Internet 68-71 Huettenrauch

5/11/2018 Internet 68-71 Huettenrauch - slidepdf.com

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In Deutschland war im Jahr 2008 eineWindenergieleistung von ca. 24 GW

installiert, welche einen Stromertrag von40 TWh erwirtschaftet hat. Dies entsprichteinem Anteil von 7,5 Prozent am Brut-tostromverbrauch. Damit nimmt Deutsch-land im weltweiten Vergleich einen Spitzen-platz ein.

Im IEKP [2] der Bundesregierung wird für2020 ein Anteil erneuerbarer Energien von

30 Prozent an der Stromerzeugung ge-fordert. Dieses Ziel soll vor allem durch den Ausbau von Offshore-Windparks erreichtwerden. Eine vermehrte Einspeisung vola-tiler Energien (Windenergie, Fotovoltaik)

bedingt den Ausbau von Speichermög-lichkeiten sowie ein angepasstes Last-management. Primär steht zwar weiterhindie direkte Einspeisung und Nutzung vonStrom aus erneuerbaren Quellen („grünerStrom“) im Vordergrund, dennoch gibt esbereits jetzt Konzepte, die verfügbare undteilweise auf Grund von begrenzten Kapa-zitäten des Stromnetzes nicht verwertbareEnergie zu speichern und bei Bedarf be-reitzustellen.

Eine Möglichkeit der Speicherung von elek-trischer Energie aus erneuerbaren Quellenist die Produktion von Wasserstoff mittelsElektrolyse. Der Wasserstoff kann entweder

gespeichert und zu windschwachen Zeitenin BHKWs verstromt oder als Zusatzgas indas Erdgasnetz eingespeist werden(Abb. 1). Alternativ kann Wasserstoff ge-meinsam mit CO2 zu Methan reformiert wer-den. Über das Erdgasnetz in Deutschlandwurden im Jahr 2008 ca. 93 Mrd. m3 Erdgastransportiert, was einer Energiemenge vonüber 930 TWh entspricht. Dem gegenübersteht das Stromnetz mit 617 TWh übertra-gener Energie [3]. Bezogen auf den Betrach-

tungszeitraum von einem Jahr könnte der2008 aus Windkraft erzeugte Stromertragals Wasserstoff im Erdgasleitungsnetz ein-gespeist werden. Der resultierende Wasser-stoffanteil im Erdgas würde sich, bezogen

| FORSCHUNG & ENTWICKLUNG

Zumischung von Wasserstoff zum Erdgas

Der deutliche Ausbau von Windenergie erfordert neben einem zielgerichteten Ausbau der Strom-

netze neue Möglichkeiten zur Speicherung von volatil verfügbarer Elektroenergie. Eine Möglichkeit

dafür ist die Einspeisung von elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff in das Erdgasnetz. Im Auftrag

des BBpro Fördervereins Biokraftstoffe Brandenburg-Berlin hat die DBI Gas- und Umwelttechnik

GmbH für das Kompetenznetzwerk Mineralölwirtschaft/Biokraftstoffe Brandenburg den Einfluss

von Wasserstoff auf das bestehende Erdgasnetz untersucht und stellt mit diesem Artikel einen

Auszug der Ergebnisse vor [1].

Q u e l l e : T h y s s e n g a s


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auf das Jahresmittel, bei ca. 8 Vol.-Prozenteinstellen. Dieser hypothetischen Betrach-tung müssen tages- und stundengenaueUntersuchungen folgen, dennoch wird dieaußerordentliche Kapazität des Erdgas-leitungsnetzes deutlich. Darüber hinauswürde durch eine Wasserstoffzumischung

die Importabhängigkeit verringert werdenund der nutzbare Anteil der volatil verfüg-baren regenerativen Energie zunehmen.Eine Erhöhung der Wasserstoffzumischunghat außerdem eine Reduzierung der CO2-Emissionen zur Folge, da bei der Verbren-nung von H2 im Gegensatz zu CH4 kein CO2

freigesetzt wird. Ein weiterer Vorteil dieser Art der Nutzung ist, dass Wasserstoff zusammen mit Erdgas dort genutzt wird,wo auch die anfallende Wärme sinnvoll ver-wendet werden kann.

