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messen ist, dass deren Oberfläche um so viel grösser ist als die bei Normaltemperatur minimal erforderliche Oberfläche, dass die bei Inbetriebnahme des Lagers entstandenen grossen Temperaturkontraktionen in der Hauptsache zu Biegungsbeanspruchungen statt Dehnungsspannungen führen, was einen Überschuss von Isolierung um jeden Tragstab mit sich bringt, wobei die Isolierung ebenfalls von einer stützenden Wand aus Holz oder Kunststoff getragen ist (Fig. 5, 6 7).
23. Lagerungsverfahren nach Patentanspruch 1 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengesetzte Isolierung des Lagerraumes von einem regelmässig und parallel angeordneten Wandlattensystem getragen ist, dass das Wandlattensystem an den unisolierten Oberflächen des Lagerraumes befestigt ist, wobei jede Latte ein regelmässig wiederholtes, wellenförmiges Profil besitzt und in der Weise befestigt ist, dass der Wellenkamm an einem bestimmten Lattenprofil auf beiden Seiten an einem Tal der nächsten Latte angrenzt und dem gegenübersteht, dass die zusammengesetzte Isolierung an den Wellenkämmen der Latten befestigt ist, wobei dieses Verfahren in Übereinstimmung mit der in dem Patentanspruch 22 beschriebenen Isolierungskonstruktion arbeitet, und dass die zusammengesetzte Isolierung von einer Wand aus Holz oder Kunststoff gestützt ist,
wobei schliesslich die zusammengesetzten Isolierungsschichten bei niedrigen Temperaturen hauptsächlich von den Wellenkämmen getragen sind.
24. Lagerungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerraum aus Beton gleichzeitig mit dem Kreislaufsystem gegossen wird, wobei eine bewegliche Giessform verwendet wird und wobei die in dieser Weise aufgebaute Anordnung von umgebendem Schlamm, Ton, Sand oder Felsen durch ein isolierendes Füllmaterial isoliert wird.
25. Unterirdischer Lagerraum zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch ein Kreislaufsystem, das entweder aus einer Vielzahl von gleichmässig verteilten und in einer geeigneten Weise parallel angeordneten Hohlräumen (11), die in dem den Lagerraum (10) begrenzenden Material (16) längs des Lagerraumes (10), wenn im Felsen gebaut wird, gebohrt sind, oder, wenn das den Lagerraum begrenzende Material aus Beton besteht, gegossen sind, wobei der Lagerraum (10) in diesen Fällen isoliert ist, oder aus einer Anordnung von Kanälen (17) an den Wänden, dem Boden und der Decke des ohne Isolierung ausgeführten Lagerraumes besteht, wobei das Kreislaufsystem dann zwischen diesem unisolierten Lagerraum (16) und einem auf der Innenseite dieses unisolierten Lagerraumes (16) errichteten inneren Behälter (13) angeordnet ist,
sowie durch ein zirkulierendes Medium in dem genannten Kreislaufsystem, durch eine Vorrichtung zum Einbringen von Substanzen und Wasser in das Kreislaufsystem, durch eine Vorrichtung zum Eingeben und Entnehmen des Produktes in den bzw. aus dem Lagerraum (10), durch eine Vorrichtung zum Einleiten eines Kühlmittels in das Kreislaufsystem und zur Ableitung des Kühlmittels aus dem Kreislaufsystem, durch eine Vorrichtung zur Feststellung von in das Kreislaufsystem gelangtem Produkt und zur Rückgewinnung dieses Produktes aus dem Kreislaufsystem, durch ein Wasserdränagesystem und durch erforderliche Überwachungsinstrumente.
26. Lagerraum nach Patentanspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume durch eine Vielzahl von Stromführungsanordnungen zwischen dem äusseren Lagerraum und einem inneren isolierten Lagerbehälter gebildet werden.
27. Lagerraum nach Patentanspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zirkulierende Medium ein Gas, beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxyd, Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe oder eine Mischung von solchen Gasen ist.
28. Lagerraum nach Patentanspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zirkulierende Medium eine Flüssigkeit ist.
29. Lagerraum nach Patentanspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das eingelagerte bei normalen Verhältnissen gasförmige Produkt als Flüssigkeit eingelagert ist.
In der Vergangenheit wurden grosse Mengen Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt einschliesslich Propan und Butan in Erdgruben, Erdschächten und in porösen Gesteinsschichten gelagert. Dabei ergaben sich wesentliche Verluste des eingelagerten Produktes. Weitere Probleme waren die übermässig grossen Wärmeverluste und die Schwierigkeit, eine genügende Dichtung zu erzielen. Die Lagerung von Flüssiggas in unterirdischen Lagern bei Temperaturen in den Bereichen -400C bis -50"C erfolgt seit einiger Zeit, wobei die vorgenannten Schwierigkeiten nicht in dem starken Masse auftreten.
Probleme ergaben sich bisher bei der unterirdischen Lagerung von kondensiertem Naturgas und synthetischem Naturgas sowie anderen kryogenen verflüssigten Produkten wie Äthan, Äthylen und anderen petrochemischen Produkten, da die Lagerung bei besonders niedrigen Temperaturen und bei für diese kryogenen Produkte hauptsächlich erforderlichen atmosphärischen Drücken erfolgen muss, wodurch übermässig grosse Kühlkapazitäten wegen der hohen Wärmeverluste notwendig sind. Hauptursache der genannten Wärmeverluste ist die durch die niedrige Produkttemperatur bedingte erhöhte Kontraktion und dadurch folgende fortgesetzte Spaltung des unterirdischen Gesteins.
Dies ermöglicht im Laufe der Zeit einen zunehmenden Produktverlust, da das gelagerte Produkt immer weiter in das Felsgestein eindringt. Gleichzeitig erwärmt sich das eingelagerte Produkt immer stärker. Die sich ergebende erhöhte Eissublimationsgeschwindigkeit zerstört die Dichtungsfähigkeit der Umgebung und damit auch die etwa vorhandene Isolierschicht in dem Lagerraum. Die vorstehend geschilderten Mängel bei einer derartigen Lagerung der vorbeschriebenen Produkte führt zunehmend zu einem Austreten des Produktes meist als Gas in die Umwelt mit dem damit verbundenen allgemeinen Belästigungen und der möglichen Explosionsgefahr. Selbst bisher schon erforderliche konventionelle Verstärkungen und Vorsichtsmassnahmen vermögen nicht die oben geschilderten Probleme zu beseitigen.
Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, Produkte bei stark von der natürlichen Umgebungstemperatur abwel- chenden Temperaturen unter wirtschaftlichen vertretbaren Kosten über lange Zeit sicher zu lagern und dabei die Wärmeverluste und die Verluste des gelagerten Produktes auf das unvermeidbare Mass zu beschränken. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, während der Lagerung auch aus Sicherheitsgründen auftretende Undichtigkeiten durch ein Mehrzweckkreislaufsystem, in dem folgenden Kreislaufsystem genannt, rechtzeitig zu entdecken und abzudichten und aus dem Lagerraum ausgetretene Produkte wiederzugewinnen. Das Kreislaufsystem hat ferner zum Ziel, in der umgebenden äusseren Wand eine Temperaturbarriere zu errichten, um die Sublimierung von Wasser aus der Umgebung möglichst zu reduzieren und Schaden an einer angebrachten Isolierung zu verhindern.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur unterirdischen Lagerung von kalten Produkten sowie Mittel zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit denen die bisher aufgetretenen Nachteile vermieden und die gesetzten Ziele erreicht werden. Das er
findungsgemässe Verfahren ist gekennzeichnet durch die Verwendung eines Mediums als Träger für den Transport von Wärme in einem Kreislaufsystem, wobei eine der Aufgaben des Mediums darin besteht, einen Wärmeaustausch mit den Wänden, dem Boden und der Decke des Lagerraumes herbeizuführen, während das Kreislaufsystem aus einer Vielzahl von gleichmässig verteilten und parallel in den genannten Lagerbegrenzungen angeordneten Hohlräumen besteht, wobei der Wärmeaustausch die Umgebung des Kreislaufsystems und damit die Wände, den Boden und die Decke des Lagerraumes innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches hält, dessen Temperatur sich von der Temperatur des gelagerten Produktes unterscheidet, wobei durch diese Anordnung bei Lagertemperaturen unter OOC eine Temperaturbarriere um den Lagerraum herum errichtet wird,
die aufgrund des dadurch reduzierten Temperaturgefälles die Eissublimationsgeschwindigkeit in Richtung von der Umgebung zu der Temperaturbarriere hin zum Teil reduziert, und eine Aufspaltung des Wandmaterials verhindert, wenn gleichzeitig die Temperaturbarriere um den Lagerraum herum auf einem höheren Temperaturniveau als das des gelagerten Produktes gehalten wird, wobei das Medium des Kreislaufsystems den Wasserdampf des sublimierten Eises und des Wassers aus dem Bereich des Lagerraumes aufnimmt und wegtransportiert und das Kreislaufsystem neben der Wasserentfernung und dem Wärmeaustausch auch bei Überdruck durch das Medium zur Abdichtung und zur Verteilung und Applikation von Dichtungsmassen auf Teile des Lagerraumes und zur Kühlung des Lagerraumes sowie zur Überwachung von Leckagen, durch die das Produkt aus dem Lagerraum entweichen kann,
und zur Zurückgewinnung des durch die Leckagen entwichenen Produktes dient.
Durch die Erfindung wird insbesondere die unterirdische Lagerung von Produkten ermöglicht, deren Lagertemperatur sich von den natürlichen Temperaturen der unterirdischen Umgebung unterscheiden. Ein Verfahren der Erfindung besteht vorzugsweise darin, die Temperatur der Wände, des Bodens und der Decke des unterirdischen Lagers zu regulieren, das in Felsgestein untergebracht ist, und die Temperatur dieser Abschnitte innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls konstant zu halten. Hierzu wird vorzugsweise ein Gaskreislauf und in manchen Fällen auch ein Flüssigkeitskreislauf verwendet, wo das betreffende Medium als Träger für den Wärmetransport zur Zuführung von Wärme zu den genannten Wänden, dem Boden und der Decke des Lagers dient. Durch die Konstanthaltung der Temperatur ist die Errichtung einer Temperaturbarriere um den Kreislauf herum möglich.
Diese Temperaturbarriere reduziert zum Teil den Eissublimierungsprozess ausreichend, da der Temperaturgradient zwischen dem Kreislaufsystem und der weiter vom Kreislaufsystem entfernten Umgebung beliebig reduziert und sogar negativ gestaltet werden kann. Die Erfindung ermöglicht auch, Wasser und andere Substanzen den Wänden, dem Boden und der Decke des unterirdischen Lagers zu entziehen oder hinzuzusetzen, wozu wiederum das im Kreislauf zirkulierende Medium Verwendung findet.
Durch die Erfindung besteht auch die Möglichkeit, Produkte, die aus dem unterirdischen Lager in das Kreislaufsystem gelangt sind, wiederzugewinnen.
Die Erfindung ermöglicht auch ein Sicherheitssystem zur Kontrolle, ob und in welchem Masse Produkte, insbesondere flüchtige brennbare Produkte, aus dem Lager entwichen sind. Durch die Erfindung ist es ausserdem möglich, bedingt durch den auftretenden Temperaturunterschied im wirtschaftlichen Masse Wärme oder Kälte zurückzugewinnen.
Weitere Vorteile ergeben sich für den Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Anhand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung sind:
Fig. 1 ein schematischer, vertikaler Schnitt durch ein horizontales, zylindrisches oder rundes unterirdisches Lager mit einer Anzahl von Bohrlöchern für das Kreislaufsystem, die entlang dem Lager in den Felsen gebohrt sind oder in einer Betonwand angeordnet sind, wobei die Figur nur den Fall einer Höhle innerhalb eines Felsens zeigt,
Fig. 2 ein schematischer, senkrechter Schnitt durch horizontales, zylindrisches oder rundes unterirdisches Lager ähnlich dem Fig. 1, bei dem eine Mehrzahl von Zirkulationskanälen zwischen der eigentlichen Felsenwand oder einer gegossenen Betonwand und der inneren isolierten Wand des Lagerraumes angeordnet ist,
Fig.
3 ein schematischer, vertikaler Schnitt durch ein vertikales, unterirdisches Lager mit einem runden oder rechteckigen Boden, versehen mit einer Mehrzahl von Kreislaufkanälen, Röhren oder Stollen mit Stromführungsanordnungen für das zirkulierende Medium, die zwischen der eigentlichen Felsenwand oder einer gegossenen Betonwand, der inneren Lagerwand, angeordnet sind, wobei sämtliche Innenflächen der Innenwand mit einer Isolierung versehen sind, die sehr grossen Temperaturunterschieden ausgesetzt werden kann,
Fig.
4 ein schematischer, senkrechter Schnitt durch ein vertikales, unterirdisches Lager mit einer Mehrzahl von Zirkulationskanälen, Rohren oder Stollen mit Stromführungsanordnungen für das zirkulierende Medium, die zwischen der inneren Wand und der Betonwand angeordnet sind, wobei die letztgenannte Wand innerhalb der äusseren Höhlenwand oder innerhalb der aus losem Material wie Ton, Schlamm oder Sand, bestehenden Umgebung errichtet worden ist, wobei die Figur nur den Fall einer Felsenhöhlung zeigt,
Fig. 5 ein schematischer, horizontaler Schnitt durch eine Isolierung, die an einem System von Stäben angebracht worden ist,
Fig. 6 ein schematischer, horizontaler Schnitt durch eine andere Isolierungsausführung, wobei die Isolierung von einem System von Wandlatten getragen ist, die ein regelmässig wiederholtes wellenförmiges Profil besitzen,
Fig.
7 ein schematischer, horizontaler Schnitt durch die Ausführungsform der Figur 6 längs der Linie 1-1 in der Figur 6, und
Fig. 8a zeigt die approximative Verteilung von Temperaturen, wenn die Temperaturen des Kreislaufsystems auf einem hohen und einem niedrigen Niveau gehalten wird (gestrichelten Linien), wobei nur einige Punkte angezeigt sind,
Fig. 8b zeigt die den Temperaturen in Fig. 8a entsprechenden Wasserdampfdrücke, wobei die gestrichelter Linien einem ungesättigten Dampfdruck entspricht,
Fig. 8c zeigt die Wirkung der Verwendung eines Trockengases (gestrichelte Linie entspricht einen ungesättigten Dampfdruck.
In der Zeichnung sind die Rohre für das Füllen und das Entleeren des Lagerraumes nicht gezeigt, da diese üblichen Ausrüstungen bekannt sind. Dasselbe trifft für einige andere Ausrüstungen und erforderliche Instrumentierungen zu.
In der Zeichnung sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszahlen versehen. In den Fig. 1-4 ist die verwendete Isolierung sowie deren Ausführungsform nicht dargestellt. Das gleiche trifft auf die Befestigung der Isolierung an der äusseren und inneren Lagerwand zu.
Bei der Verarbeitung von Rohöl und Naturgasen erzeugt die Petroleumindustrie eine grosse Menge flüchtiger Kohlenwasserstoffe. Anfallendes Naturgas wird von den Quellen zu Exporthäfen geleitet, wo es verflüssigt und gelagert wird.
