Künstliche, unterirdische Kaverne zur Speicherung von gasförmigem Erdgas unter erhöhtem Druck und bei tiefer Temperatur und Verfahren zu ihrer Herstellung

Abstract

 Die künstliche, unterirdische Kaverne (1) zur Speicherung von Erdgas bei hohem Druck und tiefer Temperatur weist eine Verschalung (2) auf, die in einem Abstand von wenigen Zentimetern von der Kavernenwandung angebracht ist und die oberhalb der Kavernengrundfläche endet. Gegen die Atmosphäre ist die Kaverne (1) von einem Bolzen (4) abgeschlossen, durch den Zu- und Ableitungen (5,6,7) geführt sind, die in den Spaltraum (8) zwischen der Verschalung (2) und der Kavernenwandung bzw. in den Speicherraum (9) münden.
Nach Entlüftung der Kaverne (1) wird mit Hilfe eines Druckgases Wasser in den Spaltraum (8) gedrückt. Sodann wird dieses Wasser sowie eine noch oberhalb der Kavernen­grundfläche befindende Wasserschicht mittels eines, durch den Innenraum der Kaverne (1) zirkulierenden flüssigen Kältemittels zum Gefrieren gebracht, wobei das Kältemit­tel siedet und verdampft.
Beim Speichern der Kaverne (1) mit Erdgas unter hohem Druck und tiefer Temperatur bilden sich in den offenen Stellen (Risse oder kleine Oeffnungen) der Verschalung (2) durch Kontakt mit dem Eis Methanhydrate, welche die Verschalung (2) gasdicht gegen das umgebende Gestein abdichten.
Ein solches Verfahren ermöglicht auf wirtschaftliche Weise die Erstellung einer gasdichten Kaverne (1) für die Speicherung von Erdgas unter hohem Druck und bei tiefer Temperatur.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine künstliche, unterirdische Kaverne zur Speicherung von gasförmigem Erdgas gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

[0002] Es ist bekannt, Erdgas als Energieträger in den Zeiten zu speichern, in welchen kein oder nur ein geringer Ver­brauch besteht. Speichert man während dieser Zeit das z.B. in konstanter Menge während des ganzen Jahres anfallende Erdgas, so kann während der Zeit erhöhten Bedarfs dieser mit Hilfe des gespeicherten Gases gedeckt werden.

[0003] Es ist bekannt, Erdgas unter hohem Druck und tiefer Temperatur in natürlichen Kavernen zu speichern. Wie aus der Fachliteratur bekannt ist, bestehen diese natürlichen Kavernen beispielsweise aus Salzkavernen, ausgeschöpften Gasfeldern, sogenannten Aquifer-Kavernen oder porösen Gesteinen in grösseren Tiefen in der Grössenordnung von Mehreren hundert bzw. sogar mehreren tausend Metern.

[0004] Im Falle aus geographischen Gründen solche natürlichen Kavernen nicht vorhanden sind, ist es erforderlich, künstliche Speicher zu errichten.

[0005] So ist es bekannt, verflüssigtes Erdgas bei Atmosphären­druck in oberirdischen Isoliertanks ("peakshaving") zu speichern. Sowohl die Verflüssigung des Erdgases als auch die Tanks sind äusserst kostenaufwendig und daher nicht von grossem wirtschaftlichem Interesse.

[0006] Der Erfindung liegt die Ausbildung einer künstlichen, unterirdischen Kaverne für die Speicherung von Erdgas unter hohem Druck, in der Grössenordnung von 100 bis 200 bar bei einer tiefen Temperatur in der Grössenordnung von ca. -50 bis -70^oC zugrunde, welche gasdicht gegen das umgebende Gestein ist und die auf wirtschaftliche Weise erstellt werden kann.

[0007] Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den im Kennzeichen von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit Hilfe eines Verfahrens gemäss der im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegebenen Massnahmen gelöst.

[0008] Eine vorteilhafte Weiterbildung einer erfindungsgemässen Kaverne ist im Anspruch 2 beschrieben, während die Ansprüche 4 bis 12 vorteilhafte Ausführungsformen für das Herstellungsverfahren zum Inhalt haben.

