Grundlagen Erdgastransport und -verteilung

Prof. Dr.-Ing. Joachim Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme Institut fr Erdl- und Erdgastechnik Sommersemester 2013

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 2 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

bersicht

1. Einfhrung und Grundlagen 2. Entwicklung der Gasversorgung 3. Aktueller Stand der Erdgasversorgung 4. Entstehung, Produktion und Aufbereitung 5. Erdgastransport 6. Erdgasspeicherung 7. Erdgasverteilung 8. Technische Sicherheit und Regelwerke 9. Wirtschaftliche Rahmenbedingungen und Regelwerke

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 3 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen Erdgastransport und -verteilung

Wesentliche Eigenschaften von Erdgas und anderen Energiegasen Einordnung in die Versorgungs- und Wertschpfungskette

der Gasversorgung

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 4 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (1)

Die Gasversorgung dient der Bereitstellung nutzbarer Gase beim Endverbraucher. Die Nutzung erfolgt in der Regel energetisch,

berwiegend durch Verbrennung (thermische Energiewandlung), in seltenen Fllen durch elektrochemische Energieumwandlung ;

daneben gibt es auch eine stoffliche Nutzung von Gasen. Gasversorgungssysteme beinhalten mehrere technische Schritte, um die

Gasversorgung zu gewhrleisten. Gasversorgungssysteme knnen technisch (Versorgungskette) und

wirtschaftlich (Wertschpfungskette) betrachtet werden. Zur Gewhrleistung der Versorgung sind Gasqualitt und Verbrauchsgerte

aufeinander abgestimmt und mssen hierfr geeignete technische Spezifikationen (Normen und Standards) einhalten.

Zustzliche Vorgaben sind einzuhalten, um die technische Sicherheit der Gasversorgung zu gewhrleisten.

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 5 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (2)

Gase knnen, wie andere Energietrger auch, danach unterschieden werden, ob sie der ursprnglichen Gewinnung fr die energetische Nutzung entstammen

(Primrenergietrger), fr weitere Verwendungen oder den Transport umgewandelt oder

aufbereitet werden (Sekundrenergietrger) und/oder unmittelbar bei Letztverbrauchern verwendet werden knnen

(Endenergietrger) und damit Nutzenergie oder Energiedienstleistungen bereitstellen.

Fr eine energetische, wirtschaftliche und/oder umweltbezogene Bewertung ist stets zu bercksichtigen, welche Umwandlungsstufe bzw. welcher Teil einer Versorgungskette betrachtet wird.

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 6 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (3) Ausgewhlte Umwandlungsketten zur Bereitstellung gasfrmiger

Energietrger

Erdgas

Erdl

Kohle

Biomasse

Windenergie, Sonnenenergie,

Wasserkraft, Erdwrme

Uran

Elektrische Energie

Strom-erzeugung

Vergrung

Raffination

Vergasung, Teilverbrennung,

Reformierung

Elektrolyse

Synthesegas

Wasserstoff

Erdgas

Primrenergietrger Sekundrenergietrger Endenergietrger

Aufbereitung

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 7 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (4) Synthesegase (z. B. Hochofengas, Kokereigas, Stadtgas)

knnen in technischen Verfahren als Begleitprodukte entstehen oder in eigens zur Gaserzeugung betriebenen Prozessen erzeugt werden.

Erdgas (Natural Gas) wird aus fossilen Vorkommen gefrdert und aufbereitet.

Gaserzeugung ist ferner ber biologische Prozesse mglich z. B. Erzeugung von Klrgas oder Deponiegas und insbesondere Biogas.

Biogas kann bei entsprechender Aufbereitung zu Bioerdgas ins ffentliche Netz eingespeist und in allen Verwendungszwecken genutzt werden.

Wasserstoff kann als Sekundr- oder Endenergietrger knftig eine wichtige Rolle spielen und neue Kombinationen der Gaserzeugung und nutzung ermglichen.

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 8 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (5) Wesentliche Gasbestandteile der blichen Energiegase sind

als Energietrger Wasserstoff (H) und chemische Verbindungen von Kohlenstoff (C), als inerte Bestandteile Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2):

Wesentliche Begleitstoffe, die vor einer Nutzung in der Regel entfernt werden mssen, sind Staub, Wasser und Schwefelverbindungen.

