Wie Untertage-Gasspeicher funktionieren: Geeignete Methoden zur Speicherung von Erdgas

Es scheint, dass das Wissen darüber, wie Untertage-Gasspeicher funktionieren, für den Durchschnittsnutzer keine praktische Bedeutung hat. Aber die Menschheit ist zu abhängig vom „blauen“ Brennstoff, und man möchte sicher sein, dass es niemals zu Versorgungsunterbrechungen kommt. Nicht wahr?

Und jeden Mitbürger könnte die Information über die unterirdischen Gasspeicher (UGS) beruhigen – solange sie voll sind, wird es keine Probleme mit der Gasversorgung geben. Lesen Sie in unserem Artikel mehr über die Einrichtung der Speicher und die Besonderheiten der Speicherung.

Aufbau von Untertage-Gasspeichern

Wenn für die Speicherung von Gas für den Hausgebrauch Besitzer von Privathäusern Gasbehälter verwenden, dann geht es auf staatlicher Ebene um ganz andere Speichermöglichkeiten. So sind unterirdische Gasspeicher offiziell Komplexe aus ingenieurtechnischen Anlagen, die zum Einlagern, Speichern und Entnehmen des „blauen“ Brennstoffs dienen. Sie bestehen aus oberirdischen und unterirdischen Komponenten.

Zu den oberirdischen gehören:

• Gasverteilerstation, die zur Aufteilung des Gasstroms auf mehrere technische Leitungen dient;
• Verdichterwerkstatt, in der der Brennstoff durch Druckerhöhung für die Einspeisung in die Bohrlöcher vorbereitet wird;
• Gasreinigungsanlagen.

Unterirdische Komponenten von UGS sind: Bohrlöcher, Hohlräume, Behälter. Und der letzte Punkt (Behälter) ist am interessantesten – je nachdem, wo der „blaue“ Brennstoff gelagert wird, ergibt sich die Bauweise des Gasspeichers.

Moderne Untertage-Gasspeicher ähneln äußerlich großen Fabriken. Denn um die Einspeisung/Entnahme des Brennstoffs zu gewährleisten, müssen leistungsstarke Kompressor-, Reinigungs- und andere Anlagen eingesetzt werden. Diese werden von Hunderten, wenn nicht Tausenden von Spezialisten gewartet.

Übersicht über die Behälter zur Gasspeicherung

Bei gleichem Gewicht nimmt Gas viel größere Flächen ein als feste Körper. Da es in riesigen Mengen verwendet wird, sind entsprechend große Behälter für seine Lagerung erforderlich.

Zudem haben Fachleute bereits vor einem Jahrhundert auf die Lagerung von Gas in von Menschen geschaffenen oberirdischen Tanks verzichtet.

Der Grund dafür ist, dass man dafür Folgendes benötigen würde:

• riesige Flächen des Planeten mit Anlagen zur Lagerung von Erdgas mit niedrigem Druck zu belegen;
• teure und explosionsgefährliche Hochdruck-Gasbehälter zu verwenden.

Infolgedessen fiel die Wahl, um die oben genannten negativen Aspekte auszugleichen, auf Untertage-Speicher. Als solche gelten Behälter in beträchtlicher Tiefe, die meist zwischen 300 und 1000 Metern liegt. Der Brennstoff wird dort in von der Natur geschaffenen Reservoirs gelagert.

Insgesamt haben Ingenieure gelernt, 7 Arten natürlicher Reservoirs für die Gasspeicherung erfolgreich zu nutzen:

• die in wassergesättigten porösen Schichten entstanden sind;
• die nach der Förderung von Kohlenwasserstoffen, namentlich Erdgas und Erdöl, erhalten geblieben sind;
• die in Steinsalzablagerungen gebildet wurden;
• die in Bergwerksstollen geschaffen wurden;
• die in festen Permafrostgesteinen geschaffen wurden;
• mit einer niedrigtemperierten Eis-Gestein-Hülle;
• die nach unterirdischen Atomexplosionen entstanden sind.

