Подземная система управления водой для горных выработок
Изобретение относится к средствам управления жидкостью в горных выработках и может быть использовано для генерирования электроэнергии. Техническим результатом является обеспечение возможности очистки жидкости, находящейся в горной выработке. Предложена подземная система управления жидкостью для горных выработок, имеющая: по меньшей мере одно первое хранилище, которое образовано полостью горной выработки, по меньшей мере одно второе хранилище, дно которого расположено выше дна первого хранилища, по меньшей мере один соединяющий хранилища трубопровод для пропускания жидкости и по меньшей мере одно насосное устройство для нагнетания жидкости по трубопроводам от первого хранилища во второе хранилище. Кроме того, система дополнительно содержит геотермическое устройство по меньшей мере для эксплуатации насоса. При этом по меньшей мере одно хранилище проходит таким образом, что оно вдается из незагрязненного слоя в загрязненный слой и предусмотрен искусственный барьер в хранилище, проходящем через слои. Причем искусственный барьер разделяет хранилище, проходящее через слои, на нижнюю область и верхнюю область. Кроме того, предложены также водосистема, содержащая указанную подземную систему, и способ эксплуатации этой системы. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение касается подземной системы управления жидкостью для горных выработок, водосистемы, имеющей систему управления жидкостью, и системы отпуска, а также способа эксплуатации системы управления жидкостью.
Например, в Южной Африке или в Южной или Центральной Америке и в многочисленных других странах и регионах мира существуют остановленные или еще находящиеся в эксплуатации горные выработки или, соответственно, рудники, которые иногда достигают очень больших глубин (например, 2000-5000 м). В этих горных выработках и рудниках на различных уровнях имеются пустоты. Эти пустоты могут быть, конечно, уже частично естественным образом наполнены водой.
Из DE 10361590A1 известна гидроаккумулирующая электростанция, у которой по меньшей мере для нижнего бассейна используется искусственно созданная полость в шахтном сооружении.
DE 19513817B4 описывает гидроаккумулирующую электростанцию, которая располагается в шахте существующего или выработанного горнорудного карьера месторождения бурого угля. При этом строительная глубина вышеназванной шахты используется для размещения необходимых для гидроаккумулирующей электростанции аккумулирующих бассейнов с соответствующей разницей высоты между ними. По меньшей мере нижний бассейн расположен ниже уровня окружающей среды. Искусственно сооруженные хранилища могут образовываться вследствие вскрышных работ, осуществляющихся при разработке месторождения бурого угля.
Из DE 10028431 известна гидроэлектростанция, выполненная в виде блочного строительного узла с цилиндрической основной формой, которая стоит на поверхности земли или полностью или частично углубляется в землю, чтобы независимо от естественной топографии земли и естественного потенциала воды искусственно использовать энергию воды. В искусственно сооруженной, закрытой постройке предусмотрены два расположенных друг над другом хранилища. В режиме аккумулирования посредством насоса вода нагнетается из нижнего в верхнее хранилище. В режиме генерирования энергии вода из верхнего хранилища через расположенную между хранилищами турбину для генерирования электрического тока направляется обратно в нижнее хранилище. Необходимая для насоса энергия может предоставляться посредством ветровых энергетических или гелиоустановок или геотермического устройства.
В уровне техники показаны, таким образом, предусмотренные только для генерирования энергии гидроаккумулирующие электростанции, при этом аккумулирующие бассейны предусматриваются в земле преимущественно искусственно и обособленно. Только в DE 10361590A1 предлагается создать нижний бассейн гидроаккумулирующей электростанции из искусственно созданного шахтного сооружения.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставить систему, которая простым и оптимальным по затратам образом служит для всеобъемлющего управления жидкостью (например, управления водой) и наряду с генерированием энергии и аккумулированием энергии служит также для аккумулирования и очистки находящихся в горной выработке жидкостей.
Эта задача решается с помощью предмета независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения особенно предпочтительным образом совершенствуют центральную идею изобретения.
По первому аспекту предоставляется подземная система управления жидкостью для горных выработок с целью генерирования энергии и/или аккумулирования энергии, аккумулирования и/или очистки жидкостей, находящихся в горной выработке или ее естественной окружающей среде (например, воды и/или поверхностных вод); то есть, включая также удаление или устранение примесей (в том числе также твердых веществ) жидкостей из естественной окружающей среды. Поэтому под жидкостью далее понимается каждая жидкость, либо естественным, либо искусственным путем попадающая в полости горной выработки или находящаяся в естественной окружающей среде горной выработки, в частности, грунтовая вода или поверхностная вода (например, дождевая вода). Система имеет по меньшей мере одно первое хранилище, которое образовано полостью горной выработки, и по меньшей мере одно второе хранилище. По меньшей мере дно второго хранилища расположено выше дна первого хранилища. Особенно предпочтительно второе хранилище расположено над первым хранилищем. Подземная система управления жидкостью имеет также: по меньшей мере один соединяющий хранилища высокого давления трубопровод для пропускания жидкости, по меньшей мере однонасосное устройство для доставки жидкости по трубопроводам от первого хранилища во второе хранилище, и одно геотермическое устройство для генерирования геотермической энергии по меньшей мере для эксплуатации насоса и предпочтительно также для эксплуатации других компонентов системы, то есть для собственных нужд системы, и при необходимости также для предоставления третьим сторонам, то есть, например, посредством запитывания генерированной энергии в электросеть (электрическая энергия) или в аккумулятор тепла (тепловая энергия). Геотермическое устройство может к тому же служить для получения тепла или, соответственно, холода, чтобы использовать их, например, для окружающих жилых или промышленных областей или в самой горной выработке; например, в качестве тепловой электростанции/теплового насоса или, соответственно, энергетической установки.
С помощью предлагаемой изобретением системы, таким образом, простым и оптимальным по затратам образом можно использовать уже имеющиеся пустоты горной выработки без других крупных мер по реконструкции для всеобъемлющего управления жидкостью (аккумулирование и/или очистка жидкостей и твердых веществ и/или (одновременное) генерирование энергии и/или аккумулирование энергии). Управление жидкостью включает в себя при этом, например, возврат системы в ее естественное состояние, то есть ренатурацию горной выработки и/или жидкостей, в частности, грунтовой воды и поверхностной воды. Кроме того, управление жидкостью включает в себя удаление загрязнений как в воде (грунтовая и поверхностная вода), так и в горной выработке, то есть в самих геологических слоях. Кроме того, осуществляется, следовательно, также всеобъемлющая защита грунтовой воды, так как естественным образом имеющаяся грунтовая вода определенного геологического слоя очищается в горной выработке и, в частности, больше не загрязняется. В синергии с экологичной системой геотермия, то есть теплота Земли, особенно хорошо доступная в горных выработках вследствие их глубины, может использоваться для генерирования электрической энергии и при необходимости дополнительно для получения тепла и/или холода; в частности, для эксплуатации насоса системы управления жидкостью или, соответственно, самой горной выработки. При генерировании энергии из геотермии для эксплуатирующей стороны горной выработки может, к тому же, уменьшаться зависимость от внешних поставщиков энергии (например, электрического тока, тепла, холода), в то время как одновременно по меньшей мере эта часть энергоснабжения осуществляется с возобновляемой (регенеративной) энергией.
Предпочтительно все или по меньшей мере большая часть хранилищ, которые должны применяться для подземной системы управления жидкостью, образованы полостями горной выработки. Таким образом, больше нет необходимости дополнительно предусматривать внешние хранилища, и создание системы управления жидкостью значительно упрощено, а также оптимально по затратам и просто в изготовлении.
Предпочтительно между хранилищами и/или внутри них предусмотрены ступени очистки. Таким образом, загрязненные жидкости могут очищаться безвредным для окружающей среды образом и уже в самой системе. Это приводит к эффективному и действенному удалению загрязнений во всех находящихся в горной выработке водах, в частности, к особенно интенсивной защите грунтовой воды, которая также положительно сказывается на ренатурации системы.
Загрязнение жидкости в хранилищах может, например, происходить посредством вынимаемого в горной выработке материала (например, урана) или из-за применяемого для выемки материала (например, ртуть для добычи золота). Загрязнение присутствует, таким образом, в определенном геологическом слое или попадает в этот слой посредством примесей грунтовой воды или попадающих в систему прочих жидкостей (например, вод и поверхностных вод), или оно имеется по меньшей мере в жидкости, находящейся в полостях (например, грунтовой воде).
В частности, в горных выработках соответствующие полости, которые в соответствии с изобретением используются в качестве хранилищ, расположены в различных водоносных пластах и/или они проходят через несколько водоносных пластов. Водоносные пласты, которые иногда также называются аквиферами, представляют собой водоносные естественные слои или, соответственно, массивы горных пород с полостями, которые пригодны для пропускания грунтовой воды. Водоносные пласты геологически отделяются друг от друга или, соответственно, ограничиваются водонепроницаемыми слоями, так называемыми водоупорами. При строительстве или, соответственно, вскрытии горной выработки пробиваются, как правило, разные аквиферы, которые, например, после остановки горной выработки часто искусственным или естественным образом затопляются (грунтовой водой). Затопление грунтовой выработки приводит к тому, что жидкости (здесь, например, грунтовая вода), например, из загрязненных ураном геологических слоев смешиваются с жидкостями/водой из незагрязненных слоев, что приводит к ненужным примесям во всей жидкости в горной выработке.
