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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Aufbereitung
von Brauchwasser für
die Herstellung von Kavernenspeichern durch Aussolverfahren und
zur Aufbereitung und Konditionierung der hierbei anfallenden Sole
für die
nachfolgende Zwischen- und/oder Endlagerung in geeigneten geologischen
Formationen.
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Für die Herstellung
eines Kavernenspeichers durch direktes oder indirektes Soloerfahren wird über eine
Bohrung Süßwasser
oder schwach mineralisiertes Wasser in eine geeignete Salzstockformation
eingeleitet und das anstehende Salzgestein an den Kontaktflächen zwischen
Wasser und Salz gelöst.
Die dabei entstehende Sole wird bei gleichzeitiger Nachführung von
Süßwasser
oder schwach mineralisiertem Wasser nach über Tage gefördert. Die kontinuierliche
Bereitstellung der für
den Aussolprozess benötigten,
relativ großen
Mengen an aufbereitetem Brauchwasser, das beispielsweise aus Oberflächengewässer, aus
Grundwasserbrunnen, aus Großkläranlagen
in Form von Klärwasser
oder als Schichtenwasser aus dem Untergrund entnommen werden kann,
und die schadlose, umweltgerechte Beseitigung der anfallenden Sole
sind daher entscheidende Kostenfaktoren bei der Errichtung von Kavernenspeichern.
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Die
anfallende Sole in der chemischen Industrie zu verarbeiten wäre die effektivste
Lösung. Hierzu
müssen
jedoch eine bestimmte Solequalität eingehalten
werden und Chemiebetrieb und Kavernenstandort territorial möglichst
nahe beieinander liegen. Durch lange Transportwege werden wiederum zusätzliche
Kosten verursacht, die das gesamte Projekt verteuern. Sofern die
Sole nicht industriell verarbeitet werden kann, stellt sie ein Abfallprodukt
dar und muss unter Berücksichtigung
des Umweltschutzes entsorgt werden.
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Die
Ableitung der anfallenden Sole ins Meer ist nur in Meernähe genehmigungsfähig und
nur an territorial geeigneten Kavernenstandorten möglich. Die
Einleitung in andere Oberflächengewässer – Seen,
Flüsse – ist durch
umweltrechtliche Aspekte entweder stark limitiert oder nicht durchführbar. Aus diesen
Gründen
kann die in relativ großen
Mengen anfallende Sole zu ihrer End- und/oder Zwischenlagerung nur
noch in geeigneten geologischen Strukturen versenkt werden. Um die
Sole in geologische Formationen versenken zu können, müssen eine ausreichend poröse und permeable
Struktur, ein ausreichendes Speichervolumen in einem geschlossenen
oder offenen Speicherreservoir ohne Kontakt zu grundwasserführenden
Schichten und ein dichtes Deckgebirge vorhanden sowie eine ausreichende Verträglichkeit
zwischen Sole, Schichtenwasser und der geologischen Struktur gegeben
sein. Außerdem stellt
die Einleitung von stark mineralisiertem Wasser in geologische Strukturen
hohe Anforderungen an deren physikalisch-chemische Konditionierung,
um die Strömungsbedingungen
des Mediums im Porenraum nicht zu beeinträchtigen. Zu diesen Anforderungen
gehören
beispielsweise die Verhinderung von Salzkristallisationen und die
Begrenzung der Partikelgröße, um Porenverstopfungen
zu vermeiden, die Einstellung des pH-Wertes und des Redoxpotentials zur
Vermeidung unerwünschter
Fällungsreaktionen, die
Entfernung der gelösten
Sauerstoffanteile zur Verhinderung von Korrosions- und Oxydationsprozessen
und die Entfernung von Bakterien. Ohne entsprechende Konditionierung
kann sich das Verpressen der Sole in eine geeignete geologische
Formation verschlechtern oder vollständig zum Erliegen kommen.
