ES3057694T3

ES3057694T3 - Geothermal device and method

Info

Publication number: ES3057694T3
Application number: ES19761812T
Authority: ES
Inventors: Jörgen Bartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2026-03-04
Anticipated expiration: 2039-08-27
Also published as: EP4647681A2; EP4022230A1; EP4022230B1; EP4647681A3; WO2021037348A1; DK4022230T3

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo y a un método para generar energía eléctrica o para obtener calor a partir de energía geotérmica, que comprende al menos una sonda geotérmica y al menos un convertidor de energía, en particular en donde un medio de trabajo de la sonda geotérmica es también un medio de trabajo del convertidor de energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Dispositivo y método geotérmicos

[0004] Campo de la invención

[0005] La invención se refiere a una sonda geotérmica, un convertidor de energía, un dispositivo y un método para generar energía eléctrica o para extraer calor de la energía geotérmica.

[0006] Antecedentes técnicos

[0007] Los sistemas geotérmicos se utilizan para generar energía y/o calor. Tales sistemas tienen una parte subterránea con una sonda geotérmica. Un medio de trabajo circula dentro de la sonda geotérmica, que es calentado y vaporizado por la energía geotérmica del suelo que rodea el intercambiador de calor del pozo. El medio de trabajo vaporizado se alimenta a un convertidor de energía para generar energía eléctrica o calor. Las sondas geotérmicas existentes suelen tener una superficie de sección transversal circular, de modo que la radiación de calor o la conducción de calor de la roca o el suelo que rodea la sonda geotérmica es limitada.

[0008] En muchos casos, los dispositivos geotérmicos existentes para la generación de energía utilizan convertidores de energía con pistones controlados mecánicamente. La adaptación a las condiciones de trabajo respectivas para optimizar la eficiencia no es posible sin costosas conversiones, lo que reduce la cantidad de horas de funcionamiento que se pueden lograr por año.

[0009] La patente WO 2015/159188 A2 describe un sistema para extraer energía geotérmica tanto para calentar edificios como para generar energía eléctrica.

[0010] La patente DE 102008029400 A1 se refiere a la fabricación y aplicación de intercambiadores de calor para sondas geotérmicas, colectores geotérmicos y colectores de edificios.

[0011] Las patentes CH 706507 A1 y DE 102008049731 A1 describen cada una una sonda geotérmica coaxial y un método para insertar tal sonda geotérmica bajo tierra.

[0012] La patente JP 2002013828 A se refiere a un intercambiador de calor subterráneo y a un método para instalar el intercambiador de calor subterráneo.

[0013] La patente JP 2026095100 A se refiere a un soporte de suelo y a un sistema de aire acondicionado de edificios que utilizan el mismo.

[0014] La patente US-2012/175077 A1 se refiere a un intercambiador de calor y a un sistema de bomba de calor con tal intercambiador de calor.

[0015] La patente US-9.121.630 B1 describe otro intercambiador de calor para energía térmica.

[0016] La patente KR 101724286 B1 se refiere a una estructura de intercambio de calor subterránea con un compuesto de doble tubería para el intercambio de calor.

[0017] Resumen

[0018] Un objeto de la invención es eliminar o al menos reducir las desventajas de las sondas geotérmicas conocidas, los convertidores de energía conocidos y los dispositivos y métodos geotérmicos conocidos. El objeto de la invención se logra mediante el objeto de las reivindicaciones independientes.

[0019] Entre otras cosas, se proporcionan una sonda geotérmica, un convertidor de energía, un dispositivo que comprende al menos una sonda geotérmica y al menos un convertidor de energía, y un método que utiliza un dispositivo correspondiente.

[0020] La sonda geotérmica comprende una columna de tuberías coaxiales. Un medio de trabajo fluye al menos parcialmente a través de la columna de tuberías coaxiales. Al menos parte de la columna de tuberías comprende o está fabricada de un material reforzado con fibra de carbono. El material reforzado con fibra de carbono (carbono, fibras de carbono, CFRP) permite que la columna de tuberías coaxiales tenga un peso reducido en comparación con los materiales convencionales (p. ej., acero). Como resultado, los requisitos del mecanismo de descenso utilizado para hacer descender la columna de tuberías al pozo pueden reducirse de forma ventajosa.

[0021] Las fibras de carbono también tienen una conductividad térmica muy baja de 17 W/mK. Por lo tanto, las pérdidas de calor pueden reducirse de forma ventajosa y mejorarse las propiedades de aislamiento.

[0022] La columna de tuberías coaxiales puede comprender al menos una sección que tiene un área de sección transversal en forma de estrella con puntas y depresiones redondeadas. En particular, un contorno exterior de la columna de tuberías puede tener la forma descrita. El contorno exterior de la columna de tuberías también puede comprender otra forma que tenga una superficie exterior efectivamente agrandada en comparación con una forma circular. El contorno exterior de esta sección puede corresponder sustancialmente a una forma de estrella con al menos tres puntas (protuberancias), en donde las puntas y las depresiones (hendiduras) de la estrella dispuestas entre las puntas son redondeadas. La forma de estrella también puede comprender de forma ventajosa más puntas y depresiones, en particular cinco puntas, más en particular siete puntas, más en particular nueve puntas, y en particular sustancialmente ocho puntas. La salida de calor absorbida por esta sección de la columna de tuberías depende proporcionalmente de la superficie exterior de la columna de tuberías. Dado que la forma de estrella provoca un aumento en la superficie exterior de la sección de la columna de tuberías, la producción de calor absorbida por esta sección de la columna de tuberías puede, por lo tanto, incrementarse de forma ventajosa en comparación con una forma convencional (p. ej., una forma circular).

