Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur

Erzeugung von elektrischem Strom und ggf. Wärme aus

geothermischer Energie oder Erdwärme.

Anlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme, die auch als Geothermie- Kraftwerke bezeichnet werden, sind bekannt. Wie beispielsweise in Wikipedia unter dem Stichwort "Geothermie" im Kapitel

"Stromerzeugung" beschrieben ist, werden diese Anlagen

gewöhnlich in Ländern eingesetzt, die über Hochenthalpie- Lagerstätten verfügen, in denen in vergleichsweise geringen

Tiefen von weniger als 2000 m Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius herrschen. Dabei wird als Arbeitsmedium gewöhnlich Wasser verwendet, das durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird, wobei der unter Druck stehende Wasserdampf zum Antrieb einer Turbine eines Generators genutzt werden kann. Die Abwärme dieser Geothermie-Kraftwerke kann als Fernwärme genutzt werden. Da jedoch in Deutschland die üblichen Temperaturen geologischer Warmwasservorkommen

niedriger sind, wurde lange Zeit Thermalwasser nur zur

Gebäudeheizung genutzt. Neu entwickelte Organic-Rankine- Cycle (ORC) -Anlagen, die mit einem organischen Medium, z.B.

Pentan, arbeiten, das bei relativ niedrigen Temperaturen verdampft, wobei der Dampf über eine Turbine den Generator antreibt, ermöglichen jedoch eine Nutzung von Temperaturen ab 80°C zur Stromerzeugung. Als Alternative zum ORC-Verfahren wird weiter das Kaiina-Verfahren genannt, das als Arbeitsmedium ein Zweistoffgemisch aus Ammoniak und Wasser verwendet. Bei diesen Anlagen wird jedoch ebenfalls stets Wasser in größerer Tiefe durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und dann an der Oberfläche benutzt, um in einem zweiten Kreislauf das organische Medium oder Zweistoffgemisch aufzuheizen, zu ^' verdampfen und durch die Turbine umzuwälzen. Dabei entstehen jedoch erhebliche Leistungsverluste. Darüber hinaus wird als nachteilig angesehen, dass Pentan hochentzündlich und Ammoniak giftig ist, so dass sehr aufwändige Sicherheitsvorkehrungen erforderlich sind.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich die

Leistungsverluste reduzieren lassen. Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass ein Arbeitsmedium, das mindestens eine als

Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält oder aus einer oder mehreren solchen Verbindungen besteht, so dass es nachfolgend vereinfacht als Kältemittel bezeichnet wird, durch ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch umgewälzt und

innerhalb des Bohrlochs durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird.

Vorzugsweise wird das Arbeitsmedium in flüssiger Form in das Bohrloch geleitet. Innerhalb des Bohrlochs wird das flüssige

Arbeitsmedium zweckmäßig durch ein zentrales Fallrohr eines in das Bohrloch eingebrachten Rohrstrangs bis zum unteren Ende des Bohrlochs und dort in ein das Fallrohr umgebendes, mit dem Fallrohr kommunizierendes Steigrohr des Rohrstrangs geleitet, wo es durch die geothermische Energie oder Erdwärme aufgeheizt und verdampft wird.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, statt Wasser ein Arbeitsmedium zu verwenden, das einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser besitzt, so dass es nach dem Austritt aus dem

Fallrohr schnell verdampft und ein hoher Dampfdruck erzielt wird. Durch das Verdampfen des Arbeitsmediums kann auf eine Zwangsumwälzung durch den Kreislauf verzichtet werden, da infolge der Differenz zwischen dem hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr und dem Druck des

verdampften und damit leichteren Arbeitsmediums im Steigrohr für eine selbsttätige Umwälzung des Arbeitsmediums durch den Kreislauf gesorgt wird. Ggf. kann die Umwälzung jedoch durch eine Pumpe oder einen Verdichter unterstützt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Arbeitsmedium mindestens eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung enthält oder aus einer oder mehreren solchen Verbindungen besteht und dass der Kreislauf einen innerhalb des Bohrlochs angeordneten, vom Arbeitsmedium durchströmten Rohrstrang mit einem zentralen Fallrohr und einem das Fallrohr umgebenden, am unteren Ende des Bohrlochs mit dem Fallrohr kommunizierenden Steigrohr umfasst, so dass das flüssige Arbeitsmedium nach dem Austritt in das umgebende

Fallrohr durch die geothermische Energie oder Erdwärme

aufgeheizt und verdampft werden kann.

Der vereinfachte Begriff Kältemittel, wie er im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung verwendet wird, soll ein

organisches Medium bezeichnen, das als Kältemittel in

Kälteanlagen einsetzbar ist, das heißt eine als Kältemittel geeignete organische Verbindung mit einem oder mehr

Kohlenstoffatomen . Der Begriff soll jedoch nicht als ein

Arbeitsmedium verstanden werden, das wie in einer Kälteanlage üblich bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt . Derartige als Kältemittel geeignete organische Verbindungen umfassen vorzugsweise teilflourierte Kohlenwasserstoffe (FKW oder HFKW) die kein Ozonabbaupotential und zweckmäßig ein geringes Treibhauspotential besitzen, nicht brennbar, nicht explosiv und nicht giftig sind und eine hohe spezifische

Verdampfungsenthalpie, eine hohe kritische Temperatur und eine niedrige Viskosität besitzen. Vorteilhafterweise wird zur

Umwälzung durch das Bohrloch ein Kältemittel verwendet, das bei Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur flüssig ist, so dass vor der Zufuhr des Arbeitsmediums in das Bohrloch eine Abkühlung auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur entbehrlich ist .

