PL239810B1 - Podziemny zbiornik gazu, zwłaszcza wodoru - Google Patents

Description

PL 239 810 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest podziemny zbiornik gazu, zwłaszcza wodoru, szczególnie zlokalizowany w likwidowanych podziemnych kopalniach lub lokalizowany za pomocą technik wykopowych na małych głębokościach.

Rozwój odnawialnych źródeł energii oraz specyfika ich działania wymusza konieczność magazynowania energii w różnego rodzaju magazynach. Dlatego koniecznym jest rozwój takich technologii pozwalających na buforowanie nadwyżki energii i ograniczenie wpływu sezonowości produkcji na wielkość produkcji i wykorzystanie. Znane dotychczas opracowania wskazują na duży potencjał wykorzystywania wodoru jako najbardziej ekologicznego paliwa, który pozwoli na uniezależnienie się od ropy naftowej i węgla. Również wytwarzanie wodoru za pomocą energii z OZE potwierdza jego przewagę nad innymi nośnikami energii. Specyfika budowy cząstki wodoru jak i jego negatywny wpływ na konstrukcje stalowe wymaga innych technologii jego magazynowania. Istotnym również jest, że budowa naziemnych zbiorników wodoru będzie powodowała generowanie sprzeciwu społecznego jak również potrzebę zapewnienia stref bezpieczeństwa dla spełnienia niezbędnych wymagań aktów normatywnych.

Magazynowanie geologiczne jest szeroko stosowane w przypadku ropy naftowej, gazu ziemnego, czy sprężonego powietrza. Aby zilustrować skalę tego wykorzystania, około 800 milionów baryłek ropy, 1000 miliardów stóp sześciennych gazu ziemnego jest przechowywanych geologicznie w USA. Obecnie znane są cztery opcje przechowywania geologicznego. Kawerny solne, wyczerpane złoża ropy i gazu oraz warstwy wodonośne, to trzy główne typy podziemnych magazynów geologicznych wykorzystanych do podziemnego magazynowania gazu ziemnego.

Ostatnim możliwym sposobem magazynowania tego typu są sztuczne kawerny wykonane w skałach twardych, wyłożonych materiałem uszczelniającym (stalą, tworzywami sztucznymi). Obecnie istnieją cztery lokalizacje na całym świecie, w tym trzy znajdują się w Stanach Zjednoczonych, które przechowują wodór.

Wymienione powyżej sposoby obecnie stosowane do magazynowania gazu wymagają:

• występowania odpowiednich formacji geologicznych w przypadku kawern solnych, • występowania warstw wodonośnych, • występowania z czerpanych odwiertów nafty i gazu, • wykonanie podziemnych wyrobisk w skałach twardych.

Spełnienie tych warunków wprowadza istotne ograniczenia dla przechowywania wodoru w dowolnych miejscach. Istotną sprawą są również ograniczenia techniczne i technologiczne, które utrudniają magazynowanie wodoru.

W przypadku kawern solnych, są to koszty wykonania takiej kawerny metodą ługowania, która jest procesem długotrwałym wymagającym dużych ilości wody, generująca powstawanie dużych ilości solanki z możliwością powstania nieszczelności komory w przypadku występowania anomalii geologicznych (pełzanie soli, poślizg pomiędzy warstwami). Gazy przechowywane w warstwach wodnych mają tendencję do dyfuzji tzw. studniami i przenikanie do innych struktur geologicznych. Również przechowywanie gazu w wyeksploatowanych złożach gazu czy ropy może powodować jego zanieczyszczenie czy przenikanie spękaniami powstałymi w czasie eksploatacji. Wszystkie opisane metody wymagają dużych ilości gazu amortyzującego koniecznego do napełniania i opróżniania magazynów geologicznych.

Magazynowanie wodoru jest też kluczowym problemem warunkującym wykorzystanie wodoru jako źródła energii dla ogniw paliwowych. Znane są też zatem sposoby magazynowania wodoru przeznaczonego do zasilania ogniw paliwowych i materiały magazynujące wodór. Do tej pory rozwijano głównie następujące sposoby magazynowania wodoru: zbiorniki zawierające sprężony wodór, zbiorniki zawierające ciekły wodór, związki chemiczne zawierające wodór, zbiorniki zawierające wodorki metali oraz zbiorniki zawierające nanostruktury węglowe. Wodór może być sprężany w zbiornikach wysokociśnieniowych. Proces takiego sprężania jest kosztowny i wymaga dużej energii a przestrzeń, która zajmuje sprężony wodór jest zwykle stosunkowo duża ze względu na małą gęstość energii. Stosowanie zbiorników wysokociśnieniowych wymaga także kosztownych okresowych przeglądów w celu zapewnienia odpowiedniego bezpieczeństwa.

