, som er en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, som tillader at varme bliver overført fra den sprækkede geologiske formation til fluidummet såsom vand mellem forsynings- og returhullet.

DK 2017 00092 U3

Den foreliggende opfindelse angår for eksempel udnyttelse af geotermisk energi fra varme tørre klippe- (en: hot dry rock, HDR) formationer. For at kompensere for de lave termiske ledeevner af sådanne formationer udvinder den foreliggende opfindelse termisk energi via en meget stor varmeoverførselsoverflade, der er gjort tilgængelig i den geologiske formation, og angår rækken af mange hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsoverflader.

Ifølge udførelsesformer af den foreliggende opfindelse sådanne meget store varmeoverførselsoverfladeområder er sprækkezoner mellem de skråtstillede fortrinsvis horisontale afsnit af forsynings- og returhulleme eller rørene, som er adskilt fra hinanden med en afstand i de horisontale og vertikale retninger såsom 200 til 1000 m eller 250 til 800 eller 300 til 750 m. Sprækkezoneme kan udvide eksisterende brud, f.eks. omfatter sprækkezonen udsprængt klippe mellem de skråtstillede, f.eks.

horisontale første og anden huller eller rør, eller er sprækker mellem de skråtstillede eller horisontale afsnit af forsynings- og returhulleme eller rørene, som af adskilt fra hinanden med en afstand i de horisontale og vertikale retninger såsom 200 til 1000 m eller 250 til 800 eller 300 til 750 m. Anlægget er beregnet til at afkøle og opvarme og/eller til at generere hydraulisk tryk i klippen, hvoraf sidstnævnte foretrækkes for sprækkerne. For at undgå uforudsigelige flowbetingelser for cirkuleringen af fluidum grundet hydrauliske modstandsforskelle mellem hydraulisk parallelle varmeoverførselsoverflader omfatter sprækkezonen ifølge den foreliggende opfindelse hydraulisk parallelle varmeoverførselsoverflader. Endvidere kan flowmålere tilvejebringes for at bestemme flowmodstanden i sprækker, der krydser de forskellige afsnit af hullerne eller rørene.

I et geotermisk anlæg ifølge udførelsesformer af den foreliggende opfindelse er et stort volumen af varm klippe placeret i nærheden af varmeoverførselsoverflademe. Et geotermisk anlæg ifølge udførelsesformer ifølge den foreliggende opfindelse, f.eks.

udformet til at opvarme et fluidum såsom vand og til at generere varmt vand, har fortrinsvis mindst 20.000 m³ klippe placeret inden for 10 meter fra hver varmeoverførselsoverflade for hver kW, som anlægget skal levere.

I et aspekt af opfindelsen tilvejebringes derfor et anlæg til at udnytte geotermisk energi

DK 2017 00092 U3 af den slags der er defineret i det indledende afsnit ovenfor, idet anlægget er kendetegnet ved, at det har en given nominel effekt i MW defineret som varmen, der skal absorberes fra sprækkeformationen med anordningen pr. sekund, ved at de multiple og hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader omfatter mindst et boret varmeabsorberende hul eller rør, og ved at klippevolumen af formationen, er mindst ca. 15.000.000 m³, fortrinsvis mindst 20.000.000 m³, multipliceret med den nominelle effekt.

Disse tal repræsenterer en meget større klippemasse end forudset af anlæg fra den kendte teknik med et økonomisk bæredygtigt output.

Opfinderne har opdaget, at den mest effektive måde til at etablere varmeekstraktion fra et tilstrækkeligt stort klippevolumen er et anlæg med en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader dybt nede i den varme klippe.

Udtrykket “hydraulisk parallelt” betyder, at fluidumflow eksisterer parallelt, selvom den geometriske form af disse grænseflader ikke nødvendigvis er matematisk parallelle.

Den foreliggende opfindelse er baseret delvist på den erkendelse, at klipper mere end ti meter væk fra en varmeoverførselsoverflade ikke vil give megen varmeenergi grundet klippers dårlige termiske ledeevne. Fra et varmeoverførselssynspunkt var et stort antal relativt tæt anbragte hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsgrænseflader derfor meget mere effektive.

Ifølge udførelsesformer af den foreliggende opfindelse ville huller eller rør til forsyning og retur af fluidummet normalt være mere end 3 km i dybden, mere fortrinsvis 5 km i dybden og mest fortrinsvis mere end 6 km. Endvidere ifølge udførelsesformer ifølge den foreliggende opfindelse er multiple kvasi-parallelle eller hydraulisk parallelle varmeoverførselsgrænseflader placeret ved denne dybde i tørre klipper for at gøre et tilstrækkeligt volumen af den varme klippe tilgængelig til at levere den ønskede varme gennem et anlægs påkrævede levetid.