[0009] Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeich­nung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Ausführungsform einer unterirdischen, horizontal angeord­neten Kaverne, während die

Fig. 1a bis 1f die verschiedenen Stadien der Herstellung der gasdichten Abdeckschicht der Kaverne einschliesslich die Kaverne im Zustand der Erdgas-Speicherung zeigen.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellungsweise eine gegenüber Fig. 1 abgewandelte Ausführungsform einer unterirdischen, horizontal angeordneten Kaverne, während die

Fig. 2a bis 2g die verschiedenen Stadien der Herstellung der gasdichten Abdeckschicht der Kaverne einschliesslich die Kaverne im Zustand der Erdgas-Speicherung zeigen.

[0010] Die in Fig. 1 dargestellte Kaverne 1 ist tunnelartig ausgebildet und beispielsweise in einer Tiefe von 150 bis 200 m im umgebenden Gestein, z.B. Granit ausgesprengt. Obwohl diese horizontale Anordnung der Kaverne von besonderem Vorteil ist, umfasst die Erfindung auch z.B. vertikal ausgebildete Kavernen.

[0011] Allgemein ist zu bemerken, dass die Kaverne nicht in einer solchen Tiefe angeordnet ist, die gewährleistet, dass der Speicherdruck der hydrostatischen Druckhöhe des im umgebenden Gestein enthaltenen Wassers standhält.

[0012] In die Kaverne 1 ist in einem geringen Abstand von der Kavernenwandung von beispielsweise ca. 2 bis 10 cm eine Verschalung 2 eingebracht, die in einem geringen Abstand von der Kavernengrundfläche von beispielsweise 10 Zenti­metern endet.

[0013] Diese Verschalung 2 kann beispielsweise aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff bestehen. Ihre Wandstärke wird entsprechend dem hydrostatischen Wasserdruck im später beschriebenen Verfahrensschritt 2 (vergl. Fig. 1b) bestimmt. Die Verschalung an sich, die in den meisten Fällen aus mehreren Stücken zusammengefügt, insbesondere zusammengeschweisst ist, ist für die genannten Drucke nicht herstellbar.

[0014] Es ist ein gravierender Vorteil der Erfindung, dass diese Verschalung nicht gasdicht ausgebildet sein muss, sondern beispielsweise Risse und kleinere Löcher aufweisen kann, die, wie an nachstehender Stelle beschrieben, mit Hilfe der erfindungsgemässen Massnahmen geschlossen werden, so dass bei der Speicherung von Erdgas die erforderliche Gasdichtheit gegen das umgebende Gestein gesichert ist.

[0015] Gegen die Aussenatmosphäre ist die Kaverne 1 mittels eines in eine Bohrung 3 eingefügten Zapfens 4 abgeschlos­sen, der z.B. aus Metall oder gegebenenfalls auch aus Kunststoff bestehen kann. Es können je nach Ausbildung der Kaverne prinzipiell auch mehrere Zapfen angeordnet sein.

[0016] Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Zapfen 4 von drei Leitungen 5, 6 und 7 durchsetzt.

[0017] Hierbei endigt die fest im Zapfen fixierte Leitung 5 im von der Kaverne 1 und Verschalung 2 gebildeten Spaltraum 8. Sie dient zur Wasserzuführung oder zur Entlüftung des Spaltraumes 8.

[0018] Die ebenfalls im Zapfen 4 fixierte Leitung 6 durchdringt die Verschalung 2 und endet im Kopfteil des Speicherrau­mes 9. Sie dient dazu, Gas in die Kaverne 1 oder aus dieser herauszuführen.

[0019] Die Leitung 7 ist beweglich, d.h. verschiebbar im Zapfen 4 angebracht und durchdringt die Verschalung 2. Diese Leitung dient dazu, entweder Wasser oder Gas oder flüssiges Kältemittel aus der Kaverne 1 zu entfernen oder Wasser oder flüssiges Kältemittel in diese einzuleiten.

[0020] Im folgenden werden anhand der Fig. 1a bis 1f die einzel­nen Verfahrensschritte erläutert, mit deren Hilfe eine gasdichte Auskleidung der Kaverne gegen das umgebende Gestein erzielt wird.

[0021] Zur Entlüftung der Kaverne wird in einem ersten Verfah­rensschritt (vergl. Fig. 1a) die Leitung 7 in den unteren Bereich des Speicherraumes 9 geschoben und durch sie Wasser eingeleitet, bis der Speicherraum 9 und der umgebende Spaltraum 8 vollständig mit Wasser gefüllt sind.