Die Eigenschaften des Arbeitsmediums und vor allem sein

Siedepunkt lassen sich auf einen gewünschten Wert einstellen, indem als Arbeitsmedium eine Mischung aus verschiedenen

Kältemitteln verwendet wird.

Durch die Verwendung von nicht-explosiven und ungiftigen organischen Kältemitteln als Arbeitsmedium sind aufwändige Sicherheitsvorkehrungen außerhalb des Bohrlochs entbehrlich. Innerhalb des Bohrlochs sorgen eine gasdichte Abdichtung des Rohrstrangs sowie eine einzementierte Verrohrung dafür, dass kein Kältemittel in das umgebende Erdreich oder Gestein

gelangen kann.

Die Tiefe des Bohrlochs beträgt zweckmäßig mehr als 50 Meter, vorzugsweise mehrere hundert Meter und in Deutschland am besten mehr als 1000 Meter, wobei das untere Ende des Bohrlochs immer in einer Tiefe angeordnet ist, in der die Temperatur der

Umgebung, d.h. des Gesteins oder Erdreichs, oberhalb von der Siedetemperatur des Arbeitsmediums liegt, und zwar bei

demjenigen Druck, der durch das spezifische Gewicht der Säule des flüssigen Arbeitsmediums am unteren Ende des Fallrohrs herrschen wird. Um den hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr zu reduzieren, ist es sinnvoll, nur einen Teil des Fallrohrs mit flüssigem Arbeitsmedium zu füllen, so dass dessen Druck am unteren Ende des Fallrohrs einen Wert von etwa 100 bar nicht übersteigt.

Um eine vorzeitige Verdampfung des flüssigen Kältemittels innerhalb des Fallrohrs infolge der zum unteren Ende des

Bohrlochs hin zunehmenden Temperatur des Gesteins oder

Erdreichs zu verhindern, ist das Fallrohr bevorzugt als

Wärmeisolierrohr ausgebildet, das an seinem unteren Ende bzw. am unteren Ende des Bohrlochs durch mindestens eine

Ausströmöffnung mit dem Steigrohr kommuniziert. Um einerseits während des Aufstiegs des verdampften Kältemittels durch das Steigrohr eine Abkühlung des Kältemittels im kälteren Gestein oder Erdreich um den oberen Teil des Bohrlochs herum zu

verhindern und andererseits für einen guten Wärmeübergang von dem heißeren Gestein oder Erdreich um den unteren Teil des Bohrlochs herum in das Kältemittel zu sorgen, weist das

Steigrohr bevorzugt einen als Wärmeisolierrohr ausgebildeten oberen Abschnitt mit geringerer Wärmeleitfähigkeit und einen unteren Abschnitt mit höherer Wärmeleitfähigkeit auf, der sich vom unteren Ende des Bohrlochs aus bis zum unteren Ende des oberen Abschnitts erstreckt. In diesem unteren Abschnitt des Steigrohrs erwärmt sich das durch die Ausströmöffnung strömende Arbeitsmedium bis über seine Siedetemperatur hinaus.

Der Öffnungs uerschnitt der Ausströmöffnung oder -Öffnungen ist zweckmäßig kleiner als der oder gleich dem Strömungsquerschnitt des Fallrohrs, so dass die Verdampfung des Arbeitsmediums stets in Strömungsrichtung hinter der Ausströmöffnung im Steigrohr erfolgt und kein verdampftes Arbeitsmedium in das Fallrohr eintreten kann. Grundsätzlich ist es möglich, dass das Steigrohr von einer in das Bohrloch einzementierten Verrohrung gebildet wird, die das Fallrohr umgibt und durch einen Ringspalt vom Fallrohr getrennt ist. In diesem Fall umfasst die einzementierte Verrohrung einen oberen Abschnitt mit geringer Wärmeleitfähigkeit sowie einen unteren Abschnitt mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem' oberen Abschnitt und dem unteren Ende des Bohrlochs. Bevorzugt wird das Steigrohr jedoch als separates Rohr zwischen dem

Fallrohr und einer in das Bohrloch einzementierten Verrohrung angeordnet, wobei das Steigrohr jeweils durch einen Ringspalt vom zentralen Steigrohr und von der Verrohrung getrennt ist. Das Steigrohr und das Fallrohr bilden dabei einen zum Ringspalt hin abgedichteten Rohrstrang. Obwohl es grundsätzlich auch möglich ist, das Fallrohr und den oberen Abschnitt des Steigrohrs, die als Wärmeisolierrohre ausgebildet sind, einwandig aus einem leichten und zugfesten Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit herzustellen, wie einem kohlefaserverstärkten Kunststoff oder Kunstharz, sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Wärmeisolierrohre mindestens teilweise als doppelwandige Vakuumrohre ausgebildet sind, die einen unter Unterdruck stehenden Innenraum umschließen, wodurch die Wärmeisolierrohre eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, und vorteilhaft aus Leichtmetall bestehen, so dass die Hakenlast beim Ablassen des Rohrstrangs in das Bohrloch reduziert werden kann. Eine noch weitere Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit kann dadurch erreicht werden, dass dem Innenraum zugewandte Oberflächen der Vakuumrohre mindestens teilweise verspiegelt sind und/oder dass die im Kontakt mit dem Arbeitsmedium stehende Oberflächen des Fallrohrs und/oder des Steigrohrs mit einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit beschichtet sind, besonders dann, wenn die hohlen Wärmeisolierrohre aus Leichtmetall bestehen, das selbst eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Vorteilhaft wird eine ^' Beschichtung verwendet, durch die gleichzeitig die Rohrreibung des strömenden Arbeitsmediums verringert wird.

