NL8601342A - Stelsel voor ondergrondse energie-opslag. - Google Patents

Description

Lx 86 5056 Mm/Tg ^

Stelsel voor ondergrondse enerqie-opslag.

Er bestaat reeds lang behoefte acn een stelsel voor het opslaan van energie, dat het ntogelijk maakt de turbo-generatoren en de warmtebron van een elektrische centrale ononderbroken op een bepaalde vaste belasting te doen werken, waarbij gedurende de tijd, 5 dat de energiebehoefte kleiner is dan de afgegeven energie, het energie-overschot aan het stelsel wordt toegevoerd, terwijl gedurende de tijd, dat de energiebehoefte groter is, de opgeslagen energie weer in elektrische energie kan worden omgezet om het tekort aan te vullen, 10 Een dergelijk stelsel maakt een zo doeltreffend mogelijke benutting van de warmtebron en van de turbo-generatoren mogelijk, hetgeen tot aanmerkelijke besparingen leidt, terwijl ook een nuttiger gebruik van de schaars wordende brandstof kan worden gemaakt. Voor dit doel komen tot nu toe slechts stelsels in aan-15 merking, waarbij de overschotenergie wordt gebruikt voor het omhoogpompen van water, terwijl het terugstromende water weer kan worden gebruikt voor het opwekken van elektrische energie. Daartoe kan gebruik worden gemaakt van omkeerbare hydro-elektrische samenstellen, waarvan het elektrische gedeelte als motor resp. generator, en het 20 hydraulische gedeelte als pomp resp, aandrijfturbine kan werken, maar het is uiteraard ook mogelijk daarvoor afzonderlijke samenstellen te gebruiken. Daar met het oog op de uitvoering van het hydraulische gedeelte grenzen aan de waterdoorvoer zijn gesteld, dient de opvoerhoogte dienovereenkomstig groot te worden gekozen. Dit heeft 25 tot gevolg gehad, dat dergelijke stelsels alleen in streken met voldoende hoogteverschillen zijn toegepast. Het met hoge dijken vormen van waterbekkens met een voldoende waterhoogte, bijvoorbeeld in binnenzeeën, is weliswaar op zichzelf mogelijk, doch is zeer kostbaar, terwijl verder hoge dijken wegens de verstoring van het land-30 schap praktisch onaanvaardbaar zijn, en bovendien een dijkbeschadi- 8601342 ί- .A * % Λ - 2 - ging rampzalige gevolgen kan hebben.

Er is reeds voorgesield voor dit doel gebruik te maken van holten in zoutlagen, die achterblijven nadat door het invoeren van water het zout daaruit is verwijderd, en wegens het bereiken 5 van bepaalde maximaal toelaatbare afmetingen zoutwinning daaruit is gestaakt. Daartoe zouden dan twee holten moeten worden gebruikt, die op verschillende diepte zijn gelegen, en die door middel van een kanaal met elkaar zijn verbonden, waarbij het energie-omzettings-samenstel ter plaatse van de laagste holte zal dienen te worden op-10 gesteld. Dit is, gelet op de aanzienlijke diepten en dikten van dergelijke zoutlagen, uiterst kostbaar, in het bijzonder wegens het graven van schachten en gangen voor het aanvoeren van onderdelen van dergelijke samenstellen,·terwijl voorts de voor onderhoud e.d, vereiste werkzaamheden onder zeer ongunstige werkomstandigheden plaats 15 moeten vinden.

Er is onlangs een verbetering van dit bekende stelsel voorgesteld, waarbij het energie-omzettingssamenstel nabij de onderzijde van de hoogste holte kan worden opgesteld. Hierbij zijn de onderzijden van de beide holten door middel van een eerste kanaal, en de 20 gasruimten van de beide holten door middel van een tweede kanaal met elkaar verbonden, waarbij het energie-omzettingssamenstel in het eerste kanaal is opgenomen, terwijl de druk van het gas ongeveer gelijk wordt gemaakt aan het hydrostatische drukverschil tussen beide vloeistofruimten, zodat dan de druk aan de zuigzijde van het 25 samenstel tenminste ongeveer gelijk wordt aan nul, welke kanalen voorts zo wijd zijn gemaakt, dat de drukval bij stroming van de vloeistof verwaarloosbaar wordt. De pomp dient dan een vloeistofdruk te kunnen leveren, die met de gasdruk overeenkomt, zodat dan de vloeistof door de gasdruk in het eerste kanaal omhoog zal worden ge-30 dreven.