Obwohl es viele Optionen gibt, zeichnen sich nur die ersten vier Methoden der Gasspeicherung durch Praktikabilität aus. Die übrigen Reservoirvarianten sind nur theoretisch geeignet.

Das UGS Nord-Stawropol ist das größte der Welt und der dort gelagerte Gasvorrat kann den jährlichen Brennstoffbedarf eines so großen Landes wie Frankreichs decken, da die Speicherfläche ganze 680 km² beträgt.

Der Grund für die fehlende Praktikabilität der verbleibenden drei Optionen ist folgender:

• In Permafrostgestein kann Gas gespeichert werden, was durch mehrere aktive Speicher in den nördlichen Regionen der Erde bestätigt wird. Ihre Volumina sind jedoch äußerst gering, sodass sie heute keine industrielle Bedeutung haben.
• Behälter, die durch unterirdische Nuklearexplosionen entstanden sind, sind durchaus geeignet, erhebliche Gasvorräte zu speichern, was experimentell bereits nachgewiesen wurde. Die Sache ist jedoch, dass die mächtigen Waffen abseits von Wohngebieten getestet wurden. Daher gibt es dort in der Regel keine Verbraucher und keine technischen Anschlüsse.

Infolgedessen sind die genannten Behältertypen schlichtweg ungeeignet für die Nutzung.

Obwohl UGS als Speicher bezeichnet werden, ist die Konservierung von Gas nicht ihre vorrangige Aufgabe. Der darin befindliche Brennstoff wird größtenteils zum Ausgleich von Verbrauchsungleichmäßigkeiten genutzt. Diese können täglich, wöchentlich oder saisonal sein. Erst in letzter Linie werden UGS geschaffen, um die Folgen von Force-Majeure-Umständen abzumildern.

Im Folgenden betrachten wir jede der Optionen für die unterirdische Gasspeicherung genauer.

Variante #1 — Speicher in wassergesättigten Schichten

Lagerstätten in wassergesättigten Schichten dienen dazu, die Folgen saisonaler Ungleichmäßigkeiten bei der Gasnutzung auszugleichen, sowie zur Schaffung strategischer Reserven.

Ein wichtiges Merkmal solcher Speicher ist die minimale Beteiligung des Menschen – meist nur bei der Erstellung der Bohrungen, die zum Einpressen des Gases erforderlich sind.

Auf der Karte Russlands ist zu sehen, dass die UGS in der Nähe von Fernleitungen und großen Siedlungen liegen. Das ist kein Zufall, denn die Speicher sollen die Stabilität des Gasverbrauchs gewährleisten, weshalb sie sich in unmittelbarer Nähe zu großen Objekten befinden müssen.

Die genannten Hohlräume werden in artesischen Schichten gesucht. Gasspeicher werden dort angelegt, wo die Gesteinsstruktur durchlässig und porös ist. Flüssigkeitsreste werden durch Gas entfernt, das sie komprimiert und dann verdrängt.

Die sogenannten Behälter zur Brennstoffspeicherung sind in Wirklichkeit keine solchen. Genauer gesagt gibt es sie überhaupt nicht – als Speicherort werden Hohlräume in porösen Schichten genutzt. Und der gesamte Vorgang der Errichtung eines Gasspeichers besteht darin, einen Teil des Wassers an die Peripherie zu verdrängen. Dies geschieht, um Platz für den „blauen“ Brennstoff (Erdgas) zu schaffen.

Das oben beschriebene Verfahren kann nur durchgeführt werden, wenn eine Reihe von Faktoren dazu beiträgt:

• Die poröse durchlässige Schicht ist von einer Kuppel (Abdichtung) aus gasundurchlässigen Gesteinen bedeckt, bei denen es sich in der Regel um gepresste Tone handelt.
• Die wasserführende Schicht erstreckt sich von den Grenzen des Speichers über Dutzende von Kilometern. Noch besser ist es, wenn sie einen Austritt an die Oberfläche hat. All dies ermöglicht es dem Gas, das in der Schicht befindliche Wasser erfolgreich zu verdrängen.
• Die Ausdehnung der Kuppel ist ausreichend, um die Speicherung erheblicher Gasmengen zu ermöglichen.
• Porosität und Durchlässigkeit des Gesteins gewährleisten eine akzeptable Gaskapazität und die Fähigkeit, es bei der Förderung abzugeben.

