HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS EAST GERMANY. HYPOS-Projekt: H2-PIMS. Von Ostdeutschland soll eine Revolution in der Wasserstoffwirtschaft ausgehen

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1 HYDROGEN POWER STORAGE & SOLUTIONS EAST GERMANY HYPOS-Projekt: H2-PIMS Von Ostdeutschland soll eine Revolution in der Wasserstoffwirtschaft ausgehen 1

2 Gasnutzung Heizwert [TWh/a] DVGW-Strategieroadmap - Zwischenergebnis Entwicklungsszenarien für die Gasnutzung in Dtl. nach J. Nitsch (2016): Energiewende nach COP21, Szenario "KLIMA 2050" 12% geringere Gasnutzung % geringere Gasnutzung * *61% Erdgasanteil 0 *16% Erdgasanteil -27% -60% -80% -95% THG-Emissionsminderung ggü [%] 75* Erdgas Biogas EE-PtG-Gase 2

3 Projektkenndaten H2-PIMS Projektziel: Entwicklung von innovativen Bewertungssystemen (Pipeline Integrity Management System, PIMS), die die Betriebssicherheit von Leitungen zum Transport von wasserstoffreichen Gasen (Erdgas-Wasserstoff-Gemische) gewährleisten. Verbundpartner: Projektbudget: 3,0 Mio. EUR Gesamtbudget Projektlaufzeit: (42 Monate) 3

4 Arbeitspakete H2-PIMS AP1 Aktueller Wissensstand Aktueller Wissensstand zu wasserstoffinduzierten Schädigungsformen und Überwachungsmethoden an Rohrleitungen. AP2 Road-Map Erstellung einer Road-Map zur Umnutzung bestehender Erdgas- Transportleitungen. AP3 Werkstoffuntersuchungen Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Materialuntersuchungen relevanter Bestandswerkstoffe. AP4 Sicherheitstechnische Aspekte Definition neuer sicherheitstechnischer Anforderungen an die Transportrohrleitungen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische und reinen Wasserstoff. AP5 Pipeline-Integrity-Management-System Entwicklung eines PIMS sowie Definition von weiterführende Maßnahmen und Forschungsaufgaben zur sukzessiven Verbesserung. 4

5 Aktueller Arbeitsstand H2-PIMS (AP1, AP3) Es wurden Werkstoffe identifiziert, die den größten Anteil des fast km langen ONTRAS-Transportnetzes abdecken. Die ausgewählten Werkstoffe werden im Projekt umfassend an dem Grundmaterial und an der Schweißnaht charakterisiert: Zugversuche, Kerbschlagversuche, Rissausbreitung, Bei den Werkstoffuntersuchungen wird jeweils der kritischste Ansatz gewählt: 1.) Untersuchung bei 100 % Wasserstoffatmosphäre = Ergebnisse 2.) Untersuchung bei 25 Vol.-% Wasserstoffatmosphäre = Ergebnisse 3.) Freiwerdende Ressourcen werden für Untersuchungen mit anderen Wasserstoffanteilen (10, 50 Vol.-%) an den verbleibenden Werkstoffen genutzt. Untersuchung der Rissausbreitungsrichtung bei Schweißnähten erfolgt in Richtung der Schweißnaht und beim Grundmaterial in axiale Richtung. Derzeit sind erste Rohrproben (2 Stück) von ONTRAS entnommen und werden aktuell von IWM charakterisiert. 5

6 Lösungsansätze für das zu entwickelnde PIMS-Modul Zieldefinition Betrachtung der rechtlichen Rahmenbedingungen für Wasserstoffpipelines (Richtlinien, Gesetzeslage). Entwicklung eines Werkzeugs zur stochastischen Risikobewertung und Vorhersage der Schadenswahrscheinlichkeit von Rohrfernleitungen. Aufbauend auf den Ergebnissen soll eine Handlungsanweisung für die Umnutzung bestehender oder den Bau neuer Wasserstoffrohrleitungen erarbeitet werden. 6

7 Lösungsansätze für das zu entwickelnde PIMS-Modul Bisheriges PIMS Bisher Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit für jeden Rohrabschnitt, z.b. nach DIN EN ISO Berücksichtigung externer Einflussfaktoren wie Korrosion, Bodenbewegung, zunehmende Bebauung und Einwirkung Dritter. Berücksichtigung der Betriebsbedingungen (Innendruck, Äußere Lasten, Innenkorrosion). Einfache Materialkennwerte (Zug- und Kerbschlagversuch) Überwachung und Fehlerdetektion Begehung mit Gasspür- und Gasmesstechnik. Einsatz von intelligenten Molchen (Magnetstreufluss) zur Detektion von Wanddickenminderungen. 7