Hoewel op deze wijze op een aanmerkelijk geringere diepte kan worden gewerkt, blijft het bezwaar bestaan, dat de onderdelen van het energie-omzettingssamenstel door grote mijnschachten naar 8601342

Ht - 3 - beneden moet worden gevoerd, zodat de kosten nog steeds aanmerkelijk, en de werkomstandigheden ongunstig blijven.

De uitvinding verschaft een verbetering van het voornoemde stelsel, waarbij deze bezwaren kunnen worden vermeden. Daartoe heeft 5 dit stelsel als kenmerk, dat het samenstel aan het bodemoppervlak is opgesteld, en door middel van twee takken van het eerste kanaal met de onderzijden van de laagste resp. hoogste holte is verbonden, waarbij de gasdruk zodanig is gekozen, dat de vloeistof uit de laagste holte naar het oppervlak wordt gestuwd, en vanuit de hoogste 10 holte geen kratervorming naar het oppervlak kan optreden.

Op deze wijze kunnen de aanmerkelijke kosten van het ondergronds aanbrengen van het energie-omzettingssamenstel worden uitgespaard, terwijl alle kanalen en verbindingen met de gangbare boor-en spoeltechnieken kunnen worden gevormd, 15 Daar in de boven de zoutlaag gelegen bodemgedeelten alleen kan worden geboord, en boorgaten smaller zijn dan in het zout uitgespoelde kanalen, verdient het -aanbeveling het diepteverschil tussen de uitmondingen van de beide takken van het eerste kanaal in de desbetreffende holten zoveel groter te kiezen, dat daarmede de drukval 20 in de smallere gedeelten van deze takken wordt vereffend.

Teneinde de stromingsweerstand in de takgedeelten van het eerste kanaal boven de zoutlaag zo klein mogelijk te maken, kunnen in het bijzonder deze takgedeelten uit een aantal parallel geschakelde boorgaten worden gevormd.

25 Daarbij kunnen de verbindingen tussen de parallel gescha kelde boorgaten en de bijbehorende takken van het eerste kanaal zijn gevormd door het zijdelings uitspoelen van twee holten in het zout door tussenkomst van een of meer van deze boorgaten.

Teneinde een zo hoog mogelijke vloeistofdruk te verkrijgen, 30 dient de vertikale afstand tussen de beide holten zo groot mogelijk te worden gemaakt. Voorts is het gunstig de breedte-hoogte-verhouding van de beide holten zo groot mogelijk te maken, daar dan tijdens de energieterugwinning het drukverschil zo weinig mogelijk verandert.

850 1 342 - 4 -

In het bijzonder kan het stelsel volgens de uitvinding zodanig zijn ingericht, dat het een gedeelte van het samenstel, dat voor het aandrijven van de pompen dient, tenminste ten dele is ingericht om met de ondergrondse steenkoolvergassing gewonnen gas te 5 worden gevoed,

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht aan de hand van een tekening; hierin toont: fig, 1 een schematische voorstelling van een bekend stelsel voor ondergrondse energie-opslag; 10 fig. 2 een met fig. 1 overeenkomende schematische voor stelling van het stelsel volgens de uitvinding; en fig. 3 een gewijzigde uitvoeringsvorm van een deel van het stelsel van fig, 2,

In fig. 1 is een onlangs voorgesteld stelsel schematisch 15 afgebeeld. Daarbij is het grondoppervlak met 1, het zgn. dekgesteen-te met 2, en een ondergrondse zoutlaag met 3 aangeduid, waarbij de diepten van de verschillende lagen niet op schaal zijn weergegeven, Vanuit het oppervlak 1 zijn twee grote holten 4 en 5 op bekende wijze uitgespoeld, die op verschillende diepten zijn gele-20 gen, en die bijvoorbeeld eerst voor zoutwinning zijn gebruikt.

De onderste holte 4 is door middel van een dwarskanaal 6 en een hulpholte 7 verbonden met een vertikaal kanaal 8, welk laatste door middel van een boring 9 door de laag 2 heen met het oppervlak 1 in verbinding staat, De holte 7 wordt op bekende wijze ge-25 vormd, nadat het kanaal 8 door de boring 9 heen is uitgespoeld, en wel door het toevoeren van olie, die de opwaartse uitspoeling verhindert, zodat door zijdelingse uitspoeling de verbinding 6 met de holte 4 kan worden gevormd.