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Verfahren
zur Zwischen- und/oder Endlagerung von industriell anfallenden Salzlösungen in
eine geeignete klüftig-poröse geologische
Formation, vorzugsweise mit einer muldenförmigen Ausbildung, sind aus
DD 227 940 A1 und
DD 253 983 A1 bekannt. Der
Verpress- und Förderprozess
der in die geologische Formation eingeleiteten Salzlösung ist
mit einer räumlichen,
druckmäßigen und
stofflichen Kontrolle mittels Beobachtungssonden verbunden, die
im Speicher- und im Kontrollhorizont oberhalb des Deckgebirges vorgesehen
sind, wobei die eingelagerte Salzlösung zu einem bestimmten Zeitpunkt oder
im Bedarfsfall über
eine oder mehrere installierte Fördersonden
rückgefördert werden
kann. Über diese
Fördersonden
werden auch die mit der Verpressung der Salzlösung verdrängten Schichtwassermengen abgeführt und über eine
Pumpstation in einen Vorfluter geleitet. Eine technische Lehre zur Aufbereitung
und Konditionierung von Brauchwasser und Sole, bevor diese in eine
geeignete, geologische Formation verpresst werden, enthalten diese
Druckschriften nicht.
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Die
beim Aussolen von Kavernen anfallende Sole neben der industriellen
Weiterverarbeitung oder der Ableitung in Oberflächengewässer in tiefe Gesteinsschichten
abzusenken, wird bereits in
DE
43 19 941 C2 erwähnt.
Eine technische Lehre zum Absenken oder für eine anderweitige Verarbeitung
oder Entsorgung der Sole enthält
die Druckschrift jedoch nicht.
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Aus
DE 196 18 074 A1 ist
ferner ein Verfahren bekannt, mit dem der chemische Sauerstoffbedarf
von Abwasser, der durch organische Verunreinigungen hervorgerufen
wird, durch Elektrolyse und Oxydation der Verunreinigungen entfernt
werden kann. Hierfür
wird zunächst
der pH-Wert des Abwassers eingestellt und das Abwasser anschließend einer
Elektrolyse/Oxydation unterworfen. Nach einer Verweilzeit wird der
pH-Wert des die Elektrolyse/Oxydation verlassenden Abwassers erneut
eingestellt, um einen Eisenhydroxid Niederschlag zu bilden, der anschließend abgetrennt
wird.
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Ganz
oder teilweise wiederverwendbare Abfallstoffe werden nach
DE 31 41 885 C2 in
untertägigen
salzumschlossenen und mit Sole gefüllten Hohlräumen end- und/oder zwischengelagert,
wobei die Abfallstoffe zusammen mit den mitgeführten Feststoffanteilen in
den Speicherhohlraum eingebracht werden. Durch die Zumischung von
alkalisch reagierenden festen oder gelösten anorganischen Verbindungen
werden die Feststoffanteile gebunden und sedimentieren teilweise
im Speicherhohlraum, während
die flüssige
Phase und die in dieser Phase enthaltenen Sedimentanteile gegebenenfalls
abgepumpt und einer Wiederverwertung zugeführt werden. Hinweise zur Aufbereitung
und Konditionierung von Sole zu ihrer Zwischen- und/oder Endlagerung durch
Verpressen in eine geeignete geologische Formation werden in den
Druckschriften nicht offenbart.
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In
DD 135 815 A1 wird
ein Verfahren zur Bekämpfung
unerwünschter
Mikroorganismen beschrieben, die ein in eine Kaverne eingelagertes
flüssiges
oder gasförmiges
Medium durch ihre Stoffwechselprodukte verunreinigen. Nach diesem
Verfahren wird ein vorformuliertes Bakterizid dem in die Kaverne
einzulagernden Medium, der in Gaskavernen vorhandenen Restsole oder
der Treibsohle, die für
den Speicherbetrieb verwendet wird, zugesetzt.
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Die
Herstellung eines temperaturbeständigen
Gels bei Temperaturen über
79,4°C (175°F), das für die Bildung
eines Puffers/Stopfens zum temporären Verschließen von
Rohren bei der Gas- und Erdölgewinnung
aus tiefer liegenden Lagerstätten
eingesetzt wird, ist Gegenstand der
US 5 246 073 A . Die Formulierung der Gel-Zusammensetzungen,
die aus polymerisierbaren Monomeren unter Verwendung von Wasser
mit einem höheren
Härtegrad
ausgewählt
worden ist, erfolgt über
die Einstellung des pH-Wertes des verwendeten Wassers.
