DE102013107677A1

DE102013107677A1 - Druckgasspeicher zur unterirdischen Druckgasspeicherung

Info

Publication number: DE102013107677A1
Application number: DE201310107677
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Althaus; Clemens Backhaus; Marcus Budt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2015-01-22
Also published as: WO2015007600A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Druckgasspeicher (1) zur unterirdischen Druckgasspeicherung umfassend einen unterirdischen Hohlraum (2) mit wenigstens einem im Wesentlichen vertikal verlaufenden und mit Übertage verbundenen Schacht (3) und wenigstens einer im Wesentlichen horizontal verlaufenden und mit dem Schacht (3) verbundenen Strecke (4), wobei in dem wenigstens einen Schacht (3) eine mit der Strecke (4, 5) kommunizierende und sich bis über das Niveau der wenigstens einen Strecke (4, 5) erstreckende Wassersäule (7) vorhanden ist. Um große Mengen an Druckgas einfach, zuverlässig und kostengünstig speichern zu können, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein an die Wassersäule (7) angrenzender Behälter (8, 9, 10) für die Aufnahme des Druckgases vorgesehen ist und dass der Behälter (8, 9, 10) derart flexibel ist, so dass das Behältervolumen von der Masse des Druckgases im Behälter (8, 9, 10) einerseits und von dem Druck der Wassersäule (7) außerhalb des Behälters (8, 9, 10) andererseits abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgasspeicher zur unterirdischen Druckgasspeicherung umfassend einen unterirdischen Hohlraum mit wenigstens einem im Wesentlichen vertikal verlaufenden und mit Übertage verbundenen Schacht und wenigstens eine im Wesentlichen horizontal verlaufende und mit dem Schacht verbundene Strecke, wobei in dem wenigstens einen Schacht eine mit der Strecke kommunizierende und sich bis über das Niveau der wenigstens einen Strecke erstreckende Wassersäule vorhanden ist.
Druckgasspeicher zur unterirdischen Druckgasspeicherung sind bereits in unterschiedlichen Ausgestaltungen vorgeschlagen worden, da sich unterirdisch große Mengen an Druckgas mit einem sehr geringen überirdischen Landverbrauch speichern lassen, und zwar insbesondere in bereits vorhandenen unterirdischen Hohlräumen. So ist es beispielsweise bekannt, Gase mit hohem Druck in Salzkavernen zu pressen. In anderen Anwendungen wird ein unterirdischer Hohlraum mit Wasser geflutet und das Wasser durch das gespeicherte Druckgas teilweise aus dem Hohlraum verdrängt. Der Druckgasspeicher wird also teilweise durch das Wasser abgedichtet, dessen hydrostatischer Druck zudem den Druck bestimmt, mit dem das Druckgas im Hohlraum gespeichert wird.
Ein Druckgasspeicher der vorgenannten Art ist beispielsweise aus der US 3,996,741 A bekannt. Dieser umfasst einen unterirdischen Hohlraum mit einem vertikalen Schacht, der einerseits mit der Erdoberfläche (Übertage) und andererseits mit einem eher horizontalen Hohlraum verbunden ist. Der horizontale Hohlraum kann im Sinne der Erfindung als Strecke bezeichnet werden. In dem Schacht ist eine Wassersäule vorgesehen, die mit dem eher horizontalen Hohlraum kommuniziert und deutlich höher reicht als der eher horizontale Hohlraum. An der Erdoberfläche befinden sich mehrere Verdichter, mit denen Luft gegen den hydrostatischen Druck der Wassersäule in den eher horizontalen Hohlraum gedrückt werden kann, um die Luft dort für eine gewisse Zeit zu speichern. Die Luft verdrängt dabei Wasser aus dem Hohlraum. Das verdrängte Wasservolumen gelangt über den Schacht in ein an der Erdoberfläche vorgesehenes Wasserreservoir, soweit das verdrängte Wasser nicht untertage verbleiben kann. Die gespeicherte Luft kann dem Druckgasspeicher wieder entnommen werden, um diese über eine Turbine zu entspannen und dabei Strom zu produzieren.
