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Fachartikel
13. September 2020

Sektorenkopplung

Wasserstoff im Erdgasnetz

Die europäische Gasindustrie will die Dekarbonisierung der Branche vorantreiben. Die Einspeisung erneuerbarer Gase, insbesondere von Wasserstoff, soll einen signifikanten Beitrag zur Reduzierung des CO2-Fussabdrucks der Erdgasnutzung leisten. Steigende Wasserstoffanteile erfordern jedoch netz- und geräteseitige Anpassungen. Aktuell wird mehr und mehr Wissen zur Wasserstofftoleranz von Netzkomponenten, Anlagen und Geräten zusammengetragen; einige Fragen sind aber noch offen.
Margarete  Bucheli, Diego Modolell, 

Die Sektorkopplung wird als ein Schlüsselelement für die Integration erneuerbarer Energien in ein künftiges Energiesystem angesehen. Darunter wird die Vernetzung verschiedener, bisher grossenteils getrennt voneinander agierender Sektoren der Energiewirtschaft (vor allem Elektrizität, Gas, Wärme-/Kälteversorgung und Mobilität) verstanden. Power-to-Gas, d. h. der Erzeugung von Energiegasen aus Strom, wird als Kopplungselement eine entscheidende Rolle zugeschrieben. Mithilfe der Power-to-Gas-Technologie kann überschüssiger Strom aus Windkraft oder Photovoltaik gespeichert werden, indem er z. B. in Wasserstoff umgewandelt und dieser in das Erdgasnetz eingespeist wird.
Auf nationaler und europäischer Ebene bietet die Power-to-Gas-Technologie zusammen mit der Einspeisung von Wasserstoff somit eine Möglichkeit, eine der grössten Herausforderungen der Energiewende anzugehen, nämlich die Speicherung und Übertragung grosser Mengen überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energien. Ausserdem lassen sich die Klimaschutzziele volkswirtschaftlich günstiger mithilfe der bestehenden Gasinfrastruktur sowie der Power-to-Gas-Technologie erreichen als mit der vollständigen Elektrifizierung aller Bereiche [1]. Daneben gewinnt Wasserstoff als «sauberer» Treibstoff im Mobilitätssektor zunehmend an Bedeutung (siehe z. B. [2]). Daher setzt sich die europäische Gasindustrie nachdrücklich für die Integration erneuerbarer Gase – vor allem Wasserstoff – in ihre Netze ein.

Wasserstoff-Aktivitäten bei Marcogaz

MARCOGAZ ist der technische Verband der europäischen Erdgasindustrie, in dem 25 nationale Verbände bzw. Unternehmen der Gasversorgung aus 20 Ländern vertreten sind, darunter auch der SVGW. Die Hauptaufgabe von MARCOGAZ besteht darin, seinen Mitgliedern als Forum für alle technischen Fragen im Zusammenhang mit Erdgas zu dienen. Zudem hat sich die Organisation zum Ziel gesetzt, die europäische technische Regulierung, Normung und Zertifizierung im Hinblick auf die Sicherheit und Integrität von Gassystemen und -anlagen sowie die rationelle Energienutzung zu verfolgen und bei Bedarf Einfluss darauf zu nehmen. Auch Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsfragen im Zusammenhang mit Erdgassystemen und -anwendungen sind für MARCOGAZ von grosser Bedeutung. Es sind drei Tätigkeitsbereiche, nämlich «Gasanwendungen», «Infrastruktur» und «Nachhaltigkeit», definiert, die jeweils von einem Ständigen Ausschuss geleitet werden. Der Bereich «Infrastruktur» beschäftigt sich mit Erdgastransport-, Erdgasverteil-, Erdgasspeicher- und LNG-Systemen und zugehörigen Anlagen, aber auch mit der Integration neuer erneuerbarer Gase wie Wasserstoff in intelligente Gasnetze. So wird aktuell eine Taskforce zum Thema Wasserstoff zusammengestellt und ein Konzept zur Arbeit dieser Gruppe verfasst. Zudem veröffentlichte MARCOGAZ bereits einige Dokumente zum Thema Wasserstoff. Der folgende Artikel ist im Wesentlichen eine Übersetzung der MARCOGAZ-Information vom Oktober 2019 «Overview of test results and regulatory limits for hydrogen admission into existing natural gas infrastructure and end use» (Übersicht über verfügbare Untersuchungsergebnisse und regulatorische Grenzwerte für die Beimischung von Wasserstoff in die bestehende Erdgasinfrastruktur und die Endanwendungen) [3]. Dieses Dokument und vor allem sein Herzstück, eine Infografik, sind das Resultat der Auswertung von mehr als 60 Referenzen zur Wasserstofftoleranz der bestehenden Gasinfrastruktur und Endanwendungen (Box), die von MARCOGAZ-Mitgliedern mit Erfahrung im Betrieb von Gasinfrastrukturen oder Beteiligung an einschlägiger Forschung vorgenommen wurde. Der Fokus wurde dabei auf Materialaspekte und Funktionalität gelegt, nicht angeschaut wurden hingegen die Auswirkungen auf Leistung und Effizienz von Gasanwendungen.

