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Mit Wasserstoff in die Zukunft: Neues Gas in alten Netzen

03.06.2020 - Energie

Quelle: iStock (bearbeitet durch PSI)
Quelle: iStock (bearbeitet durch PSI)

Die Vorgaben zur CO2-Reduktion und steigende Strompreise erfordern neue Ansätze für die zukünftige Nutzung von Gasnetzen und Pipelines. Ein Ansatz ist, bereits vorhandene Infra­strukturen auch für den Transport von Wasserstoff einzusetzen. Als sekundärer und nahezu emissionsfreier Energie­träger gilt Wasserstoff schon seit Jahrzehnten als Basis einer nach­haltigen Energiezukunft. Bei PSI unterstützen wir Betreiber schon heute mit der nötigen Software für die Umwidmung von Gasnetz- in Wasserstoff­leitungen.

Wasserstoff kann auf verschiedene Weise produziert, gespeichert und über lange Strecken sicher transportiert werden. Weltweit ist die Pipeline- und Gasnetzinfrastruktur auf mehrere Millionen Kilometer gewachsen und mittlerweile unverzichtbar für die Energieversorgung von heute und morgen.

Wasserstoff lässt sich langfristig gesehen nahezu verlustfrei lagern. Strom, der im Herbst beispielsweise durch Windkraft im Norden generiert wird, kann Verbrauchern mittels Wasserstoffspeicherung Monate später im Süden zur Verfügung gestellt werden. Wo heute begrenzte Netzkapazitäten den Ausbau der erneuerbaren Energien hemmen, kann Wasserstoff in Zukunft eine potenzielle Lösung bieten.

Sichere Umstellung von Gasnetz- in Wasserstoffleitungen

In Hinblick auf eine Zukunft mit nachhaltiger Energie steht die effiziente Nutzung von Wasserstoff schon seit Jahren im Fokus der PSI. Bereits 1997 haben wir mit unserer Softwarelösung für die Lecküberwachung die Wasserstofftransportleitung von Buna (Schkopau) nach Böhlen erfolgreich in Betrieb gesetzt. Neben den rohrtechnischen Voraussetzungen für den Anschluss von Wasserstoffleitungen werden dabei unterschiedliche Regelungsgrundlagen berücksichtigt und in der entsprechenden Software implementiert.

Vom ersten Pipeline-Projekt an arbeiten wir eng mit Sachverständigen und Überwachungsbehörden zusammen. Mit einem jahrzehntelangen Expertenwissen unterstützen wir Kunden von der Beschaffung der erforderlichen Betriebserlaubnis bis hin zur dauerhaften Erhaltung des Betriebs. Das gilt auch für alle anderen Pipelines, mit denen die verschiedensten Flüssigkeiten und Gase sicher und zuverlässig zu ihren Bestimmungsorten transportiert werden.

Unsere Software unterstützt die Betreiber von Gasnetzen und Pipelines dabei, Wasserstoff und andere Gase wie Biomethan in die bestehende Infrastruktur aufzunehmen und zu verfolgen.

Gas ist nicht gleich Gas: Was ist bei der Umwidmung zu berücksichtigen?

Bei der Umwidmung von Gasnetz- in Wasserstoffleitungen muss berücksichtigt werden, dass Wasserstoff und Erdgas sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben. Wasserstoff verhält sich wie ein ideales Gas und hat im Gegensatz zu Erdgas eine wesentlich geringere Dichte und eine deutlich geringere Verbrennungsenergie. Das bedeutet, dass für den gleichen Energietransport eine erheblich größere Menge an Wasserstoff transportiert werden muss.

Je höher der Wasserstoffanteil, desto mehr verhält sich Gas im Netz wie ein ideales Gas. Mit unserer Software bilden wir dieses Verhalten realitätsgetreu ab.

Die untere Darstellung zeigt den Verlauf des Realgasfaktors bei der Zuspeisung von Wasserstoff zu einem typischen Gas.

Darstellung des Verlaufs des Regelfaktors bei Zuspeisung von Wasserstoff zu einen typischen Gas.
Darstellung des Verlaufs des Regelfaktors bei Zuspeisung von Wasserstoff zu einen typischen Gas.

