Erdgasanalyse

Erdgas

Gasmessstation an einem Grenzübergang (Quelle: Kastner/Wiegleb Gasmesstechnik in Theorie und Praxis,  Kap. 15.1, Springer Vieweg 2016)

Kenngrößen

Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (>80%), Ethan, Propan, Butan, Stickstoff und Kohlendioxid. Die einzelnen Erdgassorten unterscheiden sich dabei z.T. erheblich in der Zusammensetzung der einzelnen Komponenten. Für die Gasanwendung sind die einzelnen Bestandteile aber eher von untergeordneter Bedeutung, da die in der Praxis die wichtigeren Kenngrößen wie der Brennwert, Methanzahl und Wobbe-Index genutzt werden. Gasmessgeräte in der Erdgasindustrie messen daher diese Kenngrößen, die sich letztendlich aus der Gaszusammensetzung ableiten lassen. Die IR-Spektroskopie spielt in diesem Fall eine wichtige Rolle, da mit dieser Technik eine schnelle Gasanalyse möglich ist. Die alternative Gaschromatographie (GC) hat zwar eine deutlich bessere Selektivität als die IR-Technik, aber die Ansprechzeit ist wesentlich größer. Weiterhin ist die GC-Technik extrem teuer und gerätetechnisch sehr Aufwendig und auch wartungsintensiv. In der nachfolgenden Abbildung sind die Absorptionsbanden eines L-Gasgemisches dargestellt.

Erdgasspektrum1

IR-Spektrum eines L-Gases (rot) im Vergleich zu der überlappenden Wasserdampfbande (blau)

Erdgas entsteht in geologischen Sedimenten unter Luftabschluss, bei hohem Druck und erhöhter Temperatur aus unvollständig abgebauter abgesunkener mariner Biomasse. Bei konventionellen Erdgaslagerstätten ist das Erdgas in porösen Speichergesteinen unter einem impermeablen Deckgestein gefangen, es kann daher frei zu einem niedergebrachten Bohrloch strömen. Dieser konventionelle Lagerstättentyp dominierte bisher die Erdgasförderung wegen seiner Ergiebigkeit und Wirtschaftlichkeit. In den letzten Jahren wird aber zunehmend auch Erdgas aus unkonventionellen Lagerstätten gefördert (Tight Gas, Schiefergas (Shale Gas), Kohleflözgas,   Methanhydrate).

Erdgas besitzt unter den fossilen Primärenergieträgern eine besonders hohe Attraktivität wegen seiner Flexibilität, Effizienz und Sauberkeit. Verglichen mit anderen fossilen Primärenergieträgern erzeugt Erdgas bei seiner Verbrennung geringere lokale Schadstoffemissionen sowie die geringste CO2-Emission pro Energieeinheit, da das Stoffmengenverhältnis von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen in Erdgas relativ hoch ist. Die hohe Flexibilität von Erdgas erlaubt ein weites Anwendungsfeld.

 Messaufgaben in der Gaswirtschaft 

Die primäre Messaufgabe in der Gaswirtschaft ist die Energiemessung. Neben der Volumenmessung spielt dabei die Gasbeschaffenheitsmessung eine maßgebliche Rolle, sie leistet auch verschiedene sekundäre Messaufgaben der Erdgaswirtschaft, beim Gastransport aber auch bei der Gasverwendung. Die wesentlichen Messaufgaben in der Gaswirtschaft sollen im Folgenden erläutert werden.

Energie: Gashandel basiert auf Energieabrechnung, da der Energieinhalt des Gases den maßgeblichen Nutzwert für den Verbraucher darstellt. So wird zum Beispiel in Deutschland die thermische Energieabrechnung in einer Norm der Deutschen Vereinigung des Gas- und Wasserfachs (DVGW) geregelt. Die grundlegende Aufgabe für die Gasmessung ist daher die Energiebestimmung. Die Energie E berechnet sich als Produkt des Gasvolumens V mit dem volumetrischen Brennwert Hs. Dabei müssen sich Volumen und Brennwert auf den gleichen Gaszustand (Druck p, Temperatur T) beziehen.

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In der Praxis wird das Volumen V unter Betriebsbedingungen (p, T) der Rohrleitung gemessen, während sich der Brennwert Hs,0 auf Normbedingungen (p0,T0) bezieht. Der Index 0 bezeichnet hier den Normzustand, p0 = 1013,25 mbar und T0 = 273,15 K. Für die Energieberechnung muss daher zunächst das Betriebsvolumen V auf Normvolumen V0 umgewertet werden. Erdgas ist kein ideales Gas, sein reales Gasverhalten wird bei der Umwertung durch die Kompressibilitätszahl K berücksichtigt. Die Gleichung für die Berechnung der Energie lautet dann:

K2

Die Kompressibilitätszahl K hängt neben dem Zustand (p, T) maßgeblich von der Gasbeschaffenheit, das heißt von der Gaszusammensetzung und seinen physikalischen Parametern, ab. Zur Berechnung der Kompressibilitätszahl werden in der Gaswirtschaft standardisierte Zustandsgleichungen, zum Beispiel nach ISO 12213, verwendet. Diese Gleichungen erfordern als Eingangsdaten entweder die molare Gaszusammensetzung oder charakteristische Gasparameter, wie z. B. Brennwert, Normdichte und diverse Gaskomponenten. Die Bestimmung der Energie erfordert also neben der Volumenmessung vor allem auch eine Analyse der Gasbeschaffenheit.

Gasbeschaffenheit: Erdgas in Pipelinequalität besteht im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen (typ.75 – 100mol%), sowie den Inertgasen Stickstoff (typ. 0 – 20mol%) und Kohlendioxid (typ. 0 – 5mol%). Der Kohlenwasserstoffanteil besteht im Wesentlichen aus Methan CH4 sowie der Reihe der Alkane (Summenformel CnH2n+2, mit Ordnung n), Vertreter sind Ethan C2H6, Propan C3H8, Butan C4H10, Pentan C5H12, Hexan C6H14, usw., sowie deren Isomere. Die Konzentration der Alkane nimmt typischerweise mit wachsender Ordnung n ab. Andere Komponenten wie Helium, Sauerstoff, Schwefelkomponenten und Wasserdampf treten in Transportnetzen nur in Spuren auf, typischerweise im Konzentrationsbereich von wenigen 1ppm bis wenigen 100ppm (ppm = parts per million). Durch die Einspeisung von Biogas und Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen können die neuen Gaskomponenten Sauerstoff und Wasserstoff in signifikanten Konzentrationen auftreten. Die physikalischen Parameter des Gases variieren mit der Gaszusammensetzung. Die Gasbeschaffenheit spielt damit eine bedeutende Rolle bei der Energieabrechnung, zum einen direkt als Brennwert des Gases und zum zweiten indirekt als Kompressibilität bei der Volumenbestimmung. Daneben gibt es noch zahlreiche weitere Gasparameter, die bei Gasproduktion, Transport, Handel und insbesondere bei der Gasverwendung eine wichtige Rolle spielen. Auf Grund ihrer Bedeutung für die Gaswirtschaft wird die Gasbeschaffenheit in verschiedenen nationalen und internationalen Normen festgelegt. In Deutschland müssen Gase in der öffentlichen Versorgung den Spezifikationen des DVGW-Arbeitsblatts G260 entsprechen. Für die Einspeisung von Gasen aus regenerativen Quellen gilt das DVGW-Arbeitsblatt G262. Auf europäischer Ebene gibt es zum einen die Branchenvereinbarung EASEE-gas mit abgestimmten Geschäftspraktiken (Common Business Practices) für H-Gas im grenzüberschreitenden Gashandel. Aktuell sind CEN-Arbeitsgruppen mit der Normung für H-Gas (Mandat M400) und für Biogas (Mandat M475) beschäftigt. Auf internationaler Ebene gibt es keine Norm für die Gasbeschaffenheit, aber verschiedene Normen, zur Messung der Gasbeschaffenheit und zur Berechnung von Gasparametern. Im Folgenden werden einige weitere Gaskenngrößen und ihre Bedeutung vorgestellt:

Wobbe-Index: Ein maßgeblicher Parameter der Gasbeschaffenheit ist der Wobbe-Index Ws,0, er berechnet sich aus dem Brennwert Hs,o geteilt durch die Quadratwurzel der relativen Dichte d (Gl. 10.3.3, siehe auch Kap. 2.6). Der Wobbe-Index ist ein Maß für die thermische Leistung eines Gasbrenners, das heißt zwei unterschiedliche Gase mit gleichem Wobbe-Index liefern bei sonst gleichen Einstellungen die gleiche Brennerleistung. Der Wobbe-Index ist somit bedeutend für die Mehrzahl der Gasverwendungen, insbesondere in der Heizwärme. Die Schwankungsbandbreite des Wobbe-Index wird daher in den Gasnetzen lokal begrenzt, um Probleme bei der Gasverwendung zu vermeiden. Durch die eingangs beschriebenen Trends in der Gaswirtschaft wird die Begrenzung der Schwankungsbandbreiten künftig schwieriger werden und verstärkten Einsatz von Mess-, Steuer- und Regeltechnik für die Gaskonditionierung und Prozessteuerung erfordern.

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Methanzahl: Bei der Verbrennung von Gas in Motoren ist die Klopffestigkeit des Kraftstoffs von Bedeutung. Für hohe Effizienz wird bei Gasmotoren eine hohe Verdichtung angestrebt, das birgt auf der anderen Seite aber die Gefahr von verschleißförderndem Klopfen durch frühzeitige Selbstentzündung des Kraftstoffs. Die Klopffestigkeit wird beschrieben durch die sogenannte Methanzahl MZ, sie entspricht etwa der Oktanzahl beim Benzin (siehe auch Kap.2.6). Die Skalierung der Methanzahl erfolgt durch den Methananteil eines binären Methan/Wasserstoff-Gemischs. MZ=0 sei die Methanzahl von reinen Wasserstoff und MZ=100 für reines Methan, die Zwischenwerte definieren sich durch den Methananteil des entsprechenden binären Methan/Wasserstoff-Gemischs. Die Methanzahl eines Erdgasgemischs ergibt sich durch Vergleich mit dem binären Methan/Wasserstoff-Gemisch gleicher Klopffestigkeit. Inertgase wie Stickstoff und Kohlendioxid erhöhen die Klopffestigkeit, Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan usw. reduzieren sie. Aktuelle Motorsteuerungen arbeiten üblicherweise mit Klopfsensoren, die das Auftreten von Frühzündungen detektieren und entsprechende Maßnahmen treffen, wie Zündzeitpunktverschiebung, Gemischanpassung oder Leistungsreduzierung. Durch eine schnelle und kontinuierliche Messung der Methanzahl des Kraftstoffs könnte der Motorbetrieb proaktiv optimiert werden, bevor Klopfen überhaupt erst auftritt.

IR-Messsystem

IR-Gasanalysator zur Messung der unterschiedlichen Absorptionsbanden in einem Druckbereich von bis zu 16 bar

Literatur

Kaster, J.: Energiemessung und andere Messaufgaben in der Gaswirtschaft. Kap. 15.1 aus  Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Wiegleb, G.) Springer-Vieweg Verlag 2016 S. 971-944

Schley, P.: Brennwertverfolgung in Gasnetzen (SmartSim). Kap. 15.4 aus  Gasmesstechnik in Theorie und Praxis (Wiegleb, G.) Springer-Vieweg Verlag 2016 S. 1019-1033