Eigenschaften von Wasserstoff-Erdgas-Mischungen

Die Eigenschaften von Wasserstoff unterscheiden sich von denen des Erdgases. Zudem haben Gemische aus Wasserstoff und Erdgas andere Eigenschaften als die beiden Einzelgase. Dies wirft die Frage nach der Eignung der bestehenden Erdgasinfrastruktur und der Endgeräte für die Nutzung solcher Mischungen auf.
Die Zugabe von Wasserstoff zu Erdgas hat einen direkten Einfluss auf verschiedene Gaseigenschaften, die im Zusammenhang mit der Gasnutzung von Interesse sind, wie z. B. Dichte, Brenn- und Heizwert, Wobbe-Index, Verbrennungsluftbedarf, Methanzahl usw. Die Auswirkungen sind je nach Parameter der Gasbeschaffenheit unterschiedlich. So nehmen beispielsweise Dichte und Brennwert mit steigenden Wasserstoffanteilen deutlich ab, wie in Figur 1 zu sehen ist, während die Auswirkungen auf den Wobbe-Index vergleichsweise geringer ausfallen [4].
Überdies können sich höhere Wasserstoffanteile in Gasmischungen als bisher zulässig auf Materialverhalten und -beständigkeit – beispielsweise durch wasserstoff-beeinflusste Korrosion im Falle von metallenen Rohrleitungen – und damit auf die Integrität von Netzen und Gasgeräten auswirken. Weiter sind bei der Beimischung von Wasserstoff ins Erdgasnetz betriebstechnische Aspekte, System- sowie Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen [5].

Wasserstoff-Erdgasmischungen in bestehenden Erdgas-Infrastrukturen

Die von MARCOGAZ publizierte Infografik [3] deckt verschiedene Komponenten bestehender Erdgassysteme ab und wird in diesem Beitrag zur besseren Lesbarkeit aufgeteilt auf drei Figuren präsentiert: In Figur 2 sind Informationen zum Bereich Gastransport (≥ 16 bar) und -speicherung, in Figur 3 zu den Themen Verteilnetz (< 16 bar), Gasdruckregelung und Energiemessung und schliesslich in Figur 4 zu Gasanwendungen zu finden.

Die Infografik (Fig. 2-3) zielt darauf ab, einen Überblick zu geben über die technische Bereitschaft der Gasinfrastruktur und der Endnutzergeräte zur Handhabung von Wasserstoff-Erdgas-Gemischen auf jeder Stufe der Gaskette. Der Fokus der Infografik liegt auf Material- und Funktionsaspekten. Sie berücksichtigt hingegen nicht die Auswirkungen einer Erhöhung des Wasserstoffanteils auf Leistung, Effizienz und Output. Zudem dient sie zur Identifikation von Wissenslücken und Themenbereichen, in denen Forschung und Entwicklung erforderlich sind, um Hürden zu beseitigen, welche die Wasserstoffbeimischung in der Versorgungskette begrenzen. Auf diese Weise können Türen geöffnet werden für neue Anwendungen von Wasserstoff und Wasserstoff-Erdgas-Mischungen.
Zur Erstellung der Infografik wurde das aktuell verfügbare Wissen über die Nutzung von Wasserstoff und Wasserstoff-Erdgas-Mischungen gesammelt und bewertet. Dafür wurden das breite Fachwissen und die Erfahrungen von Netzbetreibern, Speicherbetreibern und Endnutzungsexperten beigezogen. Auf diese Weise wird der derzeitige Wissensstand zu Transport, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff-Erdgas-Mischungen und Wasserstoff abgebildet und eingeschätzt. Dieses Wissen wird stetig durch neue Erkenntnisse ergänzt, die Bereiche von Unklarheiten (in den Figuren 2 bis 4 grau dargestellt) werden daher ständig kleiner. Somit hilft die Infografik bei der Abklärung von Möglichkeiten, mit der bestehenden Gasinfrastruktur den besten Nutzen zu erzielen und zum Erreichen der Klimaziele beizutragen.

