Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/

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1 Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/ Gasspeicherung Maßnahmen um die Differenzen zwischen gleichmäßigem Bezug und der schwankenden Gasabgabe auszugleichen. Der Ausgleich kann täglich, wöchentlich oder saisonal erfolgen und ist an die Liefer- Verbraucherstruktur anzugleichen. Während der Gaslieferant daran interessiert sein wird, möglichst auch über den Leistungspreis ( Bereitstellung ) zu verdienen ( hoher Spitzen-Volumenstrom, hoher Druck ), wird der Abnehmer die Bestell-Leistung so gering wie möglich halten und dafür Speichermöglichkeiten nutzen. Speicher werden in verschiedensten Formen gebaut und genutzt, in der Folge sollen die bekannten Bauarten vorgestellt werden. 6.1 Niederdruckspeicherung Definitionsgemäß sind Niederdruckspeicher im Überdruckbereich unter 1 bar angesiedelt. Behälter dieser Art werden in der Erdgaswirtschaft nicht mehr gebaut und wegen ihres geringen nutzbaren Energieinhalts kaum noch genutzt, da der Erhaltungsaufwand ( Korrosionsschutz ) zu groß ist. Scheibengasbehälter: Der Speicher besteht aus einem zylindrischen Mantel mit spiralgeführtem Deckel ( Scheibe ), der sich mit der Gasbefüllung hebt und senkt. Die Abdichtung der Scheibe erfolgt über Gewichts belastete Hebel, welche die Dichtbahn von innen an den Zylinder pressen. Ein Ölvorlage sorgt für die Schmierung ( Bauart MAN ). Der Gasdruck ist abhängig vom Gewicht der Scheibe. Glockengasbehälter: Der Gasraum besteht aus einer umgestülpten Tasse, welche in einem Wasserbad steht. Der maximale Fülldruck korrespondiert mit dem Gewicht der Behältertasse. Teleskopbehälter: Zum Erzielen größerer Speichervolumina und Gasdrücke wurden Glockengasbehälter auch mehrhubig - bis drei Tassen ineinander - gebaut. Der Innendruck erhöhte sich dabei stufenweise mit dem Anheben der Teleskoptassen. Nachteilig erwies sich die Wasservorlage im Winter, da die Gefahr des Einfrierens gegeben ist. Rollmembranbehälter: Diese Bauart hat im Bereich der Niederdruckspeicherung ( z.b. in Biogasanlagen ) die vorgenannten Bauarten abgelöst, da sie deren Nachteile vermeidet Scheibengasbehälter : Glockengasbehälter : aufwendige Abdichtung einfrieren der Wassertasse Bild 6.1 : Verschiedene Niederdruck Speicherbauarten

2 Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/ Hochdruckspeicherung Die Hochdruckspeicherung in Behältern wird nicht im normalen Versorgungsfall der Gaswirtschaft gepflegt, da hier Energieaufwand zur Verdichtung erforderlich ist, außer der Behälter hat Anschluß an das Gas-Hochdrucknetz Speicherbehälter Kugelgasbehälter: Kugelgasbehälter sind drucktechnisch optimal, sie verlangen jedoch einen gewissen Aufwand in der Herstellung. Schwachpunkte sind die Anschlüsse der Stützen, da hier zusätzliche Punktlasten auftreten und die Isolierung unterbrochen ist ( Kondenswasser ). Es sind noch gelegentlich Kugelspeicher bei Gasversorgungsunternehmen zu sehen und / oder in Betrieb. Rohrspeicher : Sie können aus Groß-Rohren gefertigt werden ( z.b. Flüssiggastanks ) und sind daher technisch einfacher in der Herstellung. Die Speichergrößen sind im Verhältnis zum Innendruck aus festigkeitstechnischen und wirtschaftlichen Gründen begrenzt: ( DN 1500; PN 100 ) Untertagespeicher Die Speicherung von Brenngasen in gasförmigem oder flüssigem Zustand ( Erdgas / Propan-Butan ) ist auch in künstlich hergestellten Kavernen oder in ausgeförderten Lagerstätten möglich. Die obertägigen Anlagen bestehen dann aus Gasaufbereitung sowie aus Verdichtungs- und Transporteinrichtungen zum Ein- und Ausspeichern. Kavernen können in Salzstöcken ausgespült oder in gasdichte Gesteinsformationen in bergmännischer Weise eingearbeitet werden. Letztere Art der Speicherung findet man in Ländern mit Flüssiggas-Bevorratung und dem Vorhandensein entsprechender geologischer Strukturen Berechnung von Speichern Speicher der besprochenen Art sind direkt an das Netz gekoppelt. Dabei spielt es für die folgenden Berechnungen keine Rolle ob der Speicher getrennte oder gemeinsame Füll- und Entnahmeeinrichtung hat, da der Druckverlust in den Anschlüssen nicht betrachtet wird und im Speicher selbst kein Druckverlust auftritt. V-geo V-geo a b a Bild 6.2 : Anschlußschema von Kugel- und Rohrspeicher mit Benennungen V geom = geometrisches Volumen des Speichers V n-sp = im Speicher vorhandenes Gas im Normzustand ( Vn ) V n-sp-nutz = nutzbares Volumen zwischen p-max und p-min als Normvolumen V geom = r² π L ( Rohr ) V geom = ( 4 / 3 ) r³ π ( Kugel )