De bovenzijde van de holte 4 is verbonden met een verti-30 kaal kanaal 10, dat door middel van een boring 11 met het oppervlak 1 in verbinding staat, welke boring 11 en welk kanaal 10 voor het vórmen van de holte 4 hebben gediend. Nabij de bovenzijde van dê bovenste holte 5 is daar door middel van een hulpholte 12 een ver- 3601342 -f·' —2 - 5 - binding 13 met de bovenzijde van de holte 5 gevormd, die voorts door een boring 14, die voor het vormen van de holte 5 heeft gediend, met het oppervlak 1 in verbinding staat,

Vanaf het oppervlak 1 is verder een mijnschacht 15 ge-5 vormd, terwijl aan de bovenzijde een lifttoren 16 met machinekamer 17 aanwezig is, waarbij door middel van de lift materiaal en personeel naar beneden kan worden gevoerd. Deze schacht 15 reikt tot aan het onderste gedeelte van de bovenste holte 5, en staat door middel van ongeveer horizontale mijngangen 18 en tussenkamers 19 met de 10 omgeving van de onderzijde van deze holte 5 en eventueel verdere holten 5 in verbinding.

Nabij de holte 5 bevindt zich een machineruimte 20, waarin zich een hydro-elektrisch samenstel 21 bevindt, dat bestaat uit een pomp/turbine en een daarmede verbonden motor/generator, welk samen-15 stel is ingericht om ofwel als een door de motor aan te drijven vloeistofpomp, ofwel als een door de turbine aan te drijven generator. te werken.

De pomp/turbine van dit samenstel is door middel van een kanaal 22 met de holte 5, en door middel van een kanaal 23 met het 20 vertikale kanaal 8 verbonden. De elektrische leidingen voor het afgeven van de door de generator geleverde elektrische energie resp. de aan de motor toe te voeren elektrische energie lopen door de gangen 18 en de schacht 15 naar boven. Deze leidingen zijn niet nader aangeduid.

25 De werking van dit stelsel is als volgt, In de holten 4 en 5 is door tussenkomst van afsluiters 24 en de vertikale boringen 11 en 14 een zodanige gasdruk in de bovenzijde van deze holten gevormd, dat deze voldoende is om de druk van de vloeistofkolom in het kanaal 8 op te heffen. Voorts wordt zoveel vloeistof uit deze holten 30 geperst, dat, zoals afgebeeld, gasruimten daarboven vrijkomen.

Door middel van niet aangeduide afsluiters ter plaatse van het samenstel 21 wordt de verbinding 22 tussen het kanaal 8 en de holte 5 afgesloten, zodat na opening van de afsluiter 25 aan het 8601342 ’V- . - ó - boveneind van de boring 9 de vloeistof in het kanaal 8 wordt opgestuwd tot voorbij het kanaal 23, waarna de afsluiter 25 wordt gesloten. De druk ter plaatse van het kanaal 23 is dan nul of positief.

Na het in werking stellen van het samenstel 21, waarvan 5 de pomp een druk kan leveren, die tenminste gelijk is aan de aldus gevormde gasdruk, wordt de verbinding met de holte 5 geopend, zodat nu vloeistof uit het kanaal 8 wordt aangezogen en in de holte 5 wordt gepompt, terwijl de gasdruk verder vloeistof uit de holte 4 naar het kanaal 8 perst, zoals met zwarte pijlen is aangegeven.

10 Dit geschiedt gedurende de periode, dat het aangesloten elektriciteitsnet zwak is belast, waarbij het energie-overschot voor het pompen wordt gebruikt.

Zodra de energiebehoefte van het net voorbij de gemiddelde belasting toeneemt, wordt het samenstel 21 op energielevering omge-15 schakeld, waarbij de vloeistof door de turbine van dit samenstel (die overigens door de pomp kan worden gevormd) loopt, en de genera-. tor (die eventueel gelijk is aan de motor) wordt aangedreven. Dit is met witte pijlen aangegeven.

Het voordeel van dit stelsel boven andere stelsels, waar-20 bij het samenstel 21 ter plaatse van de benedenzijde van de holte 4 wordt opgesteld, is, dat de schacht 15 tot een aanmerkelijk geringere diepte behoeft te worden geboord, hetgeen niet alleen aanmerkelijke besparingen geeft, doch ook minder onaangename werkomstandigheden voor het bedieningspersoneel verschaft. Het boren van de 25 schacht 15 en van de gangen 18, alsmede het ondergronds opbouwen van het samenstel 21, blijft nochtans zeer kostbaar, terwijl het ondergronds werken van het personeel zeer onaangenaam is,

De kanalen 8 en 10 zijn zodanig wijd, dat de wrijvings-weerstand bij stroming van de vloeistof verwaarloosbaar is. Bij gas-30 verlies uit de holten 4 en 5 kan door middel van niet nader aangeduide pompen door de boringen 11 of 14 voor gasaanvulling worden gezorgd.