Der Transport über See erfolgt dann im verflüssigtem Zustand. In dieser Form wird das Naturgas auch im Importhafen gelagert. Für die Lagerung solcher Flüssigkeiten werden sehr umfangreiche und kostspielige Anlagen benötigt.
Diese Lagerung ist sowohl zur Spitzenlastdeckung als auch zur Erfüllung der vorgeschriebenen Forderungen der Regierungen für Notfälle erforderlich.
Die allgemeine Tendenz geht dahin, Lager für brennbare Gase aus den nachfolgend aufgeführten Gründen unterirdisch zu lagern:
1. Brennendes kondensiertes Naturgas und ähnliche Brände von Flüssigkeiten mit sehr niedrigen Siedepunkten können, wenn überhaupt, nur sehr schwer gelöscht werden.
Bei derartigen Bränden treten häufig sehr starke Explosionen auf, durch die sehr starke Zerstörungen in der Umgebung verursacht werden. Bei der unterirdischen Lagerung derartiger Produkte können Explosionen und andere Gefahren vermieden und Brände sehr leicht unter Kontrolle gebracht werden.
2. Eine unterirdische Lagerung derartiger Produkte bietet einen erhöhten Schutz gegen Witterungseinflüsse, Sabotage und gegnerische militärische Massnahmen.
3. Die Lagerung kann bei konstanter und niedriger Temperatur, gewöhnlich in der Grössenordnung von 80 bis 10 C erfolgen, wobei das Produkt dem Sonnenlicht nicht ausgesetzt ist.
4. Auf der Erdoberfläche ist kein Platz zur Errichtung von Lagern erforderlich.
5. Die Lagerung unter Druck erfolgt zu niedrigen Kosten.
6. Die in letzter Zeit gewonnenen Kenntnisse über die Natur und Struktur der Felsen ermöglicht es, auch weniger günstige Standorte auszunützen, bei denen Felsgestein von minderer Qualität vorhanden ist.
7. Die Lager können auch in Sand, Schlamm oder Ton gebaut werden, wie dies nachfolgend erwähnt ist.
Wasserdampf bewegt sich in Übereinstimmung mit bekannten physikalischen Gesetzen nach Orten, wo der Wasserdampfdruck niedriger ist. Ist genügend Wasser vorhanden, so dass gesättigte Dampfdrücke sich entwickeln können, bewegt sich der Wasserdampf dorthin, wo die Temperatur am niedrigsten ist. Der Wasserdampfdruck kann also in einer Gegend bei einer bestimmten höheren Temperatur und bei Mangel an Wasser niedriger sein als dort, wo die Temperatur tiefer liegt aber wo genügend Wasser vorhanden ist, um gesättigte Wasserdampfdrücke entstehen zu lassen.
Im Felsen gibt es ausserdem auch andere Kräfte, die dieses allgemeine Bild zeitweilig und zum Teil verzerren. Das Gesagte hat Bedeutung für das richtige Fahren einer kryogenen Lageranlage, die elektronisch und nach einem Plan geregelt wird. Dabei muss man sich vergegenwärtigen, dass Jahre vergehen können, ehe die schliesslichen Temperaturen erreicht werden. Fig. 8a zeigt zwei Temperaturkurven bei zwei verschiedenen Höhen der Temperaturbarriere. Fig. 8b die entsprechenden Wasserdampfkurven, wobei die gestrichelte Kurve im Bereich der ungesättigten Dampfdrücke liegt. 8c zeigt die Wirkung eines Trockengases. Die Sublimation nimmt mit der Temperatur ab, was bei der Festlegung der Höhe der Temperaturbarriere berücksichtigt werden muss.
Wenn die Temperaturen des Felsens innerhalb vorbestimmter Grenzen mit Hilfe des Kreislaufsystems, das den Oberflächen der Wände, der Decke und des Bodens des unterirdischen Lagers benachbart angeordnet ist, kontrolliert werden, kann eine fortgesetzte Aufspaltung des Felsens vollständig vermieden werden, wodurch die Festigkeit des Felsgesteins beibehalten wird. Durch Wärmezufuhr durch das Kreislaufsystem wird nämlich verhindert, dass die Temperatur des Felsgesteins ein kritisches Minimum unterschreitet. Schäden an der Isolierung werden durch das Kreislaufsystem ebenfalls vermieden.
Wasserdämpfe, die sich zu dem Lagerraum hin bewegen, werden durch das Kreislaufsystem mit dessen kleinen Spaltverbindungen durch die Trockenfunktion des Kreislaufmediums beseitigt, wobei der Sublimationsprozess aufgrund der durch die Temperaturkontrolle um das Kreislaufsystem herum errichteten Temperaturbarriere - u. a. von Material, von Porosität und dem Vorhandensein von genügend grossen Wassermengen abhängig - reduziert wird. Frostwogen und Frostlinsen sind Folgen, die dann entstehen, wenn das Wasser nicht entfernt wird. Das vorgenannte Kreislaufsystem besteht aus einer Vielzahl entlang der Lagerfläche benachbarten, eng verteilten Zirkulationskanälen, durch die eine Flüssigkeit oder ein Gas, wie beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxyd, Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff oder das eingelagerte Produkt selbst oder eine oder mehrere Komponenten dieses Produktes strömt.
In einigen Fällen können Gänge oder Stollen mit Führungsanordnungen zur Steuerung des Kreislaufes einen Teil oder alle Kanäle und Rohre ersetzen. Diese Kreislaufsysteme können auch dazu verwendet werden, das Felsgestein abzukühlen. Dies ist dann erforderlich, wenn der Felsen bei niedriger Temperatur abgedichtet werden soll.
Das typische Arbeitsgebiet der Temperaturbarriere des Felsens oder des Betons ist von der Qualität des Felsgesteins oder des Betons abhängig. Es dürfte doch meist innerhalb des Bereiches von -200C bis -500C liegen, d.h. ungefähr in dem Bereich in dem atmosphärische Flüssiggaslagerungen ohne Felsspaltung bis heute möglich war.
Es gibt Verfahren zur kontinuierlichen Abdichtung von geöffneten Spalten, wobei eine laufend eingespritzte gefrierende Flüssigkeit verwendet wird. Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird zum Abdichten von natürlichen und potentiellen Spalten damit begonnen, diese Spalten zuerst durch Abkühlen auf eine Temperatur, die wesentlich unter der zukünftigen Betriebstemperatur liegt, weit zu öffnen und dann das Dichtungsmaterial unter Druck einzubringen, wobei das Dichtungsmaterial durch das genannte Kreislaufsystem verteilt wird. Gleichzeitig kann eine konventionelle Injektion desselben oder eines ähnlichen Dichtungsmaterials erfolgen, nachdem eine Vielzahl von Hilfslöchern von der Höhlung aus in die Oberfläche gebohrt worden sind.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren werden Dichtungsmaterialien verwendet, die bei der Berührung mit dem Eingelagerten quellen. Sollte das Produkt durch eine Spalte austreten und in Verbindung mit einer quellenden Substanz in eine Spalte gelangen, wird das quellende Dichtungsmaterial die Spalte dicht verschliessen. In gewissen Fällen kann der Quellvorgang durch Einspritzen von Wasser eingeleitet werden. Wenn eine zuerst injizierte Dichtungskomponente mit einer zweiten danach injizierten Komponente innerhalb eines Verschlusses unter Quellung reagieren kann, erhält man ein gutes, elastisches Dichtungsmaterial. Eine weitere Abdichtungsmöglichkeit wird dadurch erzielt, in dem der Druck des Mediums in dem Kreislaufsystem höher als der des Lagerraumes gehalten wird. Leckverluste aus dem Kreislauf werden dabei aus dem Lagerraum dem Kreislauf wieder zurückgeführt.