[0024] La columna de tuberías coaxiales comprende al menos una primera sección y una segunda sección. La primera sección está dispuesta de forma sustancialmente vertical y comprende el material reforzado con fibra de carbono. La segunda sección es sustancialmente horizontal. El medio de trabajo se introduce en la columna de tuberías coaxiales a una temperatura inicial cercana a la superficie terrestre. La temperatura del medio de trabajo aumenta a continuación de forma continua en el camino hacia el extremo de la columna de tuberías. Al final, el medio de trabajo tiene una segunda temperatura más alta en comparación con la primera temperatura. El medio de trabajo debe a continuación mantener la segunda temperatura lo más constantemente posible en su camino de regreso a la superficie terrestre. Por lo tanto, no es deseable un cambio en la temperatura del medio de trabajo en la primera sección de la columna de tuberías coaxiales, que se extiende en una dirección sustancialmente vertical desde el punto de partida cerca de la superficie terrestre. Dado que la primera sección de la columna de tuberías coaxiales comprende el material reforzado con fibra de carbono o puede fabricarse sustancialmente a partir de él, esta sección tiene de forma ventajosa propiedades de aislamiento térmico particularmente buenas. Esto puede impedir de forma ventajosa una reducción de temperatura del medio de trabajo que regresa o al menos reducirla en comparación con otros materiales. Esto significa que un cambio en la temperatura del medio de trabajo puede evitarse de forma ventajosa o al menos reducirse en comparación con las columnas de tuberías convencionales fabricadas de otros materiales.

[0026] La primera sección de la columna de tuberías tiene una longitud de más de 3000 m, más en particular más de 5000 m. La segunda sección de la columna de tuberías puede disponerse a una profundidad de al menos 1000 m, más en particular más de 3000 m, más en particular más de 5000 m, y en particular sustancialmente 6000 m o más. La segunda sección tiene una longitud de más de 2000 m, además, en particular, sustancialmente 3000 m o más.

[0027] La primera sección y la segunda sección de la columna de tuberías coaxiales están conectadas por una tercera sección de la columna de tuberías coaxiales, que está dispuesta entre ellas y tiene una curvatura. El radio de la curvatura de la tercera sección es de al menos 50 m, en particular de 100 m, más en particular de 200 m, más en particular de 400 m, más en particular de al menos 600 m o más. La tercera sección curvada de la columna de tuberías permite de forma ventajosa una conexión continua de la primera sección a la segunda sección, aunque un eje de extensión longitudinal de la primera sección (vertical) puede incluir un ángulo de más de 20° con un eje de extensión longitudinal de la segunda sección (horizontal), en particular más de 40°, más en particular más de 60°, más en particular más de 80°, más en particular sustancialmente 90°.

[0029] La columna de tuberías coaxiales comprende al menos una tubería ascendente central y una tubería descendente dispuesta coaxialmente. La tubería descendente puede rodear la tubería ascendente. Se dispone un espacio anular entre la tubería ascendente y la tubería descendente. La distancia entre la tubería ascendente y la tubería descendente se garantiza mediante espaciadores. La tubería descendente está conectada fluídicamente a la tubería ascendente dispuesta coaxialmente en el extremo inferior de la columna de tuberías a través de varias aberturas de desborde. La sección transversal de las aberturas de desborde es más pequeña que la superficie de la sección transversal de la tubería ascendente. Esto garantiza que el medio de trabajo vaporizado siempre se propague en la dirección del flujo y no vuelva a entrar en la tubería descendente. Las aberturas de desborde están dispuestas alrededor del perímetro de la tubería ascendente. Las aberturas de desborde se pueden redondear para reducir la resistencia al flujo. La tubería descendente puede llenarse al menos parcialmente con el medio de trabajo, que puede estar presente en forma líquida en al menos parte de la tubería descendente. El medio de trabajo puede calentarse a continuación de forma continua mediante la energía geotérmica del suelo que rodea la columna de tuberías en su camino hacia la sección de extremo de la columna de tuberías. En particular, el medio de trabajo puede calentarse hasta tal punto que se vaporice. El medio de trabajo puede estar presente como un gas en al menos parte de la tubería ascendente. La disposición coaxial de la tubería ascendente y la tubería descendente permite un diseño compacto de la columna de tuberías, de modo que, de forma ventajosa, solo se requiere un único pozo.

[0031] La columna de tuberías puede comprender la superficie de la sección transversal en forma de estrella con puntas redondeadas y depresiones en la segunda sección, es decir, en particular, en la sección dispuesta horizontalmente de la columna de tuberías. La tubería descendente dispuesta coaxialmente puede comprender un contorno exterior correspondiente a la forma de estrella y un contorno interior circular. La tubería ascendente dispuesta centralmente en la columna de tuberías coaxiales puede comprender un contorno exterior circular, en donde el diámetro de la tubería ascendente se reduce en comparación con el diámetro interior de la tubería descendente, lo que da como resultado el espacio anular entre las dos.

[0033] La tubería descendente y/o la tubería ascendente comprenden cada una al menos dos piezas de tuberías conectadas entre sí. Las piezas de tubería pueden tener una longitud de sustancialmente 12 m. Las transiciones de las piezas de tubería de la tubería descendente pueden estar compensadas con respecto a las transiciones de las piezas de tubería de la tubería ascendente. Esto puede simplificar el proceso de montaje. Las piezas de tubería se pueden conectar entre sí de manera hermética a los gases y/o líquidos.

[0035] Al menos parte de la columna de tuberías y/o la tubería descendente y/o la tubería ascendente pueden tener un revestimiento. El revestimiento puede comprender al menos una capa de protección contra la corrosión, una capa de aislamiento térmico, un revestimiento de espejo y una capa de DLC (“carbono similar al diamante”). Esto puede mejorar el aislamiento térmico y/o la resistencia a la corrosión y/o la resistencia durante el montaje (cuando la tubería interior se inserta en la tubería exterior) y/o la resistencia al medio de trabajo que circula por la columna de tuberías.