Ifølge et andet aspekt tilvejebringer opfindelsen således et anlæg til at udnytte geotermisk energi ved at cirkulere fluidum såsom vand gennem en geologisk formation mindst 700 m, eller mere end 1000 m, 3000 m, 4000 m underjordens overflade,

DK 2017 00092 U3 omfattende den geologiske formulering med sprækkezoner som nævnt ovenfor. Det mindste dybdeinterval er defineret af det faktum, at opfindelsen er baseret på en række hydraulisk parallelle subvertikale brud, der anvender hydrauliske teknikker. Hydraulisk dannede sprækker er tilvejebragt i den retning, der er vinkelret på det laveste tryk.

Baseret på erfaring vil horisontale brud forekomme på dybder, der er lavere end omtrent 600 til 700 m, fordi jordens overliggende lag på disse dybder tilvejebringer det mindst væsentlige tryk. Under disse relativt overfladiske betingelser vil sprækkerne højest sandsynligt være langs en horisontal flade, fordi det vil være nemmere at dele klippen i denne retning end på nogen som helst anden måde. Efterhånden som dybden stiger til over 700 m, bliver trykket fra de overliggende lag oftest det dominerende tryk. Eftersom hydraulisk fremkaldte brud er i den retning, der er vinkelret på det laveste tryk, bliver det resulterende brud på dybder, der er mere end 700 m, oftest rettet i den vertikale retning.

Ifølge et yderligere aspekt af den foreliggende opfindelse er et anlæg til at udnytte geotermisk energi af typen beskrevet ovenfor kendetegnet ved, at den varmeabsorberende anordning omfatter en flerhed af hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsgrænseflader indrettet i et parallelt flowforhold fra det skråtstillede eller horisontale afsnit af forsyningshullet eller røret til det skråtstillede eller horisontale afsnit af returhullet eller røret og placeret underjorden.

Eftersom klippetemperaturen stiger sammen med den stigende dybde, vil et fluidumflow gennem de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader på den maksimale dybde tillade den højeste temperaturstigning i fluidummet, der bliver anvendt til at udvinde varmen fra den varme klippe såsom vand og dermed den maksimale fjernelse af varmeenergi.

Afstanden mellem tilstødende varmegrænsefladelag, der tilvejebringer hydraulisk parallelle flow, er fortrinsvis ca. 15 m såsom 5 til 25 m, fortrinsvis mindst 10 m. På den anden side bør afstanden være mindre end ca. 50 m for at begrænse anlæggets fysiske omfang. Et anlæg ifølge opfindelsen kan have kun et enkelt forsyningshul eller rør og et enkelt returhul eller rør. Anlægget kan dog have en flerhed af forsyningshuller eller rør indrettet, mest fortrinsvis periferisk anbragt med samme indbyrdes afstand, rundt om et fælles returhul eller rør. I en bestemt udførelsesform kan de tre forsyningshuller eller

DK 2017 00092 U3 rør for eksempel indrettes rundt om et enkelt returhul eller rør. Det bør bemærkes at returhullet eller røret kan være et enkelt boret hul eller rør eller en gruppe af huller eller rør med mindre diameter anbragt tæt på hinanden, der udviser i det væsentlige de samme varme- og tryktabskendetegn som en enkelt hul med en større diameter eller et enkelt rør med en større diameter.

Overkanterne af forsyningshullet eller røret og returhullet eller røret kan fortrinsvis være indrettet tæt på hinanden, hvor hullerne eventuelt fører nedad for at indføre en væsentlig afstand mellem kanterne af forsynings- og returhulleme eller -rørene. Denne afstand er fortrinsvis ca. 500 til 1000 m. Sådan en anlægsopstilling tillader en kompakt anlægskonstruktion på overfladen men tillader samtidigt den nødvendige størrelse på varmeoverførselsgrænseflademe under jorden.

Borede huller eller rør strækker sig vertikalt i den geologiske formation. Et hårdt klippelag i den geologiske formation tillader devierede huller eller rør sammenlignet med boreretningen. Afvigelsen starter fortrinsvis mindst 100 m, mere fortrinsvis 500 m over den forventede dybde på det (semi)horisontale afsnit af bundhulleme eller rørene, idet det faktiske udgangspunkt bestemmes af den teknisk opnåelige opbygningsvinkel på boreteknikken, der anvendes under de lokale geologiske betingelser. Hullet eller røret, som i sidste ende vil tjene som forsyningshullet eller røret, strækker sig vertikalt i en ekstra afstand på for eksempel 500 til 2000 m. I flere kilometers dybde, hvor de fleste HDR-formationer forekommer, er fladerne langs hvilke sådanne formationer brydes, almindeligvis retningsmæssigt orienteret og justeret i en tilnærmelsesvis vertikal flade. Nogle af den slags formationer er blevet undersøgt i en sådan udstrækning, at kompasretningen af den vertikale flade, langs hvilken formationen højest sandsynligt vil bryde, kendes i forvejen. Hvis en sådan ikke kendes eller som en ekstra indikator, kan en kompasrettet kemeprøve fra bunden af mindst en vertikal brønd, (som kan være enten forsyningshulrøret eller returhul eller røret), og kernen og dens rømmede hvælving kan analyseres med hensyn til granulær orientering og tektonisk tryk, som sammen med andre geofysiske data, der er tilgængelige vedrørende formationen, tilvejebringer retningen af fladen, langs hvilken et vertikalt brud højest sandsynligt vil forekomme. Andre alternativer kan anvendes for at bestemme retningen af brudfladen, såsom geofysiske journaler, installeret fiberoptik til at måle deformering

