BG ETEM/BAM Forschungsvorhaben

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1 BG ETEM/BAM Forschungsvorhaben Sicherheitstechnische Kenngrößen von H 2 - Erdgasgemischen

2 Einleitung P2G-Technologie Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien Elektrolyse (H2) Methanisierung (CH4) Erdgasnetz Gasspeicher Industrie Mobilität Stromerzeugung Wärmeversorgung Chemie Endverbraucher

3 Auslöser für das Forschungsprojekt In zahlreichen Versorgungsunternehmen werden heute bereits Power-to-Gas-Anlagen betrieben, um den erzeugten Wasserstoff in vorhandene Erdgasnetze einzuspeisen. Der Anteil an Wasserstoff kann zwischen 2 bis 10 Vol.-% betragen. Da die sicherheitstechnischen Kenngrößen der reinen Gase H 2 und Erdgas Unterschiede aufweisen, gilt zu klären, ob bei den zuvor angeführten Mischungsverhältnissen bereits relevante Abweichungen auftreten, die bei den Maßnahmen zum Explosionsschutz zu berücksichtigen sind.

4 Sicherheitstechnische Kenngrößen der reinen Komponenten Zündtemperatur UEG OEG Explosions -gruppe Wasserstoff 560 C 4 Mol-% 77 Mol-% IIC Methan 595 C 4,4 Mol-% 17 Mol-% IIA Wasserstoff relative Dichte zu Luft 0,0695 Methan relative Dichte zu Luft 0,55

5 Forschungsvorhaben BAM/BG ETEM Beginn: März 2015 Abgeschlossen: Anfang 2016 Kostenbeitrag BG ETEM: Euro Kostenbeitrag BAM: Euro

6 Fragestellung zum Explosionsschutz Welche Auswirkungen hat eine Beimischung von bis zu 10% Wasserstoff zum Erdgas auf: Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen Explosionsdrücke und zeitliche Druckanstiege Normspaltweiten und Explosionsgruppe Gasausbreitung und Einsatz von Gaswarngeräten Die systematische Bestimmung der Kenngrößen erfolgte nach den in Europa geltenden harmonisierten Normen.

7 Untersuchte Modellgase Bestandteil Modellerdgas 1 (Methan) Modellerdgas 2 (enthält C2-C4) Methan 100,0 Mol-% 89,3 Mol-% Ethan 0,0 Mol-% 8 Mol-% Propan 0,0 Mol-% 2 Mol-% n-butan 0,0 Mol-% 0,7 Mol-% Die Modellgase sind mit bis zu 50 Mol-% Wasserstoff versetzt worden.

8 Explosionsgrenzen Explosionsbereiche von Methan mit unterschiedlichen Wasserstoffanteilen H 2 -Anteil UEG OEG LOC 0% 4,2% 16,6% 10,1% 5% 4,2% 17,4% 9,8% 10% 4,2% 18,2% 9,6% 25% 4,2% 21,2 9,1% 50% 4,0% 29,0% 7,9% 100%* 4,1% 75,6% 4,3%

9 Explosionsbereiche von Modellerdgas 2 mit unterschiedlichen Wasserstoffanteilen Explosionsbereich Brenngas/Stickstoff/Luft % Wasserstoff 10% Wasserstoff 25% Wasserstoff 50% Wasserstoff H 2 -Anteil UEG OEG LOC 0% 3,8% 16,2% 9,7% 5% 3,8% 17,2% 9,7% 10% 3,8% 17,8% 9,4% 0 10 Brenngas in Mol-% Luft in Mol-% Stickstoff in Mol-% % 4,0% 21,0% 8,9% 50% 3,8% 28,4% 7,6% Gleiches Verhalten wie beim Methan (siehe Folie 16). 10% H2-Zusatz haben nur geringfügigen Einfluss.

10 Explosionsbereiche von Biogas-Wasserstoff- Gemischen (Kohlendioxid als Inertgas) Explosionsbereich Brenngas/Kohlendioxid/Luft Brenngas in Mol-% % Wasserstoff 10% Wasserstoff 25% Wasserstoff 50% Wasserstoff 100% Wasserstoff 50 Kohlendioxid in Mol-% 60 H 2 -Anteil UEG OEG LOC 0% 4,3% 16,3% 13,6% 10% 4,2% 18,6% 12,4% 25% 4,2% 21,2% 12,0% 50% 4,0% 29% 10,7% 100% 4,3% 16,3% 5,2% Anwendung: Biogasanlagen und Hybrid- Kraftwerke Luftin Mol-%

11 Fazit Beim Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff zu Erdgasen und Rohbiogas: UEG ändern sich nur sehr wenig (innerhalb der Messgenauigkeit) LOC sinken geringfügig OEG steigen um etwa 10% (relativ) Bei Gemischen mit CO 2 als Inertgas (Biogas-Wasserstoff) ist der Wasserstoffeinfluss (OEG, LOC) etwas stärker

12 Maximaler Explosionsdruck von Methan in Abhängigkeit von Wasserstoffanteil H 2 -Anteil in Mol-% P max in bar xbg bei p max in Mol-% 0 8,2 10,0 5 8,2 10,4 10 8,2 11,0 25 8,1 12,2 50 8,0 16, ,0 35,0 Zusatz von bis zu 10 Mol-% H 2 - Kein signifikanter Einfluss!