Чтобы препятствовать этому неконтролируемому смешиванию воды, и, таким образом, предотвратить более крупный ущерб грунтовой воде и вместе с тем окружающей экологической системе, предпочтительно в надлежащих местах введены или, соответственно, предусмотрены вышеназванные ступени очистки, в которых может выполняться процесс очистки загрязненной жидкости. Неконтролируемое смешивание воды может к тому же предотвращаться путем надлежащих строительных разделительных мер. Таким образом, примеси, например, в грунтовой воде могут устраняться или по меньшей мере сильно сокращаться, так что предотвращается долгосрочный ущерб экологической системе, и грунтовая вода снова может становиться пригодной к употреблению для человека и природы.
Чтобы достичь этого, ступень очистки имеет предпочтительно по меньшей мере одно фильтрующее устройство для очистки жидкости, предпочтительно по меньшей мере в хранилищах или между ними, особенно предпочтительно по меньшей мере в хранилищах или между ними в загрязненных слоях. С помощью фильтрующего устройства возможно усиленное удаление загрязнений, которое, в свою очередь, положительно сказывается на грунтовой воде и ее чистоте/очистке, так как ее качество вследствие устраненного или по меньшей мере сильно сокращенного загрязнения может значительно повышаться.
Для этого фильтрующее устройство может быть, с одной стороны, соединено по потоку с насосным устройством таким образом, чтобы жидкость очищалась в процессе нагнетания насосного устройства, предпочтительно чтобы жидкость очищалась при пропускании по трубопроводам. С другой стороны, дополнительно или альтернативно по меньшей мере одно хранилище по меньшей мере частично может быть наполнено пористым материалом, который тогда образует фильтрующее устройство. Для этого ссылка делается также на водоаккумулирующую и водоочистительную систему в соответствии с EP 2058441A1, предмет которой сравнимым образом может также применяться в качестве фильтрующего устройства в хранилищах настоящего изобретения.
Так, фильтрующее устройство может, например, также включать в себя: по меньшей мере один по существу горизонтально ориентированный в хранилище барьерный слой для продления пути просачивания жидкости, причем этот барьерный слой снабжен по меньшей мере одним проходом для жидкости, и выше и ниже барьерного слоя находится пористый материал; и приемный резервуар для сбора очищенной жидкости, который проходит от дна хранилища по существу в вертикальном направлении вверх. Сам приемный резервуар для воды имеет по меньшей мере под нижним барьерным слоем по меньшей мере одно отверстие, через которое может течь или, соответственно, просачиваться жидкость.
Для усовершенствования последнего фильтрующего устройства в приемном резервуаре для воды может быть расположено насосное устройство. В этом случае от насосного устройства в вертикальном направлении вверх по меньшей мере из приемного резервуара наружу (и при этом, следовательно, внутрь соответствующего хранилища) проходит трубопровод. Очищенная жидкость может, таким образом, снова подаваться в циркуляционный контур очистки для дополнительного повышения степени очистки жидкости. В одном из предпочтительных вариантов осуществления вышеназванный трубопровод дополнительно проходит также из самого хранилища наружу. Тем самым простым образом обеспечивается, с одной стороны, обратный отток жидкости в циркуляционный контур очистки, а с другой стороны, получение очищенной жидкости в других хранилищах или выпуск наружу в окружающую среду.
Альтернативно или дополнительно может, в усовершенствование последнего фильтрующего устройства, приемный резервуар может быть также расположен так, чтобы он располагался над соединительным отверстием, которое ведет к находящемуся под ним хранилищу, при этом приемный резервуар по существу охватывает соединительное отверстие. Таким образом, к устройству очистки может подключаться или, соответственно, предусматриваться второе, находящееся под ним устройство очистки, что повышает эффективность ступени очистки. К тому же благодаря предусмотренным в соединительном отверстии турбинам может дополнительно генерироваться энергия, когда жидкость предпочтительно периодически спускается из приемного резервуара в находящееся под ним хранилище.
Ступень очистки может также иметь по меньшей мере одно устройство очистки для повышения или понижения значения pH (водородного показателя) жидкости. Это устройство очистки имеет предпочтительно по меньшей мере один слой извести, через который и/или по которому жидкость пропускается для изменения значения pH. Таким образом, можно, например, поднимать до желаемого уровня значение pH грунтовой воды, которая в некоторых регионах имеет особенно низкое значение pH (равное приблизительно 2-3), особенно предпочтительно в область нейтрального значения pH. Однако возможно также, чтобы значение pH воды или других жидкостей с любым текущим значением pH поднималось или опускалось до желаемого, отличающегося от текущего значения pH. Таким образом, наряду с очисткой или для очистки жидкости может также регулироваться ее значение pH.
Если одно единственное хранилище проходит по меньшей мере через один незагрязненный слой и один загрязненный слой, в проходящем через эти слои хранилище может, кроме того, предусматриваться искусственный барьер, который предпочтительно проходит по водоупору, отделяющему загрязненный слой от незагрязненного слоя. Таким образом, может надежно предотвращаться ненужное смешивание загрязненной жидкости с незагрязненной жидкостью, даже когда хранилище проходит через несколько водоносных пластов. Это приводит также к улучшенной защите грунтовой воды, в частности, так как незагрязненная грунтовая вода ненужным образом не соединяется с загрязненной (грунтовой или, соответственно, поверхностной) водой или прочими загрязненными жидкостями. В целях усовершенствования в барьере может быть также предусмотрено проходное отверстие, на траектории течения которого расположена турбина для генерирования электрического тока и которое может закрываться посредством запорного клапана.
Трубопроводы, в общем, проходят особенно предпочтительно по существу в вертикальном направлении вверх из соответствующего хранилища наружу по меньшей мере в одно расположенное над ним другое хранилище и/или из горной выработки наружу. «Из горной выработки наружу» означает, в частности, что указанный трубопровод проходит до поверхности земли и при необходимости, кроме того, в окружающую среду, и, таким образом, предпочтительно доступен снаружи.
Кроме того, предпочтительно геотермическое устройство или, соответственно, геотермия представляет собой первичный источник энергии, при этом, однако, дополнительно могут предоставляться в распоряжение также другие, в частности, возобновляемые источники энергии, такие как, например, ветровая энергетическая установка для энергии ветра, гелиоустановка для солнечной энергии и/или гидроаккумулирующая электростанция для гидравлической энергии и т.п. Таким образом, имеется также достаточное энергоснабжение подземной системы управления жидкостью в любое время, причем это достигается посредством возобновляемых энергий, благодаря чему окружающая среда дополнительно не загрязняется. Энергия, генерируемая с помощью регенеративных источников энергии, а также любая подводимая извне энергия могут аккумулироваться посредством аккумулирования жидкости в более высоко расположенном хранилище, и при периодическом спуске жидкости в более низко расположенное хранилище путем приведения в движение расположенной на траектории течения турбины в любое время преобразовываться в энергию (например, электрический ток) (гидроаккумулирующая электростанция).
Возможно также, чтобы хранилище было выполнено в виде запаса жидкости или, соответственно, резервуара жидкости, в котором жидкость собирается и подготавливается, например, для осуществления эксплуатации самой горной выработки или, если эта жидкость представляет собой воду, в виде резервуара с водой для бытовых нужд или питьевой водой или же для ренатурации системы и ее окружающей среды. Таким образом, возможно, чтобы жидкость (в частности, грунтовая и/или поверхностная вода) для эксплуатации горной выработки или после ее остановки, предоставляемая в любой форме, могла получаться из собственного источника. Таким образом, предотвращается использование естественных ресурсов окружающей среды, таких как, например, вода из окрестных рек или озер, что приводит к бережному отношению к окружающей среде при отсутствии ненужных вмешательств в нее и к тому же может способствовать ренатурации горной выработки, ее окружающей среды и очищенных жидкостей. Когда горная выработка осуществляет снабжение самой себя, она также больше не зависит от всеобщего запаса воды, что, в частности, очень важно в областях с ограниченным ресурсом воды и расширяет область применения или по меньшей мере делает более привлекательной с экономической точки зрения.
Особенно предпочтительно жидкость представляет собой воду, предпочтительно грунтовую воду и/или поверхностную воду или искусственно полученную воду для затопления горной выработки. Эта вода может, как уже описано выше, различным образом использоваться повторно или, соответственно, дополнительно, например, для ренатурации, которой при этом дополнительно способствует удаление загрязнения.
