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H2-Einspeisung Anforderungen an Rohrleitungsnetze Harmonisierungsanforderungen HyLAw National Workshop, Linz
6. November 2018
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6. November 2018 HyLAw National Workshop 2
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Wind2hydrogen Forschungsprojekt Eckdaten
Warte
Steuer & Regelkonzepte
Lastprofile
PEM Elektrolyseur
100 kW – 12 Module
163 bar - 14 Nm³ H2
Gaskonditionierung
Mischstrecke 1-10% H2
H2 Puffer & Abfüllung
Projektlaufzeit: 01/2014 – 12/2016 Verlängerung bis 12/2017
Gesamtbudget: ~ 2.8 Mill. EUR
Dynamischer Betrieb entsprechend Windlastprofilen
Betriebsstunden (12 modules) 40.365 h Betriebsstunden (Gesamtanlage) 4.483 h Insgesamt wurden 4.608 kg / ~51.200 Nm³ grüner Wasserstoff ins Erdgasnetz eingespeist
Simulation von Netzbetriebsweisen
Entwicklung eines Hochdruck-H2-Elektrolyseurs (weltweit einzigartige Elektrolysetechnologie)
Abfüllung dynamisch fluktuierender Wasserstoffproduktion
Einspeisung und Speicherung von Wasserstoff in das Erdgasnetz
Vorbereitung für ein Rollout und wirtschaftliche Bewertung
Gefördert im Rahmen von e!Mission.at (4th Call)
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3 HyLAw National Workshop 6. November 2018
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Teilschwerpunkt - H2 im Erdgasnetz
Zusammenführung des Wissenstandes aus
verschiedenen Veröffentlichungen (Projektberichte,
Zeitschriften, Normen, Gesetze,…) zu diesem Thema
Besonderes Augenmerk auf:
Änderung von Gaskennzahlen
Toleranz des Erdgas(fern)leitungsnetzes (Kapazitäten,
Werkstoffe) gegenüber Wasserstoff 10-20 Vol-%
Sicherheitsaspekte
Gasanwendungen
In Zusammenarbeit mit Montanuniversität Leoben (Lehrstuhl für
Verfahrenstechnik des Industriellen Umweltschutzes)
HyLAw National Workshop 4 6. November 2018
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Änderung von Gaskennzahlen
HyLAw National Workshop 5 6. November 2018
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Gaskennzahlen
Ändern sich stark bei Wasserstoffzumischung, sodass sie außerhalb der
Richtlinien liegen können
Erdgas Russland H
Bestandteil [1] Berechnet mit ISO 6976
Methan Vol-% 97,790 92,901 88,011 83,122 78,232
Stickstoff Vol-% 0,820 0,779 0,738 0,697 0,656
Kohlenstoffdioxid Vol% 0,090 0,086 0,081 0,077 0,072
Ethan Vol-% 0,880 0,836 0,792 0,748 0,704
Propan Vol-% 0,290 0,276 0,261 0,247 0,232
n-Butan Vol-% 0,100 0,095 0,090 0,085 0,080
n-Pentan Vol-% 0,020 0,019 0,018 0,017 0,016
n-Hexan Vol-% 0,010 0,010 0,009 0,009 0,008
Wasserstoff Vol-% 0 5 10 15 20
Summe Vol-% 100 100 100 100 100
Brennwert [kWh/m³] 11,16 10,77 10,391) 10,011) 9,631)
Dichte reales Gas [kg/m³] 0,74 0,70 0,67 0,64 0,61
relative Dichte reales Gas [-] 0,57 0,541) 0,521) 0,491) 0,471)
Wobbe Index reales Gas [MJ/m³] 53,25 52,60 51,95 51,30 50,64
Wobbe Index reales Gas [kWh/m³] 14,79 14,61 14,43 14,25 14,07 Berechnungen bei 0°C und 1,01325 bar ISO 6976 1) Kennwerte entsprechen nicht mehr ÖVGW G31
HyLAw National Workshop 6 6. November 2018
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Veränderung Brennwert / Wobbeindex
Bereits bei einer Zumischung von 5 Vol-% H2 könnte ggf. nicht mehr
der ÖVGW RL G31 entsprochen werden
Änderung des Grundgases hat größeren Einfluss als H2-Zumischung
HyLAw National Workshop 7 6. November 2018