In der ersten Phase dieses Projektes wur-den die generellen Aspekte des Nutzenseiner H2-Injektion in das bestehende Erd-gasnetz sowie die grundlegenden Möglich-keiten und Grenzen des Einspeise- undEntnahmemanagements dargestellt. Diezweite Phase fokussierte auf den Einflussvon Wasserstoff auf das bestehende Gas-netz mit seinen Rohrleitungen und Anlagensowie den Gasverbrauchseinrichtungen.Weiterhin wurden die Effekte auf das Risikofür die Öffentlichkeit durch eine Wasser-stoffinjektion gegenüber dem herkömm-lichen Erdgasbetrieb dargestellt und dienotwendigen Schritte zur Netzanbindungeiner Injektionsleitung behandelt.

Als maximale Wasserstoffkonzentrationenim Erdgas wurden 5 Vol.-Prozent und20 Vol.-Prozent angenommen. Einerseitswird so ein mittelfristig realisierbarer Wertbetrachtet, welcher auch konform zumDVGW-Regelwerk ist, und andererseits ein Ausblick auf mögliche langfristige Entwick-lungen gegeben.

Einfluss auf das Gasnetz

Wasserstoff unterscheidet sich gegenüberErdgas in den verbrennungsrelevantenKennwerten und in möglichen Effekten auf eingesetzte Materialien. Beeinflussungendes mechanischen Verhaltens oder derZeitstandfestigkeit der in der Gaswirtschafteingesetzten Kunststoffe für den Rohr-leitungsbau konnten bisher nicht fest-gestellt werden. Bei Rohrleitungen aus PEund PVC kommt es gegenüber Erdgas je-doch zu einer erhöhten Permeationsrate

auf Grund des erheblich geringeren Mole-küldurchmessers von Wasserstoff im Ver-gleich zu Methan. Aus der Veränderungder Permeationsraten resultieren jedochkeine relevanten sicherheitstechnischen,

ökologischen oder wirtschaftlichen Konse-quenzen, da die Absolutwerte, insbeson-dere im Vergleich zu Leckagen, auf einemsehr geringen Niveau verbleiben.

Bei Stahlwerkstoffen geht die Permea-tionsrate annähernd gegen Null. Dies ist imMechanismus der Permeation bei metalli-schen Werkstoffen begründet: Bevor eszur Absorption von Wasserstoff in das Ma-terial kommen kann, muss der molekulareWasserstoff (H2) in den atomaren Zustand(H) dissoziieren. Dies tritt nur unter be-stimmten Bedingungen auf (z. B. bei nichtkorrodierten Metalloberflächen in Folgevon Rissbildung), sodass im Normalfallkein Wasserstoff in die Rohrwand gelangt.Wenn es jedoch zu Eintritt und Einlagerungvon Wasserstoff kommt, kann, anders alsbei Rohrleitungen aus PE, eine Versprö-dung des Materials, die so genannte was-serstoffinduzierte Korrosion, auftreten. Darüber hinaus kann das Wachstum be-stehender Risse beschleunigt werden, so-dass bei hohen Wasserstoffkonzentratio-nen (> 20 Vol.-Prozent) früher mit Schädenan Rohrleitungen gerechnet werden mussals bei ausschließlich erdgasführenden Lei-tungen. Diese unerwünschten Effekte tre-ten vorwiegend bei un- oder niedriglegier-ten Stählen auf. Die Stähle nach DIN EN10208-2, welche heutzutage in der Regelim Gasrohrleitungsbau eingesetzt werden,sind davon weniger betroffen, was auf Ba-sis mehrerer Studien belegt wurde.

Materialien, deren langfristige Eignung für

Wasserstoff nicht gesichert ist, solltenregelmäßig mit geeigneten Inspektions-technologien (z. B. intelligenten Molchen)auf erhöhtes Risswachstum oder Korro-sionsschäden geprüft werden. Diese Maß-

nahmen sind im Rahmen des Pipeline In-tegrity Managements zu koordinieren.