Предпочтительно предусмотрены перегородки или разделительные слои из глины или глинистой породы в подземной системе управления жидкостью там, где имеется залегание или, соответственно, сквозное протекание загрязненных жидкостей, чтобы, в частности, очищать жидкости, загрязненные радиоактивными веществами. Таким образом, предоставляется эффективное устройство очистки, в частности, для жидкостей, загрязненных радиоактивными веществами.
По другому аспекту в изобретении описывается водосистема для предоставления питьевой воды и воды для бытовых нужд, которая имеет подземную систему управления жидкостью в качестве системы управления водой, а также систему отпуска для предоставления воды из системы управления водой.
Кроме того, раскрыт способ эксплуатации системы управления жидкостью.
Далее изобретение описывается на примерах осуществления, которые изображены на фигурах сопроводительных чертежей.
На фиг.1 показана подземная система управления жидкостью по первому примеру осуществления;
на фиг.2 показана подземная система управления жидкостью по второму примеру осуществления;
на фиг.3 показана подземная система управления жидкостью по третьему примеру осуществления;
на фиг.4 показана подземная система управления жидкостью по четвертому примеру осуществления.
На фиг.1 показана подземная система 1 управления жидкостью в соответствии с настоящим изобретением. Подземная система 1 управления жидкостью имеет первое хранилище 2. Это хранилище 2 образовано одной или несколькими полостями горной выработки M. Под горной выработкой в соответствии с изобретением понимаются все виды горных выработок, рудников и т.п., которые имеют различные полости, а также все виды естественных впадин или систем впадин.
Над первым хранилищем 2 расположено по меньшей мере одно второе хранилище 3. Это второе хранилище 3 может при этом представлять собой дополнительно предоставленное независимо от полостей горной выработки хранилище; то есть, например, хранилище, предоставленное в окружающей среде горной выработки (над поверхностью (O) (земли)). Предпочтительно второе хранилище 3, как и первое хранилище 2, образовано полостями горной выработки M. Таким образом, можно просто и с оптимальными затратами использовать уже существующие структуры горной выработки M для подземной системы управления жидкостью. Изобретение, однако, не ограничено определенным количеством хранилищ и может иметь любое количество хранилищ; в частности, в зависимости от того, сколько хранилищ предусмотрено в горной выработке M. Но теоретически количество хранилищ может также искусственно расширяться, при этом, например, предусматриваются другие шахты или отдельные шахты искусственно подразделяются на несколько отдельных шахт. Количество хранилищ может быть также меньше, чем количество хранилищ, предусмотренных в горной выработке M, при этом ненужные хранилища не интегрируются в систему.
В то время как хранилища 2, 3 на фиг.1 всем своим объемом расположены друг над другом, возможно также, чтобы по меньшей мере дно второго хранилища 3 было расположено выше дна первого хранилища 2. Следовательно, в этом случае хранилища 2, 3 расположены со смещением друг относительно друга в горизонтальном направлении. Решающим является только то, чтобы хранилища были расположены таким образом, чтобы вызываемое гравитацией течение жидкости могло происходить с более высокого уровня одного хранилища 3 на более низкий уровень в другое хранилище 2.
Под жидкостью в соответствии с изобретением может пониматься любая жидкость. Предпочтительно жидкость представляет собой воду, причем речь может идти здесь о грунтовой и/или поверхностной воде и/или воде, искусственно впущенной в горную выработку. Таким образом, предоставляется в распоряжение система 1 управления жидкостью или, соответственно, система управления водой, с помощью которой грунтовая вода, поверхностная вода, вода для хозяйственных нужд или питьевая вода может аккумулироваться и, в частности, также очищаться. Это, в свою очередь, является важной основой для особенно хорошей защиты грунтовой воды, а также для лучшей возможности ренатурации всей системы, ее окружающей среды и жидкостей (например, поверхностной воды или грунтовой воды). Кроме того, возможно, чтобы жидкость представляла собой, в частности, (любую) жидкость, хранящуюся в горной выработке после ее остановки для аккумулирования, очистки, генерирования энергии и/или аккумулирования энергии. В последнем случае рентабельность предприятия может сохраняться даже после закрытия горной выработки M, при этом горная выработка M с оптимальными затратами и просто «используется по новому назначению» для хранения и предоставления жидкостей, то есть происходит ее новое и дополнительное использование, в то время как система 1 управления жидкостью может использоваться одновременно для генерирования энергии посредством помещенной на хранение жидкости. При наличии многочисленных хранилищ система 1 управления жидкостью может также использоваться для разных жидкостей одновременно, при этом они, в свою очередь, независимо друг от друга могут использоваться для аккумулирования, очистки, генерирования энергии и/или аккумулирования энергии, как поясняется ниже.
Подземная система 1 управления жидкостью имеет также соединяющий хранилища 2, 3 трубопровод 4 для пропускания жидкости, находящейся в горной выработке M. При этом система управления жидкостью не ограничена определенным количеством трубопроводов 4, 26. Так, отдельные хранилища могут быть соединены одним или несколькими трубопроводами 4. Кроме того, только отдельные, некоторые или все хранилища могут быть также соединены между собой (сравн. фиг.2-4). Также возможно, чтобы отдельные, несколько или все хранилища были соединены только одним трубопроводом 4 (сравн. фиг.4). Альтернативно или дополнительно трубопровод 26 может также проходить из горной выработки M наружу, то есть до поверхности O (земли) или за ее пределы наружу в окружающую среду горной выработки M (сравн. фиг.2).
Трубопроводы 4, 26 предпочтительно выполнены в виде нагнетательного трубопровода и могут образовываться либо отдельно предусмотренными нагнетательными трубопроводами 4, 26, которые, например, также выполнялись уже во время эксплуатации горной выработки M, или уже имеющимися или выполненными впоследствии, предусмотренными в горной выработке M соединительными шахтами 5, 27. Трубопроводы 4, 26 проходят вверх из каждого хранилища 2 по меньшей мере в один или несколько или же все расположенные над ним хранилища 3 и/или наружу, то есть до поверхности O (земли) и над ней. Это будет еще подробнее описываться в других примерах осуществления. Следует заметить, что изобретение не ограничено показанной на фигурах по существу вертикальной ориентацией трубопроводов 4, 26, пока трубопроводы 4, 26 обеспечивают возможность доставки жидкости с более низкого уровня на более высокий уровень.
Чтобы препятствовать нежелательному обратному оттоку жидкости с более высокого уровня, то есть второго хранилища 3 на фиг.1, на более низкий уровень, то есть к первому хранилищу 2 на фиг.1, по трубопроводу 4, 26, предпочтительно на верхнем конце трубопровода 4, 26 (или, в частности, в шахте 5, когда она служит трубопроводом) предусмотрен клапан 6 разрежения.
Для направления жидкости по трубопроводу 4 предусмотрено насосное устройство P в находящемся по направлению течения ниже хранилище 2, посредством которого жидкость отсасывается из первого хранилища и по трубопроводу 4 доставляется во второе хранилище 3. Для этого насос P расположен предпочтительно на дне первого, находящегося ниже хранилища 2, чтобы обеспечивать возможность наиболее эффективного нагнетания всей жидкости из первого хранилища 2.
Для эксплуатации насоса P в соответствии с изобретением предусмотрено только схематично изображенное на фигурах геотермическое устройство 7. Геотермические устройства достаточно известны и поэтому не будут здесь описываться в деталях. Наличие геотермического устройства предпочтительно, в частности, из-за того, что горные выработки M, как правило, достигают больших глубин, и поэтому получение геотермии (теплоты земли) вследствие небольшой дополнительной глубины бурения просто по сравнению с тем случаем, когда приходится получать геотермию, начиная от поверхности O земли. При этом эксплуатация насоса P в любое время может обеспечиваться простым образом посредством регенеративных энергий, также при бережном отношении к окружающей среде и независимо от внешних влияний. Кроме того, полученная энергия (электрическая энергия, тепло, холод) может предоставляться другим компонентам внутри или вне системы и/или запитываться в электрическую сеть или тепловой или охлаждающий циркуляционный контур или, соответственно, сеть или т.п.
Геотермия может дополнительно использоваться для неизображенной, но достаточно известной тепловой электростанции/теплового насоса, при этом тепловая энергия может использоваться для самой системы или отводиться от системы для внешнего использования. Таким образом, возможно непосредственное использование полученной тепловой энергии, когда она известным образом отводится, и опосредствованное использование тепловой энергии, когда она преобразуется в электрическую энергию.
В дополнение к тепловому насосу геотермическое устройство 7 может быть также предусмотрено в качестве энергетической установки для производства как тепла, так и холода. Например, у геотермических установок, снабженных испарителем непосредственного охлаждения, холод образуется как продукт отхода при получении тепла. Чтобы также обеспечить к нему доступ и использовать его, при инсталляции геотермического устройства 7 могут выполняться две глубоких скважины, в каждой из которых циркулирует зонд. За счет геотермического тепла в них испаряется жидкий хладагент, поглощает энергию и под собственным давлением попадает в компрессор. При отборе тепла зонд, следовательно, охлаждается. Полученный холод может затем использоваться посредством второго циркуляционного контура внутри зонда, при этом в качестве хладагента применяется, например, аммиачная смесь.