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Gastransport
HyLAw National Workshop 8 6. November 2018
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Vergleich - Relative Dichte und Brennwert
Mit Wasserstoffzumischung sinkt die Transportkapazität
Bei gleichem Energieoutput muss mehr Volumen gefördert werden,
daher steigt die Verdichterleistung als auch der Druckverlust
Bezeichnung Einheit CH4 H2
Relative Dichte1 [-] 0,555 0,070
Brennwert (HS) kWh/Nm³ 11,2 2,9942
1nach ISO 6796 für reales Gas, m³ bei 0°C und 1013,15 mbar, Ref. Temp 25°C
HyLAw National Workshop 9 6. November 2018
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Transportkapazität
Zur Berechnung wurde der Brennwert der entsprechenden Gase
herangezogen
HyLAw National Workshop 10 6. November 2018
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Auswirkung und Maßnahmen
Bei gleichem Energieinhalt der Gaslieferung sind höhere
Verdichterleistungen nötig
Klärungsbedarf besteht bezüglich:
der Leistungsabnahme mit Wasserstoffanteilen,
der Enddruckänderung,
der Reaktion der Verdichter sowie
der Dichtungskonzepte auf Wasserstoffzumischung
Dichtungskonzept muss an neue Anforderungen
angepasst werden
HyLAw National Workshop 11 6. November 2018
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Mess- und Druckregelanlagen Es gibt Erfahrungen mit standardisierten Bauelementen der
Erdgastechnik bei Kokereigas (bis 67 Vol-% H2)
Gaszähler (Ultraschall, Turbinenrad, Balgengas)
Unbedenklicher Einsatz
Anpassungs-/Forschungsbedarf bei schwankenden
Gaszusammensetzungen
Mengenumwerter
Anpassungsbedarf bei schwankenden Gaszusammensetzungen
Prozessgaschromatographen
Bestehende Geräte müssen auf Erdgas/Wasserstoffgemische
umgerüstet werden
Druckregelanlagen
Eignung gegeben
Einzelfallprüfungen sind aber notwendig
HyLAw National Workshop 12 6. November 2018
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Mischungsverhalten Wasserstoff in Erdgas
HyLAw National Workshop 13 6. November 2018
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Materialien
HyLAw National Workshop 14 6. November 2018
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Transportleitungen
Generell keine Probleme mit Werkstoffen, aber
Einzelfallbetrachtungen werden empfohlen
Adaptierung des Rohrleitungsmanagementsystems erforderlich
Untersuchungs-/Prüfungsbedarf für konkret eingesetzte Werkstoffe
In NATURALHY wurden in typischen Stählen bis 50% H2 keine spürbaren
Effekte auf das Risswachstum festgestellt
NATURALHY; bis 30 Vol% H2 in best. Leitungen möglich
HyLAw National Workshop 15 6. November 2018
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Dichtungen
Werden als unbedenklich
eingeschätzt
Es sollte aber für jede im
Betrieb verwendete
Dichtungsart (Material,
Leckraten, Permeations-
verluste) verifiziert werden
Material Kompatibilität
Naturkautschuk Ausreichend
Butylkautschuk Gut
Silikonkautschuk Ausreichend
Neoprene® Gut
Buna S® Gut
Hypalon® Gut
Viton® Gut
Buna N Gut
HyLAw National Workshop 16 6. November 2018
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Sicherheitsaspekte
HyLAw National Workshop 17 6. November 2018
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Die Zündgrenzen weiten sich auf
Die Explosionsfähigkeit nimmt zu
Das Risiko wird im Nahbereich der Leitungen größer
Das Ausbreitungsverhalten von CH4-H2-Gemischen
bis 10Vol% lässt sich ähnlich wie jenes von CH4
beschreiben.