Nachteilig an den bekannten Druckgasspeichern ist jedoch, dass die eher horizontalen Hohlräume so ausgebildet sein müssen, dass die gespeicherte Luft nicht ohne Weiteres aus der Strecke entweichen kann. Deshalb ist es arbeitsaufwendig und kostenintensiv, entsprechende Hohlräume auszugestalten, insbesondere wenn bereits vorhandene unterirdische Hohlräume für die Druckgasspeicherung genutzt werden sollen. Im letztgenannten Fall, müssen die vorhandenen Strecken zunächst wenigstens teilweise verschlossen werden, um ein hinreichendes Gasvolumen sicher aufnehmen zu können, was sich auch deshalb als besonders aufwendig erweist, weil die entsprechenden Verschlüsse der Strecken auch bei sehr hohen Drücken über einen langen Zeitraum gasdicht sein müssen.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckgasspeicher der eingangs genannten und zuvor näher beschriebenen Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass große Mengen an Druckgas einfach, zuverlässig und kostengünstig gespeichert werden können.
Die Aufgabe ist bei einem Druckgasspeicher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass wenigstens ein an die Wassersäule angrenzender Behälter für die Aufnahme des Druckgases vorgesehen ist und dass der Behälter derart flexibel ist, so dass das Behältervolumen von der Masse des Druckgases im Behälter einerseits und vom Druck der Wassersäule außerhalb des Behälters andererseits abhängt.
Erfindungsgemäß ist also keine oder nur eine geringe bauliche Veränderung an bereits vorhandenen unterirdischen Hohlräumen erforderlich, um diese als Druckgasspeicher nutzen zu können. Es wird nämlich stattdessen einfach ein flexibler Behälter in die Strecke eingebracht, der vorzugsweise über eine Leitung, die fest und/oder flexibel sein kann, von der Erdoberfläche (übertage) zugänglich ist. Anschließend können die Strecke und wenigstens Teile des Schachts geflutet werden, so dass der Behälter an die sich bildende Wassersäule angrenzt und der Behälter demnach unter dem hydrostatischen Druck der Wassersäule steht. Der Behälter ist dabei flexibel ausgebildet und im ungefüllten Zustand aufgrund des hydrostatischen Drucks der Wassersäule nahezu vollständig zusammengedrückt.
Wenn der Behälter mit Druckgas befüllt wird, dehnt sich der Behälter aus, wobei der Druck des Druckgases in dem Behälter dem hydrostatischen Druck der Wassersäule entspricht. Es besteht also ein Druckgleichgewicht zwischen dem Druckgas und dem den Behälter umgebenden Wasser. Deshalb muss der Behälter keine großen Differenzdrücke aushalten und kann folglich aus einem verhältnismäßig einfachen und kostengünstigen Material gefertigt werden. Aus diesem Grunde bietet es sich an, wenn der Behälter vollständig vom Wasser umgeben ist oder wenn die Bereiche, die nicht vom Wasser umgeben sind, an der Strecke anliegen.
Letztlich führt die Flexibilität des Behälters, der dennoch bedarfsweise unflexible Teilabschnitte umfassen kann, dazu, dass das innere Volumen des Behälters in Anlehnung an das ideale Gasgesetz mit steigender Masse an Druckgas und mit sinkendem hydrostatischem Druck der Wassersäule zunimmt. Das ideale Gasgesetz kann dabei folgendermaßen angegeben werden: p·V = m·R_S·T
Dabei ist p der Druck des Druckgases oder der hydrostatische Druck der Wassersäule, V das innere Volumen des Behälters, m die Masse des Druckgases im Behälter, R_S die spezifische Gaskonstante des Druckgases und T die Temperatur. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass das ideale Gasgesetz vorliegend im Wesentlichen der Veranschaulichung dient, da es bei den erfindungsgemäß bevorzugten hohen Drücken nicht mehr ohne Weiteres angewendet werden kann.