DK 2017 00092 U3 af kappen eller røret, organ til tryklækageprøver eller organ til at danne et prøvebrud og organ til at bestemme retningen fra indsprøjtede radioaktive sporstoffer.

Med henvisning til kompasretningen for den mest sandsynlige brudflade for formationen er der indrettet et eller flere yderligere huller eller rør i en retning, der er tilnærmelsesvis vinkelret på kompasretningen for sådanne flader. Selvom det foretrækkes at opnå vinkelrethed mellem de første og anden skråtstillede eller i det væsentlige horisontale huller eller rør og den brudte flade, er absolut vinkelrethed ikke afgørende. De første og anden skråtstillede eller i det væsentlige horisontale huller eller rør kan krydse de forventede brudflader ved en vinkel, der går fra vinkelret og indtil ca. 45 grader. Udtrykket “tilnærmelsesvis vinkelret” er beregnet til at omfatte sådan en afvigelse. Afvigelsesvinklen fra vertikal af sprækkerne kan variere fra så lidt som 0 grader til så meget som 60 grader, såsom 30 grader til ca. 45 grader. Den præcise opstilling af hullerne og rørene er en afvejning bestemt af formationens temperaturgradient og borings- og røromkostningeme forbundet med operationen. Eftersom det almindeligvis foretrækkes for de første og anden skråtstillede eller i det væsentlige horisontale huller eller rør, der skal være i HDR-formationen, hvorved en temperatur på mindst ca. 125°C forekommer i sprækkezonen for at kontakte det cirkulerede fluidum under drift, vil antallet af yderligere borede huller eller installerede rør være en funktion af formationens temperaturgradient. Minimumsafstanden mellem de første og anden skråtstillede eller i det væsentlige horisontale huller eller rør, der strækker sig gennem HDR-formationen, skal være tilstrækkelige til at tage højde for mangfoldigheden af hydraulisk parallelle varmeoverførselsoverflader, der efterfølgende vil blive fremkaldt langs de første og anden skråtstillede eller i det væsentlige horisontale huller eller rør. Denne minimumsafstand er en funktion af antallet af ønskede varmeoverførselsoverflader gange afstanden mellem varmeoverførselsoverflademe.

Spærringer kan være placeret i en eller flere dele af det første eller andet bundhul eller rør, der krydses af en varmeoverførselsoverflade. Disse er indrettet til at blive afspærret, hvis flowmodstanden i varmeoverførselsoverfladen er lavere sammenlignet med andre varmeoverførselsgrænseflader.

DK 2017 00092 U3

Forsyningsrøret og/eller returrøret kan fremstilles af aluminium; en aluminiumlegering for eksempel en marinealuminiumlegering, der er resistent over for saltholdige væsker som saltvand.

For at have rør der er i den korrekte position, kan der anvendes borede huller til at huse røret. Rør foretrækkes fremfor kun borede huller i jorden på grund af en eller en kombination af følgende fordele:

rør forhindrer, at væske i klippen på en hvilken som helst dybde trænger ind røret og fortynder væsken såsom vand, der flyder i disse rør, derfor hjælper røret med at forhindre væske og varmeenergiudveklsling ved andre positioner end sprækkezonen;

rør er mindre tilbøjelige til at lække fluidum ind i den omgivende klippe end simple borede huller;

I anlægget i drift kan fluidumflow i de første og anden bundafsnit f.eks. rør være i den samme absolutte retning. Dette betyder, at for eksempel i et bundafsnit eller rør er flowet mod enden af dette afsnit eller rør, hvorimod i det andet bundafsnit eller rør strømmer det væk fra enden af afsnittet eller røret. Det hydrauliske kredsløb af en hvilken som helst hydraulisk parallel eller kvasi-parallel varmeoverførselsoverflade omfatter en længde på forsyningsborehullet eller røret, den relevante grænseflade og en længde af returborehullet eller røret. Hvis der vælges en grænseflade tættere på returborehullet eller røret, så reduceres længden af returborehullet eller røret, men længden af forsyningsborehullet eller røret forøges med den samme størrelse. De hydrauliske kredsløb af alle de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader er således ens. Dette tillader spredning af flowet i hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverflader.

