Transport von Kohlendioxid über Pipelines – unser Beitrag zur CO2-Neutralität

Korrosionsschutz und Materialauswahl sind für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von CO₂-Pipelines von entscheidender Bedeutung. Reines trockenes CO₂ greift Kohlenstoffstahl nicht an, aber Verunreinigungen und Feuchtigkeit können die Korrosionsrate erheblich erhöhen. Selbst geringste Mengen Wasser können in kühleren Abschnitten bei Druckabfällen oder Stillständen kondensieren und eine wässrige Phase bilden. Wenn sich CO₂ in diesem Wasser löst, sinkt der pH-Wert und es bildet sich Kohlensäure, was zu einer gleichmäßigen Wandverdünnung oder Lochfraßkorrosion führt. Verunreinigungen wie Sauerstoff (O₂), Schwefeldioxid (SO₂), Stickoxide (NO_X) und Schwefelwasserstoff (H₂S) verändern die Chemie der kondensierten Phase zusätzlich und schaffen aggressive Umgebungen, die lokale Korrosion oder Sulfidspannungsrisse begünstigen. Die Entfernung oder Reduzierung einiger dieser Verunreinigungen kann jedoch je nach Zusammensetzung des Ausgangsgases und Prozesskonfiguration entweder unpraktisch oder mit unzumutbaren Kosten verbunden sein.

Eine wirksame Schadensminderung hängt von der richtigen Materialauswahl und einer strengen Kontrolle der Flüssigkeitsqualität ab. Pipeline-Stähle müssen entsprechend dem Betriebsdruck, der Temperatur, der Verunreinigungskonzentration und der Entwässerungseffizienz spezifiziert werden. Innenbeschichtungen und Korrosionsinhibitoren können zusätzlichen Schutz bieten, ersetzen jedoch keine angemessene Entwässerung und Verunreinigungsbehandlung. Bei der Materialauswahl müssen auch Bruchzähigkeit, Schweißbarkeit und Verhalten bei niedrigen Temperaturen berücksichtigt werden, da die Dekompression zu einer schnellen Abkühlung führen kann. Stähle sollten die Anforderungen an Korrosion und Zähigkeit erfüllen, einschließlich geeigneter Übergangstemperaturen von duktil zu spröde und Charpy-Schlagzähigkeitswerten. Um eine langfristige Integrität zu erreichen, ist ein umfassendes Verständnis der Fluidchemie, Thermodynamik und Metallurgie erforderlich, um einen sicheren und dauerhaften CO₂-Transport zu gewährleisten.

Die Bruchkontrolle ist aufgrund des einzigartigen thermodynamischen Verhaltens von CO₂ und der schwerwiegenden Folgen einer Ruptur ein kritischer Aspekt bei der Konstruktion und dem Sicherheitsmanagement von CO₂-Pipelines. Im Gegensatz zu Erdgas wird CO₂ in der Regel in der dichten Phase oder im überkritischen Zustand transportiert, wo das Dekompressionsverhalten ganz anders ist. Während der Druckentlastung erfährt CO₂ einen schnellen Phasenwechsel und eine schnelle Expansion, was die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Rissen und die Fähigkeit der Pipeline, einen laufenden Bruch zu stoppen, stark beeinflusst.

Strategien zur Bruchkontrolle müssen die Materialfestigkeit, den Betriebsdruck und die Dekompressionseigenschaften von CO₂-Gemischen berücksichtigen, die Stickstoff, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff oder Methan enthalten können. Diese Verunreinigungen beeinflussen die Geschwindigkeit der Dekompressionswelle und können die Bruchbegrenzungsgrenze verschieben, wodurch Erdgas-Auslegungsmodelle für den CO₂-Einsatz unzuverlässig werden. Eine wirksame Kontrolle erfordert ein kombiniertes Verständnis von Thermodynamik, Bruchmechanik und Materialverhalten, um sicherzustellen, dass im Falle einer Freisetzung alle Brüche eingedämmt bleiben und sich nicht durch die Pipeline ausbreiten.

Die hydraulische Analyse ist für die Konstruktion und den Betrieb von CO₂-Pipelines von entscheidender Bedeutung, um einen sicheren und effizienten Transport unter wechselnden thermodynamischen und Strömungsbedingungen zu gewährleisten. CO₂ wird in der Regel in der dichten Phase oder im überkritischen Bereich transportiert, wo sich sein Verhalten von dem von Erdgas unterscheidet. In der Nähe des kritischen Punktes sind die Druck- und Temperaturverhältnisse stark nichtlinear, sodass eine genaue thermophysikalische Modellierung erforderlich ist, um Druckabfall, Dichte und Geschwindigkeit vorherzusagen. Geringe Temperaturänderungen können zu großen Dichteunterschieden führen, wodurch gasförmige oder zweiphasige Strömungen entstehen, die sich auf Reibungsverluste und Stabilität auswirken. Eine zuverlässige Analyse hängt von Zustandsgleichungen ab, die CO₂-Gemische mit Verunreinigungen wie Stickstoff, Sauerstoff, Methan und Schwefelwasserstoff genau beschreiben.

