Die Wissenschaft hinter einem saubereren, umweltfreundlicheren Pipelinesystem

May 29, 2023

Forscher des Los Alamos National Laboratory berichten, dass mathematische Modelle zeigen können, wie Wasserstoff sicher mit Erdgas für den Transport in bestehenden Pipelinesystemen gemischt werden kann. Ein sicherer und zuverlässiger Übergang zu Wasserstoff ist eine der vorgeschlagenen Lösungen für den Übergang zu einer CO2-neutralen Wirtschaft.

Anatoly Zlotnik, Mitautor eines neuen Artikels zur Modellierung in der Zeitschrift PRX Energy. Zlotnik, ein Mathematiker am Los Alamos National Laboratory, verfügt über Fachkenntnisse in der Modellierung, Gestaltung und Steuerung von Energieübertragungssystemen und erklärte kurz: „Das Mischen von Wasserstoff in eine Erdgaspipeline verändert die Art und Weise, wie die Gase fließen, was neue Bedingungen für die Betreiber schaffen wird.“ Unsere Modellierung zeigt, dass die schrittweise Einspeisung von Wasserstoff in ein Erdgasleitungsnetz einen sicheren und vorhersehbaren Betrieb ermöglicht.“

Dem Papier zufolge verwendeten Zlotnik und seine Kollegen aus Los Alamos nichtlineare partielle Differentialgleichungen, um das Modell für den Transport heterogener Gemische aus Erdgas und Wasserstoff durch Pipelinesysteme zu entwickeln. Die Infrastrukturmodellierung umfasst Kompressor- und Reglereinheiten, Versorgungsstationen, die Gas mit definiertem Druck und Wasserstoffmischungen in das Netzwerk einspeisen, sowie Durchflussstationen, die das Gemisch aus dem Netzwerk entnehmen.

Herausforderungen für den Pipelinebetrieb lösen

Der Transport von Wasserstoff in bestehenden Erdgaspipelinenetzen würde es den Betreibern ermöglichen, den Nutzen dieser umfangreichen und teuren Anlagen als Teil einer Strategie zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes fossiler Brennstoffe zu maximieren. Wasserstoff ist viel leichter als Erdgas, das größtenteils aus Methan besteht, daher stellt die Beimischung dieser Stoffe den Pipelinebetrieb auf neue Weise vor Herausforderungen.

Die mathematische Modellierung des Los Alamos-Teams ergab, dass die Begrenzung der Änderungsrate der Wasserstoffeinspritzung in eine Erdgaspipeline große, schnelle Druckänderungen verhindern kann. Die Methoden des Teams zur Simulation eines Pipeline-Netzwerks könnten es Betreibern ermöglichen, Standards für Injektionsraten zu entwickeln.

Als sauberer Kraftstoff, der kein Kohlendioxid ausstößt, bietet Wasserstoff mehrere Vorteile. In einer Brennstoffzelle erzeugen Wasserstoff und Sauerstoff Strom für den Antrieb von Autos, Lastwagen und Anlagen. Wasserstoff kann auch mit Erdgas gemischt werden, um in Geräten wie Haushaltsöfen und Trocknern verwendet zu werden, oder er kann verbrannt werden, um Produktionsanlagen anzutreiben oder Strom zu erzeugen.

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Eine Methode zur Bewältigung der Druckschwankungen, die beim Pumpen des sehr leichten Wasserstoffs in ein schwereres Gas auftreten, ist eine entscheidende Verbesserung. Ein Mischgassystem scheint eine sehr gute Idee zu sein.

Es bleibt das Problem der Wasserstoffversprödung von Stahl. Es ist auch kein kleines Problem. Wasserstoff dringt unter Druck in einem einfachen Stahlgefäß einfach in den Stahl ein, so wie Wasserstoff in nahezu alles einzudringen scheint, wenn er unter Druck steht. Um nennenswerte Volumina zu erhalten, muss der Druck ziemlich hoch sein. Mit der Zeit macht der Wasserstoff den Stahl lediglich zu einer spröden Wasserstofflegierung und kann leicht fragmentieren. Hohe Drücke in einem zerbrechlichen Gefäß stellen eine recht unangenehme Möglichkeit dar.

Es wäre wirklich besser, den Wasserstoff mit etwas Kohlenstoff zu legieren und den Druck zu verringern oder zu beseitigen und die Zerstörung der Speicherbehälter mit den möglichen Folgen zu verursachen.

Von Brian Westenhaus über New Energy and Fuel

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