(19) PL (11) PL/EP 1995457 P L /E P 1995 457 T3

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
(96)
TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO
Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:
08.05.2008 08008645.7
(97)
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej
Polskiej
(19)
PL
(11)
PL/EP 1995457
(13)
T3
(51)
Int. Cl.
F03G7/04
(2006.01)
O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono:
12.08.2009 Europejski Biuletyn Patentowy 2009/33
EP 1995457 B1
(54) Tytuł wynalazku:
Proces do wykorzystywania energii geotermalnej
(30) Pierwszeństwo:
EE20070000065U
23.05.2007
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
26.11.2008 Europejski Biuletyn Patentowy 2008/48
(45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:
29.01.2010 Wiadomości Urzędu Patentowego 01/2010
(73) Uprawniony z patentu:
T3
Kudrin Nikolai, Tallinn, EE
(72) Twórca (y) wynalazku:
PL/EP 1995457
Kudrin Nikolai, Tallinn, EE
(74) Pełnomocnik:
Przedsiębiorstwo Rzeczników Patentowych Patpol Sp. z o.o.
rzecz. pat. Bury Lech
02-770 Warszawa 130
skr. poczt. 37
Uwaga:
W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw
dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą
wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
EP 1 995 457 B1
V3083PL00/LB
Opis
Proces do wykorzystywania energii geotermalnej
Dziedzina techniki
5
[0001] Wynalazek ten dotyczy energetyki, a bardziej szczegółowo wynalazek ten dotyczy procesu do
wykorzystywania energii geotermalnej warstw granitowych i bazaltowych litosfery ziemskiej, do
przemysłowego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła.
Tło wynalazku
[0002] Wnętrze Ziemi zawiera skorupę, płaszcz i jądro. Skorupa ma różną grubość, a mianowicie
10
grubość 35 - 90 km pod kontynentami oraz 10 - 15 km pod oceanem. Skorupa stanowi warstwę zewnętrzną,
a informacje dotyczące skorupy można uzyskiwać bezpośrednio z odwiertów wykonywanych na głębokość 2
do 13 km. Grubość skorupy była określana metodami sejsmicznymi. Skorupa kontynentalna zawiera kilka
warstw, przy czym górna warstwa jest złożona z piaskowca, gliny, wapienia oraz innych skał osadowych.
Pod górną warstwą występuje gruba warstwa, która zawiera głównie skały metamorficzne i granit, a poza
15
tym występuje warstwa bazaltowa usytuowana pod nimi. Następną warstwę pod skorupą stanowi płaszcz,
który ma około 2900 km grubości, przy czym jest jeszcze jedna strefa wewnątrz płaszcza, 100 do 1000 razy
bardziej plastyczna niż warstwa dolna i górna. Jest to warstwa półpłynna znana jako astenosfera, co
oznacza „słabą warstwę”. Warstwa znajdująca się powyżej astenosfery jest określana jako litosfera. Płyty
tektoniczne litosfery wyznaczają strukturę skorupy. Powolne przemieszczanie się mas odbywa się w
20
płaszczu, ogrzewany materiał unosi się, a materiał schłodzony osiada. Masy płaszcza pociągają płyty
tektoniczne litosfery w tym nieustannym ruchu. Temperatura wewnątrz Ziemi podnosi się do 5000 - 6000°C,
co jest powodowane przez rozpad radioaktywny pierwiastków, skutkiem czego wydzielane jest ciepło i może
ono zostać wykorzystane na przykład w elektrowniach zasilanych ciepłem Ziemi.
[0003] W dokumencie US 2006/0026961 (twórca Lucien Y. Bronicki, publikacja z 09 lutego 2006 r.)