Simulationssoftware ermöglicht präzise Ermittlung des CO2-Footprints

Mit jeder Einspeisung von Wasserstoff in das Gasnetz kann der CO2-Anteil während des Transports genau verfolgt und an allen Ausspeisestationen für die Vergangenheit, die Gegenwart und die nähere Zukunft berechnet werden. Das gilt auch für die Realisierung der Sektorkopplung mit Stromnetzen, wenn aus Strom grünes Gas erzeugt und in die Gasnetze eingespeist wird. Dabei wird der CO2-Footprint für jede Gaslieferung mess- und prognostizierbar gemacht.

Mit unserer Online-Simulationssoftware wird die Gasbeschaffenheit ab den jeweiligen Einspeisepunkten und an allen weiteren Punkten im Gasnetz einschließlich aller Ausspeisestationen präzise ermittelt. Darüber hinaus wird mit der vorausschauenden Simulation die Fortschreibung bestimmt.

Abb. 1: Wasserstoffverteilung in einem Netz. Die Farben symbolisieren unterschiedliche Wasserstoffanteile, abgestuft in 10 Prozent Intervallen: Blau steht für geringen und rot für hohen Anteil. Quelle: PSI Gas & Öl
Abb. 1: Wasserstoffverteilung in einem Netz. Die Farben symbolisieren unterschiedliche Wasserstoffanteile, abgestuft in 10 Prozent Intervallen: Blau steht für geringen und rot für hohen Anteil. Quelle: PSI Gas & Öl

Genaue Kennfelddarstellungen sind essenziell

Ein Kennfeld wird auch als Kennlinienfeld bezeichnet und ist die grafische Darstellung mehrerer Kennlinien von veränderlichen Parametern beeinflusster Maschinen in einem Diagramm. Für die Einstellung der optimalen Fahrweise sind diese realitätsnahen Kennfelddarstellungen von großer Bedeutung. In Abhängigkeit von verschiedenen Kenngrößen (Druckverhältnis, Drehzahl, Wirkungsgrad) werden in sogenannten Kennfeldern der Arbeitspunkt und die Arbeitspunkthistorie dargestellt.

In unserer Software PSIganopt haben wir die Genauigkeit der Kennfelddarstellung verbessert und zusätzlich ein Verfahren entwickelt, mit dem die zunehmende Kennfeldungenauigkeit aufgrund der Anlagenalterung korrigiert werden kann. Die Erfassung genauer Verdichter-Messwerte und das Anfahren von Betriebspunkten im gesamten zulässigen Kennfeldbereich sind zwar mit einem gewissen Aufwand verbunden, jedoch lohnt es sich im Vergleich zu stetig steigenden Energie- und CO2-Emmissionspreisen.

Abb. 2: Verdichterkennfeld mit Drehzahlkurven (schwarz), Wirkungsgradkurven (grün), maximale Antriebsleistung (rot), Betriebspunktverlauf (violett) und aktueller Betriebspunkt (brauner Punkt). Es zeigt die Begrenzung des Arbeitsbereichs des Verdichters in der sich der Betriebspunkt bewegen kann.
Abb. 2: Verdichterkennfeld mit Drehzahlkurven (schwarz), Wirkungsgradkurven (grün), maximale Antriebsleistung (rot), Betriebspunktverlauf (violett) und aktueller Betriebspunkt (brauner Punkt). Es zeigt die Begrenzung des Arbeitsbereichs des Verdichters in der sich der Betriebspunkt bewegen kann.

Die Grundlagen für die verbesserte Kennfelddarstellung werden aktuell auch im Rahmen des Forschungsprojekts MathEnergy intensiv erforscht. Hierbei ist PSI Teil eines Konsortiums von Universitäten und Industriepartnern, die gemeinsam mathematische Schlüsseltechniken für Energienetze erforschen. Ziel ist es, die Ergebnisse für die Simulation und Optimierung multimodaler Energienetze schneller und genauer bereitzustellen.

Energieoptimale Fahrweise für Verdichter

Verdichter sind bei weitem die größten Energieverbraucher beim Gastransport. Ein deutlicher Gewinn bei der Energieeffizienz wird erreicht, wenn man den richtigen Betriebspunkt für jeden Verdichter zu jedem Zeitpunkt kennt und für Fahrweisen- und Sollwertoptimierungen nutzt. Die Bereitstellung dieser Daten ist u. a. einer der Vorzüge unserer Software.