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Es
ist ebenfalls bereits allgemein bekannt, durch Zusatz von Hydrazin
oder Zitronensäure
den Sauerstoffgehalt in Wasser zu reduzieren. So beschreibt
DE 693 12 750 T2 beispielsweise
ein Verfahren zur Kontrolle der Kesselstein- und Schlammbildung
auf Kesselheizflächen
von Dampferzeugern, bei dem Hydrazin oder Zitronensäure als
Sauerstoffaufnehmer eingesetzt wird.
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Hinweise
darauf, wie die bei der Herstellung von Kavernen durch Solprozesse
in entsprechender Größenordnung
anfallende Rohsole aufzubereiten ist, um sie unter Beachtung der
Forderungen des Umweltschutzes und der Bergsicherheit in eine geeignete
geologische Formationen zu ihrer Zwischen- und/oder Endlagerung
einzubringen, enthalten diese vorgenannten Druckschriften nicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Lösung der
eingangs genannten Gattung anzugeben, mit der die Sole an die Anforderungen
der geologischen Formation angepasst werden kann und ein kontinuierliches
Versenken mit geringen Versenkdrücken
möglich
ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren nach den Merkmalen von Anspruch 1 und
eine Anlage entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der
Unteransprüche
2 bis 7 und 9 bis 11.
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Um
die Sole, die in großen
Mengen bei der Herstellung des Hohlraumes für eine Speicherkaverne anfällt, über einen
langen Zeitraum kontinuierlich und mit relativ geringen Drücken versenken
zu können,
ist eine Aufbereitung und Konditionierung der anfallenden Sole und
die damit verbundene Anpassung an die Eigenschaften und geologischen Speicherbedingungen
der für
die Zwischen- und/oder Endlagerung vorgesehenen geologischen Formation unerlässlich.
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Gemäß der vorgeschlagenen
Lösung
wird das von einer Entnahmestelle gelieferte Brauchwasser über einen
Vorfilter geleitet und nach Reduzierung des Sauerstoffgehaltes,
was vorteilhafter Weise auf chemischem Wege durch den Zusatz von
Hydrazin erfolgt, auf an sich bekannte Weise mit einer Solprozesspumpe
in die Kavernenbohrung gefördert.
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Die
während
des gesamten Solvorganges durch kontinuierliches Einpumpen von Brauchwasser aus
der Solkaverne austretende Rohsole wird durch erneute Reduktion
der Sauerstoffgehaltes, wie vorstehend beschrieben, Einstellen des
pH-Wertes, beispielsweise durch das Zudosieren von Salzsäure, und
durch Zuführen
eines Komplexbildners, wie beispielsweise Zitronensäure, durch
den das in der Rohsole enthaltene Eisenhydroxid gebunden wird, aufbereitet
und in einen Soleabsetzbehälter
geleitet. In Abhängigkeit
von den gemessenen chemischen und physikalischen Parametern wird
der Sole vor Eintritt in den Soleabsetzbehälter aufbereitetes Brauchwasser
zur Einstellung der Dichte zudosiert.
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Nach
einer kurzen Verweildauer, in der sich die in der Rohsole mitgeführten unlöslichen
Bestandteile durch Sedimentation absetzen, wird die aufbereitete
Sole abgeleitet und durch Zudosieren eines Kristallisationshemmers,
beispielsweise Kaliumhexacyanoferrat (II), konditioniert.
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Die
aufbereitete und konditionierte Sole wird nun in eine Mikrofiltrationsanlage
geführt,
in der die noch vorhandenen und mitgeführten Feststoffpartikel über einer
bestimmten Trennteilchengröße separiert und
abgeschieden werden.
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Die
aufbereitete und konditionierte Sole verlässt nunmehr als Reinsole die
Mikrofiltrationsanlage und fließt
in einen Solevorlagebehälter,
aus dem sie zu ihrer Zwischen- und/oder Endlagerung mit Hilfe einer
Versenkpumpe über
eine Versenksonde in die ausgewählte
geologische Struktur verpresst wird.