DK 2017 00092 U3

Anlægget kan omfatte organ til at generere brudte zoner i en klippemasse: afspærringer til at afspærre del af de første og anden huller eller rør, organ til at øge trykket inden i det afspærrede afsnit omfattende pumper til at pumpe et fluidum ind i det afspærrede afsnit, indtil åbnings- eller brydningstrykket opnås, og klippen giver efter, organ til at indsprøjte proppant sammen med fluidummet for at holde de dannede sprækker åbne, når først trykket er blevet reduceret, organ til at reducere trykket i afspærrede afsnit ved at tillade, at fluidummet strømmer ud. Hele længden af de horisontale første og anden huller eller rør er således, at sprækkezonen har et varmeudvekslingsområde af en brudt klippemasse på mindst 15.000.000 m³ dannes.

Kort beskrivelse af figurerne

For bedre at kunne forstå opfindelsen vil den blive beskrevet med henvisning til 15 eksempler på udførelsesformer vist i de vedhæftede figurer, hvor:

FIG. 1 er et skematisk sidebillede af et geotermisk anlæg ifølge en udførelsesform af den foreliggende opfindelse,

FIG. 2 er et skematisk planbillede af geologisk formation med varmeoverførselsgrænseflader af anlægget i FIG. 1,

Beskrivelse af udførelsesformeme

Den foreliggende opfindelse vil blive beskrevet med hensyn til de specifikke 25 udførelsesformer og med henvisning til visse figurer, men opfindelsen er ikke begrænset dertil men kun af kravene. De beskrevne figurer er kun skematiske og ikke-begrænsende.

I figurerne kan størrelsen på nogle af elementerne været overdrevet og ikke måltegnet som illustration. Hvor udtrykket “omfattende” anvendes i den foreliggende opfindelse og krav, udelukker det ikke andre elementer eller trin. Hvor en ubestemt eller bestemt artikel anvendes ved henvisning til et substantiv i entalsform f.eks. en eller et, -en, -et, omfatter dette en flerhed af det substantiv, med mindre andet er specifikt angivet.

Derudover anvendes udtrykkene første, anden, tredje og lignende i beskrivelsen og i

DK 2017 00092 U3 kravene til at skelne mellem lignende elementer og ikke nødvendigvis til at beskrive en sekventiel eller kronologisk rækkefølge. Det er klart, at udtrykkene anvendt således er udskiftelige under passende betingelser, og at udførelsesformeme ifølge opfindelsen beskrevet heri er egnede til drift i andre rækkefølger end beskrevet eller illustreret heri.

Figur 1 og 2 er skematiske og viser elementer på forskellige dybder, som hvis klippen ind imellem er transparent. Det geotermiske anlæg illustreret i FIG. 1 og 2 har en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader 10 placeret i en geologisk formation underjordens overflade. Varmeoverførselsoverflademe er placeret mellem horisontale bundafsnit eller rør 6, 8 beskrevet som første og anden horisontale bundafsnit af henholdsvis forsynings- og returhuller eller rør 2,4, de horisontale bundafsnit 6, 8 af forsynings- og returhulleme eller rørene 2, 4, er adskilt fra hinanden med en afstand i de horisontale retninger (“X” og “Z”) og den vertikale (“Y”) retning såsom 200 til 1000 m eller 250 til 800 eller 300 til 750 m.

Varmeoverførselsoverflademe 10 er derfor en struktur, der strækker sig i alle tre ortogonale retninger X, Y, Z. Varmeoverførselsoverflademe 10 er vist skematisk som parallelle, flade plader, men i praksis vil den præcise form på disse overflader imidlertid blive bestemt af, hvorledes klippen sprækker. Sprækkezoneme er valgt, således at parallelle flowstier forbedrer varmeoverførsel.

Anlægget omfatter et forsyningshul eller rør 2 med en indvendig diameter på mindst 15,0 cm, for eksempel 15,0 cm eller 19,0 cm eller 21,2 cm eller 31,3 cm, der går fra et injektionsbrøndhoved 16 og et returhul 4 med en indvendig diameter på mindst 15,0 cm, for eksempel 15,0 cm eller 19,0 cm eller 21,2 cm eller 31,3 cm, der går fra et produktionsbrødhoved 18. Forsyningshullet eller røret 2 er dybere end returhullet eller røret 4 med en afstand på f.eks. 250 m, for eksempel på 250 til 500 m. Returhullet eller røret kunne dog også være dybere end forsyningshullet eller røret. Horisontale bundafsnit eller rør 6, 8 er i det væsentlige på bunden af henholdsvis forsynings- og returhulleme eller rørene 2, 4. Bundafsnittene 6,8 af forsynings- og returhulleme eller rørene 2,4 er indbyrdes forbundet via rækker af hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsoverflader 10, idet afstanden mellem disse overflader bliver bestemt af måden, der omgiver klippebrudene. Sprækkezonen i dette område tilvejebringer fortrinsvis flowforbindelse mellem forsynings- og returhulleme eller

DK 2017 00092 U3 rørene. Som vist i Figur 2 er borehovedeme 16, 18 placeret i hjørner på tværs af en diagonal af brudzonen med de hydraulisk parallelle varmeoverførselsgrænseflader 10.