Einfluss auf die Gasmessung

Bei Gas-Druckregelanlagen kommen eine Vielzahl von Bauelementen und somit Materialien zum Einsatz, welche, insoweitsie mit Wasserstoff in Kontakt kommen,eine entsprechende Beständigkeit auf -weisen müssen. Für viele Kunststoffe istdiese Eignung gegeben, metallische Werk-stoffe sollten bestimmte Kriterien (z. B. hohe Zähigkeit) erfüllen.

Neben der materialtechnischen Eignungdes Gasrohrnetzes und der Anlagen müs-sen auch die Einrichtungen zur Gasmen-genmessung sowie zur Brennwertbestim-mung für den Einsatz mit Wasserstoff vor-bereitet sein. Auf Grundlage des jetzigenErfahrungsstandes können für die eichfä-hige Gasmengenmessung von Wasser-stoff und wasserstoffreichen Gasen Wir-belstromgaszähler empfohlen werden. Beihöheren Drücken ab ca. 13 bar könnenauch Drehkolben- oder Turbinenradgas-zähler zum Einsatz kommen, da Wasser-stoff und wasserstoffhaltige Gase dann diefür dieses Messprinzip erforderlichenEigenschaften (vergleichbar zu Erdgas undLuft) aufweisen.

Zur eichfähigen Brennwertbestimmungmittels Prozessgaschromatograph (PGC)ist für die Wasserstoffmessung der Einsatzvon z. B. Argon als Trägergas (statt Helium)erforderlich. Da Erdgas jedoch in der Regel

frei von Wasserstoff ist, gehören PGCs mit Argon als Trägergas nicht zur Standard-ausrüstung im Erdgasnetz, die Umrüstungder Trägergase stellt kein technischesProblem dar. Eine Wasserstoffinjektion in

Abb. 1: Anlagenkonzept zur Wasserstofferzeugung und Einspeisung Q u e l l e : D B I

Erdgas

Erdgas + H2

H2 H2

H2

H2

Elektrolyse Einspeisung

Speicher

BHKW


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das bestehende Erdgasnetz, auch in gerin-gen Konzentrationen, erfordert demnachdie Anpassung der vorhandenen Mess-technik (Mengenmessung, Brennwertbe-stimmung).

Einfluss auf die Gasanwendung

Die Zumischung von Wasserstoff führt, jenach Konzentration, zu einer signifikanten Änderung der Gaskennwerte. Der Brenn-wert von Wasserstoff beträgt etwa ein Drit-tel des Brennwertes von Erdgas, sodassbei einer Zumischung von 20 Vol.-ProzentWasserstoff der Energieinhalt des Gasge-misches um etwa 15 Prozent abnimmt.Der Wobbe-Index hingegen, als Maß fürdie Wärmebelastung des Brenners, nimmtbei gleicher Zumischung nur um etwa 5Prozent ab, da auf Grund der gegenüberErdgas deutlich geringeren Dichte vonWasserstoff eine Teilkompensation erreichtwird (Abb. 2). Die Grenze für die Zumi-schung resultiert in diesem Zusammen-hang aus dem DVGW-Regelwerk (G 260Gasbeschaffenheit und G 685 Gasab-rechnung). Im Folgenden wird für typischeSysteme bzw. Bereiche eine Einschätzungder Wasserstoffverträglichkeit gegeben.

Moderne Brennwertgeräte für den häus-lichen Gebrauch wurden im Rahmen desEU-Projekts NATURALHY [4] mit einemErdgas-Wasserstoff-Gemisch mit bis zu40 Vol.-Prozent H2 über den Zeitraum voneinem Jahr betrieben, ohne dass Störungen

auftraten. In dieser Untersuchung wurden Abgaswerte, Effizienz und die interne Wär-mebelastung der Geräte geprüft. Als einzigenachteilige Beeinflussung durch die Zumi-schung von Wasserstoff wurde eine gering-

fügige Leistungsreduktion der Geräte fest-gestellt, die auf den verringerten Heizwertdes Gasgemisches zurückzuführen ist. Die Toleranz gegenüber Erdgas-Wasserstoffge-mischen der untersuchten Haushaltgerätelässt sich auf Grund der Vielfalt verschiede-ner Gasendgeräte nicht pauschal auf alle Typen übertragen. Bei einer Zumischungvon Wasserstoff im unteren bis mittleren ein-stelligen Prozentbereich werden jedochauch bei den derzeit noch in Verwendungbefindlichen älteren Gasendgeräten keineKomplikationen erwartet.