25
opisuje się sposób oraz urządzenie do wykorzystywania energii geotermalnej, celem wytwarzania energii
elektrycznej, W sposobie tym wykorzystuje się nośnik ciepła, celem poprawienia przepływu (woda i/lub para
i/lub ich mieszaniny), a także co najmniej jeden kanał wlotowy i co najmniej jeden kanał wylotowy. Sposób
według wynalazku zawiera następujące etapy: zapewnianie pierwszego poziomego kanału geotermalnego,
który jest wykorzystywany jako kanał wlotowy oraz zapewnianie drugiego poziomego kanału geotermalnego,
30
który jest wykorzystywany jako kanał wylotowy, przy czym wymieniony drugi poziomy kanał jest usytuowany
wyżej niż wymieniony pierwszy kanał poziomy. Różnica gęstości wody oraz różnica ciśnień są generowane
na skutek różnicy wysokości pomiędzy wymienionymi dwoma kanałami poziomymi. Urządzenie jest
wykorzystywane do poprawiania przepływu w kanale oraz zapewnia środki do wytwarzania różnicy ciśnień
pomiędzy wymienionym pierwszym kanałem poziomym a wymienionym drugim kanałem poziomym oraz
35
wykorzystywania różnicy gęstości wody wywołanej różnicą temperatur. Wymieniony pierwszy kanał poziomy
usytuowany głębiej ma wlot, do którego wtryskiwana jest woda, a następnie woda przepływa przez warstwę
geotermalną, gdzie został wywiercony kanał, a wymieniony drugi płytszy kanał ma wylot, przez który woda
ogrzana w warstwie geotermalnej jest doprowadzana na powierzchnię. Ogrzewanie nośnika ciepła następuje
na skutek różnicy ciśnień oraz jego własnej siły wyporu. W technologii stosowanej obecnie w przemyśle dwa
40
poziome kanały zostają wywiercone równolegle względem siebie w warstwie bitumicznej na głębokości
wynoszącej 300 - 400 m. Para jest wtryskiwana do osadu bitumicznego z górnego kanału, gdzie ulega ona
kondensacji i ogrzewa olej. Olej przemieszcza się stopniowo do dolnego kanału, gdzie jest zbierany i
1
EP 1 995 457 B1
V3083PL00/LB
dostarczany na powierzchnię pod ciśnieniem. Kanały poziome są usytuowane w pobliżu powierzchni Ziemi,
a aparat działa jak pompa ciepła o wysokim poborze energii.
[0004] Brockhaus Encyclopedia (Mannheim, 1989) ujawnia sposób wykorzystywania naturalnej
energii cieplnej w geotermalnej elektrowni. Temperatura skorupy ziemskiej stopniowo wzrasta wraz ze
5
wzrostem głębokości, a jeżeli odwiert jest dostatecznie głęboki (w przybliżeniu 2000 m), będzie dawał
możliwość generowania gorących oparów wodnych, które mogą być wykorzystywane w elektrowni
geotermalnej. Znany jest tak zwany proces Hot-Dry-Rock (gorących skał suchych) służący do
wykorzystywania energii cieplnej Ziemi. W celu wykorzystania energii gorących skał suchych usytuowanych
na dużej głębokości, niezbędne jest wywiercenie dwóch pionowych odwiertów w tych gorących suchych
10
skałach w pewnej odległości od siebie. Stwarza to sztuczny zbiornik poprzez spękania w skałach, a woda
pompowana jest do pierwszego odwiertu mającego pęknięcia na skutek wiercenia, a następnie przegrzana
woda lub opary wodne unoszą się poprzez drugi odwiert do powierzchni Ziemi. Proces ten wymaga
wywiercenia dwóch odwiertów, celem sztucznego poszerzenia spękań skał. Dostateczna ilość gorących skał
suchych musi znajdować się pod ziemią, celem ogrzania nośnika ciepła.
15
[0005] W dokumencie US 5911684 (twórca James H Shnell, publikacja z 15 czerwca 1999 r.) opisuje
się układ do geotermalnego wytwarzania elektryczności, w którym jedną lub więcej substancji transportuje
się w dół odwiertem na głębokość, na której geotermalne ciepło (czy to ze zbiorników solanki czy pary lub
też z suchej skały lub magmy) jest dostateczne, aby powodować zachodzenie reakcji endotermicznej takich
substancji. Produkty reakcji zostają następnie przetransportowane oddzielnie na powierzchnię, gdzie te
20
produkty poddawane są reakcji odwrotnej, a energia pochodząca z reakcji egzotermicznej jest
przekształcana w energię elektryczną. Odwodornienie etanolu do uzyskania wodoru i tlenku etylenu C2H5OH
→ H2 + C2H4O wykorzystuje się jako reakcję endotermiczną. Pallad i miedź są skutecznymi katalizatorami tej
reakcji. Odpowiednią reakcję egzotermiczną, dostarczającą energię na zewnątrz odwiertu stanowi
uwodornienie tlenku etylenu do etanolu H2 + C2H4O → C2H5OH w mechanizmie generatora. Etanol jest
25
kondensowany na wylocie z mechanizmu generatora i ostatecznie zawracany w dół odwiertem dla potrzeb
kolejnego cyklu. Proces ten wymaga wywiercenia pionowego odwiertu oraz wykorzystywania reakcji
endotermicznych i egzotermicznych, które są wysokonakładowe.