Die wichtigsten Schlussfolgerungen aus der Infografik

Für Erdgasinfrastrukturen und für Haushaltsgeräte lassen sich aus der Infografik folgende Schlüsse ziehen:
– Zentrale Elemente der Gastransport-, Speicher- und Verteilungsinfrastruktur sowie Gasgeräte für Privathaushalte sollten bis zu 10 Vol.-% H2 tolerieren können, ohne dass Anpassungen nötig sind.
– Es gibt bereits heute Netze und Haushaltsgeräte, die mit 20 Vol.-% Wasserstoff betrieben werden [6].
– Gemäss einigen Studien, deren Ergebnisse in die Infografik eingeflossen sind (siehe Box), ist zu erwarten, dass wichtige Elemente der Gasinfrastruktur sowie Haushaltsgeräte heute bereits resp. nach allfälligen Anpassungen bis zu 20 Vol.-% H2 tolerieren können.
– Um höhere Konzentrationen (> 20 Vol.-% H2) zu erreichen, braucht es weitere Erkenntnisse und durch F&E gestützte Massnahmen oder den Austausch von Elementen oder Endgeräten.

Für industrielle Prozesse lassen sich aus der Infografik folgende Aussagen ableiten:
– Es wird erwartet, dass viele industrielle Prozesse (mit Ausnahme derjenigen, in denen Methan als Ausgangsmaterial verwendet wird) 5 Vol.-% H2 ohne Anpassungen tolerieren können.
– Heutige Gasturbinen in Kraftwerken und Industrien, die Erdgas als Rohstoff verwenden, wie auch CNG-Stahltanks (Thema der Zulassung) werden als empfindlich selbst gegenüber geringen Wasserstoffmengen eingeschätzt. In diesen Fällen sind zusätzliche F&E-gestützte Massnahmen respektive Schutzmassnahmen erforderlich, wenn höhere Wasserstoffkonzentrationen angestrebt werden.
– Thermische Prozessanlagen (wie Öfen und Brenner) sollten nach etwaigen Anpassungen (wie in den der Infografik zugrunde liegenden Studien ausgeführt; siehe Box) bis zu 15 Vol.-% H2 vertragen können.
– Damit höhere Konzentrationen (> 15 Vol.-% H2) akzeptabel sind, braucht es weitere Erkenntnisse, F&E, gegebenenfalls weitere Massnahmen oder den Austausch von Anlagen.

Ausblick

Um den Wasserstoffanteil im Erdgasnetz erhöhen zu können, sind weitergehende F&E-Massnahmen nötig:
– Um Wasserstoffkonzentrationen im Bereich von 5 bis 10 Vol.-% H2 zu ermöglichen, werden F&E-Projekte empfohlen, in denen die Auswirkungen auf unterirdische Gasspeicher, Gasturbinen, Prozessausrüstungen in der chemischen Industrie, die Erdgas als Rohstoff einsetzt, und Stahltanks für CNG-Fahrzeuge untersucht werden.
– Um Wasserstoffkonzentrationen von mehr als 10 Vol.-% H2 erreichen zu können, ist zusätzlich zu den vorgängig genannten Themen ein besonderes Augenmerk auf Fragen des Gastransports (einschliesslich Pipelines und Kompressoren) zu legen. Unterirdische Gasspeicher (einschliesslich Komplettierungstechnik und der Eignung von porösen Gesteinsstrukturen) sollten ebenfalls untersucht werden. Darüber hinaus müssen Messgeräte und die industrielle Gasnutzung betrachtet
werden.
– F&E-Projekte werden für Wasserstoffkonzentrationen über 20 Vol.-% H2 empfohlen, um einerseits den Einfluss unterschiedlicher Wasserstoffkonzentrationen im Allgemeinen zu verstehen und andererseits die Auswirkungen auf Haushaltsgeräte abzuklären. Es ist zu erwarten, dass in einigen wenigen Fällen bereits bei über 10 Vol.-% H2 F&E-Arbeiten empfehlenswert sind.
– Ein weiterer Schwerpunkt sollte auf die Entwicklung von Lösungen zur Nachrüstung bestehender installierter Geräte gelegt werden, damit diese mit Wasserstoff-Erdgas-Gemischen umgehen können. Eine stetig wachsende Anzahl von Geräten ist bereits heute schon geeignet für höhere Wasserstoffkonzentrationen, teilweise sogar bis 100 Vol.-%.
– Mitigationstechnologien, z. B. der Einsatz von Membranen zur Abtrennung des Wasserstoffs oder die Methanisierung, sind vorhanden, die zur Verringerung der Wasserstoffkonzentration in Gasnetzen eingesetzt werden können. Sie werden als wichtig für den Schutz empfindlicher Geräte und Prozesse angesehen und können vor wasserstoffempfindlichen Installationen verbaut werden. Auch für solche Fälle werden weitere F&E-Aktivitäten empfohlen.
– Weitere F&E-Arbeiten bedeuten nicht unbedingt, dass die Komponenten/Geräte nicht für den Einsatz mit Wasserstoff-Erdgas-Gemischen geeignet sind oder dass derzeit keine Modifizierungsmassnahmen zur Verfügung stehen. Vielmehr spiegeln sie die Notwendigkeit für Innovationen wider, um neue Möglichkeiten zu entwickeln mit dem Ziel, den maximalen Nutzen aus der bestehenden Infrastruktur zu ziehen.