Mit unserer neuen Kennfelddarstellung erzielen Anwender höhere Genauigkeiten bei Planungsrechnungen mit Verdichtereinsatz, sodass optimale Fahrweisen und optimale Sollwerte für Verdichter und Regler im stationären Betrieb ermittelt werden können.

Was ist ein Verdichter?

Ein Verdichter - auch Kompressor genannt - wird zum Komprimieren bzw. Verdichten von Gasen verwendet. Während des Gastransports von der Quelle bis hin zum Verbraucher verliert das Gas kontinuierlich an Druck. Damit der erforderliche Gasdruck jedoch aufrechterhalten wird, sorgen sogenannte Verdichterstationen dafür, dass ein vorhandenes Ansaugvolumen mit dem Betriebsdruck zu einem kleineren Volumen zusammengepresst wird. Durch das Komprimieren des Gases verringert sich dessen Volumen und es kann mehr Energie durch die Leitungen transportiert werden.

Die heute im Einsatz befindlichen Verdichter sind für den Transport von Erdgas ausgelegt. Die Verdichter – sogenannte Turboverdichter - sind jedoch nicht in der Lage, Wasserstoff mit einem ähnlich hohen Druckverhältnis zu verdichten. Deshalb müssen die Verdichterkennfelder, die für Erdgase bestimmt wurden, für die Simulation von Wasserstofftransport angepasst werden.

Hierfür gibt es zwar einen Ansatz, aber dennoch kommen die Ähnlichkeitsgesetze bei der Umwandlung von Kennfeldern für Erdgase in Kennfeldern für Wasserstoff an ihre Grenzen. Die Schallgeschwindigkeit von Wasserstoff ist beispielsweise rund drei mal so groß wie von Erdgasen und die Normdichte fast zehn mal so klein. Für erste Analysen reicht die Anpassung aus, wobei für hohe Wasserstoffanteile die Kennfelder gemessen werden sollten.

Software unterstützt effizienten Transport von Wasserstoff

Da Erfahrungen mit dem Transport von Wasserstoff in großen Transportnetzen bislang noch gering sind, ist die Ermittlung von optimalen Fahrweisen eine wesentliche planerische Aufgabe. Hierzu ist die Unterstützung durch softwarebasierte Simulations– und Optimierungswerkzeuge notwendig. Durch die Optimierung der Verdichterfahrweisen und der Verdichtersollwerte lassen sich durchführbare Transportaufgaben ermitteln und bewerten, z.B. durch unterschiedliche Optimierungsziele wie die Erhöhung der Energieeffizienz, CO2-Reduktion und eine reduzierte Anzahl von Verdichtern.

Mit dem Ziel die Wasserstoffleitungen industrietauglich und wirtschaftlich zu machen, unterstützt PSI in diesem Zusammenhang die HYPOS-Initiative.

HYPOS-Initiative

HYPOS steht für Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany und ist eines der zehn Innovationsprojekte der Förderinitiative „Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.
Das Ziel des Vorhabens umfasst die Herstellung, Speicherung, Verteilung und breite Anwendung von Grünem Wasserstoff in den Bereichen Chemieindustrie, Raffinerie, Mobilität und Energieversorgung.

Die Bedeutung von Wasserstoff als zukünftiger Energieträger wird in den kommenden Jahren an Bedeutung gewinnen. Darauf bereiten sich die Betreiber von Pipelines und Gasnetzen vor. So laufen beispielsweise Untersuchungen, wie sich unterschiedliche Einspeisungen von Wasserstoff, wie z.B. Mengen, Zeitpunkte und Orte im Gasnetz auswirken.

Wir haben die Entwicklungen frühzeitig erkannt und unsere Software darauf vorbereitet. Inzwischen ist sie seit über 20 Jahren für die Lecküberwachung von Wasserstoff­transportleitungen erfolgreich im Einsatz. Wasserstoff als zukünftiger Energie­träger wird auch im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnen.

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Walter Verhoeven

Bereichsleiter Gassimulation und Pipelines PSI Gas & Öl
Telefon +49 201 7476-180
wverhoeven@psi.de