Die Verwendung der Begriffe Schacht und Strecke ergibt sich vorwiegend daraus, dass es sich bei dem Hohlraum des Druckgasspeichers um einen vorhandenen Hohlraum in Form eines Bergwerks handeln kann. Folglich wird unter einem Schacht und einer Strecke insbesondere ein Schacht oder eine Strecke im Sinne des Bergbaus verstanden. Danach dient ein Schacht dazu, eine Lagerstätte von der Erdoberfläche her zu erschließen. Dies bedeutet insbesondere den Transport von Personen und Material, die Zufuhr von Frischgas oder Kühlmedien, die Abfuhr von Abwärme, den Abzug von Abluft und/oder den Abtransport der Abbauprodukte. Die Schächte sind im Wesentlichen senkrecht ausgebildet und können bedarfsweise gestuft verlaufen. An die Schächte schließen sich im Wesentlichen horizontale Strecken an, die der Wetterführung, der Fahrung, der Förderung und dem Transport von Personen und Material dienen. Oftmals verbinden die Strecken die Lagerstätten mit dem Schacht. Strecken verlaufen meist nur mit geringer Steigung und einem im Wesentlichen konstanten Querschnitt, der etwa halbkreisförmig ausgebildet sein kann. Andere standfeste Hohlräume, die auch flächig ausgeführt sein können, können ebenfalls als Strecken im Sinne der Erfindung angesehen werden. Unter flächig ausgeführten Hohlräumen werden solche verstanden, die viel breiter und viel länger als hoch sind. Sofern es sich bei dem Hohlraum nicht um ein vorhandenes Bergwerk handelt, kann der Hohlraum in seiner Form und Struktur einem Bergwerk ähneln und auch schachtähnliche und streckenähnliche Abschnitte aufweisen. Daher wird der Einfachheit halber weiter von Schächten und Strecken gesprochen, auch wenn damit nicht nur Schächte und Strecken im Sinne des Bergbaus eines vorhandenen Bergwerks gemeint sind, auch wenn solche bevorzugt sein mögen.
Auch wenn vorliegend Wasser zur Bildung des hydrostatischen Drucks auf den Behälter der Einfachheit halber bevorzugt ist, kann anstelle von Wasser auch eine andere Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch verwendet werden. Der leichteren Verständlichkeit wegen wird im Folgenden jedoch weiter von einer Wassersäule und von Wasser gesprochen, auch wenn damit neben Wasser auch eine andere Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch gemeint sein kann.
Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Druckgasspeichers ist der wenigstens eine flexible Behälter über eine Verbindungsleitung mit einer Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit ist mit dem Behälter verbunden. Die Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit kann an der Erdoberfläche angeordnet sein. Bevorzugt ist die Verbindungsleitung im Schacht im Wesentlichen als Rohrleitung ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Teil der Leitung in der Strecke als Schlauch ausgebildet sein, so dass einer gewissen Beweglichkeit des Behälters in der Strecke Rechnung getragen werden kann. Die Leitung kann in der Strecke aber auch wenigstens teilweise als Rohrleitung ausgebildet sein.
Die Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit ermöglicht das Zuführen des Druckgases zum wenigstens einen flexiblen Behälter und/oder das Entnehmen des Druckgases aus dem wenigstens einen flexiblen Behälter. Wenn das zu speichernde Druckgas bereits unter erhöhtem Druck vorliegt, kann bedarfsweise auf eine separate Verdichter-Einheit verzichtet werden. Das Druckgas kann dann unter dem vorhandenen Druck oder nach einer teilweisen Entspannung des Druckgases über die Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit in den wenigstens einen flexiblen Behälter geleitet werden.
Die Entnahme-Einheit ermöglicht die Entnahme des Druckgases und kann als Leitung, Stutzen oder dergleichen ausgebildet sein. So kann der Druckgasspeicher beispielsweise als Ausgleichsbehälter in einer Gasversorgungsleitung oder en einem Rohrleitungsnetzes vorgesehen sein. Eine Verdichtung und/oder eine Entspannung des Druckgases kann an anderer Stelle erfolgen. Eine Verdichter-Einheit und/oder eine Entspannungs-Einheit muss also nicht Bestandteil des Druckgasspeichers sein.
Um das Druckgas auf das gewünschte Druckniveau zu bringen, kann die Zuführ-Einheit aber auch als Verdichter-Einheit ausgebildet sein. Das Druckgas wird dann von der Verdichter-Einheit mittels wenigstens eines Verdichters in den wenigstens einen flexiblen Behälter gepresst.
Um eine gezielte Entnahme des Druckgases zu ermöglichen, wird es in vielen Fällen bevorzugt sein, wenn die Entnahme-Einheit als Entspannungs-Einheit zum wenigstens teilweisen Entspannen des ausgebildet ist. Bei der Entspannungs-Einheit kann es sich in einem einfachen Fall um ein Ventil, ein Ventilsystem oder ganz allgemein um eine Drossel handeln. Wenn der Druck des gespeicherten Druckgases genutzt werden soll, kann alternativ oder zusätzlich auch ein Gasexpander vorgesehen sein.
