DE102022001198B3 - Verfahren zum Befüllen eines Kavernenspeichers für Erdgas - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Kavernenspeichers (100) für Erdgas, gekennzeichnet durch Einbringen einer Wärmetauscherwendel (110) in ein verohrtes Bohrloch (120), das von der Erdoberfläche (200) bis zum Kavernenkopf (130) führt, bis zum Kavernenkopf (130), Abschließen eines Ausgangs (111) der Wärmetauscherwendel (110) mit einem Prallblech (112), Einleiten von 10m3bis 50m3LNG (300) in die Wärmetauscherwendel (110), Warten bis der Druck in der Kaverne des Kavernenspeichers (100) wieder auf 70% bis 120% des ursprünglichen Drucks angestiegen ist, erneutes Einleiten von 10m3bis 50m3LNG (300) in die Wärmetauscherwendel (110), wobei das Warten und das erneute Einleiten so lange wiederholt wird, bis eine vorgewählte Füllmenge des Kavernenspeichers (100) erreicht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Kavernenspeichers für Erdgas.
  • Zum befüllen eines Kavernenspeichers mit Erdgas ist es üblich, gasförmiges Erdgas, also Methan mit natürlichen Fremdgasbeimengungen, mit Hilfe eines bestehenden Pipelinedrucks und einer Nachverdichtung unmittelbar in die Kaverne zu pumpen. Die durch die Kompressionswärme erzeugte Temperaturerhöhung des verdichteten Erdgases wird durch Abgabe der Wärme im Kavernenspeicher an das Gebirge und/oder an eine bestehende Grundsole in der Kaverne wieder ausgeglichen. Es ist zu beobachten, dass eine Temperaturäquilibrierung in der Kaverne stattfindet, so dass die Gastemperatur in einer Kaverne zwischen 20°C und 30°C betragen kann. Je nach Teufe der Kaverne kann die dort vorherrschende Temperatur der Erdwärme das Gas erwärmen oder gegenüber der Kompressionswärme, die sich in dem großen Gasvolumen der Kaverne verliert, abkühlen.
  • Im Zuge einer Befüllung mit LNG (Liquified Natural Gas, deutsch: flüssiges Erdgas) wurde festgestellt, dass eine unmittelbare Befüllung einer Kaverne mit LNG dazu führt, dass die Temperatur in der Kaverne so weit abfällt, dass ein Mindestdruck in der Kaverne nicht aufrecht erhalten werden kann. Der mit dem Temperaturabfall einhergehende Druckabfall kann zu Schäden an der Kaverne führen und im extremsten Fall zu einem Zusammenbruch des Gebirges führen, was eine schwerwiegende Havarie darstellt.
  • Übliche Kavernen sind in einer Teufe zwischen 800 m und 2.000 m angeordnet, haben Höhen zwischen 100 m und 300 m und einen Durchmesser zwischen 30 m und 80 m. Es gibt auch deutlich größere Kavernen. Die Kavernen des zuvor beschriebenen Typs jedoch in Deutschland vorherrschend. Bei diesen Größen haben in Deutschland vorherrschende Kavernen Nennvolumina von 100 Mio Normkubikmeter bis 300 Mio Normkubikmeter. Wenn eine solche Kaverne mit einer typischen Übersee-Schiffsladung LNG befüllt wird, ohne das LNG vorher energieaufwändig zu vergasen, so ist ein zuvor beschriebener Zusammenbruch der Kaverne wahrscheinlich. Um die LNG-Ladung eines Schiff möglichst rasch abzuleichtern, wäre es mithin notwendig, das LNG in speziellen Anlagen mit entsprechend hoher Kapazität zu vergasen, um das vergaste LNG in ein Pipeline-System zu leiten, wo das vergaste Erdgas mit üblichen Mitteln in die Kaverne gepumpt wird.
  • In der aktuellen Situation ist in Deutschland kein LNG-Terminal vorhanden, das übliche Schiffladungen LNG in einem Zeitraum vergasen kann, die für das Ableichtern eines Schiffes noch wirtschaftlich vertretbar wäre. Es besteht daher ein Bedarf, ein Verfahren zu finden, um ein mit LNG beladenes Schiff möglichst rasch abzuleichtern und das LNG in eine Kaverne zu füllen.
  • In der US 3 950 958 A wird ein Verfahren zum Lagern und temperieren von Flüssiggas offenbart. Flüssiggas soll durch eine Tieftemperaturpipeline zu einem unter Tage angeordneten Flüssiggasspeicher geleitet werden, wo das Flüssiggas durch Erwärmen im Untergrund auch teilweise im Gaszustand bei einer Temperatur zwischen 0°F (-18°C) bis -110°F (-78°C) gelagert wird. Beim Entnehmen des Flüssiggases aus dem Untergrundspeicher soll das Gas erwärmt werden.
  • In der US 6 517 286 B1 wird ein Verfahren zum Regasifizieren von Flüssiggas gelehrt, bei dem Flüssiggas in ein ausgebeutetes Erdgasfeld eingeleitet wird und dort durch Erdwärme erwärmt wird. Das durch die Erdwärme erwärmte Erdgas wird sodann mit der vorhandenen Infrastruktur des Erdgasfeldes, das vor Ausbeutung zur Gewinnung des Erdgases genutzt wurde, als gasförmiges Gas wieder zurückgewonnen und mit der vorhandenen Gasinfrastruktur weitergeleitet.
  • In der internationalen Patentanmeldung veröffentlicht als WO 2004/081441 A1 , wird ein Verfahren zum Einlagern von Flüssiggas in eine Salzkaverne offenbart. Hierzu wird Flüssiggas bei der Anlieferung im Hafen in einem Wärmetauscher zu einem überkritischen Zustand überführt und im überkritischen Zustand bei einer Temperatur von 40°F (ca. 4°C) direkt in die Salzkaverne gepumpt.
  • In der US 5 511 905 A wird offenbart, Flüssiggas beim Einleiten in eine Laugenkompensierte Salzkaverne durch gleichzeitiges Auspumpen von Lauge durch die Lauge im Gegenstrom zu erwärmen und damit zu regasifizieren.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die Schrittfolge in Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
  • Nach dem Gedanken der Erfindung ist es vorgesehen, LNG entgegen der Erwartungshaltung, dass die Temperatur in der Kaverne unter einen kritischen Punkt mit einhergehendem Druckabfall sinken könnte, LNG unmittelbar in die Kaverne einzuleiten. Um die zu erwartenden Folgen des Druckabfalls zu vermeiden, ist nach dem Gedanken der Erfindung vorgesehen, dass das LNG durch eine Wärmetauscherwendel oder eine Leitung (‚Coil Tubing‘) in die Kaverne geleitet wird. Die Wärmetauscherwendel oder die Leitung ist in dem verrohrten Bohrloch vorhanden, das bis zum Kavernenkopf führt. Beim Einleiten des LNG in die Wärmetauscherwendel oder in die Leitung nimmt das LNG Wärme aus dem Gebirge und oder dem entgegenströmenden Erdgas oberhalb der Kaverne auf. Diese Wärmemenge reicht allerdings nicht aus, das eingeleitete LNG vollständig zu vergasen, auch wenn die Teufe und damit die Länge der Wärmetauscherwendel oder der Leitung 800 m bis 2 km lang sein kann. Am Kavernenkopf kommt immer noch LNG an. Dieses LNG wird über eine Prallplatte am Ende der Wärmetauscherwendel oder der Leitung aufgefächert. Dadurch vergast das LNG beim feien Fall in der Kaverne über einen Weg bis zu 300 m.