Полученное или, соответственно, произведенное с помощью геотермического устройства 7 в качестве теплового насоса или, соответственно, энергетической установки тепло и холод могут, как и генерированная электрическая энергия, использоваться для (окрестной) промышленности, жилых областей и т.п. или самой горной выработки M. Геотермическое устройство 7 или, соответственно, полученная (при использовании горной выработки M по новому назначению) теплота земли может, таким образом, равным образом использоваться для поставки энергии электрического тока, тепла и холода, например, для продажи третьим сторонам или для собственных нужд (например, активной горной выработки).
Возможно также, чтобы система 1 имела другие источники энергии дополнительно к геотермическому устройству 7 в качестве первичного источника энергии. В частности, могут применяться все настоящие и будущие регенеративные источники энергии. Для этого предлагаются, в частности, ветровые энергетические установки (не показаны) для получения энергии ветра, гелиоустановки (не показаны) для получения солнечной энергии, гидроаккумулирующие электростанции для получения гидравлической энергии или другие известные источники энергии.
В частности, гидроаккумулирующая электростанция особенно предпочтительна, так как она может интегрироваться в подземную систему 1 управления жидкостью компактно и экономично. Для этого применяются уже имеющиеся вертикальные соединительные шахты 5 или другие проходы между предпочтительно расположенными друг над другом хранилищами 2, 3. Для этого в них предусматривается, например, турбина 8 или другое сравнимое генераторное устройство для получения электрического тока. Когда жидкость из второго, более высоко расположенного хранилища 3 под действием сил гравитации стекает в первое, более низко расположенное хранилище 2, турбина 8 приводится в движение и генерирует электрический ток. Для этого, например, предусмотрен также генератор 9. Электрический ток может затем, например, предоставляться для горной выработки M или запитываться в электрическую сеть.
Чтобы регулировать количество жидкости, протекающей от второго хранилища 3 к первому хранилищу 2, предпочтительно на траектории течения между вторым хранилищем 3, а также водяной турбиной 8 предусмотрено запорное устройство, например, запорный клапан 10. С помощью этого запорного клапана 10 предпочтительно возможно плавное регулирование количества протекающей жидкости. В закрытом состоянии второе хранилище 3 может при этом работать в режиме аккумулирования в качестве хранилища для предоставления жидкости, которая посредством насосного устройства P (привод которого осуществляется по меньшей мере за счет геотермии) с более низкого уровня нагнетается в верхнее хранилище 3. Аккумулированная во втором хранилище 3 жидкость может затем, например, забираться из второго хранилища для дальнейшего использования. Альтернативно аккумулированная жидкость при необходимости путем периодического открытия запорного клапана 10 может использоваться для генерирования энергии (электрического тока), при этом при протекании жидкости от второго хранилища 3 к первому хранилищу 2 осуществляется привод турбины 8.
Возможно также, чтобы было предусмотрено дополнительное, не изображенное на фигурах хранилище, которое либо также образовано полостями горной выработки M, либо же дополнительно расположено, например, выше поверхности O (земли). Расположенное таким образом хранилище может быть выполнено в виде запаса жидкости или, соответственно, резервуара жидкости, в котором собирается и предоставляется жидкость. Этот запас жидкости может предоставляться для эксплуатации самой горной выработки M или же для любых других целей, например, для поставки вовне, или же в качестве резервуара жидкости или, соответственно, резервуара воды для окрестного населения или, соответственно, сельского хозяйства или для ренатурации. Резервуар жидкости может также образовываться уже описанным ранее хранилищем, предпочтительно ближе всего расположенным к поверхности O (земли) хранилищем 3, при этом особенно предпочтительно сток в другие хранилища 2 (например, посредством запорного клапана 10) блокируется или замедляется.
Как уже описано, полости горной выработки M, образующие хранилища, могут проходить через разные водоносные пласты. При этом возможно, что некоторые хранилища проходят в незагрязненных слоях N, а другие хранилища - в загрязненных слоях K. Загрязненные слои K находятся при этом чаще всего на больших глубинах, на которых происходит выемка в горной выработке M. Посредством либо вынутого/предназначенного для выемки материала, либо используемого для выемки материала в горной выработке M в грунтовую воду могут, например, попадать примеси, что ведет к загрязнению грунтовой воды и вместе с тем соответствующего геологического слоя. Это в качестве примера изображено на фиг.2, на которой показана подземная система 20 управления жидкостью по второму примеру осуществления. Со ссылкой на первый пример осуществления одинаковые признаки снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями. В отношении всех соответствующих признаков в полном объеме ссылаемся на приведенные выше рассуждения к первому примеру осуществления. Кроме того, следует констатировать, что в рамках изобретения возможна любая комбинация признаков и вариантов осуществления примеров осуществления между собой.
На фиг.2 показана горная выработка M, имеющая четыре хранилища 21, 22, 23, 24, которые расположены соответственно в вертикальном направлении друг над другом. Однако изобретение не ограничено определенным количеством хранилищ или показанным взаимным расположением. Более того, возможно любое количество хранилищ, при этом по меньшей мере одно хранилище (или, соответственно, его дно) должно быть расположено выше по меньшей мере одного другого хранилища (или, соответственно, его дна).
По второму примеру осуществления оба нижних хранилища 21, 22 расположены в загрязненном слое K. Оба верхних хранилища находятся в незагрязненном слое N. Но, например, возможно также, чтобы незагрязненные слои N и загрязненные слои K были расположены иначе или же чтобы одна или несколько шахт или, соответственно, хранилищ проходили по меньшей мере через один или несколько геологических слоев, при этом по меньшей мере один из слоев может быть загрязнен, и по меньшей мере один другой не загрязнен. Последнее поясняется еще более подробно со ссылкой на фиг.3.
Разделение между незагрязненным слоем N и загрязненным слоем K, которые чаще всего проходят в водоносных естественных слоях (водоносный пласт или аквифер), происходит, как правило, естественным образом с помощью так называемых водоупоров, то есть водонепроницаемых слоев, таких как, например, глины. Водоупор A в качестве примера схематично изображен на фиг.2 штриховой линией.
По второму примеру осуществления два нижних хранилища 21, 22 соединены трубопроводом 4. Также два верхних хранилища 23, 24, а также самое нижнее и самое верхнее хранилища 21, 24 соединены посредством трубопроводов 4. Самое верхнее хранилище 24, кроме того, посредством другого трубопровода 26 соединено с поверхностью O или, соответственно, окружающей средой снаружи. Однако изобретение не ограничено такого рода расположением трубопроводов 4, 26. Более того, каждое хранилище любым образом может быть соединено с каждым другим хранилищем или поверхностью O посредством одного или нескольких трубопроводов 4, 26, которые предпочтительно уже выполнены или, соответственно, были выполнены предприятием горной выработки.
Трубопроводы 4, 26, как описано также в первом примере осуществления, предпочтительно снабжены каждый одним из насосных устройств P для пропускания жидкости; также, где это целесообразно, несколько трубопроводов 4 могут быть снабжены одним насосом P. Привод насосных устройств P осуществляется по меньшей мере посредством геотермии, альтернативно также дополнительно посредством других, предпочтительно регенеративных источников энергии.
Между хранилищами 21, 22, 23, 24 в каждом случае предусмотрены соединительные шахты 5, которые предпочтительно тоже были уже предусмотрены при разработке горной выработки M. По меньшей мере в одной, нескольких или всех (см. фиг.2) шахтах 5 может быть предусмотрен запорный клапан 10, а также подключенная по потоку турбина 8 с генератором 9, посредством которой может генерироваться энергия.
Для предотвращения неконтролируемого смешивания жидкости, находящейся в хранилищах 23, 24 в незагрязненном слое N, с жидкостью, находящейся в загрязненном слое K, и вместе с тем во избежание большего ущерба грунтовой воде и вместе с тем окрестной экологической системе предпочтительно предусмотрено также фильтрующее устройство 25 в качестве ступени очистки. Фильтрующее устройство 25 в соответствии с фиг.2 соединено по потоку с насосным устройством P. Предпочтительно фильтрующее устройство 25 расположено по меньшей мере в одном, нескольких или всех соединяющих хранилища 21, 22, 23, 24 трубопроводах 4, 26 предпочтительно ниже по потоку от насосного устройства P таким образом, что жидкость при пропускании по трубопроводам 4, 26 направляется через фильтрующее устройство 25 и таким образом очищается. Возможно также, чтобы фильтрующее устройство 25 альтернативно или дополнительно к гидроаккумулирующей электростанции (то есть запорному клапану, турбине 8, генератору 9) было расположено в шахте (проходе), так чтобы очистка жидкости происходила при спуске или, соответственно, протекании из верхнего хранилища в нижнее хранилище, то есть, например, в режиме генерирования энергии.
