Die Optionen zur Einspeisung von Brenngasen aus erneuerbaren Quellen sind:

• Biogas, das durch Fermentierung organischen Materials entsteht. Diese Einspeisung erfolgt seit mehreren Jahren; die erforderliche Messtechnik ist vorhanden.
• Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus Wasser erzeugt wird. Diese Option erscheint im Moment besonders vorteilhaft, bringt aber die größten Änderungen bei der Messtechnik mit sich.
• Methan, das aus Wasserstoff und CO₂ mit Hilfe einer katalytischen Reaktion erzeugt wird. Bei diesem Verfahren ist der niedrigere Wirkungsgrad gegenüber der Wasserstofferzeugung nachteilig; die Auswirkungen auf die Messtechnik sind aber gering.

Biogas und Methan sind dem Erdgas so ähnlich, dass Gasmesstechnik wie Gaszähler und Mengenumwerter keine Probleme damit haben, vorausgesetzt das Biogas wurde aufbereitet und entspricht in seiner Beschaffenheit den DVGW-Arbeitsblättern G 260 und G 262. Problematischer ist der Wasserstoff, der sich hinsichtlich seiner Materialeigenschaften deutlich von Erdgas unterscheidet. Das hat folgende Auswirkungen:

• Die physikalischen Eigenschaften haben Auswirkungen auf dessen Messbarkeit bzw. die Genauigkeit der Messgeräte.
• Durch die kleine Molekülgröße kann Wasserstoff in verschiedene Materialien diffundieren und eine Versprödung verursachen.
• Wasserstoff ist hinsichtlich des Explosionsschutzes anders zu behandeln als Erdgas.

Im Folgenden sollen vor allem die messtechnischen Aspekte anhand von Gasmesstechnik der RMG Messtechnik GmbH in Butzbach beleuchtet werden. Der Aspekt der Versprödung führt aufgrund der Materialauswahl zu eher geringen Einschränkungen. Auch der Explosionsschutz ist gewährleistet: Gemäß Baumusterprüfbescheinigung sind die Geräte für die Gasgruppen II2+H2 oder IIC (welche auch Wasserstoff einschließt) zugelassen.

Gasvolumenmessung – Gasmesstechnik

Turbinenradgaszähler

Vom Messprinzip ist ein Turbinenradgaszähler (Bild 1) grundsätzlich unabhängig von der Gasart; allerdings verändert sich das Strömungsverhalten. Die Kenngröße für Strömungen – die Reynoldszahl – hängt unter anderem auch von der Gasdichte ab. Damit ändern sich dann die Messbereiche für Turbinenradgaszähler. Interessanterweise gelten für Luft und Erdgase dieselben Messbereiche, da hier der Einfluss der Dichte durch die Viskosität kompensiert wird. Für Wasserstoff hingegen erhöht sich der untere Grenzwert für den Durchfluss (Qmin). Unter den genannten Bedingungen kann ein Turbinenradgaszähler, zumindest im nicht eichamtlichen Betrieb, bis 100 % Wasserstoffanteil eingesetzt werden.

Bild 1: Turbinenradgaszähler (© RMG Messtechnik GmbH)

Ultraschallgaszähler

Ein Ultraschallgaszähler misst direkt die Strömungsgeschwindigkeit; die Messbereiche ändern sich in diesem Fall nicht. Entscheidend für die Einsatzmöglichkeit des Zählers sind vielmehr die akustischen Eigenschaften des Messgases. Bei Wasserstoff ist die Schallausbreitung deutlich geringer als bei Luft oder Erdgas und auch die höhere Schallgeschwindigkeit hat einen Einfluss auf die Messung. Das hat zur Folge, dass RMG-Ultraschallgaszähler in ihrer derzeitigen Bauart grundsätzlich Erdgas mit einer Beimischung
von bis zu 20 % Wasserstoff messen können. Bei höheren Anteilen kann es Einschränkungen beim Messbereich geben oder die zulässigen Grenzwerte für Druck oder Temperatur ändern sich.