[0022] Die Luft entweicht hierbei durch die Leitungen 5 und 6. Der Druck in der Kaverne entspricht bei diesem Verfah­rensschritt der Summe aus dem Atmosphärendruck und der hydrostatischen Höhe des Wassers in der Kaverne. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Temperatur im Kavernenraum etwa bei ca. 4^o C.

[0023] Im zweiten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 1b) wird Wasser mit Hilfe von Erdgas aus der Kaverne 1 gepresst, wobei die Kaverne unter einem Druck von ca. 20 bar steht. Das Erdgas wird durch die Leitung 6 eingeführt und presst Wasser aus der Kaverne durch Leitung 7 aus, deren Ende sich in ihrer tiefsten Position befindet. Leitung 5 ist geschlossen, so dass der Spaltraum 8 mit Wasser gefüllt bleibt. Während dieses Verfahrensschrittes befindet sich der Innenraum der Kaverne auf etwa Umgebungstemperatur. Sie ist abhängig von der Temperatur des injizierten Erdgases. Am Ende dieses Verfahrensschrittes muss die Verschalung 2 dem hydrostatischen Druck des sich im Spaltraum 8 gestauten Wassers standhalten.

[0024] Im dritten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 1c) wird die Leitung 7 so weit nach oben bewegt, dass ihr Ende ober­halb des Wasserspiegels des sich oberhalb der Kavernen­grundfläche befindenden Wassers w liegt, jedoch noch eine Position im unteren Bereich des Speicherraumes 9 ein­nimmt.

[0025] Nun wird eine vorgegebene Menge von flüssigem Kältemittel k, z.B. Propan, durch Leitung 7 in den Speicherraum 9 eingeleitet, derart, dass der tiefste Bereich des Spei­cherraumes 9 oberhalb des Wasserspiegels mit dem flüssi­gen Kältemittel k gefüllt wird. Als Kältemittel kommen auch andere Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Aethan oder Aethylen infrage, während Kältemittel wie z.B. Ammoniak, Freone und dergl. aus Umwelt- bzw. Kostengründen nicht geeignet sind.

[0026] Das flüssige Kältemittel wird mit Umgebungstemperatur eingeleitet, und da ein Druck von ca. 20 bar in der Kaverne aufrechterhalten wird, wird das Kältemittel nicht beginnen zu sieden.

[0027] Nun kann der vierte Verfahrensschritt beginnen (vergl. Fig. 1d).

[0028] Erdgas wird durch Leitung 6 aus dem Speicherraum 9 abgezogen, und das Kältemittel k im unteren Speicherraum 9 beginnt zu sieden, wodurch die Temperatur in allen vom Kältemittel überschwemmten Teile unterhalb von 0^oC fällt, so dass die Wasserlage oberhalb der Grundfläche der Kaverne 1 und das entsprechende, sich im unteren Teil des Spaltraumes 9 befindende Wasser w zu Eis e gefriert.

[0029] Während dieses Verfahrensschrittes muss darauf geachtet werden, dass der Druck im Spaltraum 8 höher als derjenige im Speicherraum 9 ist, so dass geringe Wassermengen durch, in der Verschalung 2 vorhandene Risse oder kleine Oeffnungen in den Speicherraum 9 eindringen und in das flüssige Kältemittel k herabrieseln kann.

[0030] Im anschliessenden fünften Verfahrensschritt (vergl. Fig. 1e) wird der Speicherraum 9 mit flüssigem Kältemit­tel k geflutet.

[0031] Das flüssige Kältemittel k, das durch Leitung 7 kontinu­ierlich eingeleitet wird, soll bei seinem Austritt in den Speicherraum 9 sofort sieden, um eine Wiedererwärmung an irgend einer Stelle innerhalb der Kaverne 1 zu vermeiden.

[0032] Um dieses zu ermöglichen, wird während des Flutens die Leitung 7 kontinuierlich nach oben verschoben und zwar derart, dass der Austritt der Leitung 7 sich stets oberhalb des Niveaus des siedenden Kältemittels k befin­det. Während des Siedens entstehender Kältemitteldampf und etwas Erdgas strömen durch Leitung 6 ab.

[0033] Das Niveau des Kältemittels steigt ständig an, bis der Speicherraum 9 völlig mit siedendem Kältemittel gefüllt ist. Bei der Ausführung dieses Verfahrensschrittes ist zu berücksichtigen, dass die Siedetemperatur des Kältmittels k im Bodenraum des Speicherraumes 9 ansteigt, und zwar sogar dann, wenn der Druck an der Oberfläche des sieden­den Kältemittels konstant gehalten wird. Der Grund hierfür besteht in der Höhe des hydrostatischen Druckes des flüssigen Kältemittels im Bodenraum.

