DVS_Bericht_392LP

Umstellung von Erdgasröhrenspeichern auf die Nutzung mit
Wasserstoff
G. Stadie, C. Mayer, Köln
Neben der Umstellung von Gastransportleitungen und Gasverteilnetzen stellt sich im Rahmen der Dekarbonisierung
auch die Frage, ob die bestehenden Erdgasspeicher auch eine weitere Verwendung finden können.
Im Rahmen dieses Papers werden anhand eines Erdgasröhrenspeichers die Möglichkeit und die notwendigen
Schritte für eine Umstellung auf die Speicherung von Wasserstoff erörtert.
1 Einleitung
Vor dem Hintergrund der Dekarbonisierung der Energieversorgung ist neben dem Ausbau der erneuerbaren
Energien auch der Ausbau einer Wasserstoffinfrastruktur vorgesehen [1]. Beim geplanten Ausbau der Windund
Photovoltaikstromerzeugung sind größere Speicherpotentiale erforderlich, da die Energieerzeugung mit
Hilfe von Wind und Sonnenenergie naturbedingt Schwankungen unterliegt. Um ein Herunterregeln der erneuerbaren
Energiegewinnung zu vermeiden, kann beispielsweise die Energie zur Erzeugung von Wasserstoff
genutzt werden. Wenn dieser nicht direkt genutzt werden kann, muss er zwischengespeichert werden. Dazu
könnten ggf. bereits bestehende Gasspeicher genutzt werden.
Tendenziell lassen sich die aktuellen Erdgasspeicher in drei Kategorien einteilen: Kavernenspeicher, Porenspeicher
und Röhrenspeicher. Kavernen- und Porenspeicher sind Untertagespeicher und werden für die Langzeitspeicherung
von Erdgas verwendet. Erdgasröhrenspeicher bestehen aus eingeerdeten parallel-mäanderförmig
aneinandergereihten Rohrleitungen. Sie werden im Wesentlichen für kurzfristige Lastspitzenabdeckung
verwendet, da ihr Inhalt schnell und in großem Maß verfügbar ist. Die Eignung dieser Röhrenspeicher für die
Verwendung mit Wasserstoff wird in den folgenden Kapiteln näher betrachtet.
2 Änderungen durch die Änderung des Betriebsmediums
Für das Vorgehen bei der Änderung des Betriebsmediums von Erdgas auf Wasserstoff bestehen gut regelte
Abläufe für Transportleitungen [2] und Verteilnetze [3]. Für Röhrenspeicher, die im Wesentlichen aus Rohren
bestehen, kann analog vorgegangen werden. Jedoch unterscheiden sich die auftretenden Belastungen und
Randbedingungen eines Röhrenspeichers von den Betriebsparametern einer typischen Transportleitung. Bei
der Speicherung ist eine deutlich höhere Anzahl von Lastwechseln anzunehmen, die aus dem Bestreben einer
möglichst wirtschaftlichen Nutzung des Speichers resultiert. Um diesem Rechnung zu tragen, wird z. B. eine
Rissfortschrittsberechnung, siehe Kapitel 4, durchgeführt.
Um den Anforderungen insbesondere auf den mechanischen Zustand des Speichers gemäß BetrSichV [4]
gerecht zu werden, müssen hier zusätzlich die mit Wasserstoff einhergehen könnenden Schädigungsmechanismen,
wie Risswachstum durch geeignete Prüfkonzepte, berücksichtigt werden. Für eingeerdete Röhrenspeicher
muss daher im Rahmen der Prüfung der Umstellung auch ein geeignetes Prüfkonzept erstellt werden.
Durch die Erdverlegung müssen für die äußere Prüfung gemäß BetrSichV Ersatzmaßnahmen definiert werden.
Da die verbauten Rohrbögen eine innere Prüfung mittels UT oder MFL-Inspektionsmolch meistens verhindert,
müssen auch hier Ersatzmaßnahmen definiert werden, um potenzielle Schadensentwicklungen rechtzeitig
erkennen zu können.
3 Materialeignung für Wasserstoff
Bei den typischerweise eingesetzten Stählen in Röhrenspeichern besteht potenziell die Gefahr einer Versprödung
des Materials und damit eines beschleunigten Risswachstums. Dies ist sowohl bei der Eignung der
Werkstoffe also auch bei der bruchmechanischen Bewertung, siehe Kapitel 4, zu berücksichtigen.
Für die Bewertung der Eignung der Werkstoffe enthält z. B. AD 2000 S2 Informationen [5]. Hier ist allerdings
der Anwendungsbereich auf Werkstoffe mit einer Mindeststreckgrenze bis 500 MPa beschränkt. Da aber auch
Röhrenspeicher aus Rohren mit größeren Streckgrenzen, z. B. X80/L555, existieren, muss auf andere Mittel
zur Werkstofftauglichkeit zurückgegriffen werden. Viele Werkstoffe wurden bereits im Forschungsvorhaben
SyWest H2 [6] des DVGW untersucht. Der Forschungsbericht kann als Erkenntnisquelle für die am häufigsten
verwendeten Stähle herangezogen werden. Bei unzureichender Informationslage über die Werkstoffe sind die
notwendigen Werkstoffkennwerte experimentell unter Wasserstoffatmosphäre zu ermitteln, um die Eignung
des Werkstoffes nachzuweisen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn Material z. B. aus der Bauphase noch vorhanden
ist.
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