Bedarfsweise kann aber auch auf eine Entnahme und/oder Entspannungseinheit verzichtet werden, beispielsweise wenn das Druckgas im Druckgasspeicher verbleiben soll. Dies wäre insbesondere bei der Speicherung von Kohlendioxid (CO₂) denkbar, um es der Erdatmosphäre dauerhaft zu entziehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Druckgasspeichers ist der wenigstens eine Behälter im Wesentlichen aus einem flexiblen Material, vorzugsweise Kunststoffgebildet. Als Materialien kommen beispielsweise hochfeste Gewebe, Kautschuk, chlorsulfoniertes Polyethylen (CSM), Chloropren-Kautschuk, Polyurethan (PU), Polyester sowie, bedarfsweise einlagige oder mehrlagige, Verbunde aus diesen Materialen in Frage. Dadurch kann der Behälter einfach und kostengünstig gefertigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Behälter im Wesentlichen in Form eines entlang der Strecke verlegten Schlauchs ausgebildet sein. Dies bietet sich zur Ausnutzung des Volumens einer länglichen Strecke an. Dabei erlaubt es die flexible Ausgestaltung des Behälters zudem, der Strecke auch entlang von Biegungen und/oder Kurven zu folgen. Dies ist von besonderem Nutzen, wenn es ich bei dem Hohlraum um ein stillgelegtes Steinkohlebergwerk handelt.
Der wenigstens eine Behälter kann der Einfachheit halber in dem Hohlraum so vorgesehen sein, dass der Behälter im wenigstens teilweise mit Druckgas gefüllten Zustand wenigstens abschnittsweise an der Decke der Strecke anliegt. Der Behälter erfährt im teilweise gefüllten Zustand nämlich einen Auftrieb. Damit dieser nicht über eine gesonderte vertikale Verankerung des Behälters abgefangen werden muss, kann sich der Behälter der Einfachheit halber an der Strecke, vorzugsweise der Decke der Strecke, abstützen, und so beispielsweise die Auftriebskraft an das Deckgebirge abgeben. Dies kann gleichzeitig der Fixierung des Behälters längs der Strecke dienen.
Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Behälter aber auch durch separate Befestigungsmittel in Längsrichtung der Strecke in der Strecke fixiert sein. Dadurch wird verhindert, dass sich der Behälter in unerwünschter Weise in der Strecke hin und her bewegen kann. Die Fixierung kann beispielsweise durch Seile oder dergleichen erfolgen, die an Aufnahmen am Behälter und an Halteelementen an der Strecke, vorzugsweise am Boden, an einer Seitenwand und/oder an der Decke der Strecke, festgelegt sind.
Damit der Behälter keinen zu großen Differenzdrücken zwischen dem Inneren des Behälters, also des Druckgases, und eines an den Behälter grenzenden Fluids kommt, kann der wenigstens eine Behälter und/oder eine Regelung der Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit derart an die Strecke angepasst sein, so dass der wenigstens eine Behälter an keiner Stelle der Strecke den Querschnitt der Strecke quer zur Längserstreckung der Strecke vollständig ausfüllt. Andernfalls kann beispielsweise das vom Schacht aus gesehene hintere Ende des Behälters an ein Wasservolumen grenzen, das nicht mit der Wassersäule im Schacht verbunden ist und somit einen viel geringeren Druck aufweisen kann. Wenn dieses Wasservolumen von dem Behälter verdrängt werden kann, kann die Druckdifferenz über die Behälterwand dort so groß werden, dass der Behälter reißt oder anderweitig beschädigt wird.
