Seminar II/2012 - SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH
Seminar II/2012 - SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH
Seminar II/2012 - SOCON Sonar Control Kavernenvermessung GmbH
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Besonderheiten echometrischer<br />
Hohlraumvermessungen in<br />
gasförmigen Medien<br />
wie CH 4 , Luft, N 2 und H 2<br />
Frank Haßelkus, Dr. Andreas Reitze<br />
<strong>SOCON</strong> <strong>Sonar</strong> <strong>Control</strong> <strong>Kavernenvermessung</strong> <strong>GmbH</strong><br />
Giesen, Deutschland<br />
<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong><br />
Giesen • 22. November <strong>2012</strong><br />
<strong>SOCON</strong> <strong>Sonar</strong> <strong>Control</strong> <strong>Kavernenvermessung</strong> <strong>GmbH</strong> ‐<br />
<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Einführung<br />
Unabhängig vom Füllmedium müssen Kavernen überwacht werden<br />
Welche Unterschiede gibt es in den physikalischen Eigenschaften?<br />
Sind Hohlraumvermessungen in allen Medien mit:<br />
• dem gleichen Messverfahren möglich?<br />
• mit den gleichen Sonden möglich?<br />
Ergeben sich für bestimmte Medien besondere, erhöhte<br />
Sicherheitsanforderungen?<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Einführung<br />
Physikalische Grundlagen<br />
<strong>Sonar</strong> Laufzeitmessung<br />
Signalausbreitung Schallkeule<br />
v p<br />
T<br />
Entfernung: d = T •v p /2 [m]<br />
T: 2‐Weglaufzeit [s] v p : Schallgeschwindigkeit [m/s]<br />
Sendesignal<br />
‐ Laufzeit [ms] ‐ Antwortsignal<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Einführung<br />
Physikalische Grundlagen<br />
Medium (Dichte, chemische Zusammensetzung)<br />
Gebirge<br />
Schallgeschwindigkeit<br />
Druck<br />
Temperatur<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Unterschiede in physikalischer Hinsicht<br />
Was ist anders bei gasförmigen Medien als bei flüssigen?<br />
Die Dämpfung in gasförmigen Medien ist größer als in flüssigen<br />
Die Schallgeschwindigkeit ist in aller Regel niedriger<br />
Die Signalbündelung ist in aller Regel schlechter<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Dämpfung<br />
Sole<br />
Wasser<br />
Raffinierte Kohlenwasserstoffe<br />
H-Gas /hoher Druck<br />
Gas<br />
L-Gas /niedriger Druck<br />
Rohöl, Luft atm. Druck<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Dämpfung<br />
In Luft ist die Dämpfung viel zu groß um mit Ultraschall eine normale<br />
Kaverne vermessen zu können (Ausnahme kurze Entfernungen)<br />
Statt mit Ultraschall kann die Vermessung von Druckluft‐<br />
Kavernen (CAES‐Kavernen) mit Laser durchgeführt werden<br />
Da es aber bisher nur sehr wenige CAES Kavernen gibt, hat<br />
<strong>SOCON</strong> bisher keinen druckfesten Laser aufgelegt, d.h. die<br />
Vermessung kann in Luft nur unter atmosphärischem Druck<br />
stattfinden<br />
In Erdgas, Stickstoff und Wasserstoff kann aber mit Ultraschall<br />
gemessen werden<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Physikalische Grundlagen – Schallgeschwindigkeit<br />
2000<br />
Sole<br />
1920<br />
1790<br />
6500<br />
5000<br />
1000<br />
1550<br />
Wasser<br />
1450<br />
Rohöl<br />
1500<br />
Produkte 1200<br />
3000<br />
540<br />
Erdgas/N 2<br />
390<br />
1500<br />
375<br />
Luft 330<br />
0<br />
[m/s]<br />
Schallgeschwindigkeit<br />
0<br />
[ft/s]<br />
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Schallgeschwindigkeit von Gasen<br />
v<br />
<br />
<br />
<br />
T<br />
<br />
R m<br />
Ƙ = (f + 2)/ f<br />
R m = (R*1000)/ M<br />
f = Anzahl der Freiheitsgerade<br />
T = absolute Temperatur in Kelvin<br />
R = univ. Gaskonstante<br />
M = Molmasse<br />
Schallgeschwindigkeit ist umgekehrt proportional zur Wurzel der<br />
Molmasse<br />
H 2 : 2,016 g/mol CH 4<br />
: 16,043 g/mol N 2<br />
: 28,013 g/mol<br />
