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Fachartikel
02. März 2021

Vorstudie

Erhöhter H₂-Gehalt im Verteilnetz

Wasserstoff (H₂) gilt als Schlüssel zum Gelingen der Energiewende. Derzeit ist der Anteil an Wasserstoff im Schweizer Verteilnetz auf 2% beschränkt. Um höhere Gehalte an Wasserstoff im Gasnetz zuzulassen, müssen erst die technischen Grundlagen bereitgestellt werden: Aufbereitung des vorhandenen Wissens über H₂, Untersuchungen zu einem 10%-Anteil von H₂ im Verteilnetz, Analyse eines Teilnetzes auf Wasserstoffverträglichkeit, Kostenabschätzung und Simulation einer H₂-Einspeisung. Im Rahmen des FOGA-Projekts 0405 wurden diese Themen unter Federführung des SVGW zu Arbeitspaketen mit Partnern aus Forschung und Industrie geschnürt und untersucht. Nun liegt eine Vorstudie vor.
Bettina  Bordenet , Matthias Hafner, 

Die Schweiz verfolgt das Ziel der CO2-Neutralität bis 2050. Der damit einhergehende Umbau stellt alle fossilen Energieträger vor grosse Herausforderungen. Um die Gasversorgung längerfristig klimaneutral zu gestalten, setzt die Gasbranche auf Wasserstoff (H2). Nicht nur ist er die sauberste aller Energieformen – bei seiner Verbrennung entsteht nur Wasserdampf –, er besticht auch dadurch, dass sich die bestehende Gasinfrastruktur mit dem höchst wandelbaren Energieträger weiter nutzen lässt.
Zurzeit ist der Anteil an Wasserstoff im Schweizer Verteilnetz auf 2% beschränkt (SVGW-Richtlinie G18 «Gasbeschaffenheit»). Um höhere H2-Gehalte zuzulassen, sind technische Grundlagen erforderlich.
Die hier präsentierte Vorstudie (FOGA-Projekt 0405) umfasst vier Arbeitspakete mit Projektteilnehmern aus Forschung und Industrie. Es galt, vorhandenes Wissen zu Wasserstoff im Erdgasnetz zusammenzutragen und aufzubereiten; untersucht wurde der Einfluss von 10% H2 auf das Verteilnetz, Prozessgaskunden und CNG-Tankstellen. Des Weiteren wurde ein Teilnetz auf seine Wasserstoffverträglichkeit analysiert. Zudem wurde eine Simulation einer H2-Einspeisung durchgeführt, um die Änderungen und Schwankungen der Gasqualität zu verfolgen, auch wurden die Kosten für einen Feldversuch abgeschätzt.

Know-How-Transfer: SVGW

Anfang 2020 hatte der SVGW die Projektgruppe «H2-Toleranz der Verteilnetze» lanciert, mittlerweile beteiligen sich über 30 Verteilnetzbetreiber aus allen Landesteilen am Projekt (s. M. Hafner et al.). Als technische Fachorganisation stellte der SVGW den Zugang zum Kompendium «Wasserstoff im Verteilnetz» der DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH zur Verfügung. Das Kompendium ist eine Analyse zur Verträglichkeit der Gasverteilnetze mit Wasserstoffanteilen im Gasgemisch in Schritten, also von X bis zu 100 Vol.-%. Der Schweizer Gasbranche dient das Kompendium mit seinem gutachterlichen Charakter als Wissensbasis. Das Kompendium lieferte auch die Grundlagen für die drei weiteren Arbeitspakete des FOGA-Projekts.

Neben dem Kompendium wurde der H2-Projektgruppe der Zugang zu Informationen, Berichten, Forschungsvorhaben und Regelwerken der Partnerverbände DVGW, ÖVGW und Marcogaz zur Verfügung gestellt, auch durfte sie Einblick nehmen in die aktuellen Tätigkeiten im Normungsbereich (SNV, EN und ISO). Des Weiteren vermittelte der SVGW Kontakte zu eigenen wie auch externen H2-Spezialisten.
Sämtliche Unterlagen, Kenntnisse und Kontakte flossen in die Literaturrecherche und die weiteren Arbeitspakete ein. Indem sich die Mitarbeitenden des SVGW mit den Projektpartnern stets rege austauschten, wurde der Know-how-Transfer aus der Praxis und dem Stand der Technik zu Betrieb und Unterhalt von Verteilnetzen gewährleistet.