Insbesondere um unterschiedliche Strecken oder sehr große Strecken für die Druckgasspeicherung nutzen zu können, kann eine Mehrzahl von flexiblen Behältern in der wenigstens einen Strecke angrenzend zur Wassersäule vorgesehen und bedarfsweise jeweils separat mit der Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit verbunden sein. Dadurch wird einerseits erreicht, dass kein zu großer Teil des Speichervolumens verloren geht, wenn ein Behälter beschädigt wird. Insbesondere im Falle eines unterirdischen Hohlraums in Form eines gefluteten Bergwerks, kann ein beschädigter Behälter nämlich nicht ohne Weiteres ersetzt werden. Andererseits können so Behälter auf unterschiedlichen Niveaus bezogen auf die Wassersäule, also in übereinander angeordneten Strecken bereitgestellte werden, wobei jeder Behälter Druckgas im Wesentlichen isobar speichern kann, und zwar im Wesentlichen unabhängig vom Füllgrad des Behälters. Der Druck im Behälter entspricht nämlich stets dem hydrostatischen Druck der Wassersäule. Sollte sich die Höhe der Wassersäule im Schacht durch das Füllen des Behälters mit Druckgas und das dabei verdrängte Wasser nennenswert ändern, kann nur noch bedingt von einem isobaren Wasserspeicher ausgegangen werden. Um die Höhe und damit den hydrostatischen Druck der Wassersäule in dem Schacht im Wesentlichen konstant oder wenigstens konstanter zu halten, kann ein Ausgleichsbecken für das Wasser in einer Strecke oder an der Erdoberfläche (Übertage) vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch überschüssiges Wasser aus dem Schacht abgepumpt werden, also beispielsweise das eine bestimmte Füllhöhe im Schacht übersteigende Wasser, und bedarfsweise in einem Ausgleichsbehälter gesammelt werden. Eine entsprechende Pumpeneinheit ist beispielsweise zur Wasserhaltung im Bergwerk ohnehin erforderlich. Bei Entnahme von Druckgas aus dem Druckgasspeicher kann dann bedarfsweise zum erneuten Druckausgleich Wasser, etwa aus dem Ausgleichsbehälter, in den Schacht zurück geleitet werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch wenigstens zwei durch eine in der Strecke fixierte Leitung verbundene flexible Behälter vorgesehen sein. So können die Behälter problemlos einer starken Krümmung der Strecke folgen oder Bereiche überbrücken, in denen die Decke der Strecke durch einen weiteren Schacht unterbrochen ist oder das Niveau der Decke der Strecke im Sinne einer Ausbuchtung nach oben abschnittsweise stark ansteigt. In diesen Bereichen könnte sich der Behälter nämlich infolge des Auftriebs nicht an der Decke der Strecke abstützen. Der Auftrieb könnte somit zu einer solch großen lokalen Belastung für den Behälter führen, dass dieser reißt, sonst wie beschädigt wird oder in unerwünschter Weise in dem schachtartigen Abschnitt oder der Ausbuchtung nach oben steigt. Da diese Prinzipien grundsätzlich auch für die den Bereich des schachtartigen Abschnitts oder der Ausbuchtung überbrückende Leitung gelten, kann diese, sofern sie nicht an einem schmalen Deckenstück am Rand des schachtartigen Abschnitts oder der Ausbuchtung an der Decke der Strecke abgestützt werden kann, fest an der Strecke verankert und insbesondere zusätzlich als widerstandsfähige Rohrleitung ausgebildet sein.
Bei dem Druckgas kann es sich wenigstens um ein Brenngas, um wenigstens ein industrielles Nutzgas, wie etwa Hochofengas oder Koksgas, Edelgas, Kohlendioxid (CO₂) und/oder um Luft handeln. Für diese Gase ist die Speicherung in großen Mengen besonders zweckmäßig. Im Falle von mehreren Behältern, die separat an die Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit angeschlossen sind, können auch unterschiedliche Gase in dem Druckgasspeicher gespeichert werden, ohne dass die Gefahr einer unbeabsichtigten Vermischung von Gasen besteht.
Das Entspannen des Druckgases in der Entspannungs-Einheit kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Hierfür bietet es sich insbesondere an, wenn die Entspannungs-Einheit einen Gasexpander, beispielsweise in Form einer Turbine oder einer Kolbenmaschine, umfasst. Zusätzlich kann die Entspannungs-Einheit, insbesondere der Gasexpander, an einen Generator zur Stromerzeugung angeschlossen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Zuführ-Einheit als Verdichter-Einheit ausgebildet sein und wenigstens einen Verdichter zum Verdichten des Druckgases aufweisen.
Besonders bevorzugt und kostengünstig ist es, wenn der unterirdische Hohlraum ein stillgelegtes Bergwerk, insbesondere Kohlebergwerk, ist. So kann zudem eine große Menge an Druckgas gespeichert werden. Außerdem wird ein stillgelegtes Kohlebergwerk ohnehin meist langsam mit Wasser geflutet. Dies kann zum Betrieb des Druckgasspeichers wie beschrieben genutzt werden, obwohl Kohlebergwerke typischerweise nicht gasdicht und damit für die Druckgasspeicherung eigentlich ungeeignet sind.