Fig. 2 toont het stelsel volgens de uitvinding, waarbij 8601342 - 7 - dezelfde verwijzingsgetallen voor dezelfde onderdelen zijn gebruikt, eventueel voorzien van een accent, wanneer deze enigszins van de bekende afwijken.

Het kanaal 8 is nu niet meer met de holte 5 verbonden, 5 Door tussenkomst van een boring 26 is een bijkomend vertikaal kanaal 27 gevormd, dat door tussenkomst van een hulphoite 28 en een dwarsverbinding 22* met de onderzijde van de holte 5 is verbonden, De boringen 9 (van het kanaal 8) en 2ó (van het kanaal 27) staan nu boven het bodemoppervlak 1 in verbinding met een hydro-elektrisch sa-10 menstei 21*, dat verder met het samenstel 21 overeenkomt.

De gasdruk wordt nu zodanig gekozen, dat deze voldoende is om de vloeistofdruk in het kanaal 8 tot aan het bodemoppervlak 1 te overwinnen, zodat bij de pomp van het samenstel 21* dé druk nul of positief is. Tijdens de werking van de pomp werkt de vloeistofdruk 15 in het kanaal 27 in de stroomzin, zodat de pomp in feite een lagere druk dan de gasdruk behoeft te leveren.

De gasdruk in de holte 5 mag niet zo hoog zijn, dat de bodemdruk boven deze holte wordt overwonnen en kratervorming optreedt, dit uiteraard met een zekere veiligheidsfactor. Dit bepaalt de mini-20 male diepte van de holte 5, die overigens zo klein mogelijk wordt gekozen. Het gewenste vloeistordrukverschil tussen de holten 5 en 4, dat afhangt van de gewenste energie-afgifte bij een bepaalde vloei-stofstroomsterkte, bepaalt het diepteverschil tussen de beide holten.

De volgende berekening kan een en ander verduidelijken, 3 25 waarbij is uitgegaan van een dichtheid g = 0,012 ΜΊ/m van de pekel-oplossing in de holten, zodat een kolom van 1 m pekel overeenkomt met een druk van 0,012 MPa. Voorts wordt de diepte van de holte 5 met x, en die van de holte 4 met y aangeduid, terwijl de toelaatbare drukgradiënt boven de holte 5 tot aan het maaiveld (met veiligheids-30 factor) op 0,02 MPa/m wordt aangenomen. De gasdruk is met p aangegeven.

Om aan het oppervlak 1 in de boring 9 een druk 0 te verkrijgen geldt: 8601342

V

- 8 - p - 0,012.y =0 of y = 83,33.p y - x a h of 83,33.p = x + h

Om bij minimale x een maximale h te verkrijgen, moet p zo groot mogelijk zijn, hierbij gelet op de bodemdruk, die deze druk moet weer-5 staan; er geldt dan; p = 0,02.x max waaruit volgt; x+hsysp = x/0,02 = 1,67.x max h = 0,67.x = 0,4.y y/x == 0,6 IQ Voor het drukverschil tussen de holten 5 en 4 geldt: Δρ = 0,012.h = 0,008.x = 0,0048,y Als Δ p = 6 MPa, geldt; x = 750 m, y = 1250 m en h = 500 m.

.De gasdruk bedraagt dan 15 MPa, 15 Bij het stelsel volgens fig. 1 volgt uit een overeenkomsti ge berekening met dezelfde voorwaarden h = 500 m of Δρ = 6 MPa: x = 300 m en y = 800 m, terwijl de gasdruk 6 MPa bedraagt,

Voor eenzelfde drukverschil moeten bij het stelsel volgens fig, 2 de holten 4 en 5 dus 450 m dieper worden gemaakt dan bij het 20 stelsel volgens fig. 1, doch dit is (wanneer tenminste de zoutlaag voldoende dik is en voldoende diep ligt) veel goedkoper dan het vormen van de mijnschacht en de gangen volgens fig. 1. Uiteraard kan ook met een geringer drukverschil genoegen worden genomen, wanneer de stroomsnelheid door de turbine dienovereenkomstig groter kan 25 worden gekozen of een geringere energie-opbrengst aanvaardbaar is.

Bij het stelsel volgens fig. 2 zal de wrijving in de nauwere boringen 9 en 26 aanmerkelijk kunnen zijn. Het verdient dan aanbeveling, zoals in fig. 3 is aangegeven, aan de boveneinden van de kanalen 8 en 27 hulpholten 29 te vormen, en zoveel parallelbo-30 ringen 9' en 26' te gebruiken als nodig is om de wrijving voldoende te verminderen.