[0036] El medio de trabajo puede contener al menos un compuesto adecuado como refrigerante o consistir en uno o más de tales compuestos. En particular, el medio de trabajo puede comprender agua y aditivos. Los aditivos pueden comprender protección contra la corrosión. Los aditivos pueden disponerse de tal manera que aumenten de forma ventajosa la capacidad calorífica del medio de trabajo. El medio de trabajo puede tener un punto de ebullición más alto que el agua debido a los aditivos, por lo que no se evapora prematuramente en la tubería descendente. El medio de trabajo y la columna de tuberías se pueden configurar de tal modo que se establezcan diferentes presiones hidrostáticas en la tubería descendente y en la tubería ascendente. Esta diferencia de presión puede provocar de forma ventajosa que el medio de trabajo circule de forma independiente en la columna de tuberías. Opcionalmente, la circulación del medio de trabajo puede estar soportada por una bomba o un compresor.

[0038] La columna de tuberías se puede sellar contra el pozo y/o contra el suelo que rodea el pozo. Al menos parte de la columna de tuberías y/o la tubería descendente y/o la tubería ascendente pueden diseñarse como una tubería de doble pared.

[0040] El espacio anular puede comprender un material de aislamiento térmico en al menos una sección. El espacio anular puede comprender un vacío en al menos una sección para aislar la tubería ascendente de la tubería descendente. Al menos una sección de la tubería descendente, en particular una sección cercana a la superficie, puede diseñarse como una tubería aislante del calor para impedir o reducir el enfriamiento del medio de trabajo devuelto.

[0042] La columna de tuberías y el medio de trabajo pueden configurarse de tal modo que el medio de trabajo en el extremo inferior (pieza de extremo, pieza base), en el área de la conexión fluídica de la tubería descendente y la tubería ascendente, tenga una temperatura de más de 100 °C, en particular más de 120 °C, en particular más de 140 °C, en particular más de 160 °C, en particular sustancialmente 170 °C o más. La columna de tuberías también se puede configurar, en particular mediante las diversas medidas de aislamiento térmico, de tal manera que el medio de trabajo en el extremo superior (pieza inicial, pieza de cabezal) de la tubería ascendente tenga una temperatura de más de 60 °C, en particular más de 80 °C, en particular más de 100 °C, en particular más de 120 °C, en particular sustancialmente 130 °C o más en las proximidades de la superficie terrestre.

[0044] La sonda geotérmica o la columna de tuberías pueden tener un diámetro exterior constante. La columna de tuberías se puede configurar de tal manera que la tubería ascendente y/o la tubería descendente tengan cada una un diámetro constante.

[0046] La sonda geotérmica se puede disponer para que flote en el pozo. Se puede disponer una sustancia en el pozo, por ejemplo, agua. La sustancia puede permitir que la columna de tuberías que se drena en el pozo provoque fuerzas de flotación a medida que penetra en la sustancia. Como resultado, el peso que se debe soportar durante el proceso de descenso de la columna de tuberías se puede reducir de forma ventajosa. La sustancia del pozo también puede servir para estabilizar el pozo, ya que puede ejercer una fuerza contraria a las fuerzas que actúan sobre el pozo (p. ej., del suelo circundante).

[0048] La sonda geotérmica puede comprender una pieza de cabezal que tiene varias entradas y/o salidas. Las entradas y/o salidas pueden disponerse alrededor de la circunferencia de la pieza de cabezal. Las entradas y/o salidas o las transiciones a la tubería descendente y/o a la tubería ascendente central dispuestas coaxialmente pueden diseñarse para optimizar el flujo. Las transiciones se pueden redondear. La superficie de abertura total de las salidas puede ser mayor que la superficie de la sección transversal de la tubería ascendente.

[0050] El convertidor de energía puede comprender un intercambiador de calor. El convertidor de energía también puede comprender una máquina de expansión (máquina de pistón). El convertidor de energía también puede consistir sustancialmente en una máquina de expansión. El intercambiador de calor puede comprender un primer y un segundo medio de trabajo que intercambian calor. El medio de trabajo, que está dispuesto en una sonda geotérmica del tipo descrito anteriormente, puede ser el primer medio de trabajo del intercambiador de calor. El segundo medio de trabajo puede tener un punto de ebullición bajo, en particular un punto de ebullición más bajo que el agua, de modo que se puede lograr una alta presión de vapor a temperaturas relativamente bajas. El segundo medio de trabajo del intercambiador de calor puede comprender dióxido de carbono y, si es necesario, aditivos. La máquina de expansión puede comprender al menos un cilindro con un pistón montado de forma móvil. El pistón se puede mover mediante el segundo medio de trabajo. El pistón móvil puede accionar de forma ventajosa un generador para generar energía eléctrica. Opcionalmente, el generador o la conexión mecánica entre el pistón y el generador pueden comprender un engranaje.