Die Konstruktion und der Betrieb basieren auf einer stationären und transienten hydraulischen Modellierung, um Druckprofile, Kompressor- oder Pumpenabstände und Durchflusssicherheitsparameter unter normalen und Störungsbedingungen zu bestimmen. Die stationäre Analyse bewertet Reibungs-, Höhen- und thermische Druckverluste, während die transiente Analyse schnelle Änderungen während des Startvorgangs, der Abschaltung oder der Druckentlastung erfasst. Die Aufrechterhaltung der Flüssigkeit innerhalb ihrer Phasenhülle ist unerlässlich, um Verdampfung oder Kondensation zu verhindern, und die Steuerung von Transienten hilft, Druckstöße, Strömungsumkehrungen und Steuerungsinstabilitäten zu vermeiden. Insgesamt kombiniert die hydraulische Analyse Thermodynamik, Strömungsdynamik und Sicherheits-Engineering, um eine zuverlässige Leistung zu gewährleisten und Probleme wie die Bildung von festem CO₂ oder Hydraten sowie übermäßige Druckschwankungen zu vermeiden.

Risiko- und Sicherheitsmanagement sind bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb von CO₂-Pipelines von grundlegender Bedeutung, um Unfälle zu verhindern, Folgen zu begrenzen und Menschen sowie die Umwelt zu schützen. CO₂ stellt im Vergleich zu Erdgas aufgrund seiner erstickenden Eigenschaften, seiner hohen Dichte und seiner schnellen Phasenänderungen bei der Freisetzung besondere Herausforderungen dar. Bei einem Leck oder Bruch kann sich das Gas in niedrigen Bereichen ansammeln und den Sauerstoff verdrängen, was zu einer ernsthaften Erstickungsgefahr führt. Ein wirksames Sicherheitskonzept muss präventive und mildernde Maßnahmen durch systematische Gefahrenerkennung und quantitative Risikobewertung kombinieren.

Typische Ausfallmechanismen wie Korrosion, Eingriffe durch Dritte, Materialfehler und Überdruck werden hinsichtlich ihrer Wahrscheinlichkeit und ihrer Folgen bewertet, um sichere Sicherheitsabstände und Notfallplanungszonen festzulegen. Diese Bewertungen fließen in risikobasierte Konstruktionsentscheidungen hinsichtlich Materialien, Wandstärke, Ventilabstände und Isolierungsstrategien ein, um das Freisetzungsvolumen zu reduzieren und eine schnelle Eindämmung zu ermöglichen. Letztendlich beruht ein wirksames Risiko- und Sicherheitsmanagement auf der Integration von solider Engineering-Konstruktion, Inspektionsprogrammen, Überwachungstechnologien und menschlicher Leistung, um einen zuverlässigen und sicheren CO₂-Transport unter allen Bedingungen zu gewährleisten.

Die Inline-Inspektion von CO₂-Pipelines ist sowohl unerlässlich als auch durchführbar, birgt jedoch aufgrund der physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften des transportierten Fluids besondere Herausforderungen. Bei ROSEN haben wir fortschrittliche Inspektionstechnologien entwickelt und implementiert, die speziell für diese Bedingungen ausgelegt sind, und können auf eine nachgewiesene Erfolgsbilanz bei der Integritätsbewertung von CO₂-Pipelines zurückblicken. Eine effektive Prüfung der Bruchzähigkeit hängt auch von detaillierten Kenntnissen über die Materialpopulation ab, die eine gezieltere Probenahme ermöglichen und sicherstellen, dass sich die Prüfung auf die repräsentativsten Rohrgruppen konzentriert.

CO₂-Systeme können zeitabhängigen Degradationsmechanismen unterliegen, die sich bereits innerhalb kurzer Betriebszeiten entwickeln können. Daher ist eine kontinuierliche Überwachung erforderlich, um die Wirksamkeit der Kontrollmaßnahmen zu bestätigen. Hoch aufgelöste Tools zur Erkennung von Metallverlust und Rissen, darunter MFL-Technology (MFL) und elektromagnetische akustische Wandler (EMAT) Technologien, sind für die Früherkennung und genaue Größenbestimmung von Metallverlust und rissartigen Merkmalen von entscheidender Bedeutung. In Kombination bieten diese Inspektions- und Überwachungsmethoden einen umfassenden Rahmen für die Aufrechterhaltung der Integrität, Sicherheit und Zuverlässigkeit von CO₂-Pipelines während ihrer gesamten Lebensdauer.