AT404247B - Druckbehälter für zu speichernde gase - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter für zu speichernde Gase, insbesondere für bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gasförmigen Kohlenwasserstoffen, z. B. Methan, Ethan, Propan, Butan iso-Butan, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Gase, insbesondere unter Druck stehende Gase, haben einen vielfältigen Einsatz in Industrie, Gewerbe und Haushalt. Es kommen hiebei Gase unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung, wie beispielsweise Karbondioxid, Sauerstoff und auch Kohlenwasserstoffe, zu unterschiedlichen Einsätzen. Diese Gase stehen in der Regel unter Druck, so daß einerseits größere Mengen in einem Behälter gespeichert werden können und andererseits durch die Druckdifferenz gegenüber einem Verbraucher eine selbsttätige Förderung derselben einsetzt.

Bei den Energieträgern ist ein stetiger Wandel vom festen Energieträger, wie Holz und Kohle, zum flüssigen Energieträger, wie flüssige Erdölprodukte und zu gasförmigen Energieträgern vorhanden. Bei den gasförmigen Energieträgern sind jene, die bei Ihrer Verbrennung nur einen geringen Anteil an CO2 besitzen, bevorzugt. Obwohl Technologien entwickelt wurden, durch Hochtemperatureinwirkung aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen, ist der künftige Einsatz dieser Technologien zur Zeit nicht absehbar. Ein breiter Einsatz ist jedoch durch das sogenannte Erdgas gegeben, welches einen hohen Anteil, beispielsweise bis über 95 % Methan aufweist. Zur Verteilung des Erdgases werden am Festland Rohrleitungen ober- aber auch unterirdisch verlegt, wohingegen der Transport über die Meere in Tankern in verflüssigter Form durchgeführt wird. In den Rohrleitungen von den Bohrlöchern zu den Sammelstellen herrscht in der Regel ein Betriebsdruck von 70 bar bis 100 bar, um das Gas in Sammelstellen zu leiten. Von dort gelangt das Erdgas in Ferngasleitungen, wobei der Transport unter einem Druck von ca. 70 bar zu Übernahmestationen erfolgt, von wo es unter stetiger Abminderung des Druckes bis zu 20 mbar an die Abnehmer, sei es in Industrie, Haushalt und Gewerbe gelangt. Der höhere Druck in den Gasfernleitungen hat nicht nur den Zweck, die Gasströmung zu ermöglichen, sondern erlaubt gleichzeitig die Kapazität von Rohrleitungen mit gleicher geometrischer Abmessung zu erhöhen.

Gasspeicher, je nach Ihrer Größe, haben unterschiedliche Aufgaben. So sind beispielsweise sogenannte Untergrundspeicher bekannt, wobei die Porenspeicher in der Regel ausgebeutete Gas- oder Ölfelder sind und die Kavernenspeicher durch künstlich angelegte Hohlräume erhalten werden. Derartige unterirdische Speicher für Erdgas haben den Vorteil, daß mit relativ geringem maschinellen Einsatz große Mengen, wie beispielsweise den Gasverbrauch von zwei bis drei Monaten eines Industriegebietes oder Wohngebietes gelagert werden können. Neben diesen langfristigen Speichern sind, um den Verbrauch vor Ort Rechnung zu tragen, und nicht Rohrleitungen mit größeren Durchmessern verlegen zu müssen, auch andere Maßnahmen bekannt. So der Verbraucher zustimmt, kann auch vor Ort, um den Druck im Erdgas beizubehalten, Luft zugemischt werden. Weiters ist bekannt, Flüssiggas, insbesondere Flüssigerdgas, vor Ort zu verdampfen und zuzuleiten. Ein derartiges Flüssigerdgas wird in der Regel vor Ort in Kugelbehältern gelagert, wobei in denselben ein Druck von 30 bar bis 40 bar herrscht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sogenannte oberirdische Röhrenspeicher vorzusehen, wobei beispielsweise für ein Speichervolumen von 5.000 m3 vierzehn Reihen mit einer Länge von je 150 m und einem Rohrdurchmesser von 1,50 m aufgebaut wird. Der Betriebsdruck beträgt hiebei 72 bar. Derartige Speicher weisen somit einen besonders hohen Flächenbedarf auf.