[0052] Esto significa que el primer medio de trabajo se introduce en la tubería descendente de la columna de tuberías en forma de líquido frío. El primer medio de trabajo se puede calentar a continuación de forma continua en su camino hacia el extremo inferior de la columna de tuberías. Si se supera el punto de ebullición, el primer medio de trabajo se evapora. En el extremo más bajo de la columna de tuberías, el primer medio de trabajo se descarga a través de la tubería ascendente en la dirección del intercambiador de calor. En el intercambiador de calor, el primer medio de trabajo transfiere su calor al segundo medio de trabajo, que también está ubicado en el intercambiador de calor y, por lo tanto, se enfría. Esto permite que la temperatura del primer medio de trabajo descienda sustancialmente alrededor de 30 °C. Varios de tales intercambiadores de calor pueden disponerse en paralelo y/o en cascada (en serie). Cada uno de los intercambiadores de calor permite que la temperatura del primer medio de trabajo caiga sustancialmente alrededor de 30 °C. En particular, se pueden proporcionar tantos intercambiadores de calor que la temperatura del primer intercambiador de calor caiga sustancialmente a 0 °C o menos. El primer medio de trabajo se introduce a continuación en la tubería descendente de la columna de tuberías. El segundo medio de trabajo es calentado por el primer medio de trabajo en el intercambiador de calor, en particular a una temperatura de sustancialmente 30 °C. El segundo medio de trabajo puede calentarse en el intercambiador de calor de tal manera que se evapore. Esto puede resultar en una presión de más de 20 bar, en particular más de 40 bar, más en particular más de 50 bar, más en particular más de 60 bar, más en particular, sustancialmente 70 bar. El segundo medio de trabajo vaporizado puede alimentarse a continuación a la máquina de expansión y dejarse entrar en una cámara cilíndrica a través de una entrada electrónica. Debido a la presión, el segundo medio de trabajo puede mover a continuación un pistón ubicado en el cilindro. El movimiento del pistón puede aumentar el volumen ocupado por el segundo medio de trabajo. Esta expansión puede provocar una disminución de la temperatura y la presión del segundo medio de trabajo. El segundo medio de trabajo puede extraerse de la cámara del cilindro por medio de una salida electrónica, en donde puede tener una presión residual de más de 5 bar, en particular más de 10 bar, más en particular más de 20 bar, más en particular más de 30 bar, y en particular sustancialmente 34 bar. La temperatura del segundo medio de trabajo puede haber disminuido sustancialmente a 0 °C. El segundo medio de trabajo también puede expandirse en la máquina de expansión hasta tal punto que tenga una temperatura inferior a 0 °C. El segundo medio de trabajo puede entonces devolverse al intercambiador de calor.

[0054] Dentro del intercambiador de calor, los circuitos del primer y segundo medio de trabajo están separados entre sí de tal manera que los medios de trabajo no se contaminan entre sí (separación hermética).

[0056] El convertidor de energía puede comprender un controlador de motor totalmente electrónico. El controlador de motor totalmente electrónico se puede configurar para controlar una entrada electrónica y una salida electrónica del cilindro. El controlador de motor totalmente electrónico también se puede configurar para poder determinar la distancia que puede recorrer el pistón. El controlador del motor se puede configurar para proporcionar señales de control (p. ej., tiempos de conmutación) basándose en las válvulas que liberan la entrada electrónica y/o la salida electrónica del cilindro. El controlador de motor totalmente electrónico permite mejorar la precisión del controlador de las válvulas en la entrada electrónica y/o la salida electrónica. Por ejemplo, se pueden conseguir de forma ventajosa tiempos de conmutación más cortos. Además, se puede evitar una conexión mecánica (p. ej., mediante un árbol de levas). Como el medio de trabajo está sometido a una presión muy alta, el control preciso de la entrada electrónica y/o la salida electrónica es particularmente ventajoso para lograr un alto nivel de eficiencia.

[0058] El cilindro y/o el pistón pueden revestirse para mejorar las propiedades de deslizamiento. Por ejemplo, pueden comprender un revestimiento de DLC (“carbono similar al diamante”) para reducir la fricción entre las superficies móviles.

[0060] El convertidor de energía se puede configurar para utilizar el magnetismo para evitar que el pistón se detenga como resultado de un estado de funcionamiento crítico del pistón. El pistón puede detenerse si solo hay una diferencia de presión insuficiente entre la entrada electrónica y la cámara del cilindro o entre la cámara del cilindro y la salida electrónica. En general, la diferencia de presión entre la entrada electrónica y la salida electrónica de la máquina de expansión se puede garantizar mediante una válvula de expansión. Además, el convertidor de energía puede comprender al menos un par de imanes correspondientes que interactúan para evitar un estado operativo crítico. Por ejemplo, el pistón se puede conectar mecánicamente a un cigüeñal. El cigüeñal puede comprender un volante sobre el que está dispuesto un primer imán. Se puede disponer un segundo imán en una parte del alojamiento del convertidor de energía o de la máquina de expansión. Los imanes pueden interactuar de tal manera que se soporte el movimiento del cigüeñal y/o del pistón, de modo que se impide de forma ventajosa una parada involuntaria del pistón. El controlador del motor totalmente electrónico se puede configurar para ayudar con este mecanismo de seguridad, p. ej., cambiando los tiempos de conmutación de las válvulas.

[0061] El segundo medio de trabajo puede calentarse dentro del intercambiador de calor y enfriarse en la máquina de expansión realizando un trabajo en el pistón, y se puede configurar una trayectoria del pistón, de tal manera que la presión media del pistón sea de al menos 30 bar, en particular cuando la presión media del pistón sea de al menos 40 bar, más en particular cuando la presión media del pistón sea de al menos 50 bar, además en particular cuando la presión media del pistón sea sustancialmente de 52 bar. La alta presión promedio del pistón se puede determinar en particular mediante la elección del medio de trabajo y la presión de vapor alcanzable. Como resultado, la potencia útil, el par y la eficiencia alcanzable del convertidor de energía configurado de esta manera pueden aumentarse de forma ventajosa en comparación con un motor de combustión convencional.

[0063] El pistón puede tener al menos un anillo de pistón cerrado. El pistón también puede tener una pluralidad de anillos de pistón cerrados. El pistón también puede tener anillos de pistón exclusivamente cerrados. Alternativamente, el pistón, en particular una superficie de rodadura exterior del pistón, puede adaptarse al cilindro, en particular una superficie de rodadura interior del cilindro correspondiente a la superficie de rodadura del pistón, de tal modo que el pistón no requiera un anillo de pistón. Ambas medidas permiten reducir de forma ventajosa las pérdidas que se producirían si al menos parte del segundo medio de trabajo se escapara. Ambas medidas apoyan la realización de presiones efectivamente muy altas del segundo medio de trabajo, o la presión media del pistón, en la cámara del cilindro. Por lo tanto, se puede mejorar la eficiencia de la máquina de expansión.

[0065] El convertidor de energía puede comprender varios intercambiadores de calor. La máquina de expansión puede comprender varios cilindros y pistones dispuestos de forma móvil en la misma. La máquina de expansión también puede ser una máquina de expansión múltiple con varios cilindros.

[0067] El dispositivo para generar energía eléctrica o para extraer calor de la energía geotérmica puede comprender al menos una sonda geotérmica y al menos un convertidor de energía. El dispositivo puede comprender una pluralidad de sondas geotérmicas del tipo descrito, en particular más de 3, más en particular más de 5, más en particular más de 7, más en particular más de 10, más en particular más de 15, más en particular más de 20. El dispositivo también puede comprender varios convertidores de energía.

[0069] El método para generar energía eléctrica o para extraer calor de la energía geotérmica puede comprender un dispositivo y/o una sonda geotérmica y/o un convertidor de energía del tipo descrito anteriormente. Según el método, un primer medio de trabajo puede calentarse y vaporizarse mediante energía geotérmica utilizando una sonda geotérmica. El primer medio de trabajo puede transferir la energía obtenida de esta manera por medio de un intercambiador de calor a un segundo medio de trabajo que es diferente del primer medio de trabajo y calentarlo. El segundo medio de trabajo se puede utilizar para realizar trabajos en el pistón de una máquina de expansión, en donde se puede generar energía eléctrica debido al movimiento del pistón.

[0071] Breve descripción de los dibujos

[0073] - La figura 1 es una representación esquemática simplificada de una sonda geotérmica,

[0075] - la figura 2 es una vista esquemática simplificada en sección transversal de la pieza de extremo (pieza base) de la columna de tuberías,

[0077] - la figura 3 es una vista esquemática simplificada en sección transversal de una sección de la columna de tuberías,

[0078] - la figura 4 es una representación esquemática simplificada de un dispositivo según la invención,

[0080] - la figura 5 es una representación esquemática simplificada de un dispositivo según la invención,

[0082] - la figura 6 es una representación esquemática simplificada de la pieza de cabezal de la sonda geotérmica.

[0084] Descripción detallada de los ejemplos de realización

[0086] La figura 1 es una representación esquemática simplificada de una sonda geotérmica 10. La pieza 14 de cabezal (pieza inicial) de la sonda geotérmica 10 está unida a la superficie terrestre 12. Partiendo de la superficie terrestre 12, una primera sección A1 de la sonda geotérmica 10 se extiende en una dirección sustancialmente vertical a lo largo de una longitud L1.

[0088] Después de la primera sección A1, la sonda geotérmica 10 comprende una segunda sección A2. La segunda sección A2 tiene una curvatura. El radio de curvatura de la segunda sección A2 es de al menos 600 m. Debido a la curvatura, la segunda sección A2 tiene una longitud L2 a lo largo de la dirección vertical. La suma de las longitudes L1 y L2 puede ser de al menos 100 m, en particular también más de 500 m, en particular también más de 2000 m, en particular también más de 4000 m, en particular también entre 5000 m y 6000 m o más. La vista ampliada en la sección 16 muestra las direcciones de flujo del medio de trabajo dentro de la columna de tuberías en la primera y segunda secciones A1, A2. La columna de tuberías comprende una tubería ascendente 20 central y una tubería descendente 22 dispuesta coaxialmente.

[0089] En particular, la primera sección A1 y/o la segunda sección A2 de la columna de tuberías pueden comprender o estar fabricadas de un material reforzado con fibra de carbono. En la primera y segunda secciones A1, A2, las temperaturas medias del medio de trabajo en la tubería ascendente 20 son significativamente diferentes de las temperaturas medias del medio de trabajo en la tubería descendente 22. Por lo tanto, un aislamiento térmico particularmente bueno es ventajoso en la primera y segunda secciones A1, A2. El material reforzado con fibra de carbono ha mejorado significativamente las propiedades de aislamiento térmico (p. ej., en comparación con el acero). Esto puede impedir o al menos reducir la pérdida de calor del medio de trabajo recirculado, aumentando por lo tanto la eficiencia del proceso. Además, el material reforzado con fibra de carbono se puede utilizar para reducir el peso de estas secciones.

[0091] La sonda geotérmica 10 comprende una tercera sección A3 adyacente a la segunda sección A2. La tercera sección A3 es sustancialmente horizontal. La tercera sección A3 tiene una longitud horizontal L4. La columna de tuberías se extiende en una dirección horizontal a lo largo de una longitud L3 con respecto a la pieza 14 de cabezal de la sonda geotérmica 10. Como la segunda sección A2 tiene una curvatura, la longitud L3 es mayor que la longitud L4. La longitud L3 puede ser de al menos 100 m, en particular también más de 500 m, más en particular también más de 1000 m, más en particular también más de 2000 m, más en particular sustancialmente 3000 m o más. La expansión horizontal de la columna de tuberías es particularmente ventajosa, ya que la temperatura del suelo circundante aumenta al aumentar la distancia desde la superficie terrestre 12. La disposición horizontal de la tercera sección A3 de la columna de tuberías asegura una entrada de calor suficiente del suelo circundante a la columna de tuberías para calentar el medio de trabajo lo suficiente como para que se evapore y alcance la temperatura deseada. El medio de trabajo vaporizado se devuelve a continuación a través de la tubería ascendente 20.

[0093] La vista ampliada de la sección 18 muestra la pieza 40 de extremo (pieza de pie) de la columna de tuberías. La tubería descendente 22 dispuesta coaxialmente alrededor de la tubería ascendente 20 está conectada fluídicamente a la tubería ascendente 20. Como resultado, la dirección del flujo se invierte en el área de la pieza 40 de extremo de la columna de tuberías tan pronto como el medio de trabajo entra en la tubería ascendente 20 desde la tubería descendente 22.

[0095] La figura 2 es una representación esquemática simplificada en sección transversal de la pieza 40 de extremo de la columna de tuberías. La pieza 40 de extremo de la columna de tuberías tiene una simetría circular, que se indica mediante la línea 42 de puntos y trazos. La pieza 40 de extremo también tiene una placa base 44, que está achaflanada. La placa base 44 facilita la inserción de la columna de tuberías en el pozo. La pieza 40 de extremo tiene varias aberturas 24 de desborde en las proximidades de la placa base 44, a través de las cuales la tubería descendente 22 se conecta fluídicamente a la tubería ascendente 20. Las aberturas 24 de desborde están dispuestas alrededor de la tubería ascendente 20 para optimizar el flujo. Las aberturas 24 de desborde se pueden redondear para reducir la resistencia al flujo. La superficie de abertura total de las aberturas 24 de desborde puede ser más pequeña que una superficie de sección transversal de la tubería ascendente 20. Esto permite que el medio de trabajo entre en la tubería ascendente 20 desde la tubería descendente 22. La columna de tuberías tiene un espacio anular 26 entre la tubería ascendente 20 y la tubería descendente 22. Dentro del espacio anular 26, la columna de tuberías puede proporcionar espaciadores para garantizar la disposición coaxial de la tubería descendente 22 alrededor de la tubería ascendente 20. La tubería descendente 22 tiene una pared doble 28 en el exterior. La doble pared 28 puede diseñarse para impedir la fuga del medio de trabajo desde la columna de tuberías al pozo. El espacio anular 26 garantiza que la tubería ascendente 20 esté aislada térmicamente de la tubería descendente 22. Para mejorar aún más el aislamiento térmico, el espacio anular 26 puede tener materiales de aislamiento térmico adicionales y/o revestimientos correspondientes. En particular, las superficies del espacio anular 26, la tubería ascendente 20, la tubería descendente 22 y la pared doble 28 pueden revestirse y/o reflejarse.

[0097] La figura 3 es una representación esquemática simplificada en sección transversal de la columna de tuberías en la tercera sección A3. La tubería ascendente 20 tiene un contorno 20a circular de sección transversal exterior. La tubería descendente 22 está dispuesta coaxialmente a la tubería ascendente 20 y tiene un correspondiente contorno 22a de sección transversal interior circular. El espacio anular 26 se extiende entre el contorno 22a de la sección transversal interior de la tubería descendente 22 y el contorno 20a de la sección transversal exterior de la tubería ascendente 20. El contorno 22b de la sección transversal exterior de la tubería descendente 22 corresponde a una forma de estrella con puntas redondeadas 66 (protuberancias) y depresiones 68 (hendiduras). La pared exterior, correspondiente al contorno de la sección transversal exterior 22b de la tubería descendente 22, forma la pared interior 62 de la pared doble 28. La pared doble 28 también comprende una pared exterior 64 que corresponde en forma a la pared interior 62, de modo que la pared interior 62 y la pared exterior 64 están a una distancia constante entre sí. Debido a la forma especial de la pared doble 28 o al contorno de la sección transversal exterior 22b de la tubería descendente 22, la superficie exterior de la columna de tuberías aumenta considerablemente de manera efectiva en esta sección. Como la conducción de calor entre dos cuerpos que tienen temperaturas diferentes depende de la superficie efectiva a través de la cual tiene lugar el flujo de calor, se puede aumentar la conducción de calor desde el suelo que rodea la columna de tuberías hacia la columna de tuberías. Por lo tanto, la forma del contorno de la sección transversal exterior 22b de la tubería descendente 22 mejora el calentamiento del medio de trabajo utilizando la energía geotérmica proporcionada por el suelo. Por otro lado, es deseable que la conducción de calor entre la tubería descendente 22 y la tubería ascendente 20 sea lo más baja posible para que el medio de trabajo, una vez calentado, mantenga su temperatura lo más constante posible hasta que se utilice en la superficie terrestre 12. Por lo tanto, cambiar la forma del contorno de la sección transversal interior 22a de la tubería descendente 22 sería contraproducente. El contorno transversal exterior 22b también puede tener, por supuesto, otras formas con superficies exteriores efectivamente ampliadas (en comparación con los contornos exteriores circulares).

[0099] La figura 4 es una representación esquemática simplificada de un dispositivo 100 para generar energía eléctrica a partir de energía geotérmica. Hay una sonda geotérmica 10 con el pozo 19 y la columna de tuberías que comprende la tubería ascendente 20 y la tubería descendente 22. El medio de trabajo calentado en la sonda geotérmica 10 se alimenta a una bomba 105 de circulación a través de la línea 102 de alimentación. El primer medio de trabajo se alimenta entonces al (primer) intercambiador 110 de calor. En el intercambiador 110 de calor, el calor del medio de trabajo de la sonda geotérmica 10 se utiliza para calentar un segundo medio de trabajo que se utiliza en el convertidor 106 de energía. El intercambiador 110 de calor puede estar dispuesto para extraer calor del primer medio de trabajo, de tal manera que la temperatura del primer medio de trabajo se reduzca sustancialmente en aproximadamente 30 °C. El dispositivo 100 también puede comprender una pluralidad de intercambiadores 110 de calor, que pueden tener un diseño correspondiente. Los múltiples intercambiadores de calor pueden corresponder a una conexión en paralelo o estar dispuestos en cascada (uno tras otro). En particular, el número de intercambiadores de calor puede ser tal que el primer medio de trabajo tenga una temperatura de sustancialmente 0 °C o inferior después de pasar por todos los intercambiadores de calor.

[0101] El primer medio de trabajo de la sonda geotérmica 10 se puede almacenar a continuación temporalmente en un almacenamiento 124. El almacenamiento 124 se puede utilizar para influir en la cantidad de medio de trabajo en la sonda geotérmica 10. Desde el almacenamiento 124, el primer medio de trabajo se devuelve a continuación la sonda geotérmica 10 por medio de la línea 104 de alimentación.

[0103] El segundo medio de trabajo calentado en el primer intercambiador 110 de calor se puede alimentar a una secadora 112 para eliminar cualquier humedad residual que aún esté contenida en el segundo medio de trabajo. El segundo medio de trabajo puede alimentarse entonces a un regulador 114 (acelerador) de velocidad. El regulador 114 de velocidad puede influir en el caudal del segundo medio de trabajo. El segundo medio de trabajo se alimenta a continuación a la válvula 115 de expansión. La válvula 115 de expansión comprende un lado 115a de alta presión y un lado 115b de baja presión. Partiendo del lado 115a de alta presión de la válvula 115 de expansión, el segundo medio de trabajo se alimenta a continuación a la máquina 116 de expansión (máquina de pistón). La máquina 116 de expansión comprende una entrada electrónica 116a y una salida electrónica 116b. El convertidor 106 de energía también comprende un control 118 motor totalmente electrónico. El controlador 118 de motor totalmente electrónico proporciona señales de control para la entrada electrónica 116a y la salida electrónica 116b. El controlador 118 de motor totalmente electrónico también se puede configurar para proporcionar señales de control, de tal modo que se pueda cambiar la trayectoria de trabajo del pistón. La entrada electrónica 116a y la salida electrónica 116b cada una comprenden una válvula, por medio de la cual el segundo medio de trabajo puede suministrarse a al menos un cilindro en la máquina 116 de expansión o por medio de la cual el segundo medio de trabajo puede extraerse del cilindro. El segundo medio de trabajo se suministra a al menos un cilindro de la máquina 116 de expansión a una presión inicialmente relativamente alta. Dentro del cilindro, el segundo medio de trabajo realiza un trabajo sobre un pistón, lo que hace que aumente el volumen ocupado por esta parte del segundo medio de trabajo, de modo que la presión de esta parte del segundo medio de trabajo disminuye y esta parte se enfría. Posteriormente, la “porción utilizada” del segundo medio de trabajo se descarga a través de la salida electrónica 116b de la máquina 116 de expansión. Partiendo de la salida electrónica 116b, el segundo medio de trabajo se alimenta al lado 115b de baja presión de la válvula 115 de expansión. El segundo medio de trabajo se puede almacenar entonces temporalmente en un almacenamiento 117. Partiendo del almacenamiento 117, se retroalimenta al primer intercambiador 110 de calor para su recalentamiento.

[0105] Si la presión en la entrada electrónica 116a y en la salida electrónica 116b es la misma, el pistón puede detenerse dentro de un cilindro de la máquina 116 de expansión. Por medio de la válvula 115 de expansión, se garantiza una diferencia de presión entre la entrada electrónica 116a y la salida electrónica 116b de la máquina 116 de expansión. Además, el cigüeñal al que está acoplado el pistón de la máquina 116 de expansión puede proporcionar un volante que puede soportar el movimiento del pistón sobre tal punto crítico por medio de los imanes correspondientes. Los imanes pueden ser imanes de neodimio.

[0107] La máquina 116 de expansión está acoplada a un generador 120 por medio de un acoplamiento correspondiente. El generador 120 está configurado para generar energía eléctrica basándose en el embrague accionado mecánicamente por el movimiento del cilindro de la máquina 116 de expansión. La energía eléctrica puede alimentarse a un transformador 122 y a continuación, utilizarse en una red eléctrica convencional (red de alta tensión). El generador 120 y/o el transformador 122 pueden ser componentes del convertidor 106 de energía. El controlador 118 de motor totalmente electrónico también puede estar dispuesto para recibir señales de control de la secadora 112, el regulador 114 de velocidad, la válvula 115 de expansión, el generador 120 y/o el acumulador 117 y para ajustar las señales de control emitidas como resultado del mismo. En particular, el controlador 118 de motor totalmente electrónico puede configurarse para garantizar la diferencia de presión entre la entrada electrónica 116a y la salida electrónica 116b basándose en las señales de control.

[0108] La secadora 112, el regulador 114 de velocidad, la válvula 115 de expansión, el acumulador 117, el controlador 118 de motor totalmente electrónico, el generador 120, el acumulador 124 y el segundo intercambiador 126 de calor son componentes opcionales del dispositivo 100.

[0110] Según la invención, el medio de trabajo de la sonda geotérmica 10 es agua, a la que se pueden añadir aditivos. Según la invención, el segundo medio de trabajo utilizado en el convertidor 106 de energía es dióxido de carbono, al que se pueden añadir aditivos.

[0112] La figura 5 es una representación esquemática simplificada de un dispositivo 100 para extraer calor de la energía geotérmica. El dispositivo 100 corresponde sustancialmente a la realización mostrada en la figura 4. Sin embargo, en lugar de un convertidor 106 de energía o una máquina 116 de expansión, el dispositivo 100 comprende un (segundo) intercambiador 126 de calor, que puede configurarse de manera diferente. El primer medio de trabajo de la sonda geotérmica 10 se alimenta desde la bomba 105 de circulación al intercambiador 126 de calor. Allí, el calor del medio de trabajo se puede utilizar para calentar un portador de energía adecuado, que se alimenta desde el intercambiador 126 de calor a la red 128 de calefacción urbana. Por lo tanto, el dispositivo 100 permite que se genere energía eléctrica y térmica.