Bei der Verwendung von Erdgas als Kraft-stoff ist die zulässige Wasserstoffkonzentra-tion zurzeit auf 2 Vol.-Prozent begrenzt [5].Die Literaturauswertung zeigt, dass die Zu-mischung von Wasserstoff zum Erdgas sichauf Grund der erweiterten Zündgrenzen undder erhöhten Flammengeschwindigkeit po-sitiv auf die Verbrennung in Ottomotorenauswirkt. In Untersuchungen an der TU Grazkonnte gezeigt werden, dass die Schad-stoffemissionen von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen gegenüber reinem Erdgas oderBenzin deutlich geringer ausfallen. Die Kraft-stoffspeicherung im Fahrzeug kann in Ana-logie zu Erdgasfahrzeugen in Drucktanks er-folgen. Als Material können Stahl- oder auchComposite-Werkstoffe eingesetzt werden,wenn diese über eine metallische Sperr-schicht (z. B. Aluminium) verfügen. Für einenextremen Schadensfall sind die Fahrzeug-tanks mit Magnetsicherheitsventilen ausge-

stattet, welche für ein gezieltes Abblasenoder kontrolliertes Abbrennen sorgen.

Bei industriellen Anwendungen ist der Ein-fluss von Wasserstoff sehr von der Kon-

zentration im Erdgas abhängig. Bei GUD-Kraftwerke werden bei geringen Konzen-trationen marginale Leistungseinbußen er-wartet. Höhere Konzentrationen machenauf Grundlage der verfügbaren Informatio-nen den Einsatz von angepassten Bren-nern in den Gasturbinen notwendig.

Bei der Stahlherstellung wird teilweise Erdgas oder Erdgasprodukte als Schutz-gas eingesetzt, um eine Oxidation des Materials durch Sauerstoff zu verhindernbzw. thermochemische Wärmebehandlun-gen vorzunehmen. Eine Wasserstoffzu-mischung kann die für die Prozessenotwendigen Konzentrationen bestimmterKomponenten verschieben. Die konkreten Auswirkungen lassen sich erst nachgenauer Analyse der Prozesse feststellen,Gleiches gilt für die Entwicklung von Maß-nahmen zur Kompensation.

In der chemischen Industrie werden ca.30 Prozent des bezogenen Erdgases stof-flich genutzt. Auch hier ist die veränderteGaszusammensetzung mit den Prozessenund Verbrauchern abzustimmen.

Die verfügbaren Informationen zu mög-lichen Einflüssen von Wasserstoffzumi-schungen auf Industrieprozesse werdenfür eine abschließende Bewertung als nichtausreichend eingeschätzt. WeitergehendeF&E-Aktivitäten sind zu dieser Thematik er-forderlich.

Einfluss auf die Sicherheit

Auch bei der Zumischung von Wasserstoff (oder anderer Gase) zum Erdgas mussdie Sicherheit für Mensch und Umwelt

| FORSCHUNG & ENTWICKLUNG

Abb. 2: Einordnungder Wasserstoffzu-mischung in dasGasbeschaffenheits-kennfeld

Q u e l l e : G

2 6 0

Wobbe-Index eines Erdgas-Wasserstoff-Gemisches in den Grenzen

des DVGW-Arbeitsblattes G 260

12,0

12,5

13,0

13,5

14,0

14,5

15,0

15,5

16,0

16,5

Wasserstoff-Anteil [Vol.-%]

( i . N . ) ]