Aus der Energietechnik ist es bekannt, mehrschalige gasdichte Behälter aufzubauen, wobei durch eine innere metallische Schichte, welche vielfach auch als Dichthaut bezeichnet wird, die von Gas beaufschlagt ist, die Abdichtung gegenüber der Atmosphäre durchzuführen, wohingegen zum Schutz dieser Schichte sowohl gegen mechanische Beanspruchung als auch gegen zu hohen Innendruck eine äußere Schichte aus einem Stützmedium, in der Regel Beton, vorgesehen ist. Derartige Betonbehälter mit Dichthaut sind entweder teilkugelförmig oder zylinderförmig mit einem teilkugelförmigen Abschluß aufgebaut. Die Zylinderhöhe entspricht hiebei in etwa dem Durchmesser des Zylinders.

Aus der US 5,207,530 A wird eine Erdgastankstelle für Kraftfahrzeuge bekannt, wobei durch Rohre, die über Schraubmuffen verbunden sind und an ihrem unteren Ende über eine Gewindekappe verschlossen sind, ein Druckbehälter gebildet ist. Derartige Rohre sind aus dem Einsatz in der Erdölindustrie bekannt. Ein Speicher dieser Bauart kann einerseits nur geringe Gasmengen speichern und weiters ist die Entnahme der Gasmenge aus dem Druckbehälter pro Zeiteinheit relativ gering, da sich der Behälter während der Gasentnahme abkühlt und eine Erwärmung des Behälters durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung abgewartet werden muß. Die vorliegende Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er durch die US 5,207,530 A gegeben ist.

Der Erfindung ist zur Aufgabe gesetzt, einen Druckbehälter für Gase, insbesondere gasförmige Kohlenwasserstoffe, zu schaffen, welcher vor allem zur Spitzenabdeckung des Gasbedarfes geeignet ist und selbst bei Kapazitäten von 50.000 m3 nur einen geringsten Rächenbedarf aufweist. Weiters ist zur Aufgabe gestellt, möglichst auf herkömmliche Verfahrensweisen bei der Herstellung des Druckbehälters zurückzug- 2

AT 404 247 B reifen und welcher besonders hohe Sicherheiten aufweist, so daß keine wesentlichen Maßnahmen gegen das Bersten des Druckbehälters selbst bei hohen Drucken, wie 300 bar oder 500 bar, erforderlich sind.

Der erfindungsgemäße Druckbehälter für zu speichernde Gase, insbesondere für bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gasförmigen Kohlenwasserstoffen, z. B. Methan, Ethan, Propan, Butan, iso-Butan, mit einer metallischen im wesentlichen zylindrischen Dichthaut, die mittel- und/oder unmittelbar an einem Stützmedium, z. B. Beton, anliegt und Zu- und Ableitungen für die Gase ausschließlich im oberen Endbereich aufweist, wobei der Druckbehälter, welcher durch die zylindrische Dichthaut gebildet ist, im Erdreich quer zur Horizontalen, insbesondere im wesentlichen vertikal, angeordnet ist, besteht im wesentlichen darin, daß das Verhältnis von Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, und maximaler Erstrek-kung der zylindrischen metallischen Dichthaut zumindest 1 zu 100, insbesondere zumindest 1 zu 500 beträgt, und der untere Bereich der Dichthaut unlösbar, vorzugsweise mit Beton, verschlossen ist. Durch das große Verhältnis von Durchmesser zur maximalen Erstreckung der Dichthaut können auch bei einem relativ geringen Durchmesser der Dichthaut große Gasmengen gespeichert werden, wobei der Platzbedarf durch die Anordnung desselben quer zur Horizontalen im Erdreich, insbesondere bei vertikaler Anordnung besonders gering ist. Durch das Vorsehen der Zu- und Ableitungen im oberen Endbereich wird der Bedarf an zusätzlichen Rohrleitungen besonders gering. Ein derartiger Behälter kann mit konventioneller Technik, wie sie zum Erbohren von Erdgasfeldem und Erdölfeldern bekannt ist, erstellt werden, so daß auf hinläufig bekannte und sichere Technologien zurückgegriffen werden kann. Ist der untere Bereich der Dichthaut unlösbar, insbesondere mit Beton verschlossen, so kann einerseits der konventionelle Bohrvorgang durchgeführt werden, wobei ein Verschluß des unteren Bereiches des Behälters, also der Dichthaut, besonders leicht durchgeführt werden kann, wobei die Dichtheit besonders einfach gewährleistet ist. Durch die Erstreckung des Druckbehälters in tieferen Erdschichten, die bereits eine höhere Temperatur aufweisen, können größere Gasmengen pro Zeiteinheit entnommen werden.