Die beschriebene Methode, die Spalten durch Abkühlung des Wandmaterials zuerst zu erweitern und dann das Dichtungsmaterial durch Injizieren zu applizieren, wonach die Spalten wieder durch Erhöhung der Temperatur geschlossen werden, funktioniert ebenso gut mit Felsmaterial wie mit Beton.
Es gibt eine grosse Anzahl chemischer Verbindungen oder Mischungen von derartigen Verbindungen, die die Fähigkeit besitzen, bei einer Berührung mit Flüssigkeiten und Gasen zu quellen, wobei die Flüssigkeiten und Gase von diesen Materialien absorbiert, adsorbiert oder gelöst werden oder mit ihnen neue Strukturen bilden. Einige von diesen Materialien sind Polymere, Gummi oder Kunstharze. Das Dichtungsmaterial muss mit Rücksicht auf das gelagerte Produkt ausgewählt werden, und die Wahl des geeigneten Materials liegt im Können des Durchschnittsfachmannes.
Es wird bevorzugt, das Wasser im Felsen durch Verwendung von einem Trockengas oder einer Flüssigkeit, die eine wasserabsorbierende Substanz enthält, zu entfernen.
Diese Medien werden in dem System zirkuliert und dann durch irgendeine konventionelle Trockensubstanz getrocknet. Wenn ein Kreislaufgas verwendet wird, kann Wasser auch in Kondensations-, Absorbtions- oder Adsorbtionsprozessen abgeschieden werden, was in bestimmten Fällen nach einer Verdichtung erfolgen kann. Die Wasserentfernung kann durch Erhitzen des Mediums erleichtert werden. Die Applikation des Dichtungsmaterials durch Verwendung des Kreislaufsystems führt zu einer Abdichtung von allen Spalten und Hohlräumen in dem Bereich des Kreislaufsystems aber vor allem zuerst in der Richtung des Lagerraumes. Ein konventionelles Wasserdränagesystem wird in allen Fällen hier beschriebener Lagerausführungen immer erforderlich sein.
Eine andere ebenfalls unter Druck in gleicher Weise wie in dem oben geschilderten Fall durch das Kreislaufsystem verteilte Mischung enthält prinzipiell zwei Komponenten, von denen eine wasserabsorbierend ist, während die andere gleichzeitig als Dichtungsmaterial fungiert. Derartige Produkte sind kommerziell erhältlich. Wenn die letztgenannte Mischung verwendet wird, können alle Spalten in dem Felsgestein durch Abkühlung geöffnet und abschliessend wieder durch Erhöhung der Temperatur geschlossen werden.
Die Dichtungseigenschaften der Wände des in dem Felsgestein befindlichen Lagerraumes sind manchmal von dem Wassergehalt des Felsgesteins abhängig. Daher wird in einer Ausführungsform auch bei Bedarf dem Kreislauf Wasser zugegeben. Für den Eissublimationsvorgang im Felsgestein besteht die Möglichkeit, den Wassergehalt im Kreislauf zu überwachen. Dies ist von besonderer Bedeutung, denn das Wasser im Felsgestein neigt bei Lagerung von kryogenen Produkten dazu, zu wandern und Eis auf der Innenseite der Lagerwand zu bilden. Dies führt dazu, die Isolierung abgestossen wird und diese die Isoliereigenschaft verliert.
Das Kreislaufsystem ermöglicht auch ein Sicherheitssystem, mit dem die einwandfreie Lagerung des Produktes überwacht werden kann. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn in dem Lagerraum eine leicht flüchtige und brennbare Flüssigkeit oder sonst ein gefährliches Gas gelagert wird. Eine derartige Überwachung kann dadurch erreicht werden, dass der Betriebsdruck in dem Kreislaufsystem etwas niedriger gehalten wird. Sollte das Produkt aus dem Lagerraum entweichen, tritt es in den Kreislauf ein, in dem es sofort durch geeignete Instrumente, beispielsweise durch einen Gaschromatographen oder durch ein Massenspektrometer, festgestellt werden kann. Das in den Kreislauf entwichene Produkt kann dann auch aus dem Kreislauf, beispielsweise durch Absorbtions- oder Kondensationsvorgänge, zurückgewonnen werden.
Ohne ein derartiges Sicherheitssystem besteht bei der Lagerung von brennbaren Gasen eine direkte Gefahr, wenn die Dichtungseigenschaften der Lagerwände unzulänglich sind und das brennbare Gas entweichen kann.
Die Wahl eines geeigneten Mediums in dem Kreislaufsystem hängt stark von dem eingelagerten Produkt ab. Von Einfluss für die Auswahl ist weiterhin die Lagertemperatur und der Temperaturbereich in dem das Umlaufmedium gehalten wird. Auch die Art der Fördermittel, die das Medium umwälzen, ist bei der Auswahl des Mediums zu berücksichtigen. Ebenfalls von Bedeutung ist die Frage, ob das zirkulierende Medium die Materialien angreift, mit denen es in Berührung kommt. Unter den Gasen ist Stickstoff besonders geeignet. Andere geeignete Gase sind Kohlendioxyd, Wasserstoff, Raffinerieabgase oder das Produkt selbst, wenn es sich um ein flüchtiges Produkt handelt.
Bei der Lagerung von Naturgas ist Stickstoff ein geeignetes Medium und in diesem Fall kann Naturgas und seine Kompo nenten völlig abgetrennt werden, wenn das Produkt in das Kreislaufsystem einsickern sollte, so lange das Produkt keinen Wasserstoff enthält.
Von Bedeutung ist auch die Frage, ob der Betrieb einen wirtschaftlichen Wärmeaustausch zwischen dem zirkulierenden Medium und einem anderen Strom oder Körper zulässt.
Eine unterirdische Lagerung bietet im Vergleich zur Lagerung auf dem Erdboden den Vorteil, bei höheren Druck mit niedrigeren Kosten arbeiten zu können. Dies kann bei einer Füllung des Lagers mit flüssigem Naturgas von Bedeutung sein, wenn das spezifische Gewicht der zu füllenden Flüssigkeit sich von dem spezifischen Gewicht des La gerinhaltes unterscheidet. Unter diesen Umständen kann der Lagerdruck sich aufgrund eines sogenannten eRoll- over plötzlich erhöhen.
Mit Rücksicht auf den Vorteil, bei höheren Druck zu arbeiten, ist die Verwendung des Lagers als Verdampfungskammer von besonderer Bedeutung. Der Wärmeaustauscher für die Verdampfung kann sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Lagers angeordnet sein. Die entsprechende Wärmeaustauschausrüstung für diese Verdampfung von Flüssigkeit ist in der Zeichnung nicht angedeutet, da dies bekannte Vorrichtungen sind.
Bei der Lagerung von kryogenen Produkten, wie Naturgas, beträgt die Kontraktion der verwendeten Kunstharzisolierung etwa 10je, während die entsprechende Kontraktion des Felsgesteins für dasselbe Temperaturintervall in der Grössenordnung von 1 Promille liegen wird. Die Kontraktionsunterschiede dieser zwei verschiedenen Materialien verlangen spezielle Isolierungskonstruktionen, die sich den Lagerwänden entlang auf Holz stützen oder anderen Trägern oder an den Wänden eines eingebauten Behälters eingesetzt werden. Das grundliegende Konstruktionsprinzip liegt darin, zu verhindern, dass die Isolierung Dehnungskräften ausgesetzt wird.
