Erste Niedersächsische Energietage in Hannover 31. Oktober November 2007

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1 Erste Niedersächsische Energietage in Hannover 31. Oktober November 2007 Workshop (Nr. II) Untertägige Energiespeicher Das Loch im Salz macht es doch schon oder: Was verbindet Druckluftspeicherung und Gebirgsmechanik? Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. K. - H. Lux

2 Prinzipskizze einer CAES-Anlage nach Crotogino (2007)

3 Prinzipskizze einer CAES-Anlage Salzkaverne nach Crotogino (2007)

4 Wie ist die Sachlage bezüglich Anlagenkomponente Salzkaverne? Bei oberflächlicher Betrachtung macht es das Loch im Salz doch schon. (man sieht ja eh nichts) Wanderer über dem Nebelmeer von Caspar David Friedrich (um 1818)

5 Wie ist die Sachlage bezüglich Anlagenkomponente Salzkaverne? Bei oberflächlicher Betrachtung macht es das Loch im Salz doch schon. (man sieht ja eh nichts) Aber bei etwas eingehender Betrachtung: Dieses Loch soll ja über lange Zeit funktionieren und auch möglichst noch wirtschaftlich arbeiten und deshalb muss vielleicht versucht werden, doch etwas Licht in den Nebel bzw. hier das Dunkel des Untergrundes zu bringen. Wanderer über dem Nebelmeer von Caspar David Friedrich (um 1818)

6 Vom Erfahrungsbereich Erdgasspeicherkaverne (KBB UT)

7 E1 / Energiespeicherung im Salzgebirge (Erdöl Erdgas/Druckluft) Crude oil, mineral oil products and liquid gas Cavern storage in operation Cavern storage in construction Natural gas Cavern storage in operation Cavern storage in construction Pore storage in operation Pore storage in construction Natural gas natural oil Number of companies: Number of storages: Operation volume Mrd. m 3 : 6,10 - Lit.: Gas and Oil Storage Facilities in Germany, Sedlacek, (2001)

8 E2 / Geotechnische Besonderheiten von Salzkavernen Depth area m 1. Compliance of the pregiven size / configuration during excavation (solution mining process) only indirect and stepwise possible via sensor measurements 2. Construction elements : - rock salt mass - overburden (and other non halitic rock formations) and - internal pressure no additional support for enlargement of static safety possible during excavation / operation Solution mined cavities in rock salt mass excavation not accessible (access only through drill hole) Rock mass only in parts explored; inhomogeneous 4. Monitoring of mechanical cavern behaviour during operation only indirect possible 3. Proof of impermeability (environment, effectiveness) -rock mass - drill hole only indirect possible

9 E3 / Anforderungen an das Tragwerk Salzkaverne General demands: static stability tightness acceptable surface subsidence environmental compatible abandonment Design parameters: cavern geometry and volume cavern depth minimum inside pressure maximum inside pressure pressure rates distance between individual caverns distance to adjoining rock, cap rock and geological interfaces convergence operation pattern

10 in das wissenschaftlich-technische Neuland Erdgasspeicherkavernen - Druckluftspeicherkavernen Erfahrungsbereich wissenschaftlich-technisches Neuland Identifizierte Betrachtungsfelder mit wesentlichen Unterschieden: (1) Betriebsfahrweise (2) Kaverneninnendruckbereich (3) Thermisch induzierte Zusatzspannungen (4) Atmosphärischer Innendruck

11 Erdgasspeicherkavernen - Druckluftspeicherkavernen Betrachtungsfelder mit wesentlichen Unterschieden 1. Betriebsfahrweise 2. Kaverneninnendruckbereich 3. Thermisch induzierte Zusatzspannungen 4. Atmosphärischer Innendruck Monozyklischer Betrieb Multizyklischer Betrieb

12 Betriebsablauf - Physikalische Modellierung cavern inside pressure (bar) year 2. year time monozyklischer (saisonaler) Betrieb cavern inside pressure (bar) year time multizyklischer Betrieb

13 Physikalische Modellierung des Deformationsverhaltens σ 1 =15 MPa σ 3 =0 MPa 2,5 1,00E+00 axial strain (%) 2 1,5 1 0,5 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 1,00E-04 axial strain rate (1/d) time (d) 1,00E-05 strain strain rate

14 Physikalische Modellierung des Deformationsverhaltens 25 0,9 0,8 20 0,7 stress (MPa) ,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0, time (min) axial strain (%) sig1uc sig3 eps1 Größe des anzusetzenden transienten Kriechens?