Gas Anteile [Mol-%] H2 CO CH4 CnHm CO2 N2

Hochofengas 4 21 22 53

Kokereigas 55 6 25 2 2 10

Erdgas L 82 3 1 14

Erdgas H 93 5 1 1

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 9 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (6) Die energetische Nutzung erfolgt in der Regel durch Verbrennung

(Brenngase) und ggf. weitere Umwandlung der thermischen Energie. Die mageblichen chemischen Reaktionen basieren auf der

Oxidation von Kohlenstoff: C + O2 CO2 Oxidation von Wasserstoff: H2 + O2 H2O

Die Wasserstoffoxidation kann in Brennstoffzellen elektrochemisch ablaufen. Methan kann hierfr zuvor umgewandelt werden: Reformierung: CH4 + 2 H2O 4 H2 + CO2 Anodenreaktion: H2 2 H+ + 2 e-

Kathodenreaktion: O2 + 2 H+ + 2 e- H2O

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 10 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen der Gasversorgung (7) Je nach Anteilen der verschiedenen Bestandteile variieren die

Eigenschaften (molare Masse, Gaskonstante, Dichte etc.) und insbesondere der Energieinhalt der Gase, Brennwert (superior heating value, Hs) mit Kondensation und Heizwert (inferior heating value, Hi) ohne Kondensation des bei der

Verbrennung entstehenden Wassers.

Gas Brennwert (Hs)

[kWh/m]

Heizwert (Hi)

[kWh/m] Methan 11,064 9,971

Wasserstoff 3,540 2,995

Hochofengas 0,897 0,874

Kokereigas 5,502 4,891

Erdgas L 9,774 8,819

Erdgas H 11,449 10,337

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 11 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgas als Energietrger (1)

Erdgas ist ein Brenngas fossilen Ursprungs und gehrt ebenso wie Erdl und Kohle zu den natrlich brennbaren organischen Rohstoffen.

Erdgas ist ein Gemisch aus Methan, Stickstoff und geringen Anteilen anderer Kohlenwasserstoffe (Ethan, Propan, Butan und weitere Kohlenwasserstoffverbindungen). Ferner sind geringe Mengen Kohlendioxid enthalten

Erdgas ist unsichtbar, geruchlos, hat eine geringere Dichte als Luft und eine Zndtemperatur rd. 600 C.

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 12 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgas als Energietrger (2)

DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfachs e.V.

legt die technischen Anforderungen an Brenngase der ffentlichen Gasversorgung fest,

setzt die technischen Rahmenbedingungen fr Gaslieferungen und den Betrieb von Gasanlagen und Gasgerten.

Das DVGW-Regelwerk ist Basis fr die Normung, Entwicklung und Prfung von gastechnischen Produkten.

Die Technische Regel Arbeitsblatt G 260 unterscheidet drei Gasfamilien:

1. Gasfamilie: Wasserstoffreiche Gase (Stadtgas, Kokereigas)

2. Gasfamilie: Methanreiche Gase (Erdgas)

3. Gasfamilie: Flssiggase

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 13 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgas als Energietrger (3)

Gasfamilien nach DVGW G 260

Brenntechnische Kenndaten nach DVGW G 260

Gasfamilie Hauptbestandteil Gruppe

1 Wasserstoff H2 A: Stadtgas B: Kokereigas

2 Methan CH4 L: Erdgas L H: Erdgas H

3 Propan C3H8, Butan C4H10 (Flssiggas)

1. Propan 2. Butan

Kennwert Einheit Gruppe L Gruppe H

Wobbeindex - Gesamtbereich - Nennwert

kWh/m 10,5 - 13,0 12,4

12,8 - 15,7 15,0

Brennwert kWh/m 8,4 13,1 8,4 13,1

Relative Dichte - 0,55 0,75 0,55 0,75

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 14 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgas als Energietrger (4) Vergleich Nordsee-Erdgas (Nordverbundgas) und Russisches Erdgas

Analysewerte Nordsee-Erdgas Russisches Erdgas

Methan CH4 [Vol-%] 90,02 97,25

Ethan C2H6 [Vol-%] 4,80 1,25

Propan C3H8 [Vol-%] 0,74 0,48

Butan C4H10 [Vol-%] 0,21 0,09

Kohlendioxid CO2 [Vol-%] 1,03 0,06

Stickstoff N2 [Vol-%] 3,13 0,85

Sauerstoff O2 [Vol-%] 0,00 0,00

Kennwerte Nordsee-Erdgas Russisches Erdgas

Brennwert Hs,n [kWh/m] 11,21 11,18

Heizwert Hi,n [kWh/m] 10,12 10,08

Dichte (Normzustand) [kg/m] 0,79 0,74

Dichteverhltnis [kWh/m] 0,61 0,57

Oberer Wobbeindex [kWh/m] 14,32 14,78

Methanzahl MZ ca. 82 ca. 94

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 15 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgas als Energietrger (5) Erdgas ist ein sauberer, umweltschonender, effizienter und zuverlssiger

Energietrger. Im Vergleich zu Kohle und Erdl weist Erdgas das gnstigste Verhltnis

Kohlenstoff : Wasserstoff auf. Bei Verbrennung von Erdgas ist daher die Freisetzung von Kohlendioxid CO2 geringer.

Auch bei der Emission sonstiger Schadstoffe (vor allem bei Schwefeldioxid SO2 und Staub, aber auch bei Stickoxiden NOX) schneidet Erdgas gegenber anderen fossilen Energietrgern gnstiger ab.