[0034] Im Falle der Siedepunkt der tiefsten Kältemittelschicht oberhalb von 0^oC liegen sollte, wird das Eis e trotzdem nicht schmelzen, wenn nicht der Wärmeeinfall von dem die Kaverne umgebenden Gestein so gross ist, dass das Eis e zu schmelzen beginnt.

[0035] Um einen solchen Schmelzvorgang mit Sicherheit zu vermei­den, besteht eine vorteilhafte Massnahme darin, den Druck am Niveau des siedenden Kältemittels während des An­steigens des Kältemittels zu reduzieren und ausserdem die Kavernentiefe nicht zu gross zu bemessen.

[0036] Im sechsten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 1f) wird das Kältemittel k aus dem Speicherraum 9 der Kaverne 1 entfernt und zwar dadurch, dass das Kältemittel mit kaltem Erdgas durch Leitung 7 ausgepresst wird, wozu das kalte Erdgas von beispielsweise ca. -20 bis -70^o C durch Leitung 6 eingeleitet wird. Während dieses Prozesses wird der Druck am Niveau des Kältemittels k tief gehalten, z.B. auf 1 bis 2 bar, um zu erreichen, dass ständig etwas Kältemittel k siedet.

[0037] Es sei noch erwähnt, dass selbstverständlich bei allen Verfahrensschritten, bei welchen mit komprimiertem Gas gearbeitet wird, die mit der Druckerhöhung verbundenen Temperaturerhöhungen durch zusätzliche Kühlung kompen­siert werden.

[0038] Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausbildung des Eismantels im Spaltraum 8 auch beispielsweise anstelle der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise ausschliesslich mit Kaltgas vorgenommen werden kann. In diesem Fall müssen jedoch wegen des relativ schlechten Wärmeüberganges zwischen Gas und Wasser sehr grosse Gasmengen umgewälzt und rückgekühlt werden.

[0039] In einem siebten Verfahrensschritt wird der Vorgang der Erdgasspeicherung bei einem Druck von ca. 60 bis 150 bar und einer Temperatur von ca. -70^o C erläutert (vergl. Fig. 1g).

[0040] Dieses Erdgas kann beispielsweise aus einer Pipeline stammen oder aus einer Anlage, wie sie im schweizerischen Patentgesuch Nr. 827/88-3 beschrieben ist.

[0041] Nach Beendigung des sechsten Verfahrensschrittes ist die Kaverne bereit zur Speicherung (vergl. Fig. 1g).

[0042] Kaltes Erdgas wird durch die in den unteren Teil des Speicherraumes 9 geschobene Leitung 7 zunächst beispiels­weise mit Pipeline-Druck bei ca. 60 bar und ca. -70^o C eingeleitet. Leitungen 5 und 6 sind geschlossen.

[0043] Bei diesen Druck- und Temperaturverhältnissen findet eine Hydratisierung des Methans des Erdgases an den "offenen" Stellen der Verschalung 2 statt, d.h. in ihren Rissen und kleinen Oeffnungen bei Kontakt mit dem Eis aus dem Spaltraum 8. Dieses so gebildete Methanhydrat hat elasti­sche Eigenschaften und verschliesst die vorher offenen Stellen gasdicht nach aussen. Das Eis im Spaltraum 8 ist bei den genannten Druck- und Temperaturverhältnissen spröde. Durch Hinzufügen von Zusätzen, wie z.B. Methanol zu dem, während des zweiten Verfahrensschrittes einge­füllten Wasser kann der Eisschicht eine erwünschte Elastizität verliehen werden.

[0044] Nachdem dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird das zu speichernde Erdgas auf den gewünschten Speicherdruck von beispielsweise 150 bar komprimiert und in den Spei­cherraum 9 durch Leitung 7 eingeleitet. Bei Bedarf wird gespeichertes Erdgas durch Leitung 6 aus der Kaverne 1 entnommen.