Netzanalyse des Teilnetzes «Altberg/Industrie»: swr+

In Dietikon besteht ein grosses Interesse, die künftigen Entwicklungen des Gasnetzes abzuschätzen und das Verteilnetz aktiv zukunftstauglich zu machen. Das Teilnetz «Altberg/Industrie» wurde hierzu als möglicher Standort für einen Feldversuch zur Wasserstoffeinspeisung bewertet. Das Teilnetz wird durch eine einzige Zuleitung gespiesen und weist 30 Kunden mit einem jährlichen Verbrauch von rund 3'800'000 kWh aus. Im Wohnquartier wird in 10 Einfamilien- und 13 Mehrfamilienhäusern Gas vor allem zum Heizen genutzt, ein kleiner Teil nutzt es auch zum Kochen. Die Verbrauchsverteilung wird dominiert von wenigen grösseren Wärmeverbrauchern im Industriegebiet und ist stark saisonal geprägt.
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wurde zum ersten Mal in der Schweiz eine praktische Analyse eines Gasverteilnetzes auf seine Wasserstoffverträglichkeit durchgeführt. Alle Assets des entsprechenden Verteilnetzes wurden erfasst mit Daten zu Material, Dimension, Druck, Herstellung sowie Einbauort und -datum. Danach wurde die Wasserstoffverträglichkeit auf Basis des derzeitigen Stands des DBI-Kompendiums «Wasserstoff im Verteilnetz» bewertet. Für die Teilstücke, wo keine Daten im Kompendium hinterlegt waren, wurden die Hersteller kontaktiert, um weitere Informationen einzuholen.

Geeignet bis zu 20%

Die Netzanalyse konnte erfolgreich durchgeführt werden: Das Teilnetz ist geeignet für bis zu 20% Wasserstoffzugabe. Ältere Hausanschlüsse aus PE-Rohren bieten allenfalls Probleme bei H2-Anteilen über 20%. Seit einigen Jahren verbaut die Stadt Dietikon konsequent nur noch Material, das zu 100% wasserstoffbeständig ist. Die wenigen noch verbauten Duktilgussrohre werden grundsätzlich als beständig gegen Wasserstoff betrachtet, da diese noch aus Stadtgaszeiten stammen. Des Weiteren sind die Kapazitätsreserven in diesem Netzabschnitt genügend, um den verminderten Brennwert des H2-haltigen Gases zu kompensieren. Die Gasinstallationen sowie Gasverbrauchsapparate in den Gebäuden müssten separat abgeklärt werden.

Containerlösung

Die technische Durchführung und Umsetzung einer Einspeisung wurde ebenfalls bewertet. Als Einspeisestelle wurde ein Grundstück der Stadt Dietikon ins Auge gefasst, das bei der Zuleitung für das Teilnetz liegt. Auf die technische Ausgestaltung der Einspeisung hat die Wahl des Einspeisepunktes keinen grossen Einfluss. Wesentlich ist jedoch, ob ein Versuch mit variierendem Wasserstoffanteil durchgeführt wird oder ob der Wasserstoffanteil konstant gehalten wird. Im Allgemeinen ist bei der Einspeiseeinrichtung eine gute Durchmischung von Wasserstoff und Erdgas vorzusehen. Die Aufstellung würde sinnvollerweise als Containerlösung erfolgen, da diese mobil ist und die Einrichtungen unberechtigtem Zugriff entzogen werden können. Innerhalb des Containers könnten sich sämtliche Apparaturen zur Regelung, Messung und Dosierung ebenso wie die Absperrarmaturen befinden. Als Quelle des Wasserstoffes kommen entweder ein Gasflaschenbündel, ein Trailer oder ein Elektrolyseur in Frage. Für alle Lösungen ist die Aufstellung eines zweiten Containers vorzusehen. Zur Überwachung und Steuerung der H2-Dosierung ist zwingend eine permanente Messung im Abströmbereich zu installieren. Bei einer Durchführung mit konstantem Wasserstoffanteil regelt diese Messung permanent den Wasserstoffzufluss, da dieser ständig den Lastschwankungen angepasst werden muss.

Kostenschätzung

Die Kosten für einen Versuch wurden grob abgeschätzt. Für die Erstellung eines Einspeisepunktes mit Freilegen der Leitung und einer Containerlösung belaufen sich die Kosten auf grob geschätzt rund 150'000 Franken. Hinzu kommen Kosten für die Wasserstoffbereitstellung, für den zusätzlichen Aufwand für Messsysteme sowie Betriebskosten für die Dauer des Versuchs. Bei fluktuierendem Wasserstoffgehalt sind die Kosten um einiges höher als bei einem konstanten Gehalt.
Die Gesamtkosten belaufen sich auf mindestens 500'000 Franken und können je nach Komplexität der Versuchsdurchführung, Messaufwand und Auswertung noch deutlich höher ausfallen.