13 Explosionsdruck in bar KG in bar*m/s Maximaler Explosionsdruck und KG-Wert von Gemischen aus Modellerdgas 2 und H2 9 8,8 8,6 Explosion Pressure KG-Value ,4 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7, ,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 Wasserstoffanteil in Mol-% Zusatz von bis zu 10% H 2 Kein relevanter Einfluss!

14 MESG in mm Normspaltweiten von Modellerdgas-Wasserstoff- Gemischen 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Explosionsgruppe II A Explosionsgruppe II B Explosionsgruppe II C Wasserstoffanteil in Mol-% Ex-Gruppe IIA bleibt beim Zusatz von 10 Mol-% H2 erhalten.

15 L H h Ergänzende Untersuchungen Ausbreitungsrechnungen zur Beurteilung von Ex-Zonen für Gemische (Zusammenarbeit mit DBI und BG ETEM) Erarbeitung von Einsatzgrundsätzen für Gaswarngeräte für Erdgas- Wasserstoff-Gemische R Ex- Bereich d h = 10 d

16 Gasausbreitung Ex-Zonen Modelle: Freistrahlmodell nach Schatzmann (BAM), sowie die Störfallauswirkungsbetrachtungssoftware ShellFred (e.bex) (Open Grid Europe) Randbedingungen zur Freisetzung von Erdgas und Erdgas-Wasserstoff-Gemischen Freisetzungshöhe: 5 m Durchmesser des Austrittsquerschnitts: 50 mm Überdruck in der Rohrleitung: 10 bar Gastemperatur in der Rohrleitung: 10 C Umgebungstemperatur: 20 C Exponent des Geschwindigkeitsprofils: 0,28 Keine Berücksichtigung der Bodenrauigkeit.

17 Gasausbreitung Ex-Zonen rot-gestr./schwarz OEG/UEG (BAM) schwarz/magenta OEG/UEG (e.bex) Erdgas, 1 kg/s, Wind 3 m/s senkrecht 5 m Höhe Erdgas + 10 % H2, 1 kg/s, Wind 3 m/s senkrecht 5 m Höhe

18 Gasausbreitung Ex-Zonen rot-gestr./schwarz OEG/UEG (BAM) schwarz/magenta OEG/UEG (e.bex) Erdgas, 1 kg/s, Wind 3 m/s Waagerecht 5 m Höhe Erdgas + 10 % H2, 1 kg/s, Wind 3 m/s Waagerecht 5 m Höhe

19 Gasausbreitung Ex-Zonen Fazit: Berechnungen für Erdgas und Erdgas mit 10% Wasserstoff ergeben mit beiden Berechnungsverfahren keine signifikanten Unterschiede Die Berechnungsverfahren selbst [ShellFred (e.bex) und Schatzmann (BAM)] sind naturgemäß nicht völlig deckungsgleich (Numerik, Modellansatz), liefern aber vergleichbare Ergebnisse

20 Einsatzgrundsätze für Gaswarngeräte Erforderliche Maßnahmen für GWG für Erdgas/H2-Gemische hängen vom Sensortyp ab: Gebräuchliche Sensortypen: Wärmetönung (katalytische Sensoren, Pellistoren) Intergrale Messung aller brennbaren Gase (Erdgas + H2), Neukalibrierung erforderlich, Empfindlichkeit für H2 und CH4 verschieden Infrarot-Sensoren H2 wird nicht gemessen, Alarmschwelle muss korrigiert werden SnO2 Halbleitersensoren Können im Prinzip beide Gase messen, Neukalibrierung erforderlich, Empfindlichkeit für H2 und CH4 verschieden GWG für den Einsatz in Ex-gefährdeten Bereichen dürfen keine Zündquellen darstellen (Für Gasgemische mit 10% H2 bleibt Ex-Gruppe IIA des Gases erhalten).

21 Zusammenfassung In dem Forschungsvorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden: Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig. Der Einfluss auf Explosionsdrücke und K G -Werte ist ebenfalls vernachlässigbar. Die Erdgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA. Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG). Berechnungen zeigen nur geringen Einfluss von 10 % H2 auf die Gasausbreitung. Gaswarngeräte müssen in der Regel neu kalibriert werden.

22 Dr. Albert Seemann Fachgebiet Energie- und Wasserwirtschaft