[0045] Wenn aus dem gefüllten Speicherraum 9 während längerer Zeit kein Erdgas für den Verbrauch entnommen werden soll, ist es empfehlenswert, eine kleine Menge von kaltem Erdgas durch den Speicherraum zu zirkulieren. Hierzu wird kaltes Erdgas aus einer nicht dargestellten, oberirdisch installierten Kälteanlage entnommen und durch Leitung 7 in den Speicherraum 9 eingeleitet und eine entsprechende Menge von hierin erwärmtem Erdgas durch Leitung 6 entnom­men und in die Kälteanlage rezirkuliert.

[0046] Diese Massnahme ist deshalb von Vorteil, da durch sie gesichert ist, dass die Kaverne stets kalt bleibt und vermieden wird, dass an keiner Stelle in dem, den Spei­cherraum 9 umgebenden "Eismantel" Eis schmilzt.

[0047] In Fig. 2 ist eine variante Ausführungsform einer erfindungsgemäss ausgebildeten Kaverne gegenüber dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel (vergl. Fig. 1) dargestellt.

[0048] Diese Ausführungsform bietet gegenüber dem ersten Ausfüh­rungsbeispiel gewisse Vorteile, die hauptsächlich darin bestehen, dass wesentlich weniger Kältemittel zur Her­stellung einer gasdichten Abdeckung des Speicherraumes der Kaverne gegenüber dem umgebenden Gestein benötigt wird.

[0049] In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind alle mit Fig. 1 übereinstimmenden Elemente mit den gleichen Bezugsziffern, die mit einem Apostroph versehen sind, bezeichnet.

[0050] Zusätzlich zu der ersten Verschalung 2′ ist innerhalb dieser in einem Abstand von wenigen Zentimetern eine zweite Verschalung 10 angeordnet, deren Enden gegenüber der ersten Verschalung 2′ um einen Abstand zurückgesetzt sind. Diese Verschalung stimmt in ihrer Ausbildung hinsichtlich Werkstoff und Herstellungsweise mit der Verschalung 2′ überein.

[0051] Ausserdem sind durch den Zapfen 4′ noch zwei Leitungen 11 und 12 hindurchgeführt, die in den von den beiden Ver­schalungen 2′ und 10 gebildeten Spaltraum 13 münden. Diese beiden Leitungen, die im Zapfen 4′ fixiert sind, dienen dazu, den Spaltraum 13 mit Gas bzw. Flüssigkeit zu füllen bzw. Gas aus ihm zu entfernen.

[0052] Im folgenden werden anhand der Fig. 2a bis 2g die einzel­nen Verfahrensschritte erläutert, mit deren Hilfe eine gasdichte Auskleidung der Kaverne gegen das umgebende Gestein erzielt wird.

[0053] Während des ersten Verfahrensschrittes (vergl. Fig. 2a) wird analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel (vergl. Fig. 1a) die Kaverne 1′ entlüftet und hierzu mit Wasser gefüllt. Alle vier Leitungen 5′, 6′, 11 und 12 werden zur Verdrängung der Kavernenluft benutzt.

[0054] Im zweiten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 2b) wird Erdgas durch die Leitungen 6′ und 11 und durch den Spaltraum 13 zwischen den Verschalungen 2′ und 10 gepresst, so dass kein Wasser in den Spaltraum 13 eindringen kann. Während dieses Verfahrensschrittes sin die Leitungen 5′ und 12 geschlossen und Leitung 7′ wird zur Ableitung des Wassers benutzt.

[0055] Im dritten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 2c) wird flüssiges Kältemittel k in den Spaltraum 13 eingeleitet, und zwar solange, bis der Wasserspiegel über der Grund­fläche der Kaverne 1′ und der unterste Teil der Verscha­lung 10 vollständig mit Kältemittel überschwemmt sind.

[0056] Während dieses Verfahrensschrittes entweicht Erdgas aus dem Spaltraum 13 durch Leitung 12 und aus dem Speicher­raum 9′ durch Leitung 6′. Die Gasabfuhr durch die Leitun­gen 12 und 6′ wird derart gesteuert, dass ein etwas geringerer Druck im Spaltraum 13 aufrechterhalten wird, so dass das Niveau des flüssigen Kältemittels in diesen Raum höher als im Speicherraum 9′ ist.

[0057] Während des vierten Verfahrensschrittes (vergl. Fig. 2d) sind die Leitungen 5′, 7′ und 11 geschlossen und die Leitungen 6′ und 12 sind geöffnet, um den Druck in der Kaverne 1′ zu senken, so dass das Kältemittel k siedet.