Aufbereitung des Wissens zu H2 im Gasnetz: IET-OST

In diesem Arbeitspaket wurde das vorhandene Wissen und die aktuellen Forschungsprojekte im Bereich Wasserstoff zusammengetragen. Dabei sind öffentlich zugängliche Literatur, interne Berichte der Gasbranche vom DVGW, ÖVGW oder von Marcogaz wie auch das DBI-Kompendium zu Wasserstoff im Verteilnetz als Grundlagen hervorzuheben. Hinsichtlich der H2-Verträglichkeit wurden Daten aus den Berichten bis 2016 bereits im DBI-Kompendium abgebildet. In Laborversuchen wurden bereits viele Komponenten des Gasnetzes bis zu Wasserstoffgehalten von 30% getestet. Daneben wurden insbesondere in den letzten Jahren mehrere Feldversuche mit einer Einspeisung von 10% H2 sowie 20% H2 ins Gasnetz durchgeführt – alle mit konstanten Gehalten. Versuche mit fluktuierendem H2-Anteil sind nicht bekannt. Fragen zu Abrechnung und Brennwertverfolgung oder auch der Betrieb von Gasanwendungen bei variablem H2-Anteil sind weiterhin nicht abschliessend geklärt.
Im Allgemeinen kann jedoch festgehalten werden, dass viele Erkenntnisse aus Deutschland (DVGW) und Österreich (ÖVGW) direkt auf das Schweizer Verteilnetz übertragen werden können. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass ein Wasserstoffanteil von 10% technisch einfach umgesetzt werden kann. Eine Überprüfung der erhöhten H2-Tauglichkeit des Verteilnetzes und der Anwendungen hat zu erfolgen. Dies auch im Sinne einer Aufnahme der verbauten Assets und von deren Weiterverwendung bei zukünftigen Änderungen der Gasbeschaffenheit.
Eine Zugabe von Wasserstoff wird die Gasbeschaffenheit beeinflussen, insbesondere sinken Brennwert und Wobbe-Index mit steigendem H2-Gehalt. Wenn man von einer durchschnittlichen Gaszusammensetzung aus dem Jahr 2016 ausgeht, könnte man 10% H2 hinzugeben und wäre immer noch innerhalb der SVGW-Richtlinie G18 für Gasbeschaffenheit, mit einer Absenkung des Brennwerts um 7% und des Wobbe-Index um 2,5%. Weist das Ausgangsgas jedoch eine andere Beschaffenheit auf, könnten bereits bei geringeren Zugaben von H2 die heute gültigen Grenzwerte aus der G18 unterschritten werden. Die Beimischung von Wasserstoff in erhöhtem Masse bewirkt eine relevante Änderung der brenntechnischen Kennwerte und physikalischen Eigenschaften, was auch einen Einfluss auf die Messtechnik wie auch die Abrechnung hat.
Durch die geänderten brenntechnischen Kennwerte werden die Verbrennungsprozesse signifikant verändert. Die Flammengeschwindigkeit und -temperatur steigen, was zu geringeren CO-Emissionen und höheren NOX-Emissionen führt. Zusätzlich sinken die Strahlungsintensität, der Luftbedarf und die CO2-Emissionen. Diese Änderungen bedingen eine Anpassung des Verbrennungsprozesses insbesondere bei variierender Gasbeschaffenheit. In diesem Gebiet sind bereits einige Studien durchgeführt, und weitere Projekte werden innerhalb von Europa noch bearbeitet. Diese Ergebnisse können auf die installierten Gasverbrauchsapparate und Industrieanlagen in der Schweiz übertragen werden. Der Zugang zu den Ergebnissen aus den aktuellen Studien ist über ERIG (European Research Institute for Gas and Energy Innovation) und den DVGW gewährleistet.

Prozessgas

Die Änderung der Verbrennung durch Wasserstoffzugabe hat folglich auch Auswirkungen auf die Prozessgasnutzung. Insbesondere der Prozess für Industrieprodukte, deren Eigenschaften direkt von der Verbrennung abhängen, wie z. B. Glasherstellung oder metallurgische Prozesse, muss den veränderten Bedingungen Rechnung tragen. Die Anwendungen müssen einzeln abgeklärt werden, technische Lösungen sind bereits erarbeitet worden.

