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Die Gasbeschaffenheit hat sich seit der Umstellung von Stadtgas auf Erdgas in den 60er- und 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts kaum geändert. Wir transportieren in unseren Netzen einen Brenn- und Treibstoff, der stetig optimiert wurde, ideale brenntechnische Eigenschaften besitzt und in einem schier unbeschränkten Masse vorhanden ist.
Wegen des Anstiegs des Verbrauchs an fossilen Brenn- und Treibstoffen kann aber nicht länger einzig auf die effizienten brenntechnischen Eigenschaften von Gasen fokussiert werden, sondern es müssen auch die Auswirkungen auf unsere Umwelt durch den Transport und die Verbrennung fossiler methanreicher Gase ins Zentrum rücken. Entsprechend wird verlangt, dass kurz- und längerfristig Massnahmen ergriffen werden, um die Einflüsse der Gasinfrastruktur auf den Klimawandel drastisch zu reduzieren – dies auf Basis der internationalen und nationalen Klimaziele bis 2050. Diese Ziele machen es unumgänglich, dass der Anteil an erneuerbaren Gasen bis 2050 maximal erhöht wird, wenn die Gasindustrie mit ihrer Infrastruktur eine Rolle im Zeitalter von erneuerbaren Energien spielen will.
Es stellt sich die Frage, was ein molekularer, gasförmiger Energieträger mit seinen Eigenschaften zu einer erneuerbaren Energiewelt, wie sie 2050 umgesetzt sein soll, beitragen kann? Gase lassen sich gut zu einer hohen Energiedichte komprimieren und sind somit transportierbar, konstant speicherbar, flexibel einsetzbar und haben eine hohe Wärmedichte. Falls diese Energiegase über regenerative Quellen erzeugt werden, so helfen sie, die Flexibilität und Versorgungssicherheit einer erneuerbaren Energiewelt sicherzustellen.
Damit stellt sich die Anschlussfrage, welche energiereichen Gase aus erneuerbaren Quellen (lokal/national/international) hergestellt und durch eine bestehende und neue Gasinfrastruktur transportiert werden können (Fig. 1). Ein Austausch des fossilen Erdgases wird möglich. In die Gasinfrastruktur wird schon seit längerem Biogas aus erneuerbaren Quellen, das zu Biomethan (CH4) aufbereitet wurde, eingespeist. Dieses Biogas wird in der Schweiz produziert, allerdings aktuell nur im einstelligen Prozentbereich, wie auch international. Zudem kann synthetisches Methan eingespeist werden, das über den Power-to-Methan-Prozess ebenfalls aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird. Biomethan und synthetisches Methan lassen sich in die bestehende Infrastruktur ohne jegliche Änderung einfügen.
Ein weiteres Energiegas ist Wasserstoff (H2), der durch die Gasinfrastruktur heute schon als Zumischung und in Zukunft als Hauptbestandteil transportiert werden kann. Frühere und laufende Untersuchungen zeigen, dass eine Erhöhung des H2-Anteils im Gasgemisch eine vorgängige sicherheitstechnische Bewertung der Infrastruktur bedingt, die technische Anpassungen nach sich ziehen kann.
Um eine sichere Verteilung und Anwendung zu gewährleisten, muss die Beschaffenheit der transportierten Gase klar definiert sein, was in der Schweiz über die SVGW-Richtlinie G18 geschieht. Dabei sind nicht nur Vorgaben für die Gasbeschaffenheit im Netz erforderlich, sondern auch an der Einspeisestelle. Für Letzteres wurden die Gasbegleitstoffe aus der SVGW-Richtlinie G13 für die Einspeisung von erneuerbaren Gasen in die G18 übernommen.
Die heute gültige SVGW-Richtlinie G18 für die Gasbeschaffenheit wurde 2013 in Kraft gesetzt und deckt bis anhin nur methanreiche Gase aus der 2. Gasfamilie, Gruppe H1 ab, zu der importiertes Erdgas wie auch Biomethan, d. h. aufbereitetes Biogas zählen. Diese Richtlinie ist die Basis für das gesamte SVGW-Regelwerk im Bereich Gas. Aus diesem Grund wird in der Rohrleitungssicherheitsverordnung (Verordnung über Sicherheitsvorschriften für Rohrleitungsanlagen, RLSV, SR 746.12) auf die G18 verwiesen.
1 In der öffentlichen Gasversorgung werden Gase mit weitgehend übereinstimmenden Brenneigenschaften zu Gasfamilien zusammengefasst, die wiederum in Gruppen unterteilt sind. Die 1. Gasfamilie umfasst die Stadtgase, die 2. Gasfamilie die methanreichen Gase (z. B. Erdgas, aufbereitetes Biogas, synthetisches Methan) und die 3. Gasfamilie die Flüssiggase (Propan, Butan, Propan/Butan-Gemische). Wasserstoff bildet eine weitere Gasfamilie.Für den jetzt vorliegenden Entwurf der revidierten G18, der seit November 2021 in Vernehmlassung ist (s. Box unten), wurden mehrere Änderungen vorgenommen, die einerseits eine erhöhte Einspeisung von erneuerbaren Gasen, wie Biomethan, synthetischem Methan aus Power-to-Gas-Prozessen und Wasserstoff, ermöglichen. Andererseits widerspiegeln diese die Entwicklungen in der europäischen Normierung und in nationalen Regelungen verschiedener europäischer Länder zur Gasbeschaffenheit (z. B. Regelungen des Wobbe-Index).
Überdies definiert die überarbeitete Richtlinie G18 die Beschaffenheit von Gasen für die Bereiche Gaslieferung, Gastransport, Gasverteilung, Gasspeicherung, Betrieb von Gasanlagen und Gasgeräten. Es werden somit alle Aspekte der Gasbeschaffenheit in einem Dokument zusammengefasst. Des Weiteren wurde der Gültigkeitsbereich auf die gesamte Gasinfrastruktur ausgeweitet, so dass auch das Transportnetz eingeschlossen ist, wofür bisher keine schweizweite Regelung vorlag.
Im Gegensatz zur bestehenden G18 erlaubt die revidierte Richtlinie verschiedene Gasbeschaffenheiten, und zwar methanreiche und wasserstoffreiche Gase. Sie enthält neu neben angepassten Grenzwerten für Gase aus der 2. Gasfamilie «Methanreiche Gase» (H-Gas) ebenfalls Rahmenbedingungen für die Gasfamilie «Wasserstoff»:
Da die Schweiz im Herzen der europäischen Gasinfrastruktur liegt und das importierte Gas über unsere Nachbarländer angeliefert wird, wurden diese Grenzwerte in Abstimmung mit den europäischen Normen und den Richtlinien der Nachbarländer erstellt.
In der Norm SN EN 437:2021 «Prüfgase – Prüfdrücke – Gerätekategorien» werden die Gase anhand des Wobbe-Index in drei Gasfamilien eingeteilt, die wiederum in mehrere Gruppen unterteilt sind. Demnach fallen die in die Schweiz importierten Gase in die 2. Gasfamilie, Gruppe H (H-Gas; H: high calorific value, hoher Brennwert). Diese Gase werden im G18-Entwurf einerseits über ihre brenntechnischen Kenndaten, wie Brennwert, Wobbe-Index und relative Dichte, definiert, und anderseits über den Gehalt an erlaubten Verunreinigungen.
Die revidierte Fassung der G18 schlägt einen etwas erweiterten Bereich für Wobbe-Index und Brennwert vor (Fig. 2 und 3). Dadurch wird die Einspeisung von auf H-Gas-Beschaffenheit aufbereitetem Biogas (Biomethan) erleichtert. In Figur 3 wird zusätzlich zum erlaubten der typische Bereich des importierten H-Gases in den Jahren 2016-2020 (s. SVGW-Fachinformation G10001 «Eigenschaften des in der Schweiz verteilten Erdgases») angegeben sowie derjenige des eingespeisten Biomethans. Hier zeigt sich, dass die Aufbereitung des Biogases nach Abklärung mit dem Netzbetreiber angepasst werden kann, um die Kosten der Aufbereitung zu reduzieren und auch grössere Mengen einzuspeisen.
Die Grenzwerte für die weiteren Gasbestandteile wurden konsolidiert und mit den europäischen Normen und Richtlinien der Nachbarländer in Einklang gebracht. Dabei wurden für einige Gasbestandteile, beispielsweise für Sauerstoff oder für den Wassergehalt, strengere Werte für das Transportnetz festgelegt, um den internationalen Anforderungen für den Transport zu genügen.
Die Einspeisung von 2 mol-% Wasserstoff ist bereits heute ohne jegliche Einschränkung in der gesamten Gasinfrastruktur möglich. Neu soll der zulässige Wasserstoffgehalt in H-Gas-Netzen (Transport- und Verteilnetz) auf bis zu 10 mol-% angehoben werden. Bevor allerdings der Wasserstoffanteil erhöht wird, muss zwingend eine sicherheitstechnische Bewertung des Netzes sowie allfälliger nachgelagerter Netze und Anwender durch den Netzbetreiber durchgeführt werden. Insbesondere müssen sensible Anwendungen identifiziert und nach Bedarf durch Massnahmen geschützt werden. Um die Netzbetreiber dabei zu unterstützen, wird vom SVGW, in Absprache mit den relevanten Behörden und Stellen, eine Empfehlung zur Durchführung der sicherheitstechnischen Bewertung vorbereitet.
Ein erhöhter Anteil an Biomethan, synthetischem Methan und Wasserstoff hat einen signifikanten Einfluss auf die brenntechnischen Kennwerte der Gasmischung. Da deren physikalische und chemische Eigenschaften, unter anderem die Dichte oder der Brennwerte, von denen des importierten Erdgases abweichen, ändert sich die Gasbeschaffenheit im Netz bei verstärkter Einspeisung von erneuerbaren Gasen. Im Falle von Biomethan und synthetischem Methan ist die Änderung klein und fällt erst bei höheren Anteilen ins Gewicht. Bei der Zugabe von Wasserstoff hingegen, der eine deutlich geringere Dichte als Erdgas besitzt und nur ein Drittel des volumetrischen Brennwertes hat, sind die Auswirkungen bereits bei kleineren Gehalten von wenigen Prozenten zu beachten.
Das Brennverhalten wird massgeblich durch den Wobbe-Index bestimmt. Der Wobbe-Index wird berechnet als Quotient aus dem Brennwert und der Quadratwurzel der Dichte. Beispielhaft ist in Figur 4 der Einfluss der Wasserstoffzugabe zu einer typischen Zusammensetzung des in die Schweiz importierten Erdgases auf die brenntechnischen Kenndaten dargestellt. Grundsätzlich führt die Zugabe von Wasserstoff im neuen Gasgemisch zu tieferen Werten von Brennwert, Dichte und Wobbe-Index. Es zeigt sich, dass eine Zugabe bis 10 mol-% Wasserstoff gerade noch die vorgegebenen Grenzwerte erfüllt. Wenn das Ausgangsgemisch bereits einen tieferen Brennwert hat, z. B. wegen einer Biomethaneinspeisung, muss der Wasserstoffanteil niedriger gehalten werden, um die Grenzwerte einzuhalten. Aus diesem Grund muss die im jeweiligen Netz vorhandene Gasbeschaffenheit als Grundlage zur Bewertung der brenntechnischen Kenndaten herangezogen werden.
Um höhere Gehalte an Biomethan und Wasserstoff zu ermöglichen, kann gemäss G18-Entwurf in einem abgeschlossenen Bereich des Netzes der untere Grenzwert für die relative Dichte bis auf 0,45 abgesenkt werden (Fig. 4), wobei die Grenzwerte für den Wobbe-Index jedoch zwingend einzuhalten sind. Dies kann tiefere Brennwerte in dem betroffenen Bereich des Netzes nach sich ziehen. Vor einer lokalen Anpassung der Gasbeschaffenheit und der brenntechnischen Kenndaten muss der Netzbetreiber die Verträglichkeit aller verbauten Komponenten wie auch aller Anwendungen in dem abgeschlossenen Bereich sicherstellen. Daher ist diese Option vor allem für den regionalen Transport und in Verteilnetzen von Interesse, wohingegen die momentan geltenden Regulierungen für den internationalen Gastransport solche Anpassungen noch nicht erlauben.