De borede borehuller eller rør 2,4 er i det væsentlige vertikale i den geologiske formation og møder fortrinsvis en ønsket hård klippeformation, der tillader den sikre opbygning af afvigelsen fra vertikal af bundafsnittene eller rørene og fortrinsvis 100 m, mere fortrinsvis 500 m over den forventede dybde på de (semi)horisontale bundafsnit eller rør: idet det faktiske udgangspunkt på afvigelsen bliver bestemt af den teknisk opnåelige opbygningsvinkel af boreteknikkerne, der anvendes under de lokale geologiske betingelser. Hullet eller røret, der i sidste ende vil tjene som forsyningshullet eller røret, strækker sig vertikalt i en yderligere afstand D såsom 200 til 1500 m, eller 250 til 2000 m, eller 300 m til 3000 m, afhængigt af det klippevolumen, der er påkrævet for at opnå den forventede nominelle effekt. På flere kilometers dybde, hvor de fleste HDR-formationer forekommer, er fladerne, langs hvilke sådanne formationer bliver brudt, almindeligvis retningsmæssigt orienteret og tilpasset en tilnærmelsesvis vertikal flade. Selvom nogle af den slags formationer er blevet undersøgt i en sådan udstrækning, at kompasretningen af den vertikale flade, langs hvilken formationen højest sandsynligt vil bryde, kendes i forvejen, hvis en sådan ikke kendes eller som en ekstra indikator, kan en kompasrettet kemeprøve fra bunden af mindst en vertikal brønd eller et vertikalt rør, og kernen og dens rømmede hvælving analyseres med hensyn til granulær orientering og tektonisk tryk, som sammen med andre geofysiske data, der er tilgængelige vedrørende formationen, tillader at retningen af fladen, langs hvilken et vertikalt brud højest sandsynligt vil forekomme, kan bestemmes. Andre alternativer kan anvendes for at bestemme retningen af brudfladen, såsom geofysiske journaler, installeret fiberoptik til at måle deformering af kappen, organ til tryklækageprøver eller organ til at danne et prøvebrud, hvis retning kan bestemmes med injektion af radioaktive sporstoffer.

Idet kompasretningen er den mest sandsynlige flade for formationen, er et eller flere yderligere borede borehuller eller rør indrettet i en retning, som er omtrent vinkelret på kompasretningen af sådanne flader. Selvom det foretrækkes at opnå vinkelrethed mellem retningsborehulleme eller rørene og den forventede brudflade, er absolut vinkelrethed ikke væsentlig. De devierede brønde eller rør kan krydse de forventede brudflader ved en vinkel, der går fra vinkelret indtil ca. 45 grader. Udtrykket

DK 2017 00092 U3 “tilnærmelsesvis vinkelret” er beregnet til at omfatte en sådan varians. Minimumsafstanden mellem de devierede første og anden bundafsnit eller rør 6, 8, der strækker sig gennem HDR-formationen, skal være tilstrækkelige til at tage højde for mangfoldigheden af kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der efterfølgende vil blive fremkaldt langs de første og anden bundafsnit eller rør 6, 8. Denne minimumsafstand er en funktion af antallet af ønskede varmeoverførselsoverflader gange afstanden mellem varmeoverførselsoverflademe.

Driftsanlægget er indrettet til at tilvejebringe fluidumflow i de første og anden bundafsnit eller rør 6, 8 i den samme absolutte retning. Dette betyder, at for eksempel i bundafsnittet eller røret 8 er flowet mod enden af dette afsnit eller rør, hvorimod i bundafsnittet 6 strømmer det væk fra enden af afsnittet eller røret som vist i Figur 1. Det hydrauliske kredsløb i en hvilken som helst hydraulisk parallel eller kvasi-parallel varmeoverførselsoverflade 10 omfatter en længde af borehullet eller røret, den relevante grænseflade 10 og en længde af borehullet eller røret 4. Hvis en grænseflade 10 vælges tættere på borehullet eller røret 4, så reduceres længden af borehullet eller røret 4, men længden af borehullet eller røret 2 forøges med den samme størrelse. De hydrauliske kredsløb af alle de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader 10 er således ens. Dette tillader spredning af flowet i de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader 10 på en kontrolleret måde.

