Systematischer Ansatz zur Bewertung der Machbarkeit der Umstellung einer bestehenden Pipeline für die Wasserstoffspeicherung
Sicherstellung der langfristigen Integrität unter wechselnden Betriebsbedingungen
Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff sind für die Energiewende von entscheidender Bedeutung, wobei die Umrüstung von Pipelines eine kohlenstoffärmere und sofort verfügbare Alternative zum Neubau darstellt. Die Integration von Wasserstoff in bestehende Erdgasnetze ist jedoch mit Herausforderungen verbunden, und die Branchenvorschriften für die Umstellung sind noch unterentwickelt und müssen an die neuesten Forschungsergebnisse angepasst werden.
Eine zentrale Herausforderung bei der Umstellung von Pipelines für die Wasserstoffspeicherung ist der Einfluss von Ermüdungszyklen auf ihre langfristige Integrität. Aufgrund der Speicherfunktion ist mit häufigen Druckschwankungen zu rechnen, die die Pipeline wiederholten Belastungszyklen aussetzen. Im Wasserstoffbetrieb kann dies die Ermüdungslebensdauer von rissartigen Fehlern und geometrischen Anomalien wie Dellen erheblich verringern.
Diese Fallstudie präsentiert den Prozess zur methodischen Bewertung der technischen Machbarkeit der Umrüstung einer europäischen Onshore-Produktionsgasleitung auf Wasserstoffspeicherung. Ziel war es, einen sicheren Betriebsbereich festzulegen, die Kapazität zu maximieren und die langfristige Integrität unter wechselnden Betriebsbedingungen sicherzustellen.
Die Herausforderung
Im Rahmen der Entwicklung eines grünen Wasserstoff-Hubs zur Versorgung der regionalen Industrie und Endverbraucher wurde eine Onshore-Erdgasfernleitung geplant, um gasförmigen Wasserstoff für Spitzenlastzeiten zu speichern und Schwankungen in der Wasserstoffproduktion auszugleichen.
Die Pipeline wurde ursprünglich in den 1970er Jahren gebaut. Später kamen weitere Abschnitte hinzu, sodass unterschiedliche Wandstärken, Nennweiten, Rohrtypen, Spezifikationen und Designfaktoren vorlagen. Obwohl aufgrund des Eigentümerwechsels einige Unterlagen verloren gegangen waren, gab es eindeutige Hinweise darauf, dass einige Werkstoffe aufgrund ihrer niedrigen Duktilität und Zähigkeit möglicherweise nicht für den Einsatz mit Wasserstoff geeignet waren. Daher wurde die Überprüfung der Rohrleitungen und Schweißnähte über die gesamte Länge der Pipeline sowie ihrer mechanischen Eigenschaften in gasförmigem Wasserstoff als eine der wichtigsten Anforderungen für dieses Projekt identifiziert.
Aufgrund von Prozessstörungen und kurzen Nassbetriebszeiten in Verbindung mit der Beschaffenheit des Produkts wurde Sauerstoffrisse als potenzielles Risiko identifiziert. Dies deutet darauf hin, dass während des bisherigen Betriebs möglicherweise innere Risse entstanden sind, die für eine sichere Umstellung auf den Wasserstoffbetrieb einer weiteren detaillierten Diagnose und Analyse bedürfen.
Schließlich waren in der Vergangenheit keine Geometrie-, IMU- und Dual-Magnetisierungsprüfungen durchgeführt worden, sodass Unsicherheiten hinsichtlich des Vorhandenseins von Merkmalen wie Dellen, Bereichen mit hoher Biegebeanspruchung und „hard spots“ bestanden. Diese Merkmale beeinflussen die Wasserstoffverträglichkeit und erfordern eine detaillierte Analyse, um die Eignung für die Umstellung zu beurteilen. Ein Vergleich mit historischen Inspektionsdaten ähnlicher Pipelines aus dem Integrity Data Warehouse ergab, dass diese Merkmale wahrscheinlich keine „Show-Stopper“ waren, aber eine definitive Bestätigung war erforderlich.