Die hier beschriebenen Konstruktionen sind alle aus mehreren Schichten aufgebaut, beispielsweise aus Polyurethan oder ähnlichen Kunststoffen zusammen mit Dichtungsmembranen und einer wärmereflektierenden Aluminiumfolie. Geeignete Dichtungsmembranen und Isoliermaterialien sind bekannt und kommerziell erhältlich. Die zusammengesetzte Isolierungsschicht wird in der Weise ausgebildet, dass die Schicht in tassenähnlichen voneinander gleich weit entfernten Elementen aufgeteilt ist, woraus sich regelmässige parallele Reihen derartiger Elemente ergeben, wobei jedes Element gleich weit von jedem angrenzenden Element entfernt ist. Um jedes Element herum befindet sich reichlich Isolierungsmaterial, um die Temperaturkontraktion zu kompensieren, wodurch sich hauptsächlich Biegebeanspruchungen anstatt Dehnungsspannungen ergeben.
Die Isolierung wird am Zentrum eines Elementes abgestützt.
Die zuerst genannten Beanspruchungen können während eines anfänglichen Übergangsprozesses beim Anfahren dadurch gemildert oder abgeschwächt werden, indem Wärme von der Aussenseite der Isolierungsschicht her zugeführt wird, wobei das Kreislaufsystem verwendet werden kann.
Derartige Isolierungskonstruktionen können leicht auf verhältnismässig ebenen Wandoberflächen aufgebracht werden, sonst jedoch ist hierzu ein System von Tragstäben erforderlich. Wenn die Isolierung mit Hilfe eines Lattensy stems mit wellenförmigem Profil gehalten wird, sind die Kosten niedriger, als wenn die Oberfläche des Lagerraumes eben und glatt ist.
Die Tragstäbe sind in Löchern, die in den Felsen gebohrt oder in der Betonwand ausgebildet sind, festgemacht.
Diese Löcher bilden ein regelmässiges, symmetrisches Muster, das gleichmässig auf allen Wänden verteilt ist. Dabei ist jedes Element von dem nächsten Element gleich weit entfernt. Jedes Isolierungselement wird danach an einem Tragstab befestigt, wobei um jeden Tragstab herum ein Tal verbleibt, das die Temperaturkontraktion ermöglicht.
Diese Ausführung macht es möglich, die Wand des Felsgesteins in einem unebenen Zustand zu belassen.
Das Holzlattensystem wird an den Wänden so befestigt, dass der Wellenkamm des wellenförmigen Profils einer vertikalen Latte auf beiden Seiten und auf gleicher Höhe sich gegenüber einem Tal des Profils der angrenzenden vertikalen Latte befindet. Bei der Abkühlung werden die Isolierungsschichten sich also durch Kontraktion an den Wellenkämmen aller Latten stützen, wobei die Überschusslänge der Isolierung um jeden Wellenkamm herum die Temperaturkontraktion ermöglicht. Dies erfolgt auch, wenn die Isolierung an den in dem vorhergehenden Abschnitt erwähnten Tragstäben befestigt ist. In der zuletzt genannten Ausführung entsprechen die Elemente den Wellenkämmen in dem Lattensystem.
Die beiden Konstruktionen können mit tragenden Holzunterlagen versehen werden, wenn dies erforderlich ist, und das zirkulierende Medium kann also zwischen der isolierten Innenwand und der eigentlichen äusseren Felswand oder Betonwand geführt werden.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen horizontalen, runden Lagerraum 10 dargestellt. Eine Reihe von Löchern 11 ist für das beschriebene Kreislaufsystem in dem den Lagerraum 10 umgebenden Felsen 16 längs des Lagerraumes von beiden Enden des Lagerraumes her, oder, abhängig von der Länge des Lagerraumes, auch von einer Nische zwischen den beiden Enden des Lagerraumes gebohrt. Wenn innerhalb der Felswand oder innerhalb des umgebenden losen Materials, beispielsweise Ton oder Sand, eine Betonwand gegossen wird, wird das System von Löchern beim Giessen der Betonwand hergestellt. Löcher 12 mit kleinerem Durchmesser sind ebenfalls von dem Lagerraum in dem umgebenden Felsen gebohrt worden, um Spalte durch Injektion von quellender Dichtungsmasse oder anderen Substanzen abzudichten, nachdem das Felsgestein unter die zukünftige Betriebstemperatur abgekühlt worden ist.
Andere Spalte sind mit Kunststoff, Zement oder ähnlichen Mischungen abgedichtet, und die Oberfläche des äusseren Lagerraumes ist, abhängig von der Art der verwendeten Isolierung, geebnet.
Nachdem Felsenbolzen und Isolierungsstützen befestigt worden sind, wird die Isolierung 13 befestigt. Mit 14 ist der Verdampfungsraum bezeichnet und mit 15 das Ventilationsrohr für gasförmige Produkte.
In Fig. 2 ist dargestellt, wie ein Kreislaufsystem mit Kanälen 17 auf der Innenseite der äusseren Wand des Lagerraums 10 angeordnet ist, das ein Kreislaufsystem mit gebohrten Löchern, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ersetzen kann.
Die Isolierung 13 ist hier in Übereinstimmung mit dem, was in Verbindung mit der Fig. 5 oder 6 ausgeführt ist, befestigt worden. Unter Umständen kann es billiger werden, Stollen mit Stromführungsanordnungen für das zirkulierende Medium zu bauen.
Der Lagerraum 10 der Fig. 3 ist eine Abwandlung der oben beschriebenen Arten von Lagerräumen. Dieser Lagerraum kann nach Wahl mit einem rechteckigem oder kreisförmigen Boden 19 ausgeführt sein, wobei diese Ausführung des Bodens mit Zirkulationskanälen 17, vorzugsweise mit Blockelementen 18 aus Balsaholz, versehen ist. Das Kreislaufsystem entlang den Wänden besteht aus einer Vielzahl von vertikalen Kanälen 17 oder anderen Gasstromführungen, die einen ausreichenden Kontakt zwischen dem strömenden Medium und der äusseren und inneren Wand sicherstellen. Während die Wände und der Boden mit den vorerwähnten Standardisolierungen 13 versehen sind, ist die Decke des Lagerraumes, die sich auf aufgehängten Gefügen 22 stützt, mit einer durchlässigen Isolierung 21, beispielsweise Steinwolle, isoliert.
Diese Isolierung erlaubt es, dass Dämpfe hindurchgehen, und sie bietet die Möglichkeit, den Lagerraum als Verdampfungskammer zu verwenden. Die dargestellten Klappen 20 werden beim Anfahren verwendet.
Die Darstellung der Fig. 4 entspricht grundsätzlich der der Fig. 3 und sie zeigt, wie ein Lagerraum in Sand, Schlamm, Ton oder ähnlichen losen Materialien oder in Felsen minderwertiger Qualität eingebaut werden kann. Der Lagerraum ist einschliesslich der Wände mit eingebautem Kreislaufsystem in Beton 29 gegossen, wobei eine bewegliche Verschalung verwendet wird. In einer anderen Ausführungsform wird der Lagerraum aus vorfabrizierten Elementen und aus vorgespanntem Beton hergestellt. Bei Errichtung in der Erde wird im allgemeinen vor dem Ausschachten der Boden gefroren. Erforderlichenfalls kann isolierendes Material, undurchlässig isolierendes Material oder geschäumtes isolierendes Material 27 um den Baukörper herum angeordnet werden.
Fig. 5 zeigt, wie die Isolierung 13 befestigt ist, nachdem ein regelmässiges Muster von Tragstäben in gleichen Abständen angeordnet in der Felswand befestigt worden ist.
Mit 23 sind elastomere Membrane, mit 24 Polyurethanschaum, mit 25 Aluminuimfolie und 26 der Tragstab bezeichnet, der in einem gebohrten Loch im Felsen oder in dem Beton befestigt worden ist. Mit 28 ist eine tragende Stützwand aus Holz, Sperrholz oder Kunststoff bezeichnet.