  • Um den beim Vergasen einhergehenden Temperatur -und Druckabfall nicht zu groß werden zu lassen, kann vorgesehen sein, dass eine typische LKW-Ladung zwischen 10m3 und 50 m3 flüssiges Erdgas (LNG) in die Kaverne eingeleitet wird. Der hierdurch erzeugte Temperaturabfall, der merklich ist, führt noch nicht zu einem solchen Druckabfall, dass die Stabilität der Kaverne gefährdet ist. Das Gas in der Kaverne heizt sich durch die Erdwärme wieder auf und somit steigt der Druck. Erst wenn der Druck wieder zwischen 70% und 120 % des ursprünglichen Drucks angestiegen ist, wird eine weitere LKW-Ladung zwischen 10m3 und 50 m3 in die Kaverne verfüllt. In der Regel umfassen Kavernenspeicher gleich mehrere benachbarte Kavernen. Für ein Befüllen des Kavernenspeichers, der mehrere, benachbarte Kavernen umfasst, können die benachbarten Kavernen reihum mit LKW-Ladungen betankt werden. Ab einer Anzahl von 4 Kavernen kann die erste Kaverne schon dann wieder befüllt werden, wenn die letzte von vier Kavernen betankt worden ist. Auf diese Weise kann ein Schiff mit einer größeren Anzahl von Tankfahrzeugen abgeleichtert werden und die Tankfahrzeuge fahren vom Hafen bis zur Kavernenstätte, wobei die Entfernung bis zu mehrere 100 km betragen kann, beispielsweise von Wilhelmshaven, Bremerhaven oder Brunsbüttel bis in den Salzlandkreis in Halle/Saale, wo sich Kavernenspeicher befinden.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn während des Betankens mit flüssigem Erdgas gasförmiges Erdgas von außen entlang der Wärmetauscherwendel oder der Leitung strömt. Dazu kann vorgesehen sein, dass aus der Kaverne gasförmiges Erdgas entnommen wird. Noch vorteilhafter ist, es, wenn während des Einleitens von LNG zusätzlich gasförmiges Gas in die Kavernen gepumpt wird. Das durch die Kompression erwärmte Erdgas wärmt somit die Wärmetauscherwendel oder der Leitung und hilft so, das LNG zu vergasen. Entgegen der Erwartungshaltung, dass durch Einleiten von flüssigem LNG der Kavernendruck noch weiter abfällt, ist das Gegenteil zu beobachten. Das dem Flüssiggas (LNG) in der Wärmetauscherwendel oder der Leitung entgegen- oder entlangströmende Erdgas gibt Wärme an das LNG ab und kühlt sich dabei selbst ab und verlässt die Kaverne bzw. geht in die Kaverne ein. Wird Erdgas aus der Kaverne entnommen, so muss das kalte, gasförmige Erdgas aus der Kaverne beim Entspannen ohnehin eine Erwärmungsprozess durchlaufen, um die Temperatur an das lokale Gasnetz anzupassen. In diesem Fall müsste also das abgekühlte Erdgas durch atmosphärische oder beheizte Wärmetauscher erwärmt werden oder im Entspannungsprozess mehr atmosphärische Wärme aufnehmen oder auch Wärme aus der Verbrennung von Erdgas aufnehmen. Um die Temperatur des während des Betankens entnommenen Erdgases nicht zu weit zu verringern, kann vorgesehen sein, dass das entnommene Erdgas mit Erdgas gemischt wird, das aus anderen, benachbarten Kavernen des gleichen Kavernenspeichers entnommen wird. Wird hingegen die Kaverne gleichzeitig mit LNG gefüllt und auch mit gasförmigen Erdgas gefüllt, so ist die Kühlung des durch die Kompression erwärmten Erdgases sogar von Vorteil.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 einen Betankungsvorgang eines Kavernenspeichers
  • In 1 ist eine Kaverne 100 skizziert, die in einer hier angenommenen Teufe von 800 m bis 2.000 m angeordnet ist. Diese Kaverne 100 ist über ein verrohrtes Bohrloch 120 mit der Erdoberfläche verbunden, durch welches gasförmiges Erdgas 310 aus der Kaverne 100 entnommen werden kann. Zum Einleiten von LNG ist es notwendig, das LNG mit einer Kryo-Hochdruckpumpe 105 gegen den Kavernendruck in die Kaverne zu pumpen. Nach dem Gedanken der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Wärmetauscherwendel 110 oder eine Leitung in das verrohrte Bohrloch 120 eingebracht wird, zumindest aber eine Leitung, die in der Gasentnahmeverrohrung vorliegt. Diese Wärmetauscherwendel 110 oder Leitung führt bis zum Kavernenkopf 130, wo das aus dem Ausgang 111 austretende LNG 300 auf eine Prallplatte 112 fällt und dadurch breit aufgefächert wird. Durch das Auffächern