Таким образом, путем закрытия запорного клапана 10 между теми хранилищами 22, 23, которые расположены в переходе от незагрязненного слоя N к загрязненному слою K, можно периодически системотехнически отделять нижние хранилища 21, 22 от верхних хранилищ 23, 24. Таким образом, грунтовая вода в незагрязненных слоях N защищается от ненужного загрязнения, в то время как одновременно загрязнение в загрязненном слое может удаляться, чтобы таким образом возвращать окружающую среду горной выработки в ее естественное состояние, то есть ренатурировать.
В нижних хранилищах 21, 22 может тогда действовать замкнутый циркуляционный контур очистки для очистки находящейся в них загрязненной жидкости. Для этого, как описано выше, жидкость посредством насоса P и трубопровода 4 из самого нижнего хранилища 21 направляется в находящееся над ним хранилище 22. В ходе этого процесса нагнетания или, соответственно, аккумулирования жидкость очищается посредством расположенного в трубопроводе 4 фильтрующего устройства. Впущенная в хранилище 22 и при необходимости аккумулированная жидкость в режиме генерирования энергии при открытии расположенного между двумя нижними хранилищами 21, 22 запорного клапана 10 может стекать в нижнее хранилище 21. При этом стекающая жидкость верхнего хранилища 22 подается на расположенную на траектории течения жидкости турбину 8. Таким образом, могут сокращаться или устраняться примеси, например, в грунтовой воде загрязненного слоя K, при необходимости в ходе нескольких циклов очистки, в то время как одновременно генерируется энергия и затем может предоставляться очищенная жидкость. Таким образом, путем удаления загрязнений грунтовой воды, проникающей или находящейся в хранилище (например, на протяжении нескольких циклов очистки), можно очищать находящуюся в соответствующем аквифере грунтовую воду и таким образом превращать этот слой в по существу незагрязненный слой.
Для всех примеров осуществления принципиально общим является то, что хранилища могут иметь устройство вентиляции/удаления воздуха, чтобы компенсировать объем воздуха в хранилище при стекающей или притекающей жидкости. Это устройство вентиляции/удаления воздуха может представлять собой устройство вентиляции/удаления воздуха (не изображено), которое соединено с окружающей средой над поверхностью O (земли) и посредством которого осуществляется вентиляция или выпуск воздуха из соответствующего хранилища.
До тех пор пока жидкость в нижних хранилищах 21, 22 или, соответственно, грунтовая вода в загрязненном слое K не очищена, уже описанным образом в двух верхних хранилищах 23, 24 тоже может действовать замкнутый циркуляционный контур генерирования энергии и аккумулирования жидкости. Периодически жидкость в верхних хранилищах 23, 24 может также очищаться с помощью фильтрующего устройства 25.
Когда жидкость в нижнем циркуляционном контуре очистки достаточно очищена, по другому снабженному насосом P трубопроводу 4 она может доставляться в одно или несколько расположенных над ним хранилищ 22, 23, 24, где она либо предоставляется для генерирования энергии в качестве гидроаккумулятора, либо аккумулируется в запас в одном из верхних хранилищ или другом, неизображенном хранилище.
В некоторых регионах, в которых применяется предлагаемая изобретением система управления жидкостью, окружающая горную выработку M и при известных обстоятельствах проникающая в нее грунтовая вода имеет очень низкое значение pH, равное только приблизительно 2-3. Таким образом, возможно, кроме того, чтобы ступень очистки также в соответствующем месте, предпочтительно в хранилищах 21, 22, 23, 24 или между ними, имела устройство очистки (не показано), с помощью которого может изменяться значение pH жидкости; в зависимости от того, какое значение pH от 0 до 14 имеет жидкость и какое желаемое значение pH должна иметь жидкость, значение pH может, таким образом, периодически повышаться или понижаться. Устройство очистки может при этом иметь такую конструкцию, чтобы жидкость целенаправленно направлялась через естественно или искусственно предусмотренные слои извести или снабженные слоем извести устройства или по ним. Во время пропускания или протекания известь (или другое, предусмотренное в устройстве очистки вещество) постепенно растворяется в жидкости и приводит к повышению/понижению значения pH и предпочтительно к нейтрализации протекающей жидкости (например, грунтовой воды). Устройство очистки может быть при этом, например, выполнено внутри описанного выше фильтрующего устройства 25 или снабжено им. Например, устройство очистки может также предусматриваться в содержащем известь хранилище (или, соответственно, одном из хранилищ 21, 22, 23, 24 на фиг.2), при этом, например, стенки этого хранилища естественным или искусственным образом снабжены слоем извести. Устройство очистки может быть предусмотрено внутри каждого произвольного хранилища или между ними и в каждом слое (загрязненном; незагрязненном).
В целях усовершенствования описанного выше устройства очистки оно может быть дополнительно снабжено сенсором значения pH, который измеряет значение pH в одном или всех хранилищах. На основе полученных результатов измерений, а также того значения pH, которое должно быть установлено, жидкость может затем периодически направляться через устройство очистки, так чтобы значение pH могло устанавливаться соответственно индивидуальным данным. При этом возможно, чтобы устройство очистки имело как первую часть для повышения значения pH, так и вторую часть для понижения значения pH. Жидкость, значение pH которой должно изменяться, может тогда альтернативно совсем не пропускаться или пропускаться через первую или вторую часть устройства очистки, в зависимости от того, должно ли значение pH жидкости сохраняться, повышаться или понижаться.
В самом верхнем хранилище 24 предусмотрен проходящий в направлении окружающей среды трубопровод 26, который предпочтительно проходит до поверхности O (земли) и над ней. Трубопровод 26 имеет насосное устройство P, которое альтернативно расположено в хранилище 24 или вне горной выработки M, например, на поверхности O (земли). Например, трубопровод 26 может быть также образован или, альтернативно, проведен через шахту 27, соединяющую самое верхнее хранилище 24 с окружающей средой. Этот трубопровод 26 служит тогда, при необходимости вместе с насосным устройством P и другими подключениями для отвода жидкости из хранилища 24, служащего запасным резервуаром, системой S отпуска. Комбинация из системы 20 управления жидкостью и системы S отпуска образует, таким образом, водосистему W. Тогда жидкость предпочтительно представляет собой воду, такую как, например, грунтовая или поверхностная вода или вода, искусственно впущенная в горную выработку M. Система 20 управления жидкостью может тогда называться системой управления водой. Такого рода водосистема W служит для предоставления питьевой воды или воды для хозяйственных нужд, которая при необходимости может отводиться из системы 20 управления жидкостью. Также с помощью водосистемы W осуществляется ренатурация окружающей среды горной выработки, а также жидкости, а также обеспечивается улучшенная защита грунтовой воды.
Следует заметить, что наряду с самым верхним хранилищем 24 дополнительно или альтернативно какое угодно хранилище 21, 22, 23 может иметь трубопровод 26, который проходит до поверхности O (земли) и над ней наружу в окружающую среду. Трубопровод 26 может быть, кроме того, также снабжен фильтрующим устройством 25. Также выдающийся из горной выработки M конец трубопровода 26 может быть снабжен клапаном 6 разрежения или патрубком для подключения отсасывающего устройства или собирающего устройства или т.п., чтобы надежно улавливать отпущенную жидкость. Трубопровод 26 может также входить в неизображенный резервуар для жидкости.
На фиг.3 показан третий вариант осуществления подземной системы 30 управления жидкостью. Со ссылкой на вышеназванные примеры осуществления одинаковые признаки снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями. В отношении всех соответствующих признаков в полном объеме делается ссылка на приведенные выше рассуждения. Кроме того, следует констатировать, что в рамках изобретения возможна любая комбинация признаков и вариантов осуществления примеров осуществления между собой.
В соответствии с фиг.3 подземная система 30 управления жидкостью имеет три хранилища 31, 32, 33, образованные из полостей горной выработки M. В соответствии с этим примером осуществления теперь описан случай, в котором (по меньшей мере) одно хранилище 32 проходит таким образом, что оно вдается из незагрязненного слоя N в загрязненный слой K; то есть по меньшей мере одно хранилище проходит через несколько геологических слоев, при этом по меньшей мере один из этих слоев представляет собой загрязненный слой.
В таком случае возможно, чтобы все находящиеся в загрязненном слое K хранилища 31, 32 отделялись по потоку от хранилищ 33 в незагрязненных слоях N, например, путем закрытия самого верхнего запорного клапана 10 в шахте 5. При этом возникает замкнутый циркуляционный контур очистки для очистки жидкости в этих хранилищах 31, 32, как это уже было описано выше. Когда жидкость очищена, то она может любым описанным выше образом соединяться с хранилищами 33 в незагрязненных слоях с целью генерирования энергии, аккумулирования и при необходимости дополнительной очистки жидкости. Закрытый самый верхний запорный клапан 10 может для этого снова периодически открываться.