Der untere Abschnitt des Steigrohrs besteht vorzugsweise aus massivem Leichtmetall, das eine gute Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Wärmekapazität und ein relativ geringes spezifisches

Gewicht besitzt, wodurch die Hakenlast beim Ablassen des

Rohrstrangs in das Bohrloch ebenfalls reduziert werden kann. Dort, wo das Steigrohr als separates Rohr zwischen dem Fallrohr und der Verrohrung des Bohrlochs angeordnet und jeweils durch einen Ringspalt vom Steigrohr und von der Verrohrung getrennt ist, wird das Bohrloch vorzugsweise noch vor dem Ablassen des Rohrstrangs teilweise mit einem Fluid gefüllt, in welches das untere Ende des Rohrstrangs beim Ablassen eintaucht. Auf diese Weise sorgt der Auftrieb des in das Fluid eintauchenden unteren Endes des leeren Rohrstrangs für eine zusätzliche Reduzierung der Hakenlast. Als Fluid kann eine fließfähige Wärmeleitpaste verwendet werden, oder eine Wärmeträgerflüssigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen Wärmekapazität, wie

Wasser, dem als Korrosionsschutz für den Rohrstrang zweckmäßig ein geeignetes Additiv zugesetzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Steigrohr an seiner Außenseite mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen werden. Die Menge des in das Bohrloch gefüllten Fluids ist bevorzugt so gewählt, dass nach dem Ablassen des Rohrstrangs in das Bohrloch der untere Abschnitt des Steigrohrs mit der hohen Wärmeleitfähigkeit vollständig in das Fluid eintaucht, um so für einen besseren Übergang der Wärme aus der Umgebung des Bohrlochs durch den Ringspalt in den unteren Abschnitt des Steigrohrs zu sorgen.

Der Ringspalt zwischen dem oberen Abschnitt des Steigrohrs und der Verrohrung kann entweder ebenfalls mit dem Fluid oder alternativ mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt sein, im zuerst genannten Fall wird sich im oberen Teil des Bohrlochs das Fluid im Ringspalt durch KonvektionsStrömungen erwärmen, wodurch einer Abkühlung des Kühlmittels im oberen Abschnitt des Steigrohrs entgegengewirkt wird, so dass ggf. darauf verzichtet werden kann, den oberen Abschnitt des Steigrohrs doppelwandig auszubilden. Im zuletzt genannten Fall sorgt das Gas für eine bessere Isolierung des oberen Abschnitts des Steigrohrs

gegenüber der Verrohrung und gegenüber dem umgebenden kühleren Gestein oder Erdreich.

In beiden Fällen ist der Ringspalt zweckmäßig am oberen Ende des Bohrlochs verschlossen, um einen Austritt von Wärme aus dem Ringspalt in die Atmosphäre zu verhindern. Bevorzugt wird ein wärmeisolierender und gasdichter Verschluss vorgesehen, so dass eine eventuelle Leckage von gasförmigem Arbeitsmedium aus dem Rohrstrang in das Innere des Ringspalts detektiert werden kann.

Um den Rohrstrang innerhalb der Verrohrung zu zentrieren, sind zweckmäßig Abstandhalter zwischen der Verrohrung und dem

Steigrohr angeordnet, vorzugsweise an Stellen, an denen der Innendurchmesser der Verrohrung stufenweise kleiner wird.

Vorzugsweise bestehen das Fallrohr und das Steigrohr jeweils aus mehreren gasdicht miteinander verbundenen Rohrstücken, die zweckmäßig miteinander verschraubt sind, wobei die Stöße oder Schraubverbindungen der benachbarten Rohrstücke des Steigrohrs und des Fallrohrs in Richtung der Längsachse des Bohrlochs gegeneinander versetzt sind, so dass sie beim Absenken des Rohrstrangs abwechselnd am oberen Ende desselben montiert werden können.

Grundsätzlich ist es möglich, das Arbeitsmedium in einem einzigen Kreislauf zu führen, der eine als Antrieb für einen Generator dienende Expansionsmaschine dient, wobei in diesem Fall das aufgeheizte und verdampfte Arbeitsmedium nach dem Austritt aus dem Bohrloch direkt in die Expansionsmaschine zugeführt wird, um es dort unter Verrichtung von Arbeit zu entspannen. Anschließend wird das Arbeitsmedium in einem

Wärmetauscher abgekühlt und kondensiert, um es in flüssiger Form wieder in das Bohrloch zuzuführen.

Alternativ können jedoch auch zwei Kreisläufe verwendet werden, von denen einer den Rohrstrang im Bohrloch und der andere die Expansionsmaschine umfasst. In diesem Fall wird das aufgeheizte und verdampfte Arbeitsmedium nach dem Austritt aus dem Bohrloch in einen Wärmetauscher zugeführt, in dem es seine Wärme an ein weiteres Arbeitsmedium abgibt. Auch das weitere Arbeitsmedium enthält zweckmäßig eine als Kältemittel geeignete Verbindung und wird im Wärmetauscher aufgeheizt und verdampft, bevor es in die Expansionsmaschine zugeführt und dort unter Verrichtung von Arbeit entspannt wird. Nach der Entspannung kann das weitere Arbeitsmedium durch einen Wärmetauscher geleitet werden, in dem es einen Teil seiner Restwärme an ein Fernwärmenetz abgibt, bevor das Arbeitsmedium in einem Kondensator wieder verflüssigt wird.