Om tijdens de werking van het stelsel een zo gering mogelijke verandering in het drukverschil Δ p te verkrijgen, kan het \ 8601342 *» - 9 - gunstig zijn de breedte-hoogte-verhoudinc van de beide ruimten 4 en 5 zo groot mogelijk te maken.

Aangezien bet samenstel 21’ nu bovengronds is opgesteld, kan ook een andere energiebron voor het pompen worden gebruikt, bij-5 voorbeeld bovengronds aanwezig gas, Hier/oor kan in het bijzonder gas worden gebruikt, dat door ondergrondse vergassing van steenkool is verkregen, vooral wanneer ter plaatse ook diepere steenkoollagen aanwezig zijn.

Het zal overigens duidelijk zijn, dat ten aanzien van 10 het kanaal 8 en event, de bijbehorende bijkomende holte 29 aan de drukzijde dezelfde beperking ten aanzien van de diepte als voor de holte 5 geldt, ten èinde een voldoende bodemdruk te verkrijgen, die de gasdruk kan weerstaan, 8 o 0 1 3 4 2

Claims (8)

1, Stelsel voor het ondergronds opslaan van energie, waarbij in een ondergrondse zoutlaat door uitspoelen met water op verschillende diepten holten zijn gevormd, waarvan de onderzijden door middel van een eerste kanaal, en de bovenzijden door middel van een 5 tweede kanaal met elkaar zijn verbonden, uit welke holten door het invoeren van gas onder druk een deel van de zoutoplossing is verwijderd, waarbij de vloeistofruimten door het eerste kanaal, en de gasruimten door het tweede kanaal met elkaar zijn verbonden, in welk eerste kanaal een samenstel is opgenomen, dat is ingericht om bij 10 toevoer van energie de vloeistof door het eerste kanaal vanuit de laagste naar de hoogste holte te pompen, en anderzijds door het terugstromen van de vloeistof door het eerste kanaal uit de hoogste naar de laagste holte elektrische energie voort te brengen, welke gasdruk voorts zodanig is, dat ter plaatse van dit samenstel het 15 verschil tussen de gasdruk en het hydrostatische drukverschil tussen de beide vloeistofruimten tenminste gelijk is aan nul, waarbij de kanalen zo wijd zijn gemaakt, dat de drukval bij stroming van de vloeistof verwaarloosbaar wordt, met het kenmerk, dat het samenstel (2T) aan het bodemoppervlak (1) is opgesteld, en door middel 20 van twee takken (8, 9; 26,27) van het eerste kanaal met de onderzijden van de laagste resp, hoogste holte (4, 5) is verbonden, waarbij de gasdruk zodanig is gekozen, dat de vloeistof uit de laagste holte (4) naar het oppervlak (1) wordt gestuwd, en vanuit de hoogste holte (5) geen kxatervorming naar het oppervlak (1) kan optreden, 25

2, Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de beide takken (8, 9; 26, 27) van het eerste kanaal boven de zoutlaag (3) smaller zijn dan in de zoutlaag, en dat het diepteverschii tussen de uitmondingen van de beide takken van het eerste kanaal in de desbetreffende holten (4, 5) zoveel groter dan het gewenste 30 hydrostatische drukverschil wordt gekozen, dat daarmede de drukval in de smallere gedeelten van deze takken wordt vereffend. 8601342 k - η -

3. Stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de takgedeelten van het eerste kanaal boven de zoutlaag (3) elk uit een aantal onderling parailelgeschakelde boorgaten (9', 26) bestaan.

4. Stelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat 5 de verbindingen tussen de parailelgeschakelde boorgaten (9', 26’) en de bijbehorende takken van het eerste kanaal (8, 27) zijn gevormd door het zijdelings uitspoelen van twee holten (29) in het zout door tussenkomst van een of meer van deze boorgaten.

5. Stelsel volgens een van de conclusies 1..4, met het 10 kenmerk, dat de vertikale afstand tussen de beilde holten zo groot mogelijk is.

6. Stelsel volgens een van de conclusies 1..5, met het kenmerk, dat de breedte-hoogte-verhouding van beide holten (4, 5) zo groot mogelijk is.

7. Stelsel volgens een van de conclusies 1..6, met het kenmerk, dat het gedeelte van het samenstel (21*)/ da* voor het aandrijven van pompen dient, tenminste ten dele is ingericht om met door ondergrondse steenkoolvergassing gewonnen gas te worden gevoerd.

8 6 0 Ί ó 4 2