Es findet keine Entmischung des H2 und
Ansammlung an der Raumdecke statt
Sicherheitsaspekte
HyLAw National Workshop 18 6. November 2018
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Anwendungen
HyLAw National Workshop 19 6. November 2018
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Endkunden und Anwendungen Industrielle Kunden
Hier sind für die einzelnen Prozesse und Anwendungen Einzelfallprüfungen
vorzunehmen, um Maßnahmen, anwender- oder gasseitig, abzustimmen
(Methanzahl, Flammengeschwindigkeit, Zündgrenzen, Heizwert)
Haushaltskunden
Anpassungsbedarf ist gegeben, eine Umstellung einiger Endgeräte bzw.
Installationen ist nötig
Gasturbinen
Strenge Wasserstofflimitierung (1-2 Vol-%)
Herstellerseitig tlw. höhere Wasserstoffkonzentrationen möglich (bis 14 Vol-%)
Einzelfallprüfungen erforderlich
Motor (CNG-Auto)
Anpassungen an Motoren müssen vorgenommen werden
CNG-Tanks (z.B. Tankstellen)
auf 2 Vol-% Wasserstoff beschränkt wegen Wasserstoffinkompatibilität der
zum Großteil eingesetzten Stahltanks
HyLAw National Workshop 20 6. November 2018
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Zusammenfassung Änderung der Gaskennzahlen
Bis 5 Vol-% unbedenklich
Abhängig von der realen Gaszusammensetzung
Gastransport
Energieoutput bei gleichem Volumenstrom verringert sich
Erhöhung der Verdichterleistung
Materialien
Generell unproblematisch
Einzelbetrachtungen nötig
Sicherheitsaspekte
handhabbar
Anwendungen
Einzelbetrachtungen nötig
Gasturbinen und Gastanks problematisch
Endkunden handhabbar
HyLAw National Workshop 21 6. November 2018
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Harmonisierungsbedarf
HyLAw National Workshop 22 6. November 2018
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Grenzen - Wasserstoff im Erdgasnetz
0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 11% 12%
Vol %
UK
Belgien
Schweden
Österreich
Schweiz
Frankreich
Deutschland
Holland
HyLAw National Workshop 23 6. November 2018
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Aktuelle Untersuchungen
Vielzahl von Studien aktuell in Ausarbeitung
Praktische Versuche
Energinet (DEN)
Einleitung von H2 in bestehende Erdgaspipeline
Projektstart 06/2017
Testperiode: 2 Jahre
Kontinuierliche Steigerung des H2-Gehaltes bis 15%
Untersuchung der Auswirkungen
Aktueller Wert (10/2018): 7%
Marcogaz (Marseille, FRA)
Ähnliches Versuchsprogramm
HyLAw National Workshop 24 6. November 2018
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Quellen
[1] G. Müller-Syring, M. Henel, W. Köppel, H. Mlaker, M. Sterner, and T. Höcher, “Entwicklung von modularen Konzepten zur Erzeugung, Speicherung und Einspeisung von Wasserstoff und Methan ins Erdgasnetz,” Studie, Bonn, Feb. 2013.
[2] G. Müller-Syring, J. Hüttenrauch, and S. Zöllner, “Erarbeitung von Basisinformationen zur Positionierung des Energieträgers Erdgas im zukünftigen Energiemix in Österreich: AP 2: Evaluierung der existierenden Infrastrukturen auf Grundlage der ermittelten Potentiale,” Abschlussbericht, Leipzig, Nov. 2012.
[3] M. W. Melaina, O. Antonia, and M. Penev, “Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues,” National Renewable Energy Laboratory, Golden, Mar. 2013.
[4] Projekt Energiemessung im Rahmen der Innovationsoffensive des DVGW, http://www.dvgw-innovation.de/die-projekte/uebersicht/energiemessung/, 2014
[5] Einheitliche Bedingungen für die Genehmigung von I. speziellen Bauteilen von Kraftfahrzeugen, in deren Antriebssystem komprimiertes Erdgas (CNG) verwendet wird II. von Fahrzeugen hinsichtlich des Einbaus spezieller Bauteile eines genehmigten Typs für die Verwendung von komprimiertem Erdgas (CNG) in ihrem Antriebssystem, 110, 2010.
HyLAw National Workshop 25 6. November 2018
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Auf Wiedersehen.