Der Druckgasspeicher kann wenigstens einen Behälter zur Speicherung von, vorzugsweise insgesamt, wenigstens 10.000 Nm³, vorzugsweise wenigstens 50.000 Nm³ oder 100.000 Nm³, insbesondere wenigstens 500.000 Nm³ Druckgas aufweisen. Unter der Bezeichnung Nm³ werden dabei Normkubikmeter also Kubikmeter unter Normbedingungen verstanden, wobei die Normbedingungen bei einem Druck von 1,01325 bar, einer Temperatur von 273,15 K und 0% relativer Feuchte (trockenes Gas) gegeben sind. Derart große Gasmengen können sonst kaum in kostengünstiger Weise sicher gespeichert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn der wenigstens eine Behälter wenigstens 20 m, vorzugsweise wenigstens 100 m, unter dem Wasserspiegel der Wassersäule vorgesehen ist. Dann kann ein hoher hydrostatischer Druck der Wassersäule zur Druckgasspeicherung ausgenutzt werden, um viel Druckgas in verhältnismäßig kleinen Behältern und unter hohem Druck speichern zu können. Letzteres ist besonders bevorzugt, wenn das gespeicherte Druckgas nach der Speicherung auf einem hohen Druckniveau genutzt werden soll.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Figur näher erläutert. In der Figur ist ein erfindungsgemäßer Druckgasspeicher 1 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt, wobei die Dimensionen nicht maßstäblich dargestellt sind. Der dargestellte und insoweit bevorzugte Druckgasspeicher 1 erstreckt sich insbesondere deutlich weiter in die Tiefe, als dies aus der Figur ersichtlich ist. Zur Beschreibung der Funktion und des Aufbaus des Druckgasspeichers 1 ist dies jedoch von untergeordneter Bedeutung.
Der Druckgasspeicher 1 umfasst einen unterirdischen Hohlraum 2 in Form eines stillgelegten Kohlebergwerks, mit einem Schacht 3 und mehreren Strecken 4, 5, wobei die Strecken 4, 5 im Wesentlichen horizontal ausgebildet sind und allenfalls eine geringe Neigung aufweisen. Der Schacht 3 ist dabei im Wesentlichen vertikal ausgerichtet und verbindet die Strecken 4, 5 mit Übertage. Das Kohlebergwerk ist mit Wasser 6 bis zu einem Niveau oberhalb der Strecken 4, 5 geflutet. Daher steht in dem Schacht 3 eine Wassersäule 7, die mit den ebenfalls gefluteten Strecken 4, 5 kommuniziert. Es besteht also eine vorzugsweise direkte Verbindung zwischen dem Wasser 6 in dem Schacht 3 und dem Wasser 6 in den Strecken 4, 5. In den Strecken 4, 5 befinden sich flexible Behälter 8, 9, 10 zur Aufnahme von Druckgas in Form von längs zu den Strecken 4, 5 verlaufenden Schläuchen. Dazu sind die flexiblen Behälter 8, 9, 10 über Leitungen 11, 12 mit einer Zuführ- und Entnahme-Einheit 13 verbunden. Die Zuführ- und Entnahme-Einheit 13 des dargestellten und insoweit bevorzugten Druckgasspeichers 1 ist als Verdichter- und Entspannungs-Einheit ausgebildet und umfasst wenigstens einen Verdichter (nicht dargestellt). Der Verdichter verdichtet bedarfsweise das Druckgas um es in die flexiblen Behälter 8, 9, 10 zu pressen. Der Verdichter kann mit einer Trocknungseinheit für das zu speichernde Druckgas versehen werden, damit keine Feuchtigkeit in die flexiblen Behälter 8, 9, 10 gepresst wird.
Zudem kann über die Zuführ- und Entnahme-Einheit 13 auch Druckgas aus den Behältern 8, 9, 10 entnommen werden. Hierzu bedarf es beispielsweise einer Drossel oder eines Ventilsystems (nicht dargestellt). Für die Förderung des Druckgases sorgt der Druck des Druckgases. Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Druckgasspeicher 1 wird das den flexiblen Behältern 8, 9, 10 entnommene Druckgas, bei dem es sich beim dargestellten und insoweit bevorzugten Druckgasspeicher 1 um Luft handelt, unter Gewinnung von Strom mittels eines Generators 14 über einen Gasexpander in Form einer Turbine entspannt.