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Die
nach der Erfindung aufbereitete und konditionierte Reinsole ist
im wesentlichen frei von ungelösten
Feststoffen und löst
durch ihre chemische und physikalische Konditionierung keine Blockierungen aus,
durch die die Fließwege
und Porenräume
in der anstehenden geologischen Formation verschlossen werden. Unter
diesen Voraussetzungen kann die Sole, die bei der Errichtung von
Speicherkavernen durch Soloerfahren in großen Mengen anfällt, über lange
Zeiträume
kontinuierlich und mit geringen Verpressdrücken in die dafür vorgesehenen
geologischen Formationen versenkt werden.
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Die
Mikrofiltrationsanlage und der Soleabsetzbehälter sind vorteilhafter Weise über eine
Rückspülleitung
und eine Suspensionspumpe mit der Solkaverne verbunden, um die bei
der Filterrückspülung anfallenden
Suspensionen und die im Soleabsetzbehälter sedimentierten, unlöslichen
Bestandteile zu ihrer Endlagerung im Kavernensumpf zurückzuführen.
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Wie
bereits teilweise aus vorstehenden Darlegungen hervorgeht, sind
in der Soleleitung der erfindungsgemäßen Anlage zwischen der Solkaverne und
der Versenksonde mindestens ein Soleabsetzbehälter, eine Mikrofiltrationsanlage
und ein Solevorlagebehälter
vorgesehen, während
im Leitungsabschnitt der Soleleitung zwischen der Solkaverne und dem
Soleabsetzbehälter
Einrichtungen angeordnet sind, um die chemischen Zusätze zur
Aufbereitung der Rohsole in den Solestrom einzubringen. Vor dem Eingang
in den Soleabsetzbehälter
ist in die Soleleitung eine Bypassleitung mit einer Brauchwasserdosierpumpe
eingebunden, über
die zur Einstellung der Dichte der Rohsole aufbereitetes Brauchwasser
aus der Brauchwasserleitung zugeführt werden kann.
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Durch
einen weiteren Leitungszweig ist die O2-Reduktion
mit der Brauchwasserleitung verbunden, über den Zusätze zur Einstellung des Sauerstoffgehaltes
im Brauchwasser zugeführt
werden können.
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Neben
der Einspeisung für
den Kristallisationshemmer im Leitungsabschnitt der Soleleitung zwischen
dem Soleabsetzbehälter
und der Mikrofiltrationsanlage sind der Soleabsetzbehälter und
die Mikrofiltrationsanlage an eine Rückspülleitung angeschlossen, über die
die aus der aufbereiteten und konditionierten Sole abgetrennten
Partikel und die im Soleabsetzbehälter sedimentierten unlöslichen
Bestandteile zur Endlagerung in die Solkaverne abgeleitet werden.
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In
Fließrichtung
der Anlage sind hinter dem Vorfilter für das Brauchwasser und jeweils
vor dem Soleabsetzbehälter,
vor der Mikrofiltrationsanlage, vor dem Solevorlagebehälter und
vor der Versenkpumpe Messstellen vorgesehen, mit denen die Qualität des Brauchwassers,
der Rohsole und der Reinsole kontinuierlich überwacht wird.
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Die
Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die dazugehörige
Zeichnung zeigt ein Fließschema
der erfindungsgemäßen Anlage
zur Durchführung
des Verfahrens.
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Das
notwendige Brauchwasser für
das Aussolverfahren wird von einer geeigneten Entnahmestelle mittels
Brauchwasserpumpe 1 gefördert
und passiert einen Vorfilter 2. Anschließend wird
der Sauerstoffgehalt im Brauchwasser vorzugsweise auf chemischem
Wege reduziert, indem beispielsweise Hydrazin zudosiert und über den
Leitungsabschnitt 14 zugeführt wird. Das so aufbereitete
Brauchwasser wird mit Hilfe der Solprozesspumpe 3 in die
Kavernenbohrung 4 eingefördert, die zuvor in dem Salzstock,
in dem die Kaverne errichtet werden soll, abgeteuft worden ist.
An den Kontaktflächen
des Brauchwassers mit dem anstehenden Salzgestein wird das Salz
zur Ausbildung des Hohlraumes gelöst und im Brauchwasser aufgenommen.
