Egbert van der Wouden
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Erdgas ist weltweit eine der wichtigsten Energiequellen für den privaten und industriellen Gebrauch. Die jüngsten Trends in der Energieversorgung haben aber überall auf der Welt zu Veränderungen in der Zusammensetzung des gelieferten Gases geführt. Aufgrund dieser Veränderungen wird es immer wichtiger, die Zusammensetzung dieses Gases zu messen. Vor allem bei kleineren Verbrauchsstellen hat sich dabei ein großer Bedarf an Inline-Messtechnik entwickelt.

So wurde beispielsweise in den Niederlanden in den 1950er Jahren ein großes Erdgasvorkommen bei Slochteren entdeckt, das viele Jahrzehnte lang eine stabile und konstante Quelle lieferte. Die Produktion aus dem Feld Slochteren ist jedoch rückläufig und wird 2030 eingestellt. Daher muss das Gasnetz mit Gas aus verschiedenen Quellen versorgt werden, deren Zusammensetzung sehr unterschiedlich sein kann.

Erdgas

Was Erdgas aus allen Quellen gemeinsam hat, ist, dass es zum Großteil aus Methan besteht. In der Regel liegt der Methangehalt zwischen 75 und 99%. Der Rest der Mischung besteht typischerweise aus höheren Alkanen, wie Ethan und Propan, und Anteilen von Stickstoff und Kohlendioxid. Die genaue Zusammensetzung hängt von der Quelle des Gases ab, so dass sich die Zusammensetzung und die Eigenschaften des Erdgases ändern, wenn ein Gasversorgungsnetz mit Gas aus einer Vielzahl verschiedener Quellen gespeist wird. Darüber hinaus tragen andere aktuelle Faktoren zu den Schwankungen in der Zusammensetzung bei.

Biogas und andere erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien werden zunehmend wichtiger und damit auch der Einsatz von Biogas als Methanquelle. Biogas aus erneuerbaren Energiequellen in Biogasanlagen kann nach entsprechender Aufbereitung in das Netz eingespeist werden. Die Zusammensetzung des Biogases hängt jedoch vom Ausgangsmaterial ab, das nicht immer gleich ist und zusätzlich auch jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Wenn Sie mehr über die die Aufbereitung von Biogas wissen möchten, lesen Sie unseren Blogbeitrag von Dr. Jens Rother (Rubolab) über Testsysteme zur Aufbereitung von Biogas.

Ein weiterer wichtiger Trend ist Power to Gas (Strom zu Gas oder P2G); hier wird Strom, der aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind erzeugt wird, zur Erzeugung eines Gases als Energieträger genutzt. Dies kann Wasserstoff sein, der durch Elektrolyse erzeugt wird, oder synthetisches Methan durch Kombination von Kohlendioxid und Wasserstoff aus der Elektrolyse.

Ein wichtiger Faktor bei erneuerbaren Energien ist allerdings das Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage. Wie Sie sich vorstellen können, wird Solarenergie nur tagsüber produziert. Die Überführung von elektrischer Energie in chemische Energie durch die Erzeugung brennbarer Gase und deren Einspeisung in das nationale Netz kann dazu beitragen, dieses Ungleichgewicht auszugleichen, indem die große Pufferkapazität der verfügbaren Gasnetze genutzt wird. Jüngste Forschungen in den Niederlanden haben gezeigt, dass das derzeitige Gasnetz in den Niederlanden mit relativ begrenzten Modifikationen mehrere zehn Prozent Wasserstoff aufnehmen kann.

All diese Faktoren führen zu zunehmenden Veränderungen der Gaszusammensetzung im Netz. Zusammensetzung und Qualität sind stark korreliert; steigende Mengen an Inertgasen wie Stickstoff oder Kohlendioxid reduzieren die bei der Verbrennung entstehende Energiemenge, auch Brennwert genannt. Das Vorhandensein von Wasserstoff im Erdgas kann die Flammeneigenschaften wie Temperatur und Flammgeschwindigkeit stark verändern. All diesem muss zukünftig Rechnung getragen werden.