[0114] La figura 6 es una representación esquemática simplificada de la pieza 14 de cabezal (pieza inicial) de la sonda geotérmica 10. La pieza 14 de cabezal comprende varias salidas 15 a través de las cuales el medio de trabajo calentado de la tubería ascendente 20 central puede escapar de la sonda geotérmica 10. Las múltiples salidas 15 están dispuestas alrededor de la circunferencia de la pieza 14 de cabezal y, por lo tanto, permiten que el medio de trabajo escape de una manera optimizada para el flujo. Las transiciones desde la tubería ascendente 20 a las salidas 15 se pueden redondear para reducir la resistencia al flujo. El área total de la sección transversal de las salidas 15 puede ser mayor que la superficie de la sección transversal de la tubería ascendente 20. Las salidas 15 están acopladas a la línea 102 de alimentación. La pieza 14 de cabezal puede comprender al menos dos salidas 15, en particular también tres salidas 15, además, en particular, cuatro salidas 15, además, en particular, seis salidas 15 o más.

[0116] La pieza 14 de cabezal también comprende varias entradas 17, a través de las cuales el medio de trabajo (frío o enfriado) puede entrar en la tubería descendente 22 dispuesta coaxialmente de la sonda geotérmica 10. Las múltiples entradas 17 están dispuestas alrededor de la circunferencia de la pieza 14 de cabezal y, por lo tanto, permiten una introducción del medio de trabajo con un flujo optimizado. Las transiciones desde las entradas 17 a la tubería descendente 22 dispuesta coaxialmente se pueden redondear para reducir la resistencia al flujo. Las entradas 17 están acopladas a la línea 104 de alimentación. La pieza 14 de cabezal puede comprender al menos dos entradas 17, en particular también tres entradas 17, más en particular cuatro entradas 17, más en particular seis entradas 17 o más.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Sonda geotérmica (10) que comprende una columna de tuberías coaxiales, en donde la columna de tuberías coaxiales es atravesada al menos parcialmente por un medio de trabajo, y en donde al menos parte de la columna de tuberías comprende un material reforzado con fibra de carbono,

en donde la columna de tuberías coaxiales comprende al menos una primera sección (A1) y una segunda sección (A3), en donde la primera sección (A1) está dispuesta de forma sustancialmente vertical y comprende el material reforzado con fibra de carbono, y en donde la segunda sección (A3) está dispuesta de forma sustancialmente horizontal,

en donde la primera sección (A1) de la columna de tuberías comprende una longitud de más de 3000 metros y la segunda sección (A3) comprende una longitud de más de 2000 metros,

en donde la primera sección (A1) y la segunda sección (A3) de la columna de tuberías coaxiales están conectadas por una tercera sección (A2) de la columna de tuberías coaxiales dispuesta entre las mismas y que comprende una curva,

en donde la curva tiene un radio de al menos 50 metros, en donde la columna de tuberías coaxiales comprende una tubería ascendente (20) central y una tubería descendente (22) dispuesta coaxialmente, en donde un espacio anular (26) está dispuesto entre la tubería ascendente (20) y la tubería descendente (22), cuyo espacio anular comprende, al menos en una sección, un material de aislamiento térmico o un vacío que aísla la tubería ascendente (20) de la tubería descendente (22),

en donde se proporcionan espaciadores dentro del espacio anular (26) para mantener la disposición coaxial de la tubería descendente (22) alrededor de la tubería ascendente (20),

en donde la tubería descendente (22) y la tubería ascendente (20) están conectadas fluídicamente en un extremo inferior de la columna de tuberías mediante una pluralidad de aberturas (24) de desborde, en donde las aberturas (24) de desborde están dispuestas circunferencialmente en la tubería ascendente (20) y comprenden un área de abertura total que es más pequeña que un área de sección transversal de la tubería ascendente (20).

2. Sonda geotérmica (10) según la reivindicación 1, en donde la columna de tuberías coaxiales comprende al menos una sección que comprende un área de sección transversal en forma de estrella con puntas redondeadas (66) y depresiones (68).

3. Sonda geotérmica (10) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una pieza (14) de cabezal que comprende una pluralidad de salidas (15) dispuestas circunferencialmente en la pieza (15) de cabezal y que tiene un área de abertura total mayor que el área de la sección transversal de la tubería ascendente (22).

4. Sonda geotérmica (10) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la sonda geotérmica (10) está dispuesta en un pozo (19) y está suspendida en el mismo.

5. Dispositivo (100) para generar energía eléctrica o para obtener calor a partir de energía geotérmica, que comprende al menos una sonda geotérmica (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 y un convertidor (106) de energía.

6. Dispositivo (100) según la reivindicación 5, en donde el convertidor (106) de energía comprende al menos un intercambiador (110) de calor y al menos una máquina (116) de expansión, en donde el intercambiador (110) de calor es atravesado por un primer y un segundo medio de trabajo, en donde la máquina (116) de expansión comprende al menos un cilindro con un pistón montado de forma móvil, en donde el pistón es movido por el segundo medio de trabajo.

7. Dispositivo (100) según la reivindicación 6, en donde el convertidor (106) de energía comprende un control (118) del motor totalmente electrónico, en donde el control (118) del motor totalmente electrónico está configurado al menos para controlar una entrada electrónica (116a) y una salida electrónica (116b) del cilindro.

8. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en donde el convertidor (106) de energía está configurado para evitar que el pistón se detenga como resultado de un estado de funcionamiento crítico del pistón por medio del magnetismo.

9. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en donde el segundo medio de trabajo se calienta dentro del intercambiador (110) de calor y se enfría en la máquina (116) de expansión realizando

trabajos en el pistón, y la distancia de recorrido del pistón está configurada de tal modo que la presión media del pistón es de al menos 30 bar.

10. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en donde el pistón comprende al menos un anillo de pistón cerrado o en donde el pistón está adaptado al cilindro de tal modo que el pistón no comprende un anillo de pistón.

11. Dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10, en donde el segundo medio de trabajo comprende dióxido de carbono.

12. Método para generar energía eléctrica o para obtener calor a partir de energía geotérmica utilizando un dispositivo (100) según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 11.