In der oberen Strecke 4 befinden sich zwei flexible Behälter 8, 9 zur Aufnahme von Druckgas, die im Wesentlichen vollständig gefüllt sind. Die maximale Ausdehnung der flexiblen Behälter 8, 9 ist dabei so vorbestimmt, dass diese den im Wesentlichen konstanten Querschnitt der Strecke 4 an keiner Stelle der Strecke 4 vollständig verschließen. Das gesamte Wasser 6, das an die Behälter 8, 9 grenzt, steht also in direkter Verbindung mit der Wassersäule 7 in dem Schacht 3 und übt daher überall etwa den gleichen hydrostatischen Druck auf die Behälter 8, 9 aus.
Da die Behälter 8, 9 mit Druckgas gefüllt sind, entwickeln diese einen erheblichen Auftrieb. Die Behälter 8, 9 liegen daher oben an der Decke der Strecke 4 an. Der Auftrieb wird daher vom Deckgebirge aufgenommen. Dies ist jedoch in dem schachtartigen Abschnitt 16 in etwa vertikaler Ausrichtung nicht möglich. Die Behälter 8, 9 würden dort dazu neigen, weiter nach oben zu steigen. Dies würde eine hohe Belastung für die Behälter 8, 9 darstellen und könnte dazu führen, dass die Behälter 8, 9 reißen oder insgesamt nach oben gezogen würden. Um dies zu vermeiden, sind in der Strecke 4 zwei flexible Behälter 8, 9 vorgesehen, die im Bereich des schachtartigen vertikalen Abschnitts 16 über eine feste Rohrleitung 17 miteinander verbunden sind, welche über Befestigungseinrichtungen 18 an der Strecke 4 festgelegt ist. Auf diese Weise wirkt zwar auch ein Auftrieb, die Rohrleitung 17 ist aber so stabil ausgebildet, dass die Kräfte infolge des Auftriebs über die Befestigungseinrichtungen 18 an die Strecke 4 abgegeben werden können.
In der unteren Strecke 5 ist ein weiterer flexibler Behälter 10 vorgesehen, der nicht mit Druckgas gefüllt und über eine separate Leitung 12 mit der Zuführ- und Entnahme-Einheit 13 verbunden ist. Da der weitere Behälter 10 unterhalb der anderen flexiblen Behälter 8, 9 angeordnet ist, nimmt dieser Druckgas auf einem höheren Druckniveau auf. Wenn Druckgas in diesen Behälter 10 gepresst wird, wird eine entsprechende Wassermenge aus der Strecke 5 verdrängt. Damit das Niveau des Wasserspiegels 19 der Wassersäule 7 und damit der hydrostatische Druck des Wassers 6 in den Strecken 4, 5, der dem Druck des Druckgases in den Behältern 8, 9, 10 entspricht, durch das verdrängte Wasser 6 nicht zu stark erhöht wird, wird bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Gasspeicher 1 das durch das gespeicherte Druckgas verdrängte Wasser 6 in einem überirdischen Ausgleichsbehälter 20 gesammelt. Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Druckgasspeicher 1 ist der Schacht 2 mit einer wasserdichten Auskleidung 21 versehen, mit einem Verschluss 22 verschlossen und über eine Leitung 23 mit dem Ausgleichsbehälter 20 verbunden. Bedarfsweise kann auch eine Pumpe vorgesehen werden, die Wasser aus dem Schacht in den Ausgleichbehälter 20 absaugt, so dass der Wasserspiegel der Wassersäule 7 im Schacht nicht zu sehr ansteigt. Dies wird im Regelfall jedoch nicht erforderlich sein. Wenn ein Behälter 8, 9, 10 entleert wird, kann aus dem Ausgleichsbehälter 20 wieder Wasser 6 in den Schacht 3 geleitet werden.
Die Fixierung der Behälter 8, 9, 10 an der jeweiligen Strecke erfolgt so, dass die Behälter 8, 9, 10 eine gewisse Bewegungsfreiheit behalten. Beim dargestellten und insoweit bevorzugten Druckgasspeicher 1 sind dazu an der Decke der Strecke 4, 5 in vorbestimmten Abständen Seile 24, etwa aus Kunststoff, gespannt, die durch an dem Behälter 8, 9, 10 festgelegte Ösen 25 führen. So kann sich der Behälter 8, 9, 10 flexibel an die jeweiligen Umstände beim Befüllen und Entleeren des Behälters 8, 9, 10 anpassen und zudem gegen die Decke der Strecke 4,5 aufsteigen.
