Wie lässt sich ein Erdgasnetz auf Wasserstoff umstellen, ohne jede Anlage neu zu bauen? Im Projekt "GreenH2Supply" prüfen der Gasnetzbetreiber Mitnetz Gas, die DBI-Gruppe und die Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig, ob sich die zulässige Strömungsgeschwindigkeit in Anlagen erhöhen lässt und so teure Neubauten entbehrlich werden. Die Ergebnisse sollen bis Ende 2028 zeigen, wie Netzbetreiber ihre Bestandsinfrastruktur wirtschaftlich für Wasserstoff nutzen können.
Die DBI-Gruppe koordiniert, die HTWK Leipzig begleitet das Projekt wissenschaftlich. Mitnetz Gas kümmert sich um die Praxis, unter anderem den sicheren Betrieb der Wasserstoff-Testinfrastruktur.
Vom Vorgängerprojekt zum Forschungsfeld
Diese stammt aus zwei Vorgängerprojekten, auf denen "GreenH2Supply" aufbaut. Im Rahmen von "Hypos: H2-Netz" wurde im Chemiepark Bitterfeld-Wolfen ab 2018 eine 12.000 Quadratmeter große Versuchsfläche aufgebaut.
Das "Wasserstoffdorf" umfasst einen Einspeisepunkt (Gasdruckregel- und Messanlage), 1400 Meter Wasserstoffnetz (Hoch- und Mitteldruck), unterschiedliche Materialien (Schwerpunkt auf Kunststoffrohrleitungen) und Komponenten, einen Versuchscontainer mit Messtechnik und eine Odorierungsanlage.
Beim "Hypos: H2-Netz" ging es darum, die Errichtung von Wasserstoffinfrastrukturen und die Verwendung des Energieträgers Wasserstoff technisch, wirtschaftlich und ökologisch zu bewerten. Das 2022 folgende Projekt "H2-Infra" konzentrierte sich dann speziell auf Langzeituntersuchungen und den sicheren und effizienten Betrieb von künftigen Wasserstoffinfrastrukturen.
In den ersten beiden Projekten kamen ausschließlich neu hergestellte Rohrmaterialien und Komponenten zum Einsatz. Diese erwiesen sich mit wenigen Einschränkungen als tauglich für Wasserstoffinfrastrukturen.
Prüfung der Wasserstofftauglichkeit
Schwerpunkt von "GreenH2Supply" (Laufzeit Anfang 2026 bis Ende 2028) ist nun die Umstellung von Erdgasnetzen auf Wasserstoff. Hier gebe es im Detail noch viel Forschungsbedarf, so Michael Schneider, Projektleiter Mitnetz Gas.
Themen im aktuellen Projekt sind der energieäquivalente Transport von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas, Detailfragen zum Umstellmanagement besonders von Kraftwerksanlagen, optimierte Betriebs- und Instandhaltungsstrategien sowie Sicherheitskonzepte und Ökobilanzbetrachtungen zur Transformation.
Getestet wird auch, ob Bestandskomponenten aus Stahl oder Kunststoff, die über mehrere Jahre in Erdgasnetzen in Betrieb waren, wasserstofftauglich sind. Dabei handelt es sich um Absperr- und Sicherheitseinrichtungen, Anschlussarmaturen oder Trennstellen, die mit überschaubarem Aufwand ausbaubar sind.
In ihrem Testlabor untersucht die DBI-Gruppe zunächst die grundsätzliche Eignung, dann werden die Teile in einen Komponentenversuchsstand eingebaut und im mehrmonatigen Betrieb mit Wasserstoff getestet. Kommen sie mit variierenden Betriebsdrücken und Volumenströmen zurecht, mit dem Auf- und Zufahren von Absperrarmaturen?
Schneider: Es geht um Kosteneinsparungen
"Bei diesen Versuchen geht es um mögliche Kosteneinsparungen bei künftigen Umstellungen", erklärt Schneider. "Sind die bisher in Erdgasnetzen eingesetzten Absperrarmaturen wie Schieber oder Kugelhähne nachweislich wasserstofftauglich, müssen sie nicht ausgetauscht werden."
Das betrifft nicht nur einzelne Armaturen, sondern häufig im Erdgasnetz vorkommende, aufwendig zu ersetzende Armaturengruppen, etwa an Abzweigen. Das Ziel der Kostenersparnis verfolgen auch die laufenden Strömungsgeschwindigkeits-Versuche im Wasserstoffdorf.
Warum Wasserstoff schneller strömen muss
Hintergrund ist die geringere volumetrische Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas. Um nach der Umstellung von Bestandsanlagen auf Wasserstoff eine vergleichbare Energiemenge transportieren zu können, braucht es Anpassungen. "Die kosteneffizienteste Anpassung ist die Erhöhung der zulässigen Strömungsgeschwindigkeit im System", so Schneider.
"Deshalb untersuchen wir, ob sich die Strömungsgeschwindigkeit gerade bei hohen Drücken und in besonders sensiblen Bereichen von Gasdruckregel- und -messanlagen um das Dreifache erhöhen lässt. Wenn das geht, wäre ein teurer Neubau dieser Anlagen an Netzkoppel- und Einspeisepunkten nicht erforderlich." Theoretische Studien und Ergebnisse aus anderen Forschungsprojekten stimmen Schneider optimistisch.
Projektpartner HTWK Leipzig flankiert die Testversuche mit einem CFD-Modell (Computational Fluid Dynamics), das die Strömungsverhältnisse in den realen Strömungskanälen von Gasanlagen simuliert.
Die Ergebnisse von Strömungsversuchen und Simulation werden zusammengeführt und dann im nächsten Schritt auf einem noch zu bauenden Strömungsversuchsstand validiert. "Dafür brauchen wir große Mengen an verdichtetem Wasserstoff. Was durch die Anbindung an die leitungsgebundene Infrastruktur am Standort aber kein Problem ist."
Zustandsorientierte Instandhaltung
"GreenH2Supply" soll bei einer sicheren und effizienten Transformation von Erdgas- hin zu Wasserstoffnetzen helfen, so Schneider zusammenfassend. Das sei auch eine Finanzierungsfrage: Wissenslücken zu schließen bedeute Kostenersparnisse – und zwar nicht nur dadurch, dass bestehende Anlagen und Komponenten weitergenutzt werden können.
Durch Detailkenntnisse und Erfahrungswerte sind auch die Betriebs- und Instandhaltungskonzepte für Wasserstoffnetze optimierbar. "Das bedeutet, dass man nach mehrjährigen Erfahrungen mit Wasserstoffanlagen wie im Erdgasbereich von einer zyklischen auf eine zustandsorientierte Instandhaltungsstrategie übergehen kann und damit nach Möglichkeit Kosten einspart."
Die Kosten für ein Umstellprojekt sind sehr individuell und hängen unter anderem auch davon ab, ob im Zuge der Umstellung eine neue Ortsnetzregelanlage gebaut werden muss.
