„EffGas“ - Primärenergetische Optimierung bestehender Gas-Druckregelanlagen und Maßnahmenentwicklung für den deutschen Anlagenbestand

Abstract

Im Rahmen des Verbundprojekts EffGas wurde eine umfassende Analyse des energetischen Ist-Zustands bestehender Gasdruck-Regel- und Messanlagen (GDRMA) in Deutschland durchgeführt. Darauf aufbauend wurden Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Einbindung erneuerbarer Energien untersucht und demonstriert. Dazu wurden zunächst Messdaten von nahezu 70 GDRMA des Gasnetzbetreibers und Projektpartners EAM Netz analysiert. Die elf GDRMA mit dem größten Gasverbrauch für die Gasvorwärmung wurden im Detail untersucht. An mehreren Stellen des weitgehend stan-dardisierten Aufbaus der GDRMA konnten Energieeffizienz- und Dekarbonisierungspotenziale identifiziert werden. Der Jahresnutzungsgrad einer Gasvorwärmanlage, der die Verluste in der Wärmeversorgungskette quantifiziert, hat sich als guter Indikator für die Bewertung der energetischen Performance einer GDRMA dargestellt. Darüber hinaus ist eine Verbesserung der Regelgüte der Gasaustrittstemperatur (GAT) anzustreben, um den physikalischen Wärmebedarf zu reduzieren. Basierend auf die Bestandsanalyse wurden spezifische Maßnahmen zur Energieeinsparung und Effizienzsteigerung ausführlich erläutert und priorisiert. Dazu gehören unter anderem Maßnahmen zur Absenkung der Gasaustrittstemperatur, Optimierungen der Betriebsweise und Gestaltung der Gasvorwärmanlage sowie die Integration von Solarthermie, Wärmepumpen und BHKW. Um das Potenzial für Energieeffizienz und den Einsatz erneuerbarer Wärmeerzeugungstechnologien zu bewerten, wurde ein integrales Planungstool entwickelt. Dieses Tool nutzt ein angepasstes Verfahren zur Generierung synthetischer Gasdurchsatzprofile, welches genaue Ergebnisse liefert als bestehende Methoden, insbesondere für GDRMA mit einem hohen Anteil an nachgelagerten industriellen Verbrauchern. Eine online frei verfügbare Version des Tools wurde ebenfalls entwickelt (gdrma-vorplanung.umwelt-uni-kassel.de). Die Anwendung des Tools auf GDRMA typischer Größe zeigt, dass, im Vergleich zu einer Referenz-GDRMA mit einer konstanten GAT von 10 °C, allein durch die Implementierung einer Taupunktregelung der GAT Primärenergieeinsparungen für die Gasvorwärmung von bis zu 28 % erzielt werden können. Für kleinere GDRMA, die z. B. einzelne Dörfer versorgen, können sogar Einsparungen von 63 % erreicht werden. Mit dem zusätzlichen Einsatz unterschiedlicher erneuerbarer und energieeffizienter Wärmeerzeugungstechnologien können Gesamtprimärenergieeinsparungen für die Gasvorwärmung zwischen 36 % und 69 % im Vergleich zur Referenz-GDRMA erreicht werden. Das Projekt umfasste auch technologische Weiterentwicklungen wie eine neue Verbindungstechnik für modulare Wärmespeicher und die Verwendung von Vakuumisolierungen zur Reduzierung der Wärmeverluste. Diese wurden im Labor getestet und in einer Demonstrationsanlage erfolgreich umgesetzt. Verschiedene Energieeffizienzmaßnahmen wurden in einem Reallabor und in drei Demonstrationsanlagen umgesetzt. Im Reallabor wurden unter anderem Regelungskonzepte zur Implementierung einer Taupunktregelung der GAT und einer Absenkung des Temperaturniveaus im Heizkreis der Gasvorwärmanlage der GDRMA entwickelt und umgesetzt. Die zugrundeliegenden Methoden und Hardware sind weitgehend verfügbar, sodass eine Reproduzierbarkeit grundsätzlich gewährleistet ist. Die Integration von solarthermischen Anlagen und ein BHKW wurde bei den Leuchtturmanlagen demonstriert. Die Datenüberwachung wies auf einige Herausforderungen hin, wie die Einbindung in die bestehenden Heizkreise der GDRMA mit hohen Durchflüssen, sowie das Zusammenspiel der unterschiedlichen Wärmeerzeugungstechnologien. Insgesamt wird empfohlen, die Systeme mithilfe einfacher Indikatoren kontinuierlich zu überwachen, um langfristig einen reibungslosen und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Datei-Upload durch TIB As part of the EffGas joint research project, a comprehensive analysis of the state-of-the-art of the energy supply of existing gas pressure regulating and metering stations (GPRMS) in Germany was carried out and optimisation measures to increase their energy efficiency and integrate renewable energies were investigated and demonstrated. First, a detailed inventory of the technical and energy-related framework conditions of existing GPRMS was carried out using measurement data from almost 70 GPRMS of the gas network operator and project partner EAM Netz. The eleven GPRMS with the highest gas consumption for gas preheating were analysed in detail and several energy efficiency potentials were identified. The annual utilisation factor of the gas preheating system, which quantifies the losses in the heat supply chain, has proven to be a good indicator for assessing the energy performance of a GPRMS. In addition, efforts should be made to improve the control of the gas outlet temperature (GOT) to reduce the physical heat demand. Based on the inventory analysis, specific measures to save energy and increase efficiency were explained in detail and prioritised. These include measures to reduce the GOT, optimisation of the operating mode and design of the gas preheating system and the integration of solar thermal energy, heat pumps and micro-combined heat and power (CHP) units. An integrated planning tool was developed to assess the potential for energy efficiency and the use of renewable heat generation technologies. This tool uses an adapted method to generate synthetic gas throughput profiles, which provides more accurate results than existing methods, especially for GPRMS with a high proportion of downstream industrial consumers. An online, freely available version of the tool has also been developed (gdrma-vorplanung.umwelt-uni-kassel.de). Application of the tool to typical-sized GPRMS shows that primary energy savings for gas preheating of up to 28 % can be achieved simply by implementing a dew point control of the GOT compared to a reference GPRMS with a constant GOT of 10 °C. For smaller GPRMS supplying for in-stance villages, savings of 63 % can be achieved. Furthermore, with the additional use of different renewable and energy-efficient heat generation technologies, total primary energy savings for gas preheating of between 36 % and 69 % can be achieved compared to the reference GPRMS. The project also included technological developments such as a new connection technology for modular heat storages and the use of vacuum insulation to reduce heat losses. These were tested in the laboratory and successfully implemented in a demonstration plant. Various energy efficiency measures were implemented in a living lab and in three demonstration plants. Among other things, control concepts for implementing dew point control of the GOT and lowering the temperature levels in the heating circuit of the GPRMS gas pre-heating system were developed and implemented in the living lab. The underlying methods and hardware are largely available, so that reproducibility is basically guaranteed. The integration of solar thermal systems and a micro-CHP unit was demonstrated in the demonstration plants. The data monitoring pointed out some challenges, such as the integration into the existing heating circuits of the GPRMS with high flow rates, as well as the interaction of the different heat generation technologies. Overall, it is recommended that the systems be continuously monitored using simple indicators to ensure smooth and efficient operation in the long term.