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Grundlagen Erdgastransport und -verteilung
Prof. Dr.-Ing. Joachim Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme Institut fr Erdl- und Erdgastechnik Sommersemester 2013
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Prof. Dr. J. Mller-Kirchenbauer Lehrstuhl fr Gasversorgungssysteme 20 Grundlagen Erdgastransport und verteilung Sommersemester 2013
Erdgasversorgung Midstream (2)
Quelle: BGR
Transportalternativen und ihre Kosten
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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
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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
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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)
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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
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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