(in Tiefen von 13 - 30 km)

Bekannt ist das sogenannte Hot-Dry-Rock-Verfahren, wie es in den 60iger Jahren von Wissenschaftlern des Los Alamos LAB in New Mexico, U.S.A. , entwickelt wurde, um grosse Aufheizflä¬ chen im heissen, trockenen, kristallinen Gestein zur Erd¬ wärmegewinnung zu schaffen. Das Hot-Dry-Rock Verfahren be¬ schreibt durch seine Bezeichnung das Vorhaben seiner Erfin¬ der, in eben diesem heissen, trockenen Gestein, in dem keine natürlichen Zuflüsse von Oberflächenwasser oder sonstige Quellen vorhanden sind, künstliche Rissgebiete, die miteinan¬ der kommunizieren, zu schaffen, um möglichst Erdwärme an den Orten gewinnen zu können, wo Erdwärmeanomalien vorliegen, aber keine natürliche Heissdampfgewinnung möglich ist, wie in den klassischen Erdwärme-Nutzungsgebieten der Erde. Das Hot-Dry-Rock Verfahren fusst auf dem Hydro-Frac Verfah¬ ren, das zum Beispiel in der Erdölindustrie bereits seit 30 Jahren eingesetzt wird, um versiegende Erdöl- oder Erdgas- ' quellen wieder ergiebiger sprudeln zu lassen. Bei diesem Hot- Dry-Rock Verfahren wird der untere Teil des Bohrloches, in dessen Tiefe eine Aufspaltung des Gesteins stattfinden soll,

nach oben hin abgesperrt und unter hohen Wasserdruck gesetzt, um infolge eines Hydro-Frac-Effektes das umliegende Gestein aufzubrechen. Der Druck des Wassers uss die Scherkräfte des aufzuspaltenden Gesteins deutlich übersteigen, damit das Ge¬ stein reisst und sich lange Spalten mit grossen Aufheizvolu¬ minas bilden.

Dieses Verfahren wurde in Fenton Hill bei Los Alamos, U.S.A., erfolgreich bis 3000 m Tiefe getestet. Ein weiterer Versuch in etwa 4000 m Tiefe schlug nach anfänglichem Erfolg fehl, da die Druckeinrichtung im unteren Teilabschnitt des Bohrlochs unter dem aufzubringenden hohen Wasserdruck versagte. Weil die Scherkräfte des Gesteins mit zunehmendem Ueberlagerungs- druck wachsen, erfährt das Hot-Dry-Rock Verfahren seine Be¬ grenzung in Tiefen, wo die Scherkräfte des Gesteins höher liegen als die technisch erzeugbaren Drucke in dem durch so¬ genannte "packer" abgesperrten Bohrlochteil. Wie Messungen aus Tiefstbohrungen und seismische Untersuchungen zeigen, gibt es starke Abweichungen von der im allgemeinen linearen Zunahme der Scherkräfte des Gesteins bei zunehmendem Ueberlagerungsdruck. In gewissen Schichten steigen die Scher¬ kräfte überproportional stark an. So können sie in 3000 Meter Tiefe zeitweilig bereits bis zu 2000 bar ansteigen. Solche unstetige Anstiege der Scherkräfte begrenzen zusätzlich den Anwendungsbereich des Hot-Dry-Rock Verfahrens. Neueste geolo¬ gische Erkenntnisse, seismische Untersuchungen und die Ergeb¬ nisse der sogenannten Kola-Tiefbohrung auf der sowjetischen Kola-Halbinsel, wo in einer Bohrzeit von 17 Jahren bis auf eine Tiefe 13*600 Metern vorgestossen wurde, beweisen, dass

die Scherkräfte des Gesteins der Kontinental-Kruste, von zeitweiligem scharfen Anstieg in bestimmten Gesteinsschichten abgesehen, in der Regel bis 13 km Tiefe linear mit dem Ueberlagerungsdruck zunehmen, um dann plötzlich bis auf eine Tiefe von etwa 30 km im Verhältnis zum Ueberlagerungsdruck stark abzufallen. Erklärt wird dieses Verhalten des kristal¬ linen Gesteins durch den Kristallwasseraustritt bei den in dieser Tiefe herrschenden Temperatur- und Druckbedingungen, wodurch ein natürlicher Micro-Frac Mechanismus einsetzt, der das vordem kompakte Gestein feinrissig aufspaltet und damit die Scherkräfte sprunghaft absinken lässt.