Die revidierte Fassung der G18 umfasst neu auch die Gasfamilie «Wasserstoff». Diese wird unterteilt in zwei Gruppen A und D, je nach Reinheit des Wasserstoffes. Die Gruppeneinteilung beruht auf der internationalen und europäischen Normierung für Wasserstoffanwendungen: SN ISO 14687:2020 «Hydrogen fuel quality – Product specification» und SN EN 17124:2019 «Wasserstoff als Kraftstoff – Produktfestlegung und Qualitätssicherung – Protonenaustauschmembran (PEM) – Brennstoffzellenanwendungen für Strassenfahrzeuge».
Die Gruppe A sieht einen Mindestgehalt von 98 mol-% Wasserstoff vor wie auch Beschränkungen für Verunreinigungen. Auf Grundlage der Ergebnisse von europäischen Forschungsvorhaben ist davon auszugehen, dass Wasserstoff in der Reinheit der Gruppe A in umgewidmeten Leitungen, die vorher mit H-Gas (Erdgas, Biomethan, synthetischem Methan) betrieben wurden, transportiert werden kann.
Die Gruppe D entspricht den Anforderungen nach SN EN 17124:2019 mit einem Mindestgehalt an Wasserstoff von 99,97 mol-% und sehr tiefen Grenzwerten für Verunreinigungen. Diese Reinheit kann nur in neuen Gasleitungsanlagen gewährleistet werden. Wenn ein Wasserstoffgas der Gruppe A als Treibstoff für PEM-Brennstoffzellenfahrzeuge genutzt werden soll, muss vor der H2-Tankstelle eine geeignete Aufbereitung auf die Reinheit der Gruppe D vorgeschaltet werden.
Die Richtlinie G18 ist die Basis für das SVGW-Regelwerk im Bereich Gas, da sie die Beschaffenheit des Gases definiert. Dies bedingt eine Überprüfung und allfällige Revision des SVGW-Regelwerks im Bereich Gas, um Konformität mit erhöhten H2-Gehalten und der neuen Gasfamilie «Wasserstoff» zu gewährleisten. Ein Überblick der zu revidierenden respektive der neu zu schaffenden Regelwerke ist in nachfolgender Tabelle gegeben:
Die H2-Tauglichkeit der Gasinfrastruktur wird über die Regelwerke G1, G2 und G7 bestimmt. Die SVGW-Richtlinie G13 für die Einspeisung von erneuerbaren Gasen soll so angepasst werden, dass die genauen Einspeisebedingungen in Bezug auf die vorhandene Gasbeschaffenheit im Netz zu definieren sind. Alle Aspekte der Erfassung der eingespeisten Gasmenge und des Energiegehaltes der neuen Gasbeschaffenheiten werden in die revidierte G23 «Metering-Code» eingearbeitet werden.
Des Weiteren ist der SVGW an der Anpassung der europäischen Normierung der Gasinfrastruktur aktiv beteiligt, entweder direkt in den entsprechenden Normungskomitees oder ĂĽber euroÂpäische Interessenverbände wie MARCOGAZ. Der SVGW vertritt hier die schweizerischen Interessen, beispielsweise hinsichtlich der Gasbeschaffenheit von sowohl methanreichen als auch wasserstoffreichen Gasen.
Die revidierte Fassung der Richtlinie G18 «Gasbeschaffenheit» ist seit November 2021 in Vernehmlassung bei den Mitgliedern, interessierten Organisationen und Behörden.
Die Unterlagen zur Vernehmlassung können bei der SVGW-Geschäftsstelle bezogen werden: auf der SVGW-Website per E-Mail bei den Autoren des Artikels: Bettina Bordenet und Matthias Hafner.
Rückmeldungen sind bis zum 17. Dezember 2021 möglich. Im Anschluss werden die Kommentare eingearbeitet und die Schritte zur Inkraftsetzung eingeleitet.
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