3 Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/ p max T n 1 V n - Sp = V geom ( m³ ) Gl. 6.1 p n T K max p max p min T n V n-sp-nutz = V geom - ( m³ ) Gl. 6.2 K max K min T p n P (bar) P max V n-sp V n-sp-nutz P m Bild 6.3 : Inhalt und Nutzvolumen eines Gaspeichers bei gegebenen Druckniveau P min V (m³) V ( m³/h) Mehrbedarf = V max = Überschuß V zusätzlich V mittel mittlere Abgabezeit für V zusätzlich Tageszeit ( h ) Bild 6.4 : Schematischer Verlauf der Gasabgabe und mittlerer Volumenstrom Speicherleitungen Gasleitungen transportieren nicht immer das Volumen, für welches sie ausgelegt wurden. Sie können daher in Schwachlastzeiten einen Überschuss an Gas speichern, welcher in der Zeit eines Mehrbedarfs zusätzlich zur Verfügung steht wie in Bild 6.4 schematisch dargestellt. Erfolgt der Betrieb mit einem mittleren Volumenstrom - kleiner als der Auslegungs-Volumenstrom so kann der Überschuss aus der Schwachlastzeit in der Starklastzeit als zusätzliches Volumen abgaben, d.h. ausspeichert werden. Bei zusätzlicher Abgabe des Überschusses in der Abgabezeit der Zusatzlast erhöht sich der Druckverlust der Leitung, was bei genauer Berechnung als zeitabhängiger Vorgang berücksichtigt werden müßte und die in Bild 6.4 gezeigten Druckverlaufskurven leicht verändern würde.

4 Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/ Eine Gasleitung wird für einen bestimmten Volumenstrom V max bei einem vorgegebenen Eingangsdruck p 1 und einem zulässigen Druckverlust p ausgelegt, welcher wiederum zum Mindestdruck am Leitungsende p 2 führt. Der Verlauf des Druckes über der Leitung wird durch Kurve a) in Bild 6.4 wiedergegeben. Mit V max ist die Leitung voll ausgelastet und kann nur ihre Transportaufgabe erfüllen. Ist die tatsächliche Belastung nun im späteren Betrieb niedriger ( V mittel ), so bleibt eine Transport- Reserve, d.h. die Leitung kann ein zusätzliches Volumen speichern ( V zus ). In diesem Falle sagt man, die Leitung atmet. Das zusätzliche Volumen kann zum Ausgleich zwischen Hoch- und Schwachlastzeiten herangezogen werden, wenn die Leitung immer noch mit den oben genannten Drücken p 1 und p 2 betrieben wird. Durch die reduzierte Belastung gegenüber dem Auslegungsfall ergeben sich zwei Druckverläufe für V mittel, einmal vom Einspeisedruck p 1 ausgehend ( Kurve b ) und einmal rückwärts gerechnet vom zulässigen Enddruck p 2 ( Kurve c), dargestellt in Bild 6.5. Das Atmungs- bzw. Speichervermögen der Leitung ( V sp,nutz ) ist als Fläche zwischen den beiden Druckniveaus b) und c) ersichtlich. Bei Steigerung des Durchsatzes bis zum Auslegungs- Volumenstrom V max gehen die Linien b) und c) in den Druckverlauf a) über. p (bar) p m1 p 11 a) b) p 12 p 21 p m2 c) p 22 Leitungslänge L ( m ) Bild 6.5 : Druckverlauf einer Gasleitung a) bei Vollast und für den Speicherbetrieb bei Teillast mit gleichbleibenden Anfangs- und Enddrücken b) und c) Zur Berechnung der Druckverluste auf den beiden Teillastniveaus werden die bekannten Formeln der Druckverlustberechnung verwendet. Einfach und verständlich ist dabei die Berechnung des oberen Druckverlaufes mit den Werten des Anfangszustandes ( p 11 ), für den unteren Verlauf empfehlen sich die Werte des Endzustandes ( p 22 ). Der Zusammenhang der beiden Zustandswerte läßt sich aus der Gasgleichung p V / Z = konstant für konstanten Durchmesser ableiten: V 1 w 1 p 2 K 1 ρ 1 p 1 K 2 = = Gl. 6.3 und = Gl. 6.4 V 2 w 2 p 1 K 2 ρ 2 p 2 K 1 Für die Berechnung des nutzbaren Speichervolumens im Normzustand dient Gleichung 6.2. Dabei werden die Drücke die Mitteldrücke der beiden Druckverläufe eingesetzt werden, welche auch zur Berechnung der zugehörigen Kompressibilitätsfaktoren dienen. p m1 p m2 T n V n-sp.leitung-nutz = V geom - ( m³ ) Gl. 6.5 K m1 K m2 T p n