Wenn auch nur eine dieser Bedingungen nicht erfüllt ist, ist die Errichtung eines unterirdischen Speichers unmöglich.

Das Funktionsprinzip moderner Untergrundspeicher ist einfach. Die Besonderheiten lassen sich am Beispiel großer UGS erläutern, die zum Ausgleich saisonaler Schwankungen genutzt werden.

So wird in der warmen Jahreszeit die benötigte Gasmenge in sie eingespeist. Diese wird erst mit Beginn der Heizperiode entnommen. Dabei wird in die Fernleitung nicht eine riesige Menge Gas geleitet, sondern eine durchschnittliche Menge, die aus den Betriebserfahrungen vergangener Winter bekannt ist.

Sollte die Temperatur jedoch plötzlich stark sinken und der tägliche Verbrauch um eine Größenordnung steigen, wird ein großer UGS dennoch nicht die Entnahmemengen erhöhen. Die Deckungslücke übernehmen dann kleine Speicher, die zum Ausgleich des täglichen und wöchentlichen Verbrauchs vorgesehen sind. Der Grund ist, dass die Entnahme aus ihnen einfacher und schneller erfolgen kann.

Als optimal gelten Speicher mit einer Fläche von mehreren Quadratkilometern. Mit einem Höhenunterschied zwischen Sohle und Kuppel von 10 bis 15 Metern.

Der Vorteil von UGS in wassergesättigten Schichten ist die erhebliche Speicherkapazität. Als Nachteil gilt, dass Geologen bei der Untersuchung der Eigenschaften des Grundwasserleiters möglicherweise einen wichtigen Faktor übersehen oder nicht berücksichtigen. Infolgedessen könnte sich der Speicher als ungeeignet erweisen.

Das Schlimmste daran ist, dass dies oft erst nach enormen Investitionen in den Bau der ober- und unterirdischen Infrastruktur festgestellt wird. Zudem treten häufig auch geringfügigere Probleme auf, weshalb der Betrieb von UGS in wassergesättigten Gesteinsschichten mit erheblichen ungeplanten Kosten verbunden ist.

Variante #2 – Behälter nach der Kohlenwasserstoffförderung

Die zu dieser Art gehörenden technischen Anlagen dienen dem Ausgleich saisonaler Schwankungen beim Verbrauch von Erdgas. Außerdem dienen sie dem Aufbau strategischer Reserven.

Untergrundspeicher sind gefragt, weil ihre Errichtung und ihr Betrieb wirtschaftlich am vorteilhaftesten sind. Die riesigen oberirdischen Gastanks (auf dem Foto abgebildet) werden eingesetzt, wenn keine Möglichkeit besteht, Ferngasleitungen mit UGS zu nutzen. Darüber hinaus werden in den auf dem Foto gezeigten Behältern in der Regel ausschließlich Flüssiggase gelagert.

Der Aufbau der Speicher dieser Art ist derselbe wie bei den in wassergesättigten Schichten errichteten Analoga. Das heißt, das Gas wird in den Hohlräumen poröser Gesteine gespeichert.

UGS, die in Gesteinsschichten errichtet wurden, in denen sich einst Kohlenwasserstoffe befanden, sind weltweit am häufigsten. Ihr Anteil erreicht beachtliche 70 %, was auf eine Reihe von Vorteilen zurückzuführen ist.

Dazu gehören: erhebliche Speicherkapazität und Einsparungen bei Investitionen in die Exploration, den Aufbau der Infrastruktur oder zumindest eines Teils davon sowie die Bohrung – an der Stelle solcher UGS wurden bereits Erdöl und Erdgas gefördert.

Man muss verstehen, dass eingegrabene Gastanks keine Untergrundspeicher sind. Denn sie sind für ganz andere Aufgaben bestimmt. Sie werden nur deshalb unter die Erde gebracht, um die Verdunstung von Flüssiggas bei starkem Frost effizienter zu gestalten – und zwar ohne zusätzliche Kosten. Außerdem ermöglicht die quasi unterirdische Platzierung der Gastanks eine Platzersparnis, etwa auf einem Grundstück.

