PL 214444 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 214444 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 380840 (22) Data zgłoszenia: 16.10.2006 (51) Int.Cl. F03G 4/00 (2006.01) F03G 4/04 (2006.01) F24J 3/08 (2006.01) (54) Układ wykorzystania energii zasobów niskotemperaturowych, zwłaszcza energii geotermalnej (43) Zgłoszenie ogłoszono: 28.04.2008 BUP 09/08 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.08.2013 WUP 08/13 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (72) Twórca(y) wynalazku: LECH SITNIK, Wrocław, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska
2 PL 214 444 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ wykorzystania energii zasobów niskotemperaturowych, zwłaszcza energii geotermalnej. Energia geotermalna, poza nielicznymi obszarami na Ziemi, jest trudna do odzyskania ze względu na niewysoką temperaturę zasobów. Gęstość energii geotermalnej jest niewielka, ale rośnie w miarę liniowo wraz ze wzrostem odległości od powierzchni Ziemi. Szacuje się, że średni przyrost temperatury litosfery wynosi ok. 30 C na każdy kilometr w kierunku jądra Ziemi. Ponadto energia ta może być odzyskiwana w sposób ciągły w czasie - praktycznie w każdym punkcie na Ziemi, a co za tym idzie również w obszarach, gdzie energia te jest najbardziej potrzebna, czyli w obszarach silnie zurbanizowanych. Oznacza to eliminację konieczności przesyłu energii, a co za tym idzie mniejsze straty wyprodukowanej energii i mniejsze koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Z polskiego opisu patentowego nr 186556 znana jest instalacja do wykorzystywania energii geotermalnej, z wykorzystaniem obiegu wodnego odbywającego się w formacji geologicznej znajdującej się na znacznej głębokości pod powierzchnią ziemi, zawiera przynajmniej jeden odwiert doprowadzający prowadzący z powierzchni ziemi w dół do wspomnianej formacji geologicznej i przynajmniej jeden odwiert odprowadzający służący do odprowadzenia ogrzanej wody ze wspomnianej formacji geologicznej na powierzchnię. Odwierty doprowadzający i odprowadzający są połączone przez wiele odwiertów absorbujących ciepło, które są oddalone od siebie o więcej niż 50 m. Odwierty absorbujące ciepło posiadają całkowitą długość wielu kilometrów, ale stosunkowo niewielką średnicę około 10 cm. Przedstawiony został także sposób projektowania instalacji obejmujący określanie wymiarów odwiertów absorbujących ciepło. Z innego polskiego opisu patentowego nr 186747 znany jest układ podgrzewania wody w instalacji centralnego ogrzewania z wykorzystaniem energii wód geotermalnych, w którym zespół pompy, wspomagającej ciepło wody geotermalnej stanowi zestaw kilku sprężarkowych pomp ciepła, których parowniki jak i odpowiednio skraplacze połączone są szeregowo w gałęziach: wyjściowej bloku wymiennika ciepła i odpowiednio w sieć instalacji centralnego ogrzewania. Przepływy czynników roboczych po stronie parowników i po stronie skraplaczy mają kierunek przeciwny. W sieć elektryczną zasilania sprężarek pomp ciepła włączone są: zespół elektrowni wiatrowych oraz mała hydroelektrownia, zabudowana na gałęzi spływowej z bloku wymiennika ciepła. Z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr 325850 znany jest sposób pozyskiwania energii geotermicznej, który polega na wykonaniu w górotworze dwóch, oddalonych od siebie, głębokich i orurowanych odwiertów, doprowadzonych do tej samej warstwy skały zbiornikowej. Następnie wywołuje się przepływ płynu