В этом случае, однако, возможно, что жидкость из незагрязненных слоев N ненужным образом смешивается с загрязненной жидкостью и таким образом в нее попадают примеси. Таким образом, по третьему примеру осуществления можно избежать неконтролируемого смешивания жидкостей посредством надлежащих строительных разделительных мер и, таким образом, обеспечить эффективную защиту грунтовой воды. Это достигается предпочтительно за счет того, что в проходящем как через незагрязненные слои N, так и загрязненные слои K хранилище 32 предусматривается искусственный барьер 35, который разделяет это хранилище на нижнюю область 321 и верхнюю область 322. Барьер 35 предпочтительно расположен таким образом, что он проходит по водоупору A, отделяющему загрязненный слой K от незагрязненного слоя N. Барьер 35 состоит предпочтительно из непроницаемого по меньшей мере для жидкостей материала. Барьер 35 расположен в хранилище 32 таким (уплотняющим) образом, что жидкость не может попадать из верхней области 322 хранилища 32, которое расположено в незагрязненном слое N, в нижнюю область 321 хранилища 32, которое расположено в загрязненном слое K (и наоборот). Таким образом, благодаря взаимодействию барьера 35 с водоупором A еще эффективнее предотвращается смешивание незагрязненной и загрязненной жидкостей.
В барьере 35 может быть также предусмотрен проход 36 для периодического соединения двух областей 321, 322 хранилища 32. Этот проход предпочтительно периодически может закрываться с помощью закрывающего устройства, такого как, например, запорный клапан 10. Кроме того в проходе 36 может быть предусмотрена включенная по потоку после запорного клапана 10 турбина 8 с генератором 9.
Во избежание ненужного загрязнения жидкости в верхних хранилищах или, соответственно, областях 33, 322 хранилищ запорный клапан 10 в барьере 35 во время процесса очистки в нижних двух хранилищах или, соответственно, областях 31, 321 хранилищ закрыт до тех пор, пока примеси жидкости не будут устранены в достаточной мере.
Как можно видеть на фиг.3, расположенные соответственно друг над другом хранилища соединены посредством трубопроводов 4, а также подключенных к ним насосных устройств P. Таким же образом две области 321, 322 среднего хранилища 32 соединены друг с другом, при этом соединяющий их по потоку трубопровод 37 предпочтительно проходит уплотняющим образом через барьер 35. В трубопроводах 4, 37 или же иным образом (например, в шахтах 5 или, соответственно, проходе 36) может быть также предусмотрено фильтрующее устройство 25. В желаемом месте может быть также предусмотрено неизображенное устройство очистки для изменения значения pH жидкости.
Насосные устройства P описанным выше образом связаны с геотермическим устройством 7.
Как видно также на фиг.3, самое нижнее хранилище 31 соединено с находящимся над ним хранилищем 32 (точнее, его нижней областью 321) посредством трубопровода 4. Кроме того, предлагается, чтобы по меньшей мере самое нижнее хранилище 31 было соединено непосредственно с самым верхним хранилищем 33 или несколькими расположенными над ним хранилищами или областями хранилищ. Во избежание ненужных затрат (например, на дополнительное насосное устройство) возможно, чтобы отдельные трубопроводы 4 были соединены друг с другом участками 4' соединительных трубопроводов. На фиг.3 в качестве примера этому показано, что трубопровод, соединяющий самое нижнее хранилище 31 с нижней областью 321 среднего хранилища 32 через участок 4' соединительного трубопровода, соединен с трубопроводом 4, соединяющим верхнюю область 322 среднего хранилища с самым верхним хранилищем 33. В местах соединения трубопроводов 4, 4' предпочтительно в каждом случае предусмотрены клапаны 38. Посредством этих клапанов 38 может периодически регулироваться поток жидкости и периодически определяться направление течения, так чтобы предотвращалось смешивание загрязненной и незагрязненной жидкостей. Такого рода участки 4' соединительных трубопроводов могут предусматриваться произвольно между всеми трубопроводами 4, 26, 37.
На фиг.4 показан четвертый пример осуществления подземной системы 40 управления жидкостью. Со ссылкой на вышеназванные примеры осуществления одинаковые признаки снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями. В отношении всех соответствующих признаков в полном объеме ссылаемся на приведенные выше рассуждения. Кроме того, следует констатировать, что в рамках изобретения возможна любая комбинация признаков и вариантов осуществления примеров осуществления между собой.
Подземная система 40 управления жидкостью в соответствии с фиг.4 по существу соответствует системе фиг.2. На фиг.4 хранилище 41 расположено в загрязненном слое, в то время как два находящихся над ним хранилища 42, 43 предусмотрены в незагрязненном слое.
Существенное отличие подземной системы 40 управления жидкостью четвертого примера осуществления заключается в исполнении ступени очистки. Дополнительно или альтернативно описанным выше фильтрующим устройствам 25 и устройствам очистки, которые на фиг.4 не изображены, хранилище может быть по меньшей мере частично наполнено пористым материалом, который тогда образует фильтрующее устройство 44 для удаления загрязнений в жидкости (например, поверхностной воде или грунтовой воде) или самом загрязненном слое (например, посредством жидкости). Такого рода фильтрующее устройство сравнимым образом также описано в EP 2058441A1. Ниже оно описывается в качестве примера.
На фиг.4 находящееся в загрязненном слое K хранилище 41 по меньшей мере частично наполнено пористым материалом 45. Под «по меньшей мере частично» в рамках настоящего изобретения следует понимать, что хранилище 41 должно наполняться по меньшей мере таким количеством пористого материала 45, какое необходимо для достижения достаточно хорошего аккумулирования и очистки жидкости.
Предпочтительно пористый материал 45 представляет собой гравий, гальку, песок (например, кварцевый песок) или их смесь. Но может также применяться глина с примесью песка, ил и/или глина. Могут также применяться геотекстильные материалы. Также могут применяться другие материалы, такие как, например, полимерные материалы, когда они вследствие их пористости, отношении объема всех их полостей к их наружному объему, способны аккумулировать и транспортировать воду.
Фильтрующее устройство 44 включает в себя по меньшей мере один барьерный слой 46 или несколько барьерных слоев 46 (фиг.4), которые расположены внутри хранилища 41. Барьерный слой 46, кроме того, снабжен по меньшей мере одним проходом 47 для жидкостей.
Помимо прохода 47, который является водонепроницаемым, барьерный слой 46 изготовлен из материала, который по существу является водопроницаемым. Под «по существу водонепроницаемым» в рамках настоящего изобретения понимается, что барьерный слой 46 выполнен таким образом, что основная часть воды, которая просачивается через хранилище 41, не может попадать через барьерный слой 46 в область над барьерным слоем 46 или, соответственно, под ним.
Барьерный слой 46 служит для продления пути просачивания (см. стрелки на фиг.4) подлежащей очистке жидкости сквозь пористый материал 45 хранилища 41. Благодаря продлению пути просачивания жидкость может дольше аккумулироваться внутри хранилища 41. Кроме того, жидкость фильтруется в течение более длинного периода времени, что приводит к улучшенному удалению загрязнения и благодаря чему, следовательно, улучшается качество очищенной жидкости.
Когда жидкость достигает барьерного слоя 46, то она начинает скапливаться за счет дополнительно просачивающейся жидкости. В этом скопившемся состоянии она проникает в капилляры пористого материала 46. Это приводит к тому, что в области непосредственно перед барьерным слоем 46 частицы мусора и грязи особенно хорошо откладываются или, соответственно, осаждаются внутри пор и на них.
Предпочтительно барьерный слой 46 расположен горизонтально, так как при горизонтальном расположении путь просачивания жидкости через фильтрующее устройство 44 имеет наибольшую длину, что особенно положительно сказывается на качестве очищенной воды. Но возможен также любой другой уклон барьерного слоя 46, если свойство барьерного слоя 46 продлевать путь просачивания жидкости при этом не теряется. Отдельные барьерные слои 46 внутри системы могут иметь каждый одинаковую степень уклона, но также отличаться друг от друга по своей степени уклона.
Проход 47 занимает, относительно всего барьерного слоя 46, только небольшую область поверхности. Предпочтительно речь идет при этом об области поверхности от 5 до 20% относительно всей поверхности барьерного слоя 46.
Предпочтительно проход 47 расположен в наружной области барьерного слоя 46, так что путь, который прошла жидкость по барьерному слою 46, примерно соответствует максимально возможному, что приводит к особенно хорошему результату очистки.
Предпочтительно по меньшей мере у двух барьерных слоев 46, как показано на фиг.4, проходы 47 двух соседних барьерных слоев 46 смещены друг относительно друга, особенно предпочтительно расположены друг напротив друга, так чтобы путь просачивания жидкости был максимальным.
Фильтрующее устройство включает в себя также приемный резервуар 48, который проходит от дна хранилища 41 по существу в вертикальном направлении вверх, предпочтительно до крыши или немного не доходя до крыши хранилища 41. Возможно также, чтобы приемный резервуар проходил в форме колодца до поверхности O (земли).
Приемный резервуар 48 имеет по меньшей мере под самым нижним барьерным слоем 46 по меньшей мере одно отверстие 49, через которое может течь или, соответственно, просачиваться очищенная жидкость. Очищенная жидкость может тогда накапливаться в приемном резервуаре 48 и предоставляться либо для забора, для дополнительной очистки и/либо для генерирования энергии.