15 Erdgasspeicherkavernen - Druckluftspeicherkavernen Betrachtungsfelder mit wesentlichen Unterschieden Betriebsfahrweise Kaverneninnendruckbereich Thermisch induzierte Zusatzspannungen Atmosphärischer Innendruck Möglichst hoher Kaverneninnendruck Minimierung der Gebirgsbeanspruchung Minimierung der Konvergenz Mäßig hoher Kaverneninnendruck Kompressoreingangsdruck

16 Gegenüberstellung des Innendruckniveaus cavern inside pressure (bar) time

17 Erdgasspeicherkavernen - Druckluftspeicherkavernen Betrachtungsfelder mit wesentlichen Unterschieden 1. Betriebsfahrweise 2. Kaverneninnendruckbereich 3. Thermisch induzierte Zusatzspannungen 4. Atmosphärischer Innendruck nicht berücksichtigt wegen Teufenlage/ monozyklischer Fahrweise zu berücksichtigen wegen Teufenlage/ multizyklischer Fahrweise

18 Thermodynamical Calculations (KBB) V= m 3 m = 154kg/s Δp i = 20bar Δt = 15,5h a) p max = 76bar b) p max = 65bar m = 438kg/s Δp i = 20bar Δt = 5h c) p max = 73bar d) p max = 65bar

19 Rechnerische Simulation FLAC3D 3.00 Step :37:37 Tue May History Rev 62 SIG_1_RT1 (FISH symbol) Linestyle 8.771e+000 <-> 3.473e+001 Rev 63 SIG_2_RT1 (FISH symbol) Linestyle 4.082e+000 <-> 2.261e+001 Rev 64 SIG_3_RT1 (FISH symbol) Linestyle e-001 <-> 8.414e Sp_Mises_RT1 (FISH symbol) Linestyle 7.494e+000 <-> 2.282e+001 Rev 4 P_in_Dr_T (FISH symbol) Linestyle 4.000e+000 <-> 8.000e+000 Vs. 7 Viskose_Zeit_d (FISH symbol) 1.993e-004 <-> 1.500e+001 Job Title: WK M2, Z_Dach=-900m, Br1f, th-mech, T0_Gebirge=Grad, m_t_maxw=const View Title: Pi = 8/4 MPa, Ti= 44/-8 C, 1 Zyklus 12h/12h, t = 15d Spannungen [MPa] x10^ TU-Clausthal Deponietechnik und Geomechanik Zeit [d] x10^1 Zeitlicher Verlauf der Spannungen an der Kavernenkontur

20 Thermisch induzierte Zusatzspannungen Mögliche geomechanische Wirkungen? - (zusätzliche) Schädigung des Gesteingefüges mit progressiver Entwicklungstendenz? oder - Schädigung des Gesteingefüges ohne nachhaltig nachteilige Konsequenzen? oder - thermisch induzierte totale Zugspannungen nicht zugelassen? ( nachteilige Konsequenzen für Teufenlage/Betriebsbedingungen) Ansatz zur Klärung dieser Fragen?

21 Laborative Untersuchungen Thermisch induzierte Zugspannungen bei Temperaturabsenkung Wirkungen?

22 Thermisch induzierte Rissbildungen und mechanisch-hydraulische Wirkung im Prüfkörper / Tragsystem

23 Erdgasspeicherkavernen - Druckluftspeicherkavernen Betrachtungsfelder mit wesentlichen Unterschieden 1. Betriebsfahrweise 2. Kaverneninnendruckbereich 3. Thermisch induzierte Zusatzspannungen 4. Atmosphärischer Innendruck nur bei Betriebsstörung (Sonderlastfall (blow out)) (bislang nicht aufgetreten!) in größeren zeitlichen Abständen bei Reparatur (planmäßiger Betriebslastfall) Geomechanische Konsequenzen?

24 Zulässige Intensität der Konturschädigung? Tragverhalten bei p i = 0 MPa Progressiver Konturentfestigungsprozess rock mass Mikrofissuren Makrofissuren

25 Zusammenfassung (1) Aus geomechanischer Sicht ist eine erste Abschätzung zum Tragverhalten von Druckluftspeicherkavernen möglich bei Übertragung der Erfahrungen aus dem Erdgasspeicherbetrieb. (2) Um die Idee der Druckluftspeicherung (Nutzung der Windenergie) ist eine technisch sichere und wirtschaftlich optimierte Anwendung zu überführen, sind noch grundsätzliche Untersuchungen erforderlich zum Verständnis des Systemverhaltens, z. B. Materialverhalten von Steinsalz bei zyklischer Belastung, bei thermisch induzierter Zugbeanspruchung und Tragverhalten Salzgebirge bei zeitbegrenzter Überbeanspruchung.

26 Ausblick Das Loch im Salz macht es schon, Wanderer über dem Nebelmeer von Caspar David Friedrich (um 1818) aber nicht als irgendein Hohlraum im Dunkel des Untergrundes, sondern als wohl definiertes und überwachtes (KBB Underground Technologies) geotechnisches Tragsystem Salzkaverne