Die Behälter, die nach der Kohlenwasserstoffförderung übrig geblieben sind, kann man jedoch nicht als ideal bezeichnen.

Sie haben zahlreiche Nachteile:

• Probleme mit der Dichtheit alter Bohrungen – das betrifft vor allem ehemalige Erdöllagerstätten;
• unzureichende Porosität und Durchlässigkeit der Gesteine;
• Vermischung des Gases mit Erdölrückständen – was manchmal zu erheblichen Verlusten führt, da das entstandene Gemisch nicht mehr verwendbar ist.

Außerdem tritt auf Erdöllagerstätten im Gas oft eine gefährliche Verunreinigung in Form von Schwefelwasserstoff auf. Dieser ist gesundheitsschädlich für Menschen und zerstört zudem alle Arten von Stahlkonstruktionen, selbst solche aus rostfreiem Stahl.

Der Betrieb von UGS auf der Basis erschöpfter Kohlenwasserstofflagerstätten ist möglich, weil das injizierte Gas die Ölreste aus der betreffenden Schicht verdrängt. Zudem besitzt es, ähnlich wie Wasser, Kompressibilität und Mobilität, was die Einrichtung des Speichers erleichtert. Manchmal wird das Öl unter Gasdruck nicht in das Gestein gedrückt, sondern steigt nach oben, was eine zusätzliche Einnahmequelle darstellt.

Variante #3 — Kavernen in Steinsalzablagerungen

Solche Gasspeicher dienen dem Ausgleich täglicher, wöchentlicher und saisonaler Ungleichmäßigkeiten des Gasverbrauchs. Darüber hinaus übernehmen Speicher in Salzschichten erfolgreich die Rolle einer Reservequelle für wichtige Verbraucher.

Es gibt nur zwei gefragte Methoden der unterirdischen Gasspeicherung: in durchlässigen porösen Schichten und in Kavernen, die in Salzlagerstätten ausgewaschen wurden. Die erste Option wird verwendet, wenn ein großer Speicher benötigt wird, die zweite – nur für lokale Aufgaben.

Diese UGS werden durch Auslaugung von Salzablagerungen hergestellt, um einen Hohlraum in der erforderlichen Größe zu schaffen. Dazu werden zunächst mehrere Bohrlöcher gebohrt, durch die über einen längeren Zeitraum Wasser geleitet wird.

Obwohl das beschriebene Verfahren zeitaufwändig und teuer ist, rechnet es sich, da die Speicherung des eingepressten Erdgases verlustfrei erfolgt. Der Grund liegt in der Dichtheit der Salzkavernen. Darüber hinaus besitzen sie einen Selbstheilungseffekt – tektonische und andere Risse werden relativ schnell durch Salzeinlagerungen verschlossen.

Der Vorteil der Anlage solcher Untergrundspeicher besteht darin, dass die Entnahme der benötigten Brennstoffmenge nahezu unbegrenzt schnell erfolgen kann. Die Entnahmerate ist um ein Vielfaches höher als bei vergleichbaren Vorgängen in Speichern anderer Bauart. Ein weiterer wichtiger Vorzug von UGS in Salzkavernen ist der hohe Gasentnahmegrad – einer der höchsten aller Speichertypen.

Das Gestein für die Gasspeicherung sollte so beschaffen sein, wie auf dem Foto dargestellt. Das heißt, es muss durchlässig sein und genügend Platz für die Unterbringung großer Brennstoffmengen bieten. Darüber hinaus muss die Schichtstruktur ein leichtes Verdrängen von Wasser und Ölrückständen ermöglichen.

Die Anzahl der Kavernen in Salzschichten übersteigt jedoch nicht 2 % der Gesamtzahl der Speicher.