Z opisu wynalazku PL208498 znany jest sposób magazynowania zwłaszcza wodoru i materiał magazynujący zwłaszcza wodór, który polega na tym, że zasobnik wypełniony jest nanokrystalicznym

PL 239 810 B1 materiałem porowatym o własnościach ferroelektrycznych i strukturze wielodomenowej. Jako nanokrystaliczny materiał porowaty o własnościach ferroelektrycznych i strukturze wielodomenowej może być stosowany żel, którego molekuła składa się z atomów należących do grupy V, grupy VI oraz grupy VII układu okresowego, składający się z nanokrystalicznych włókien i rurek tworzących sieć przestrzenną, która nadaje mu sztywność postaci zajmując niewielką objętość. W korzystnym przypadku materiałem do magazynowania wodoru w zasobniku żelu jest jodosiarczek antymonu SbSl.

Celem wynalazku jest ograniczenie niedogodności opisanych powyżej rozwiązań dotyczących magazynowania gazów.

Cel ten rozwiązuje wynalazek w postaci podziemnego zbiornika gazu, zwłaszcza wodoru, którego istotą jest to, że ma przestrzeń magazynową otoczoną przez warstwy materiałów o niskim współczynniku przepuszczalności ułożone w układzie pionowym, na które to warstwy wyliczając od strony przestrzeni magazynowej składają się: wewnętrzna warstwa soli kamiennej, obudowa właściwa, warstwa soli kamiennej i warstwa zewnętrzna.

Wewnętrzna warstwa soli kamiennej od strony przestrzeni magazynowej może być pokryta warstwą zabezpieczającą.

Korzystnie warstwę zabezpieczającą stanowi warstwa polipropylenu bądź natryskowa warstwa aluminium.

Warstwa soli kamiennej od strony obudowy właściwej może być zabezpieczona elastyczną warstwą hydroizolacyjną, najlepiej w postaci folii polietylenowej lub polipropylenowej.

Warstwa soli kamiennej od strony warstwy zewnętrznej może być zabezpieczona elastyczną warstwą hydroizolacyjną, najlepiej w postaci folii polietylenowej lub polipropylenowej.

Korzystnie obudowę właściwą stanowi beton na kruszywie o niskiej przepuszczalności typu granit bądź bazalt.

Korzystnie warstwę zewnętrzną stanowi beton na kruszywie o niskiej przepuszczalności typu granit bądź bazalt.

Korzystnie od strony warstwy zewnętrznej zbiornik otacza przestrzeń z solanką o wysokim stężeniu.

Korzystnie przestrzeń z solanką, nad zbiornikiem ograniczona jest tamami.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że konstrukcja zbiornika jest oparta na wykorzystaniu właściwości minerałów takich jak bazalt, granit, sól kamienna charakteryzujących się niskim współczynnikiem przepuszczalności (10^-21 D), oraz wykorzystaniem technologii wykonywania wielowarstwowych obudów przeznaczonych dla dużych ciśnień do 2 MPa. Budowa zbiornika w podziemnych wyrobiskach bądź pod wodą w dużych akwenach wodnych odseparuje go od wpływu czynników zewnętrznych takich jak zdarzenia katastroficzne, dając zapewnienie integralnego bezpieczeństwa przeciwwybuchowego. Poszczególne warstwy zbiornika zabezpieczają się wzajemnie przed oddziaływaniem ciśnienia zewnętrznego od działania górotworu. Wykonanie poszczególnych warstw zbiornika z materiałów o niskiej przepuszczalności zapewnia odpowiednią jego szczelność. Zbiornik wodoru może być oddzielony od wyrobisk górniczych warstwą solanki o wysokim stężeniu zabezpieczającą go przed migracją wodoru w przypadku rozszczelnienia zbiornika.

Wynalazek został ukazany w przykładzie realizacji na rysunku, na którym Fig. 1 ukazuje zbiornik w przekroju pionowym i według przykładu realizacji I, Fig. 2 ukazuje zbiornik według przykładu realizacji II.

P r z y k ł a d realizacji I

Podziemny zbiornik gazu, zwłaszcza wodoru ma przestrzeń 1 magazynową, przeznaczoną do gromadzenia gazu, zwłaszcza wodoru, otoczoną przez siedem warstw z materiałów o niskim współczynniku przepuszczalności (przykładowo sól kamienna 10^-21 D). Warstwa 2 zewnętrzna, wykonana jest z betonu na kruszywie o niskiej przepuszczalności typu granit bądź bazalt. Warstwa 2 zewnętrzna zabezpiecza obudowę 3 właściwą (również wykonaną z betonu na kruszywie o niskiej przepuszczalności) przed negatywnym oddziaływaniem górotworu, mogącym spowodować jego uszkodzenie.