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Schallgeschwindigkeit von Gasen<br />
Gasart Freiheitsgrade Molmasse<br />
g/mol<br />
Wasserstoff 5 2.02<br />
Methan 15 16.04<br />
Stickstoff 5 28.01<br />
Luft 5 28.96<br />
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Schallgeschwindigkeiten bei 150 bar und 40°C<br />
V [m/s]<br />
1600<br />
1400<br />
1479<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
398 408 438 482<br />
200<br />
0<br />
Luft Stickstoff H-Gas Methan Wasserstoff<br />
Gasart<br />
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Messergebnisse in verschiedenen Medien<br />
H –Gas<br />
ca. 136 bar<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Messergebnisse in verschiedenen Medien<br />
L –Gas<br />
ca. 144 bar<br />
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Messergebnisse in verschiedenen Medien<br />
L –Gas<br />
ca. 104 bar<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Messergebnisse in verschiedenen Medien<br />
L –Gas<br />
ca. 194 bar<br />
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Messergebnisse in verschiedenen Medien<br />
Solekaverne<br />
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Schallgeschwindigkeitslog in Stickstoff<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Messergebnisse in verschiedenen Medien<br />
N 2 ‐Kaverne<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Diffusion<br />
Die Brownsche Molekularbewegung führt nach genügend langer Zeit<br />
zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe, wie<br />
z.B. Wasserstoff und Luft. Wasserstoff hat in Luft einen sehr hohen<br />
Diffusionskoeffizienten von 6,1 x 10 ‐5 m²/s.<br />
Andere Gase haben in Luft deutlich niedrigere Diffusionskoeffizienten:<br />
Methan 1,6 x 10 ‐5 m²/s<br />
Benzindampf 0,5 x 10 ‐5 m²/s.<br />
Diffusion gleicht Konzentrationsunterschiede aus aber keine<br />
Druckunterschiede (Effekt wirkt im Nano‐ bis Mikrometerbereich)<br />
darüber überwiegt in Gasatmosphären meist Konvektion<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Diffusion/Permeation<br />
Diffusion kann auch durch poröse Strukturen erfolgen<br />
im atomaren Maßstab sind die meisten uns fest erscheinenden<br />
Stoffe mehr oder weniger gitterartig, und man spricht bei makroskopisch<br />
dichten Materialien wie z.B. Behälterwänden dann auch von<br />
Permeation.<br />
Die Permeation wird durch Konzentrationsunterschiede ausgelöst, die<br />
bei Drucktanks z.B. durch Druckunterschiede hervorgerufen werden.<br />
Druckwasserstoff in Speicherbehältern wandert umso schneller durch<br />
Behälterwandmaterialien je höher der Speicherdruck ist und je höher<br />
die Materialtemperatur steigt.<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Diffusion/Permeation<br />
Im Dezember 1998 fand man bei Abrissarbeiten auf dem Gelände<br />
einer Chemiefirma bei Frankfurt zwei große Gasflaschen mit Wasserstoff,<br />
die seit den 1930er Jahren dort gestanden hatten. Von dort aus<br />
waren nämlich die Zeppeline auf dem Frankfurter Flughafen mit<br />
Wasserstoff versorgt worden.<br />
Als nach dem Hindenburg‐Unglück von 1937 kein Gas mehr<br />
gebraucht wurde, hatte man die beiden Behälter offenbar total<br />
vergessen.<br />
Die Flaschen waren immer noch voll!<br />
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Besonderheiten H 2<br />
Diffusion/Permeation<br />
Bei Metallbehältern ist das Problem der Diffusion durch die<br />
Behälterwand ohne jede praktische Bedeutung, weil die Geschwindigkeit<br />
dieses Prozesses viel zu gering ist.<br />
Die Strukturoberflächen können passiviert werden, was das<br />
Eindringen von Wasserstoff verhindert.<br />
Bei Tanks kein Problem (siehe auch Wasserstoff‐Autos)<br />
Spezielle Beschichtung der Sonden nötig?<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Diffusion/Permeation<br />
Titan, Edelstahl, Bronze bilden eine<br />
Schutzschicht aus<br />
Verweildauer der Sonde im<br />