Fig. 6 zeigt die Verwendung eines Lattensystems 30 mit einer Form von regelmässig sich wiederholenden, wellenförmigen Profilen.
Fig. 7 ist ein senkrechter Schnitt längs der Linie 1-1 in der Fig. 6 dargestellt.
Dem Benutzer des beschriebenen Lagers wird die Möglichkeit geboten, insbesondere kryogene brandgefährliche kondensierte Gase sicher und ohne Umweltbelästigung wirtschaftlich zu lagern.
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What is measured is that their surface area is so much larger than the minimally required surface area at normal temperature that the large temperature contractions that occur when the bearing is put into operation mainly lead to bending stresses instead of expansion stresses, which results in an excess of insulation around each support rod, whereby the insulation is also carried by a supporting wall made of wood or plastic (Fig. 5, 6 7).
23. Storage method according to claims 1 and 22, characterized in that the composite insulation of the storage room is carried by a regularly and parallel arranged wall slat system, that the wall slat system is attached to the uninsulated surfaces of the storage room, each slat having a regularly repeated, wavy profile and is fixed in such a way that the wave crest on a certain slat profile is adjacent on both sides to a valley of the next slat and opposes that the composite insulation is fixed to the wave crests of the slats, this method in accordance with that in the claim 22 described insulation construction works, and that the composite insulation is supported by a wall made of wood or plastic,
finally, the composite insulation layers at low temperatures are mainly carried by the wave crests.
24. Storage method according to claim 1, characterized in that the storage space is poured from concrete at the same time as the circulatory system, a movable mold being used and the arrangement of surrounding sludge, clay, sand or rocks constructed in this way being insulated by an insulating filler material becomes.
25. Underground storage space for carrying out the method according to claim 1, characterized by a circulatory system which either consists of a plurality of uniformly distributed and in a suitable manner arranged in parallel cavities (11) in the material (16) delimiting the storage space (10). are drilled along the storage room (10) when building in the rock, or are cast if the material defining the storage room is made of concrete, the storage room (10) being insulated in these cases, or from an arrangement of channels ( 17) on the walls, the floor and the ceiling of the storage space without insulation, the circulatory system then being arranged between this uninsulated storage space (16) and an inner container (13) built on the inside of this uninsulated storage space (16),
as well as by a circulating medium in said circulation system, by a device for introducing substances and water into the circulation system, by a device for entering and removing the product into or from the storage space (10), by a device for introducing a coolant into the circulatory system and for the discharge of the coolant from the circulatory system, through a device for the detection of product that has entered the circulatory system and for the recovery of this product from the circulatory system, through a water drainage system and through necessary monitoring instruments.
26. Storage space according to claim 25, characterized in that the cavities are formed by a plurality of current routing arrangements between the outer storage space and an inner insulated storage container.
27. Storage room according to claim 25, characterized in that the circulating medium is a gas, for example nitrogen, carbon dioxide, hydrogen or hydrocarbons or a mixture of such gases.
28. Storage room according to claim 25, characterized in that the circulating medium is a liquid.
29. Storage room according to claim 25, characterized in that the stored gaseous product is stored as a liquid under normal conditions.
In the past, large amounts of low-boiling point liquids, including propane and butane, were stored in underground pits, shafts, and in porous rock layers. This resulted in significant losses of the stored product. Other problems were the excessive heat losses and the difficulty in achieving a sufficient seal. Liquefied petroleum gas has been stored in underground storage at temperatures in the range of -400C to -50 "C for some time, whereby the aforementioned difficulties do not occur to a great extent.
Problems have previously arisen with the underground storage of condensed natural gas and synthetic natural gas as well as other cryogenic liquefied products such as ethane, ethylene and other petrochemical products, since the storage has to take place at particularly low temperatures and at the atmospheric pressures which are mainly required for these cryogenic products, which makes them excessive large cooling capacities are necessary because of the high heat losses. The main cause of the heat losses mentioned is the increased contraction caused by the low product temperature and the consequent continued splitting of the underground rock.
This enables increasing product loss over time, as the stored product penetrates more and more into the rock. At the same time, the stored product warms up more and more. The resulting increased ice sublimation speed destroys the sealing ability of the environment and thus also the possibly existing insulating layer in the storage room. The above-described deficiencies in such storage of the above-described products increasingly lead to the product escaping into the environment mostly as a gas, with the associated general nuisance and the possible risk of explosion. Even conventional reinforcements and precautionary measures that have been required up to now are unable to eliminate the problems described above.
The main aim of the invention is to safely store products at temperatures that deviate greatly from the natural ambient temperature at economically justifiable costs and to limit the heat losses and the losses of the stored product to the inevitable extent. Another object of the invention is to detect and seal leaks during storage, also for safety reasons, in good time by means of a multipurpose circulation system, hereinafter referred to as the circulation system, and to recover products that have escaped from the storage room. The aim of the circulatory system is also to establish a temperature barrier in the surrounding outer wall in order to reduce the sublimation of water from the surroundings as much as possible and to prevent damage to the installed insulation.
The invention has for its object in particular to provide a method for underground storage of cold products as well as means for carrying out this method, with which the disadvantages which have occurred so far are avoided and the goals set are achieved. That he
The method according to the invention is characterized by the use of a medium as a carrier for the transport of heat in a circulatory system, one of the functions of the medium being to bring about a heat exchange with the walls, the floor and the ceiling of the storage room, while the circulatory system consists of a large number consist of evenly distributed cavities arranged in parallel in the aforementioned storage limits, the heat exchange keeping the environment of the circulatory system and thus the walls, floor and ceiling of the storage space within a predetermined temperature range, the temperature of which differs from the temperature of the stored product, whereby this arrangement creates a temperature barrier around the storage room at storage temperatures below OOC,
which in part reduces the ice sublimation speed in the direction from the environment to the temperature barrier due to the reduced temperature gradient, and prevents splitting of the wall material if at the same time the temperature barrier around the storage space is kept at a higher temperature level than that of the stored product, which Medium of the circulatory system absorbs and transports the water vapor from the sublimated ice and water from the area of the storage room and the circulatory system in addition to removing water and exchanging heat, even with excess pressure through the medium, for sealing and for distributing and applying sealants to parts of the storage room and for cooling the storage room and for monitoring leaks through which the product can escape from the storage room,
and for the recovery of the product escaped by the leaks.
The invention in particular enables the underground storage of products whose storage temperature differs from the natural temperature of the underground environment. A method of the invention is preferably to regulate the temperature of the walls, the floor and the ceiling of the underground storage, which is housed in rock, and to keep the temperature of these sections constant within a certain temperature interval. For this purpose, a gas circuit and in some cases also a liquid circuit are preferably used, where the medium in question serves as a carrier for the heat transport for supplying heat to the walls, the floor and the ceiling of the bearing. By keeping the temperature constant, it is possible to establish a temperature barrier around the circuit.
This temperature barrier partially reduces the ice sublimation process sufficiently, since the temperature gradient between the circulatory system and the environment further away from the circulatory system can be reduced as desired and even made negative. The invention also makes it possible to extract or add water and other substances from the walls, the floor and the ceiling of the underground store, which in turn uses the medium circulating in the circuit.
The invention also makes it possible to recover products that have entered the circulatory system from the underground store.
The invention also enables a security system to control whether and to what extent products, in particular volatile flammable products, have escaped from the warehouse. The invention also makes it possible to recover heat or cold due to the temperature difference occurring in economic terms.
Further advantages arise for the person skilled in the art from the following description of exemplary embodiments.
Exemplary embodiments are described with the aid of the drawing. In the drawing are:
Fig. 1 is a schematic, vertical section through a horizontal, cylindrical or round underground camp with a number of holes for the circulatory system, which are drilled along the camp in the rocks or arranged in a concrete wall, the figure only in the case of a cave inside a rock shows
2 is a schematic, vertical section through horizontal, cylindrical or round underground storage similar to FIG. 1, in which a plurality of circulation channels between the actual rock wall or a cast concrete wall and the inner insulated wall of the storage room is arranged,
Fig.
3 shows a schematic, vertical section through a vertical, underground storage facility with a round or rectangular base, provided with a plurality of circulation channels, tubes or tunnels with current-carrying arrangements for the circulating medium, which lie between the actual rock wall or a cast concrete wall, the inner storage wall, are arranged, all the inner surfaces of the inner wall being provided with insulation which can be exposed to very large temperature differences,
Fig.
4 shows a schematic, vertical section through a vertical, underground store with a plurality of circulation channels, pipes or tunnels with current-carrying arrangements for the circulating medium, which are arranged between the inner wall and the concrete wall, the latter wall being inside the outer cave wall or inside the environment made of loose material such as clay, mud or sand, the figure only showing the case of a rock cave,
5 shows a schematic, horizontal section through an insulation which has been attached to a system of rods,
6 shows a schematic, horizontal section through another type of insulation, the insulation being carried by a system of wall slats which have a regularly repeated undulating profile,
Fig.
7 shows a schematic, horizontal section through the embodiment of FIG. 6 along the line 1-1 in FIG. 6, and
8a shows the approximate distribution of temperatures when the temperatures of the circulatory system are kept at a high and a low level (dashed lines), only a few points being indicated,
8b shows the water vapor pressures corresponding to the temperatures in FIG. 8a, the dashed lines corresponding to an unsaturated vapor pressure,
8c shows the effect of using a dry gas (dashed line corresponds to an unsaturated vapor pressure.
In the drawing, the pipes for filling and emptying the storage room are not shown, since these usual equipment are known. The same applies to some other equipment and required instrumentation.
In the drawing, corresponding parts are provided with the same reference numbers. 1-4, the insulation used and its embodiment is not shown. The same applies to fastening the insulation to the outer and inner bearing wall.
The petroleum industry produces a large amount of volatile hydrocarbons when processing crude oil and natural gases. Natural gas is sent from the sources to export ports, where it is liquefied and stored.
The transport by sea then takes place in the liquefied state. In this form, the natural gas is also stored in the import port. Very extensive and costly systems are required for the storage of such liquids.
This storage is necessary both to cover peak loads and to meet governmental requirements for emergencies.
The general tendency is to store combustible gas storage underground for the following reasons:
1. Burning condensed natural gas and similar fires from liquids with very low boiling points are very difficult, if at all, to be extinguished.
In such fires, very strong explosions often occur, causing very severe destruction in the area. When such products are stored underground, explosions and other hazards can be avoided and fires can be controlled very easily.
2. An underground storage of such products offers an increased protection against weather influences, sabotage and opposing military measures.
3. Storage can be at constant and low temperature, usually on the order of 80 to 10 ° C, with the product not being exposed to sunlight.
4. No space is required on the earth's surface to set up camps.
5. The storage under pressure is carried out at low cost.
6. The knowledge gained recently about the nature and structure of the rocks makes it possible to take advantage of less favorable locations where rock is of poor quality.
7. The bearings can also be built in sand, mud or clay, as mentioned below.
Water vapor moves in accordance with known physical laws to places where the water vapor pressure is lower. If enough water is available so that saturated vapor pressures can develop, the water vapor moves to where the temperature is lowest. The water vapor pressure can therefore be lower in an area at a certain higher temperature and in the absence of water than where the temperature is lower but where there is enough water to create saturated water vapor pressures.
There are also other forces in the rock that temporarily and partially distort this general picture. What has been said is important for the correct operation of a cryogenic storage facility, which is controlled electronically and according to a plan. You have to keep in mind that years can pass before the final temperatures are reached. 8a shows two temperature curves at two different heights of the temperature barrier. 8b shows the corresponding water vapor curves, the dashed curve being in the range of the unsaturated vapor pressures. 8c shows the effect of a dry gas. The sublimation decreases with the temperature, which must be taken into account when determining the height of the temperature barrier.
If the temperatures of the rock are controlled within predetermined limits by means of the circulatory system located adjacent to the surfaces of the walls, the ceiling and the floor of the underground storage facility, continued splitting of the rock can be completely avoided, thereby maintaining the strength of the rock becomes. The supply of heat through the circulatory system prevents the rock temperature from falling below a critical minimum. Damage to the insulation is also avoided by the circulatory system.
Water vapors that move towards the storage room are eliminated by the circulatory system with its small gap connections by the drying function of the circulatory medium. The sublimation process due to the temperature barrier created by the temperature control around the circulatory system - u. a. depending on material, porosity and the presence of sufficiently large amounts of water. Frost waves and frost lenses are consequences that occur if the water is not removed. The aforementioned circulatory system consists of a plurality of closely distributed circulation channels along the bearing surface, through which a liquid or a gas such as nitrogen, carbon dioxide, hydrocarbons or hydrogen or the stored product itself or one or more components of this product flows.
In some cases, passageways or tunnels with circuit management arrangements can replace some or all of the channels and pipes. These circulatory systems can also be used to cool the rock. This is necessary if the rock is to be sealed at a low temperature.
The typical working area of the temperature barrier of the rock or concrete depends on the quality of the rock or concrete. It should usually be within the range of -200C to -500C, i.e. roughly the area in which atmospheric liquid gas storage without rock splitting has been possible until today.
There are methods of continuously sealing open gaps using a continuously injected freezing liquid. In the method described here, to seal natural and potential gaps, the first step is to open these gaps wide by cooling to a temperature which is substantially below the future operating temperature and then to apply the sealing material under pressure, the sealing material being replaced by the above Circulatory system is distributed. At the same time, a conventional injection of the same or a similar sealing material can take place after a plurality of auxiliary holes have been drilled into the surface from the cavity.
In the process described here, sealing materials are used which swell when they come into contact with the stored material. Should the product emerge through a column and get into a column in connection with a swelling substance, the swelling sealing material will seal the column tightly. In certain cases, the swelling process can be initiated by injecting water. If a seal component injected first can react with a second component injected thereafter within a closure with swelling, a good, elastic seal material is obtained. A further sealing option is achieved in that the pressure of the medium in the circulatory system is kept higher than that of the storage room. Leakage losses from the circuit are returned to the circuit from the storage room.
The described method of first expanding the gaps by cooling the wall material and then applying the sealing material by injection, after which the gaps are closed again by increasing the temperature, works just as well with rock material as with concrete.
There are a large number of chemical compounds or mixtures of such compounds which have the ability to swell on contact with liquids and gases, the liquids and gases being absorbed, adsorbed or dissolved by these materials or forming new structures with them. Some of these materials are polymers, rubber or synthetic resins. The sealing material must be selected with regard to the stored product and the choice of the suitable material is within the skill of the average specialist.
It is preferred to remove the water in the rock by using a dry gas or a liquid containing a water absorbing substance.
These media are circulated in the system and then dried by any conventional dry substance. If a cycle gas is used, water can also be separated in condensation, absorption or adsorption processes, which in certain cases can occur after compression. Water removal can be facilitated by heating the medium. The application of the sealing material through the use of the circulatory system leads to the sealing of all gaps and cavities in the area of the circulatory system, but above all in the direction of the storage room. A conventional water drainage system will always be required in all cases of the bearing designs described here.