Ist die Dichthaut mit einer Vielzahl hintereinander angeordneten und unmittelbar miteinander lösbar und gasdicht verbundenen, insbesondere mit konischen Gewinden verschraubten, Rohren aufgebaut, so kann der Druckbehälter mit an sich bekannten Förderrohren für Erdgas oder Erdöl aufgebaut sein, wobei bei der Abtäufung des Behälters die in der Erdöltechnik bekannte Verfahrensweise zum Einsatz gelangen kann.

Ist zumindest eine Dichthaut in einem zylindrischen Raum, insbesondere weiteren metallischen Rohr, angeordnet, und ist im Zwischenraum zur Dichthaut das Stützmedium angeordnet, so ist ein besonders sicherer mehrschichtiger Behälter erhalten. Wird, hiebei als Stützmedium eine Flüssigkeit eingesetzt, so kann durch die aufsteigenden Gasblasen auf geringste Undichtigkeiten der Dichthaut sofort Rückschluß gezogen werden.

Sind zumindest zwei metallische zylindrische Dichthäute vorgesehen, die über das Stützmedium voneinander getrennt sind, so können beispielsweise in einer Bohrung zwei zylindrische Dichthäute angeordnet werden, so daß mit einem Bohrvorgang der Hohlraum für zwei zylindrische Dichthäute geschaffen werden kann.

Ist das weitere metallische Rohr mit Teilrohrstücken gebildet, welche miteinander, insbesondere gasdicht, verbunden, vorzugsweise verschraubt, sind, so kann auch das äußere Rohr mit besonders verläßlicher und seit langer Zeit zum Einsatz gelangender Technik gefertigt werden.

Ist als Stützmedium zumindest teilweise Erdreich eingesetzt, so kann im wesentlichen in das gefertigte Bohrloch direkt die Dichthaut eingesetzt werden, so daß zusätzlich Arbeitsschritte vermieden werden, wobei, je nach Druckfestigkeit des Erdreiches, ebenfalls ein hohes Druckaufnahmevermögen bestehen kann.

Ist als Stützmedium zumindest teilweise eine Flüssigkeit eingesetzt, so kann einerseits durch Druckbelastung der Flüssigkeit ein hoher Gegendruck auf die Dichthaut ausgeübt werden, wobei gleichzeitig austretende Gase, die auf eine Undichtigkeit der Dichthaut hinweisen, leicht erkennbar sind.

Steht die als Stützmedium eingesetzte Flüssigkeit unter einem geringeren Druck als die zu speichernden Gase, so wird einerseits vermieden, daß Flüssigkeit durch undichte Stellen in den durch die Dichthaut gebildeten Hohfraum eintreten kann und weiters wird, wie bereits oben ausgeführt, eine Undichtigkeitsstelle durch austretende Gase und damit aufsteigende Gasblasen in der Flüssigkeit angezeigt.

