Zu Beginn dieser Arbeit werden die unterirdischen Hochdruckspeicher für die Medien Luft und Wasserstoff erläutert. Dazu gehören die Erläuterung der gängigen unterirdischen Speicherformen und Speichermethoden sowie die Auflistung aktueller in Betrieb befindlicher Projekte zur zivilen Nutzung oder zu Forschungszwecken.
Im Rahmen eines Forschungsprojektes, das sich mit der Speicherung von überschüssiger Energie im Versorgungsnetz der Zukunft beschäftigt, soll ein unterirdischer Wasserstoffspeicher in der Forschungseinrichtung Zentrum am Berg (ZaB) der Montanuniversität Leoben am steirischen Erzberg errichtet werden. Die numerische Simulation dieses Wasserstoffspeichers ist Teil einer Reihe von Master- und Bachelorarbeiten, die sich mit der Speicherung von Energie unter hohem Druck in unterirdischen Speichern beschäftigen.
Der Bau des Wasserstoffspeichers erfolgt nach dem Prinzip der „lined rock cavern - LRC“, das im theoretischen Teil dieser Arbeit beschrieben wird. Dabei werden die Komponenten der Kavernenauskleidung, mögliche Versagensmechanismen und eine Versuchsanlage in Schweden näher beschrieben. Basierend auf den langjährigen Erfahrungen beim Bau von Druckstollen für Wasserkraftwerke wurde eine Vielzahl von Auskleidungsmöglichkeiten für Druckstollen und deren analytische Berechnung entwickelt. Eine vorgespannte Betoninnenschale oder eine Innenauskleidung mittels Stahlpanzerung sind für höhere Betriebsdrücke ausgelegt und werden als mögliche Auskleidungsvarianten für den Wasserstoffspeicher in Betracht gezogen. Erfahrungen und Ausführungsmethoden aus dem Druckstollenbau zu den Themen Stahlauskleidung und Vorspannung einer Ortbetoninnenschale runden den Theorieteil ab.
Das analytische Verfahren nach Seeber dient zur Dimensionierung der Auskleidung von Druckstollen. Eine vorangegangene Masterarbeit im Rahmen der Forschungsreihe zur unterirdischen Wasserstoffspeicherung befasste sich mit der Berechnung der Auskleidung des Hochdruckspeichers nach Seeber. Aufbauend auf den Ergebnissen des Berechnungsverfahrens nach Seeber wird in dieser Arbeit eine numerische Simulation der Spannbetoninnenschale und der Stahlauskleidung durchgeführt.
Für die vorgespannte Betoninnenschale wird ein Verfahren zur Erstellung eines numerischen Modells entwickelt, das einen zuvor an den Ergebnissen von Seeber kalibrierten Eingabeparameter verwendet. In Kombination mit numerischen Modellen zur Simulation des Spaltinjektionsvorganges und zur Untersuchung des Einflusses des in-situ Spannungszustandes im Gebirge können die analytische Methode von Seeber und die numerische Simulation nun ergänzend bei der Bemessung einer vorgespannten Betoninnenschale eingesetzt werden.
Die sich nach den Formeln von Seeber ergebende minimale Stahldicke zur Aufnahme des Speicherdrucks wird durch eine numerische Simulation hinsichtlich der Einhaltung der maximalen Stahldehnung und des Ausnutzungsgrades der Stahlfestigkeit untersucht. Dabei werden verschiedene Einflüsse wie der in-situ Spannungszustand und ein mögliches Versagen des umgebenden Gebirges berücksichtigt.