Pomiędzy warstwą 2 zewnętrzną a obudową 3 właściwą, umieszczona jest warstwa 4 soli kamiennej zabezpieczona, najlepiej obustronnie, elastycznymi warstwami 5 i 6 hydroizolacyjnymi w postaci membrany z folii polietylenowych bądź polipropylenowych, najlepiej naniesionych na warstwę 4 soli kamiennej natryskowo, zabezpieczających sól kamienną przed działaniem wody i dyktujących od

Claims (9)

1. PL 239 810 B1 obudowy wykonanej z betonu. Warstwy 5 i 6 hydroizolacyjne stanowią dylatacje warstwy 4 soli kamiennej od warstwy 2 zewnętrznej i obudowy 3 właściwej jak i zabezpieczają obudowę 3 właściwą przed negatywnym działaniem soli.

   Od strony przestrzeni 1 magazynowej, obudowa 3 właściwa pokryta jest wewnętrzną warstwą 7 soli kamiennej. Wewnętrzna warstwa 7 soli kamiennej, od strony przestrzeni 1 magazynowej może dodatkowo zostać zabezpieczona warstwą 8 zabezpieczającą, w postaci cienkiej warstwy polipropylenu bądź cienkiej natryskowej warstwy aluminium. Warstwa 8 zabezpieczająca ma na celu utrudnić kontakt wodoru z wewnętrzną warstwą 4 soli kamiennej.

   Grubości poszczególnych warstw dostosowane są do dopuszczalnego ciśnienia wodoru wewnątrz zbiornika. Warstwa 5 hydroizolacyjna, warstwa 6 hydroizolacyjna i warstwa 8 zabezpieczająca mają grubości mniejsze niż warstwa 2 zewnętrzna, obudowa 3 właściwa, wewnętrzna warstwa 7 soli kamiennej i warstwa 4 soli kamiennej.

   Wodór do przestrzeni 1 magazynowej zbiornika doprowadzany jest za pomocą rurociągów, których wnętrze także jest wyłożone warstwą przykładowo soli kamiennej. Wymuszenie ruchu wodoru w zbiorniku gazu według wynalazku, realizowane jest za pomocą sprężarek tłokowych przeznaczonych do transportu wodoru.

   Szczelność zbiornika gazu kontrolują czujniki wodoru, rozmieszczone w studniach rewizyjnych znajdujących się wokół niego.

   P r z y k ł a d realizacji II

   Podziemny zbiornik gazu, zwłaszcza wodoru jak w przykładzie realizacji I, przy czym od strony warstwy 2 zewnętrznej, zbiornik jest dodatkowo zabezpieczony solanką o wysokim stężeniu, znajdującą się w przestrzeni pomiędzy wyrobiskiem a warstwą 2 zewnętrzną, a od góry nad zbiornikiem, ograniczoną tamami 9 - Fig. 2. Solanka zapobiega gromadzeniu się wodoru.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Podziemny zbiornik gazu, zwłaszcza wodoru, znamienny tym, że ma przestrzeń (1) magazynową otoczoną przez warstwy materiałów o niskim współczynniku przepuszczalności ułożone w układzie pionowym, na które to warstwy wyliczając od strony przestrzeni (1) magazynowej składają się: wewnętrzna warstwa (7) soli kamiennej, obudowa właściwa (3), warstwa (4) soli kamiennej i warstwa (2) zewnętrzna.
2. 2. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnętrzna (7) warstwa soli kamiennej od strony przestrzeni (1) magazynowej może być pokryta warstwą (8) zabezpieczającą.
3. 3. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 2, znamienny tym, że warstwę (8) zabezpieczającą stanowi warstwa polipropylenu bądź natryskowa warstwa aluminium.
4. 4. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa soli kamiennej (4) od strony obudowy właściwej (3) może być zabezpieczona elastyczną warstwą (6) hydroizolacyjną, najlepiej w postaci folii polietylenowej lub polipropylenowej.
5. 5. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa (4) soli kamiennej od strony warstwy zewnętrznej (2) może być zabezpieczona elastyczną warstwą (5) hydroizolacyjną, najlepiej w postaci folii polietylenowej lub polipropylenowej.
6. 6. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że obudowę (3) właściwą stanowi beton na kruszywie o niskiej przepuszczalności typu granit bądź bazalt.
7. 7. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę (2) zewnętrzną stanowi beton na kruszywie o niskiej przepuszczalności typu granit bądź bazalt.
8. 8. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 1, znamienny tym, że od strony warstwy zewnętrznej (2) zbiornik otacza przestrzeń z solanką o wysokim stężeniu.
9. 9. Podziemny zbiornik gazu według zastrz. 8, znamienny tym, że przestrzeń z solanką, nad zbiornikiem ograniczona jest tamami (9).