Als Expansionsmaschine wird vorzugsweise eine Kolbenmaschine verwendet, der das unter einem hohen Druck stehende verdampfte Arbeitsmedium zugeführt wird, um es innerhalb der Zylinder zu entspannen und die Kolben in den Zylindern auf und ab zu bewegen. Zur Regelung der Drehzahl der Expansionsmaschine ist zwischen dem Steigrohr und der Expansionsmaschine zweckmäßig eine verstellbare Drossel angeordnet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus

geothermischer Energie oder Erdwärme mit einem einzigen

Kreislauf für ein Arbeitsmedium;

Fig. 2 eine vergrößerte detaillierte Längsschnittansicht des Ausschnitts II in Fig. 1 ;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie III-III der Fig. 2 ;

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie

IV-IV der Fig. 2; Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie

V-V der Fig. 2 ;

Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie

VI-VI der Fig. 2 ;

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie

VII-VII der Fig. 2;

Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie VIII-VIII der Fig. 2 ;

Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX der Fig. 2. Fig. 10 eine schematische Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch von einer Anlage mit zwei Kreisläufen.

Die in der Zeichnung dargestellten Anlagen 10 zur Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme aus geothermischer Energie oder Erdwärme umfassen ein in die Erde niedergebrachtes Bohrloch 12 sowie mindestens einen Kreislauf 14 für ein Arbeitsmedium.

Bei einer geothermischen Tiefenstufe von 33 m/°K entsprechend einem Tiefengradienten von 3°K/100 m Tiefe weist das Bohrloch 12 eine Tiefe von etwa 3800 m oder etwas mehr auf, so dass das umgebende Gestein am Bohrlochfuß 16, d.h. dem unteren Ende des Bohrlochs 12, eine Temperatur von etwa 115°C besitzt. Die Tiefe des Bohrlochs 12 ist so auf das Arbeitsmedium abgestimmt, dass dieses bei den am Bohrlochfuß 16 herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen in dampfförmigem Zustand vorliegt.

Das Bohrloch 12 weist einen Innendurchmesser auf, der sich vom Bohrlochkopf 18, d.h. dem oberen Ende des Bohrlochs 12, aus nach unten zu stufenförmig verjüngt, beispielsweise von einem Innendurchmesser von 17 1/2" unterhalb des Bohrlochkopfs 18 (Fig. 4) bis zu einem Innendurchmesser von 6 1/2" oberhalb des Bohrlochfußes 16 (Fig. 9). Zur Verhinderung eines Einsturzes ist das Bohrloch 12 mit einer Verrohrung 20 versehen. Die

Verrohrung 20 besteht aus mehreren nach unten zu stufenförmig verjüngten Rohrtouren 22, 24, 26, 28, deren Außendurchmesser jeweils etwas kleiner als der Außendurchmesser des Bohrlochs 12 in der entsprechenden Tiefe ist. Jede Rohrtour 22, 24, 26, 28 umfasst eine Mehrzahl von gasdicht verschraubten Futterrohren, die in der darüber befindlichen Rohrtour abgehängt und nach

Fertigstellung der Rohrtour durch Einpressen eines gasdichten Zements (nicht dargestellt) in den Ringraum zwischen der

Bohrlochwand und den Futterohren verankert werden. Durch die Verrohrung 20 und die Zementierung wird sichergestellt, dass das Innere des Bohrlochs 12 entsprechend den bergrechtlichen

Vorschriften gegenüber dem umgebenden Gestein oder Erdreich gasdicht abgedichtet ist. Der in Fig. 1 dargestellte Kreislauf 14 für das Arbeitsmedium umfasst einen innerhalb des Bohrlochs 12 angeordneten

Rohrstrang 30 aus einem zentralen Fallrohr 32 und einem das Fallrohr 32 umgebenden Steigrohr 34 ₍ eine Expansionsmaschine 36, die durch einen ersten Leitungsabschnitt 38 einer

Umwälzleitung 40 mit dem oberen Ende des Steigrohrs 34

verbunden ist, sowie einen ersten Wärmetauscher 42, der durch einen zweiten Leitungsabschnitt 44 der Umwälzleitung 40 mit der Expansionsmaschine 36 und durch einen dritten Leitungsabschnitt 46 der Umwälzleitung 38 sowie einen Kondensator 47 mit dem oberen Ende des Fallrohrs 32 verbunden ist. Bei der über eine Dämpfungskupplung 48 mit einem Generator 50 zur Stromerzeugung verbundenen Expansionsmaschine 36 handelt es sich um einen Gasexpansionsmotor in Form einer Kolbenmaschine mit einer

Mehrzahl von Zylindern und Kolben. Zur Regelung der Drehzahl der Expansionsmaschine 36 ist im ersten Leitungsabschnitt 38 ein als Drehzahlregler 52 in Form einer verstellbaren Drossel angeordnet, mit dem sich die aus dem Steigrohr 34 zur

Expansionsmaschine 36 zugeführte Strömungsmenge des

Arbeitsmediums durch Drosselung verstellen lässt.

Der Wärmetauscher 42 ist durch einen ersten Leitungsabschnitt 54 einer Bypassleitung 56 mit einem Speicher 58 verbunden, in den ein Teil des Arbeitsmediums aus dem Wärmetauscher 42 zur Zwischenspeicherung zugeführt werden kann, um das gespeicherte Arbeitsmedium bei Bedarf durch einen zweiten und dritten

Leitungsabschnitt 60, 62 der Bypassleitung 56 sowie einen dazwischen angeordneten zweiten Wärmetauscher 64 unter Umgehung des Rohrstrangs 30 vor dem Drehzahlregler 52 in den ersten Leitungsabschnitt 38 der Umwälzleitung 40 zuzuführen.