Unsere Lösung
Der erste Schritt bestand darin, bestehende Risiken für die Integrität zu identifizieren, die aufgrund ihrer geringeren Fehlertoleranz im Hinblick auf den Einsatz von Wasserstoff einer weiteren Bewertung bedürfen, wie z. B. die Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch Wasserstoffversprödung oder Risswachstum unter statischen und dynamischen Belastungen sowie potenzielle Eskalationsrisiken wie Stresskorrosionsrissbildung (SCC) bei nahezu neutralem pH-Wert. Es wurde eine systematische Überprüfung der Konstruktions-, Bau-, Betriebs- und Inspektionsdaten sowie der bestehenden Integritätsmanagementpläne durchgeführt.
Der Zustand der Pipeline (vor der Umrüstung) wurde dann anhand von schädlichen Anomalien wie volumetrischem Metallverlust, geometrischen Defekten, rissartigen Defekten, „hard spots“ und Biegebeanspruchung definiert. Es wurde eine Gebrauchstauglichkeitsprüfung (FFS) durchgeführt, um die Akzeptanz dieser Defekte im Hinblick auf den angestrebten Betriebsbereich (Druckzyklus) und andere potenzielle Hauptbelastungen (z. B. Axialspannungen) unter Wasserstoff zu bestimmen.
Im nächsten Schritt wurde eine Umstellungsstrategie entwickelt, um die in der ersten Machbarkeitsstudie identifizierten wesentlichen Annahmen und Lücken zu berücksichtigen. Diese Strategie berücksichtigte die Branchenkenntnisse über die Herausforderungen bei der Verwendung von gasförmigem Wasserstoff und stellte die Compliance mit den lokalen Vorschriften sicher. Dies trug dazu bei, ein rationaleres Bild von der Eignung der Pipeline für den Betrieb und dem Risikoprofil bei der Nutzung von Wasserstoff zu erhalten.
Zu den wichtigsten Aspekten der Umstellungssstrategie gehörten:
- Material- und Schweißnaht-Populationsanalyse: Identifizierung und Kategorisierung von Pipeline-Abschnitten anhand mechanischer Eigenschaften und des Risswachstumsverhaltens unter Wasserstoffeinfluss.
- Bewertung der mechanischen Leistung in Wasserstoff: Bewertung der Bruchzähigkeit gemäß den Anforderungen von CHMC1/ASTME1820 und Analyse des Ermüdungsrisswachstums.
- Bewertung des Zustands der Pipeline: Bewertung bestehender Anomalien und ihrer Akzeptanz im Wasserstoffbetrieb.
- Integritätsminderungsprüfung: Sicherstellung, dass Außenbeschichtungen, kathodischer Schutz und Überdeckungstiefe für den Betrieb mit Wasserstoff wirksam bleiben.
- Betriebsintegritätsfenster: Definition der Fenster mit der höchsten Wahrscheinlichkeit für eine sichere und erfolgreiche Pipeline-Konvertierung.
Die Machbarkeitsstudie kam zu dem Ergebnis, dass Szenario 1 (Basisszenario) und Szenario 2 unter den gegebenen Annahmen keine wesentlichen Hindernisse aufweisen. Szenario 3 erschien machbar, erforderte jedoch eine Neubewertung der konservativen Dellenermüdungsbewertungen. Szenario 4 brachte jedoch erhebliche Risiken für den sicheren Betrieb mit sich und wurde nicht zur weiteren Prüfung empfohlen.
Dieser strukturierte Ansatz bot einen klaren Rahmen für die Bewertung der Eignung der Pipeline für die Wasserstoffspeicherung. Das Projekt lieferte eine fundierte Machbarkeitsbewertung, indem es Integritätsrisiken systematisch adressierte, die Materialleistung bewertete und die Einhaltung der Vorschriften sicherstellte. Diese Methode minderte Risiken und optimierte die Nutzung der bestehenden Infrastruktur, wodurch eine nachhaltigere Energiewende unterstützt wurde.
Die Vorteile
- Multidisziplinäres Fachwissen im Bereich Integrity Engineering, einschließlich Material-, Schweiß-, Korrosions- und Inspektionstechnologie sowie Integritätsspezialisten.
- Ein strukturierter Ansatz für die Umwidmung von Pipelines, der ein umfassendes Verständnis der Pipeline-Bedingungen und potenziellen Risiken gewährleistet.
- Spezielle Testmöglichkeiten zum Testen von Materialien und deren Exposition in einer Wasserstoffatmosphäre.
- Breites Spektrum an Inline-Inspektionstechnologien zur Erkennung von wasserstoffspezifischen Risiken und Defekten.