8 Lösungsansätze für das zu entwickelnde PIMS-Modul Neue Ansätze für Wasserstoff-PIMS-Modul Versuche unter Druckwasserstoff zur Messung der Werkstoffeigenschaften unter Betriebsbedingungen. Einfache Materialkennwerte (Zug- und Kerbschlagversuch). Ermittlung erweiterter Materialkennwerte: Rissausbreitung und Bruchmechanik Wasserstoffspezifische Schadensmechanismen (ASTM E 1681: K IEAC ) Bewertung neuer Testverfahren für Rohrfernleitungen: Ultraschallmolch für Rissdetektion Lecksuche durch Lidar Identifikation neuer Eingangsgrößen für das stochastische Bewertungsmodell. Entwicklung eines neuen stochastischen Bewertungsmodells. 8

9 Erste Ergebnisse Werkstoffauswahl Werkstoffe Werkstoff A: St 52/53 / X52 Werkstoff B: St 34/35 / Grade A 2 weitere Werkstoffe Alte Rohrfernleitungswerkstoffe Längsschliffe Werkstoff B Werkstoff A 9

10 Erste Ergebnisse Prüfaufbau für kathodische Beladung Messung konservativer Werkstoffeigenschaften durch elektrolytische Beladung. Probe Ergebnisse nicht übertragbar für Druckwasserstoff. Druckwasserstoffbeladung ist meist weniger versprödend. Integration in Universal-prüfmaschine möglich. In-situ Beladung mit 0,1 mol/l Natron-lauge versetzt mit Thioharnstoff. Versuche bei Raumtemperatur. Beladestrom I = 10 ma/cm 2. Keine Vorbeladung. Gegenelektrode 10

11 Kraft Erste Ergebnisse Zugversuche mit elektrolytischer Beladung Sehr starke Wasserstoffversprödung durch elektrolytische Beladung. Werkstoff A Abnahme der Bruchdehnung durch Wasserstoffversprödung. Werkstoff B Zugfestigkeit und Streckgrenze kaum von Wasserstoffversprödung beeinflusst. Weg Schwarz: Ohne Beladung Grau: Mit Beladung 11

12 Definition von Anforderungen an die Qualifizierungs- bzw. Umwidmungs-Road-Map Ziel Aufgaben Qualifizierung bzw. Umwidmung bestehender Erdgas-Transportleitungen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische und reinen Wasserstoff, um den zuverlässigen Netzbetrieb zu gewährleisten 10 Vol.-% H 2 im Erdgas Transportnetz 100 % H 2 Definition der Anforderungen an die RM (Ziel, Aufgaben, Systemgrenzen, Zielgruppe, ) Erarbeitung der Betrachtungsbereiche (Rohrleitungswerkstoffe, rechtliche Aspekte, Kommunikation, Instandhaltung, ) Erarbeitung von Maßnahmen und Checklisten zu den Betrachtungsbereichen Erstellung einer Roadmap inkl. Zeitplan für Maßnahmen Simulation: Umwidmung an einer ONTRAS-Transportleitung 12

13 Betrachtungsbereiche der Qualifizierung bzw. Umwidmungs-Road-Map Genehmigungen EnWG, BImSchG, GasHDrLtgV Vertragliche Neugestaltung Kommunikation und Information der angrenzenden Netze und Kunden Werkstoffprüfung Instandsetzung Vorschäden Rechtliche Aspekte Kommunikation Molchungen Wartungszyklen Leckagedetektion Personalschulung Kapazitäten Druckschwankungen Verdichterleistung Messtechniken Rohrleitungswerkstoffe Betriebskonzepte Instandhaltungsstrategie Sicherheitskonzept Wasserstofftoleranz / Sensible Kunden Explosionsschutz Korrosionsschutz Neue Sicherheitsunterlagen Gasvolumenmessung Gasqualität (PGC) Geräteaustausch Verdichtereinheiten Dichtungen Industrie- und Gewerbekunden 13

14 Vielen Dank! H2-PIMS H2-NETZ H2-Forschungskaverne/ -UGS H2-HOME Marco Henel DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH