Die Sicherheit der Energieversorgung war in den letzten Jahren eine Herausforderung, die durch eine veraltete Infrastruktur, die Umstellung auf neue Gaslieferanten und den Druck zur Emissionsreduzierung noch verschärft wird. Neben Investitionen in neue Infrastrukturen besteht ein wichtiger Aspekt bei der Lösung dieser Herausforderung auch darin, die Leistungsfähigkeit bestehender Leitungsnetze zu bewerten und diese nachzurüsten, damit sie den aktuellen Anforderungen entsprechen. Obwohl das Gesamtpuzzle komplex ist, gehört zu seiner Lösung ein zuverlässiges Set von Werkzeugen und Methoden, die Ingenieuren helfen, den Gasstrom in komplexen Rohrleitungsinfrastrukturen zu verstehen, die sich über Hunderte oder Tausende von Kilometern erstrecken.
Die Open Grid Europe GmbH (OGE) mit Sitz in Essen betreibt in Deutschland mit einer Länge von rund 12.000 km das größte Ferngasnetz und ist einer der europäischen Übertragungsnetzbetreiber. Im Zuge der Zusammenarbeit mit Siemens Digital Industries Software nutzt OGE die Software Simcenter™ Flomaster™ für Strömungssimulationen komplexer Rohrleitungssysteme.
Abbildung 1: Repräsentatives Modell eines Abschnitts des Gasverteilungsnetzes
Planung und Instandhaltung der traditionellen Erdgasinfrastruktur
Ein wichtiger Aspekt bei der Planung einer sicheren Gasverarbeitungs- und -transportinfrastruktur ist die Risikominderung und die Gewährleistung der Integrität der Anlagen in jedem unerwünschten Szenario. Ungeplante Ereignisse, wie das plötzliche Abschalten eines Verbrauchers oder ein Stromausfall in der Verdichterstation, können schwere Druckstörungen in einem bereits unter hohem Druck stehenden Gasnetz auslösen. Abbildung 1 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus einem Gesamtmodell eines Gasversorgungsnetzes in Simcenter Flomaster, in dem viele Störungsszenarien untersucht werden können.
In einigen Fällen kann ein durch eine Anomalie verursachter Druckanstieg weitere Notfallmaßnahmen auslösen, die zu einem erheblichen Anstieg der ungeplanten Ausfallzeiten führen können. Dies führt nicht nur zu vermeidbarem Wartungsaufwand, sondern behindert auch den stetigen Ertragsfluss, der sich aus einem ansonsten stabilen Betrieb ergeben hätte. OGE setzt Simcenter Flomaster seit über einem Jahrzehnt für die detaillierte Planung von Gasflussnetzen ein, um die Sicherheit zu gewährleisten und das Risiko ungeplanter Ausfallzeiten zu verringern und damit die betriebliche Effizienz insgesamt zu verbessern.
Die Analyse erfordert häufig eine sorgfältige und rigorose Bewertung von Betriebsparametern wie Gasdrücken, Temperaturen oder Spezieskonzentrationen, und zwar nicht nur an den Messpunkten, sondern auch in Bezug auf ihre Ausbreitung entlang der Strecken. Im Laufe der Jahre hat OGE eigenes Wissen entwickelt, um den Arbeitsablauf zu rationalisieren und schnelle Entscheidungen zu treffen, um das gesamte System in Berechnungspunkte aufzulösen, die dann gleichzeitig mit Simcenter Flomaster berechnet werden.
Das implizite Courant-Friedrichs-Lewy-Kriterium (CFL) stellt sicher, dass keine instationäre Gasströmungsphysik unberücksichtigt bleibt, wodurch die Berechnungsgeschwindigkeit optimiert wird, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Die Simulation liefert Erkenntnisse, die es den Ingenieuren ermöglichen, die Sicherheitsauswirkungen von Konstruktions- oder Betriebsänderungen zu bewerten.
Abbildung 2: Kleine Änderung, die zu einer Verstärkung der Druckspitzen um das 4-fache führt
Das in Abbildung 2 dargestellte Beispiel zeigt die Auswirkungen einer kleinen Änderung in derselben Konstruktion, die den Spitzendruck um das Vierfache des ursprünglichen Wertes erhöht und das System höchst instabil machen kann. Das OGE-Team verwendet Simcenter Flomaster, um detaillierte Gasphysikmodelle in einer einfach zu bedienenden grafischen Oberfläche zu erstellen. Die einfache Interoperabilität über Excel-Tabellen hilft außerdem, Zeit zu sparen und Arbeitsabläufe zu automatisieren.
Unterstützung für neue Technologien und die Energiewende
Kohlendioxid (CO2) ist ein wichtiges Nebenprodukt bei verschiedenen industriellen Prozessen wie der Stahlerzeugung. Da die Stahlindustrie in Deutschland hauptsächlich im Ruhrgebiet angesiedelt ist, bietet die Verlagerung des erzeugten CO2 zu Offshore-Anlagen, in denen CCUS-Technologien unter Nutzung der bestehenden Pipeline-Infrastruktur eingesetzt werden können, einen pragmatischen Weg in die Zukunft. Da die Eigenschaften und das Verhalten von Kohlendioxid jedoch sehr spezifisch sind und sich deutlich von Erdgas unterscheiden, gibt es keine einfache Antwort auf die Frage, ob die bestehende Infrastruktur für diese neue Anforderung geeignet und bereit ist.
Abbildung 3: Analyse des Rohrleitungsnetzes für den Transport von superkritischem Kohlendioxid
In Abbildung 3 ist der Bereich der überkritischen Phase von CO2, in dem sich seine Eigenschaften nicht zwischen inkompressiblen und kompressiblen Strömungen unterscheiden lassen, dargestellt. Dies stellt für das OGE-Team sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance dar, die Vorteile des Verhaltens der überkritischen Phase für einen effizienteren Transport zu nutzen.
Ein entscheidender Aspekt dabei ist das Verständnis der Druck-Temperatur-Enthalpie-Verteilung und der Phasenspaltung des Kohlendioxids über das gesamte Transportnetz unter Berücksichtigung der verschiedenen Erzeugungspunkte, Verzweigungen und Zusammenführungen, Erhebungen und Wärmeübertragung. Die OGE-Ingenieure werden die enthalpie-basierte Dampfkreislauf-Solver-Technologie von Simcenter Flomaster einsetzen. Der lokale Siemens-Partner SMART Engineering GmbH wird OGE weiterhin dabei unterstützen, die kritischen Aspekte der bestehenden Infrastruktur zu bewerten.
Da die Lösungszeit selbst für komplexe Netze, die sich über Tausende von Kilometern mit Verzweigungen erstrecken, schnell ist, kann OGE das Potenzial für den Einsatz von Online-Modellen für eine robuste Betriebsplanung als integrierter Teil des umfassenderen Ökosystems des Internets der Dinge (IoT) erkunden, das Echtzeiteinblicke in den Betriebszustand der Anlagen bietet.