Для забора жидкости из приемного резервуара 48 существуют различные возможности, две предпочтительные из которых описываются ниже.
В соответствии с первой возможностью фильтрующее устройство 44 предпочтительно имеет насосное устройство P внутри приемного резервуара. Это устройство расположено у дна хранилища 41. От этого насосного устройства P проходит трубопровод 4 вверх через приемный резервуар 48 и входит в выпуск 50, так что доставляемая вверх жидкость для повторной очистки над самым верхним барьерным слоем 46 может вводиться в хранилище 41 или, соответственно, фильтрующее устройство 44.
Как показано на фиг.4, возможно также, чтобы трубопровод 4, проходящий из приемного резервуара 48, проходил через все хранилища 41, 42, 43 и при необходимости до поверхности O (земли) и над ней, чтобы предоставлять жидкость, предпочтительно после выполненной очистки, также в расположенные над ним хранилища 42, 43 или в окружающую среду. Для этого трубопровод 4 в необходимых для этого местах в хранилищах 41, 42, 43 имеет клапаны 38, от которых ответвляются участки 4'' отпускного трубопровода. Посредством этих клапанов 38 может периодически регулироваться поток жидкости и периодически определяться направление течения, так чтобы предотвращалось смешивание загрязненной и незагрязненной жидкостей. Когда очистка закончена, клапан 38 в хранилище 41 к соответствующему участку 4'' отпускного трубопровода может закрываться, так чтобы жидкость затем через открытый вверх трубопровод 4 периодически направлялась в соединенные посредством этого трубопровода 4 хранилища 42, 43 или в окружающую среду.
Следует заметить, что все описанные ранее трубопроводы 4 могут быть выполнены соответственно трубопроводу 4, показанному на фиг.4, который проходит через все хранилища и при необходимости до поверхности O (земли) и снабжен соответствующими клапанами 38 и участками 4'' отпускного трубопровода. Таким простым образом могут экономиться трубопроводы 4, 26, 37, так как для соединения нескольких хранилищ должно быть предусмотрено только лишь небольшое количество трубопроводов 4. Возможно также, чтобы, помимо показанного на фиг.4 примера осуществления, в проходящем через все хранилища 41, 42, 43 трубопроводе 4 внутри каждого хранилища 41, 42, 43 был предусмотрен насос, так чтобы для эксплуатации системы 1, 20, 30, 40 управления жидкостью был необходим только один единственный трубопровод 4.
В соответствии со второй возможностью забора жидкости из приемного резервуара 48 приемный резервуар 48 может быть расположен таким образом, чтобы он располагался над соединением, например, шахтой 5, которое или, соответственно, которая ведет к расположенному под ней хранилищу (не изображено), при этом приемный резервуар 48 предпочтительно охватывает шахту 5 (по существу полностью). Шахта 5 может быть, как уже описано выше, закрыта посредством запорного клапана 10 и периодически открываться, например, при наполненном приемном резервуаре 48. Жидкость может тогда через запорный клапан 10 и шахту 5 направляться в расположенное под ней хранилище. Предпочтительно в шахте 5 тоже соответственно расположена уже описанная ранее турбина 8 с генератором 9.
Расположенное под хранилищем 41 хранилище может быть тоже оснащено фильтрующим устройством 44, которое показано в самом нижнем хранилище 41 фиг.4, так чтобы производительность очистки улучшалась.
В рамках изобретения для жидкостей, содержащих примеси радиоактивных веществ, особенно предпочтительно, если хранилища (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) или, соответственно, горные выработки (M) были предусмотрены в глинистых породах, таких, которые, например, имеются в формациях опалиновых глин в Юре. Это, в частности, имеет особое преимущество для загрязненных ураном горных выработок. Содержащиеся в глине глинистые минералы (например, каолинит) служат при этом для связывания радиоактивных веществ, которые таким образом могут вычищаться из жидкости. При взаимодействии с содержащимися в глинистой породе железорудными минералами, которые способствуют восстановление радиоактивных веществ и вместе с тем их фиксации в глинистой породе, очистка жидкостей в подземной системе (1, 20, 30, 40) может еще более интенсифицироваться.
Дополнительно или альтернативно возможно, чтобы стенки хранилищ (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) или, соответственно, горные выработки (M) в целях очистки жидкости снабжались натуральной глиной (в частности, содержащей глинистые минералы). Для этого слой глины может наноситься на внутренние стенки хранилищ (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43), в частности, когда горная выработка (M) не предусмотрена в глинистой породе. Слой глины, когда он связал достаточное количество радиоактивных веществ или когда он, соответственно, насыщен радиоактивными веществами, может сноситься и безвредным для окружающей среды образом подвергаться утилизации или, соответственно, захоронению или обработке. Если горная выработка (M) предусмотрена в глинистой породе, то, например, крайний наружный слой глины внутренних стенок хранилищ (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) через равные промежутки может сноситься и соответственно подвергаться утилизации или обработке, чтобы удалять сильно загрязненные слои глины и продолжать очистку со «свежим» слоем глины.
Кроме того, возможно, чтобы посредством применения глины предусматривались абсорбирующие перегородки или разделительные слои (из глины или глинистой породы) в подземной системе (1, 20, 30, 40) управления жидкостью. Для этого образованные из глины (породы) перегородки или разделительные слои предпочтительно в местах в горной выработке (M) в хранилищах (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) или между ними, или же отдельно, то есть, например, вне горной выработки (M), предусматриваются там, где залегает или, соответственно, протекает (загрязненная) жидкость; естественным или искусственным образом.
Со ссылкой на примеры осуществления это означает, что, например, в соединительных шахтах 5, 27, фильтрующих устройствах 25, трубопроводах 4, 26, 37, барьере 35, проходе 36 или в прочих надлежащих местах горной выработки (M) могут быть предусмотрены перегородки или разделительные слои из глины. Например, также сам барьер 35 или фильтрующее устройство 25 могут быть образованы из соответствующей глины. Также можно предусмотреть дополнительные барьерные слои из глины в качестве перегородок и устройство очистки, в частности, для жидкостей, загрязненных радиоактивными веществами.
Кроме этого, можно предусмотреть глину в качестве фильтрующего элемента, например, в виде насыпных частиц глины, в горной выработке (M), так чтобы она соединялась с загрязненной жидкостью и могла связывать содержащиеся в ней радиоактивные вещества. Другими словами, глина не должна находиться в виде слоя или стены, а может предусматриваться в любой форме, например, «твердой» (в виде глиняных плит или глиняных груд), «расположенной неподвижно» (в виде разделительного слоя или перегородки), «насыпью упорядоченно» (в виде фильтрующих частиц в (ограниченном) корпусе фильтра) или «насыпью произвольно» (например, взмучено в загрязненной жидкости). Предпочтительно глина или, соответственно, глинистая порода предусмотрена так, что она может периодически заменяться или сноситься, когда в ней связано предопределенное количество загрязненных (радиоактивных) веществ. Таким образом, предоставляется эффективное устройство очистки, в частности, для радиоактивно загрязненных жидкостей.
Ниже описывается способ эксплуатации системы 1, 20, 30, 40 управления жидкостью.
Изобретение включает в себя также способ эксплуатации системы 1, 20, 30, 40 управления жидкостью для горных выработок M, включающий в себя следующий этап: нагнетание жидкости по меньшей мере из одного первого хранилища 2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42, которое образовано полостью в горной выработке M, по меньшей мере в одно второе хранилище 3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43, дно которого расположено выше дна первого хранилища 2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42, по меньшей мере по одному соединяющему хранилища 2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43 трубопроводу 4 для пропускания жидкости, при этом жидкость посредством по меньшей мере одного насосного устройства P по трубопроводам 4 от первого хранилища 2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42 доставляют во второе хранилище 3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43, и при этом насосное устройство P приводят в действие посредством геотермического устройства 7 системы 1, 20, 30, 40 управления жидкостью.
Кроме того, способ может включать в себя следующий этап: очистка жидкости посредством фильтрующего устройства 25, 44 ступени очистки, при этом фильтрующее устройство 25 либо соединено по потоку с насосным устройством P таким образом, либо расположено с обеспечение потока в соединяющем хранилища 2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43 проходе 5 таким образом, что жидкость очищается в процессе нагнетания или при пропускании через проход 5, или при этом фильтрующее устройство 44 образовано из по меньшей мере частично заполняющего хранилище 41 пористого материала 45, и жидкость при пропускании через пористый материал 45 очищается.
Кроме того, между первым хранилищем 2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42 и вторым хранилищем 3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43 может быть предусмотрен проход 5, при этом предлагаемый изобретением способ тогда также может включать в себя следующие этапы: спуск жидкости из второго хранилища 3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43 в первое хранилище 2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42 посредством выборочного открытия предусмотренного в проходе 5 запорного клапана 10, и генерирование энергии путем приведения в действие устройства 8 генерирования энергии посредством спускаемой через проход 5 жидкости, при этом устройство 8 генерирования энергии в проходе 5 расположено ниже по потоку от запорного клапана 10.