Die Bewegungsfreiheit der Behälter 8, 9, 10 kann es erfordern, dass die Leitung 11, 12 zwischen der Zuführ- und Entnahme-Einheit 13 und dem Behälter 8, 9, 10 in der Nähe der Behälter 8, 9, 10 flexibel, etwa als Schlauch ausgebildet ist. Um Beschädigungen zu vermeiden, kann der übrige Teil der Leitung 11, 12 jedoch als feste Rohrleitung im Schacht 3 verlegt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3996741 A [0003]

Claims

Druckgasspeicher (1) zur unterirdischen Druckgasspeicherung umfassend einen unterirdischen Hohlraum (2) mit wenigstens einem im Wesentlichen vertikal verlaufenden und mit Übertage verbundenen Schacht (3) und wenigstens eine im Wesentlichen horizontal verlaufende und mit dem Schacht (3) verbundene Strecke (4), wobei in dem wenigstens einen Schacht (3) eine mit der Strecke (4, 5) kommunizierende und sich bis über das Niveau der wenigstens einen Strecke (4, 5) erstreckende Wassersäule (7) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein an die Wassersäule (7) angrenzender Behälter (8, 9, 10) für die Aufnahme des Druckgases vorgesehen ist und dass der Behälter (8, 9, 10) derart flexibel ist, so dass das Behältervolumen von der Masse des Druckgases im Behälter (8, 9, 10) einerseits und von dem Druck der Wassersäule (7) außerhalb des Behälters (8, 9, 10) andererseits abhängt.
Druckgasspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) zur Aufnahme und Abgabe von Druckgas mit einer Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit (13) verbunden ist.
Druckgasspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit (13) eine Verdichter-Einhut zum Verdichten des Druckgases und/oder eine Entspannungs-Einheit, vorzugsweise einen Gasexpander, zum Entspannen des Druckgases aufweist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) im Wesentlichen aus einem flexiblen Material, vorzugsweise Kunststoff, insbesondere Kautschuk, chlorsulfoniertem Polyethylen (CSM), Chloropren-Kautschuk, Polyurethan (PU), Polyester sowie einlagigen oder mehrlagigen Verbund aus den zuvor genannten Materialen gebildet ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) in Form eines entlang der Strecke (4, 5) verlegten Schlauchs ausgebildet ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) im mit Druckgas gefüllten Zustand an der Decke der Strecke (4, 5) anliegt.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) in Längsrichtung der Strecke (4, 5) in der Strecke fixiert (4, 5) ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) und/oder eine Regelung der Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit 13 derart an die Strecke (4, 5) angepasst ist, so dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) an keiner Stelle der Strecke (4, 5) den Querschnitt der Strecke (4, 5) quer zur Längserstreckung der Strecke (4, 5) vollständig ausfüllt.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von flexiblen Behältern (8, 9, 10) in der wenigstens einen Strecke (4, 5) angrenzend zur Wassersäule (7) vorgesehen und, vorzugsweise jeweils separat mit der Zuführ- und/oder Entnahme-Einheit (13) verbunden ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleichsbehälter (21) zur Aufnahme von durch den wenigstens einen Behälter (8, 9, 10) verdrängten Wasservolumens vorgesehen ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei durch eine in der Strecke (4) fixierte Leitung (17) verbundene Behälter (8, 9) vorgesehen sind.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas wenigstens ein Brenngas, wenigstens ein industrielles Nutzgas, wie etwa Hochofengas oder Koksgas, Edelgas, Kohlendioxid (CO₂),und/oder Luft ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannungs-Einheit zur Stromerzeugung durch Entspannen des Druckgases an eine Stromerzeugungseinheit, vorzugsweise einen Generator, angeschlossen ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der unterirdische Hohlraum (2) ein stillgelegtes Bergwerk, insbesondere Kohlebergwerk, ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) zur Speicherung von bedarfsweise insgesamt wenigstens 10.000 m³, vorzugsweise wenigstens 50.000 m³, weiter vorzugsweise wenigstens 100.000 m³, insbesondere wenigstens 500.000 m³ Druckgas unter Normbedingungen (1,01325 bar, 273,15 K, 0% rel. Feuchte) ausgebildet ist.
Druckgasspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Behälter (8, 9, 10) wenigstens 20 m, vorzugsweise wenigstens 100 m, unter dem Wasserspiegel der Wassersäule vorgesehen ist.