bildet sich der hier dargestellt Kegel des LNG 300, in dem das aufgefächerte LNG innerhalb der Kaverne 100, die eine Höhe zwischen 100 m und 300 m haben kann, über einen breiten Durchmesser im freien Fall innerhalb der Kaverne 100 bis auf eine am Grund befindliche Restsohle fällt. Dabei vergast das LNG zu gasförmigen Erdgas und nimmt dabei die Wärme aus dem gasförmigen Erdgas in der Kaverne 100 auf. Die Kaverne 100 wird sodann mit Erdwärme, die in 800 m bis 2.000 m Teufe vorliegt, wieder aufgewärmt. Um die Vergasung des LNG 300 zu beschleunigen, kann vorgesehen sein, dass während des Betankens einer Kaverne 100 mit 100 Mio Normkubikmeter bis 300 Mio Normkubikmeter Nennvolumen gasförmiges Erdgas aus der Kaverne 100 entnommen wird. Dabei stellt sich ein Gegenstrom-Wärmetauscher-Effekt zwischen dem gasförmigen Erdgas 310, das aus der Kaverne 100 strömt, und dem entgegenströmenden LNG 300 ein. Das abgekühlte Erdgas 310 kann sodann über einen atmosphärischen oder beheizten Wärmetauscher 400 wieder erwärmt werden. Alternativ ist es möglich, dass parallel zum Befüllen mit LNG gasförmiges Erdgas in die Kaverne gefüllt wird. Die durch die Kompression erzeugte Wärme hilft, das eingeleitete LNG zu vergasen.
  • Um die Temperatur in der Kaverne 100 nicht unterhalb eines kritischen Punktes, der zu einem zu starken Druckabfall führt, fallen zu lassen, kann in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass verschiedene, benachbarte Kavernen 100 reihum mit LNG nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betankt werden.
  • In Detail A ist der Ausgang der Wärmetauscherwendel 110 oder der Leitung dargestellt, die an ihrem Ausgang 111 ein Prallblech 112 aufweist, welches das ausströmende LNG weit auffächert.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 100
    Kavernenspeicher
    105
    Kryo-Hochdruckpumpe
    110
    Wärmetauscherwendel
    111
    Ausgang
    112
    Prallblech
    120
    Bohrloch
    130
    Kavernenkopf
    300
    LNG
    310
    Erdgas
    400
    Wärmetauschervorrichtung
    A
    Detail

Claims (8)

  1. Verfahren zum Befüllen einer Kaverne 100 eines Kavernenspeichers (101) für Erdgas, gekennzeichnet durch - Einbringen einer Wärmetauscherwendel (110) oder einer Leitung (‚Coil Tubing‘) in ein verohrtes Bohrloch (120), das von der Erdoberfläche (200) bis zum Kavernenkopf (130) führt, bis zum Kavernenkopf (130), - Abschließen eines Ausgangs (111) der Wärmetauscherwendel (110) oder der Leitung mit einem Prallblech (112), - Einleiten von 10m3 bis 50m3 LNG (300) in die Wärmetauscherwendel (110) oder in die Leitung, - Warten bis der Druck in der Kaverne des Kavernenspeichers (100) wieder auf 70% bis 120% des ursprünglichen Drucks angestiegen ist, - erneutes Einleiten von 10m3 bis 50m3 LNG (300) in die Wärmetauscherwendel (110) oder in die Leitung, - wobei das Warten und das erneute Einleiten so lange wiederholt wird, bis eine vorgewählte Füllmenge des Kavernenspeichers (100) erreicht ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Normvolumen des zu befüllenden Kavernenspeichers (100) zwischen 100 Mio m3 bis 300 Mio m3.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Einleiten von 10m3 bis 50 m3 flüssigen LNG pro einzelnen Betankungsvorgang.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kavernenspeicher (100) aus einer Mehrzahl benachbarter, einzelner Kavernen besteht, die reihum befüllt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch gleichzeitige Entnahme von gasförmigen Erdgas (310) währen des Befüllens.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Entspannen des entnommenen Erdgases (310) und Erwärmen des Erdgases (310) durch mindestens eine atmosphärische oder beheizte Wärmetauschervorrichtung (400).
  7. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mischen von Erdgas aus der aktuell befüllten Kaverne (100) mit Erdgas aus einer benachbarten Kaverne vor dem Entspannen des Erdgases.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Einbringen von gasförmigen Erdgas (310) währen des Befüllens.
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