Overkanterne af forsynings- og returhulleme kan tilvejebringes med en eller flere skjulte kapper til at spærre hullerne mod de omkringliggende grundvandslag i dette område. Der tilvejebringes fortrinsvis forsynings- og returrør 2, 4, hvis væg spærrer røret mod de omkringliggende grundvandslag i dette område. Valg af dybden, størrelsen og styrken af kappeafsnittene eller -rørene bør foretages baseret på lokale geologiske betingelser, hullets eller rørets integritet og regulering. Hvert hul eller rør kan have et eller flere afsnit med forskellige diametre. Rørene kan især være teleskoprør. Alle afsnit, bortset fra det sidste, har en skjult kappe og cement til at tilvejebringe et stabilt borehul, der er ordentligt afspærret fra de omkringliggende formationer. Hvert afsnit eller nogle afsnit kan have en kappe. Hvor der anvendes rør, kan disse rør bortset fra det sidste, tilvejebringe en stabil rørledning, der er ordentligt afspærret fra de omkringliggende formationer. Rørene kan desuden være teleskopiske,

DK 2017 00092 U3 således at diameteren på de efterfølgende rør eller afsnit gradvist reduceres. Som sådan bør der tages højde for den minimale indvendige diameter af slutafsnittet eller røret, når man vælger diametrene på de andre borehulsafsnit eller rørafsnit. Længden på hvert afsnit eller rør er defineret af dybdeområdet, der kan bores på en sikker og miljøvenlig måde, hvor der tages højde for lokale geologiske betingelser, borehullets eller rørets integritet og regulering.

På overfladen er forsynings- og returhulleme eller rørene 2, 4 forbundet via linje 12 til en side af en kappe 14 med en separeringsvarmeveksler. En produktionspumpe, såsom en elektrisk undervandspumpe eller drivakselpumpe, er installeret i den vertikale del af returhullet eller røret 4. En reservecirkuleringspumpe kan placeres (ikke vist) mellem separeringsvarmeveksleren og brøndhovedet af forsyningshullet eller røret 16.

Den anden side af separeringsvarmeveksleren er fortrinsvis indrettet til at være i flowforbindelse med forskellige varmeforbrugende apparater med en radiator, en varmluftsvarmer og en varmvandsbeholder, et fjemvarmesystem og/eller et elektrisk energiproduktionssystem.

En fordel ved den foreliggende opfindelse er et geotermisk anlæg med en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsgrænseflader placeret i en geologisk formation underjordens overflade, f.eks. på en dybde på op til 6 km. Anlægget er udformet til at reducere risikoen for seismiske hændelser. Anlægget har et horisontalt boret bundafsnit af hullet eller et bundrør. Geofysiske værktøjer tilvejebringes for at definere formen på det horisontale afsnit, for at lokalisere allerede eksisterende brud og for at identificere formationens styrke. Anlægget har organ til trykmålinger for at definere driftsparametrene for et flertrinsanlæg for at forstærke kunstige sprækker, og anlægget er indrettet til at tilvejebringe åbnings- eller brydningstrykket og trykopbygningen og er indrettet til at levere mængder af fluidum og proppant, der skal pumpes ned for at åbne eller danne sprækkerne og for at holde dem åbne. En del af det horisontale bundafsnit eller rør kan afspærres, f.eks. med en pakning til et åbent hul eller cement, og anlægget kan tilpasses til at øge trykket inden i det afspærrede afsnit eller rør, og til at pumpe et fluidum såsom vand i det afspærrede afsnit, indtil åbnings- eller brydningstrykket opnås, og klippen giver efter. Anlægget er også tilpasset til at indsprøjte proppant, såsom sorteret sand eller et kunstigt keramisk

DK 2017 00092 U3 materiale, sammen med fluidummet for at holde de dannede sprækker åbne, når først trykket er blevet reduceret. Endeligt er anlægget tilpasset til at reducere trykket i det afspærrede afsnit ved at tillade, at fluidummet strømmer ud. Hele længden af det horisontale bundafsnit eller rør er således, at et tilstrækkeligt stort varmeudvekslingsområde er tilgængeligt inden for en brudt klippezone, idet minimumsstørrelsen på den brudte klippemasse er mindst 15.000.000 m³, fortrinsvis mindst 20.000.000 m³ pr. MW nominel effekt med en foretrukken brudafstand på ca.

m, såsom 5 m til 25 m, og mindre end 50 m.

Anlægget kan indrettes til at udføre en flowtest i de hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsgrænseflader i forsynings- og returhulleme eller rørene. Anlægget er indrettet til at udføre en flowtest med indsprøjtet fluidum, såsom vand, i forsyningshullet eller røret og til at fremstille fluidummet gennem returhullet eller røret. Anlægget kan indrettes til at måle hastigheden af fluidummet langs mindst de horisontale bundafsnit eller rør. Anlægget kan omfatte en installeret flowmåler eller installerede flowmålere langs mindst de horisontale afsnit af borehullerne eller -rørene, for at definere flowmodstanden af de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der krydser borehullerne eller rørene. Anlægget kan indrettes til, på steder hvor en varmeoverførselsoverflade med en lav flowmodstand krydser et borehul eller rør, at påvise en pludselig ændring af hastigheden af fluidummet. For at undgå uønsket afkøling af det fremstillede fluidum grundet kortslutning bør varmeoverførselsoverflademe have en lignende flowmodstand: flowmodstanden af 10 varmeoverførselsoverflademe med den laveste flowmodstand bør fortrinsvis afvige mindre end en faktor på 10, fortrinsvis mindre end en faktor på 5, fortrinsvis mindre end en på 2. Hvis flowmodstanden af en eller flere af varmeoverførselsoverflademe er for lav, f.eks. således at en overvejende mængde fluidum strømmer gennem den ene eller flere varmeoverførselsoverflader til sammenligning med resten, omfatter den del af borehullet eller røret, der krydses af varmeoverførselsoverfladen, en afspærring såsom en pakning til et åbent hul eller cement, eller en blokering, såsom cement, lerpiller eller selvhærdende materiale, er til stede for at blokere varmeoverførselsoverfladen. Anlægget kan være indrettet således, at efter blokeringen er til stede, og anlægget er indrettet til at rense borehullet eller røret for at fjerne en hvilken som helst blokering, der er tilbage i borehullet eller røret.

