Gebirgsmechanische Anforderungen an die Speicherung von Druckluft und Wasserstoff

Leitung: Kurt Staudtmeister
Bearbeiter: Marc Elend, Rudolf Zachow

Das Betriebsszenario bei der Salzkavernenspeicherung von Druckluft oder Wasserstoff unterscheidet sich von dem der Erdgasspeicherung. Die anzunehmenden Lastfälle weichen von denen der Erdgasspeicherung ab und erfordern eine neue Bewertung der Spannungszustände in der Umgebung der Salzkaverne. Der Lastfall ist für jede Kaverne standortspezifisch - entsprechend der Teufe, Größe, Geometrie, des Verhältnisses Volumen zu thermisch wirksamer Oberfläche (V/O) sowie der Anforderungen der Kavernenbetreiber zu ermitteln. Der Spannungszustand in der Umgebung der Kaverne wird dabei wesentlich von der vorherigen Fahrweise beeinflusst, sodass ein Lastfall immer mehrere aufeinander folgende Innendruckniveaus in den gebirgsmechanischen Grenzen eines minimalen und maximalen Kaverneninnendruckes enthält. Von entscheidender Bedeutung sind hierbei die Stillstandsphasen, in denen weder eine Befüllung noch eine Entnahme des jeweiligen Speichermediums stattfindet.

Die hierzu durchgeführten Variationsberechnungen haben gezeigt, dass die Temperaturentwicklung in einer Druckluftkaverne signifikant vom Druckniveau beeinflusst wird. Ein höherer Innendruck während der Betriebsphase führt zu geringeren Temperaturdifferenzen und damit letztendlich zu Spannungsumlagerungsprozessen, die während des gesamten Operationszyklus im Druckspannungsbereich bleiben.

Der Vergleich von Kavernen in den Teufenlagen 750 m und 950 m zeigt, dass die Teufen die Temperaturentwicklung in der Kaverne und den damit verbundenen Spannungszustand in der Umgebung des Hohlraums nur geringfügig beeinflussen. Als Konsequenz ist eine Druckluftkaverne, auf Grund des erforderlichen raschen Entnahmeprozesses während eines Tageszyklus, im entsprechenden Druckintervall anzulegen.

Im Vergleich dazu wird die Temperaturentwicklung in einer Wasserstoffkaverne entscheidend von der Teufenlage und dem Volumen beeinflusst. Gemäß der Forderung, keine Spannungsumlagerungsprozesse im Zugspannungsbereich zuzulassen, sind größere Wasserstoffkavernen in entsprechender Teufe anzulegen oder die Entnahmeraten bzw. Entnahmezeiten zu reduzieren. Größere Teufen haben zur Folge, dass der erforderliche Minimaldruck aus gebirgsmechanischer Sicht erhöht werden muss und sich damit das Volumen des Kissengases erhöht. Allerdings kann der zulässige Maximaldruck angehoben werden, wodurch sich insgesamt eine größere zulässige Druckdifferenz ergibt. Des Weiteren erhöhen sich mit zunehmender Teufenlage die primären Gebirgsspannungskomponenten und die primäre Gebirgstemperatur und führen zusammen zu höheren Konvergenzen. Kleinere Raten oder ein kürzeres Betriebsintervall können je nach Anwendungsziel der zukünftigen Kavernenspeicheranlage die Betriebsfreiheit reduzieren.

Insgesamt werden über die differenzierten Bewertungsdurchläufe unter Berücksichtigung variierender Betriebsbedingungen und -abläufe die maßgebenden Auslegungsparameter für die Potenzialabschätzung von Kavernen zur Druckluft- und zur Wasserstoffspeicherung zur Verfügung gestellt.

Nach Beendigung des Forschungsvorhabens für Kavernen in Salzstöcken des Zechsteins werden in einem weiteren Projekt zurzeit die Potenziale für Steinsalz in flacher Lagerung und in Doppelsalinarstrukturen untersucht.

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