Ist in dem durch die Dichthaut gebildeten Hohlraum ein reversibel wirkendes Adsorptionsmittel für die zu speichernden Gase angeordnet, so kann zusätzlich zur Erhöhung der Speichermenge durch Druck noch bei einem vorgegebenen Volumen eine weitere Steigerung der Gasmenge erreicht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Anordnung des Druckbehälters,

Fig. 2 und 3 Vertikalschnitte durch Druckbehälter mit zylindrischer Dichthaut,

Fig. 4 einen horizontalen Schnitt durch einen Druckbehälter mit drei zylindrischen Dichthäuten, 3

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Fig. 5 den unteren Abschluß einer Dichthaut und Fig. 6 Rohre mit gasdichten Verbindungsenden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten schematischen Anordnung gelangt das Erdgas aus der Ferngasleitung 1 mit einem Betriebsdruck von 65 bar bis 70 bar über das Ventil 2 und über die Druckreduzierung 3, in welcher der Druck, je nach dem das Gas in Bezirksregelstationen weitergeleitet wird, auf 25 bar bis 40 bar oder zum Verbraucher auf 20 mbar reduziert wird. Von der Druckreduzierstation gelangt das Gas zum Verbraucher 4, beispielsweise eine Gasturbine eines lokalen Elektrizitätserzeugers. Ein zweiter Gasleitungsstrang, welcher von der Ferngasleitung abzweigt, weist ein Ventil 5, einen Kompressor 6, beispielsweise einen Schraubenkompressor auf, von dem das Gas über die Ventile 7, 8 in den Druckbehälter 9 gelangt. Aus diesem wird das Gas erneut über das Ventil 8 und das Ventil 10 einer Druckreduzierung 11 und sodann dem Verbraucher 4 zugeführt. Während der Zeit eines Durchschnittsverbrauches gelangt das Erdgas aus der Ferngasleitung 1 über das Ventil 2 und die Druckreduzierung 3 zum Verbraucher 4. Gleichzeitig gelangt das Erdgas über das Ventil 5, den Kompressor 6, in welchem das Erdgas von 65 bar bis 70 bar Druck auf 250 bar aufgeladen wird, über die Ventile 7 und 8 in den Druckspeicher 9.

Bei Spitzenbedarf wird nun dem Verbraucher 4 Erdgas über die Ferngasleitung 1, das Ventil 2, die Druckreduzierung 3 zugeführt. Gleichzeitig wird bei geschlossenem Ventil 7 Erdgas aus dem Druckbehälter 9 über die Ventile 8, 10 der Druckreduzierung 11, in welcher der Druck von 250 bar auf den Arbeitsdruck des Verbrauchers reduziert wird, dem Verbraucher 4 zugeführt. Es gelangt somit neben dem Erdgas, das aus der Ferngasleitung 1 kommt, zusätzliches Erdgas aus dem Druckbehälter 9 zum Verbraucher 4. Es kann auf diese Art und Weise einerseits ein Druckabfall beim Verbraucher verhindert werden ohne, daß die Ferngasleitung eine höhere Kapazität aufweisen muß.

Der in Fig. 2 dargestellte Druckbehälter weist eine Dichthaut 12 mit 20” Innendurchmesser auf, die aus einzelnen Rohren mit einem Spitzende und Muffenende und einer Länge nach API Range 2 zwischen 8,5 m und 10,5 m aufgebaut ist.