5 Vol.-%

20 Vol.-%

WS,min WS,max

W o b b e - I n d e x W s [ k W h / m

³

Wobbe-Index Gasgemisch (Wasserstoff + Russisches Erdgas H)

100 %90 %80 %70 %60 %50 %40 %30 %20 %10 %0 %


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gewährleistet sein. Das Verhalten eines Erdgas-Wasserstoff-Gemisches in ge-schlossenen Räumen, z. B. bei Leckagenin der Hausinstallation, ist sehr ähnlich demvon reinem Erdgas. Sowohl das Durch-mischungsverhalten mit der Raumluft alsauch die Eintrittswahrscheinlichkeit einer

Explosion und deren Folgen sind im Be-reich von Wasserstoffkonzentrationen biszu ca. 20 Vol.-Prozent vergleichbar mitdem Verhalten von Erdgas.

Die Risikoveränderung für die Bevölke-rung durch ungewollten Gasaustritt auseiner Rohrleitung ist abhängig von derWasserstoffkonzentration in der und dem Abstand der Person zur Rohrleitung. Auf Grund des erweiterten Zündbereichs undder niedrigeren Zündenergie erhöht sichdas Risiko mit steigender Wasserstoff-

konzentration in unmittelbarer Nähe einerRohrleitung. Im Gegensatz dazu sinkt dasRisiko an weiter von einer Rohrleitung ent-fernten Punkten durch den geringerenEnergiegehalt des Gasgemisches, da die-ser im Falle einer Entzündung zu kürzerenFlammen führt. Diese beiden gegenläufi-gen Effekte resultieren in einem geringen Anstieg des Risikos in der Nähe einerRohrleitung und gleichzeitig in einer Re-duzierung der thermischen Reichweite ei-nes Pipelinebrandes.

Generell ist anzumerken, dass die Häufig-keit von Undichtheiten an Rohrleitungen inden letzten Dekaden kontinuierlich gesenktwerden konnte und die Wahrscheinlichkeitder Entzündung von Leckagen außeror-dentlich gering ist. Das belegt nicht zuletztdie lange erfolgreiche Geschichte derStadtgasversorgung in Deutschland bis1990 mit einem Wasserstoffanteil von biszu 50 Vol.-Prozent. Bei der Anwendungdes DVGW-Regelwerks und der Auswahlgeeigneter Werkstoffe ist bei niedrigenWasserstoffkonzentrationen kein signifi-kant höheres Risiko gegenüber Erdgas zuerwarten.

Netzanbindung

Für die Netzanbindung eines Elektro-lyseurs/Wasserstoffspeichers sind, ähnlichwie bei Biogasanlagen, eine Injektionslei-tung und eine geeignete Einspeiseanlagenotwendig. Ein Fokus bei der Planung ei-ner Injektionsleitung ist die Wahl des ge-eigneten Werkstoffs. Nach der Einspei-sung ins Erdgasnetz liegen lediglich gerin-

ge Konzentrationen von Wasserstoff imErdgas vor. In der Injektionsleitung sowieder Einspeiseanlage hingegen wird reinerWasserstoff transportiert. Geeignete Ma-terialien sind, wie auch für das Gasnetz

und GDRM-Anlagen, z. B. PE sowie zäheund legierte Stähle nach DIN EN 10208-2.Die notwendigen Planungsschritte für dieNetzanbindung einer Wasserstoffinjek-tionsleitung sind mit denen von Erdgaslei-tungen vergleichbar.

Der Aufbau einer Einspeise-Anlage fürWasserstoff kann sich an Anlagen zur Bio-gas-/Biomethan-Einspeisung orientieren.Es müssen für Wasserstoff geeignete Ma-terialien und Messgeräte (z. B. für die Men-genmessung) eingesetzt werden. Die Zu-mischung kann, je nach verfügbaremWasserstoffvolumina und Anforderungenan Brennwert und sonstige Gaskennwerte,konditioniert (mit LPG) oder unkonditionierterfolgen. Die Regelung der Zumischungsollte so erfolgen, dass eine konstanteWasserstoffkonzentration im Erdgas ge-

währleistet wird. Hierzu ist ein Zwischen-speicher erforderlich.