DK 2017 00092 U3

Fladen kan omfatter et organ til at danne rækken af hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsoverflader i den geologiske formation.

Anlægget kan omfatte organ til at udføre flowprøver i det første og/eller andet bundrør.

Anlægget kan omfatte organ til at bore mindst et forsyningshul, der fører fra overfladen ned til den geologiske formation og til indføring af forsyningsrøret,

Anlægget kan omfatte organ til at danne et første hul fra bunden af forsyningsrøret, som strækker sig væk fra forsyningsrøret og til at indføre det første bundrør;

Anlægget kan omfatte organ til at bore mindst et returhul til transporten af opvarmet 10 fluidum fra den geologiske formation til overfladen og til at indføre returrøret,

Anlægget kan omfatte organ til at danne et andet hul fra bunden af returrøret, der strækker sig væk fra returrøret, og som er adskilt fra forsyningsrøret med en afstand i de horisontale og vertikale retninger (X,Y, Z) og til indføring af et andet bundrør.

Anlægget kan omfatte organ til at danne brudzoner i den geologiske formation mellem 15 det første og andet bundrør og til at danne en række hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsoverflader, der tillader at varme bliver overført fra den geologiske formation til fluidummet ved cirkulering mellem forsynings- og returrørene.

Anlægget kan omfatte organ til at udføre en flowprøve omfattende organ til at 20 indsprøjte et fluidum i forsyningsrøret og til at genindvinde fluidummet gennem returrøret,

Anlægget kan omfatte organ til at måle hastigheden af fluidumflowet langs mindst det første og andet bundrør for at definere flowmodstanden af de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der krydser det første og andet bundrør.

Anlægget kan omfatte organ til at afspærre en del af det første eller andet bundrør, der krydses af varmeoverførselsoverfladen, hvis flowmodstanden af en eller flere af varmeoverførselsoverflademe er lavere end for andre hydraulisk parallelle eller kvasiparallelle varmeoverførselsoverflader.

Anlægget kan omfatte organ til at danne brudzoner omfattende:

DK 2017 00092 U3 organ til at afspærre det første og andet bundrør, organ til at øge trykket inden i det afspærrede afsnit med en pumpe til at pumpe et fluidum ind i det afspærrede afsnit, indtil åbnings- eller brydningstrykket opnås, og klippen giver efter, organ til at indsprøjte proppant sammen med fluidummet for at holde de dannede sprækker åbne, når først trykket er blevet reduceret, organ til at reducere trykket i det afspærrede afsnit ved at tillade, at fluidummet strømmer ud.

Den foreliggende opfindelse har den fordel, at det ikke er nødvendigt at konstruere en underjordisk varmeveksler gennem et stort antal borede huller. Ifølge udførelsesformer af den foreliggende opfindelse anvendes klippesprækkedannelse til at danne flere varmeoverførselsoverflader på en økonomisk og sikker måde, dvs. med en reduktion af faren for jordskælv.

Det er klart, at opfindelsen ikke er begrænset på nogen som helst måde af eksemplerne på udførelsesformer beskrevet ovenfor, men kan varieres og modificeres på en række måder uden at afvige fra formålet med opfindelsen og omfanget af de vedhæftede krav.

DK 2017 00092 U3

Claims

Krav

1. Anlæg til at udnytte geotermisk energi ved at cirkulere et fluidum gennem en geologisk formation, omfattende:

mindst et forsyningsrør, der er i stand til at transportere et fluidum fra overfladen ned til den geologiske formation, mindst et returrør til transporten af opvarmet fluidum fra den geologiske formation til overfladen, og en varmeabsorberende anordning, der forbinder forsynings- og returrørene, hvilken varmeabsorberende anordning omfatter en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der er indrettet i den geologiske formation hen over hvilken varme overføres fra den geologiske formation til fluidummet, endvidere omfattende:

et første bundrør fra bunden af forsyningsrøret, der strækker sig væk fra forsyningsrøret;