Wasserstoff ist vgl. kurz<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Diffusion/Permeation<br />
Viton als Material hat eine sehr gute<br />
Wasserstoffbeständigkeit<br />
z.B. in den Druckausgleichsbereichen<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Materialversprödung<br />
Wasserstoff diffundiert besonders schnell in andere Gase z.B. in Luft<br />
In Rohrleitungen und auch Speicherbehältern kann es vorkommen,<br />
dass auch H + ‐Ionen (ionisierter Wasserstoff) entstehen, die noch<br />
kleiner ist als das H 2 ‐Molekül und so relativ einfach in Metalle hinein<br />
diffundieren und in bestimmten Stählen und bei besonderen<br />
Bedingungen Versprödungen hervorrufen kann.<br />
In den weltweit in Betrieb befindlichen mehr als 2.000 km H 2 ‐<br />
Industriepipelines hat dieser theoretisch mögliche Effekt aber bisher<br />
nie zu Problemen geführt. Man legt diese Systeme für H 2 ‐Gas<br />
geeignet aus, damit sie bei gegebenem Druckniveau sicher betrieben<br />
werden können.<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten H 2<br />
Explosionsgefahr<br />
Beim Schleuse‐ Fluten/Entlasten ähnliche Problematik<br />
bei Erdgas und Wasserstoff<br />
zündfähiges Gemisch bei:<br />
Methan: von 4,4 Vol.% bis 16,5 Vol.%<br />
Wasserstoff: von 4 Vol.% bis 76 Vol.%<br />
Sonden dürfen nur bei vollgefluteter Schleuse ein‐ bzw. ausgeschaltet<br />
werden<br />
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Besonderheiten H 2<br />
Explosionsgefahr<br />
Schleusenequipment unterscheidet sich sonst nicht weiter<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Negativer Joule‐Thomson Koeffizient bei H 2<br />
H 2 -Gas<br />
Verfahren 60°C<br />
50 °C<br />
40 °C<br />
30 °C<br />
20 °C<br />
250 bar<br />
200 bar<br />
150 bar<br />
100 bar<br />
50 bar<br />
AGA8 (K/MPa) -0.45 -0.42 -0.39 -0.37 -0.35<br />
Gerg2004 (K/MPa) -0.44 -0.41 -0.38 -0.35 -0.32<br />
H-Gas<br />
Verfahren 60°C 50 °C 40 °C 30 °C 20 °C<br />
250 bar 200 bar 150 bar 100 bar 50 bar<br />
AGA8 (K/MPa) 1.06 1.61 2.51 3.62 4.8<br />
Gerg2004 (K/MPa) 1.07 1.65 2.52 3.61 4.8<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Vergleich H‐Gas mit H 2<br />
Vergleich H-Gas mit H2<br />
50<br />
45<br />
Cavern-T H2 (degr.C)<br />
Cavern-T Hgas<br />
Kavernentemperatur (°C)<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
0 200 400 600 800 1000 1200 1400<br />
Zeit (Tage)<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Vergleich H‐Gas mit H 2<br />
Vergleich H-gas mit H2<br />
240<br />
220<br />
Cavern-P H2 (bar)<br />
Cavern-P Hgas<br />
Kavernendruck (bar)<br />
200<br />
180<br />
160<br />
140<br />
120<br />
100<br />
80<br />
0 200 400 600 800 1000 1200 1400<br />
Zeit (Tage)<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Zusammenfassung und Ausblick<br />
Abhängig von der Entwicklung in der Energiepolitik wird sich in den<br />
nächsten Jahren zeigen, in welcher Form Kavernen verstärkt genutzt<br />
werden<br />
Es ist möglich in allen in Frage kommenden Medien Hohlraumvermessungen<br />
durchzuführen (CAES‐Kavernen???)<br />
In Bezug auf Wasserstoff stellt die erhöhte Beimischung von Wasserstoff<br />
zum Erdgas aus messtechnischer Sicht kein Problem dar<br />
Die Vermessung einer reinen Wasserstoffkaverne sollte auch kein<br />
Problem darstellen, aber es sollten noch Materialprüfungen/‐tests<br />
durchgeführt werden, um Schäden am Equipment auszuschließen<br />
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<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong>
Besonderheiten echometrischer<br />
Hohlraumvermessungen in<br />
gasförmigen Medien<br />
wie CH 4 , Luft, N 2 und H 2<br />
Frank Haßelkus, Dr. Andreas Reitze<br />
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Giesen, Deutschland<br />
<strong>Seminar</strong> <strong>II</strong>/<strong>2012</strong><br />
Giesen • 22. November <strong>2012</strong><br />
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