Einsatz für eichamtliche Messungen

In der Technischen Richtlinie G19 von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) kann ein Gaszähler grundsätzlich bis 5 % Wasserstoffanteil eingesetzt werden bzw.
bis 10 %, wenn dies in einer Herstellererklärung zugesichert wird. Bei mehr als 10 % Wasserstoffanteil müsste ein Zähler mit einem solchen Gas geprüft werden, was allerdings
derzeit mangels geeigneter Prüfstände nicht möglich ist.

Mengenumwertung

Die Gasartenabhängigkeit der Zustandsmengenumwertung kommt mit der Kompressibilitätszahl ins Spiel. Das Berechnungsverfahren GERG-88S ist nur für natürliche Erdgase zulässig und steht bei Wasserstoffbeimengung nicht zur Verfügung. Das alternativ zur Verfügung stehende Verfahren AGA 8-92DC kann gemäß G19 eingesetzt werden, wenn das Produkt aus Druck in bar und Wasserstoffanteil in Prozent maximal 15 beträgt. Für höhere Anteile fehlt derzeit ein zugelassenes Verfahren, jedoch mit der Ausnahme von reinem Wasserstoff, der gemäß dem Verfahren Beattie-Bridgeman für technische Gase berechnet werden kann.

Der RMG Flow Computer ERZ 2000-NG (Bild 2) ist zugelassen für die Umwertung von reinem Wasserstoff über Beattie-Bridgeman. Dieser Gerätetyp bietet noch eine weitere Option, die bei der Reduzierung der CO₂-Emissionen helfen kann: CO₂-Zählwerke. Wenn die Gaszusammensetzung bekannt ist, z. B. von einem Gaschromatographen, kann auch (bei Annahme vollständiger Verbrennung) die Menge des emittierten Kohlendioxids berechnet werden.

Bild 2: Flow Computer ERZ 2000-NG (© RMG Messtechnik GmbH)

Gasanalyse – Gasmesstechnik

Gaschromatographen

Ein Gaschromatograph (Bild 3) misst die prozentualen Anteile der Gaskomponenten. Dazu wird das Messgas in einen permanenten Strom aus einem Trägergas (Helium) injiziert und das erzeugte Gemisch durch eine Kapillare geschickt, wo die Komponenten voneinander getrennt werden. Im Anschluss wird der Anteil jeder Komponente über die Wärmeleitfähigkeit gemessen. Grundsätzlich funktioniert das auch für Wasserstoff. Allerdings können Kapillaren, die für Erdgas geeignet sind, Wasserstoff nicht von Stickstoff und Sauerstoff trennen. Mit einem speziellen Kapillartyp, der Molsieb-Säule, lässt sich das erreichen, aber nur bis zu einem Wasserstoffanteil von 5 %. Darüber wird die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff-Helium-Gemischen hochgradig nichtlinear. Der RMG-Prozessgaschromatograph PGC 9304 kann Wasserstoffanteile bis 20 % messen, indem
die Molsieb-Säule mit Argon als Trägergas betrieben wird.

Korrelative Messgeräte

Korrelative Messgeräte bestimmen leichter zu messende Stoffwerte von Gasen, die mit schwieriger zu messenden Stoffwerten (z. B. Brennwert) korrelieren und somit berechenbar
sind. Bei natürlichen Erdgasen ist das möglich und wurde in der Vergangenheit auch für eichamtliche Anwendungen verwendet. Durch die bereits durchgeführte Einspeisung von Biogas und die erwartete Einspeisung von Wasserstoff wird dieses Messverfahren zu ungenau. Die PTB hat erklärt, solche Geräte künftig nicht mehr für eichamtliche Messungen zuzulassen.

Für Steuerungszwecke sind hochgenaue Messgeräte in der Regel nicht wirtschaftlich und auch nicht schnell genug. Daher wird es auch künftig nicht eichamtliche korrelative Messgeräte geben wie z. B. das GQS 400 von RMG, das bei Brenngasen die Größen Brennwert, relative Dichte, Wobbe-Index und Methanzahl bestimmt.

(Quelle: Prozesswärme 08/2020/ RMG Messtechnik GmbH)