Der im Betrieb der Anlage vom Generator 50 erzeugte elektrische Strom wird über einen Transformator 66 in ein Hochspannungsnetz eingespeist. Aus dem Wärmetauscher 42 und dem Wärmespeicher 58 kann überschüssige Wärme an ein Fernwärmenetz 68 abgeführt werden .

In der Regel wird der Kreislauf 14 eine Mehrzahl von

Bohrlöchern 12 und eine Mehrzahl von Expansionsmaschinen 36 umfassen, die jeweils mit den Steigrohren 34 jedes Rohrstrangs 30 verbunden sind, wie in Fig. 2 und 3 durch mehrere Anschlüsse 70 am oberen Ende des Steigrohrs 34 angedeutet. Eine der

Expansionsmaschinen 36 wird für den Fall einer Revision oder einer Störung in Reserve gehalten.

Wie am besten in Fig. 2 dargestellt, besteht der Rohrstrang 30 im Bohrloch 12 aus dem zentralen zylindrischen Fallrohr 32, durch das kaltes flüssiges Arbeitsmedium vom Bohrlochkopf 18 nach unten zum Bohrlochfuß 16 geleitet wird, sowie dem das

Fallrohr 32 umgebenden zylindrischen Steigrohr 34, durch das erwärmtes und verdampftes Arbeitsmedium wieder nach oben zum Bohrlochkopf 18 geleitet wird. Sowohl das Steigrohr 34 und das Fallrohr 32 bestehen jeweils aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Rohrstücke (nicht dargestellt) mit einer Länge von etwa 9 m, die gasdicht mit benachbarten Rohrstücken verschraubt sind. Zwischen dem äußeren Umfang des Steigrohrs 34 und dem inneren Umfang der Verrohrung 20 bleibt ein Ringspalt 72 frei, der mit Sensoren (nicht dargestellt) überwacht werden kann, um innerhalb des Ringspalts 72 einen eventuellen leckagebedingten Austritt von Arbeitsmedium erfassen zu können. Zur Zentrierung des Rohrstrangs 30 im Bohrloch 12 kann das Steigrohr 34 mit überstehenden Abstandhaltern (nicht dargestellt) versehen werden, die vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen

Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit bestehen.

Alternativ oder zusätzlich können auch in die Verrohrung 20

Abstandhalter (nicht dargestellt) eingebracht werden, die sich vorzugsweise im Bereich der Querschnittsverengungen auf den nach oben weisenden Ringschultern der Rohrtouren 24, 26, 28 abstützen.

Um die Hakenlast beim Absenken des Rohrstrangs 30 so gering wie möglich zu halten, werden die Rohrstücke des Steigrohrs 34 und des Fallrohrs 32 aus einer Leichtmetalllegierung hergestellt, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung mit einer relativ hohen Zugfestigkeit, wie Duraluminium, das eine Zugfestigkeit zwischen 180 und 450 N/mm ² besitzt. Zur Erleichterung der

Montage sind die Rohrstücke des Steigrohrs 34 und des Fallrohrs 32 in Richtung der Längsachse des Bohrlochs 12 um ihre halbe Länge gegeneinander versetzt. Zur Montage des Rohrstrangs 30 werden die Rohrstücke ähnlich wie beim Drehbohren mit einer Spannzange ergriffen und jeweils ihr unteres Ende mit dem oberen Ende des bereits montierten Steigrohrs 34 bzw. Fallrohrs 32 verschraubt, bevor der Rohrstrang 30 durch Abwärtsbewegen der Spannzange erneut um die halbe Länge eines Rohrstücks in das fertig verrohrte Bohrloch 12 abgesenkt werden kann, um dann in derselben Weise das nächste Rohrstück zu montieren.

Das Fallrohr 32 ist über seine gesamte Länge als doppelwandiges Wärmeisolierrohr ausgebildet, das einen unter einem Vakuum stehenden Innenraum 74 umschließt, wie am besten in den Figuren 4 bis 9 dargestellt. Auf diese Weise wird für eine gute

Wärmeisolierung zwischen dem im Fallrohr 32 nach unten

strömenden kalten Arbeitsmedium und dem im Steigrohr 34 nach oben strömenden erwärmten Arbeitsmedium gesorgt, so dass sich die Temperatur des Arbeitsmediums im Fallrohr 32 zwischen dem Bohrlochkopf 18 und dem Bohrlochfuß 16 nicht wesentlich erhöht. Ggf. können im Inneren des Fallrohrs 32 Einbauten vorgesehen werden, um für eine kontrollierte Abwärtsströmung des flüssigen Arbeitsmediums zu sorgen, wie zum Beispiel eine Wendel oder dergleichen. Das Steigrohr 34 umfasst einen massiven unteren Rohrabschnitt 76 mit einer Länge von etwa 600 m (in Fig. 2 und 8 durch eine Kreuzschraffür dargestellt) , der sich vom Bohrlochfuß 16 aus nach oben erstreckt und wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit der Leichtmetalllegierung für einen guten Wärmeübergang von dem umgebenden Gestein oder Erdreich in das Arbeitsmedium im

Steigrohr 34 sorgt, sowie einen oberen Rohrabschnitt 78, der sich vom oberen Ende des massiven Rohrabschnitts 76 nach oben zu bis zum Bohrlochkopf 18 erstreckt, wobei der Rohrabschnitt 78 wie das Fallrohr 32 als doppelwandiges Wärmeisolierrohr ausgebildet ist und einen unter einem Vakuum stehenden

Innenraum 74 umschließt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich das im unteren Rohrabschnitt 76 erwärmte Arbeitsmedium auf seinem Weg nach oben durch den oberen

Rohrabschnitt 78 infolge der nach oben zu abnehmenden

Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs wieder abkühlt .