[0006] W dokumencie US 5253926 (twórca Werner Foppe, publikacja z 19 października 1993 r.,
patent opublikowano 27 października 1996 r. jako RU 2068530) ujawnia się proces ogólnego wykorzystania
30
ciepła Ziemi oraz pozyskiwania minerałów w strefie słabej (na głębokości wynoszącej 13 - 30 km).
Pozyskiwanie ciepła z gorących suchych skał litosfery odbywa się poprzez wywiercenie dwóch pionowych i
w przybliżeniu równoległych odwiertów w głębokiej strefie kontynentalnej litosfery, na głębokość wynoszącą
pomiędzy 13 a 30 kilometrów, w których siła ścinająca skały gwałtownie zmniejsza się na skutek
występowania nadkładu powstałego na skutek ciśnienia hydrostatycznego. Te pionowe i równoległe odwierty
35
zostają wyłożone wytrzymałymi rurami, a ciśnienie podnosi się w sposób sztuczny poprzez pompowanie do
wewnątrz wody. Zimna woda jest pompowana z powierzchni do pierwszego odwiertu, a jej ciśnienie jest
dostateczne, aby powodować efekt hydraulicznego pękania (hydrowreck, czyli kruszenia wodą) celem
uzyskania wielu spękanych stref ogrzewania, przy czym pompowana zimna woda jest ogrzewana
geotermicznie przez ciepło spękanych gorących skał oraz jest prowadzona za pośrednictwem drugiego
40
odwiertu, usytuowanego w pewnej odległości od pierwszego, na powierzchnię, gdzie wykorzystane zostaje
odebrane ciepło lub uzyskuje się minerały z tej wody. Proces ten wymaga wiercenia pionowych odwiertów
2
EP 1 995 457 B1
V3083PL00/LB
na głębokość wynoszącą w przybliżeniu 15 do 30 km, lecz wytwarzanie oraz uzbrajanie wewnętrzne tych
odwiertów jest związane z problemami technicznymi i ma wysoki koszt.
Ujawnienie wynalazku
[0007] Wnętrze Ziemi zawiera skorupę, płaszcz oraz jądro, przy czym temperatura jądra może
5
osiągać wartości powyżej 6000 °C. Jądro jest okryte płaszczem, który ma temperaturę wynoszącą powyżej
1000 °C. Skorupa oraz część płaszcza tworzą litosferę, która ma grubość 70 km. Rozwój współczesnej
techniki umożliwia pozyskiwanie jedynie ciepła z litosfery. Temperatura wnętrza Ziemi wzrasta o 20 °C na
każdym kilometrze głębokości, a zatem temperatura litosfery na głębokości 20 km wynosi 400 °C.
Wykorzystanie przemysłowe ciepła Ziemi wymaga wykonania szybów o głębokości 20 do 30 km, lecz takie
10
szyby jeszcze nie powstały.