Durch ständiges
kontinuierliches Zuführen
von aufbereitetem Brauchwasser wird das mit Salz aufgeladene Brauchwasser,
die Rohsole, aus der Solkaverne nach über Tage gefördert und
in einen Soleabsetzbehälter 5 geleitet,
in dem die in der Rohsole mitgeführten
unlöslichen
Feststoffanteile sedimentieren. In Abhängigkeit von den geologischen
Bedingungen der Formation, in die die Sole zu ihrer Zwischen- oder Endlagerung
versenkt werden soll, wird im Leitungsabschnitt 15 der
Soleleitung der Restsauerstoffgehalt der Rohsole beispielsweise
durch Zuführung
von Hydrazin reduziert bzw. eliminiert. Neben der Sauerstoffreduktion
werden der Rohsole im Leitungsabschnitt 15 Salzsäure zur
Einstellung des pH-Wertes und ein Komplexbildner, Zitronensäure, für die Komplexbildung
des in der Rohsole enthaltenen Eisens zudosiert.
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Noch
vor Eintritt der aufbereiteten Rohsole in den Soleabsetzbehälter 5 wird
entsprechend der gemessenen Dichte der Rohsole aufbereitetes Brauchwasser
zudosiert, um die Salzkonzentration auf ein Maß zu begrenzen, das eine Kristallisation
der in der Rohsole gelösten
Salzanteile in den Porenräumen der
geologischen Formation, in die die Sole versenkt wird, zu verhindern.
Das aufbereitete Brauchwasser wird aus der Brauchwasserleitung 16 über die
Wasserdosierleitung 17 mit Hilfe der Brauchwasserdosierpumpe 6 dem
Solestrom zudosiert.
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Um
die Permeabilitätseigenschaften
zu verbessern, wird der aus dem Soleabsetzbehälter 5 abfließenden Rohsole
ein geeigneter Kristallisationshemmer, beispielweise Kaliumhexacyanoferrat
(II), zugeführt.
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Die
auf diese Weise aufbereitete und konditionierte Rohsole wird mit
Hilfe einer Filterbeschickungspumpe 7 in eine, dem Soleabsetzbehälter 5 nachgeschaltete
Mikrofiltrationsanlage 8 eingeleitet, in der alle mitgeführten Partikel
oberhalb einer geforderten Teilchentrenngröße entfernt werden. Beim Reinigen/Rückspülen der
Mikrofiltrationsanlage 8 fallen Filterrückspülsuspensionen an, die zusammen mit
den im Soleabsetzbehälter 5 sedimentierten,
unlöslichen
Feststoffanteilen über
die Rückspülleitung 13 und
die Suspensionspumpe 12 in die Solkaverne 4 zurückgeführt werden,
wo sie sedimentieren und endgelagert werden. Eine externe Entsorgung
dieser Stoffbestandteile kann daher entfallen.
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Die
aus der Mikrofiltrationsanlage 8 abfließende, aufbereitete und konditionierte
Reinsole gelangt in einen Solevorlagebehälter 9 und wird von hier
mit Hilfe der Versenkpumpe 10 in die Versenksonde 11 injiziert.
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Die
Qualität
des aufbereiteten Brauchwassers, der Rohsole und der aufbreiteten
und konditionierten Reinsole werden durch die Analysenmessungen
(Q/R Messstellen) ständig
gemessen und überwacht.
Insbesondere werden die relevanten Prozessparameter wie beispielsweise
der Sauerstoffgehalt und die Trübung
des Brauchwassers und der Sauerstoffgehalt, das Redoxpotential,
der pH-Wert, die Temperatur und die Soledichte der Roh- und Reinsole
erfasst und in der Prozesssteuerung ausgewertet.
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- 1
- Brauchwasserpumpe
- 2
- Vorfilter
- 3
- Solprozesspumpe
- 4
- Kavernenbohrung/Solkaverne
- 5
- Soleabsetzbehälter
- 6
- Brauchwasserdosierpumpe
- 7
- Filterbeschickungspumpe
- 8
- Mikrofiltrationsanlage
- 9
- Solevorlagebehälter
- 10
- Versenkpumpe
- 11
- Versenksonde
- 12
- Suspensionspumpe
- 13
- Rückspülleitung
- 14
- Leitungsabschnitt
der Dosierleitung
- 15
- Leitungsabschnitt
der Soleleitung
- 16
- Brauchwasserleitung
- 17
- Wasserdosierleitung
- Q/R
- Messstelle