Mehrere negative Faktoren beeinflussen diesen Wert:

• Vorhandensein großer Mengen an Salzwasser nach dem Auswaschen der Kavernen zur Gaseinlagerung. Wenn in der Nähe weder ein Meer noch zumindest Salzverarbeitungsanlagen vorhanden sind, kann die Flüssigkeit nirgendwo hin. Dies ist der Hauptgrund für die geringe Anzahl solcher UGS.
• Verringerung des Nutzvolumens während des Betriebs. Dieses Phänomen wird durch die Verdunstung von Salz an Stellen mit höherem Druck und dessen Ansammlung an Stellen mit niedrigerem Druck verursacht.
• Das Auftreten von Verunreinigungen im Gas, bei denen es sich oft um Reste von Flüssigkeiten handelt, die zuvor zum Auswaschen der Höhle verwendet wurden.
• Geringe Mengen, die es nicht erlauben, ausreichende Vorräte anzulegen.

Infolgedessen werden Salzkavernen normalerweise nur dort eingesetzt, wo keine der oben genannten Behälterarten verwendet werden können.

Variante #4 — UGS in Bergwerken

Ihr Volumen ist gering. Dennoch lagern die Schweden und Norweger einen Teil ihrer strategischen Gasreserven in Behältern genau dieser Art.

UGS in Bergwerken ist der einzige Gasspeicher, der vollständig vom Menschen errichtet wurde. So wird in einem Bergwerk durch Sprengungen ein Behälter geschaffen, der anschließend mit Stahlplatten ausgekleidet wird.

So sehen Salzkavernen aus, die zur Gasspeicherung genutzt werden. Sie sind dicht und zuverlässig, aber von begrenzter Größe, daher eignen sie sich nur für die Schaffung von UGS mit geringem Volumen. Und zwar ausschließlich für lokale Aufgaben. Zum Beispiel sind in Russland von den 27 derzeit genutzten Speichern nur 2 Salzkavernen.

Obwohl UGS in stillgelegten Bergwerken aufgrund der hohen Entnahmerate und -geschwindigkeit vorteilhaft zu betreiben sind, wird sich ihre Anzahl in naher Zukunft nicht wesentlich erhöhen. Der Grund dafür ist, dass die beschriebenen Speicher schwierig zu bauen sind, da es nicht immer gelingt, vollständige Dichtheit zu erreichen, was zu erheblichen Verlusten führt.

Dies geschieht, weil beim Betrieb des Bergwerks versucht wird, möglichst viel Luft hineinzuleiten. Dazu wird ein Belüftungssystem mit zahlreichen Austritten an die Oberfläche geschaffen, die bei der Umrüstung zum Speicher nicht immer vollständig abgedichtet werden können.

Infolgedessen gibt es heute nur wenige erfolgreiche Beispiele für die Umsetzung der Idee der Gasspeicherung in stillgelegten Bergwerken (in Schweden, Norwegen, Deutschland).

Sind die Speicher gasdicht?

Gaslecks sind häufige Vorgänge, die sich nicht vermeiden lassen. Die Ursachen sind zu vielfältig.

Der Einfachheit halber werden sie in 3 Kategorien unterteilt:

• geologische;
• technologische;
• technische.

Zur Gruppe der geologischen Ursachen zählen die Heterogenität der UGS-Abdeckungen, das Vorhandensein tektonischer Brüche sowie die Besonderheiten der Hydrodynamik und Geochemie. Beispielsweise kann das Gas einfach innerhalb der Schicht migrieren, und Fachleute können darauf keinen Einfluss nehmen.

Technologische Ursachen gehören zu den häufigsten, da regelmäßig Fehler bei der Bewertung bestimmter Tatsachen auftreten. Zum Beispiel bei der Effizienz von Hydrofallen, Gasreserven, ablaufenden physikalisch-chemischen Prozessen.

Nicht selten werden Bohrungen eingesetzt, um die benötigten Schichten zu erreichen. Dabei unterscheidet sich die Technologie nicht von ähnlichen Verfahren beim Erreichen von Gas- und Erdöllagerstätten.

Technische Ursachen sind meist mit dem Zustand der verwendeten Bohrungen verbunden, über die die Gaseinspeisung erfolgt.

Besonderheiten der Errichtung von UGS

In 95 % der Fälle werden UGS durch das Verdrängen von Wasser und Ölrückständen aus porösen Schichten mittels Gas geschaffen. So entstehen die „Behälter“ zur Speicherung des „blauen“ Brennstoffs.

Die wichtigste Besonderheit ist jedoch, dass das für das Verdrängen der Flüssigkeiten verwendete Gasvolumen später nicht für die Lieferung an die Kunden verwendet werden kann. Seine Aufgabe ist es, zu verhindern, dass Wasser und Kohlenwasserstoffrückstände an ihren ursprünglichen Ort zurückkehren. Andernfalls würde das Speicherlager einfach aufhören zu existieren.

Das bedeutet, dass das genannte Gas Puffergas ist. In der Regel macht es mindestens die Hälfte des gesamten in das UGS eingepressten Volumens aus. In manchen Fällen ist das Puffergas sogar dreimal so groß wie das Gas, das für die Lieferung an die Kunden verwendet werden kann und das Arbeitsgas genannt wird.

Interessanterweise lässt sich die Menge des Puffergases nicht im Voraus berechnen. Das heißt, alles wird ausschließlich experimentell ermittelt. Was in vielen Fällen Jahre dauert. Wenn das erzielte Ergebnis jedoch unbefriedigend ist, kann das Puffergas vollständig abgepumpt werden.

Reihenfolge der Befüllung des Speichers

Nachdem die Geologen eine bestimmte Schicht untersucht und entschieden haben, dass an der gewünschten Stelle ein Gasspeicher errichtet werden kann, bauen die Gasförderunternehmen einen technischen Komplex.

Moderne UGS sind die sicherste Methode zur Speicherung von Gasreserven. Aber ihre häufigen Lecks sind ein großes Problem für Gasunternehmen und Umweltschützer, die solche Fälle als erhebliches Umweltproblem ansehen. Und manchmal sieht es so aus wie auf dem Foto (im Hintergrund ist ein Feuer an einem der ungarischen UGS zu sehen).

Und dann beginnt die Einspeisung des „blauen“ Brennstoffs in den zukünftigen Gasspeicher, der von der nächsten Fernleitung zugeführt wird. Und gelangt zur Reinigungsanlage, wo alle möglichen mechanischen Verunreinigungen entfernt werden.

Der reine Brennstoff wird zur Mess- und Zählstation geleitet. Danach gelangt er in die Kompressorwerkstatt, wo die Verdichtung stattfindet – so nennt man die Vorbereitung des Gases für die Einspeisung in den Speicher. Dabei wird der Gasdruck auf den erforderlichen Wert erhöht.

Anschließend wird es zu den Gasverteilstationen transportiert. Dort wird der Gesamtstrom in mehrere Teile aufgeteilt und in verschiedene Prozesslinien geleitet. Von dort gelangt es über Ringleitungen zu den Injektionsbohrungen.

Während des gesamten Prozesses überwachen Fachleute eine Reihe von Parametern, darunter den Druck und die Temperatur des Gases sowie die Förderleistung jeder Bohrung.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Das unten beigefügte Videomaterial widmet sich dem Thema der Errichtung von UGS zur Glättung des ungleichmäßigen Brennstoffverbrauchs, der von der Gaspipeline „Sila Sibiri“ geliefert wird.

Untergrundgasspeicher sind die zuverlässigste und wirtschaftlichste Methode, um Ungleichmäßigkeiten im Gasverbrauch auszugleichen und eine stabile Gasversorgung bei höherer Gewalt zu gewährleisten. Am interessantesten ist jedoch, dass wir dafür nicht dem menschlichen Genie danken müssen, sondern der Natur, die vorausschauend die dafür geeigneten Gesteinsschichten geschaffen hat.

Haben Sie persönlich an der Errichtung von Untergrundgasspeichern mitgewirkt und möchten Sie den obigen Artikel durch nützliche Informationen ergänzen? Oder haben Sie Unstimmigkeiten in den Fakten bemerkt? Hinterlassen Sie Ihre Anmerkungen und Kommentare – das Feedback-Formular befindet sich unterhalb des Artikels.