Konsequenzen einer europäischen · o Historisch gesehen war die Gasbeschaffenheit in D lokal sehr konstant. Gerade die Thermoprozesstechnik mit ihren hohen Anforderungen an Effizienz,

Konsequenzen einer europäischen Gasharmonisierung für den Thermoprozessbereich und eventuelle Lösungswege Dr.-Ing. Anne Giese, Wartmannsroth, 06.05.2015

Folie: 2 VHB-Forum, 06.05.2015, Wallmannsroth, Dr.-Ing. Anne Giese

Ausgangssituation, Aktuelle Lage in Deutschland


Energieträger Erdgas

• Erdgas ist in der EU der zweitwichtigste Energieträger (nach Erdöl).

• Es kommt in allen Sektoren (Haushalt/Gewerbe, Industrie, Kraftwerke, ca. 1/3, 1/3, 1/3) zum Einsatz.

• 85 % der Prozesswärme in Deutschland wird durch Erdgas gewonnen.


Hintergrund: aktuelle Entwicklungen

o Zukünftig werden zunehmend Erdgase unterschiedlicher Beschaffenheit aus wirtschaftlichen und politischen Gründen zur Verteilung kommen:

o Diversifizierung der Ressourcen (Rückgang eigener Quellen, Nordseeerdgas, Zunahme russisches Erdgas, LNG, Naher Osten, unkonventionelles Erdgas,…).

o Zunehmende Einbindung von Gasen aus regenerativen Quellen (Biogas, SNG und „Windwasserstoff“ aus power-to-gas, …).

o Europäische H-Gas-Harmonisierung, Liberalisierung und „unbundling“ der Gaswirtschaft

o Gewerbliche und industrielle Anwendungen sind nur selten auf wechselnde Gasbeschaffenheiten vorbereitet, es mangelt an Problembewusstsein.

o Für industrielle Anwendungen ist insbesondere die Schwankung der Gasqualität problematisch, da die Anlagen hierfür nie ausgelegt waren.

o Historisch gesehen war die Gasbeschaffenheit in D lokal sehr konstant. Gerade die Thermoprozesstechnik mit ihren hohen Anforderungen an Effizienz, saubere Verbrennung und Produktqualität hat hiervon profitiert. Es ist jedoch absehbar, dass die Gasversorgung in Zukunft stärkeren Schwankungen unterworfen sein wird.


Gasbeschaffenheit und Regulierung

o Gasversorger müssen Erdgas in einem bestimmten Qualitätsbereich zur Verfügung stellen, damit gastechnische Anwendungen sicher, effizient und schadstoffarm betrieben werden können.

o Die Gasbeschaffenheit wird in der Regel nicht über die Vorgabe einer chemischen Zusammensetzung reguliert. Anstelle dessen werden Bereiche für bestimmte gastechnische Kenngrößen vorgegeben. Erfüllt ein Erdgas die Vorgaben, darf es eingespeist werden.

o In Deutschland maßgeblich DVGW-Arbeitsblatt G 260

o Wobbe-Index:

@ 25 °C/0°C

𝑾𝑺 =𝑯𝑺

𝒅=

𝑯𝑺

𝝆𝒏,𝑩𝒓𝒆𝒏𝒏𝒈𝒂𝒔𝝆𝒏,𝑳𝒖𝒇𝒕


Erdgaslieferländer und entry points

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G

o Norwegen 20 %

o Niederlande 26 %

o Dänemark und

o Großbritannien 6 %

o Russland 38 %

o eigene Quellen 10 %

Quelle: bdew

Aufkommen nach Herkunftsländern


o Erdgas-H und -L

Gasbeschaffenheit D

o LNG ?

o Biogas

o SNG (Biomasse)

o P2G (Wasserstoff)


Gasbeschaffenheitsmessung Leipzig/Halle, 2011

Erdgasbeschaffenheit (über 3,5 Monate)

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Messungen

Russland H-Gas: WI* ≈ 53,1 MJ/m3 Nordsee H-Gas: WI* ≈ 52,9 MJ/m3

* @

25

°C

/ 0

°C


H-Gas-Harmonisierung prEN 16726


Gasbeschaffenheitskriterien in 8 EU-Mitgliedsstaaten

Quelle: Marcogaz

L: gesetzliche Regelung

O vertragliche Regelung

L:

O:

Beachten: Unterschiedliche Bezugssysteme


Wobbe-Index-Bereiche in Europa (L- und H-Gas)


H-Gas-Harmonisierung prEN 16726 - I

o Ende 2014 wurde der Entwurf der prEN 16726 fertiggestellt.

o Die aktuell einzige verbrennungstechnische Kenngröße im Entwurf ist die Methanzahl.

Zur Festlegung eines verträglichen Wobbe-Index-Bereichs sind europaweit Untersuchungen auf nationaler Ebene erforderlich. Dazu wird die Pilotstudie der EU zu diesem Thema auf alle CEN-Mitgliedsländer erweitert, und es sollen alle Anwendungen, nicht nur Haushaltsgeräte, einbezogen werden. (DVGW-Studie: Wobbe-Index)

o Es gelang den Mitgliedsstaaten nicht, sich auf ein allgemeingültiges Wobbe-Index-Band zu einigen.

o Ursachen hierfür sind: o Unterschiedliche Gasversorgungssituationen in Nord- und Südeuropa. Spanien,

Italien und Frankreich beziehen große Mengen hochkalorisches LNG und bestehen auf einem hohen maximalen Wobbe-Index.

o Deutschland, Niederlande und Dänemark möchten mit Hinblick auf den Anlagenbestand den maximalen Wobbe-Index einschränken.

o Die Frage der zulässigen Schwankungsgeschwindigkeiten von Gasbeschaffenheiten ist noch offen.

Bezugstemperaturen


H-Gas-Harmonisierung prEN 16726 - II

Wobbe-Index

• Problem eines weiten Bereichs: – Am oberen Ende des Bereichs erzeugen einige Verbrennungstechnologien

reichlich CO oder werden bei Dauerbetrieb an der Belastungsgrenze beschädigt.

– Insbesondere industrielle Anwendungen zeigen sich gegenüber Gasbeschaffenheitsschwankungen empfindlich.

• Probleme eines engen Bereichs: – Wer zahlt für die zusätzlich erforderliche Gasaufbereitung?

– Negative Auswirkung auf Gasimporte, LNG, regenerative Gase usw.

Quelle: Vortrag Herr Klaas anlässlich des „runden Tisches Gasbeschaffenheit“


Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsschwankungen auf den industriellen Verbrennungsprozess

Folie: 16

Unterschiedliche Marktbedingungen und Anforderungen

o Große Stückzahlen, kleine Leistungen

o „Einfaches“ Anforderungsprofil: Wärme, Warmwasser, evtl. Strom

o Einstellung auf Referenzgas, hohes λ

o Wobbe-Index als Gaskenngröße relevant

o Geringe Stückzahlen, hohe Leistungen

o Komplexes und individuelles Anforderungsprofil: Produktqualität, Effizienz, Schadstoffe, …

o Einstellung vor Ort, λ oft nur knapp über 1

o Wobbe-Index bestenfalls eine Kenngröße unter vielen, oft wird eine (konstante) Gaszusammensetzung bei der Auslegung zugrunde gelegt

Haushaltsanwendungen Thermoprozesstechnik


GWI-Brennerprüfstand - I

Ports für Mess- sonden Kamerafenster

Ports für Mess- sonden


GWI-Brennerprüfstand - II

Betriebsdaten:

- Brennerleistung: 200 kW

- Brennstoff: Erdgase H und L

- Luftzahl: 1,15

- Gastemperatur: 25 °C

- Luftvorwärmtemperatur: 200 °C

Brennerleistung und Luftzahl wurden bei allen Experimenten konstant gehalten!

10 11 12 13 14 15 16

7

8

9

10

11

12

13

14

15,713,6

13,1

relative Dichte

d = 0,75

L-Gas Ref._GWI

L-Gas 4_GWI

L-Gas 3_GWI

H-Gas 3_GWI

H-Gas 4_GWI

H-GasL-Gas

Bre

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S,n in

kW

h/m

3

Wobbe-Index WS,n

in kWh/m3

relative Dichte

d = 0,55

H-Gas Ref._GWI

H-Gas 2_GWI

L-Gas 2_GWI

L-Gas 1_GWI

8,4

H-Gas 1_GWI

Die mit gekennzeichneten Gase wurden untersucht


Messungen: Temperaturen entlang der Ofenachse

Qu

elle

: GW

I

o Innerhalb der H-Gas-Gruppe treten bei gleicher Brennerleistung und Luftzahl Temperaturunterschiede von ca. 80 K in der Reaktionszone auf und in der L-Gas-Gruppe ca. 100 K.

o Dies hat Auswirkungen auf die übertragene Wärmeleistung.


Messungen: NOX-Konzentrationen entlang der Ofenachse

Qu

elle

: GW

I

• Unterschiede von ca. 10 % bei den H-Gasen und ca. 15 % bei den L-Gasen für den untersuchten Brenner

• Garantierte Grenzwerte können somit in bestimmten Anwendungen nicht mehr gewährleistet werden


Dampf- und Heizkessel

1 – Flammrohr/Verbrennungsraum

2 – Wartungs- und Reinigungsöffnungen

3 – Wassergekühlte Rauchgaswendekammer

4 – Schaugläser

5 – Sicherheitsklappe

6 – Abschwenkbare Wendekammertür

7 – 2. und 3. Rauchgaszug

8 – Schauglas

9 – Vorderseite der Brennkammer

10 – Wasser- bzw. Dampfraum

11 – Isolierung

12 – Dampftrockner

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http://boiler.de/deu/dampfkessel/prinzip.html

http://boiler.de/deu/dampfkessel/prinzip.html


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elle

: D

BI

Gemessene Leistungs- und Emissionswerte an einem Prüfflammrohr (Ws von 13,6 auf 15,7 kWh/m³)

o bei konstanten Druckeinstellungen am Gebläsebrenner o Leistung des Brenners und CO-Emissionen steigen, O2-Werte

sinken o Gefahr des Überlastbereiches und Gefährdung von Mensch und

Anlage


Qu

elle

: D

BI

Gemessene Leistungs- und Emissionswerte an einem Prüfflammrohr (Ws von 15,7 auf 13,6 kWh/m³)

o bei konstanten Druckeinstellungen am Gebläsebrenner o Leistung des Brenners sinkt und CO-Emissionen steigen trotz

steigender O2-Werte (da das Abgas unterhalb 800 °C)


Glasherstellungsprozess



Aufgabe: Rückstandsfreies Aufschmelzen der Rohstoffe, homogenisieren der Schmelze und Bereitstellung der Schmelze bei entsprechender Temperatur Anforderung: ausreichend Energie, hohe Temperaturen, effektiver Wärmeübergang in die Glasschmelze mit Hilfe von langen (wabernden) Diffusionsflammen (Luftvorwärmung > 1350 °C)



Aufgabe: Transport der Schmelze zu den Formgebungsmaschinen und dabei thermische Homogenisierung der Schmelze auf 1/10 K Anforderung: stabile Verbrennung und Temperatur sowie Strahlungsverhalten der vielen kleinen Vormischbrenner



Aufgabe: Spannungsfreies Abkühlen mit Hilfe eines stringenten Temperatur-Zeitverlaufs Anforderung: strenge Einhaltung der eingestellten Temperatur (± 1 K) in einem definierten Zeitfenster, stabile Verbrennung z. B. mittels Gebläsebrenner


Auswirkungen auf den Glasherstellungsprozess

Direkt (daran denkt man sofort): o Flammentemperatur o Energieeintrag in die Schmelze

Indirekt (darauf kommt man vielleicht nicht gleich) o Luftbedarf (Methan , höherkettige Kohlenwasserstoffe ) o Flammenlänge (Dichte Impuls, damit Mischung) o Luftvorwärmung (Abgastemperatur, Bandenstrahlung verändert,

Strömungsgeschwindigkeit Wärmeübertragung auf Kammerbesatz) o Schadstoffemissionen (Flammentemperatur, Stöchiometrie) o Verhältnis von Brennstoff und Luft in Vorgemischen: Feeder! (Flammenlänge und -lage, Flammentemperatur: T-Homogenität bzw. T-Profil, Farbe, Blasen) o Kühlbahn (Flammenschwerpunkt, Flammentemperatur: Restspannungen) o E-Filter: Absorptionsmittelmenge

Qu

elle

: H

VG


Auswirkungen auf den Glasherstellungsprozess

Qu

elle

: H

VG

Auswirkungen auf die Glasschmelzwanne Direkt (daran denkt man sofort): o Flammentemperatur o Energieeintrag in die Schmelze

Indirekt (darauf kommt man vielleicht nicht gleich) o Luftbedarf (Methan , höhere Kohlenwasserstoffe ) o Flammenlänge (Dichte Impuls, damit Mischung) o Luftvorwärmung (Abgastemperatur, Bandenstrahlung verändert,

Strömungsgeschwindigkeit Wärmeübertragung auf Kammerbesatz) o Schadstoffemissionen (Flammentemperatur, Stöchiometrie) o Verhältnis von Brennstoff und Luft in Vorgemischen: Feeder! (Flammengeschwindigkeit, Flammenlänge und -lage, Flammentemperatur: T- Homogenität bzw. T-Profil, Farbe, Blasen) o Kühlöfen (Flammenschwerpunkt, Flammentemperatur: Restspannungen) o E-Filter: Absorptionsmittelmenge

Auswirkungen auf andere Anlagen(teile)


Heiz- und Dampfkessel

Hellstrahler

direkte und indirekte Trocknung

Vorwärmung (Metalle)

Thermochem. Wärmebehandlung

Endogaserzeugung

Verzinkungsprozesse

Schmelzprozesse (NE-Metalle)

Kalköfen, Kalzinierung von Tonerden

Ziegelfertigung

Porzellanbrennen

Glasschmelzen (Flachglas)

Glasschmelzen (Behälterglas), Feeder

Glasnachbehandlung

Chemie Chemie-, Kunststoffindustrie

kein Handlungsbedarf

z. T. Handlungsbedarf

Handlungsbedarf

Gla

sM

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llu

rgie

Branche

Bei Umstellung von niederen auf höheren Wobbe-Index (gesamte mögliche Schwankungsbreite DVGW G 260)

Prozess Effizienz

Sicherheit

(Emissionen +

thermische Überlast)

Produktqualität

Wä

rme

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ram

ikSensible Industrieprozesse (laut DVGW-Projekt)


Was tun?


Handlungsbedarf – Möglichkeiten - I

Qu

elle

: V

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and

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VSG

Prinzipielle Messmöglichkeiten an einer gasbefeuerten Thermoprozessanlage


Handlungsbedarf – Möglichkeiten - II

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VSG

Prinzipielle Messmöglichkeiten an einer gasbefeuerten Thermoprozessanlage

Die Kompensation von Gasbeschaffenheitsschwankungen kann nur an dieser Stelle erfolgen und zwar meistens nach Kenntnis von Gasbeschaffenheits-eigenschaften


Messmöglichkeiten Gasbeschaffenheiten

Messprinzip o Kalorimetrische Messung o IR-Absorption o Wärmeleitfähigkeit o Akustik (Schallgeschwindigkeit, -amplitude, Resonanzfrequenz) o Coriolis-Massendurchflussmesser o Paramagnetisches Verhalten o Elektrochemische Verfahren o Gaschromatographie

Brenngaseigenschaft o Heiz- und/oder Brennwert o Luftbedarf o Chemische Zusammensetzung o Dichte o Wobbe-Index o Methanzahl

Qu

elle

: H

VG


Erfahrung der Glasherstellers: klappt selten, meistens nicht! Warum? Weil der Wobbe-Index nur Aussagen zur Verfügung gestellten Energie an der Düse macht und nicht über die Effizienz der Verbrennung/Energieübertragung o Wobbe-Index ist eine Rechengröße, keine direkt zugängliche Messgröße; gemessen werden meist Heiz-/Brennwert und Dichte o Flammenlänge ist proportional zur Wurzel der Dichte o Kein direkter Zusammenhang zwischen Flammentemperatur und Wobbe-Index o Der Sauerstoff- bzw. Luftbedarf ist nur bei geringen Änderungen mit dem Wobbe-

Index linear verknüpft (solange sich die Chemie nicht wesentlich ändert!) o Die im Abgas enthaltenen, emissionstechnisch relevanten Bestandteile (CO, NOx,

SOx, …) hängen in erster Linie von der Luftmenge (bzw. deren Verhältnis zur Mindestluftmenge) und/oder der (maximalen) Flammentemperatur ab.

o Über Strahlungseigenschaften der Flamme und Absorptionseigenschaften des Gutes (Glasschmelze) macht der Wobbe-Index keine Aussage

o Abgastemperatur, Wärmekapazität des Abgases, Vorwärmtemperatur der Luft, …

Wobbe-Index zur Regelung von industriellen Anlagen?

Qu

elle

: H

VG


o Hauptstudie zur Analyse der volkswirtschaftlichen Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsschwankungen auf die Sektoren des Gasverbrauchsund deren Kompensation Fördergeber: DVGW, Partner: EBI, DBI Laufzeit: 1. Phase: 01.04.2015 – 31.01.2016

o Gasbeschaffenheitsschwankungen - Erarbeitung von Kompensationsstrategien für die Glasindustrie zur Optimierung der Energieeffizienz (Akronym: GasqualitaetGlas) Fördergeber: PtJ (BMWi), Partner: HVG, Glasindustrie, Messgerätehersteller Laufzeit: geplant 01.07.2015 – 31.12.2017

o Untersuchung der Auswirkung von Wasserstoff-Zumischung ins Erdgasnetz auf industrielle Feuerungsprozesse in thermoprozesstechnischen Anlagen; Kurztitel: H2-Substitution Fördergeber: AiF (BMWi), Partner: Brenner- und Messgerätehersteller Laufzeit: 01.12.2014 – 31.10.2016

Gasbeschaffenheit – GWI-Projekte - I


Gasbeschaffenheit – GWI Projekte - II

o Untersuchungen zur Einspeisung von Wasserstoff in ein Erdgasverteilnetz – Auswirkungen auf den Betrieb von Gasanwendungstechnologien im Bestand, auf Gas-Plus-Technologien und auf Verbrennungsregelungsstrategien Verbundprojekt beim DVGW (2013 - 2016)

o Konvergenz der Strom- und Gasnetze PtG Technologie als Kopplungsstelle zwischen Strom und Gasnetz, Verbundprojekt beim BMU (2013 - 2016)

o L-H-Gas Marktraumumstellung DVGW Projekt (2014 - 2015)

o Fuel Power Sense Entwicklung eines integrierten Sensorsystems, das mittels thermischer Messprinzipen bei variablen Zusammensetzungen die Gasbeschaffenheit von Brenngasen bestimmt (2014 - 2016); IGF (AIF) Förderung

o LNG-Aktivitäten Veranstaltungen NRW mit Kooperation mit NL-Partnern, Akquise Roadmap LNG


Literatur

• Abschlussbericht des DVGW-Forschungsprojektes „Untersuchungen der Auswirkungen von Gasbeschaffenheitsänderungen auf industrielle und gewerbliche Anwendungen“

• Buchveröffentlichung „Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt“, Deutscher

Industrie-Verlag 2013 HVG-Mitteilungen: • HVG Mitteilung 2160: Einfluss von Gasbeschaffenheitsänderungen auf die

Glasherstellung: Teil 1 Überblick

• HVG Mitteilung 2161: Einfluss von Gasbeschaffenheitsänderungen auf die Glasherstellung: Teil 2 Wobbe

• HVG Mitteilung 2162: Einfluss von Gasbeschaffenheitsänderungen auf die Glasherstellung: Teil 3 Regelungen

• HVG Mitteilung 2163: Einfluss von Gasbeschaffenheitsänderungen auf die Glasherstellung: Teil 4 Auswirkungen

• HVG Mitteilung 2164: Einfluss von Gasbeschaffenheitsänderungen auf die Glasherstellung: Teil 5 Wasserstoff

http://www.gwi-essen.de/fileadmin/documents/ift/2014/Abschlussbericht_Auswirkungen_auf_Gasbeschaffenheitsaenderungen.pdf





https://www.di-verlag.de/de/Thema/Gas/Gasqualitaeten-im-veraenderten-Energiemarkt



http://www.hvg-dgg.de/download/hvg-mitteilungen.html









Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Gas- und Wärme-Institut Essen e. V. Industrie- und Feuerungstechnik Dr.-Ing. Anne Giese Hafenstr. 101 45356 Essen Tel.: 0201-3618-257 Email: [email protected]

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Konsequenzen einer europäischen · o Historisch gesehen war die Gasbeschaffenheit in D lokal sehr konstant. Gerade die Thermoprozesstechnik mit ihren hohen Anforderungen an Effizienz,