[0058] Der Druck zwischen dem Spaltraum 13 und dem Speicherraum 9′ wird in der Weise gesteuert, dass ein höheres Niveau des flüssigen Kältemittels k im Spaltraum 13 als im Speicherraum 9′ erhalten bleibt. Hierbei bleibt jedoch der untere Teil der Verschalung 10 von Kältemittel k überschwemmt.

[0059] Aufgrund des Siedevorganges des Kältemittels gefriert das sich im Bodenraum der Kaverne 1′ befindende Wasser und das Wasser im unteren Teil des äusseren Spaltraumes 8′ zu Eis e.

[0060] Im fünften Verfahrensschritt (vergl. Fig. 2e) wird flüssiges Kältemittel k bei Raumtemperatur durch Leitung 12 in den unteren Spaltraum 13 eingeleitet. Gas und Kältemitteldampf entweichen durch Leitung 12 aus dem Spaltraum 13 und durch Leitung 6′ aus dem Speicherraum 9′.

[0061] Die Mengen des abgeführten Gases bzw. Dampfes werden derart gesteuert, dass das Flüssigkeitsniveau im Spei­cherraum 9′ tiefer liegt als im Spaltraum 13, wobei das Niveau des siedenden Kältemittels k im Spaltraum 13 ständig ansteigt, bis dieser Spaltraum vollständig von siedendem Kältemittel gefüllt ist. Wenn dieses erreicht ist, ist das Wasser w im äusseren Spaltraum 8′ vollstän­dig zu Eis e gefroren.

[0062] Am Ende dieses Verfahrensschrittes ist der Druck an der obersten Oberfläche des Kältemittels im Spaltraum 13 grösser als im Innenraum 9′, so dass das Kältemittel im Spaltraum 13, aber nicht im Innenraum 9′ siedet.

[0063] Ein Vergleich zwischen den Fig. 2e und 1e zeigt die Einsparung an Kältemittel bei Anwendung einer Doppelver­schalung 2′, 10 gegenüber einer einzigen Verschalung 2, da bei einfacher Verschalung der Innenraum 9 der Kaverne 1 vollständig mit Kältemittel gefüllt werden muss.

[0064] Im sechsten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 2f) wird das flüssige Kältemittel aus dem Spaltraum 13 und aus dem Speicherraum 9′ mit Hilfe von kaltem Erdgas bei ca. -70^o C durch die Leitungen 12 und 6′ ausgepresst. Die bewegliche Leitung 7′ wird abgesenkt und dazu benutzt, das sich im Bodenraum der Kaverne 1′ befindende Kälte­mittel abzusaugen.

[0065] In einem siebten Verfahrensschritt (vergl. Fig. 2g) wird die Speicherung der Kaverne mit kaltem Erdgas erläutert. Dieser Verfahrensschritt stimmt im wesentlichen mit dem entsprechenden des ersten Ausführungsbeispieles überein.

[0066] Zunächst wird kaltes, komprimiertes Erdgas durch die Leitung 12 und durch den Spaltraum 13 in den Speicherraum 9′ gepresst. Analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel bildet sich in den bei der Herstellung der Verschalung 2′ oder während der Herstellung der Abdichtung entstandenen Risse und kleinen Oeffnungen durch Kontakt mit dem Eis im Spaltraum 8′ Methanhydrat, welches die offenen Stellen gasdicht gegenüber dem umgebenden Gestein verschliesst.

[0067] Analog zu Fig. 1g ist es von Vorteil, während der Zeiten, in denen kein Verbrauch an Erdgas besteht, eine entspre­chende Zirkulation einer kleinen Erdgasmenge, welche in einer oberirdisch installierten Kälteanlage rückgekühlt wird, vorzunehmen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass zwischen der Verschalung 2′ und dem Gestein ein Schmelzen von Eis durch Wärmeeinfall vom umgebenden Gestein vermieden wird.

[0068] Ein Vergleich zwischen den Fig. 1g und 2g zeigt weiter­hin, dass in einer Kaverne mit einer Doppelverschalung eine wirksamere Kühlung erreicht werden kann als bei einer Kaverne mit einer einfachen Verschalung, da die Gasgeschwindigkeiten an der Oberfläche der Verschalung 1′ höher sind und daher ein besserer Wärmeübergang erreicht wird.

[0069] Abschliessend sei noch auf einige besondere Vorteile der Erfindung hingewiesen.