Изобретение не ограничено описанными выше примерами осуществления. Более того, описанные в них признаки могут комбинироваться между собой произвольным образом.
Изобретение также не ограничено количеством хранилищ, а также количеством и видом исполнения соединения между хранилищами. Так, например, каждые два или несколько хранилищ могут быть соединены друг с другом посредством шахт и/или трубопроводов, а также соответствующих насосных устройств, турбин и запорных клапанов. Хранилища не должны быть также расположены непосредственно друг над другом, а могут быть также расположены со смещением друг относительно друга по горизонтали и/или с перекрытием по вертикали, пока возможно описанное выше гидравлическое соединение по меньшей мере между частью хранилищ. Кроме того, в каком угодно хранилище могут предусматриваться какие угодно и сколько угодно ступеней очистки (фильтрующее устройство; устройство очистки). Также, наряду с геотермией, может предусматриваться какой угодно источник энергии для эксплуатации системы. Геотермия может, к тому же, всегда использоваться как опосредствованно (генерирование электрического тока; генерирование холода), так и непосредственно (генерирование тепла).
1. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью для горных выработок (М) для генерирования энергии и/или аккумулирования энергии, аккумулирования и/или очистки находящихся в горной выработке (М) жидкостей, имеющая:
по меньшей мере одно первое хранилище (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42), которое образовано полостью горной выработки (М),
по меньшей мере одно второе хранилище (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43), дно которого расположено выше дна первого хранилища (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42),
по меньшей мере один соединяющий хранилища (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) трубопровод (4) для пропускания жидкости, и
по меньшей мере одно насосное устройство (Р) для нагнетания жидкости по трубопроводам (4) от первого хранилища (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42) во второе хранилище (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43),
отличающаяся тем, что
система дополнительно содержит
геотермическое устройство (7) по меньшей мере для эксплуатации насоса (P), при этом
по меньшей мере одно хранилище (32) проходит таким образом, что оно вдается из незагрязненного слоя (N) в загрязненный слой (K), и
предусмотрен искусственный барьер (35) в хранилище (32), проходящем через слои (N, K),
причем искусственный барьер (35) разделяет хранилище (32), проходящее через слои (N, K), на нижнюю область (321) и верхнюю область (322).
2. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1, в которой все хранилища (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) образованы полостями горной выработки (М).
3. Подземная система (20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1 или 2, в которой между хранилищами (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) и/или внутри них предусмотрены ступени очистки.
4. Подземная система (20, 30, 40) управления жидкостью по п. 3, в которой ступень очистки имеет по меньшей мере одно фильтрующее устройство (25, 44) для очистки жидкости.
5. Подземная система (20, 30, 40) управления жидкостью по п. 4, в которой фильтрующее устройство (25) таким образом гидравлически соединено с насосным устройством (Р), что жидкость очищается в процессе нагнетания насосного устройства (Р).
6. Подземная система (40) управления жидкостью по п. 4 или 5, в которой хранилище (41) по меньшей мере частично наполнено пористым материалом (45), который образует фильтрующее устройство (44).
7. Подземная система (40) управления жидкостью по п. 6, в которой фильтрующее устройство (44) включает в себя также:
по меньшей мере один по существу горизонтально ориентированный барьерный слой (46) для продления пути просачивания жидкости, причем барьерный слой (46) снабжен по меньшей мере одним проходом (47) для жидкости, а выше и ниже барьерного слоя (46) находится пористый материал (45); и
приемный резервуар (48) для сбора очищенной жидкости, который проходит от дна хранилища (41) по существу в вертикальном направлении вверх,
при этом приемный резервуар (48) имеет по меньшей мере под нижним барьерным слоем (45) по меньшей мере одно отверстие (49), через которое может течь или, соответственно, просачиваться жидкость.
8. Подземная система (40) управления жидкостью по п. 7, в которой насосное устройство расположено в приемном резервуаре (48), при этом трубопровод (4) проходит в вертикальном направлении вверх из приемного резервуара (48) наружу в хранилище (41), предпочтительно также, кроме того, из самого хранилища (41) наружу.
9. Подземная система (40) управления жидкостью по п. 7 или 8, в которой приемный резервуар (48) расположен таким образом, что он расположен над соединительным отверстием, которое ведет к находящемуся под ним хранилищу, при этом приемный резервуар (48) охватывает соединительное отверстие.
10. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 3, в которой ступень очистки имеет по меньшей мере одно устройство очистки для повышения или понижения значения pH жидкости.
11. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 10, в которой устройство очистки имеет по меньшей мере один слой извести, через который и/или по которому жидкость направляется для изменения значения pH.
12. Подземная система (30) управления жидкостью по п. 1, в которой искусственный барьер (35) проходит по водоупору, отделяющему загрязненный слой (K) от незагрязненного слоя (N).
13. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1, в которой трубопроводы (4, 2 6) проходят по существу в вертикальном направлении вверх из хранилища (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) наружу в расположенное над ним хранилище (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43) или из горной выработки (М) наружу.
14. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1, в которой геотермическое устройство (7) представляет собой первичный источник энергии и система, кроме того, имеет по меньшей мере один дополнительный источник энергии.
15. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 14, в которой дополнительный источник энергии имеет ветровую энергетическую установку, гелиоустановку и/или гидроаккумулирующую электростанцию.
16. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1, в которой хранилище (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) выполнено в виде запаса жидкости, в котором собирается и подготавливается жидкость.
17. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1, в которой жидкость представляет собой воду, предпочтительно грунтовую воду и/или поверхностную воду или воду, искусственно впущенную в горную выработку (М).
18. Подземная система (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1, в которой предусмотрены перегородки или разделительные слои из глины или глинистой породы в подземной системе (1, 20, 30, 40) управления жидкостью там, где залегают или, соответственно, протекают загрязненные жидкости, чтобы, в частности, очищать жидкости, загрязненные радиоактивными веществами.
19. Водосистема (W) для предоставления питьевой воды и воды для бытовых нужд, имеющая подземную систему (1, 20, 30, 40) управления жидкостью по п. 1 в качестве системы управления водой, имеющая также систему (S) отпуска для предоставления воды из системы управления водой.
20. Способ эксплуатации системы (1, 20, 30, 40) управления жидкостью для горных выработок (М), включающий в себя следующий этап:
нагнетание жидкости по меньшей мере из одного первого хранилища (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42), которое образовано полостью в горной выработке (М), по меньшей мере в одно второе хранилище (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43), дно которого расположено выше дна первого хранилища (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42), по меньшей мере по одному соединяющему хранилища (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) трубопроводу (4) для пропускания жидкости,
при этом жидкость посредством по меньшей мере одного насосного устройства (Р) по трубопроводам (4) от первого хранилища (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42) доставляют во второе хранилище (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43), причем по меньшей мере одно хранилище (32) проходит таким образом, что оно вдается из незагрязненного слоя (N) в загрязненный слой (K),
причем способ включает следующие этапы:
насосное устройство (Р) приводят в действие посредством геотермического устройства (7) системы (1, 20, 30, 40) управления жидкостью, и
выполняют искусственный барьер (35) в хранилище (32), проходящем через слои (N, K), причем искусственный барьер (35) выполняют таким образом, что он разделяет хранилище (32), проходящее через слои (N, K), на нижнюю область (321) и верхнюю область (322).
21. Способ по п. 20, дополнительно включающий в себя следующий этап:
очистка жидкости посредством фильтрующего устройства (25, 44) ступени очистки,
при этом фильтрующее устройство (25) либо соединено по потоку с насосным устройством (Р) таким образом, либо расположено с обеспечением потока в соединяющем хранилища (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) проходе (5) таким образом, что жидкость очищают в процессе нагнетания или при пропускании через проход (5), или
при этом фильтрующее устройство (44) образовано из по меньшей мере частично заполняющего хранилище (41) пористого материала (45) и жидкость очищается при пропускании через пористый материал (45).
22. Способ по п. 20 или 21, при этом между первым хранилищем (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42) и вторым хранилищем (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43) предусмотрен проход (5), при этом способ дополнительно включает в себя следующие этапы:
спуск жидкости из второго хранилища (3, 22, 23, 24, 32, 33, 42, 43) в первое хранилище (2, 21, 22, 23, 31, 32, 41, 42) посредством выборочного открытия предусмотренного в проходе (5) запорного клапана (10), и
генерирование энергии путем приведения в действие устройства (8) генерирования энергии посредством спускаемой через проход (5) жидкости, при этом устройство (8) генерирования энергии в проходе (5) расположено ниже по потоку от запорного клапана (10).
23. Способ по п. 20 или 21, дополнительно включающий в себя этап:
повышение или понижение значения pH жидкости, при этом жидкость пропускают через расположенное внутри хранилищ (2, 3, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 41, 42, 43) или между ними устройство очистки, предпочтительно имеющее по меньшей мере один слой извести.