wgłębnego w obiegu zamkniętym, utworzonym przez połączenie głowic obu odwiertów instalacją napowierzchniową, która zawiera wymiennik ciepła i zespół pompowy. Odwierty wykonuje się jako kierunkowe, o osi wzdłużnej kształtowanej kolejno przez: odcinek pionowy, odcinek łukowy o kącie środkowym 90 oraz przebiegający w warstwie skały zbiornikowej odcinek poziomy znacznej - co najmniej kilkusetmetrowej - długości. W zakresie odcinka łukowego odwierty wykonuje się znanymi technikami odchylania pionowej osi otworu w kierunku poziomym. Urządzenie znane z brytyjskiego opisu patentowego nr GB2302139, ma konfuzor przechodzący w komun, pokryty warstwą absorbującą promieniowanie słoneczne zabezpieczoną warstwą przezroczystą lub półprzezroczystą. Przy dostawie konfuzora usytuowany jest co najmniej jeden wlot powietrza. Powietrze ogrzewane przechodzi do komina, w którym pod wpływem efektów konwekcyjnych przemieszcza się w górę, gdzie zamocowany jest wiatrak lub turbina powietrzna napędzająca generator elektryczny 25 lub podobne urządzenie. Sonda gruntowa umieszczona w otworze znana jest z niemieckiego opisu patentowego nr DE19727493, zawiera pompę ciepła. Jej skraplacz ogrzewa wodę obiegu grzewczego, a jego parownik chłodzi obieg solanki z sondy gruntowej, umieszczonej w odwiercie górotworu. Sonda gruntowa ma centralną rurę otoczoną współosiowo przez symetryczny układ rur przepływowych. Powierzchnia rur przepływowych w przybliżeniu, jest taka sama, jak w przewodzie powrotnym. Rura pokryta jest cieplną izolacją, wykonaną na bazie poliuretanu lub polietylenu, polistyrenu, polichlorku winylu. Podobny kolektor energii geotermalnej znany jest z chińskiego opisu patentowego nr CN1284639. Kolektor energii ma zewnętrzną rurę z warstwą izolacyjną, w którą włożone są koncentrycznie nieco krótsze rury absorbujące energię geotermalną. Rura pochłaniająca energię ziemi ma wlot wody na górnym końcu, a wewnętrzna rura ma ujście wody u górnej, przy czym obie rury tworzą w gruncie pętlę.
PL 214 444 B1 3 Istota układu, według wynalazku polega na tym, że w co najmniej jeden odwiert wprowadzone są dwie koncentryczne, częściowo preizolowane rury, przy czym rura zewnętrzna wypełniona płynem podgrzewanym jest preizolowana na odcinku górnym i nie jest preizolowana na odcinku dolnym, natomiast rura wewnętrzna jest preizolowana zarówno na odcinku górnym i dolnym. Rura zewnętrzna jest zamknięta na obu jej końcach, zaś rura wewnętrzna wypełniona płynem oziębianym jest otwarta u dołu, natomiast u góry jest zamknięta denkiem z otworem, w którym osadzony jest preizolowany przewód odprowadzający płyn oziębiany z górnego wymiennika ciepła usytuowanego na powierzchni ziemi. Z górnego wymiennika ciepła gorące powietrze jest kierowane przewodem do komina. Korzystnie, dolny wymiennik ciepła umieszczony jest w zasobniku gorących wód termalnych. Korzystnie komin stanowi kanał wykonany w górotworze. W wariancie wynalazku, w preizolowanych rurach jest osadzona dolna maszyna termodynamiczna napędzająca drugi generator prądu elektrycznego połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego i/lub pomiędzy górny wymiennik ciepła a zewnętrzną preizolowaną rurę jest włączony pośredni wymiennik ciepła połączony z pośrednią maszyną termodynamiczną napędzającą trzeci generator prądu elektrycznego połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego. Zaletą prezentowanego rozwiązania jest możliwość uzyskiwania energii w sposób nieprzerwany, niezależny