Another mixture, likewise distributed under pressure in the same way as in the case described above by the circulatory system, contains in principle two components, one of which is water-absorbent, while the other simultaneously acts as a sealing material. Such products are commercially available. If the latter mixture is used, all crevices in the rock can be opened by cooling and then closed again by increasing the temperature.
The sealing properties of the walls of the storage space located in the rock are sometimes dependent on the water content of the rock. Therefore, in one embodiment, water is added to the circuit if necessary. For the ice sublimation process in rock, it is possible to monitor the water content in the circuit. This is of particular importance because the water in the rock tends to migrate and form ice on the inside of the storage wall when cryogenic products are stored. As a result, the insulation is repelled and the insulation property loses.
The circulatory system also enables a safety system with which the correct storage of the product can be monitored. This is particularly important if a volatile and flammable liquid or other dangerous gas is stored in the storage room. Such monitoring can be achieved by keeping the operating pressure in the circulatory system somewhat lower. If the product escapes from the storage room, it enters the cycle, in which it can be determined immediately using suitable instruments, for example a gas chromatograph or a mass spectrometer. The product which has escaped into the cycle can then also be recovered from the cycle, for example by absorption or condensation processes.
Without such a safety system, there is a direct danger when storing flammable gases if the sealing properties of the bearing walls are inadequate and the flammable gas can escape.
The choice of a suitable medium in the circulatory system strongly depends on the stored product. The storage temperature and the temperature range in which the circulating medium is kept also have an influence on the selection. The type of funding that circulates the medium must also be taken into account when selecting the medium. The question of whether the circulating medium attacks the materials with which it comes into contact is also important. Nitrogen is particularly suitable among the gases. Other suitable gases are carbon dioxide, hydrogen, refinery off-gases or the product itself if it is a volatile product.
When storing natural gas, nitrogen is a suitable medium and in this case natural gas and its components can be completely separated if the product should seep into the circulatory system as long as the product does not contain hydrogen.
Also of importance is the question of whether the operation allows economic heat exchange between the circulating medium and another stream or body.
Compared to storage on the ground, underground storage offers the advantage of being able to work at higher pressures at lower costs. This can be of importance when filling the store with liquid natural gas if the specific weight of the liquid to be filled differs from the specific weight of the storage content. Under these circumstances, the bearing pressure can suddenly increase due to a so-called eRollover.
In view of the advantage of working at higher pressure, the use of the bearing as an evaporation chamber is of particular importance. The heat exchanger for the evaporation can be arranged both inside and outside the bearing. The corresponding heat exchange equipment for this vaporization of liquid is not indicated in the drawing, since these are known devices.
When storing cryogenic products such as natural gas, the contraction of the synthetic resin insulation used is about 10je, while the corresponding contraction of the rock for the same temperature interval will be of the order of 1 per mille. The contraction differences of these two different materials require special insulation constructions that are supported along the bearing walls on wood or other supports or on the walls of a built-in container. The basic design principle is to prevent the insulation from being subjected to expansion forces.
The constructions described here are all made up of several layers, for example made of polyurethane or similar plastics together with sealing membranes and a heat-reflecting aluminum foil. Suitable sealing membranes and insulating materials are known and commercially available. The composite insulation layer is formed in such a way that the layer is divided into cup-like elements equally spaced from one another, which results in regular parallel rows of such elements, each element being equidistant from each adjacent element. There is plenty of insulation material around each element to compensate for the temperature contraction, which results in bending stresses rather than tensile stresses.
The insulation is supported at the center of an element.
The former stresses can be mitigated or mitigated during an initial start-up transition process by applying heat from the outside of the insulation layer, using the circulatory system.
Such insulation structures can easily be applied to relatively flat wall surfaces, but otherwise a system of support rods is required for this. If the insulation is held with the help of a Lattensy stems with a wavy profile, the costs are lower than if the surface of the storage room is flat and smooth.
The support rods are fastened in holes drilled in the rocks or formed in the concrete wall.
These holes form a regular, symmetrical pattern that is evenly distributed on all walls. Each element is equidistant from the next element. Each insulation element is then attached to a support bar, leaving a valley around each support bar that allows the temperature to contract.
This design makes it possible to leave the rock wall in an uneven condition.
The wooden slat system is attached to the walls so that the wave crest of the wavy profile of a vertical slat is on both sides and at the same level with respect to a valley of the profile of the adjacent vertical slat. When cooling, the insulation layers will be supported by contraction on the crests of all slats, the excess length of the insulation around each crest allowing temperature contraction. This also occurs when the insulation is attached to the support bars mentioned in the previous section. In the last-mentioned embodiment, the elements correspond to the wave crests in the slat system.
The two constructions can be provided with load-bearing wooden underlays if necessary, and the circulating medium can therefore be routed between the insulated inner wall and the actual outer rock wall or concrete wall.
In Fig. 1 a section through a horizontal, round storage room 10 is shown. A series of holes 11 is drilled for the described circulatory system in the rock 16 surrounding the storage space 10 along the storage space from both ends of the storage space, or, depending on the length of the storage space, also from a niche between the two ends of the storage space. If a concrete wall is poured inside the rock wall or within the surrounding loose material, such as clay or sand, the system of holes is made when the concrete wall is poured. Smaller diameter holes 12 have also been drilled from the storage space in the surrounding rock to seal gaps by injection of swelling sealant or other substances after the rock has cooled below future operating temperature.
Other gaps are sealed with plastic, cement or similar mixtures, and the surface of the outer storage room is leveled, depending on the type of insulation used.
After rock bolts and insulation supports have been attached, the insulation 13 is attached. With 14 the evaporation chamber is designated and with 15 the ventilation pipe for gaseous products.
FIG. 2 shows how a circulation system with channels 17 is arranged on the inside of the outer wall of the storage room 10, which can replace a circulation system with drilled holes, as shown in FIG. 1.
The insulation 13 has been attached here in accordance with what is stated in connection with FIG. 5 or 6. It may be cheaper to build tunnels with current routing arrangements for the circulating medium.
The storage room 10 of FIG. 3 is a modification of the types of storage rooms described above. This storage space can be designed with a rectangular or circular base 19, this embodiment of the base being provided with circulation channels 17, preferably with block elements 18 made of balsa wood. The circulatory system along the walls consists of a plurality of vertical channels 17 or other gas flow guides which ensure sufficient contact between the flowing medium and the outer and inner walls. While the walls and the floor are provided with the aforementioned standard insulation 13, the ceiling of the storage room, which is based on suspended structures 22, is insulated with a permeable insulation 21, for example rock wool.
This insulation allows vapors to pass through and offers the possibility of using the storage room as an evaporation chamber. The flaps 20 shown are used when starting.
4 basically corresponds to that of FIG. 3 and shows how a storage space can be built into sand, mud, clay or similar loose materials or into rocks of inferior quality. The storage room, including the walls with a built-in circulation system, is cast in concrete 29, using movable formwork. In another embodiment, the storage space is made from prefabricated elements and from prestressed concrete. When erected in the ground, the ground is generally frozen before excavation. If necessary, insulating material, impermeable insulating material or foamed insulating material 27 can be arranged around the structure.
Fig. 5 shows how the insulation 13 is fastened after a regular pattern of supporting bars arranged at equal intervals has been fastened in the rock wall.
23 denotes elastomeric membrane, 24 polyurethane foam, 25 aluminum foil and 26 the support rod, which has been fastened in a drilled hole in the rock or in the concrete. With 28 a supporting support wall made of wood, plywood or plastic is called.
FIG. 6 shows the use of a slat system 30 with a shape of regularly repeating, wavy profiles.
Fig. 7 is a vertical section along the line 1-1 in Fig. 6 is shown.
The user of the warehouse described is offered the possibility of storing cryogenic, condensable gases, in particular fire-hazardous, safely and economically without environmental nuisance.