[0070] So können, wie bereits erwähnt, die Verschalungen auf äusserst kostengünstige Weise hergestellt werden, da sie nicht absolut gasdicht ausgeführt werden müssen. Selbst wenn während der Zeit, in der der Speicher gefüllt ist, aufgrund von Druckschwankungen, wie sie z.B. durch Erdbewegungen hervorgerufen sein können oder aufgrund von thermischen Expansionen der Eisschicht, z.B. infolge von Wärmeeinfall vom umgebenen Gestein, Risse in der Verscha­lung bzw. in der Eisschicht entstehen sollten, bildet sich aufgrund der tiefen Speichertemperatur und des hohen Speicherdruckes in den "offenen Stellen" sofort wieder Methanhydrat, so dass auch während der Speicherung die Gasdichtheit gegen das umgebende Gestein gewährleistet ist.

[0071] Um die Ausdehnungen des Wassers bei der Eisbildung in dem Spaltraum aufzunehmen, empfiehlt es sich, die Verschalung aus einem Werkstoff mit elastischen Eigenschaften herzu­stellen, bzw. eine genügende Elastizität der Verschalung durch eine entsprechende Formgebung der Wandung herbeizu­führen. Beispielsweise kann die Wand aus gewellten Platten hergestellt werden.

[0072] Um grosse Mengen von Erdgas speichern zu können, ist es sinnvoll, eine Speicheranlage aus mehreren erfindungs­gemäss ausgebildeten Kavernen zu erstellen.

Ansprüche

1. Künstliche, unterirdische Kaverne zur Speicherung von Erdgas, dessen Hauptkomponente aus Methan besteht unter erhöhtem Druck und bei tiefer Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kavernenwandung in einem geringen Abstand eine Verschalung eingebracht ist, welche in einem geringen Abstand oberhalb der Kavernengrundfläche endet, und dass der gasdichte Abschluss gegen die Kavernenwan­dung in einer elastischen Schicht aus Eis und Methan­hydrat besteht, wobei die undichten Stellen der Verschalung durch, während der Speicherung gebildetes Methanhydrat gasdicht verschlossen sind, und dass weiterhin die Kaverne gegen die Atmosphäre mittels eines Zapfens abgeschlossen ist, durch welchen Zu- und Ableitungen durchgeführt sind.

2. Kaverne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Verschalung in einem geringen Abstand eine weitere Verschalung angebracht ist, die in einem geringen Abstand oberhalb des Endes der ersten Verschalung endet, wobei in den, von den beiden Verschalungen gebildeten Spaltraum zwei durch den Zapfen geführte Leitungen münden.

3. Verfahren zur Herstellung einer künstlichen, unterir­dischen Kaverne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass man aus der Kaverne zunächst die Luft mit Hilfe von Wasser entfernt, anschliessend mit Hilfe von komprimiertem Erdgas Wasser in den zwischen der Verschalung und der Kavernenwandung gebildeten Spaltraum presst und sodann dieses Wasser sowie eine noch oberhalb der Kavernengrundfläche befindende Wasserschicht mittels eines, durch den Innenraum der Kaverne zirkulierenden Kühlmittels gefriert.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel aus kaltem Erdgas besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel ein verdampfendes Kältemittel verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel aus einem Kohlenwasserstoff besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff Propan, Aethyl oder Aethylen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser ein Zusatzmittel zugegeben wird, welches die elastischen Eigenschaften des erzeugten Eises bei dem Speicherdruck und der Speichertempera­tur erhöht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmittel Methanol verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Speichern von Erdgas in offenen Stellen der Verschalung das sich zwischen ihr und dem umgebenden Gestein gebildete Eis mit dem Methan des Erdgases in Kontakt gebracht wird, wobei sich Methanhydrat bildet, welches die offenen Stellen der Verschalung gasdicht verschliesst.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeiten, in welchen kein Verbrauch an gespeichertem Erdgas besteht, eine geringe Menge von Erdgas aus dem Speicherraum entnommen, ausserhalb der Kaverne zurückgekühlt und wieder in den Speicherraum rezirkuliert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 5 für die Herstellung einer Kaverne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke in dem Speicherraum und in dem, von den beiden Verschalungen gebildeten Spaltraum derart eingestellt werden, dass der Spaltraum vollständig mit Kältemittel überflutet wird, und dass nur der untere Teil des Speicherraumes mit Kältemittel gefüllt wird, wobei das untere Ende der inneren Verschaltung überflutet wird.

Zeichnung