Für ein ausgewogenes Injektionsmanage-ment sind die Dimensionierung des Wasser-stoffspeichers und des Elektrolyseurs unterBerücksichtigung des Windstromange-botes, des Gasbedarfes und der Kapazitätdes Elektroenergienetzes von essentiellerBedeutung. Mit einem abgestimmten Anla-genkonzept kann eine an den Lastgang desGasbedarfs angepasste Einspeisung vonWasserstoff gewährleistet werden.

Fazit

Auf Grund seiner Kapazität ist das Erd-gasnetz sehr gut für die Aufnahme vonWasserstoff aus regenerativer elektrischerEnergie geeignet. Damit kann es als Spei-cher für Überschussenergie dienen. Auf diese Weise können zeitliche Differenzen inder Stromerzeugung aus Windkraft- oderPhotovoltaikanlagen und dem Strom-bedarf ausgeglichen werden, was eine Optimierung des Lastmanagements derStromnetze erlaubt.

Der Betrieb des bestehenden Erdgasnetzesmit einem Wasserstoff-Erdgas-Gemisch,vor allem in den hier betrachteten niedrigenKonzentrationen (5 Vol.-Prozent, und Zu-kunftsszenario 20 Vol.-Prozent), ist nachden bisherigen Erkenntnissen aus techni-scher und sicherheitstechnischer Sichtgrundsätzlich möglich, wobei in Abhängig-keit vom tatsächlichen Wasserstoffanteiltechnische Modifikationen, insbesonderehinsichtlich abrechnungsrelevanter Mes-

sungen, notwendig werden können.

Es besteht allerdings Klärungsbedarf hin-sichtlich des Einsatzes von Erdgas in In-dustrieprozessen, z. B. als Brennstoff in

Gasturbinen, Prozessgas oder Hilfsstoff sowie als Kraftstoff. In diesen Fällen kannWasserstoff negative Auswirkungen haben,welche besondere Gegenmaßnahmen er-fordern. Weiterhin sind erhöhte Aufwen-dungen, für den Einbau geeigneter Mess-technik und bei höheren Konzentrationen

(>> 20 Vol.-Prozent) für Instandhaltung vonNetz und Anlagen, zu erwarten.

Darüber hinaus wird empfohlen, innerhalbeines Pilotprojektes die Zumischung vonWasserstoff zum Erdgas zu testen, umüber die bisher verfügbaren Erkenntnissehinaus Erfahrungen mit der Einspeisungvon Wasserstoff zu sammeln.

Am 10./11. November 2010 organisiertdie DBI-Gastechnologisches Institut gGmbHFreiberg in Berlin das Fachforum „Ener-

giespeicherung im Erdgasnetz und Wasser-stoff“. Dort werden die Möglichkeiten, derNutzen und die Grenzen der Wasser-stoffnutzung als Energiespeicher für regen-erativ erzeugten Strom vorgestellt und dis-kutiert.

Die Studie wurde mit Unterstützung desKompetenznetzwerks Mineralölwirtschaft-Biokraftstoffe Brandenburg-Berlin erstellt.

Literatur:

[1] Untersuchung der Zumischung von Wasserstoff

zum Erdgas H im Rahmen der G 260, DBI Gas-und Umwelttechnik, 2010

[2] IEKP – Integriertes Energie- und Klimaprogramm,Bundesregierung, 2007

[3] BDEW – Gas und Strom 2008: Konjunkturrück-gang dämpft Energieverbrauch, 06.03.2009

[4] www.naturalhy.net

[5] DIN 51624. Kraftstoffe für Kraftfahrzeuge –Erdgas –Anforderungen und Prüfverfahren. 2008.

Autoren:

M. Eng. Jens Hüttenrauch

DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH

Theklaer Str. 42

04347 Leipzig

Tel.: 0341 24571-28

Fax: 0341 24571-37

E-Mail: [email protected]

Internet: www.dbi-gut.de

Dipl.-Ing. (FH) Gert Müller-Syring

DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH

Theklaer Str. 42

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