Die Komponenten und Geräte in der Gasinfrastruktur, den unterirdischen Gasspeichern und der Endnutzung sind vielfältig und haben unterschiedliche Lebens-/Nutzungszeiten. Dennoch müssen alle Geräte am Ende ihrer wirtschaftlichen Lebensdauer erneuert werden. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, der natürlich die Möglichkeit bietet, optimierte und zukunftssichere Anlagen zu installieren. Daher sollten Erneuerungszyklen genutzt werden, um die Wasserstoff-Toleranz der Gasinfrastruktur und der Endanwendungen zu erhöhen.
Für viele derzeit installierten Endanwendungen ist das Vorhandensein von Wasserstoff im Erdgas ein relativ neues Thema. Angesichts der grossen Vielfalt der Endanwendungen in allen Sektoren (Privathaushalte, Gewerbe, Industrie, Stromerzeugung und Mobilität) sind daher F&E-Aktivitäten erforderlich, um die Auswirkungen eines höheren Wasserstoffanteils zu untersuchen und technologische Lösungen für die «Wasserstoffreife» zu entwickeln. Ziel ist, die hohen Leistungsniveaus in Bezug auf Effizienz, Gebrauchstauglichkeit, Flexibilität und geringe Schadstoffemissionen, die diese Geräte und Anwendungen in den letzten Jahrzehnten erreicht haben, aufrechtzuerhalten. Empfindliche Endanwendungsgeräte könnten durch den Einsatz von digitalen Reproduktionssystemen, lokaler Gasqualitätsmessung und geeigneter Steuerungstechnik angepasst werden.

Bibliographie

[1] DVGW (2019): Innovative large-scale energy storage technologies and Power-to-Gas concepts after optimisation: Roadmap for large-scale storage based PtG conversion in the EU up to 2050. https://www.storeandgo.info/
[2] Cabalzar, U.; Dietrich, P. (2020): Wasserstoff im Schwerverkehr – ein Beitrag zur Dekarbonisierung. Aqua & Gas 5/2020: 20–25
[3] MARCOGAZ (2019): Overview of available test results and regulatory limits for hydrogen admission into existing natural gas infrastructure and end use. https://www.marcogaz.org/publications-1/documents/ (ID: TF_H2-427)
[4] MARCOGAZ (2017): Impact of hydrogen in natural gas on end-use applications. https://www.
marcogaz.org/publications-1/documents/
(ID: UTIL-GQ-17-29)
[5] Henel, M. (2020): Wasserstoff im Transport- und Verteilnetz. gwf Gas + Energie 5/2020
[6] Boivnet, X. (12.06.2019): A Dunkerque, GRHYD injecte 20% d’hydrogène dans le réseau de gaz naturel. Industries et Technologies: https://www.industrie-techno.com/article/grhyd-atteint-les-20-d-hydrogene-dans-le-reseau-de-gaz.56465

Dank

Die Autoren danken Gert Müller-Syring (DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH) für die Zurverfügungstellung der einzelnen Teile der Infografik in deutscher Übersetzung.

Grundlagen

Die Bewertung der Wasserstofftoleranz verschiedener Netzkomponenten, Anlagen und Geräten basiert auf öffentlichen und nicht öffentlichen Informationen, den Ergebnissen aus F&E-Projekten, Kodizes und Standards sowie der Expertise von Herstellern und
MARCOGAZ-Mitgliedern. Über 60 Referenzen (darunter 10 nicht öffentlich zugängliche Referenzen) wurden bei der Erstellung der Infografik berücksichtigt. Auf die Liste der Referenzen kann über den folgenden Link oder über folgenden QR-Code zugegriffen werden:

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