et andet bundrør fra bunden af returrøret, der strækker sig væk fra returrøret, og som er adskilt fra det første bundrør med en afstand i de horisontale og vertikale retninger (Χ,Υ,Ζ), idet de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader er fluidmæssigt forbundet med de første og anden bundrør.
2. Anlæg ifølge krav 1 hvor mindst en afspærring er indrettet således at en eller flere dele af de første og anden bundrør, der krydses af en varmeoverførselsoverflade, er spærret af hvis flowmodstanden af varmeoverførselsoverfladen er mindre sammenlignet med andre varmeoverførselsgrænseflader.
3. Anlæg ifølge krav 1, hvor afstanden er 200 til 1000 m.
4. Anlæg ifølge krav 1 hvor den geologiske formation er på en dybde på mindst 700 m.
5. Anlæg ifølge krav 1 hvor den geologiske formation er på en dybde, der er mere end 4 km underjordens overflade.
6. Anlæg ifølge krav 1 hvor fluidummet er vand.

DK 2017 00092 U3
7. Anlæg ifølge krav 1 hvor de første og anden bundrør strækker sig i en retning, der er omtrent vinkelret på kompasretningen af brudflader i den geologiske formation.
8. Anlæg ifølge krav 1 hvor de første og anden bundrør strækker sig i en horisontal retning.
9. Anlæg ifølge krav 1 hvor afstanden mellem tilstødende varmeoverfladelag, der tilvejebringer hydraulisk parallel flow, er 10 til 25 m.
10. Anlæg ifølge krav 1 beregnet til fluidumflow gennem de første og anden bundrør i den samme retning.
11. Anlæg ifølge krav 1 omfattende et varmeudvekslingsområde i en brudt klippemasse på mindst 15.000.000 m³.
12. Anlæg ifølge krav 9 omfattende et varmeudvekslingsområde i en brudt klippemasse på mindst 15.000.000 m³.
13. Anlæg ifølge krav 1 som er til fremstilling af elektricitet, fordeling af varme i et fjernvarmesystem, eller tilvejebringelse af varme til erhvervsbygninger eller private bygninger eller til industrielle processer.
14. Anlæg ifølge krav 1, hvor forsyningsrøret og/eller returrøret og/eller det første bundrør og/eller det andet bundrør er fremstillet af aluminium, af en aluminiumslegering eller en marinealuminiumslegering.
15. Anlæg ifølge krav 1, omfattende et organ til at generere rækken af hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader i den geologiske formation.
16. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til at udføre flowtests i det første og/eller andet bundrør.
17. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til at bore mindst et forsyningshul, der går fra overfladen ned til den geologiske formation og til at indføre forsyningsrøret.

DK 2017 00092 U3
18. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til danne et første hul fra bunden af forsyningsrøret, der strækker sig væk fra forsyningsrøret og til at indføre det første bundrør.
19. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til at bore mindst et returhul til transport af opvarmet fluidum fra den geologiske formation til overfladen og til at indføre returrøret.
20. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til at danne et andet hul fra bunden af returrøret, der strækker sig væk fra returrøret, og som er adskilt fra forsyningsrøret med en afstand i horisontale og vertikale retninger (Χ,Υ,Ζ) og til at indføre et andet bundrør;
21. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til at generere brudzoner i den geologiske formation mellem første og anden bundrør og til at generere en række hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der tillader at varme bliver overført fra den geologiske formation til fluidummet, når den cirkulerer mellem forsynings- og returrørene.
22. Anlæg ifølge krav 1, omfattende organ til at udføre en flowtest omfattende organ til at indsprøjte et fluidum i forsyningsrøret og genindvinde fluidummet gennem returrøret, organ til at måle hastigheden af fluidumflow langs mindst første og andet bundrør til at definere flowmodstanden af de hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader, der krydser de første og anden bundrør.
23. Anlæg ifølge krav 22, omfattende organ til at spærre en del af de første og anden bundrør, der krydses af varmeoverførselsoverfladen, hvis flowmodstanden af en eller flere af varmeoverførselsoverflademe er lavere end for andre hydraulisk parallelle eller kvasi-parallelle varmeoverførselsoverflader.
24. Anlæg ifølge krav 21, hvor organet til at generere brudzoner omfatter: organ til at afspærre del af de første og anden bundrør, organ til at øge trykket inden i det afspærrede afsnit med en pumpe til at pumpe et fluidum ind i det afspærrede afsnit, indtil åbnings- eller brydningstrykket nås, og klippen giver efter,

DK 2017 00092 U3 organ til at indsprøjte proppant sammen med fluidummet for at holde de dannede sprækker åbne, når først trykket er blevet reduceret, organ til at reducere trykket i det afspærrede afsnit ved at tillade, at fluidummet strømmer ud.

DK 2017 00092 U3

1/1

Tynde plader

Tværsnit

Figur 1 planbillede

Figur 2

X