CNG-Tankstellen

Eine Zugabe von Wasserstoff im Gasnetz hat auch Auswirkungen auf die Gasmobilität. Bereits vor einigen Jahren wurde von der Empa gezeigt, dass eine Zumischung bis 30% im Verbrennungsmotor unkritisch ist, die limitierende Komponente im Moment einzig der CNG-Stahltank älteren Fahrzeug. Die Automobilindustrie hat diese nur bis 2% H2 getestet und freigegeben. Ein nachträglicher Umbau und auch Homologierung ist mit sehr hohen Kosten verbunden und wird nicht von den Herstellern ins Auge gefasst. Daher müssen die CNG-Fahrzeuge an der Tankstelle mit Massnahmen für einen maximalen Wasserstoffgehalt von 2% geschützt werden. Diverse Schutzkonzepte sind bereits vorhanden, wie z. B. separate Gaslieferung, Abtrennung des H2 durch Membranen, Beschränkung der H2-Einspeisung. Allerdings verringern diese die Rentabilität der Tankstellen.

Simulation des Teilnetzes «Altberg/Industrie»: CREM

Die Daten aus der Netzanalyse (Dimensionen, Druck etc.) und zum Verbrauch der Kunden wurden für die 1D-Simulation der Gasausbreitungsgeschwindigkeit genutzt. Die Datenaufbereitung zur Vorbereitung der Simulation war stellenweise aufwendig und musste zum Teil manuell angepasst werden, da die Daten nicht vollständig digital vorlagen.

15 Minuten im Winter, 24 Stunden im Sommer

In einem ersten Schritt wurden zwei Hauptszenarien (Sommer/Winter) definiert. Für diese wurde die Zeitspanne berechnet, wie lange das Erdgas/10%-Wasserstoff-Gemisch von der Einspeisestelle bis zum Hauptverbraucher gelangt. An einem kalten Wintertag mit einem hohen Gasverbrauch benötigt das Gemisch circa 15 Minuten. Die Simulation für einen warmen Sommertag zeigte jedoch, dass der Wasserstoff deutlich mehr als einen Tag braucht. Dies liegt am geringeren Verbrauch. Die Simulation verdeutlicht, dass bei signifikantem Verbrauch die Gasbeschaffenheit beim Kunden in deutlich weniger als einer Stunde ändern würde, falls eine fluktuierende Einspeisung von Wasserstoff infrage kommt. Eine solche variable Gasbeschaffenheit würde eine Anpassung der Abrechnung bedingen.

Sensitivitätsanalyse

Im Anschluss wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um zu ermitteln, welche Parameter den grössten Einfluss auf die vorgenannte Zeitspanne haben. Als Hauptparameter, die zur genauen Abrechnung nötig sind, haben sich der Wärmebedarf pro Zeiteinheit und das tatsächliche Gas-Wasserstoff-Gemisch (= Brennwert) ergeben. Die anderen untersuchten Parameter wie Druck im Netz, Aussendruck oder Gastemperatur sind noch zu vernachlässigen.
Die hier durchgeführte Simulation wurde bezüglich der erhaltenen Gasgeschwindigkeiten der früher durchgeführten Simulation in NEPLAN für das gleiche Teilnetz gegenübergestellt: Die Ergebnisse sind vergleichbar.
Die Netzsimulation hat sich als hilfreiches Werkzeug herausgestellt und kann bei Feldversuchen wie auch dauerhaften Einspeisungen genutzt werden, um die Auswirkungen von H2 auf die Gasbeschaffenheit abzuschätzen wie auch geeignete Messstellen festzulegen.

Fazit und Ausblick

Die Vorstudie ist ein Beginn und ein wichtiger Grundstein, um bereits vorhandenes Wissen zu Wasserstoff in die Gasbranche zu bringen. Es hat sich bestätigt, dass viele Ergebnisse direkt auf das schweizerische Verteilnetz und seine Anwender übertragen werden können. Durch die Einbindung der schweizerischen Gasbranche in internationale Gremien wie Marcogaz und ERIG und die enge Zusammenarbeit mit DVGW und ÖVGW wird der Zugang zu diesen Informationen gewährleistet.

Analyse und Simulation des Teilnetzes in Dietikon

Die Analyse des Teilnetzes in Dietikon auf Wasserstoffverträglichkeit konnte erfolgreich durchgeführt werden. So wäre dieses Teilnetz bis zu einem Gehalt von 20% Wasserstoff geeignet. Die Simulation der H2-Einspeisung in diesem Netz hat gezeigt, dass die Gasbeschaffenheit beim Anwender zeitnah mit der Einspeisung variiert. Es hat sich auch herausgestellt, dass der Verbrauch (ausschliesslich Wärme) im Sommer in der untersten Ebene des Verteilnetzes zu gering ist, um signifikante Mengen an H2 einzuspeisen. Dies würde eine Einspeisung auf einem höheren Druckniveau bedingen, eventuell auch direkt ins Transportnetz oder einen kontinuierlichen jährlichen Verbrauch
voraussetzen (z. B. Prozessgaskunde).