5 Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/ Das so errechnete Nutzvolumen kann in der dafür vorgesehenen Nutzungszeit zusätzlich abgegeben werden. Es entspricht dem Volumen, welches in Bild 6.4 als Überschuss bzw. Mehrbedarf erscheint. Damit lässt sich für einen bekannten Tagesgang der Abnahme das erforderliche Nutzvolumen (Gl 6.5) und damit das erforderliche geometrische Volumen einer als Speicherleitung zu nutzenden Anschlußleitung für ein GVU berechnen. Bild 6.6: Verlegung eines mehrsträngigen Rohrspeichers aus Pipeline Rohren Aufgabe 6.1 Ein GVU hat den im folgenden Diagramm dargestellten Tagesgang der Gasabgabe in m n ³/h, Die Gasdaten sind: p e-max = 40 bar, p e-min = 2 bar; t gas = 10 C; K = 1 p abs / 500; p atm = 1 bar Volumenstrom ( m³/h ) Tagesgang - Gasverbrauch Tageszeit ( h )

6 Gasversorgung: Technologie und Alternative Energien, Prof. H. Pietsch Hochschule - München, Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik 03/ Der schwankende Gasabsatz soll durch einen Röhrenspeicher ohne Transportfunktion ausgeglichen werden. 1. Bestimmen Sie die Gesamt-Tagesabgabe ( m³/tag ) und den mittleren Volumenstrom ( m³/h ) im Normzustand mittels des oben stehenden Diagramms! 2. Wie groß ist das erforderliche Speicher-Nutzvolumen im Normzustand? 3. Welchen zusätzlich Normvolumenstrom müssen Sie während der Ausspeicherung liefern? 4. Welche mittlere Ausspeicherzeit können Sie verwirklichen? 5. Berechnen Sie das notwendige geometrische Volumen des Rohrspeichers! 6. Wie viele Rohre des Durchmessers 1,2 m sind notwendig, wenn das Grundstück eine Baulänge des Speichers von 54 m zulässt? 7. Versehen Sie das Diagramm mit einer zweiten y-achse und zeichnen Sie den Füllungszustand des Speichers über der Tageszeit ein! Aufgabe 6.2 Für Ihr Stadtwerk wurde eine Stahl - Anschlussleitung von 47,5 km Länge gebaut. Der transportierte Normvolumenstrom beträgt m³/h, der Überdruck am Leitungsbeginn ist 15,0 bar und der Minimaldruck am Leitungsende muss in jedem Fall 3,0 bar betragen, Gastemperatur t gas = 12 C. Die Gasgeschwindigkeit am Leitungsanfang beträgt w 1 = 5,0 m/s. Die Rohrreibungszahl für die Berechnungen soll zu λ = 0,015 angenommen werden. 1. Welche Art der Gasfortleitung muss beachtet werden und mit welcher Kompressibilitätszahl K sollte wohl bei der Planung gerechnet werden? ( Begründung ) 2. Zeichnen Sie den Verlauf des Überdruckes im Diagramm 2 als Gerade ein! 3. Berechnen Sie die Dichte des idealen Gases ( am Leitungsbeginn ) 4. Welchen Innen-Durchmesser hat die Leitung? 5. Sie können nach Verhandlung mit dem Vorlieferanten den Einspeisedruck in die Leitung Verdoppeln, das Transportvolumen bleibt gleich. Welcher Enddruck ergibt sich auf diesem oberen Druckniveau? ( λ = const.) 6. Bestimmen Sie das Speicher-Nutzvolumen der Leitung im Normzustand (arith. Mitteldrücke ). 7. Die Abnahme - Charakteristik in Ihrem GVU ist vereinfacht in Diagramm unten dargestellt. Kann das unter 3.6 berechnete Speicher-Nutzvolumen im Normzustand den Tagesgang ausgleichen? Gasverbrauch in 10³ ( m³ ) Gasverbrauch in 10³ m³/h Tagesgang des Gasverbrauches Tageszeit ( Std )