Wie der Fig. 6 zu entnehmen, kann durch Zusammenbau der Rohre eine gasdichte Verbindung derselben erreicht werden. Die Gesamtlänge der vertikal angeordneten Dichthaut beträgt 1.500 m. Die Dichthaut ist in einer zylindrischen Bohrung 13, die einen Außendurchmesser von 30" aufweist. Der Hohlraum zwischen Dichthaut 12 und zylindrischer Bohrung 13 ist mit Beton 14 ausgefüllt. Bis zu einer Tiefe von 500 m ist ein weiterer äußerer Betonmantel 15 vorgesehen. Die Bohrung 13 kann nach konventioneller Art des Tiefbohrens in der Regel ein schiagdrehendes Tiefbohren verfertigt werden, wobei die Dichthaut 12 abgesenkt wird und durch dieselbe der flüssige Beton 14 in den Zwischenraum zwischen Dichthaut und zylindrischer Bohrung eingeführt wird. Mit einer Dichthaut mit 20" Innendurchmesser und 1.500 m Länge liegt ein geometrisches Volumen von ca. 300 m3 vor. Werden nun zwei derartige Druckbehälter nebeneinander vorgesehen, wobei jede Dichthaut von einem eigenen Beton 14 als Stützmedium umgeben ist, so liegt ein doppelter Druckbehälter mit einer Kapazität von ca. 150.000 m3 bei 250 bar vor. Steht das Erdgas im Druckbehälter unter einem Druck von 250 bar, so können pro Behälter, dessen geometrisches Volumen 300 m3 beträgt, 75.000 m3 gespeichert werden.

Bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 weist die Dichthaut 12 einen Innendurchmesser von 16" auf und ist von einem weiteren metallisehen Rohr 16 mit einem Innendurchmesser von 20" umgeben ist. Der Hohlraum zwischen Dichthaut 12 und weiterem metallischen Rohr 16 ist mit einem flüssigen Medium, u. zw. Wasser mit Korrosionsinhibitor, gefüllt. Der Zwischenraum ist ebenfalls gasdicht ausgebildet und es kann über das Ventil Gas entnommen werden, so daß beispielsweise bei Entweichen von Erdgas durch die Dichthaut dasselbe ermittelt werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht auch, am oberen ringförmigen Ende 19 Schaugläser 20 vorzusehen, wobei über dieselben einerseits Licht zugeführt werden kann und andererseits das Aufsteigen vom Gasblasen beobachtbar ist. Die Gesamtlänge der Dichthaut beträgt 2.250 m, wohingegen sich das flüssige Stützmedium lediglich bis zu einer Tiefe von 1.400 m erstreckt und von 1.400 m bis 2.250 m ein Schutzbeton 21 als Stützmedium angeordnet ist. Im oberen Bereich bis zu einer Tiefe von 500 m ist wieder ein äußerer Betonmantel 15 vorgesehen. Das weitere metallische Rohr ist zusätzlich von einem Beton 14, der ebenfalls als Stützmedium dient, umgeben. Eine derartiger Gasspeicher weist ein geometrisches Volumen von ca. 330 m3 auf, wobei ebenfalls durch Speicherung, beispielsweise bei einem Druck von 250 bar, 82.500 m3 Gas gespeichert werden können. ln Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform, u. zw. im horizontalen Schnitt, dargestellt. Das weitere metallische Rohr 16 dient als Aufnahmebehälter für ein flüssiges Medium 17, wobei getrennt von diesem Stützmedium 17 drei Dichthäute 12 angeordnet sind. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise für die Gasspeicherung unter besonders hohem Druck oder auch unter Temperaturen, die sich wesentlich von der Normaltemperatur unterscheiden, durchgeführt werden. Hiebei kann einerseits die Stützflüssigkeit einen besonders hohen Gegendruck unterworfen werden, welcher nur geringfügig geringer ist als der Druck in der 4