Gasanwendungen

Für die Gasanwendungen wurden die CNG-Mobilität und die Prozessgaskunden genauer analysiert. Es zeigte sich, dass die CNG-Tankstellen wegen der teils älteren CNG-Fahrzeugtanks auf max. 2% H2 geschützt werden müssen. Entsprechende Schutzkonzepte stehen zwar bereits zur Verfügung, erhöhen aber die Kosten. Für die Prozessgaskunden sind grundsätzlich Lösungen für einen erhöhten Wasserstoffanteil möglich, diese wurden bereits in vielen Projekten bearbeitet. Die Bedürfnisse, Lösungsansätze wie auch die Abschätzung der Kosten müssen für den Einzelfall abgeklärt werden. Sie könnten zu den Treibern werden für lokale kon­stante Einspeisungen von Wasserstoff auf der Verteilnetzebene.

Netzeinspeisung

Die Einspeisung des Wasserstoffs in das Verteilnetz kann konstant oder variabel erfolgen. Bei konstantem H2-Gehalt muss die Einspeisung dem Verbrauch entsprechend geregelt werden. Dies kann über die Produktion oder über einen Zwischenspeicher gesteuert werden. Dadurch könnte die bestehende Abrechnung beibehalten werden, zusätzlich erforderlich wäre einzig eine Messung der Gasbeschaffenheit bei der Einspeisestelle.
Bei einem variablen H2-Gehalt muss die Gasbeschaffenheit, insbesondere der Brennwert gemessen werden. Das Abrechnungskonzept muss angepasst werden, beispielhaft sei eine genaue Abrechnung über Smartmeter oder neue Abrechnungskonzepte genannt.

Vorerst kein Feldversuch

Das untersuchte Teilnetz «Altberg/Industrie» wäre für eine Einspeisung bis 20% H2 geeignet und könnte für einen Feldversuch eingesetzt werden. Für einen Versuch mit konstantem H2-Gehalt, werden keine zusätzlichen technischen Erkenntnisse erwartet. Für einen Versuch mit variablem Wasserstoffgehalt könnten zusätzliche Aspekte untersucht werden, jedoch wird der Aufwand momentan als sehr hoch eingeschätzt. Deshalb wird eine Durchführung eines Feldtests in der Schweiz im Moment nicht in Erwägung gezogen. Die Ergebnisse aus bereits durchgeführten Feldversuchen, z. B. in Deutschland, können übertragen werden. Eine enge Begleitung seitens der Gasbranche für eine dauerhafte H2-Einspeisung wird als zielführender betrachtet.

Projektabschluss online

Die Ergebnisse der Vorstudie wurden innerhalb der Gasbranche im Rahmen von zwei grösseren Veranstaltungen verbreitet: ein Workshop zu den Ergebnissen im Juni 2020 und eine Abschlussveranstaltung im November 2020. Beide waren eigentlich als Präsenzveranstaltungen vorgesehen, um eine Plattform zum aktiven Austausch und für intensive Diskussionen zu bieten. Leider konnten beide nur in einem Online-Format durchgeführt werden.
In der rund dreistündigen Online-Konferenz im Juni 2020 wurden die ersten Ergebnisse der Vorstudie vorgestellt. Die drei anschliessenden parallelen Workshops zu Verteilnetz, Gasin­stallation und Energiemanagement waren geprägt von intensiven Diskussionen. Im November 2020 wurde die Abschlussveranstaltung mit 48 Teilnehmern erfolgreich durchgeführt. Der ausführliche Schlussbericht steht unseren Mitgliedern zur Verfügung und kann über die Autorin bezogen werden.

Weiterführung der Arbeiten

Innerhalb der SVGW-Geschäftsstelle, Kommissionen des SVGW und des Technischen Inspektorats des Schweizerischen Gas­faches (TISG) werden viele Arbeiten der Vorstudie weitergeführt werden. Insbesondere innerhalb des SVGW-Projekts «H2-Analyse Gasverteilnetz» können andere Gasversorger direkt von den Erkenntnissen der Vorstudie profitieren und auf der gewählten Vorgehensweise aufbauen und diese verfeinern. Die offenen Fragen und allfällige Änderungen des Regelwerks in den Bereichen Gasbeschaffenheit, Verteilnetze, Gasanwendungen und Energiedatenmanagement werden in SVGW-Kommissionen adressiert. Des Weiteren wird ein «Leitfaden für H2-haltige Gase in bestehenden und neuen Gasnetzen» in diesem Jahr fertiggestellt.

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