Eine neue Studie hat die Herausforderungen des Wasserstofftransports in bestehenden Gaspipelines hervorgehoben, angesichts der Bemühungen, mit der Beimischung kohlenstoffarmer Kraftstoffe in bestehende Gassysteme zu experimentieren.
Die Studie kam zu dem Schluss, dass die derzeitige Gasinfrastruktur ohne erhebliche Investitionen oder Betriebsänderungen, die die den Kunden bereitgestellte Energiemenge erheblich reduzieren würden, mit Wasserstoff „größtenteils unbrauchbar“ ist.
Viele sehen den Ersatz von kohlenstofffreiem oder kohlenstoffarmem Wasserstoff durch Erdgas als attraktives Instrument zur Dekarbonisierung, da dadurch teure Infrastruktur mit großem wirtschaftlichen Wert wiederverwendet werden kann.
Die Studie zeigte jedoch, dass es aufgrund seiner unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften im Vergleich zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, viele ungelöste Herausforderungen bei der Verwendung von Wasserstoff in der derzeitigen Erdgasinfrastruktur gibt.
Diese Unterschiede haben erhebliche Auswirkungen auf die gesamte Wertschöpfungskette von Erdgas, einschließlich Produktion, Ferntransport, lokaler Verteilung, Speicherung und Endverbrauch.
Auch auf arabischer und globaler Ebene haben Algerien und dann Marokko (in der Reihenfolge der Ankündigung) den Wunsch geäußert, die Möglichkeit des Exports von Wasserstoff in den bestehenden Erdgaspipelines in jedem der beiden Länder zu prüfen.
Algerien ist über Pipelines mit Europa verbunden, darunter eine direkte Pipeline mit Spanien, die Medgas-Pipeline, während Marokko über die Pipeline „Maghreb-Europa“ verfügt, die es auch direkt mit Spanien verbindet, über die algerisches Gas nach Madrid exportiert wurde, bevor die Vertragsverlängerung am 31. Oktober 2021 eingestellt wurde.
– Wasserstofftransport :
Die Studie stellte fest, dass Wasserstoff unter der Annahme attraktiv ist, dass das riesige globale Netzwerk der Erdgasinfrastruktur als Teil der kohlenstofffreien Energiezukunft für seinen Transport wiederverwendet werden kann.
Daher verstärken Versorgungsunternehmen und Regierungen ihre Bemühungen, mit der Beimischung von kohlenstoffarmem Wasserstoff in bestehende Erdgassysteme zu experimentieren, schnell, viele mit dem Ziel, schließlich auf reinen Wasserstoff umzusteigen.
Wasserstoff hat jedoch grundlegend andere physikalische und chemische Eigenschaften als Erdgas, was erhebliche Folgen für Sicherheit, Energieversorgung, Klima und Kosten hat. Insgesamt mag die Umrüstung des Erdgassystems auf Wasserstoff zwar auf den ersten Blick attraktiv erscheinen, doch die begrenzte Praktikabilität, die Risiken und die Datenlücken deuten stark darauf hin, dass der Ersatz durch ähnliches Gas nur begrenzte Vorteile bei erhöhtem Risiko bietet, selbst wenn große technische und wirtschaftliche Hürden überwunden werden.
Die weitere Abhängigkeit von Erdgas ist jedoch keine praktikable Option zur Bewältigung der Klimakrise.
Die Studie „Eine Überprüfung der Herausforderungen bei der Verwendung eines Erdgas-Wasserstoff-Systems“ kommt zu dem Schluss, dass die Beimischung von Wasserstoff viele der Herausforderungen überwinden kann, aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff jedoch nur eine bescheidene Reduzierung der globalen Treibhausgasemissionen bietet.
Darüber hinaus ist der Übergang zu reinem Wasserstoff (d. h. 100 % Wasserstoff) ohne erhebliche Upgrades und Ersetzungen nicht möglich, und selbst wenn die technischen und wirtschaftlichen Hindernisse überwunden werden, bleiben ernsthafte Umwelt- und Sicherheitsrisiken bestehen.
- – Machbarkeit des Transports von Wasserstoff in Gaspipelines:
Die am 18. August 2024 im Journal of Energy Science and Engineering veröffentlichte Studie kam zu dem Schluss, dass die derzeitige Infrastruktur ohne Reduzierung des Druckniveaus (was zu einer erheblichen Verringerung der Energieflussraten führt) oder erhebliche Investitionen, die oft auf unbewiesenen Lösungen beruhen, größtenteils unbrauchbar ist.
Darüber hinaus müssen die zum Transport von Erdgas verwendeten Geräte irgendwann ersetzt werden, und selbst dann stehen sie immer noch vor Sicherheits- und Gesundheitsproblemen, die mit neuen Lösungen überwunden werden müssen.
Obwohl viele der mit dem Einsatz reiner Wasserstoffenergiesysteme verbundenen Bedenken durch die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas gemildert werden können, wird dies nicht zur Dekarbonisierung der Wirtschaft beitragen, da es keinen schrittweisen Übergang zu reinem Wasserstoff ermöglicht und nur eine geringe Reduzierung der Treibhausgasemissionen bewirkt.
Die Vorteile reduzierter Treibhausgasemissionen sind aufgrund der sehr geringen volumetrischen Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu dem Gas, das er ersetzt, begrenzt. So entspricht beispielsweise eine Beimischung von 20 % Wasserstoff (nach Volumen) in Erdgas nur etwa 7 % Wasserstoff nach Energiegehalt und bedeutet im besten Fall nur eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 7 % pro Joule Wärme, die bei der Verbrennung erzeugt wird. Darüber hinaus birgt die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas aufgrund von Leckagen und Stickoxidemissionen immer noch Sicherheits- und Klimarisiken.