Dieser feinrissig aufgespaltete Bereich der kontinentalen Erdkruste mit verminderten Scherkräften, in Fachkreisen als ZONE OF WEAKNESS bezeichnet, weist bereits im oberen Bereich Temperaturen um 500 °C auf. Die Temperaturen dürften bis auf eine Tiefe von etwa 30 km auf Werte in der Gössenordnung von über l'OOO °C ansteigen.

Aufgabe dieser Erfindung ist es angesichts dieser Erkennt¬ nisse, ein Verfahren zur Nutzung der Erdwärme in hoher Quali¬ tät (überhitztes Wasser um 500 °C) und benötigter Quantität sowie zur Gewinnung von allfällig vorhandenen Mineralien in der ZONE OF WEAKNESS zu schaffen, das an jedem Ort der Erde zu geringen Kosten betreibbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur allgemeinen Erdwärmenutzung und Gewinnung von Mineralien in der ZONE OF WEAKNESS, das sich dadurch auszeichnet, dass in dieser Tie-

fenzone von 13 bis 30 km Tiefe der kontinentalen Lithospähre, in der die Scherkräfte des Gesteins im Vergleich zum Ueberla¬ gerungsdruck plötzlich stark abnehmen, unter Ausnutzung des hydrostatischen Drucks einer Wassersäule in einem bis in diese Tiefen reichenden, druckfest verrohrten Bohrloch und unter Hinzufügung des allfällig noch fehlenden Restdrucks durch Einpumpen von Druckwasser an der Oberfläche in dieses als Kaltwasserdruckschacht wirkende Bohrloch, der erwünschte Hydro-Frac zur Aufspaltung einer ausreichend grossen Aufheiz¬ zone im dem heissen Gestein verminderter Scherkräfte erzielt wird, und dass das eingepumpte Wasser nach Wärmeaufnahme im aufgerissenen Gestein durch wenigstens ein weiteres, in Ab¬ stand zu diesem Bohrloch vorhandenes, als Förderschacht wir¬ kendes Bohrloch an die Erdoberfläche gefördert wird, wo des¬ sen Wärme genutzt wird oder in ihm enthaltene Mineralien ge¬ wonnen werden.

Damit wird auch das gegenwärtig technisch ungelöste Problem der Schaffung grosser Aufheizflächen in grossen Tiefen ge¬ löst, indem nämlich durch Nutzung der Schmelzbohrtechnik gemäss der DE-PS 25 54 101 C2 und der internationalen Anmel¬ dung PCT/DE88/00013 diese ZONE OF WEAKNESS mit grossen Bohr¬ lochdurchmessern erreicht wird. Die Bohrlöcher werden bis zu den letzten zwei Kilometern, die durch Hydro-Frac aufzuspal¬ ten sind, druckfest verrohrt und die AufSchliessung des schon durch geologische Prozesse vorgefracten heissen Gesteins in dieser ZONE OF WEAKNESS wird unter dem Druck der aufgebauten Kaltwassersäule möglich. Die Grδsse der Bohrlochdurchmesser,

die nur mittels der eingangs erwähnten Schmelzbohrtechniken zu erreichen sind, spielen eine wichtige Doppelfunktion:

1. Es besteht eine gesetzmässige Aabhängigkeit zwischen dem Bohrlochdurchmesser und der Länge der vom Bohrloch aus¬ gehenden, durch Hydro-Frac im heissen Gestein induzier¬ baren Risse und damit auch zu der Grosse des zu erschliessenden geothermen Reservoirs. Nach heutigen Erkenntnissen erstreckt sich die induzierbare Rissaus¬ dehnung auf etwa das 600-fache des Bohrlochdurchmessers.

2. Der Bohrlochdurchmesser bildet ein Mass für die Durch¬ flusskapazität und für die Fähigkeit des Bohrloches, eine Funktion als Tagesspeicher zu übernehmen, um wech¬ selnde Bedarfspitzen problemlos abzufangen.

In Anlehnung an den Begriff "Hot-Dry-Rock-Verfahren" wird das vorliegende Verfahren entsprechend "Hot-Weak-Rock-Verfahren" genannt. Ein erstes, zum Beispiel mittels des Schmelz¬ bohrverfahrens gemäss der DE-PS 25 54 101 C2 • und der internationalen Anmeldung PCT/DE88/00013 erstelltes Bohrloch wird als Kaltwasserschacht angelegt. Dieses Bohrloch reicht in eine Tiefe von zwischen etwa 13 bis 15 km, also in die so¬ genannte ZONE OF WEAKNESS und wird vorteilhaft mit einem Durchmesser von einem bis zwei Metern erstellt. Peripher um diesen zentralen Kaltwasserschacht verteilt werden weitere Bohrlöcher von etwa einem Meter Durchmesser als Förder¬ schächte in einem Abstand von etwa 100 Metern vom zentralen

Bohrloch erstellt. Diese Förderschächte werden auf dem Weg in die Tiefe vorteilhaft um jeweils etwa 1000 Meter seitlich vom zentralen KaltwasserSchacht weg abgelenkt, um in der Tiefe eine möglichst grosse Aufheizflache zu erschliessen. Eine solche Ablenkung von 1000 m bei einer Tiefe von 15 km ist problemlos zu erreichen, denn schon bei der eingangs erwähn¬ ten Kola-Bohrung, die mit einer Rotary-Bohrtechnik erstellt wurde, welche nur begrenzte Möglichkeiten zur Steuerung zu- lässt, musste notgedrungen eine Abweichung von 840 m hinge¬ nommen werden, obwohl versucht wurde, die Abweichtung mög¬ lichst klein zu halten. Die Rissbildungslängen durch Hy- drofrac, welche etwa das 600-fache des Bohrlochdurchmessers ausmachen, vermögen dann das Gebiet zwischen den Bohrlöchern hinreichend zu erschliessen. Alle Bohrlöcher werden mit Stahldruckrohren bis in etwa 13 km Tiefe, das heisst bis auf zwei Kilometer vor deren unterem Ende verrohrt. Ein solches Verrohren ist aus dem Stand der Bohrtechnik bekannt. Zumin¬ dest die obere Hälfte jener verrohrten Bohrlöcher, die als Förderschächte dienen, wird wärmeisoliert. Die unteren, un- verschalt bleibenden 2 km Bohrschachtbereich dienen zur Er¬ zeugung grosser Auheizflächen mittels Hydro-Frac im heissen Gestein. Oben an der Oberfläche werden die Förderschächte über eine Wärmeaustauscheranlage mit dem zentralen Kaltwas¬ serdruckschacht verbunden. Die Wärmetauscheranlage ist so konstruiert, dass zuerst die Temperaturspitze für den Pro¬ zessdampfbedarf der Wirtschaft aus dem überhitzt anfallenden geothermen Wasser oberhalb der Temperatur von 300 °C genutzt wird, anschliessend der Bedarf zur Stromerzeugung, der nur