Bestimmung der Zusammensetzung

Bei sich ändernden chemischen Zusammensetzungen wird es immer wichtiger, den Brennwert und die Komponenten zu messen. Mit nur einem einzigen Einspeisepunkt genügte eine Messung, um die Zusammensetzung im nachgelagerten Netzwerk zu analysieren. Im heutigen Netz sind die Netze stärker miteinander verflochten und haben mehrere Stellen, an denen Gase gemischt werden. An jedem Einspeisepunkt ist es deswegen notwendig, die Zusammensetzung zu messen, nicht nur für die Qualitätskontrolle, sondern auch für steuerliche Zwecke. Auf diese Weise können die Lieferanten sicherstellen, dass die Verbraucher die Qualität erhalten, die sie benötigen, und die Verbraucher bezahlen nicht für das erhaltene Volumen, sondern für den Brennwert des Gases.

Der aktuelle Standard für die Bestimmung der Gasqualität ist die Gaschromatographie; dieses Verfahren ist sehr genau, aber auch langsam und teuer. Alternative Methoden wie die Kalorimetrie sind ähnlich teuer und haben außerdem einen relativ hohen Platzbedarf, was die Implementierung in kleinen Anlagen erschwert. All dies führt zu einem Bedarf an Messtechnik, die sowohl inline als auch in kleinen Anwendungen eingesetzt werden kann. Dies erfordert Sensoren, die kompakt und kostengünstig und vorzugsweise die Zusammensetzung messen können.

Neue Lösung für die Messung der Gaszusammensetzung

In Zusammenarbeit mit:

  • TNO (Niederländische Organisation für angewandte wissenschaftliche Forschung),
  • Venne Electronics (ein niederländischer Anbieter von Elektronikprodukten) und
  • den niederländischen Gasnetzbetreibern Alliander und Gasunie,

entwickelt Bronkhorst eine Lösung zur Messung der Gaseigenschaften, die in vielen Anlagen für ein breites Anwendungsspektrum installiert werden kann.

Sensorkonzept mit Schutz-Cover

Das Funktionsprinzip des Konzepts basiert auf der bevorzugten Adsorption von Gaskomponenten auf Beschichtungen, die auf interdigitale Elektrodenstrukturen aufgebracht werden. Die Adsorption ist proportional zur Komponentenkonzentration und führt zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften, die als Kapazitätsänderung der Beschichtung erkannt werden kann.

DIE Sensor mit interdigitalen Elektroden und Beschichtung

Derzeit wird das Konzept im niederländischen Erdgasnetz in enger Zusammenarbeit mit den Netzbetreibern und Projektpartnern Alliander und Gasunie getestet.

Bestimmung der Methan-Konzentration mit neuem Sensorkonzept und chromatographisch

Basierend auf den gemessenen Komponenten, die an den verschiedenen Beschichtungen erkannt wurden, kann der Brennwert basierend auf der Konzentration der gemessenen Komponenten berechnet werden. In Kombination mit dem integrierten Druck- und Temperatursensor können weitere Schlüsselparameter für die Charakterisierung von Erdgas wie Wobbe-Index, Propanäquivalent oder Verbrennungsluftbedarf bestimmt werden.

Durch die Verwendung dieser Parameter als Input für ein Steuerungssystem können Anwender ihre Prozesse optimieren, um die Effizienz zu steigern, Schadstoffe zu reduzieren oder die Belastung zu steuern. Zum Beispiel in Prozessen wie:

  • Überwachung der Gasqualität im nationalen Netz
  • Prozesskontrolle bei der Produktion von Biogas/Synthetischem Gas
  • Motorsteuerung für Gasmotoren und Brenner

Aber wir dürfen natürlich den Sicherheitsaspekt auch nicht aus den Augen verlieren, schließlich kann der Mensch keine der Komponenten von Erdgas riechen. Damit wir Gaslecks wahrnehmen können, wird schon lange eine Odorierungssubstanz zugesetzt. Deswegen riecht es nach Gas. Erfahren Sie mehr in unserem Blog „Hier riecht es nach Gas".