Sowohl bei dem doppelwandigen Fallrohr 32 als auch bei dem doppelwandigen oberen Rohrabschnitt 78 des Steigrohrs 34 sind die dem Innenraum zugewandten Oberflächen der beiden Wände verspiegelt, um für eine weitere Reduzierung des

Wärmeübergangskoeffizienten zu sorgen. Darüber hinaus können die innere und die äußere Umfangsfläche des Fallrohrs 32 und die innere Umfangsfläche des Steigrohrs 34 mit einer Beschichtung (nicht dargestellt) aus Teflon oder dergleichen versehen sein, mit der sich die Reibung des

Arbeitmediums beim Hindurchtritt durch das Fallrohr 32 bzw. das Steigrohr 34 vermindern lässt. Die äußere Umfangsfläche des

Steigrohrs 34 kann mit einer Beschichtung (nicht dargestellt) versehen sein, um eine eventuelle Korrosion des Steigrohrs 34 von der Seite des Ringspalts 72 her zu verhindern. Das unterste Rohrstück des Steigrohrs 34 ist nach unten zu durch ein tellerförmiges Fußstück 80 (Fig. 2) mit einer Höhe von etwa 50 mm gasdicht verschlossen. Um das Einführen des Rohrstrangs 30 in das verrohrte Bohrloch 12 zu erleichtern, weist das Fußstück 80 am Übergang zwischen seinem verstärkten ebenen Boden und seiner zylindrischen Umfangsflache eine

Abschrägung oder Fase auf. Das verstärkte Fußstück 80 dient dazu, eine Beschädigung des Rohrstrangs 30 beim Ablassen in das Bohrloch 12 bzw. beim Aufsetzen auf den Bohrlochfuß 16 zu verhindern.

Das unterste Rohrstück des Fallrohrs 32 ist mit dem Fußstück 80 des Steigrohrs 34 verschweißt und enthält unmittelbar oberhalb vom Fußstück zwei Reihen von beabstandeten und gegeneinander versetzten strömungsoptimierten Ausströmöffnungen 82, die am unteren Ende des Fallrohrs 32 übereinander angeordnet sind. Die Öffnungen 82, durch die das Arbeitsmedium aus dem Fallrohr 32 in das Steigrohr 34 austreten kann, weisen gemeinsam einen definierten Strömungsquerschnitt auf, der genau dem

Innenquerschnitt des Fallrohrs 32 entspricht.

Der untere Teil des verrohrten Bohrlochs 12 wird vor dem

Absenken des Rohrstrangs 30 mit einer Flüssigkeit gefüllt, um während des Absenkens des Rohrstrangs 30 die Hakenlast zu verringern, sobald das untere Ende des Rohrstrangs 30 in die Flüssigkeit eintaucht und dadurch Auftriebskräfte auf den

Rohrstrang 30 einwirken. Bei der Flüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität besitzt, um den Wärmeübergang aus dem umgebenden Gestein oder Erdreichs durch den Ringspalt 72 in das Steigrohr 34 zu verbessern.

Bevorzugt wird eine Flüssigkeit gewählt, deren Siedepunkt bei dem im Ringspalt 72 herrschenden hydrostatischen Druck über der Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs liegt, d.h. am unteren Ende des Bohrlochs über etwa 115°C, so dass es nicht zu einer Verdampfung der Flüssigkeit kommt. An Stelle der

Flüssigkeit kann auch eine fließfähige Wärmeleitpaste verwendet werden, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Bei dem im Kreislauf 14 zirkulierenden Arbeitsmedium handelt es sich um einen als Kältemittel für eine Kälteanlage geeigneten teilfluorierten Kohlenwasserstoff, vorzugsweise 1,1,1,3,3- Pentafluorpropan (CHF ₂ CH ₂ CF ₃ ) mit einer Siedetemperatur von etwa 15°C bei Umgebungsdruck und einer Flüssigkeitsdichte von 207 kg/m ³ , das auch als R245fa bezeichnet wird. Das Arbeitsmedium wird in flüssiger Form bei Umgebungsdruck und einer Temperatur von etwa 5°C in das obere Ende des Fallrohrs 32 zugeführt, so dass es im Fallrohr 32 nach unten strömt. Wenn das Fallrohr 32 ganz mit dem Arbeitsmedium gefüllt ist, bleibt die Temperatur desselben wegen der Wärmeisolierung des Fallrohrs 32 durch das Vakuum im Innenraum 74 bis zum unteren Ende des Fallrohrs 32 nahezu konstant, während sein Druck infolge der Zunahme des hydrostatischen Drucks des flüssigen Arbeitsmediums im Fallrohr 32 ansteigt. Dabei bleibt das Arbeitsmedium jedoch flüssig.

Um den hydrostatischen Druck des flüssigen Arbeitsmediums am unteren Ende des Fallrohrs zu verringern, kann das Fallrohr 32 nur in seinem unteren Teil mit flüssigem Arbeitsmedium gefüllt werden, zum Beispiel bis zu einer Höhe von 600 m, entsprechend der Höhe des unteren Abschnitts des Steigrohrs. In diesem Fall besitzt der darüber befindliche obere Teil des Fallrohrs 32 , einen größeren Durchmesser, so dass sich das am Bohrlochkopf 18 in das Fallrohr 32 zugeführte flüssige Arbeitsmedium im freien Fall durch diesen oberen Abschnitt bewegt und/oder an den

Wänden des Fallrohrs entlang nach unten strömt. Dadurch kann die Menge des zirkulierenden Arbeitsmediums im Kreislauf 14 verringert werden, edoch wird sich auf der anderen Seite das Arbeitsmedium beim Hindurchtritt durch den oberen Abschnitt und beim Aufprall auf die Flüssigkeitssäule im unteren Abschnitt infolge von Reibung und Umwandlung von kinetische Energie in Wärme etwas erwärmen, so dass die Temperatur des Arbeitsmediums bei der Zufuhr in das Fallrohr 32 um ein dem Maß der Erwärmung entsprechendes Maß abgesenkt werden sollte, um ein Verdampfen von Arbeitsmedium im Inneren des Fallrohr zu vermeiden.

Wenn das flüssige Arbeitsmedium durch die Ausströmöffnungen 82 in das Steigrohr 34 strömt, in dem infolge der zuvor genannten Temperatur des umgebenden Gesteins oder Erdreichs von etwa

115°C eine Temperatur von etwa 100°C herrscht, kommt es hinter den Ausströmöffnungen 82 zu einer schnellen Erwärmung des

Arbeitsmediums, während dieses durch den unteren Rohrabschnitt 76 des Steigrohrs 34 strömt, der nicht als Wärmeisolierrohr ausgebildet ist. Dabei erwärmt sich das Arbeitsmedium bis zum Erreichen des oberen Endes des unteren Rohrabschnitts 76 auf eine Temperatur von etwa 100 °C. Diese Temperaturerhöhung führt zum Verdampfen des Arbeitsmediums, wodurch sich dessen Volumen stark vergrößert, während zugleich das spezifische Gewicht stark abnimmt.

Aufgrund der Verdampfung des Arbeitsmediums sinkt der Druck am unteren Ende des Steigrohrs 34 verglichen mit dem Druck am unteren Ende des Fallrohrs 32 ab, so dass von selbst weiteres flüssiges Arbeitsmedium durch die Ausströmöffnungen 82 in das Steigrohr 34 nachströmt. Dadurch wird erreicht, dass das

Arbeitsmediums nicht durch den Rohrstrang 30 bzw. den Kreislauf 14 gepumpt werden braucht, sondern durch eine Art Thermosyphon- Effekt von selbst durch den Kreislauf 14 strömt.

Der Druck, der sich im unteren Rohrabschnitt 76 des Steigrohrs 34 einstellt, wird zum einen durch den hydrostatischen Druck des dampfförmigen Kältemittels im Steigrohr 34 und zum anderen durch den gewünschten Dampfdruck des Arbeitsmediums vor der Expansionsmaschine 36 bestimmt. Wegen der starken Abnahme des spezifischen Gewichts des Kältemittels bei der Verdampfung ist der hydrostatische Druck des verdampften Arbeitsmediums im Steigrohr erheblich kleiner als der hydrostatische Druck des flüssigen Arbeitsmediums am unteren Ende des Fallrohrs 32, so dass das Arbeitsmedium der Expansionsmaschine unter einem beträchtlichen Druck zugeführt werden kann, ohne die

selbsttätige Strömung des Arbeitsmediums durch den Rohrstrang 30 bzw. durch den Kreislauf 14 zu unterbrechen.

Da das Fallrohr 32 und der obere Rohrabschnitt 78 des

Steigrohrs 34 als Wärmeisolierrohre ausgebildet sind, kühlt sich das Arbeitsmedium innerhalb des Steigrohrs 34 bis zum Bohrlochkopf 18 nur wenig ab, so dass seine Temperatur dort noch nahezu 100°C oder mehr beträgt. Nach dem Austritt aus dem Steigrohr 34 wird das unter Druck stehende dampfförmige

Arbeitsmedium durch den ersten Leitungsabschnitt 38 und den Drehzahlregler 52 in die Expansionsmaschine 36 zugeführt, um dort mechanische Arbeit zu verrichten und den Generator 50 anzutreiben.

Wie bereits ausgeführt wurde, handelt es sich bei der

Expansionsmaschine 36 um einen Gasexpansionsmotor mit einer Mehrzahl von Zylindern und Kolben, wobei jeder Zylinder

mindestens ein Ein- und Auslassventil besitzt, das durch eine elektronische Ventilsteuerung gesteuert wird. Mit Hilfe des Drehzahlreglers 52 kann der Gasexpansionsmotor bei oder nahe der Nenndrehzahl betrieben werden, wo er einen maximalen

Wirkungsgrad besitzt.

Um das unter Druck stehende heiße Arbeitsmedium in einen der Zylinder des Gasexpansionsmotors 36 zuzuführen, wird dessen Einlassventil von der Ventilsteuerung kurzzeitig geöffnet, wenn sich der Kolben innerhalb des Zylinders etwa 10 Grad unter dem oberen Totpunkt befindet. Nach dem Schließen des Einlassventils expandiert das im Zylinder eingeschlossene dampfförmige

Arbeitsmedium und verschiebt dabei den Kolben im Zylinder nach unten, wodurch der Generator 50 vom Gasexpansionsmotor 36

angetrieben wird.

Bei der Expansion des Arbeitsmediums im Zylinder wird dieses auf einen geringeren Druck entspannt, wobei es sich abkühlt. Nach dem Austritt aus dem Gasexpansionsmotor 36 wird das noch dampfförmige Arbeitsmedium durch den zweiten Leitungsabschnitt 44 in den ersten Wärmetauscher 42 zugeführt, wo es durch

Wärmetausch mit einem kalten Wärmetauschermedium, vorzugsweise kaltem Wasser, abgekühlt, und dann im Kondensator 47 wieder' verflüssigt wird. Durch die Abkühlung und die Verflüssigung des Arbeitsmediums sinkt dessen Druck weiter ab. Das verflüssigte Arbeitsmedium kann dann durch den dritten Leitungsabschnitt 46 zum Bohrlochkopf 18 geleitet und dort in das Fallrohr 32

zugeführt werden, um es im Fallrohr 32 erneut nach unten zu leiten. Das im Wärmetauscher 42 erwärmte Wärmetauschermedium kann für eine Nutzung als Fernwärme in das Fernwärmenetz 68 eingespeist werden.

Da sich der Gasexpansionsmotor 36 infolge der Expansion des Arbeitsmediums in den Zylindern abkühlt, kann ein Teil der erwärmten flüssigen Wärmetauschermediums in einem separaten Heizkreislauf (nicht dargestellt) zum Gasexpansionsmotor 36 zurück geleitet werden, um diesen zur Vermeidung von Eisbildung zu erwärmen . Alternativ kann das Arbeitsmedium in den Speicher 58 zugeführt werden, aus dem es bei Bedarf in den zweiten Wärmetauscher 64 geleitet werden kann. Das flüssige Arbeitsmedium kann dort durch Wärmetausch mit einem heißen Wärmetauschermedium, wie vorzugsweise Wasserdampf, erhitzt werden, um es zu verdampfen und auf eine Temperatur von etwa 100° und einen gewünschten Druck zu bringen, so dass es an Stelle des heißen unter Druck stehenden Arbeitsmediums aus dem Steigrohr 34 oder zusätzlich zu diesem vor dem Drehzahlregler 52 in den Kreislauf 14 vor der Expansionsmaschine 36 eingespeist werden kann.

Die Tiefe, bis zu der das Bohrloch 12 niedergebracht wird, hängt nicht nur von der geothermischen Tiefenstufe am Ort des Bohrlochs 12, sondern auch noch vom verwendeten Arbeitsmedium bzw. von dessen Siedepunkt sowie vom spezifischen Gewicht des flüssigen und dampfförmigen Arbeitsmediums ab. Wesentlich ist, dass die Temperatur des Gesteins oder Erdreichs am unteren Ende des Fallrohrs 32 ausreichend hoch ist, um das Arbeitsmedium schnell zu verdampfen. Dies bedeutet, dass das Bohrloch 12 bei derselben geothermischen Tiefenstufe eine geringere Tiefe aufweisen kann, wenn an Stelle von 1 , 1 , 1 , 3 , 3-Pentafluorpropan (CHF ₂ CH ₂ CF ₃ ) ein anderes Kältemittel oder ein Gemisch von

Kältemitteln mit einem niedrigeren Siedepunkt verwendet wird. Jedoch sollte der Siedepunkt bei Umgebungsdruck nicht zu niedrig sein, um die zur Abkühlung und Verflüssigung notwendige Energie zu begrenzen.

Um zu vermeiden, dass sich bei der Erstbefüllung des Kreislaufs 14 mit dem Arbeitsmedium die zuvor im Kreislauf 14 befindliche Luft mit dem Arbeitsmedium vermischt, wird der Kreislauf 14 vor der Erstbefüllung evakuiert. Dadurch kann eine unerwünschte Veränderung des Siedepunkts des Arbeitsmediums verhindert werden . Anders als bei der zuvor beschriebenen Anlage 10 sind bei der in Fig. 10 dargestellte Anlage 10 die Expansionsmaschine 36 und der Drehzahlregler 52 nicht in dem Kreislauf 14, sondern in einem separaten zweiten Kreislauf 84 enthalten, der von einem anderen zweiten Arbeitsmedium durchströmt wird. Bei diesem zweiten Arbeitsmedium handelt es sich vorzugsweise um ein

Kältemittel, das bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck einen niedrigeren Siedpunkt als das Kältemittel im Kreislauf 14 besitz, zum Beispiel 1 , 1 , 1 , 2-Tetrafluorethan (CH ₂ FCF ₃ ) mit einer Siedetemperatur von etwa - 25°C bei Umgebungsdruck, das auch als Rl34a bezeichnet wird.

Der Kreislauf 14 umfasst an Stelle der Expansionsmaschine 36 einen Wärmetauscher 86, der durch den ersten Leitungsabschnitt 38 der Umwälzleitung 40 mit dem Steigrohr 34 und durch den zweiten Leitungsabschnitt 44 der Umwälzleitung 40 mit dem

Wärmetauscher 42 verbunden ist. Der zweite Kreislauf 84 umfasst eine Umwälzleitung 88, die vom Ausgang der Expansionsmaschine 36 durch den Wärmetauscher 84, einen Speicher 90 und den

Drehzahlregler 52 zum Eingang der Expansionsmaschine 36 führt, so dass das zweite Arbeitsmedium im Gegenstrom zum ersten

Arbeitsmedium durch den Wärmetauscher 84 strömt.

Der Speicher 58 im ersten Kreislauf 14 ist hier durch den zweiten Leitungsabschnitt 60, den Wärmetauscher 64 und den dritten 62 Leitungsabschnitt der Bypassleitung 56 vor dem

Wärmetauscher 84 mit dem ersten Leitungsabschnitt 38 verbunden.

Aufgrund der kleineren Mengen an Arbeitsmedium im zweiten

Kreislauf 84 gibt es im Fall einer ungewollten Leckage von Arbeitsmedium weniger Probleme.