einen geringen Teil ausmacht, da der Hauptbedarf an Energie direkt durch Wärmelieferung gedeckt wird, wie dies der grosse Bedarf an Heisswasser für Gewerbe, Landwirtschaft und Haus¬ halte zeigt. Das Verfahren wird angefahren, indem vorerst alle Absperrventile zur Wärmetauscheranlage geschlossen wer¬ den und alle Schächte gleichzeitig über spezielle Zuleitungen mittels Druckpumpen mit Kaltwasser geflutet werden. Das in der Tiefe der ZONE OF WEAKNESS liegende Gestein weist Scher¬ kräfte auf, die durch die Wirkung des in diesen Bereichen auftretenden natürlichen Micro-Frac's so stark gesunken sind, dass der hydrostatische Druck der im zentralen Bohrloch stehenden Kaltwassersäule nahezu ausreicht, um an der Bohr¬ lochsohle den Hydro-Frac-Effekt auszulösen. Zur Aufspaltung des Gesteins und Schaffung von grossen Aufheizflächen wie auch zu deren Offenhaltung sind deshalb nur noch geringe Druckkräfte nötig. Ein Hydrofrac, welcher bei ca. 1500 bis 1700 bar einsetzt, kann mittels einer Kaltwassersäule von 15 km Höhe und Druckwasserpumpen von zum Beispiel 200 bar indu¬ ziert werden. Der Frac-Effekt wird solange aufrechterhalten, bis ein ausreichend grosses Reservoir erschlossen ist und die Verbindung über Rissbildungen zwischen den einzelnen Schäch¬ ten in der Tiefe untereinander hergestellt ist. Nach Errei¬ chen dieses Zustandes werden, mit Ausnahme des zentralen Kaltwasserdruckschachtes, die KaltwasserZuführungen geschlos¬ sen und die Ventile zur Wärmetauscheranlage geöffnet. Unter dem Druck der fortgesetzten Kaltwasserzufuhr im Zentral¬ schacht drückt das aufsteigende und überhitzte geotherme Was¬ ser in den Förderschächten das aus der Hydro-Frac Phase noch

überlagernde kühlere Wasser durch die Wärmetauscheranläge zu den Förderpumpen des Zentralschachtes, womit die Energieaus¬ beute beginnt, bis nach Verdrängen des Kaltwassers im Fόrder- schacht das angestrebte Energienieveau allmählich erreicht wird, ohne dass das überhitzte Geothermwasser zwischenzeit¬ lich in die Dampfphase übergehen konnte, bei der es zu Abla¬ gerungen im Förderschacht kommen würde. Auch im überhitzten Zustand des geothermen Wassers wird durch geeignete elektri¬ sche Polungen am Kreislauf dafür gesorgt, dass es nicht zu Ionenabscheidungen kommt, es sei denn in Aggregaten, die da¬ für vorgesehen sind, wertvolle Gase oder Mineralien, wie zum Beispiel Edelmetalle, dem geothermen Fluid zu entziehen. In stark mit Mineralien angereicherten geothermen Fluiden kann die Energiegewinnung zur Nebensache und die Mineralgewinnung zur Hauptsache werden, sodass Energie- und Erzgewinnung zu Produktionszweigen in einem einzigen Anlagenkomplex werden.

Die erfindungsgemässe Methode, die durch die Ausnutzung der hydrostatischen Wassersäule im Bohrloch gekennzeichnet ist, kann auch den Wirkungsradius des bekannten Hot-Dry-Rock-Ver- fahrens um die dadurch gewonnenen Druckkräfte erweitern, wenn eine entsprechende Bohrloch-Stahlverrohrung vorgenommen wird. Das neue Verfahren bietet die Möglichkeit, mit einem ge¬ schlossenen geothermen Kreislauf zu arbeiten, damit keine Schadstoffe in die Atmosphäre oder Biospähre gelangen, indem der oder die Heisswasserschachte durch Zwischenschaltung ei¬ nes Wäremtauschers mit dem Kal wasserschacht über eine ge¬ schlossene Druckleitung verbunden werden. Damit wird das geo-

therme Wasser nach Wärmeentzug dem Kaltwasserdruckschacht di¬ rekt wieder zugeführt und zusammen mit der zu ergänzenden Schwundwassermenge unter massigem Zusatzdruck eingepumpt, der zur Offenhaltung beziehungsweise Neuentstehung von Rissen durch Hydro-Frac im einmal erschlossenen Reservoir nötig ist. Dieser ökologische Aspekt ist entscheidend für die Akzpetanz der Erdwärmenutzung, indem an der Oberfläche keine Schadstoffe anfallen und die Ablagerung der angereicherten, gelösten Substanzen wie bei natürlichen geologischen Vorgän¬ gen in den ausgekühlten oberen Rissbereichen des Reservoirs erfolgt. Ein weiterer wichtiger ökologischer Aspekt ist die Anordnung des Sekundärenergiekreislaufs ohne Kühltürm, um eine weitere Aufheizung der Atmosphäre durch Abwärme zu ver¬ meiden. Dies wird möglich durch eine Energiekoppelung mit adequaten Verbrauchern, die mit der Geothermanlage verbunden sind und damit auch die Wärme der grossen Mengen Niedertempe¬ ratur-Wasser abbauen, die gegenwärtig besonders bei grossen konventionellen und Kernkraftwerken einfach in die Atmosphäre abgegeben wird. Die aus dem Rücklauf der Fernheizsysteme ver¬ bleibenden Restmengen an Wärme werden in Greenhouse- und Aquaproduktionsanlagen genutzt, welche die Bevölkerung im Um¬ feld der Geothermanlage mit ihren Produkten beliefern. Das Erdwärmereservoir ist ausserdem so flexibel, insbesondere wenn um den Kaltwasserdruckschacht in entsprechenden Abstän¬ den mehrere periphere geotherme Fδrderschächte angelegt sind, dass es das überhitzte Wasser vorübergehend auch speichern kann. Die mit überhitztem Geother wasser gefüllten Förder¬ schächte können so als Kurzspeicher zum Ausgleich von Tages-

verbrauchspitzen dienen oder die Gesamtanlage kann als Lang¬ zeitspeicher genützt werden, wodurch stark schwankender jah¬ reszeitlicher Verbrauch ohne Zusatzanlage abgedeckbar ist.

Die Vorteile des Hot-Weak-Rock Verfahrens sind vielfältig und im folgenden zusammengestellt:

1. Die Erdwärme ist nach dem Hot-Weak-Rock Verfahren an je¬ dem Punkt der Erde nutzbar und nicht wie beim Hot-Dry- Rock Verfahren nur an ausgewählten Orten mit für ein solches Verfahren vorteilhaften Wärmeanomalien.

2. Mit dem Hot-Weak-Rock-Verfahren kann hochwertige Energie in Prozessdampfqualität in einer Quantitätsmenge pro Quadratmeter Kraftwerkseinheit gewonnen werden, wie das bislang unterreicht blieb.

3. Durch die Verrohrung des Bohrloches beziehungsweise der Bohrlöcher und durch die vorhandenen, extrem festen Ue- berlagerungsschichten ist die Möglichkeit des erschlos¬ senen Reservoirs, zur Oberfläche hin durchzubrechen, minimiert.

4. Die Energieausbeute eines derartig erschlossenen Geo- therm-Reservoirs nimmt mit zunehmender Betriebsdauer stetig zu, sowohl in der Qualität als auch in der Quan¬ tität. Bedingt wird diese phantastische Erscheinung er¬ stens durch das Verhalten von überhitztem Wasser, nach

dem Viskositätsgesetz immer zu den heissesten Punkten zu fHessen, sodass das einmal erschlossene Erdwärmereser¬ voir sich selbsttätig in immer tiefere, heissere Zonen erweitert, und zweitens durch den ständig stattfindenden Energieaufschluss infolge von Thermostress, der bei Aus¬ kühlung des durch Hydro-Frac einmal erschlossenen Erd¬ wärmereservoirs in dessen Gestein einsetzt.