[0008] Przedmiotowy wynalazek dotyczy procesu do wykorzystywania energii geotermalnej, w ramach
którego buduje się co najmniej dwa równoległe podziemne tunele geotermalne pomiędzy dwiema
naziemnymi siłowniami elektrycznymi, dzięki czemu tworzy się układ cyklu zamkniętego. Zimny nośnik ciepła
jest wtryskiwany do tych tuneli z pierwszej siłowni. Przechodząc przez tunel geotermalny, ten zimny nośnik
15
ciepła ulega ogrzaniu i przemieszcza się tunelem do drugiej siłowni, gdzie energia geotermalna jest
przetwarzana w energię elektryczną. Nośnik ciepła stygnie podczas przetwarzania energii i już schłodzony
nośnik ciepła jest wtryskiwany na powrót do obiegu, to jest do tunelu geotermalnego, gdzie ten schłodzony
nośnik ciepła jest ogrzewany i kierowany na powrót do pierwszej siłowni. W ten sposób odbywa się ciągły
proces gromadzenia i uwalniania energii. Przedmiotowy sposób jest realizowany za pośrednictwem tunelu
20
geotermalnego. Celem skonstruowania tunelu geotermalnego w litosferze na głębokości 20 km, procedura
powinna być następująca: w oparciu o wcześniejsze doświadczenia, wykonanie pionowych tuneli na
głębokość do 15 km jest dość trudne i łatwiej jest wykonać tunel poziomy w litosferze. Wykonanie
podziemnego tunelu geotermalnego rozpoczyna się od gruntu pod pewnym kątem nachylenia α, przy czym
to nachylenie stopniowo maleje, jeżeli tunel schodzi głębiej, a kąt nachylenia wyniesie zero, gdy tunel dotrze
25
do skał bazaltowych. Tunel jest poziomy na pewnej odległości w litosferze, a następnie tunel zaczyna
stopniowo podnosić się, przy czym kąt nachylenia rośnie od 0 do stopnia α. Całkowitą długość tunelu
stanowi 1 = 11 + 12 + 13, gdzie 12 = 13 i te sekcje tunelu są nachylone, przy czym kąt nachylenia jest
zmienny, a sekcja 12 stanowi poziomy element tunelu. Maksymalna głębokość hmax od powierzchni jest
wartością znaną. Jeżeli kąt nachylenia wynosi 30 stopni, wtedy hmax = 11 x sin 30°, a stąd długość
30
pojedynczej sekcji nachylonej wynosi 11 = 2hmax, przy czym całkowita długość tunelu wynosi 1 > 4hmax. Dla
potrzeb skonstruowania takiego tunelu, można wykorzystać dostępne technologie wiercenia głębokiego oraz
konstruowania tunelu podziemnego, przy czym tunel o głębokości 15 do 30 km jest konstruowany w bazalcie
w temperaturze wynoszącej 400 °C z wykorzystaniem technik automatycznych.
Krótki opis rysunków
35
[0009]
Fig. 1 ilustruje w sposób schematyczny tunel geotermalny;
Figury 2 do 4 ilustrują możliwe różne lokalizacje siłowni elektrycznych.
Szczegółowy opis
[0010] Przedmiotowy wynalazek jest realizowany z wykorzystaniem tuneli geotermalnych, gdzie
40
całkowita długość tunelu powinna wynosić I > 4hmax, co w przypadku hmax = 20 km daje ponad 80 km.
Wykonanie tuneli 3, 4 (Fig. 1) pomiędzy siłowniami elektrycznymi 1 oraz 2 rozpoczyna się od poziomu gruntu
pod kątem nachylenia α = 30 stopni i przy przechodzeniu przez sekcję 11 ten kąt nachylenia stopniowo
3
EP 1 995 457 B1
V3083PL00/LB
maleje do zera. Gdy tunel dociera do litosfery na głębokości hmax = 20 km, jest on poziomy na długości sekcji
12, natomiast na długości sekcji 13 tunel zaczyna wznosić się przy kącie nachylenia rosnącym od 0 do 30
stopni.
[0011] Tego rodzaju tunel może zostać wykonany pomiędzy miastami Helsinki oraz Tallin, przy czym oba te
5
miasta mają siłownie elektryczne 1 oraz 2. Te siłownie elektryczne są połączone z dwoma równoległymi
tunelami geotermalnymi 3 oraz 4, skonstruowanymi pod dnem Zatoki Fińskiej na głębokości wynoszącej 20
km, gdzie nośnik ciepła rozgrzewa się do temperatury 400 °C, a także możliwe jest zmodernizowanie tych
siłowni elektrycznych w taki sposób, aby umożliwić wykorzystanie energii geotermalnej. Gaz obojętny
wykorzystuje się jako nośnik ciepła, ponieważ struktura jego cząstek nie jest uzależniona od temperatury.
10
Zimny nośnik ciepła przechodzi przez tunel i jest ogrzewany przez energię geotermalną, przy czym struktura
cząstek nie jest zależna od zmian temperatury. Zimny nośnik ciepła jest wtryskiwany do tuneli od siłowni
elektrycznych. Nośnik ciepła przechodzi przez tunel i jest ogrzewany przez energię geotermalną, ten
ogrzany nośnik ciepła wznosi się do powierzchni do wejścia do siłowni elektrycznej, gdzie ciepło Ziemi jest
przetwarzane w energię elektryczną, przy czym ten nośnik ciepła jest schładzany podczas przetwarzania.
15
Schłodzony nośnik ciepła jest wtryskiwany na powrót do tunelu geotermalnego z siłowni elektrycznej i ten
schłodzony nośnik ciepła jest ogrzewany przechodząc przez tunel geotermalny oraz dociera do wejścia do
siłowni elektrycznej, gdzie ciepło jest przetwarzane w energię elektryczną, nośnik ciepła stygnie i jest
wtryskiwany do obiegu. Celem zaopatrzenia miast L w energię elektryczną z wykorzystaniem energii
geotermalnej, w siłowniach elektrycznych E można wykorzystać usytuowanie oraz połączenie gwiazdowe
20
(Figury 2 oraz 3) albo też wykonać połączenie obiegowe (Fig. 4).
25
Zastrzeżenia patentowe
1.
30
Proces do wykorzystywania energii geotermalnej do wytwarzania energii elektrycznej, realizowany z
wykorzystaniem tuneli geotermalnych (3, 4) połączonych z siłowniami elektrycznymi (1, 2), przy czym te
tunele geotermalne są równoległe i usytuowane na głębokości wynoszącej 15 do 30 km od powierzchni,
a proces obejmuje następujące etapy: wtryskiwanie nośnika ciepła do pierwszego tunelu (3) siłowni
elektrycznych, przy czym nośnik ciepła rozgrzewa się przechodząc przez tunel geotermalny;
przenoszenie ogrzanego nośnika ciepła za pośrednictwem drugiego tunelu geotermalnego (4) do
35
powierzchni do siłowni elektrycznej, gdzie następuje przetwarzanie energii cieplnej w energię
elektryczną, znamienny tym, że celem zrealizowania tego procesu lokalizuje się te tunele geotermalne
(3, 4) pomiędzy przynajmniej dwiema siłowniami elektrycznymi (1, 2) na głębokości od powierzchni
wynoszącej hmax, przy czym całkowita długość tunelu wynosi 1 > 4hmax, przy czym I = I1 + I2 + I3, gdzie I1
= I3 = 2hmax, a na długości sekcji I1 oraz I3 kąt nachylenia tunelu zmienia się od 0 to α stopni, natomiast
40
sekcja I2 tunelu jest pozioma; wtryskuje się zimny nośnik ciepła do tuneli geotermalnych od siłowni
elektrycznych połączonych z tunelami; przeprowadza się przez tunele zimny nośnik ciepła, który
rozgrzewa się, oraz doprowadza się ogrzany nośnik ciepła do siłowni elektrycznych; przetwarza się
4
EP 1 995 457 B1
V3083PL00/LB
energię cieplną w siłowni elektrycznej na energię elektryczną, przy czym następuje schładzanie nośnika
ciepła oraz następujące po tym wtryskiwanie schłodzonego nośnika ciepła do obiegu.
2.
Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt nachylenia tunelu geotermalnego (3, 4) ma wartość
maksymalną wynoszącą 30 stopni.
5
3.
Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się gaz obojętny jako nośnik ciepła.
4.
Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje połączenie więcej niż dwu siłowni elektrycznych
(E) z tunelami, przy czym te siłownie elektryczne zostają połączone w połączeniu gwiazdowym.
5.
Proces według zastrz. 1, znamienny tym, że obejmuje połączenie więcej niż dwu siłowni elektrycznych
(E) z tunelami, przy czym te siłownie elektryczne zostają połączone w połączeniu obiegowym.
5
EP 1 995 457 B1
V3083PL00/LB
5
6