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1. AT 404 247 B Dichthaut, so daß noch Undichtigkeitsstellen durch entweichendes Gas erkannt werden können. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, das Stützmedium zu kühlen, so daß eine Kühlung der Behälter möglich ist, so daß beispielsweise eine Lagerung von flüssigen Gasen auf einfache Weise durchgeführt werden kann. In Fig. 5 ist der untere Bereich einer Dichthaut 12 dargestellt, wobei über das Rückschlagventil 22 Beton 14 eingebracht wurde. Dieser Beton befindet sich auch unmittelbar oberhalb des Rückschlagventiles, wobei ein Abschluß nach oben weiters über einen Stopfen 23 mit als Labyrinthdichtung wirkenden Dichtlippen 24 vorgesehen ist. Bei dem in Fig. 6 dargestellten zwei Rohrenden ist das Muffenende 25 sowie das Spitzende 26 von zwei Rohren 27, 28 dargestellt. Jedes Rohr weist ein Muffen- und Spitzende auf, so daß dieselben über das konische Gewinde 29 miteinander verschraubt werden können. Zur Abdichtung der Rohrverbindung sind konische Dichtflächen 30 und 31 vorgesehen, wobei mit Zusammenschrauben der Rohre die Dichtfläche 31 des Spitzrohrendes gegen die Dichtfläche 31 des Muffenrohrendes über die Dichtfläche 30 gepreßt wird. Die Rohre sind in der Regel aus Stahl, können jedoch auch aus anderen Metallen, je nach Korrisionsan-forderung, aufgebaut sein. Die Druckbehälter eignen sich nicht nur für Erdgas, sondern sind auch für andere Gase, u. zw. nicht nur für die Abdeckung des Spitzenbedarfes, geeignet. So kann beispielsweise Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff od. dgl. darin gelagert werden, insbesondere wenn bei den industriellen Anlagen eine besonders geringe Flächen für derartige Druckbehälter zur Verfügung steht. Als Adsorptionsmittel sind Aktivkohle, Kieselgur, Metalle, Lösungen od. dgl. geeignet. Patentansprüche 1. Druckbehälter für zu speichernde Gase, insbesondere für bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gasförmige Kohlenwasserstoffe, z. B. Methan, Ethan, Propan, Butan, iso-Butan, mit einer metallischen im wesentlichen zylindrischen Dichthaut (12), die mittel- und/oder unmittelbar an einem Stützmedium (14), z. B. Beton, anliegt und Zu- und Ableitungen, insbesondere eine gemeinsame Zu- und Ableitung, für die Gase ausschließlich im oberen Endbereich aufweist, wobei der Druckbehälter, welcher durch die zylindrische Dichthaut (12) gebildet ist, im Erdreich quer zur Horizontalen, insbesondere im wesentlichen vertikal, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis von Durchmesser und maximaler Erstreckung der zylindrischen metallischen Dichthaut (12) zumindest 1:100, insbesondere zumindest 1:500, beträgt, und der untere Bereich der Dichthaut (12) unlösbar, vorzugsweise mit Beton, verschlossen ist.
2. 2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Dichthaut (12) mit einer Vielzahl hintereinander angeordneten und unmittelbar miteinander lösbar und gasdicht verbundenen, insbesondere über konische Gewinde verschraubten, Rohren (27, 28) aufgebaut ist.
3. 3. Druckbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß zumindest eine Dichthaut (12) in einem zylindrischen Raum, insbesondere weiteren zylindrischen Rohr (16), angeordnet ist, und im Zwischenraum zur Dichthaut das Stützmedium (17) angeordnet ist.
4. 4. Druckbehälter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß zumindest zwei Dichthäute (12) vorgesehen sind, die über das Stützmedium (17) voneinander getrennt sind.
5. 5. Druckbehälter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß das weitere metallische Rohr (16) mit Teilrohrstücken gebildet ist, welche miteinander, insbesondere gasdicht, verbunden, vorzugsweise unmittelbar verschraubt, sind.
6. 6. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß als Stützmedium (17) zumindest teilweise Erdreich eingesetzt ist.
7. 7. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß als Stützmedium zumindest teilweise eine Flüssigkeit (17) eingesetzt ist.
8. 8. Druckbehälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die als Stützmedium eingesetzte Flüssigkeit unter einem geringeren Druck steht als die zu speichernden Gase.
9. 9. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß in dem durch die Dichthaut (12) gebildeten Hohlraum reversibel wirkende Adsorptionsmittel angeordnet sind. 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 404 247 B Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 6 55