Durch Biogas, Wasserstoff oder so genanntes Windmethan, Solarmethan etc. kann eine vollstndig klimaneutrale Gasversorgung erfolgen.

Quelle: ASUE

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 16 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Grundlagen Erdgastransport und -verteilung

Wesentliche Eigenschaften von Erdgas und anderen Energiegasen Einordnung in die Versorgungs- und Wertschpfungskette

der Gasversorgung

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 17 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Upstream

Exploration und Frderung und unmittel-bar angrenzende Schritte

Midstream Transport ber groe

Entfernungen und saisonale Speicherung

Downstream Verteilung ber kurze

Entfernungen und Versorgung von Endkunden

Quelle: BGW

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 18 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Upstream

Frderung

Drcke bis in den Bereich von 1.000 bar

Trocknung, Schwefelabtrennung, Druckreduktion

Transport vom Gasfrderfeld

Stahlsorten wie X70 (480 N/mm), X80 (550 N/mm)

Druckbereich 35 ... 200 bar

Typische Durchmesser DN 600 ... 800 mm

Typischerweise kurze Entfernungen bis zu einigen hundert km

Quelle: Eon Ruhrgas

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 19 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Midstream (1)

Leitungstransport (Pipelines) Stahlleitungen Typischer Druckbereich 50 ... 100

bar Typische Strmungsgeschwindigkeit

im Bereich von 10 ... 20 m/s Typische Transportentfernungen

viele hundert bis einige tausend km Schiffstransport (LNG)

Verflssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas)

Verflssigung bei -161C Volumenreduktion ~ um Faktor 600 Typische Transportentfernungen

viele tausend km

Quelle: RWE/Hansa

Quelle: Eon Ruhrgas

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 20 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Midstream (2)

Quelle: BGR

Transportalternativen und ihre Kosten

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 21 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Midstream (3)

Saisonale Speicherung Die Frderung von Erdgas erfolgt aus wirtschaftlichen und technischen

Grnden mglichst gleichmig. Die Nachfrage schwankt vor allem witterungsbedingt stark. Speicher sorgen fr den ntigen Ausgleich und sttzen die

Versorgungssicherheit.

Quelle: VNG

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 22 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Downstream (1)

Leitungstransport ber vermaschte Verteilnetze Typischer Druckbereich 1 ... 4 bar, Kleinkundenanschlsse in

Niederdruck bei 20 ... 100 mbar Typische Durchmesser im Bereich DN 63 ... 300

(DN Nenndurchmesser in mm) Rohrleitungsmaterialien heute Stahl, Polyethylen (PE) und vernetztes

Polyethylen (PE-X) Typische Strmungs-

geschwindigkeit im Bereich von 1 ... 6 m/s

Typische Entfernungen unter 100 km

Quelle: Eon Ruhrgas

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 23 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Downstream (2) Schnittstelle zwischen

ffentlicher Versorgung und Inneninstallation

Quelle: ASUE

Gashausanschluss (1) des Gasversorgungsunter-nehmens (GVU) mit Regler und Zhlern (2) zur Verbindung mit der Hausanschlussleitung

Inneninstallationen und Verbrauchsgerte (3-9) im Verantwortungsbereich von Eigentmern (Anschluss-nehmer) und Mietern (Anschluss- und Netznutzer) und Geltung der Technischen Regeln fr Gasinstallationen (TRGI, DVGW G-600)

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 24 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Erdgasversorgung Versorgungskette (1)

Historisch gewachsene Versorgungskette in Deutschland vor der Reform

Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 25 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013

Wettbewerbliche Teilmrkte

Keine Regulierung

Beschaffung, Erzeugung Handel

Transport und Verteilung

Natrliche Monopole Regulierung

Vertrieb

Strukturwandel aufgrund regulatorischer Reformen

Erdgasversorgung Wertschpfungskette

GrundlagenErdgastransport und -verteilungbersichtGrundlagen Erdgastransport und -verteilung Grundlagen der Gasversorgung (1)Grundlagen der Gasversorgung (2)Grundlagen der Gasversorgung (3)Grundlagen der Gasversorgung (4)Grundlagen der Gasversorgung (5)Grundlagen der Gasversorgung (6)Grundlagen der Gasversorgung (7)Erdgas als Energietrger (1)Erdgas als Energietrger (2)Erdgas als Energietrger (3)Erdgas als Energietrger (4)Erdgas als Energietrger (5)Grundlagen Erdgastransport und -verteilung ErdgasversorgungErdgasversorgung UpstreamErdgasversorgung Midstream (1)Erdgasversorgung Midstream (2)Erdgasversorgung Midstream (3)Erdgasversorgung Downstream (1)Erdgasversorgung Downstream (2)Erdgasversorgung Versorgungskette (1)Erdgasversorgung Wertschpfungskette