od pory dnia czy też pory roku. Dodatkową zaletą nowego rozwiązania jest możliwość uzyskiwania energii użytecznej z energii kinetycznej, potencjalnej oraz ewentualnie cieplnej płynów poruszających się między dolnym i górnym wymiennikiem ciepła, a następnie przekształcenie tej energii w energię mechaniczną i/lub elektryczną oraz cieplną bez konieczności dostarczania energii zewnętrznej. Energia elektryczna uzyskiwana jest bez angażowania jakiegokolwiek paliwa. Nie występuje w związku z tym jakiekolwiek skażenie środowiska naturalnego. Ilość ciepła przekazywana do atmosfery, biorąc pod uwagę procesy naturalne, nie wpływa na warunki termiczne na Ziemi. Dodatkową zaletą stosowania wynalazku jest możliwość uzyskiwania czystej energii bez procesów spalania, a zatem bez emisji dwutlenku węgla oraz składników toksycznych spalin. Najprostszym sposobem realizacji układu według wynalazku jest wykorzystanie różnicy temperatury ciepła geotermalnego czyli ciepła litosfery. Jak wiadomo temperatura litosfery w miarę oddalania się od powierzchni Ziemi rośnie średnio o 30 C na każdy kilometr. Zatem na głębokości ok. 5 kilometrów występuje temperatura ok. 150 C. Różnica temperatury warstw przypowierzchniowych oraz warstw położonych na głębokości 5 km może osiągnąć zatem 120 C. Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym, fig. 1 przedstawia układ wykorzystania energii zasobów niskotemperaturowych, zwłaszcza energii geotermalnej z jednym generatorem, a fig. 2 - układ wykorzystania energii zasobów niskotemperaturowych, zwłaszcza energii geotermalnej z trzema generatorami. P r z y k ł a d 1 ma w odwiert wprowadzone dwie koncentryczne, częściowo preizolowane rury zewnętrzna Z i wewnętrzna W, przy czym rura zewnętrzna Z wypełniona płynem podgrzewanym Pg jest preizolowana na odcinku górnym b i nie jest preizolowana na odcinku dolnym c, natomiast rura wewnętrzna W jest preizolowana zarówno na odcinku górnym b i dolnym c. Rura zewnętrzna Z jest zamknięta na obu jej końcach, zaś rura wewnętrzna W wypełniona płynem oziębianym Pz jest otwarta u dołu, natomiast u góry jest zamknięta denkiem z otworem, w którym osadzony jest preizolowany przewód odprowadzający płyn oziębiany Pz z górnego wymiennika ciepła Gw usytuowanego na powierzchni ziemi. Z górnego wymiennika ciepła Gw gorące powietrze Cp jest kierowane przewodem do komina K, przy czym w przewodzie umieszczona maszyna termodynamiczna M napędzająca pierwszy generator prądu elektrycznego Gpl połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego Op. Dolny wymiennik ciepła Dw umieszczony jest w zasobniku gorących wód termalnych. Układ działa następująco: płyn podgrzewany z dolnego wymiennika ciepła Dw przemieszcza się między preizolowanymi rurami wewnętrzną W i zewnętrzną Z. Do górnego odcinka rury zewnętrznej Z, a następnie preizolowanym przewodem płynu podgrzewanego Pg do osobnego górnego wymiennika ciepła Gw. Tam płyn roboczy ulega schłodzeniu i preizolowanym przewodem płynu oziębianego Pz wprowadzany jest do górnego odcinka rury wewnętrznej W. Rurą wewnętrzną W przemieszcza się do dolnego wymiennika ciepła Dw. Medium chłodzącym w górnym wymienniku ciepła Gw jest zimne powietrze. Powietrze to przepływając przez górny wymiennik ciepła Gw ogrzewa się i jako gorące powietrze Cp wprowadzane jest do odpowiednio wysokiego komina K. Z komina uchodzi do górnych warstw atmosfery, gdzie się oziębia i wraca do dolnych warstw atmosfery. Wywoływany jest zatem ciąg kominowy.
4 PL 214 444 B1 W ciągu tym umieszczona jest maszyna termodynamiczna M np. turbina, która napędza pierwszy generator prądu elektrycznego Gp1. Wytworzony prąd elektryczny transportowany jest do odbiornika prądu elektrycznego Op. Prąd elektryczny wytwarzany jest w sposób ciągły, niezależny od pory dnia i roku. P r z y k ł a d 2 wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że komin K stanowi kanał wykonany w górotworze oraz w preizolowanych rurach zewnętrznej Z i wewnętrznej W jest osadzona dolna maszyna termodynamiczna Md napędzająca trzeci generator prądu elektrycznego Gp3 połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego Op. P r z y k ł a d 3 wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pomiędzy górny wymiennik ciepła Gw a rurę zewnętrzną Z jest włączony pośredni wymiennik ciepła Pw połączony z pośrednią maszyną termodynamiczną PM napędzającą drugi generator prądu elektrycznego Gp2 połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego Op. P r z y k ł a d 4 wykonany jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że komin K stanowi kanał wykonany w górotworze a w preizolowanych rurach zewnętrznej Z i wewnętrznej W jest osadzona dolna maszyna termodynamiczna Md napędzająca trzeci generator prądu elektrycznego Gp3 połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego Op i jednocześnie pomiędzy górny wymiennik ciepła Gw a rurę zewnętrzną Z preizolowaną jest włączony pośredni wymiennik ciepła Pw połączony z pośrednią maszyną termodynamiczną PM napędzającą drugi generator prądu elektrycznego Gp2 połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego Op. Układ działa następująco: temperatura płynu roboczego w górnym odcinku preizolowanej rury zewnętrznej Z wynosi około 180 C, który jest transportowany przewodem płynu podgrzewanego Pg do pośredniego wymiennika ciepła Pw, gdzie jest ochładzany do temperatury pośredniej około 70 C. Ochłodzony płyn podgrzewany Pg transportowany jest dalej do górnego wymiennika ciepła Gw, gdzie schładzany jest do temperatury około 50 C. Płyn oziębiany transportowany jest przewodem płynu oziębianego Pz do rury wewnętrznej W preizolowanej, którą przepływa do dolnego wymiennika ciepła Dw. Między dolnym wymiennikiem ciepła Dw, a pośrednim wymiennikiem ciepła umieszczona jest dolna maszyna termodynamiczna Md, która napędzana jest energią kinetyczną płynu poruszającego się w rurze wewnętrznej W oraz między rurą wewnętrzną W i zewnętrzną Z. Z pośrednim wymiennikiem ciepła Pw współpracuje pośrednia maszyna termodynamiczna PM, np. turbina parowa wykorzystująca ciepło geotermalne dostarczone do pośredniego wymiennika ciepła Pw. Maszyna ta napędza drugi generator pędu elektrycznego Gp2. Górny wymiennik ciepła Gw współpracuje z maszyną termodynamiczną M w sposób opisany wcześniej, z tym, że komin K stanowi sztolnia w naturalnym górotworze. Wszystkie generatory Gp1, Gp2, Gp3 wytwarzają prąd elektryczny, który przesyłany jest do odbiornika prądu elektrycznego Op. Zastrzeżenia patentowe 1., z obiegiem wodnym na znacznej głębokości pod powierzchnią ziemi, zawierający co najmniej jeden odwiert z wprowadzonymi do odwiertu dwiema koncentrycznymi rurami pokrytym od zewnątrz izolacją termiczną, przy czym rura wewnętrzna jest preizolowana na całej długości, ponadto wyposażony jest w górny wymiennik ciepła umieszczony w kominie, znamienny tym, że rura zewnętrzna (Z) wypełniona płynem podgrzewanym (Pg) jest preizolowana na odcinku górnym (b) i jest zamknięta na obu jej końcach, zaś rura wewnętrzna (W) wypełniona płynem oziębianym (Pz) jest otwarta u dołu, natomiast u góry jest zamknięta denkiem z otworem, w którym osadzony jest preizolowany przewód odprowadzający płyn oziębiany (Pz) z górnego wymiennika ciepła (Gw) usytuowanego na powierzchni ziemi, ponadto z górnego wymiennika ciepła (Gw) gorące powietrze (Cp) jest kierowane przewodem do komina (K).
PL 214 444 B1 5 2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że dolny wymiennik ciepła (Dw) umieszczony jest w zasobniku gorących wód termalnych. 3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że komin (K) stanowi kanał wykonany w górotworze. 4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że w preizolowanych rurach jest osadzona dolna maszyna termodynamiczna (Md) napędzająca trzeci generator prądu elektrycznego (Gp3) połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego (Op). 5. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy górny wymiennik ciepła (Gw) a rurę zewnętrzną (Z) preizolowaną jest włączony pośredni wymiennik ciepła (Pw) połączony z pośrednią maszyną termodynamiczną (PM) napędzającą drugi generator prądu elektrycznego (Gp2) połączony z odbiornikiem prądu elektrycznego (Op).
6 PL 214 444 B1 Rysunki Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)