- – Lösungen für den Wasserstofftransport: Funktionieren sie?
Erdgas wird aus Quellen gefördert und über Sammelleitungen zu Verarbeitungsanlagen geleitet, wo ein Gasgemisch hergestellt wird, das den Pipeline-Spezifikationen entspricht.
Die Studie ergab, dass neue Infrastruktur erforderlich wäre, um die Wasserstoffproduktionsanlagen zu erweitern und Wasserstoff dann zur Erdgastransportinfrastruktur zu transportieren.
Obwohl Erdgasverarbeitungsanlagen nicht für die Handhabung von Wasserstoff ausgelegt sind, können einige Teile geborgen und transportiert werden.
Die Studie betonte auch, dass Pipeline-Ausfälle aufgrund möglicher Verstopfungen, Brände und Explosionen ein Problem darstellen und dass externe Inspektionen schwierig sind, da Erdgaspipelines normalerweise vergraben sind, und man sich stark auf interne Inspektionen verlässt, um die Integrität des Rohrmaterials zu überprüfen.
Daher besteht ein erhebliches Risiko eines vorzeitigen Ausfalls, wenn Erdgaspipelines zum Transport von Wasserstoff wiederverwendet werden, aber es wurden mehrere Lösungen vorgeschlagen, von denen jede zusätzliche Herausforderungen mit sich bringt.
Erstens kann Wasserstoff unterhalb eines bestimmten Grenzwertes, bei dem der Wasserstoffpartialdruck begrenzt ist, mit Erdgas gemischt werden. Dies schränkt jedoch das Potenzial zur Dekarbonisierung durch die Verwendung von Wasserstoff stark ein, da es nicht sicher ist, höhere Beimischraten anzustreben, ohne die Pipelines vollständig zu sanieren oder zu ersetzen.
Zweitens ist es manchmal möglich, eine Erdgaspipeline mit einer Auskleidung oder Beschichtung zu versehen, um sie vor Korrosion zu schützen. Dies hat einige zu der Annahme veranlasst, dass eine Auskleidung oder Beschichtung ein Mittel zum Schutz bestehender Gaspipelines vor wasserstoffbedingten FKWs darstellen könnte. Dies kann jedoch technisch und logistisch eine Herausforderung darstellen.
Drittens erfordert die Umnutzung bestehender Gaspipelines zum Transport von Wasserstoff aufgrund von Konstruktionsvorschriften und -standards häufig eine Reduzierung des Druckniveaus auf mindestens die Hälfte bis ein Drittel des ursprünglichen Drucks, und ein Druckabfall dieser Größenordnung stellt eine sehr erhebliche Verringerung der Energietransportkapazität der Pipeline dar.
- – Wasserstoff-Mischungsverhältnis in Gasleitungen:
Die Ergebnisse dieser neuen Studie bestätigen, was der Gasindustrieexperte der Organisation Arabischer Erdöl exportierender Länder (OAPEC), Ingenieur Wael Hamed Abdel-Moaty, zuvor in einem von der spezialisierten Energieplattform (mit Sitz in Washington) veröffentlichten Artikel angegeben hatte.
Er hob die Nutzung bestehender Erdgasübertragungsnetze zum Transport von Wasserstoff hervor, um die hohen Kapitalkosten für den Bau neuer Wasserstoffnetze einzusparen.
Abdel-Moaty wies darauf hin, dass die Erdgasindustrie über umfangreiche Übertragungs- und Verteilungsnetze verfügt, die sich über viele Länder der Welt erstrecken und eine Gesamtlänge von fast 3 Millionen Kilometern aufweisen.
Er betonte, dass die Verwendung von Erdgasleitungen zum Transport von Wasserstoff nicht neu sei, sondern wasserstoffreiches Erdgas zu Beginn des 20. Jahrhunderts in mehreren Ländern als Stadtgas verwendet wurde, darunter in Großbritannien und den Vereinigten Staaten.
Der Wasserstoffanteil im Gasgemisch erreichte etwa 50 %, aber gleichzeitig waren die damals verwendeten Geräte (zum Kochen und Heizen) so konzipiert, dass sie mit wasserstoffreichem Gas funktionierten, so der OAPEC-Experte.
Abdel-Moati sagt: „Auf der Grundlage dieses alten Erbes haben einige Länder begonnen, die maximal zulässigen Grenzwerte für die Beimischung von Wasserstoff zu Gas in bestehenden Gastransportnetzen zu untersuchen, ohne den Endverbrauchern Schaden zuzufügen oder grundlegende Umbauten in den Gasnetzen zu erfordern, die die neue Mischung (Wasserstoff-Erdgas-Gemisch) transportieren werden.“
Weltweit sind Unternehmen, die Erdgastransport- und -verteilungsnetze betreiben, dafür verantwortlich, die zulässigen Grenzwerte für den Wasserstoffanteil im Erdgas festzulegen, um die für einige Sektoren erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen.
Die Länder unterscheiden sich hinsichtlich des lokal zulässigen Wasserstoffanteils im Gasgemisch, da der Prozentsatz zwischen 2 und 6 % liegt und in Deutschland 10 % erreicht, jedoch in bestimmten Fällen, einschließlich Gebieten, in denen keine Erdgastankstellen an das Netz angeschlossen sind.
Das folgende Diagramm – erstellt von der spezialisierten Energieplattform – zeigt den Prozentsatz der Wasserstoffbeimischung in Gasnetzen in einigen Ländern:
