Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker: Liquefied Natural Gas in der Anwendung [1. Aufl.] 9783658285500, 9783658285517

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XI
LNG und dessen Thermodynamik (Werner Hermeling)....Pages 1-12
Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport und der Lagerung von LNG (Werner Hermeling)....Pages 13-30
LNG – von der Quelle zum Endkunden (Werner Hermeling)....Pages 31-52
Betriebsführung (Werner Hermeling)....Pages 53-56
LNG-Anwendungen (Werner Hermeling)....Pages 57-99
Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks (Werner Hermeling)....Pages 101-119
Sensorik in einer LNG-Anlage (Werner Hermeling)....Pages 121-130
Ausrüstungen einer LNG-Anlage (Werner Hermeling)....Pages 131-145
Sicherheitseinrichtungen (Werner Hermeling)....Pages 147-166
Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung (Werner Hermeling)....Pages 167-175
Isolierungen (Werner Hermeling)....Pages 177-189
Elektrische Erdungen (Werner Hermeling)....Pages 191-193
Markante Prozessstörungen (Werner Hermeling)....Pages 195-198
Anlagenplanung (Werner Hermeling)....Pages 199-210
Inbetriebnahme und Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage (Werner Hermeling)....Pages 211-215
Schulungsempfehlung (Werner Hermeling)....Pages 217-223
Besondere Hinweise und Vorsichtsmaßnahmen (Werner Hermeling)....Pages 225-229
Back Matter ....Pages 231-242

Citation preview

Werner Hermeling

Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker Liquefied Natural Gas in der Anwendung

Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker

Werner Hermeling

Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker Liquefied Natural Gas in der Anwendung

Werner Hermeling Neusiedl am See, Österreich

ISBN 978-3-658-28550-0    ISBN 978-3-658-28551-7  (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Lektorat: Dr. Daniel Fröhlich Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany

Vorwort

Das vorliegende Buch möchte dem Praktiker, dem Anlagenbauer, dem Investitionsentscheider und dem Anlagenmonteur technische und wirtschaftliche Erkenntnisse und Überlegungen zu LNG und CNG, sowie Bio-LNG und Bio-CNG vermitteln, die ich allgemein für tiefkalt verflüssigte und komprimierte Gase während meiner Tätigkeit bei der Firma Messer Griesheim, der heutigen Messer Group und deren Tochterunternehmen sammeln konnte. Viele Aussagen treffen neben LNG auch für Luftgase und Reinstgase zu, unabhängig davon, ob flüssig oder gasförmig. Der Energieträger LNG ist ein neues Produkt u. a. im deutschen Markt. Daher ist besondere Sorgfalt bei der Bearbeitung von Projekten und dem Bau von Anlagen eine der wichtigsten Voraussetzungen. Mit meinen Teams stellte ich Überlegungen zur Arbeitssicherheit an, deren Beachtung ich für notwendig halte. Teilweise fanden sie noch keinen Niederschlag in den Regelwerken. Wir haben Vorrichtungen entwickelt, die mit bestem Ergebnis erprobt wurden und in den Markt eingeführt werden müssen, denn sie machen Prozesse sicherer und dazu noch wirtschaftlicher. Der Leser erfährt meine persönlichen Erfahrungen, die teilweise in einer Vielzahl meiner Patente beschrieben werden. Leider musste ich von schlimmen Unfällen hören, die alle beim richtigen Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen vermeidbar gewesen wären. Ähnliches auszuschließen ist ein weiteres wichtiges Anliegen des Buches. Deshalb habe ich einen eigenen Abschnitt den Schulungsempfehlungen gewidmet. Mir ist bewusst, dass Vieles nicht erwähnt bzw. beschrieben wurde, aber an einer Stelle musste ich einen Punkt setzen. Der Praktiker, der neu in die Materie LNG und CNG einsteigt, wird sich jetzt und zukünftig vertiefendes Wissen in der einschlägigen Fachliteratur und den Facharbeitskreisen aneignen. Das Potenzial von LNG wird nach meinen Kenntnissen im mitteleuropäischen Raum und mit großer Wahrscheinlichkeit auch darüber hinaus nur bedingt ausgeschöpft. Daher sollte es anregen, sich den Herausforderungen des LNG zu stellen und nicht den kritischen Gedanken mit der Begründung zur Seite zu legen  – „weil es schon immer so gemacht wurde“.

V

VI

Vorwort

Nun erlaube ich mir, besonders meinen direkten und indirekten Helfern zu danken. Mein besonderer Dank geht an Herrn Peter Suchy, der vielfache Erkenntnisse als äußerst innovativer Investor mit einmaliger Großzügigkeit getragen hat, an Herrn Thorsten Hoppestock, einem begnadeten Techniker, der mit seinem Wissen zum Erfolg der Einführung eines neuen Systems maßgeblich beitrug und Herrn Dr.-Ing. Gilbert Meyer, der mir bei der Strukturierung des Inhalts Ratschläge erteilte. Besonderes Glück hatte ich mit meinem Lektor beim Verlag Springer Vieweg, Herrn Dr. Fröhlich, der mir als schreibendem Neuling in sehr motivierender Weise vermittelte, wie ein Buch zu gestalten ist. Meine Frau Katharina stand mir stets bei und half über viele Passagen, aus meinem Technikerdeutsch ein für jeden verständliches zu machen. Es ist ein Gemeinschaftswerk vieler weiterer Ungenannter, allen ganz herzlichen Dank. Das Schreiben hat mir Freude gemacht. Meine getroffenen Aussagen müssen nicht unbedingt Bestätigung des Lesenden finden, habe jedoch stets meine Überlegungen mit den theoretischen Erkenntnissen untermauert. Ich wäre dankbar, sollte ich trotz alledem bestimmte Dinge anders eingeschätzt haben, mich davon zu unterrichten. Neusiedl am See, August 2019

Inhaltsverzeichnis

1 LNG und dessen Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   1 1.1 LNG��������������������������������������������������������������������������������������������������������������   1 1.1.1 Was ist LNG?������������������������������������������������������������������������������������   1 1.1.2 Biogas – Bio-LNG����������������������������������������������������������������������������   2 1.1.3 Entstehung des Erdgases������������������������������������������������������������������   5 1.2 Bedeutung des LNG��������������������������������������������������������������������������������������   5 1.3 Rohrleitungsgas und dessen Bedeutung��������������������������������������������������������   9 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  11 2 Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport und der Lagerung von LNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  13 2.1 Adiabate Kühlung ����������������������������������������������������������������������������������������  13 2.2 Mischkondensation ��������������������������������������������������������������������������������������  17 2.3 Entspannungsenergie, der Joule-Thomson-Effekt����������������������������������������  20 2.4 Kompressionsenergie������������������������������������������������������������������������������������  21 2.5 Der kritische Punkt ��������������������������������������������������������������������������������������  22 2.6 Das thermodynamische Gleichgewicht��������������������������������������������������������  24 2.7 Die Isobare unterhalb des kritischen Punktes ����������������������������������������������  25 2.8 Die Verflüssigung von LNG��������������������������������������������������������������������������  27 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  29 3 LNG – von der Quelle zum Endkunden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  31 3.1 Verflüssigung an der Quelle und Transport in den Hub��������������������������������  31 3.2 LNG-Transport zum Endkunden������������������������������������������������������������������  36 3.2.1 Der LNG-Straßentankwagen������������������������������������������������������������  37 3.3 LNG-Betankung beim Endkunden ��������������������������������������������������������������  42 3.4 Geschlossenes und offenes Schlauchsystem������������������������������������������������  43 3.4.1 Das offene Schlauchsystem��������������������������������������������������������������  44 3.4.2 Das geschlossene Schlauchsystem����������������������������������������������������  46

VII

VIII

Inhaltsverzeichnis

3.5 Betanken von oben����������������������������������������������������������������������������������������  47 3.6 Betanken von unten��������������������������������������������������������������������������������������  50 3.7 Das Betanken bei Aufrechterhaltung des Prozessdrucks������������������������������  51 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  52 4 Betriebsführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  53 4.1 Die kontinuierliche Betriebsführung������������������������������������������������������������  53 4.2 Die diskontinuierliche Betriebsführung��������������������������������������������������������  54 5 LNG-Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  57 5.1 LNG-Versorgungsanlagen����������������������������������������������������������������������������  60 5.1.1 Funktionsprinzip Modul 1����������������������������������������������������������������   60 5.1.2 Funktionsprinzip Modul 2����������������������������������������������������������������   62 5.1.3 Funktionsprinzip Modul 3����������������������������������������������������������������   64 5.1.4 Funktionsprinzip Netzeinspeisung/Netzstabilisierung���������������������  65 5.1.5 Mobile Notversorgung����������������������������������������������������������������������  67 5.2 Möglichkeiten der Gaskompression�������������������������������������������������������������  68 5.2.1 Gaskomprimierung mit Kompressor, Kryopumpe und Liqui-­Flow-­Verfahren ����������������������������������������������������������������������  69 5.2.2 Gaskomprimierung mit Kryohochdruckkolbenpumpe ��������������������  75 5.2.3 Gaskompression mit dem Liqui-Flow-Verfahren ����������������������������  84 5.3 CNG-Tankstellen������������������������������������������������������������������������������������������  88 5.3.1 Erdgastankstellen mit Kompressor ��������������������������������������������������  88 5.3.2 Erdgastankstelle mit Kryopumpe������������������������������������������������������  89 5.3.3 Erdgastankstellen mit Liqui-Flow-Verfahren������������������������������������  90 5.4 Satelliten-Erdgastankstelle����������������������������������������������������������������������������  93 5.4.1 Füllen von Erdgasflaschen, Erdgasbündel und Erdgastrailer������������  96 5.4.2 Energiebedarf der Satelliten-Erdgastankstelle����������������������������������  97 5.5 Bedeutung der Haltedruckhöhe im Liqui-Flow-Verfahren und für Hochdruckkolbenpumpen ����������������������������������������������������������������������������  98 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������  99 6 Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.1 Allgemeines zur thermodynamischen Funktion eines Tanks������������������������ 101 6.1.1 Die thermodynamische Funktion des Pumpentanks ������������������������ 105 6.1.2 Die thermodynamische Funktion des Kältetanks ���������������������������� 108 6.1.3 Die thermodynamische Funktion des Kaltvergasers������������������������ 109 6.2 Die konstruktive Beschreibung des vakuumisolierten Tanks������������������������ 110 6.2.1 Allgemeines�������������������������������������������������������������������������������������� 110 6.2.2 Tankbauarten������������������������������������������������������������������������������������ 113 6.2.3 Bedeutung des Tankdrucks �������������������������������������������������������������� 117 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 119

Inhaltsverzeichnis

IX

7 Sensorik in einer LNG-Anlage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.1 Füllstandsmessgeräte������������������������������������������������������������������������������������ 123 7.1.1 Differenzdruckfüllstandsmessgerät�������������������������������������������������� 123 7.1.2 Gravimetrische Füllstandsmessung�������������������������������������������������� 127 7.2 Temperaturmessung�������������������������������������������������������������������������������������� 128 7.3 Massendurchflussmessgeräte������������������������������������������������������������������������ 128 7.3.1 Coriolis-Messgerät���������������������������������������������������������������������������� 129 7.3.2 Massendurchfluss mittels Druckverlustmessung������������������������������ 130 8 Ausrüstungen einer LNG-Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 8.1 Ventile im tiefkalten Flüssigbereich und in der Gasphase���������������������������� 131 8.2 Rückschlagventil������������������������������������������������������������������������������������������ 133 8.3 Gasdruckregler���������������������������������������������������������������������������������������������� 135 8.3.1 Gasdruckregler, einfacher ���������������������������������������������������������������� 138 8.3.2 Gasdruckregler mit Doppelfunktion ������������������������������������������������ 138 8.4 Luftverdampfer �������������������������������������������������������������������������������������������� 140 8.5 Gasvorwärmer in KWK-Anlagen oder in Anlagen mit Gasbrenner ������������ 142 8.6 Odorieranlagen und Odorierung ������������������������������������������������������������������ 143 9 Sicherheitseinrichtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9.1 Sicherheitsventile������������������������������������������������������������������������������������������ 147 9.1.1 Sicherheitsventile (SV) in der Anlage���������������������������������������������� 147 9.1.2 Sicherheitswechselventil des Tanks�������������������������������������������������� 152 9.1.3 Integrierte Sicherheitsabsperrarmatur in Gasdruckregelgeräten ���������������������������������������������������������������������� 154 9.2 Prozessüberdruckventil am Tank������������������������������������������������������������������ 155 9.3 Sicherheitsabsperrarmatur des Tanks������������������������������������������������������������ 156 9.4 Einstellung der Öffnungsdrücke der Sicherheitseinrichtungen am Tank�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 159 9.5 Überfüllsicherung ���������������������������������������������������������������������������������������� 160 9.6 Überfüllsicherung ���������������������������������������������������������������������������������������� 161 9.6.1 Überfüllsicherung durch Gasdruckaufbau���������������������������������������� 161 9.6.2 Überfüllsicherung durch Gasdruckaufbau als Nachrüstung ������������ 163 9.7 Abgasführung������������������������������������������������������������������������������������������������ 164 9.8 Gaswarnanlagen�������������������������������������������������������������������������������������������� 165 9.9 Peilrohre am LNG-Tank������������������������������������������������������������������������������� 165 10 Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 10.1 Kuppeln offener Systeme���������������������������������������������������������������������������� 168 10.2 Kuppeln geschlossener Systeme ���������������������������������������������������������������� 168 10.2.1 Kupplungen mit Totraum�������������������������������������������������������������� 169 10.2.2 Kupplungen ohne Totraum������������������������������������������������������������ 170

X

Inhaltsverzeichnis

11 Isolierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 11.1 Feststoffisolierung�������������������������������������������������������������������������������������� 178 11.1.1 Vakuumpaneele ���������������������������������������������������������������������������� 178 11.1.2 Matten mit Faserstruktur�������������������������������������������������������������� 181 11.1.3 Matten aus Kautschukverbindungen�������������������������������������������� 182 11.1.4 Foamglas®-Isolierung�������������������������������������������������������������������� 183 11.1.5 Isolierungen aus Polyisocyanurat (PIR)���������������������������������������� 184 11.2 Vakuumisolierungen ���������������������������������������������������������������������������������� 185 11.2.1 Vakuumisolierungen für Behälter und Rohre ������������������������������ 185 11.2.2 Vakuumisolierungen für Armaturen���������������������������������������������� 188 11.2.3 Vakuumisolierte Schläuche���������������������������������������������������������� 188 11.2.4 Wartung und Kontrolle:���������������������������������������������������������������� 188 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 189 12 Elektrische Erdungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 12.1 Schutzerdung der Anlage���������������������������������������������������������������������������� 192 12.2 Erdung zur Befüllung���������������������������������������������������������������������������������� 192 12.3 Funktionserdung im laufenden Betrieb������������������������������������������������������ 193 13 Markante Prozessstörungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 13.1 Luft im Schlauch���������������������������������������������������������������������������������������� 195 13.2 Gasblasen in der Flüssigkeitsleitung���������������������������������������������������������� 196 13.3 Vereisungen������������������������������������������������������������������������������������������������ 197 13.4 Produkt fließt nicht in die Pumpe bz. in die Druckschleuse einer Liqui-­Flow-­Anlage������������������������������������������������������������������������������������� 197 13.5 Kryopumpe fördert nicht���������������������������������������������������������������������������� 198 14 Anlagenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 14.1 Erdgasversorgungsanlage���������������������������������������������������������������������������� 199 14.2 Erdgastankstellen���������������������������������������������������������������������������������������� 200 14.2.1 Montage, Errichtung und Wartung������������������������������������������������ 202 14.3 Ausführung von Rohrverbindungen und Armaturenanschlüsse ���������������� 203 14.4 Entscheidungshilfe zur Auswahl der Anlagengröße einer Liqui-Flow-­Tankstelle�������������������������������������������������������������������������������� 204 14.5 Kosten einer Anlage������������������������������������������������������������������������������������ 206 14.5.1 Allgemeine Hinweise�������������������������������������������������������������������� 206 14.5.2 Investitions- oder Fixkosten���������������������������������������������������������� 206 14.5.3 Variable Kosten ���������������������������������������������������������������������������� 207 14.5.4 Betriebskosten������������������������������������������������������������������������������ 208 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 210

Inhaltsverzeichnis

XI

15 Inbetriebnahme und Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage. . . . . . . . . . . . . 211 15.1 Vorbereitende Maßnahmen zur Inbetriebnahme ���������������������������������������� 211 15.2 Befüllung und Anfahren der Anlage ���������������������������������������������������������� 212 15.3 Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage������������������������������������������������������ 214 16 Schulungsempfehlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 16.1 Themenempfehlung für Schulungsthemen für den Anlagenbetreiber�������� 218 16.2 Themenempfehlung für Personenschutz des Kunden an der Tankstelle ������ 219 16.3 Themenempfehlung für Schulungsthemen für das Betriebspersonal vor Ort �������������������������������������������������������������������������������������������������������� 220 16.4 Themenempfehlung für Schulungsthemen für das Service- und Reparaturpersonal �������������������������������������������������������������������������������������� 220 16.5 Einmann-Arbeitsplatz �������������������������������������������������������������������������������� 221 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 223 17 Besondere Hinweise und Vorsichtsmaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 17.1 Arbeitsschutzkleidung�������������������������������������������������������������������������������� 225 17.2 Berührung und Hautkontakt mit flüssigkeitsführenden Leitungen ������������ 226 17.3 Löschen einer Erdgasflamme���������������������������������������������������������������������� 227 17.4 Schadensszenarien�������������������������������������������������������������������������������������� 227 17.5 Austretendes LNG oder Gas ���������������������������������������������������������������������� 228 17.6 Beeinflussung der Umwelt�������������������������������������������������������������������������� 229 17.7 Eingeschlossenes LNG ������������������������������������������������������������������������������ 229 Literatur������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 229 Regelwerke, Links. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Weiterführende Hinweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Synonyme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

1

LNG und dessen Thermodynamik

1.1

LNG

1.1.1 Was ist LNG? LNG ist die englische Abkürzung für verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas), welches in dieser Form zu den tiefkalt verflüssigten Gasen gehört. An der Quelle, d. h. im Gas- bzw. Ölfeld, erfolgt mit sehr viel Energie die Verflüssigung aus der Gasphase. Von dort wird es bei ca. −161 °C (Siedetemperatur bei Atmosphärendruck) mit Schiffen zu den Kunden in Europa, Japan, China usw. gebracht. Dort wird das LNG in großen Tankanlagen bei Atmosphärendruck zwischengelagert oder direkt zum Transport in den Gasfernleitungen regasifiziert. (siehe [13]). cc

Gefahrenhinweis: LNG ist tiefkalt und verdampft umgehend in der Umgebung zu einem erstickend wirkendem, aber ungiftigen, geruchlosen Gas. Dieses ist leichter als Luft, steigt auf und verdünnt sich zu einem zündfähigen, explosiven Gas-Luft-Gemisch!

Zur Gruppe der tiefkalt verflüssigten Gase gehört auch Biogas, denn auch dessen Verflüssigung erfolgt ausschließlich durch Kälte. Biogas ist ein Gasgemisch mit einem anfänglich geringen Methananteil, der durch Reinigung auf bis zu 99 % ansteigt. Damit ist Biogas chemisch wie physikalisch dem natürlich aus dem Erdreich kommenden Gas sehr ähnlich. Sie unterscheiden sich durch die Entstehung und Zusammensetzung der kalorisch wirksamen Anteile. Tiefkalt verflüssigte Gase verdampfen bei Energiezufuhr äußerst schnell. Deshalb müssen die Lagertanks sehr gut isoliert sein. Tritt das flüssige Gas z. B. beim Betankungsprozess an der Kupplung oder über ein undichtes Ventil aus dem Tank unkontrolliert aus,

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_1

1

2

1  LNG und dessen Thermodynamik

verdampft es schlagartig. Die dazu erforderliche Verdampfungswärme entzieht es der Umgebung. Das zeigt sich durch Eisbildung an den Stellen des Austritts. LNG und wie auch Bio-LNG (verflüssigtes Biogas) sind ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe, deren Hauptbestandteil Methan (CH4) ist und das sich je nach Quelle in ihrer prozentualen Zusammensetzung unterscheidet (siehe [1]). Das Molgewicht von Methan liegt um die 16 g/mol und ist damit leichter als Luft (Molgewicht rd. 28,8 g/mol) (siehe [2]). Dieses Gemisch wird durch Kälte verflüssigt. Die Siedetemperatur von ca. −161 °C wird bei Umgebungsdruck erreicht, wobei das Gas nur noch ca. 1/600 des gasförmigen Volumens unter Atmosphärendruck einnimmt (Normdichte Gas 0,671 kg/m3, Normdichte der Flüssigkeit 422,6 kg/m3). Das schrumpfende Volumen unter Atmosphärendruck ist einer der wesentlichen Vorteile der Verflüssigung. Es können dadurch große Mengen auf kleinem Raum bei gleichzeitig geringem Druck (Atmosphärendruck) gelagert und transportiert werden. Nur durch Kälte, nicht durch Druck geht das Gas in den flüssigen Zustand über. Methan bildet in einem Mischungsverhältnis zwischen 4,4 % vol und 16,5 % vol. mit Luft ein explosives Gemisch (siehe [3]). Anlagen, in welchen mit Methan gearbeitet wird, müssen absolut technisch gasdicht sein und sind entsprechend zu überwachen. Ansonsten sind, wie die Vergangenheit zeigte, schwerste Gasexplosionen möglich, denn geringe Spuren (4,4 %) führen bei Zündung zu Explosionen. Das tiefkalt verflüssigte Gas hat eine Temperatur von −161 °C. Diese Kälte führt zur Versprödung normaler Schwarzer Stähle. Daher sind für den Bau der Anlagen generell austenitische Stähle oder Kupfer und dessen Legierungen für derartige Anwendungen zu wählen. Die genaue Legierung wird durch die nachfolgende Belastung und Verwendung bestimmt. Kupfer und dessen Legierungen kommen besonders in Armaturen, weniger als Rohrleitungsmaterial zum Einsatz. Zusammenfassung

LNG ist ein tiefkalt verflüssigtes Gas und nimmt im flüssigen Zustand ca. 1/600 seines Gasvolumens ein. Das Gas ist leichter als Luft. Die Zündfähigkeit liegt zwischen 4,4 % vol und 16,5 % vol. Für den Bau von LNG-Anlagen sind generell austenitischer Stahl oder Kupfer und dessen Legierungen zu verwenden. Die Einhaltung der Arbeitsschutzrichtlinien ist Voraussetzung für einen gefahrlosen Umgang. Bio-LNG ist verflüssigtes Biogas, welches dem LNG in allen physikalischen Parametern sehr nahekommt bzw. entspricht. Geringste Erdgasspuren in der Luft können eine Gasexplosion verursachen.

1.1.2 Biogas – Bio-LNG Bio-LNG wird mit verschiedenen Verfahren verflüssigt, kleine Mengen (über 1000 Nm3/h) hauptsächlich mit flüssigem Stickstoff, größere mit Gasverflüssigungsanlagen. Das Gas entsteht durch anaerobe Vergärung organischer Stoffe, sogenannter Biomasse. Diese Bio-

1.1 LNG

3

masse sind Reste u.  a. aus landwirtschaftlichen Prozessen (Mist, Gülle, Pflanzenreste, Speisereste, Fleisch- und Schlachtabfälle usw.). Es werden aber auch direkt Pflanzen zur Vergärung angebaut und in der Folge zu Mais-, Gras-, Rübenschnitzelsilage usw. aufgearbeitet, um anschließend vergoren zu werden. Im Entstehungsprozess entwickeln sich kalorisch nutzbare Gasanteile von ca. 50–75 %. Der restliche Anteil sind kalorisch unbrauchbare Begleitgase, die abgeschieden werden. Durch Abtrennung dieser nicht brennbaren (sogenannte tote) Begleitgase wird das Gas auf über 99 % vol. kalorisch wirksamen Anteil konzentriert und ist zur Netzeinspeisung aufbereitet (siehe [4]). Im Regelwerk des DVGW wird die Problematik Biogas sehr ausführlich behandelt. Die Einspeisebedingungen werden in [5] beschrieben, der gesamte Komplex wird in den folgenden Arbeitsblättern geregelt. Die Wirtschaftlichkeit der Produktion hängt sehr vom Weltmarktpreis des international gehandelten Erdgases und der späteren Verwendung des Biogases ab. Die aus den Herstellkosten abgeleiteten Preise des Biogases müssen sich mit dem Weltmarktpreis für Erdgas messen können. Dazu ist es notwendig, dass der Prozess in einer günstigen Kombination verschiedener Faktoren wirtschaftlich gestaltet wird. Das setzt eine Mischkalkulation voraus. Werden beispielsweise die Dienstleistung der Entsorgung von Grünschnitt und weiterer Abfälle den Biogasanlagen vergütet, die Aufarbeitung der Gärreste zu Dünger finanziell berücksichtigt und das Gas als Kraftstoff verkauft, kann der Gesamtprozess wirtschaftlicher gestaltet werden. cc

Hinweis: Biogas aus tierischen Fetten, also Fleisch- und Schlachtabfällen darf nicht als Kraftstoff gehandelt werden [14].

Biogas vor Ort zu verstromen wird betriebswirtschaftlich interessant, wenn die anfallende Wärme (ca. 2/3) sinnvoll genutzt werden kann. Das aufbereitete Gas hingegen in Gasleitungen einzuleiten, ist aufgrund der relativ kleinen Mengen in Relation zum Gesamtaufwand der Einleitung selten wirtschaftlich darstellbar (Abb. 1.1). Die Verflüssigung von Biogas zu Bio-LNG ist heute technisch ohne Weiteres möglich. Der Vorteil der Verflüssigung besteht darin, dass das Gas dorthin transportiert werden kann, wo der Preis mit dem des Erdgases aus der Pipeline konkurrieren kann. Zurzeit ist das nur bei Verwendung als Kraftstoff erreichbar, vorausgesetzt die Verflüssigung erfolgte kostengünstig und der Gaspreis ist an den Tankstellen entsprechend hoch. Für Biogas ist davon auszugehen, dass derzeit die kryogene Verflüssigung wirtschaftlich unter zuvor genannten Absatzbedingungen darstellbar ist. Die Verflüssigung auf kryogenem Weg geschieht allgemein mit flüssigem Stickstoff. Dazu braucht man ca. 2–3 Massenteile flüssigen Stickstoffs, um 1 Massenteil Bio-LNG zu bekommen. Aufgrund der Siedepunkte der einzelnen Fraktionen kann eine Reinheit von über 99 % erreicht werden (siehe [15]). Zusammenfassung

Methan und andere Kohlenwasserstoffbestandteile des Biogases entstehen durch eine anaerobe Reaktion. Durch Abtrennung toten Begleitgases wird ein hochwertiges Bio-

4

1  LNG und dessen Thermodynamik

KRAFTSTOFF

ERDGASNETZ

WÄRME + STROM

Mit BIO-ERDGAS, dem sauberen Kraftstoff der Zukunft, kann nahezu CO2neutral Gas gegeben werden.

Problemlose Einspeisung von BIO-ERDGAS in das vorhandene ca. 450.000 km lange Erdgasnetz.

Regeneratives BIO-ERDGAS kann direkt zum Heizen oder in KWK-Anlagen zur Wärme- und Stromerzeugung eingesetzt werden.

AUFBEREITUNG Aus Biogas wird durch Entschwefelung. Trocknung und Erhöhung des Methananteils BIO-ERDGAS (Methangehalt ca. 96 %). Dieses entspricht in seiner Qualität und seinem Energiegehalt dem fossilen ERDGAS.

GÄRRESTLAGER

FERMENTER

Die verwertete Biomasse wird hier gesammelt und als hochwertiger Dünger den Feldern wieder zugeführt.

Aus der Biomasse entsteht durch Zersetzung mithilfe anaerober Bakterien Biogas (Methangehalt ca. 60 %). Dieses sammelt sich unter der Fermenterhaube.

ENERGIEPFLANZEN

VIEHHALTUNG

BIOMÜLL

Speziell angebaute nachwachsende Rohstoffe wie Mais und Grünschnitt

Gülle, Mist, Einstreu

Küchen- und Gartenabfälle

Abb. 1.1  Entstehung und Verwendung von Biogas. (Quelle: Zukunft Erdgas)

1.2  Bedeutung des LNG

5

gas gewonnen. Es unterscheidet sich nur durch die Entstehung des kalorisch nutzbaren Anteils, insbesondere des Methans. Die komplexe betriebswirtschaftliche Berücksichtigung des Gesamtprozesses kann die Biogasproduktion durch Verflüssigung mit Stickstoff konkurrenzfähig machen.

1.1.3 Entstehung des Erdgases Erdgas entsteht, wie auch Erdöl, aus Überresten von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen (organischen Stoffen), die in einem anaeroben Prozess unter hohem Druck zu einem Gemisch von kohlenwasserstoffhaltigen Gasen umgewandelt werden. Solche Gase werden auch als organische Gase bezeichnet. Der überwiegende Anteil des kalorischen Gasgemisches ist Methan. Dieses Gas ist mit kalorisch totem Begleitgas und Wasser vermischt. Der hohe Druck bei der Entstehung des Gases kam durch mächtige Erd- und Gesteinsschichten sowie Wärme zustande. Im Laufe von 15 bis 600 Millionen Jahren erfolgte die Umwandlung, die sich bis zum heutigen Tag fortsetzt. Die gegenwärtigen Erdgasvorräte übersteigen die des Erdöls, sodass eingeschätzt wird, dass diese 200 Jahre verfügbar sein werden [15]. Die wesentlichen Erdgaslagerstätten (siehe [6]) sind in • • • • • • •

Europa 5,0 Billionen m3 GUS-Staaten 57,3 Billionen m3 Mittler und Naher Osten 72,7 Billionen m3 Afrika 3,7 Billionen m3 Pazifikregion 11,9 Billionen m3 Südamerika 6,8 Billionen m3 Nordamerika 6,8 Billionen m3

Zusammenfassung

Erdgas entsteht unter extrem hohem Druck und Wärme in Millionen von Jahren aus organischem Ausgangsmaterial. Erdöl wird immer von Erdgas begleitet. Die weltweiten Gaslager sind größer als die Erdölvorkommen.

1.2

Bedeutung des LNG

In der Vergangenheit wurde bei der Ölförderung austretendes Erdgas als Abfallprodukt angesehen und direkt an der Erdölquelle abgefackelt. Heute ist Erdgas ein wichtiger und vor allem umweltschonender Energieträger. Erdgas ist eine tragende Säule der weltweiten Energiewirtschaft. Abb. 1.2 zeigt den geologischen Aufbau typischer Erdgaslagerstätten. Es wird im Zuge der Erdölförderung aber auch aus eigenen Erdgasquellen gewonnen. In der Ölförderung ist es ein werthaltiges Nebenprodukt.

6

1  LNG und dessen Thermodynamik

konventionelle Vorkommen

nicht-konventionelle Vorkommen

Kohle konventionelle strukturelle Fallen

Kohleflözgas

Tight Gas Tongestein

Erdgas Erdöl Lagerstättenwasser

Dichter Sandstein

Schiefergas

Abb. 1.2  Konventionelle und unkonventionelle Erdöl-/Erdgas-Vorkommen. (Quelle: Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle)

Aus den kontinentalen Feldern Russlands, Aserbaidschans und weiteren Ländern wird das Gas per Pipeline nach Europa gebracht. Durch die in Deutschland ausgerufene Energiewende gewinnt Erdgas eine besondere Relevanz, denn energetisch hochwertiges Gas kann sehr vorteilhaft und umweltschonend in Gaskraftwerken verstromt werden. Gaskraftwerke eigenen sich aufgrund ihrer Prozess­ charakteristik besonders zur Ergänzung der alternativen und vor allem volatil erzeugenden Energiequellen, wie Windräder und Solarparks. Diese werden an Bedeutung gewinnen. Windstrom + Strom aus Wasserkraft + Solarstrom + Erdgas = sicherer Strom „Damit es auf dem Weg ins Grüne nicht zu Blackouts kommt, brauchen die Erneuerbaren eine Ergänzung, die diese Schwankungen flexibel und dezentral ausgleicht. Dieser Partner kann und soll Erdgas sein. Denn unter allen fossilen Energieträgern hat Erdgas die beste Klimabilanz. So wird bei der Verbrennung 25 % weniger CO2 freigesetzt als bei Öl, 30 % weniger als bei Steinkohle und 35 % weniger als bei Braunkohle. Moderne Gaskraftwerke weisen höchste Energieeffizienzwerte auf, insbesondere in der Kraft-­Wärme-­Kopplung“. Zudem sind Gaskraftwerke dezentral und flexibel steuerbar. Das heißt, Energie aus Gaskraftwerken lässt sich präzise zur Verfügung stellen, wenn sie benötigt wird, und zurückfahren, sobald genug Strom aus Sonne und Wind bereitsteht. Dies macht auch modernste Gas-Kleinkraftwerke, für Kommunen und Privathaushalte, so attraktiv. Kurzum: Gas ist das ideale Backup-System „auf dem Weg ins Grüne“. [16]

1.2  Bedeutung des LNG

7

Abb. 1.3  Verteilung der Energieträger in Deutschland 2018. (Quelle: AG Energiebilanzen e.V.)

Abb. 1.3 macht die Bedeutung und den Anteil des Erdgases an der Energieversorgung deutlich. Dieser Anteil wird weiter steigen, denn Kernkraft und Kohle müssen substituiert werden. Über leistungsstarke Pipelinesysteme kann das Gas schnell zu den Kraftwerken und in die kommunalen Netze gelangen. Nur sind diese Rohrleitungskapazitäten nicht unbegrenzt verfügbar, sodass der leitungsungebundene Transport an Bedeutung gewinnen wird. Dazu muss das Erdgas zu LNG verflüssigt werden. Es stellt sich die Frage, warum Öl nicht die Funktion des Gases übernehmen kann. Die Antwort ist relativ einfach. Die weltweiten Vorräte für Öl sind nach gegenwärtiger Pro­ gnose geringer als die des Gases (siehe [7]). Demzufolge liegt die statistische Reichweite von • Kohle weltweit bei 112 Jahren • Erdöl weltweit bei 54 Jahren • Erdgas weltweit bei 64 Jahren Quelle: Regionalverband Südlicher Oberrhein [8]

8

1  LNG und dessen Thermodynamik

Jedes Erdölfeld hat einen nicht unbedeutenden Anteil an Erdgas. Erdgasfelder verfügen nicht unbedingt über Öl. Des Weiteren ist der CO2-Ausstoß bei der Verbrennung des Erdöls größer als bei Erdgas. „Die positiven Verbrauchsprognosen für Erdgas stehen auch in engem Zusammenhang mit der Erdgas-Reservesituation und der Erreichbarkeit der Lagerstätten. Zu den größten Erdgasreserven der Welt liegt Europa strategisch günstig. Es ist technisch und wirtschaftlich möglich, 6000 bis 7000 Kilometer entfernte Erdgasfelder für Westeuropa verfügbar zu machen. Die Technologien zum Transport über diese großen Entfernungen sind vorhanden. So könnten zukünftig mit einer Leitung (Durchmesser 1.600 mm, Druck 120 bar) ca. 50 Mrd. m3 Erdgas pro Jahr transportiert werden.“

(Quelle: [17]) Die positive Umweltschutzbilanz, insbesondere die CO2-Emission bei der Verbrennung ist ein weiteres Argument für den Erdgaseinsatz. Bei der Verbrennung setzt Erdgas weniger CO2 frei als Erdöl und die umweltschädigenden Beimischungen sind geringer. Gegenwärtig hat Deutschland den in Abb. 1.3 grafisch beschriebenen Primärenergiemix. Der Anteil der Kernenergie muss zu 100 % kompensiert werden, der der Kohle teilweise, denn schrittweise werden Kernkraftwerke vom Netz genommen (siehe [9]). Die Erzeugungskapazitäten müssen zur Aufrechterhaltung einer zuverlässigen Energieversorgung anderweitig kompensiert werden. Allein auf die erneuerbaren Energien zu setzen, ist in einem Industriestaat wie Deutschland technisch nicht möglich. Nähere Ausführungen werden dazu im Abschn. 5, LNG-Anwendungen gemacht. Kohlekraftwerke sind ökologisch bedenklicher, der Fahrweise wenig flexibel und verlangen sehr aufwendige Rauchgasreinigungsanlagen. Die Rauchgasrückstände müssen teuer entsorgt werden. Ähnlich verhält es sich mit Erdöl, das je nach Fördergebiet mit mehr oder weniger Schwefel oder anderen Schadstoffen belastet ist. Erdgas ist bekanntermaßen der umweltfreundlichste fossile Brennstoff. Die Zusammensetzung ist von der jeweiligen Lagerstätte abhängig, wobei der Hauptanteil immer Methan ist. Neben weiteren kalorisch nutzbaren Kohlenwasserstoffverbindungen (u.  a. Äthan, Propan und Butan) sind kalorisch tote Begleitgase wie Luft, Stickstoff, Kohlendioxid und verschiedentlich Schwefelwasserstoff sowie Wasser enthalten. Alle Komponenten schwanken bezüglich Konzentration und kennzeichnen die jeweilige Lagerstätte. Wird das Gas verflüssigt, werden die toten Begleitgase und Verunreinigungen vollständig abgeschieden, teils durch thermodynamische Vorgänge, teils durch anderweitige Reinigungsverfahren. Die hohe Reinheit ist einer der wesentlichen Vorteile des LNG. Pipelinegas oder Rohrleitungsgas muss vor dem Einspeisen in die Rohrleitung mit komplizierten Reinigungsverfahren aufbereitet werden (siehe [10]). Trotz dieses Rei­ nigungsprozesses ist der leitungsgebundene Gastransport, soweit es die topografischen, geografischen und geologischen Bedingungen erlauben, eine sehr vorteilhafte Variante. Die Wirtschaftlichkeit wird allein durch die Entfernung zum Verbraucher begrenzt.

1.3  Rohrleitungsgas und dessen Bedeutung

1.3

9

Rohrleitungsgas und dessen Bedeutung

Rohrleitungsgas wird regional in den Qualitäten L-Gas und H-Gas angeboten (siehe [11]). L-Gas ist das niedrig kalorische Gas, welches in Deutschland vorwiegend in Niedersachsen, in Teilen Sachsen-Anhalts und NRW über die Gasleitungen zum Kunden gelangt. Es hat einen Methangehalt zwischen 79 % und 87 %. Die verbleibende Menge ist totes Begleitgas. Diese Gasqualität wird schrittweise durch das höherwertige H-Gas verdrängt, was technische Anforderungen an die Gasgeräte und Gasanlagen mit sich bringt. Das höherkalorische H-Gas enthält 87–97 % Methan. Es erreicht nicht den Energiegehalt des LNG. Deshalb haben Fahrzeuge, betankt mit LCNG (CNG aus LNG regasifiziert) eine größere Reichweite als solche mit H-Gas oder L-Gas. Die Verflüssigungsenergie wird beim Rohrleitungstransport zunächst eingespart, aber teilweise ist auch im Rohrleitungstransport Energie zur Kompression für den Transport nötig. Durch die Rohrreibung und die Strömungsverluste sinkt der Druck in der Leitung ab. Er muss wiederholt ersetzt werden. Eine Ferngasleitung hat alle 100 bis 200 km eine Station zur Druckerhöhung (siehe Abb. 1.4). Während der wiederholten Druckerhöhung wird das Gas aufbereitet. Dabei werden Verunreinigungen, wie Feuchtigkeit und ölige Verschmutzungen, abgeschieden. Die Druckerhöhung erfolgt über Großkompressoren. Um den Kunden mit dem gleichen Energieäquivalent zu versorgen, muss im Falle von Rohrleitungsgas mehr Gas transportiert werden als bei LCNG oder LNG. Ursache ist das tote Begleitgas. Dieser Aufwand

Abb. 1.4  ONTRAS Verdichterstation Bobbau (Sachsen-Anhalt). (Quelle: Ontrans  – Foto: Peter Eichler)

10

1  LNG und dessen Thermodynamik

ist nicht unbedeutend, denn das Gas, einschließlich des toten Begleitgases, muss zum Transport in den Fernleitungen auf einen Druck von bis zu 200 bar komprimiert werden. Bis zu 13 % der geleisteten Arbeit kann energetisch nicht genutzt werden und geht in der Energiebilanz des Gases verloren. Analog zum Stromnetz wird auch in Gasnetzen zwischen Hochdruck-, Mitteldruck und Niederdruckleitungen unterschieden. Allerdings gibt es generell keine genormten Bezeichnungen für die Druckstufen der Gasleitungen. Eine genormte druckabhängige Klassifizierung gibt es ebenfalls nicht. Die Druckstufe wird aus der Sicht des verfügbaren Netzes definiert. Liegt beispielsweise die Gasleitung im städtischen Gebiet, wird die Hochdruckleitung mit 1–16 bar definiert. Die Mitteldruckleitung liegt dann bei weniger als 800 mbar, die Niederdruckleitung bei bis zu 25 mbar. Erfolgt die Betrachtung aus Sicht des Ferngasleitungsnetzes, liegen die Drücke wesentlich höher. Fernleitungen werden als Hochdruckleitungen betrieben, die in der Regel das Gas zwischen 60 und 200  bar transportieren. Man spricht hier ebenfalls vom Hochdrucknetz. Solche Hochdrucknetze können große Gebiete mit Erdgas versorgen und Gas über Umformstationen an das Mitteldrucknetz abgeben. Dieses wiederum durchzieht ein Verbrauchsgebiet, z. B. eine Stadt, die über einige wenige Mitteldruckleitungen versorgt wird. Große Verbraucher (z.  B.  Heizwerke, KWK-Anlagen, Erdgastankstellen mit starker Zapfleistung) müssen mindestens an das Mitteldrucknetz angeschlossen werden. Wollte man aus technischen oder ökonomischen Gründen den anliegenden Gasdruck der Hochdruckleitungen oder der Mitteldruckleitungen in einer CNG-Tankstelle nutzen, sind entweder lange Zuleitungen erforderlich oder die Verbraucher müssen leitungsnah installiert werden. Beides ist wirtschaftlich abzuwägen. Je nach Verbrauchscharakteristik in den lokalen Mitteldrucknetzen wird auf wenige bar und in den Niederdrucknetzen auf einige mbar reduziert. Der ursprünglich aufgewendete Förderdruck geht verloren. Um diesen offensichtlichen Nachteil zu reduzieren, wird bei einigen Stationen das Gas über Expansionsturbinen zur Stromerzeugung entspannt, wodurch ein kleiner Teil der geleisteten Kompressionsarbeit zurückgewonnen werden kann. Der Rohrleitungstransport hat natürlich auch viele Vorteile, die Kontinuität der Versorgung und die geringe Störanfälligkeit sind einer der wesentlichsten. Diese hohe Versorgungssicherheit kann von keinem anderen System übertroffen werden. Der Kunde nimmt es als sehr angenehm wahr. Der „Luxus“ einer kontinuierlichen Versorgung ist in den Gaspreisen eingerechnet. Das Gas wird neben Grundkosten wie Netznutzungsgebühr, Anschlussgebühr usw. nach Menge (Mengenpreis) und Leistung (Leistungspreis) abgerechnet (siehe Beispiel Tigas [12]). Das bedeutet, Leistungsschwankungen in der Abnahme werden mit dem Leistungspreis verrechnet. Starke Schwankungen verteuern das Gas, eine ausgeglichene ­Abnahme reduziert die Kosten. Der Verbraucher soll mit diesem Preisgefüge angehalten werden, einen möglichst konstanten Verbrauch zu verursachen. Das ist in den meisten Fällen nicht möglich. Zur Vermeidung der Abnahmeschwankungen müsste der Verbraucher über große Speicher verfügen, um zu bedarfsschwachen Zeiten Gas zu speichern und

Literatur

11

bei steigendem Bedarf wieder abzugeben. Das hört sich einfach an, verlangt aber einen erheblichen technischen Aufwand. Früher betrieben die Stadtwerke Retorten-, bzw. Kammeröfen und Gasometer, die diese Abnahmeschwankungen ausgleichen konnten. LNG könnte für gewerbliche Abnehmer eine willkommene Ergänzung der Pipelineversorgung darstellen. Statt Leistungsspitzen dem Netz zu entnehmen, könnte der Kunde in Spitzenzeiten Gas aus einem LNG-Tank verwenden, um teure Leistungsspitzen in der Verbrauchskurve zu vermeiden (siehe Abschn. 5.1.4). Diese Einspeisung muss nach dem Anschluss des Gaslieferanten vorgenommen werden, ansonsten würde der Verbraucher in dessen Anlage eingreifen. Das ist nicht statthaft. Die Verantwortung für die Einspeisung läge in dem Fall zur Gänze beim Kunden. Diese Möglichkeit wird bis heute selten genutzt, da LNG im deutschen Markt relativ unbekannt ist. Je teurer der Leistungspreis des Versorgers ist und je extremer die Leistungsspitzen des Verbrauchers ausfallen, desto eher kann eine begleitende LNG-Versorgung wirtschaftlich rentabel sein. Zu beachten ist, dass auch diese Einspeisung ein aufbereitetes Gas verlangt. So muss z. B. die Wobbe-Zahl des Gasversorgers eingehalten werden, damit die Brenner, Gasturbinen/Gasmotoren im richtigen Leistungs- und Temperaturbereich arbeiten. Der richtige Wert wird durch Beimischung von Stickstoff oder kalorischen Gasen eingestellt. Es bietet sich an, neben dem LNG-Tank einen Stickstofftank zu installieren, der über einen Luftverdampfer Stickstoff in das Erdgas drückt. Der Luftverdampfer wird mit dem Druckzusatzverdampfer auf den Einspeisedruck eingestellt. Ein Massendurchflussmesser regelt den zuzumischenden Massenstrom (siehe Abschn. 5.1.4). Zusammenfassung

Pipelinegas bietet die höchste Versorgungssicherheit. Druckverluste in der Leitung während des Transports müssen durch Druckerhöhung mittels Kompressoren ausgeglichen werden. Vor der erneuten Verdichtung wird das Gas aufbereitet. Generell spricht man von Hochdruck-, Mitteldruck-, oder Niederdruckleitungen. Für die Druckstufen gibt es keine allgemein normierten Bereiche. Leistungsspitzen der Gasabnahme sind zu vermeiden. Die Kosten der Leistungsspitzen könnten seitens bestimmter Verbraucher durch Einspeisungen von LCNG vermieden werden. Die Wobbe-Zahl des eingespeisten Gases ist durch Zumischen von Stickstoff auf die des Gasversorgers einzustellen. Aufwand und Nutzen einer eigenen Speicherung und Einspeisung sind abzuwägen.

Literatur 1. www.enercity-netz.de/pool/downloads/netze/kennwerte-erdgas-orientierungswerte%2D%2D2016.pdf 2. www.peacesoftware.de/einigewerte/methan.html 3. https://de.wikipedia.org/wiki/Explosionsgrenze

12

1  LNG und dessen Thermodynamik

4. http://www.biogas-netzeinspeisung.at/anlagenbeispiele/pliening.html 5. DVGW – Arbeitsblatt G 262 6. https://de.wikipedia.org/wiki/Erdgas/Tabellen_und_Grafiken#Nach_L%C3%A4ndern 7. www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Energie/gas-erdgasversorgung-in-deutschland.html 8. http://www.bund-rvso.de/energievorraete-energiereserven.html 9. https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/ElektrizitaetundGas/Unternehmen_Institutionen/Versorgungssicherheit/Erzeugungskapazitaeten/KWSAL/KWSAL_node.html 10. www.linde-engineering.com/de/process_plants/lng-and-natural-gas-processing-plants/lng_and_ natural_gas_processing_plants.html 11. www.gibgas.de/Fakten/Mobilität/H und L-Gas 12. www.tigas.at/produkte/erdgas/preise 13. www.tugraz.at/fileadmin/user_upload/Events/Eninnov2014/files/lf/LF_Simmer.pdf 14. https://www.gesetze-im-internet.de/bimschg/BimSchG.pdf, BImSchG, §37 b, Ziffer 8 15. www.weltderphysik.de/gebiet/technik/energie/fossile-quellen/erdgas/ 16. www.wingas.com/rohstoff-erdgas/erdgas-im-energiemix.html/ 17. www.gwerbegas-online.de

2

Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport und der Lagerung von LNG

2.1

Adiabate Kühlung

Infolge adiabater Kühlung (siehe [1]) kann sich der Aggregatzustand eines Mediums ändern. Durch eine einsetzende Druckabsenkung kommt es zur Verdampfung. Die Temperatur des Mediums (Dampf und Flüssigkeit) fällt. Würde man die theoretische Annahme treffen, Gas in den Behälter zu drücken, würden der Druck des Gases und der Siededruck der Flüssigkeit steigen. In dem Fall würde ein unterkühltes Gas vorliegen. cc

Hinweis:  Betrachtet man diesen Vorgang in weiteren Grenzen, führt man sehr wohl mit der Druckentlastung Masse ab, die eine entsprechende Energie austrägt. Daraus ist zu schlussfolgern, dass der adiabate Prozess stets auf einen eng begrenzten Raum zutrifft. Dieser Raum ist im beschriebenen Komplex der Tank.

Weiterhin gilt, in einem adiabaten Prozess wird weder Wärme zu- noch abgeführt. Streng genommen ist das in vergleichsweise kleinen und abgeschlossenen technischen Systemen nur theoretisch möglich, denn zwischen Behälter und Medium besteht trotz bester Isolierung ein Temperaturunterschied, der einen Energieaustausch zur Folge hat. Trotzdem darf man im technischen Bereich und entsprechender Isolierung (z. B. Vakuum­ isolierung) annehmen, dass in einem begrenzten Zeitfenster keine Energie ausgetauscht wird. Bei der Verdunstung einer Flüssigkeit wird ihr Wärme, die Verdunstungswärme, entzogen. Die Flüssigkeit kühlt sich ab und beeinflusst das umgebende Material. cc

Beispiel:  In südlichen Ländern wird bis zum heutigen Tag ein aus Keramik bestehender Weinkrug mit einer Glasur versehen, die nur im unteren Teil des Kruges fehlt. Das ist kein Fabrikationsfehler, sondern gewollt. Durch die Poren der unglasierten Keramik diffundiert Wein. Der Wein verdampft, bzw. er verdunstet

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_2

13

14

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

an der Oberfläche der Keramik. Durch die poröse Keramik mit einer vergrößerten Oberfläche dringt der Wein. Der in die Poren sickernde und verdunstende Wein entzieht dem verbleibenden Wein und der Keramik die Verdampfungswärme (auch Verdunstungswärme genannt). Die Temperatur des Weines und der porösen Keramik sinken. Der im Weinkrug befindliche Wein wird gekühlt bzw. bleibt kühl.

Bei der Kühlung von Gas im vakuumisolierten Tank wird der Effekt der adiabaten Kühlung genutzt. Man lässt im Tank verflüssigtes Gas durch Gasentnahme verdampfen und kühlt mit dem Entzug der Verdampfungswärme die verbleibende Flüssigkeit  – das Gas wird dem Verbrauch zugeführt. Gegenüber der Entnahme aus der Flüssigphase hat diese Variante den Vorteil, dass die eindringende Wärme unbedeutend für den sonst steigenden Tankdruck ist. Der Tankdruck wird sinken. In Abhängigkeit der Gasentnahme stellt sich früher oder später der Gleichgewichtszustand ein. Dieser ist erreicht, wenn im Vergleich zum Anfang der Entnahme der Gasdruck langsamer abfällt. Der Prozess findet auf der Dampflinie statt (vgl. Abb. 2.1). Die Isobare unterhalb des kritischen Punktes bewegt sich nach unten, der Druck sinkt mit der Siedetemperatur. Die Siedetemperatur entspricht dem Siededruck. cc

Hinweis:  Durch Gasentnahme wird die Lagerzeit des Gases verlängert, der zulässige Tankdruck wird nicht erreicht.

400

p = 200 bar p = 50 bar p = 5 bar p = 300 bar p = 100 bar p = 10 bar

überkritischer Zustand

300

überhitzter Dampf

h = 750 kJ/kg

p = 1 bar

Temperatur [K]

h = 700 kJ/kg h = 650 kJ/kg h = 600 kJ/kg h = 550 kJ/kg kritischer Punkt

200

flüssing + Dampf flüssig

100 0,000

Zustand 1, vor Entspannung

Isobare unterkritischem Punkt

2,00

Abb. 2.1  Verlauf der adiabaten Kühlung

4,00 Entropie [kJ/kg K]

Zustand 2, nach Entspannung

6,00

2.1  Adiabate Kühlung

15

Während der Befüllung eines vakuumisolierten Tanks spielt sich der umgekehrte Prozess ab. Zu jeder Flüssigkeitstemperatur auf der Siedelinie gehört entsprechender, ­definierter Gasdruck (siehe Abschn. 3.5). Die zugeführte Flüssigkeit ist kälter als die Restflüssigkeit und der Gasrest im Tank. Die kalte Flüssigkeit wird von oben in den Tank gefüllt. Dabei wird die Flüssigkeit zu feinen Tröpfchen versprüht, sie kühlen beim Herabsinken das Gas (14). Dieses kondensiert. Das nennt man Mischkondensation. Das Gas und die Flüssigkeit nehmen Siededruck und Siedetemperatur an, der Druck fällt. Die Flüssigkeit im Tank steht nach der Betankung oder nach einer entsprechend langen Zeit mit dem Gasdruck über der Flüssigkeit im thermodynamischen Gleichgewicht. Zu beachten ist, dass auch der Tank selbst gekühlt werden muss. Dieser hat sich mit zunehmendem Gleichgewichtsdruck erwärmt, denn mit steigendem Druck geht dieser mit einer steigenden Temperatur einher. Das System befindet sich auf den Isobaren unterhalb des kritischen Punktes. Steigt der Druck im Tank durch sehr langsame äußere Wärmezufuhr, erwärmt sich die Flüssigkeit. Sie verdampft und der Gasdruck steigt. Flüssigkeit und Gas haben Siedetemperatur erreicht. Das Energieniveau im Tank ist um die eingedrungene Energie gestiegen. Wird Gas aus der Gasphase des Tanks entnommen, wird das Gleichgewicht gestört. Der Gasdruck entspricht nicht mehr der Temperatur der Flüssigkeit, sondern ist geringer. Die Flüssigkeit beginnt zu sieden und verdampft an der Oberfläche. Ein Teil der Flüssigkeit geht in die Gasphase über. Wird Gas sehr intensiv abgezogen, stellt sich auch unterhalb der Oberfläche die Verdampfung ein. Dampf steigt unter Blasenbildung auf, welche mit fallendem Druck zunimmt. Das ist häufig sogar von außen zu hören. Die für die Verdampfung erforderliche Verdampfungswärme oder Verdampfungsenergie kann nicht von außen zugeführt werden, da durch die vorhandene Isolierung des Tanks die notwendige Wärme nicht schnell genug eindringen kann. Die Energie zur Verdampfung kann nur der Flüssigkeit entzogen werden. In der Folge sinkt die Temperatur der Flüssigkeit. Durch die Verdampfung entsteht Gas, das kälter als das vorhandene ist. Das vorhandene Gas wird durch die Vermischung gekühlt. Der Gasdruck stellt sich auf die neue, geringere Temperatur der Flüssigkeit ein, das System ist wieder im Gleichgewicht. Der Prozess verläuft bei konstanter Energie (Enthalpie). Durch die Gasentnahme ändert sich das Energiepotenzial im Tank. Das hat nichts mit dem adiabaten Prozess zu tun, sondern ermöglicht ihn nur. Wird dem Tank Flüssigkeit entnommen, vergrößert sich der Gasraum und der Gasdruck über der Flüssigkeit sinkt. Zur Herstellung des Gleichgewichtes verdampft zwangsläufig Flüssigkeit. Die Verdampfungswärme wird auch in diesem Fall die Flüssigkeit entzogen. Sie kühlt sich ab. Man spricht in beiden Fällen von adiabater Kühlung. Die angeführten Varianten sind eine sehr oft praktizierte Möglichkeit, Flüssigkeit im Bereich von unter −80 °C zu kühlen. In diesem tiefen Temperaturbereich kann man nicht mehr mit der Kühlsole oder Kältemittel des Kältekreislaufs arbeiten. Diese Kühlung ist ausschließlich mit der • adiabaten Kühlung oder • einer Verflüssigungsanlage (siehe Abschn. 2.8) oder

16

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

• einem konventionellen Kühlprozess möglich, indem mit kälterem Gas (flüssig oder gasförmig) gekühlt wird (z. B. kleine Gasmengen bis 1000 Nm³/h, wie sie die Biogasanlage erzeugt, lassen sich wirtschaftlich mit flüssigem Stickstoff verflüssigen. Große Mengen (über 1000 Nm³/h) werden wirtschaftlicher mit einer Gasverflüssigungsanlage, die adiabat kühlt, verflüssigt). Der Effekt der adiabaten Kühlung wird auch während des Schiffstransportes großtechnisch zur Kühlung von LNG eingesetzt. Verdampft das LNG im Schiffstank, entsteht Boil-­ off-­Gas (verdampftes Erdgas). Es wird abgezogen und als Kraftstoff für den Schiffsmotor verwendet. Die Flüssigkeit gibt die Verdampfungswärme ab und wird gekühlt, sodass der Gasdruck konstant gehalten wird. Das anfallende Gas wird prozessbedingt und bedarfsgerecht dem Schiffsmotor als Treibstoff zugeführt. Es wird Arbeit geleistet und Wärme erzeugt, die in Summe dem Energieinhalt der Gasmenge entspricht. Trotzdem fahren heute die meisten LNG-Transportschiffe mit Dieselmotoren und haben stattdessen kleine Rückverflüssigungsanlagen an Bord, die ständig das Boil-off-Gas erneut verflüssigen. Bei Gastankern mit Gasmotoren spart man diese Rückverflüssiger ein oder sie fallen wesentlich kleiner aus. Bei Gasversorgungsanlagen wird das Produkt im LNG-Tank durch adiabate Kühlung im Druck abgesenkt, um einen unzulässigen Betriebsdruck zu vermeiden. Das trifft besonders zu, wenn der Tank nur in großen Abständen betankt wird und sich der Druck einem unzulässigen Wert nähert. Steigt der Druck im Tank entsprechend hoch, wird das Gas über einen Gasdrucküberströmer oder eine Druckregelarmatur abgeführt. Mit Erreichen des voreingestellten Druckes, z. B. 12 bar, öffnet der Gasdrucküberströmer. Der Druckregler für die Flüssigentnahme schließt. Nun strömt Gas aus dem Gasraum direkt in den Luftverdampfer, in dem es auf Umgebungstemperatur erwärmt wird. Die Umgebungstemperatur ist die maximal erreichbare Gastemperatur, die reale Temperatur wird immer etwas darunter liegen. Der Druck im Tank bleibt bei 12 bar stehen, ein weiterer Druckanstieg ist nicht zu erwarten. Hat der Gasdruck den vorgegebenen Wert erreicht bzw. unterschritten, öffnet am Tank wieder die Flüssigentnahmeleitung. Irrtümlich wird oftmals angenommen, dass der Tankdruck durch Abblasen linear fällt. Das soll bedeuten, pro entnommenem Kubikmeter Gas fiele der Druck linear entsprechend des entnommenen Volumens. Das trifft nur für den unterkühlten Zustand zu, d.h. der Gasdruck liegt über dem des Siededrucks. Nach Erreichen des Siededrucks kann der Innendruck nicht linear abgesenkt werden. Es muss immer wesentlich mehr Gas abgelassen werden, als es dem geometrischen Volumen entspricht. Ursache dafür ist, dass beim Ablassen ständig Flüssigkeit nachfolgend verdampft. Mit sinkendem Tankdruck durch Gasablassen verdampft Flüssigkeit und die Flüssigkeitstemperatur im Tank sinkt. Der Tankinhalt wird adiabat gekühlt. Die Gas- und Flüssigphase haben Siedetemperatur, es herrscht das thermodynamische Gleichgewicht. Zu erkennen ist der Zustand daran, dass der Gasdruck bei weiterer Entnahme langsamer fällt. Anders betrachtet, Gas und Flüssigkeit befinden sich auf der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes. Es liegt ein saturiertes Produkt vor, so wie es heute häufig bei der LNG-Betankung gefordert wird.

2.2 Mischkondensation

17

Zusammenfassung

In einem adiabaten Prozess wird Energie weder zu- noch abgeführt. Im Zuge der adiabaten Kühlung, sie ist nur unterhalb des kritischen Punktes möglich, wird der Flüssigkeit die Verdampfungswärme entzogen. Die Flüssigkeitstemperatur und der Druck des Gases sinken auf die Parameter der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes. Findet der Prozess bei Atmosphärendruck statt, bleibt der Druck konstant, er entspricht bereits der Siedetemperatur. Eine Abkühlung bei Atmosphärendruck unter die Siedetemperatur des verflüssigten Gases ist nicht möglich. Mit der adiabaten Kühlung wird die Lagerzeit im Tank verlängert. Im vakuumisolierten Tank stehen bei ausbleibender Entnahme Flüssigkeit und Gasphase im thermodynamischen Gleichgewicht. Durch eine Gasentnahme wird das Gleichgewicht gestört, es verdampft Flüssigkeit. Druckentlastung aus der Gasphase hat keinen linearen Druckabfall zur Folge, da stets das thermodynamische Gleichgewicht angestrebt wird. Stattdessen setzt mit Druckabfall durch Druckentlastung zum Aufrechterhalten des thermodynamischen Gleichgewichtes die Verdampfung der Flüssigkeit ein. Die Verdampfungsenergie wird der Flüssigkeit entzogen. Der Siededruck sinkt mit der Temperatur. Druck und Temperatur liegen auf der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes.

2.2

Mischkondensation

Wärme dringt trotz bester Isolierung über die Außenwand des Tanks ein. Mit der Wärmezufuhr steigen der Druck des Gases und die Siedetemperatur der Flüssigkeit, ggf. bis zum Erreichen des zulässigen Betriebsdrucks des Tanks. Gleichzeitig sinkt die Dichte der Flüssigkeit, die des Gases steigt. Mit der erneuten Befüllung muss nämlich der Tankdruck abgesenkt werden, um zukünftig die anfangs erwähnte eindringende Wärme aufnehmen zu können. Ansonsten wäre die Lagerung tiefkalt siedender Flüssigkeit nicht möglich. Druck und Temperatur verändern sich infolge der Mischkondensation (vgl. auch ­Abschn. 2.14). Das ist ein wesentlicher Effekt, der zum Betanken genutzt wird. Das verdeutlichen nachfolgende Zahlen für Methan: Druck 4 bar nach Betankung Siedetemperatur 132 K = −141 °C Druck 18 bar fast leerer Tank Siedetemperatur, der verbliebene Rest 164 K = −109 °C dient der Kühlung des inneren Tanks

Druck und Temperatur stehen in diesem Prozess im thermodynamischen Gleichgewicht des Tanks. Andere, tiefkalt verflüssigte Gase verhalten sich ähnlich. cc

Hinweis:  Die Mischkondensation ist nur unterhalb des kritischen Punktes, speziell zwischen dem Siedepunkt und dem Dampfpunkt, möglich. Mit ­einsetzender Mischkondensation sinken die Temperatur und der Druck im Tank. Beide bewegen sich dabei auf der Isobaren unterhalb des kritischen Punkts (14).

18

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

Der Tankdruck wird bei erneuter Betankung gesenkt. Der Tankwagen kommt mit einer Flüssigkeit, in unserem Fall LNG, die sich im thermodynamischen Gleichgewicht auf sehr niederem Niveau befindet. Die Siedetemperatur liegt bei herrschendem Fahrzeugtankdruck von 1,5  bar bei 116,5  K und hat somit ein wesentlich geringeres Niveau als die Temperatur des Tankinhalts, die bei einem Siededruck von 15 bar liegen könnte. Wir setzen voraus, dass vor einer erneuten Betankung der Tank fast leer ist: Der eingestellte Druck am Druckregler des Druckzusatzverdampfers ist überschritten. Der Druckregler hat sich geschlossen. Er öffnet erst wieder, wenn der Druck unter den eingestellten Wert gesunken ist. Von ihm ist also in dieser Einstellung kein zusätzlicher Druckaufbau zu erwarten. Er öffnet erst wieder, wenn der Druck unter den eingestellten Wert gesunken ist. Dieser wird bei der Betankung unterschritten, daher müsste theoretisch der Druckzusatzverdampfer vor der Betankung geschlossen werden. cc

Hinweis: In der Praxis wird der Druckzusatzverdampfer nicht geschlossen, da  der zuströmende Massenstrom (Flüssigkeit) den geringen Druckanstieg ­(Gasphase) durch die zusätzliche Verdampfung im Druckzusatzverdampfer kompensiert, also für den Betankungsprozess nicht hinderlich ist.

Die Betankung beginnt. Flüssigkeit wird nun von oben in den Tank gedrückt und dabei zu feinen Tropfen zerstäubt (siehe Abb. 2.2). cc

Beispiel: Ein ähnlicher Prozess findet in einem Dampfkessel statt, dessen Druck zur erneuten Wasserspeisung gesenkt werden muss. Auch dort wird kaltes Wasser in den Dampf gesprüht. Das Wasser kondensiert den Dampf, der Druck sinkt und Wasser kann mit geringerem Druck in den Kessel gefüllt werden. Eine weitere Anwendung ist der Mischkondensator. In diesem Apparat sind Stufen eingebaut, über die von einer zur anderen die kondensierende Flüssigkeit herabfällt. Im Gegenstrom strömt Gas von unten nach oben. Beim Durchströmen des Flüssigkeitsschleiers wird das Gas gekühlt und kondensiert.

Diese feinen, aber kalten Tropfen kühlen das warme Gas, bzw. nehmen die Wärme des Gases auf. Es kommt zur Kondensation durch die intensive Vermischung der Gasphase mit kalter Flüssigkeit. Eine kleine Tropfenfläche kommt mit einem großen Gasvolumen in Berührung. In Summe bilden die vielen fein zerstäubten Tropfen eine sehr große Fläche. Dem steht ein relativ kleines Dampfvolumen gegenüber. Das Gas wird an den Tropfen gekühlt, ein wesentlich kleinerer Teil der Tropfen verdampft. Der andere Teil dieser Tropfen fällt in die Flüssigkeit und kühlt dieselbe. Diesen Prozess des Vermischens von Dampf mit Flüssigkeit, der zur Kondensation des Dampfes führt, nennt man Mischkondensation (siehe [2]). Im Tank liegt nun eine Flüssigkeit vor, deren Temperatur unter der Dampftemperatur liegt. An ihrer Oberfläche kühlt sich der Dampf ab und kondensiert. Dieser Prozess des Wärmeaustauschs setzt sich auch nach der Betankung fort, nur nicht so intensiv. Mit fortschreitendem Betankungsprozess wird der Dampf immer kälter. Der Dampfdruck sinkt und die Temperatur von Dampf und Flüssigkeit werden sich der gespeisten Flüssigkeit annähern, deren Temperatur

2.2 Mischkondensation

19

Abb. 2.2 Schematische Darstellung der Mischkondensation

aber nie erreichen. Flüssigkeit und Dampf stehen nicht mit, sondern nach dem Ende der Betankung im thermodynamischen Gleichgewicht. Der Prozess „Betankung von oben“ wird in Abschn. 3.4 weiterführend beschrieben. Ist der Anteil nicht kondensierender Bestandteile, wie beispielsweise Luft, zu hoch, wird die Mischkondensation durch den abnehmenden Partialdruck des Methans behindert oder ist im Extremfall gar nicht möglich. Die Luft hat einen Siedepunkt, der weit unter demjenigen des LNG liegt. Der Druck sinkt nicht, weil die Kondensation des Methan/Luft nicht möglich ist. cc

Hinweis:  Luft kommt durch unsaubere Betankung in den Tank. Das muss vermieden werden. Luft stellt ein enormes Gefahrenpotenzial dar (siehe ­Abschn. 10.2 und 13.1) und ist für die Mischkondensation kontraproduktiv. Zusammenfassung

Die Mischkondensation ermöglicht durch Versprühen von tiefkalt verflüssigtem Gas in einem adiabaten Prozess die Druckabsenkung in einem Raum, also dem vakuumiso lierten Tank. Der Effekt der Mischkondensation nimmt mit steigendem Füllstand ab. Mit Ende der Betankung stellt sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ein.

20

2.3

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

Entspannungsenergie, der Joule-Thomson-Effekt

Die thermodynamischen Erkenntnisse der Gasentspannung werden mit dem Joule-­ Thomson-­Effekt beschrieben. Bei der Entspannung, also der Druckabsenkung, wird Gas durch Drosselung von einem hohen auf einen niederen Druck reduziert. Dabei wird keine Arbeit geleistet. Es ist ein irreversibler Prozess (siehe [3]). cc

Beispiel:  Der Prozess der Entspannung ist grundsätzlich bekannt, wird aber oftmals nicht bewusst wahrgenommen. Wird eine gefüllte Hochdruckgasflasche durch das schlagartige Öffnen des Flaschenventils entleert, strömt Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre. Nach kurzer Zeit beschlägt das Gasflaschenventil und setzt Reif an. Das kann selbst im Hochsommer beobachtet werden, sodass offensichtlich 0 °C unterschritten werden.

Mit einsetzender Expansion nimmt das entspannte Produkt aus der Umgebung Energie auf, die sich im Absinken der Temperatur in der unmittelbaren Umgebung ausdrückt. Je besser ein Prozess isoliert abläuft, d. h., je mehr die Bedingungen des adiabaten Prozesses erfüllt werden, desto deutlicher ist die Abkühlung festzustellen. Im beschriebenen Fall muss die Energie dem Medium, dem Gas, entzogen werden und kühlt dabei das Ventil und die Gasflasche ab. Ist die Abkühlung intensiv genug, wird erst der Taupunkt der Luftfeuchte unterschritten, sie fällt aus der Luft aus und setzt sich im gekühlten Bereich als Wasser ab. Durch weitere Kühlung gefriert das Wasser zu Reif, der dann sehr offensichtlich in Erscheinung tritt. cc

Hinweis:  Die Anwendung und Beherrschung des Joule-Thomson-Effektes ist einer der wichtigsten Prozesse zur Verflüssigung von Gasen. Auf diesem Effekt beruht die Verflüssigung aller tiefkalt verflüssigten Gase. Das Verfahren wurde von Carl von Linde erfunden.

Was passiert? Beim Öffnen des Gasflaschenventils wird der Gasdruck entspannt, die austretenden Gasmoleküle bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und nehmen ein größeres Volumen ein. Die Zunahme des Volumens resultiert aus dem Druckabfall, denn die zuvor zusammengepressten Moleküle verlieren ihre Enge und können sich nun frei bewegen. Dazu ist Bewegungsenergie erforderlich, die das Gas aus der Umgebung bezieht. Das Gas und die Umgebung kühlen sich ab. Dauert der Prozess lange genug und ist die Druckdifferenz hoch genug, kommt es zur beschriebenen Reifbildung am Ventil der Gasflasche. Der Gasstrom entzieht in dem Fall auch dem Flaschenventil und dem Gas Energie, die sich im Absinken der Temperatur zeigt. Im Ts-Diagramm kann man den Prozess der Drosselung und der damit verbundenen Abkühlung, die Entspannungskälte, auf der Linie h = konst. (Enthalpie = konst.) genau verfolgen. Mit den Parametern Druck und Temperatur wird die Enthalpie am e­ ntsprechenden Punkt beschrieben. Die Linie der konstanten Enthalpie beschreibt den ­Prozess und schneidet dabei die Linien des konstan-

2.4 Kompressionsenergie

21

ten Drucks. Folgt man der Linie bis zum Punkt des erreichten Drucks, findet man auf der waagerechten Linie die zu erwartende Temperatur. Die technische Verflüssigung von Luft bedient sich dieses Effektes. Das trifft auch für die Bestandteile Helium und andere Edelgase zu, die nicht Luftgase genannt werden, aber in ihr enthalten sind. Bei diesem Prozess wird das Gas mit hohem Druck in einen sehr gut isolierten Raum mit niederem Druck entspannt. Das Gas tendiert genauso wie bei dem Gasaustritt aus der Gasflasche dazu, die erforderliche Energie zur Bewegung aufzunehmen. Diese Energie kann nur dem Gas entzogen werden, da sie durch die ausgeführte Isolierung nicht von außen aufgenommen werden kann. Bei einem adiabaten Prozess ist die Energiebilanz konstant, also muss die Gastemperatur sinken. Es entsteht ein sehr kaltes Gas, welches das nachströmende Gas im Gegenstrom kühlt. Anschließend wird das eintretende und bereits kältere Gas komprimiert und entspannt. Die Gastemperatur muss nach der Entspannung geringer sein als diejenige des komprimierten, eintretenden Gases. Dieser Prozess wiederholt sich so lange, bis der Siedepunkt des Gases erreicht wird. Es fällt Flüssigkeit, verflüssigtes Gas, aus. Da eine möglichst große Druckdifferenz angestrebt wird, entspannt man bis auf Atmosphärendruck. Deshalb liegt die gewonnene Flüssigkeit meistens Atmosphärendruck vor. Unter erneuter Wärmezufuhr verdampft die Flüssigkeit und das Gas steigt mit Siedetemperatur auf. Dieser Prozess der Gasverflüssigung wird in Abschn. 2.8 weiterführend erklärt. Zusammenfassung

Der irreversible Joule-Thomson-Effekt beschreibt den Drosseleffekt. Er verläuft auf der Linie der konstanten Enthalpie. Dieser Prozess findet in einem abgeschlossenen und thermisch isolierten Raum statt. Bei der Entspannung wird keine Arbeit geleistet, es kühlen sich das Gas und die Umgebung ab. Das kalte Gas wird zur Kühlung des unter Druck stehenden Gases verwendet. Die fortschreitende Kühlung des eintretenden Gases ermöglicht das Erreichen des Siedepunktes, maximal Atmosphärendruck.

2.4

Kompressionsenergie

Die Kompressionsenergie tritt bei der Verdichtung des Gases auf, so wie es u. a. bei jedem Kompressor der Fall ist. Kaltschmitt et al. (siehe [4]) erklären das sehr anschaulich am Beispiel der Wärmepumpe. Im Kleinen hat jeder diese Art der Wärmeentwicklung schon gespürt. cc

Beispiel: Will man den Fahrradschlauch mit der Luftpumpe aufpumpen, so wird am unteren Ende die Luftpumpe wärmer als unsere Hand. Ursache ist nicht die körperliche Anstrengung, sondern die entstehende Kompressions­ energie. Die Luftmoleküle werden komprimiert. Das drückt sich in der Temperaturerhöhung aus, welche eigentlich das Maß der Bewegung der Moleküle ist.

22

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

Für die Gasverflüssigung spielt neben der Expansion diese Kompressionswärme eine wesentliche Rolle. Anfangs wird das Gas komprimiert. Die Kompressionswärme wird anfangs eine konventionelle Kühlung mit Kältemaschinen abgeführt. Mit fortschreitendem Kühlprozess wird mit kaltem Gas im Gegenstrom die Wärme abgeführt. Ein weiteres Beispiel ist das Füllen von Druckgasflaschen. Diese Kompressionsenergie wirkt bei der Befüllung der Gasflaschen oder des CNG-Fahrzeugspeichers. Die Kompressionswärme kann nicht schnell genug in die Umgebung abgeführt oder im Material durch Wärmeleitung verteilt werden, das Gas und der Druckgasbehälter werden durch den zu schnellen Druckanstieg warm. Der Druck steigt unter Umständen auf den zulässigen Druck, obwohl im Behälter die gewünschte Masse des Gases noch nicht erreicht wurde. Hinweis:  Diesem wird durch eine langsame Befüllung entgegengewirkt. Bei dieser Vorgangsweise wird zwar die gleiche Energie eingebracht, aber während der Kompression bereits ein Teil der Wärme abgeführt.

cc

Die Temperatur in der Flasche selbst wird gleichmäßiger verteilt, sie steigt nicht so stark an. Die Flasche oder der Speicher ist in dieser Weise bis zur zulässigen Grenze durchgehend befüllbar. Versuche, mit einem besonders kalten Gas zu füllen, führten nur sehr beschränkt zum Erfolg (eigene Testreihe). Zusammenfassung

Die Kompressionsenergie führt zur Temperaturerhöhung des Gases. Durch einen langsamen Druckanstieg kann die Temperaturerhöhung minimiert werden. Die Energie ist jedoch die gleiche zugeführte.

2.5

Der kritische Punkt

Der kritische Punkt eines Gases liegt im Ts-Diagramm am oberen Ende der Dampfdrucklinie (vgl. Abb.  2.3) und wird mit dem Druck und der Temperatur beschrieben (andere Diagramme wie Pt, hp usw. sind auch möglich und zeigen das Gleiche). Am kritischen Punkt ist der Zustand des Stoffes nicht definierbar, denn es treffen die Phasen flüssig, dampfförmig, gasförmig überhitzt (Gas), überkritisch zusammen. (siehe [5]). An diesem Punkt geht unter Energiezufuhr das Medium sofort in die überhitzte Gasphase oder in die überkritische Phase über. Der zu erwartende Zustand ist druckabhängig. cc

Hinweis: Die Dichte ist für die Gas- und Flüssigphase am kritischen Punkt gleich groß. Erdgas ist ein Gemisch verschiedener Gase. Daher entspricht der kritische Punkt für Erdgas nur annäherungsweise dem des Methans.

Bei Abkühlung des Mediums verläuft der Prozess auf der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes gegenläufig. Links des kritischen Punktes fällt sofort Flüssigkeit aus, rechts

2.5  Der kritische Punkt

23

400

p = 200 bar p = 50 bar p = 5 bar p = 300 bar p = 100 bar p = 10 bar

überkritischer Zustand

300

h = 750 kJ/kg

überhitzter Dampf p = 1 bar

Temperatur [K]

h = 700 kJ/kg h = 650 kJ/kg h = 600 kJ/kg h = 550 kJ/kg kritischer Punkt

200

flüssing + Dampf flüssig

100 0,000

Isobare unterkritischem Punkt

2,00

4,00 Entropie [kJ/kg K]

6,00

Abb. 2.3  Ts-Diagramm für Methan mit Bereichen flüssig, Dampf, ÜK usw.

des kritischen Punktes bildet sich Dampf (x = 1). Wird bei sinkendem Druck weiter gekühlt, entwickelt sich Dampf, welcher dann unter dem kritischen Punkt auf der waagerechten Isobaren so lange abnimmt, bis der gesamte Dampf zu Flüssigkeit kondensiert ist (x = 0, Prozess verläuft bei konstanter Temperatur). Bei weiterer Abkühlung auf der Isobaren bildet sich mit sinkender Temperatur unterkühlte Flüssigkeit. cc

Hinweis:  Es wird vorausgesetzt, der kritische Druck wird nicht unterschritten. Das Medium befindet sich links des kritischen Punktes im überkritischen Bereich. Bei konstanter Entropie (s) setzt mit Absenkung der Temperatur auf einen Wert unterhalb des kritischen Punktes schlagartig die Kondensation ein.

Die abzuführende Wärme, des überkritischen Gases, ausgedrückt als Entropie,bis zur Kondensation ist nämlich sehr gering. Folglich kann die Fläche der Wärmeübertragung und damit die Kondensationsfläche entsprechend klein gewählt werden. Das ist ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor, der aber selten Berücksichtigung findet. Rechts des kritischen Punktes wird bei überhitztem Dampf, dessen Entropie bei Methan kleiner als 4,8 KJ/kgK ist, die Dampflinie erreicht. Die Dampfbildung setzt mit Erreichen der Siedetemperatur ein. Trotz weiterer Abkühlung bleibt unter konstantem Druck die Temperatur bis zur völligen Kondensation konstant. Erst danach ist eine weitere Abkühlung des Mediums, das nun flüssig ist, auf der Linie p = konst. zu unterkühlter Flüssigkeit möglich.

24

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport … Zusammenfassung

Am kritischen Punkt sind die Dichte von Gas und Flüssigkeit gleich. Der kritische Punkt für Erdgas ist nicht definiert, da er von der Zusammensetzung abhängig ist. Vergleichsweise wird Methan angenommen. Für Methan liegt der kritische Punkt bei einer Dichte der Gas- und Flüssigphase von 162,66 kg/m3, es herrscht ein Druck von 45,9 bar und eine Temperatur von −82,6 °C oder 190,6 K. Über dem kritischen Druck gibt es keine Flüssigkeit, unter dem kritischen Punkt sind die Flüssig-, Dampf- oder Gasphase möglich.

2.6

Das thermodynamische Gleichgewicht

Das thermodynamische Gleichgewicht, auch Phasengleichgewicht (siehe [6]) genannt, herrscht, wenn die Gasphase und die Flüssigkeit die Druck- und Temperaturparameter der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes angenommen haben. Das thermodynamische Gleichgewicht wird auch saturierter Zustand oder saturiertes Gas genannt. Am Boden des Tanks herrscht ein höherer Druck als an der Oberfläche der Flüssigkeit. Daher herrscht am Boden des Tanks, selbst bei gleicher Temperatur kein thermodynamisches Gleichgewicht, es steht unterkühlte Flüssigkeit an. Streng genommen gilt, dass sich ein thermodynamisches Gleichgewicht nur an der Oberfläche der Flüssigkeit einstellen kann. Zu beachten ist, dass die Flüssigkeitstemperatur im Tank nie gleichmäßig verteilt ist, sondern durch konvektive Strömungen schwankt. (Manche sprechen auch von einer Schichtung.) Die exakten Verhältnisse im Tank sind nicht eindeutig geklärt. cc

Beispiel:  Kochendes Wasser in einem Topf hat unter Normaldruck +100 °C, der aufsteigende Wasserdampf unmittelbar über dem Wasser hat die gleiche Temperatur. Wasserdampf ist unsichtbar. Dieser wird jedoch durch die umgebende Luft gekühlt, es bildet sich der sogenannte Dampf. Das ist eigentlich falsch, denn der Dampf ist unsichtbar. Der sichtbare Anteil des Dampfes ist kondensiertes Wasser. Die siedende Flüssigkeit und der aufsteigende Dampf stehen nur unmittelbar über dem Wasser im thermodynamischen Gleichgewicht. Nur durch entsprechende Isolierung wird der Dampfzustand erhalten.

Ähnlich verhält es sich im vakuumisolierten Tank. Das LNG befindet sich einige Zeit nach der Betankung im thermodynamischen Gleichgewicht, vorausgesetzt es wird kein Produkt (Gas oder Flüssigkeit) entnommen. Die unausbleibliche Wärmezufuhr durch die äußere Behälterwand führt zur Verdampfung der Flüssigkeit, obwohl der Tank isoliert ist. Es entwickelt sich Gas bei steigendem Druck. Da der Raum abgeschlossen ist, steigt der Druck nur in dem Maß, in dem Wärme zugeführt wird. Bei Entnahme einer der beiden Komponenten (Gas oder Flüssigkeit), ändert sich der Druck. Diese Druckänderung wird

2.7 Die Isobare unterhalb des kritischen Punktes

25

durch einsetzende Verdampfung ausgeglichen. Das thermodynamische Gleichgewicht stellt sich auf niederem Temperatur- und Druckniveau ein. Hinweis:  Bei Gasentnahme aus dem Gasraum des Tanks sinkt der Druck nicht linear zum entnommenen Volumen, da sich durch sofort verdampfende Flüssigkeit das thermodynamische Gleichgewicht einstellt. Dabei wird Gas als Dampfphase abgegeben. Bei einer ausgiebigen Entnahme kann nicht genügend Wärme bereitgestellt werden, es bildet sich unterkühlte Flüssigkeit. Mit Ende der Entnahme strömt weiter Wärme zu, es wird diese Flüssigkeit wieder zu einer siedenden, das thermodynamische Gleichgewicht stellt sich wieder ein.

cc

Die Wärmezufuhr durch die Behälterwand stört das bestehende thermodynamische Gleichgewicht, es stellt sich ein neues, der Wärmezufuhr angepasstes Gleichgewicht ein, allerdings auf höherem Temperatur- und Druckniveau. Zusammenfassung

Das thermodynamische Gleichgewicht stellt sich zwischen einer siedenden Flüssigkeit, z. B. LNG und der darüber befindlichen Gasphase ein. Dabei entsprechen Temperatur und Gasdruck den Parametern der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes. Bei Gasentnahme fällt der Gasdruck. Das entnommene Gasvolumen wird durch Bildung neuen Gases ausgeglichen. Ursache ist, dass stets das thermodynamische Gleichgewicht angestrebt wird. Flüssigkeit verdampft und die Isobare unterhalb des kritischen Punktes sinkt auf ein tieferes Niveau, Temperatur und Druck im Tank sinken. Es wird durch Gasentnahme zur Aufrechterhaltung des thermodynamischen Gleichgewichtes adiabat gekühlt. Bei Wärmezufuhr steigt das thermodynamische Gleichgewicht, Temperatur und Druck steigen im Tank.

2.7

Die Isobare unterhalb des kritischen Punktes

Die Isobare (Linie mit Werten gleichen Drucks) unterhalb des kritischen Punktes wird durch eine konstante Temperatur gekennzeichnet. Sie liegt im Ts-Diagramm (Abb. 2.3) waagerecht unter dem kritischen Punkt und über dem atmosphärischen Druck. Sie beschreibt die Vorgänge beim Sieden der Flüssigkeit (siehe [7]). Voraussetzung zum Sieden ist die Zuführung von Energie. Die Enthalpie des Stoffes steigt. Durch Energiezufuhr entsteht Dampf bei Siedetemperatur. Da der Prozess unter konstanter Temperatur abläuft, ist er beendet, wenn der Druck und die Temperatur wieder steigen. Der Dampfanteil wird mit x bezeichnet und kennzeichnet die Masse des Dampfanteils, der zum Sieden gebracht wurde. Mit x = 0 (kein Gasanteil) beginnt der Siedeprozess, bei x = 1 (kein Flüssigkeitsanteil) ist der Prozess abgeschlossen. Das bedeutet, die

26

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

gesamte Flüssigkeit ist in die Dampfphase bei Siedetemperatur übergegangen. Normalerweise drückt sich die Energiezufuhr im Anstieg der Temperatur aus. Auf der Isobare unterhalb des kritischen Punktes ist das nicht der Fall, man spricht von latenter Wärme oder auch Umwandlungs­energie. Flüssigkeit geht in Dampf über, genauer gesagt in Sattdampf, und es ändert sich die Dichte. Sie nimmt mit der Energiezufuhr ab, denn die Moleküle der Flüssigkeit steigern ihre Bewegung, sie beanspruchen mehr Raum und damit verringert sich die Dichte. cc

Beispiel:  Besteht der Wunsch, etwas auf max. 100  °C zu erwärmen, bedient man sich des Wasserbades. Man kann soviel Wärme zuführen wie man will, solange Wasser im Wasserbad steht, wird die Temperatur 100 °C nicht überschreiten. Auf der Isobare ändert sich der Anteil von Wasser und Dampf. Der Dampf nimmt zu, das Wasser ab, die Temperatur bleibt konstant.

Das Gleiche spielt sich auf jeder Isobaren unterhalb des kritischen Punktes ab. Findet der Prozess in einem abgeschlossenen Raum, also dem Tank, statt, steigt der Druck von Gas und Flüssigkeit, die Isobare bewegt sich Richtung kritischem Punkt. Das Volumen nimmt zu. Das drückt sich in der Abnahme der Flüssigkeitsdichte oder Zunahme des spezifischen Volumens aus. In einem geschlossenen Raum ändert sich die Entropie (s). Sie nimmt zu, der Anstieg wird auf der Siedelinie verfolgt. Die Isobare bei Wärmezufuhr steigt mit der Zunahme der Wärme auf der Siedelinie bis zum kritischen Punkt. Dort geht die Flüssigkeit druckabhängig in überhitzten Dampf oder den überkritischen Zustand über. Zu beobachten ist im Ts-Diagramm, dass mit zunehmendem Dampfdruck immer weniger Wärme zur Druckerhöhung zugeführt werden muss. Das bedeutet im Verdampfungsprozess (z. B. im Luftverdampfer), je höher der Druck im Verdampfer ist, desto kleiner kann die Verdampferfläche ausgeführt werden. Ist unterhalb des kritischen Punktes x = 1 erreicht, ist die gesamte Masse verdampft. Bei konstantem Druck steigt entsprechend der spezifischen Wärme des Stoffes die Temperatur. Nun wird daraus überhitzter Dampf, den man umgangssprachlich auch als Gas bezeichnet. Zusammenfassung

Auf der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes bleiben Temperatur und Druck trotz Zufuhr der Umwandlungsenergie konstant. Voraussetzung ist, dass sich der Dampf ungehindert ausbreiten kann. Ist das Volumen begrenzt, steigen Gasdruck und der Siededruck der Flüssigkeit. Gas und Flüssigkeit nehmen die Siedetemperatur an. Nachdem x = 1 ist, wird bei weiterer Energiezufuhr aus Dampf überhitzter Dampf, Gas genannt. Wird der Druck gesenkt (Gasentnahme), sinkt die Siedetemperatur der Flüssigkeit bis auf den sich einstellenden Gasdruck.

2.8  Die Verflüssigung von LNG

2.8

27

Die Verflüssigung von LNG

Das aus der Erde austretende Erdgas ist ein Gemisch verschiedenster kalorisch nutzbarer Gase, energetisch toter Gase, Wasser, schwefliger Verbindungen und Schmutz. Methan ist der wichtigste Bestandteil und wird deshalb vor der Verflüssigung von den kalorisch toten Begleitgasen, Wasser und weiteren Verschmutzungen mechanisch getrennt. Nach dieser Vorreinigung werden die verbliebenen Fraktionen durch Absorption und thermische Prozesse abgeschieden. In der weiteren Folge wird das verbliebene Erdgas ausschließlich mit Kälte in den flüssigen Zustand versetzt (siehe [8]). Mit herkömmlichen Kältemaschinenprozessen (Kühlsolen, Kältemittel) sind die erforderlichen Temperaturen zur Verflüssigung nicht erreichbar. Erst in Kombination mit dem Joule-Thomson-Effekt und deren Modifikationen stellen sich die geforderten Temperaturen ein. Das erkannte Carl von Linde (siehe [9]), der zuvor die Kältemaschine erfunden hatte und nun wusste, wie das Gas anfangs zu kühlen ist. Linde entwickelte, basierend auf diesen Erkenntnissen, das in Abb.  2.4 dargestellte Verflüssigungsverfahren. Es wurde zum Welterfolg und prägte die Basis des heute weltweit agierenden LINDE-Konzerns. Später wurden noch weitere, modifizierte Verfahren entwickelt. Jedoch bedienen sich bis heute alle großtechnischen Verflüssigungsprozesse der Entspannung. Neuere, modifizierte Verfahren nutzen für die Entspannung Expansionsmaschinen (Turbinen), womit ein Teil der Kompressionsenergie zur Stromgeneration zurückgewonnen wird. Dieses Verfahren geht auf Claude (1902) zurück. Beim Claude-Heylandt-Verfahren wird durch eine Kombination beider Entspannungsprozesse die Verflüssigung wie beim Linde-Prozess erreicht. Entspannt wird auf atmosphärischen Druck, sodass die Lagerung bei Umgebungsdruck möglich ist und in den atmosphärischen Tanks (mehrere 1000 m3) große Mengen gelagert werden können. Mit dem kalten, aus der Turbine austretenden Gas, wird das nachströ-

Abb. 2.4  Vereinfachte Darstellung des Linde-Verflüssigungsprozesses

28

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

mende Gas im Gegenstromkühler gekühlt. Die Kompressionsenergie wird unter konstantem Druck entzogen. Ein Teilstrom des kalten Gases wird erneut entspannt, der andere Teil wird zum Kühlen verwendet. cc

Hinweis:  Alle Verflüssigungsverfahren haben eines gemeinsam, sie nutzen die Entspannungskälte zur Verflüssigung. Für die erforderliche Kompression werden verfahrensabhängig etwa 10–20  % des Gesamtenergieinhalts des Gases verbraucht. Diese Energie wird zur Kompression des Gases benötigt.

Mit der Entspannungskälte wird dem Gas Energie entzogen. Es werden dabei sehr tiefe Temperaturen erreicht. Die Abkühlung schränkt die freie Weglänge der Moleküle so lange ein, bis der flüssige Zustand erreicht wird. Man spricht deshalb von tiefkalt verflüssigten Gasen. Als tiefkalt verflüssigte Gase werden auch alle Luftgase wie Sauerstoff, Stickstoff Argon, weitere Edelgase und Wasserstoff angeboten. Verfahrensabhängig könnten bis zu ca. 200–210 K mit traditionellen Kältemaschinenprozessen gekühlt werden, tiefere Temperaturen werden ausschließlich durch Kompression und nachfolgende Entspannung erreicht. Die entstehende und abzuführende Kompressionswärme kann nicht prozessre­ levant zurückgewonnen werden. Der Verflüssigungsprozess ist insofern irreversibel. Versuche, diese Wärme in thermischen Speichern zu bewahren, sind nicht zielführend im Sinne des Gesamtprozesses. Für den Verflüssigungsprozess kann sie nicht mehr eingesetzt werden. Damit gilt dieser Energieanteil als verloren. Oberhalb des kritischen Punktes ist grundsätzlich keine Gasverflüssigung möglich. Die erste Voraussetzung für eine Gasverflüssigung durch Kälte ist daher, dass das Gas eine Temperatur angenommen hat, die unter dem kritischen Punkt des Gases liegt. Inzwischen gibt es verschiedene Verfahren, die alle auf diesem thermodynamischen Prozess aufbauen. Sie unterscheiden sich nur durch Modifikationen zur weiteren Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads und damit zur Einsparung elektrischer Energie. Der Preis eines verflüssigten Gases hängt wegen der Bedeutung der Energie wesentlich vom Strompreis ab. Die Verflüssigung von Kleinstmengen an Erdgas wird wirtschaftlich mit flüssigem Stickstoff erreicht. Dieser Weg stellt sich anlagentechnisch relativ einfach dar. Im Detail ist jedoch zu beachten, dass sich kein CO2 ablagern darf und aggressive, chemische Verbindungen Korrosionsschäden verursachen können. In den einzelnen Prozessstufen wird anfangs mit gasförmigem Stickstoff und abschließend mit flüssigem Stickstoff das zu ­verflüssigende Gas gekühlt. Die einzelnen Fraktionen wie Wasser, CO2, Schwefelverbindungen usw. fallen durch Kondensation bis zum dazugehörenden Partialdruck der jeweiligen Phase aus. Am Ende des Prozesses entsteht ein Methankondensat, vermischt mit ­anderen kalorisch wirkenden Stoffen (Butan, Propan usw.), und tropft in den Sumpf/Auffangbehälter. Entsprechend des Partialdrucks der verschmutzenden Begleitgase ­entsteht über dem Sumpf ein konzentrierter Dampf aus kalorisch nutzbaren und kalorisch toten Gasen. Dieses mit Verschmutzungen belastete Gasgemisch muss regelmäßig abgezogen

Literatur

29

werden und in einem Gasmotor oder Brenner verbrannt werden. Im Sumpf sammelt sich ein hochwertiges, verflüssigtes Erdgas, mit über 99 % kalorisch nutzbarem Gas. Dieses wird dem Verbraucher per Tankwagen zugeführt. Betrachtet man den Stickstoffverbrauch zur Kühlung, ist der Prozess sehr kostenintensiv, hat aber den Vorteil, dass der maschinentechnische Aufwand relativ gering ist. Es sind keine beweglichen Teile, wie beim Verflüssiger erforderlich, so dass sich dieser Prozess besonders für Biogasanlagen mit geringer Leistung anbietet. Für eine Masseneinheit LNG benötigt man ca. 2–3 Masseneinheiten flüssigen Stickstoffs. Diese Stickstoffkosten bestimmen maßgeblich die Gesamtkosten des erzeugten LNG. Wie beim Linde-Prozess gibt es auch hierbei verschiedenste Modifikationen. Beispielsweise scheidet Nachtmann (siehe [10]) bei Atmosphärendruck im Wärmeübertrager das CO2 ab, Hermeling (siehe [11]) im Zyklon. Im Gegensatz dazu werden, wie der Name bereits sagt, druckverflüssigte Gase durch Druck verflüssigt. Zu den druckverflüssigten Gasen gehören Flüssiggase, wie CO2, Propan, Butan usw. Eine Kühlung ist nicht unbedingt erforderlich, fördert jedoch den Prozess der Verflüssigung. Die Verflüssigung ist auch ohne Kühlung, bei Umgebungstemperatur möglich. Zusammenfassung

Der Verflüssigungsprozess ist ein typisch irreversibler Prozess. Die Verflüssigung ist nur unterhalb des kritischen Punktes adiabat möglich. Bei der Verflüssigung nach LINDE wird ein Teilstrom der in der Entspannung ausfallenden Gasphase zur Kühlung des nachströmenden Gases genutzt, der andere Teil wird weiter entspannt und nimmt eine tiefere Temperatur an. Es wird bis auf Atmosphärendruck entspannt, sodass das verflüssigte Gas bei Umgebungsdruck in den atmosphärischen Tanks gelagert werden kann. Geringe Erd- oder Biogasmengen werden über diverse Verfahren mit Stickstoff verflüssigt. Der Preis des LNG wird dann maßgeblich durch die Stickstoffkosten bestimmt. Solche Verfahren sind nur für begrenzte Anwendungen wirtschaftlich nutzbar.

Literatur 1. Bosnjakovic, technische Thermodynamik, Teil 1, 4. Auflage, S. 46 und folgende 2. Bosnjakovic, technische Thermodynamik, Teil 1, 4. Auflage, S. 279, Abs. 3 und folgende 3. Jungnickel, Agsten, Kraus, Grundlagen der Kältetechnik, VEB Verlag Technik Berlin, 2. Auflage, 1984, S. 231 u. folgende, S. 248 und folgende 4. Kaltschmidt, Streicher, Wiese, Erneuerbare Energien, Springer Verlag, 1993, S. 397 5. Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag, 12. Auflage, 1966, Teil 1, S. 431 6. https://de.wikipedia.org/wiki/Dampf-Fl%C3%BCssigkeit-Gleichgewicht 7. Bosnjakovic, technische Thermodynamik, Teil 1, 4. Auflage, S. 124, Abs. 1–4 8. https://de.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%BCssigerdgas 9. https://de.wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren

30

2  Die wichtigsten thermodynamischen Prozesse in der Herstellung, dem Transport …

10. Nachtmann, Mechanistische Untersuchung des Kristallbildungsprozesses von resublimierendem Kohlendioxid aus variablen Gasgemischen unter Atmosphärendruck an festen Oberflächen, Technische Universität München, Lehrstuhl für Agrarsystemtechnik, Am Staudengarten 2, 85354 Freising, 2017 11. österreichisches Pat.: A 8006/2010 12. Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, Springer-Verlag, 12. Auflage, 1966, Teil 2, S. 426, Abschn. „B“

3

LNG – von der Quelle zum Endkunden

3.1

Verflüssigung an der Quelle und Transport in den Hub

LNG wird an der Quelle verflüssigt und in großen atmosphärischen Tanks (siehe Abb. 3.1) gelagert. Das flüssige Erdgas hat während der Lagerung im Tank einen Druck nahe dem Atmosphärendruck (fast drucklos bei ca. 100–300  mbar). Deshalb werden diese Tanks atmosphärische Lagertanks genannt. Von dort wird das LNG auf Schiffe verladen, ein mehrere Tage dauernder Pumpprozess, und auf dem Seeweg zum Hub in die Länder Europas und Asiens transportiert. LNG-Schiffe (Abb.  3.2 und 3.3) sind eindeutig  an den großen isolierten Kugeltanks (minimale Oberfläche zum Volumen) zu erkennen. Die Fahrt kann Wochen dauern, denn nicht jedes Schiff steuert unmittelbar nach der Betankung ein bekanntes Ziel an. Sie steuern beispielsweise Richtung Europa und erkunden während dieser Zeit, in welchem Hafen der beste Preis erzielt wird. Dieser Hafen wird dann zum Löschen der Fracht angelaufen. Während der Fahrt muss das Produkt trotz der bestens isolierten Schiffe gekühlt werden. Hierbei bedient man sich der Effekte der adiabaten Kühlung. Die anfallende Gasphase, das Boil-off-Gas, wird mit Rückverflüssigungsanlagen erneut verflüssigt und dem Tank zugeführt. Schiffe mit LNG-Motoren hingegen verbrauchen das anfallende Boil-off-­ Gas als Treibstoff, sodass nur der nicht als Treibstoff benötigte Anteil mit kleinen Rückverflüssigungsanlagen verflüssigt und erneut dem Tank zugeführt wird. LNG-Tankschiffe mit Dieselmotor haben leistungsstärkere Rückverflüssigungsanlagen an Bord. Erreicht das Schiff ein Ziel, dockt es auf Reede oder im Hafen an große Abtankterminals an. Mit flexiblen Rohrleitungssystemen wird der Schiffstank mit dem System des Terminals verbunden. Von dort führen weitere Rohrleitungssysteme zu den Tanks des Hafens. Das LNG wird in großen atmosphärischen Tanks (ca. 100.000 m3 und mehr) gespeichert. Die Tanks im Hub sind Speicher und dienen als Reserve für die Leitungsversorgung. Diese Fernleitungen stellen die Verbindung zu lokalen Gasspeichern und weiteren

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_3

31

32

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

Abb. 3.1  LNG-Terminal in Brunsbüttel. (Quelle: Brunsbüttel Ports GmbH/Zukunft Erdgas)

Abb. 3.2  Technische Struktur eines LNG-Tankers. (Quelle: P. Wellemann, A cartoon of the insides of a LNG carrier 2004)

3.1  Verflüssigung an der Quelle und Transport in den Hub

33

Abb. 3.3  LNG-Tanker, zu erkennen an den typischen Kugeltanks. (Quelle: Zukunft Erdgas)

­ asverteilungsnetzen her und versorgen so die Kunden der Energieuntermnehmen. Aus G den Tanks werden auch die Straßentankwagen, Transportcontainer oder Kesselwagen der Gasvertriebsfirmen betankt. Ein Teil des LNG wird direkt regasifiziert und mit Großkompressoren in die Gastransportleitungen gedrückt. Auf Reede wird zur Regasifizierung verschiedentlich die Meereswasserwärme genutzt. Ansonsten erfolgt dieser Prozess in großen Verdampfungsanlagen. Dabei handelt es sich um überdimensional große Wärmeüberträgersysteme. Diese werden mit Erdgas beheizt, naheliegenderweise mit Boil-off-Gas der Lagertanks, also bereits regasifiziertem Produkt. Ein weiterer Anteil des regasifizierten LNG wird unodoriert mit 100–200  bar in die Fernleitungen gedrückt. Zu jedem Hub gehört ein Gaskraftwerk, welches das Gas auf kürzestem Weg erhält und den erzeugten Strom in die Netze abgibt. Die atmosphärischen Tanks im Hub sind mit einer Feststoffisolierung (siehe ­Abschn.  11.2.5 und  11.2.6) gegen Wärmeeintrag geschützt. Zur trotzdem notwendigen Kühlung wird die Gasphase abgezogen, sodass die adiabate Kühlung wirksam wird. Nur wenige Gasleitungen führen aus dem Nahen Osten durch das Mittelmeer nach Europa, abgesehen davon sind die politischen Verhältnisse in dieser Region kompliziert. Erdgaslieferungen erfolgen daher mit LNG-Tankschiffen. Die Schiffe landen an den europäischen Küsten des Atlantiks das Gas an, was auch die Abhängigkeit vom Pipelinegas reduzieren soll. Eine entsprechende Infrastruktur zur Verteilung des Gases muss – Stand 2019  – geschaffen werden. Das betrifft einmal die Terminals, die für Deutschland seit Jahren in Planung (Bremerhaven) sind, und zum anderen die Rohrleitungen. Allgemein unbekannt ist, dass die bestehenden, Deutschland sehr nahen Terminals, in Belgien und Holland bei Weitem nicht ausgelastet sind. Für Deutschland und Europa hängt die Entscheidung von wirtschaftlichen und geopolitischen Betrachtungen ab.

34

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

LNG wird über die Hubs gehandelt. Der Zutritt zum Hub ist streng geregelt und nur gelisteten Firmen gestattet. Diese beziehen LNG zum Tagespreis und verkaufen es mit Zuschlägen, die mengen- und lieferantenabhängig sind, an die Endkunden. Um gelistet zu werden, müssen umfangreiche Auflagen erfüllt werden. Zukünftig wird LNG vom Hub mit speziellen Kesselwagen per Schiene in das Landesinnere verstärkt transportiert. VTG baute mit dem bekannten Anlagenbauer Chart Ferox in Decin (Abb. 3.4) einen ersten Waggon zum LNG-Transport. Der Straßentransport erfolgt, wie abgebildet, mit Straßentankwagen (Abb.  3.5) oder mit Tankwagen und Tankwagenanhänger. Die Tanks sind generell vakuumisoliert. Die Isolierung wird vorzugsweise als MLI-Isolierung (Multi layer isolation; siehe: [1]) ausgeführt, da diese den geringsten Zwischenraum zwischen äußerem und innerem Tank hat und damit das größte Transportvolumen bei gleichen Außenmaßen ermöglicht. Diese Isolierung wird im Abschn. 11.2.1 und folgenden näher beschrieben. Am hinteren Ende des Fahrzeugs oder seitlich befindet sich je nach Kundenwunsch der Armaturenkasten, in dem die Pumpe, das Mengenmessgerät und die Armaturen zur Prozessteuerung untergebracht sind. Seitlich befindet sich bei allen Fahrzeugen der Schlauchkasten, in dem die Schläuche während der Fahrt sicher verstaut werden. Vorteile wie • Entlastung der Gasfernleitungen zugunsten der Großverbraucher, • hohe logistische Variabilität, • Unabhängigkeit von der Quelle,

Dimensionierung des LNG-Kesselwagens

111

m3

- Druckgas-Kesselwagen

(Vorbereitef für den Verkehr mit und in Spanien)

KESSELWAGEN TYP

7899.ah

1050

∅ 2570

∅ 2870

22586 22368

1800

18566 20366

620

23246 24486

Abb. 3.4  LNG-Waggon von Chart Ferox in Zusammenarbeit mit VTG. (Quelle: siehe [3])

3.1  Verflüssigung an der Quelle und Transport in den Hub

35

Abb. 3.5  LNG-Tanklastzug der Fa. Gofa. (Quelle: Fa. Gofa, Gocher Fahrzeugbau GmbH, Goch)

unterstreichen die Bedeutung des LNG. Außerdem kann ein durch die Energiewende zu erwartendem Mehrbedarf an Erdgas mit LNG technisch wie logistisch bewältigt ­werden. Auch ohne die in Planung befindlichen Terminals in Deutschland wäre die Versorgung bereits möglich. Der Transportaufwand von den Küsten der Nachbarstaaten nach Deutschland ist, je nach Lage des Kunden, eventuell etwas größer, aber im Rahmen des EU-Binnenmarkts kein Hinderungsgrund. Trotz einer guten Gasinfrastruktur gibt es in Deutschland noch immer weiße Flecken auf der Karte des Gasnetzes. Diese unterversorgten Räume findet man vor allem in Gebieten, die sich mit Rohrleitungen schwer erschließen lassen (Gebirgsgegenden, Senkungsgebiete), der Bedarf eine Leitung wirtschaftlich nicht rechtfertigt (kleine Siedlungsgebiete, abgelegene Ortschaften) oder bestehende Industrieanlagen, die die Verlegung von Gasleitungen ausschließen (chemische Betriebe, Bergbauanlagen). Solche Gegenden könnten mit LNG versorgt werden. Zusammenfassung

Vor der Quelle kommt das LNG mit Schiffen zum Hub. Dort wird es zum Teil sofort in die Fernleitungen gedrückt oder in atmosphärischen Tanks gelagert, die als Reserve für die Leitungsversorgung dienen. Aus ihnen werden auch die Abgabestellen für den Landtransport versorgt. Erdgas ist eine tragende Säule der Energiewirtschaft, sowohl gasförmig als auch flüssig. Leistungsstarke Transportleitungen bringen das Gas und mit Schiffen das LNG

36

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

nach Europa. LNG wird vom Hub mit Transportleitungen in die Zentren, mit ­Tankwagen zu kleineren Kunden und zukünftig mit Kesselwagen zu Großabnehmern transportiert. Es eignet sich besonders zur Erschließung netzferner Gebiete.

3.2

LNG-Transport zum Endkunden

Diese und die folgenden Betrachtungen konzentrieren sich ausschließlich auf die Technik bzw. Logistik. Sicherheitsvorschriften, Bedienanleitungen und weitere Angaben zum sicheren Umgang mit LNG sind nachfolgenden Kapiteln vorbehalten. Der Erdgastransport vom Hub zum Kunden erfolgt auf zwei Wegen, einmal gasförmig über die Gastransportleitungen zu Ballungszentren, zu Kraftwerken, und zu anderen Großabnehmern. Zum anderen erfolgt der Transport als LNG über die Straße und zukünftig auch per Schiene oder Binnenschiff. Auf den Transport per Fernleitung hat der lokale Betreiber keinen Einfluss. Anders ist das bei  LNG.  Kleinere Abnehmer oder netzferne Gebiete werden auch in Deutschland zukünftig mit LNG versorgt. Im Gegensatz zur Gastransportleitung oder Gasfernleitung kann der Kunde die LNG-Lieferungen mit seinen Vorgaben und Möglichkeiten beeinflussen. Daher sollen diese nachfolgend betrachtet werden. Der Transport zu großen Abnehmern wird bei Verfügbarkeit eines Gleisanschlusses mit Kesselwagen erfolgen. Chart entwickelte mit VTG einen Prototyp (siehe Abb. 3.4), der sich in den nächsten Jahren bewähren muss. Ein möglicher Schiffstransport auf den Flüssen ist bisher noch nicht diskutiert worden, sollte aber nicht aus dem Fokus genommen werden. Für LPG oder andere Chemikalien ist dieser Transportweg eine sehr wirtschaftliche Variante und sollte auch für LNG eine erfolgreiche Alternative sein. Das Standardtransportmittel wird in Mitteleuropa der Straßentransport sein. Diesem gilt das besondere Augenmerk. In Mitteleuropa haben Lkw ca. 20 t Nutzlast = 40 t Gesamtmasse, in Skandinavien fährt man mit 60  t Gesamtmasse, sodass wesentlich mehr transportiert werden kann. Die Nutzlast des Lkws wird durch die Bauart des Tanks bestimmt. Die raumsparende MLI-Isolierung kann mehr Volumen bei gleicher Nutzlast aufnehmen, als die traditionelle Perliteisolierung. Im Straßentransport wird mit Tankauf­ liegern, Tankwagen, Containern und Containerwechselbrücke transportiert. An der Verbesserung der Fahrzeugtanks, unabhängig davon ob Tankwagen oder Tankauflieger, wird ständig gearbeitet. Neuere Lkw-Tankauflieger für LNG erkennt man an größeren Tanks (siehe Abb. 3.5 und 3.6). Das größere Volumen resultiert aus der geringeren Dichte des LNG, die in etwa der Hälfte der Luftgase beträgt. Damit können die Tanks größer ausfallen. Begrenzt werden sie allein durch die maximal möglichen Maße, die der Straßentransport zulässt.

3.2  LNG-Transport zum Endkunden

37

Abb. 3.6  LNG-Tankwagenauflieger der Fa. Gofa. (Quelle: Gofa, Gocher Fahrzeugbau GmbH, Goch)

3.2.1 Der LNG-Straßentankwagen Der Straßentankwagen kann das Produkt bis zum Abblasen des Tanks mehrere Tage speichern. In der Regel hat der Tankwagen einen zulässigen Druck von 1,5–3  bar. Je nach Kundenwunsch kann der Tank für jeden höheren Druck ausgelegt werden, was jedoch zulasten des Transportvolumens geht. Denn ein höherer Druck setzt eine stärkere Wandstärke und damit höheres Gewicht des Tankaufliegers voraus. Durch Wankbewegungen und Schaukeln des Tanks, das ist bei einer Fahrt unvermeidlich, wird kinetische Energie in die Flüssigkeit eingetragen. Sie wird als Wärme im LNG gebunden. Der Druck steigt. Deshalb sollte der Tank möglichst zu 100 % gefüllt sein, sodass diese Bewegungen minimaler sind. Die eingebauten Schwallbleche sind zur Vermeidung des Schwappens im Tank vorgesehen. Ist der Tank nur zur Hälfte gefüllt, schwappt das LNG entsprechend der Beschleunigung, z. B. in Kurven oder beim starken Bremsen. Das Fahrzeug wird instabil, es könnte umkippen. Das wird  durch Schwallbleche vermieden. Mit einer Kreiselpumpe (siehe Abb. 3.7) wird das LNG in den örtlichen Tank gedrückt. Dabei muss, zusätzlich zur anstehenden Förderhöhe, der bestehende Tankdruck überwunden werden, der bis zu 18 bar betragen kann. Die Pumpen bauen dazu einen Druck von bis zu 38 bar auf und können so das LNG von oben fein zerstäubt in den Tank sprühen. Das dient der Mischkondensation (siehe Abb. 2.2).

38

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

Abb. 3.7 Hydraulisch betriebene Lkw-Pumpe für LNG der Sefco AG. (Quelle: Sefco AG, Schweiz)

Die Abgabe des Produktes durch den Straßentankwagen in den örtlichen Tank erfolgt über einen unisolierten Druckschlauch. Das Produkt passiert diesen nur für sehr kurze Zeit, sodass die eintretende Wärmeaufnahme unbedeutend ist. cc

Hinweis:  Generell muss mit einem geschlossenen Schlauchsystem gearbeitet werden, wie es in Abschn. 3.4 beschrieben wird.

Gaspendelleitungen, die bei LPG und anderen druckverflüssigten Gasen anzutreffen sind, sind für LNG unüblich und bergen erhebliche Gefahren für den Fahrzeugtank. Eine Gaspendelleitung hat zwar den großen Vorteil, dass die Pumpe zum Umfüllen wesentlich weniger elektrische Leitung bedarf, da sie nicht gegen den Tankdruck drücken muss. Bei der Gaspendelleitung kommt es zum Druckausgleich zwischen dem Tank des Fahrzeugs und dem örtlichen Tank. Genau dieses Prinzip birgt für die LNG-Betankung und alle anderen tiefkalt verflüssigten Gase eine große Gefahr: Die am örtlichen Tank vorhandenen Sicherheitsventile sind für die Belastung eines Druckausgleichs nicht gedacht. Diese Ventile sind ausschließlich für den Druckanstieg durch Wärmeeintrag ausgelegt, nicht aber zur Beherrschung eines regulären Prozesses vorgesehen. Der Tank könnte bersten. cc Begründung: Hat der zu betankende Tank beispielsweise einen herrschenden Betriebsdruck von 15 bar und ein größeres Volumen als das Tankfahrzeug (das ist die Regel), würde bei Druckausgleich Letzteres überlastet werden. Der Fahrzeugtank müsste mindestens dem Druck des örtlichen Tanks standhalten. Das setzt einen Tank mit einem höheren zugelassenen Druck voraus. Die reduzierte Transportmasse steht in keinem Verhältnis zur eingesparten Pumpenleistung Während der Abgabe des Produktes wird die Menge vor Ort gemessen. Dazu ist eine Messstelle für die Abgabe auf dem Fahrzeug installiert. In fast allen Fällen handelt es sich bei der Abgabe um ein kommerzielles Geschäft. Der Lieferant verkauft das LNG dem Kunden. Daher muss die Messeinrichtung eichfähig sein.

3.2  LNG-Transport zum Endkunden

41

Abb. 3.8  Massendurchflussmessgerät am Tankwagen. (Quelle: Flow Instruments, Monheim)

Die Fa. Flow Instruments bietet beispielsweise solche eichfähigen Module an (siehe Abb.  3.8). Es handelt sich um vollelektronische Einrichtungen, die neben der Menge ­weitere Daten ermitteln und auf einem Abrechnungsstreifen ausdrucken. Das Messer­ gebnis ist so für alle Beteiligten nachvollziehbar und dokumentiert. „FLOW-­ Durchflussmengenmessgeräte arbeiten nach dem Prinzip der Wirkdruckmessung, d. h. als Messwert wird der Druckabfall eines strömenden Mediums an einer Querschnittsverengung genutzt.“ (FLOW Instruments) Die Temperatur des LNG ändert sich zwischen 1 und 2 bar kaum und ist damit zwar von untergeordneter Bedeutung, trotzdem wird sie mit einem Temperaturfühler erfasst und das Messergebnis entsprechend korrigiert. Das heißt, die Massenmessung ist bei diesem System temperaturkorrigiert. Für innerbetriebliche Lieferungen, wenn also kein Handel stattfindet, ist eine geeichte Messung nicht erforderlich. Dort könnte die Temperatur vom Tankdruck abgeleitet werden. Zusammenfassung

Zum Transport sollte der Druck zulässige des Fahrzeugtanks so gering wie möglich sein, damit kann die zulässige Wandstärke minimiert werden Das reduziert die Masse des Tanks und das Transportvolumen kann erhöht werden. Druckanstieg ist nicht zu vermeiden. Ein zu 100 % gefüllter Tank verringert den durch Eintrag kinetischer Energie erfolgenden Druckanstieg. Die Abgabe an den Endkunden erfolgt über einen Schlauch. Die Menge wird über ein Durchflussmengenmessgerät ermittelt.

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

42

3.3

LNG-Betankung beim Endkunden

Durch den Lieferanten muss vor der Betankung beim Endkunden dessen Anlage geprüft werden. Dazu ist die Anlage in Augenschein zu nehmen. Unter anderem sind nachfolgende Prüfungen durchzuführen: • • • • • • • • • • •

Der Kunde ist zum Betrieb der Anlage berechtigt; die Prüfpapiere liegen vollständig vor; die gewerberechtliche Genehmigung ist vorhanden; der Abtankplatz kann mit dem geplanten Fahrzeug erreicht werden (Wendekreis); die Schutzabstände können eingehalten werden; der Bereich des Abtankens ist frei (kein Unrat oder Gegenstände, die nicht zur Tankanlage gehören); der Bereich kann gesperrt werden, ohne dass dabei der öffentliche oder innerbetriebliche Verkehr behindert wird; der Tank kann mit der verfügbaren Kupplung betankt werden; der Schlauch des Tankwagens hat die erforderliche Länge; der Abtankplatz wird während des Tankprozesses überwacht; ein Einmann-Arbeitsplatz erlaubt auch das Betanken während der Betriebsruhe.

Der Transporttank wird beim Kunden mit einer Kreiselpumpe in den stationären, vakuumisolierten Tank entleert. Dabei stellt sich die Frage, soll der Transportbehälter (Fahrzeugtank) oder der örtliche Behälter mit Pumpe und Mengenmessgerät ausgerüstet werden. In der Regel fährt ein Tankwagen täglich mehrere Tanks an, sodass jeder Tankwagen oder Tankcontainer mit Pumpe und dem entsprechenden Mengenmesssystem die komplexe Aufgabe der LNG-Abgabe erfüllen kann. Wird der Tank hingegen ständig von mehreren Tankwagen bedient, die nur allein diesen Tank versorgen, ist es angebracht, am stationären Tank die Pumpe mit Messanlage zu installieren. Dieser Fall ist jedoch die Ausnahme. Die Betankung  erfolgt mit einem geschlossenen Schlauchsystem. Der Schlauch, ein unisolierter Hochdruckschlauch wird auf dem Fahrzeug mitgeführt und ist während der Fahrt im Schlauchkasten sicher verstaut. Vor dem Beginn der Betankung muss beim Kunden der Gefahrenbereich gekennzeichnet und der Zutritt Unbefugter ausgeschlossen sein. Die Betankungstechnologie wird in den Abschn. 3.5, 3.6 und 3.7 ausführlich ­beschrieben. Praxishinweis

Vor der Betankung ist die Anlage beim Kunden zu prüfen. Der Transporttank auf dem Fahrzeug wird in der Regel mit einer Füllpumpe und der dazugehörenden Mengenmessein-

3.4  Geschlossenes und offenes Schlauchsystem

43

richtung ausgerüstet. Für LNG ist nur ein geschlossenes Schlauchsystem zulässig. Vor der Betankung des Kundentanks ist der Gefahrenbereich zu kennzeichnen und der Zutritt Unbefugter auszuschließen.

3.4

Geschlossenes und offenes Schlauchsystem

Die Verbindung vom Straßentankwagen zum örtlichen Tank wird mit einem Druckschlauch hergestellt. Für die Betankung unterscheidet man das geschlossene und das offene Schlauchsystem. Das offene Schlauchsystem‚ bei diesem dringt Luft zwangsläufig in den Schlauch ein, schreibt ein intensives Spülen mit Gas vor. Gas verdrängt die Luft aus dem Schlauch. Trotzdem wird der gewünschte Effekt nicht erreicht. Beim Spülvorgang wird mit dem kalten Gas des Tanks gespült. Schlagartig wird die Luft im Schlauch weit unter 0 °C gekühlt. Die Luftfeuchtigkeit fällt teilweise aus und kondensiert an der Schlauchwand. Am Ende der Spülleitung (Abb. 3.9) tritt das Spülgas aus. Dort bildet sich zwangsläufig ein strömungstechnischer Totraum und ein Teil der Verschmutzungen setzt sich dort durch die Trägheit der Masse ab. Wird nun das Spülventil geschlossen und das Tankventil geöffnet, werden die angesammelten Schmutzpartikel, wozu auch die Wasserkristalle gehören, in den Tank gespült (siehe Abb.  3.9). Dieser Effekt ist auch bei  größter Sorgfalt nicht zu vermeiden. Kupplung, Verbindung ausgeführt als Flansch oder Verschraubung

Tankventil Befüllleitung des Tanks

Totraum Schlauch des Tankfahrzeugs

Spülventil

Spülleitung Tankfahrzeug Schlauch mit Kupplung

zu befüllender Tank mit Kupplung

Abb. 3.9  Darstellung des sich bildenden Totraums vor der Kupplungshälfte

44

cc

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

Hinweis:  Es ist im Falle der Betankung mit LNG unzulässig, Erdgas zum Spülen frei in die Atmosphäre zu leiten (für Inertgase, wie Stickstoff oder Argon, die Bestandteil der Atmosphäre sind, ist dies hingegen üblich). Dieser Mangel kann nur durch ein geschlossenes Schlauchsystem kompensiert werden. Für das geschlossene System ist eine spezielle totraumlose Kupplung Voraussetzung (siehe Abschn.  10.2.2). Diese schließt aus, dass Luft und andere Verschmutzungen, auch in kleinsten Mengen, in das System eindringen können.

3.4.1 Das offene Schlauchsystem In alten Anlagen und im Ausland kann man noch häufig das offene Schlauchsystem bei der Betankung antreffen. Das offene Schlauchsystem ist durch einen einfachen, beidseitig offenen Schlauchanschluss gekennzeichnet. Der Schlauch hat als Anschlussende eine Flansch- oder Schraubverbindung. Das ist kostengünstig, hat aber bedeutende Nachteile und birgt vor allem Gefahren in sich. cc

Sicherheitshinweis: Die nachfolgend beschriebene Verfahrensweise ist aus ökologischen Gründen für LNG unzulässig!

Im Ruhezustand ist der Schlauch von der Pumpe und dem Tank getrennt. Er liegt während der Fahrt im Schlauchkasten des Fahrzeugs, sodass Luft zwangsläufig in den Schlauch eindringt. Dabei wird missachtet, dass LNG ein Produkt ist, welches den Schlauch auf ca. −161 °C abkühlt. Warme, mit Feuchtigkeit belastete Luft ersetzt das verdampfende Gas, was auch eventuell verschließende Staubkappen nicht verhindern. Die Feuchtigkeit der Luft kondensiert im Schlauch und gefriert zu Eiskristallen (siehe auch Abschn. 13.1) Vor der Betankung des nächsten örtlichen Tanks müssen die Staubkappen entfernt werden und der offene Schlauch wird an die Pumpe angeschlossen. Es erfolgt die Verbindung mit dem Tankanschluss des Tanks. Folglich muss Luft im Schlauch verbleiben. Gemäß der Vorschrift für Luftgase ist der Schlauch vor der Betankung zu spülen. Nach dieser Vorschrift wird auch mit LNG verfahren. Spülmedium ist das sehr kalte Gas aus dem Gasraum des Fahrzeugtanks. Dazu wird die Gasphase so geschaltet, dass sie durch die Pumpe des Tankfahrzeugs strömt. In der Folge wird der Spülstutzen am Tank (hinter der Tankkupplung) geöffnet. Das Einlassventil des Tanks ist geschlossen. Das Gas tritt über das Spülventil am Tank aus. Bei aller Sorgfalt des Spülens ist es unvermeidlich, dass das tiefkalte Gas aus dem Gasraum des Tankwagens die Luft im Schlauch schlagartig abkühlt und verdrängt. Es ist damit zu rechnen, dass Luftfeuchtigkeit auf der Schlauchinnenseite kondensiert und plötzlich zu Eiskristallen gefriert. Das Gas wird in die Umgebung abgeblasen und reißt eventuell feste Bestandteile mit. Aufgrund der Massenträgheit der Partikel wird

3.4  Geschlossenes und offenes Schlauchsystem

45

ein Teil der Partikel in den Totraum des Rohrabschnitts hinter dem Spülstutzen getragen und verbleibt dort. Es wird nur die Luft gegen das Gas ausgetauscht (siehe Abb. 3.9). Mit beginnender Betankung werden beim Umschalten auf Flüssigphase gedacht in den Tank gespült und verschmutzen so den lokalen Tank. Mit der Anzahl der Betankungen nimmt die Konzentration der Kristalle im Tank zu. Sie werden mit dem LNG in die nachgeschalteten Bauteile (Pumpe, Verdampfer, Druckminderer usw.) gespült, gehen dort bei Wärmezufuhr in die Flüssigphase über und rufen bei einigen Prozessen Störungen hervor, z.  B. bei Kryopumpen (siehe Abschn.  5.2.2 und  13.5) oder Ventilen, insbesondere bei Rückschlagventilen. Einer Verschmutzung im Tank begegnet man durch Reinigung desselben. cc

Hinweis:  Reinigung des Tanks erfolgt, indem aus dem fast leeren Tank über die Flüssigentnahmeleitung Flüssigprodukt abgeblasen wird. Das flüssige Gas strömt mit Tankdruck ab und nimmt dabei die Eiskristalle und weitere Verschmutzungen mit.

Der Tank ist danach zwar wieder sauber, aber der Prozess der erneuten Verschmutzung beginnt von Neuem. Dieses Prozedere ist nicht sehr wirtschaftlich und nur bei Luftgasen aus ökologischer Sicht vertretbar. cc

Hinweis:  Für umweltschädigende (LNG) oder giftige Gase ist die Vorgehensweise nicht zulässig. Das ist einer der Gründe, weshalb für LNG zwingend das geschlossene Schlauchsystem anzuwenden ist.

Ein weiteres Problem ist die Ansammlung von Luft im Gasraum des Tanks. Wird nicht ordnungsgemäß gespült, verbleibt Luft im Schlauch und mit Beginn des Pumpprozesses wird die Luft in den Gasraum des Tanks gedrückt. Diese Luft kann nicht kondensieren und reichert sich in der Folge im Tank an. Es ist davon auszugehen, dass sehr wahrscheinlich eine Schichtung eintritt. cc

Hinweis:  Rechnerisch ist nicht unbedingt zu erwarten, dass sich ein explosives und damit ein zündfähiges Gemisch im Tank bilden kann. Durch die mögliche Schichtung der Gase im Tank könnten sich sehr wohl explosive Methan-Luft-­ Gemische bilden.

Bei unvorsichtigem Trennen der Kupplung ist Austreten von LNG möglich. Der Arbeitsplatz muss wegen seines Gefahrenpotenzials zwingend von einer 2. Person überwacht bzw. begleitet werden. Die Flüssigkeit stellt eine erhebliche Unfallgefahr dar, denn sie verursacht bei Hautkontakt Kältebrand. Aus Sicherheitsgründen ist deshalb die entsprechende Arbeitsschutzbekleidung vorgeschrieben.

46

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden Praxishinweis

Das offene Schlauchsystem ist für die LNG-Betankung unzulässig. Die Verbindung des Schlauchs mit dem Tank erfolgt meistens mit einer Verschraubung oder mittels Flansch. Die Vorschrift schreibt für Luftgase beim offenen Schlauchsystem ein Spülen vor der Betankung vor. Das ist bei LNG verboten. Bei Verwendung des offenen Schlauchsystems gelangen neben Luft weitere Verschmutzungen in den Tank sowie Erdgas in die Atmosphäre. Luft kann nicht im Gasraum des Erdgastanks kondensieren. Ein explosives Luft-Gas-Gemisch kann sich im Tank bilden. Erdgas tritt mit der Trennung des Schlauchs unkontrolliert in die Umgebung aus. Eine Betankung ist grundsätzlich nur unter Aufsicht einer 2. Person zulässig.

3.4.2 Das geschlossene Schlauchsystem Das geschlossene Schlauchprinzip setzt eine spezielle Kupplung voraus. Wegen fehlender Möglichkeiten werden oftmals Kugelhähne oder ähnliche Konstruktionen eingesetzt, die bei aller Sorgfalt der Ausführung, konstruktiv bedingt Hohlräume haben. Wird die Kupplung geschlossen, verbleiben in diesen Hohlräumen einige Kubikzentimeter Luft. Diese Luft wird zwangsläufig in den Gasraum des Tanks gespült und sammelt sich dort an. Es muss bei Anwendungen solcher Kupplungen unbedingt geprüft werden, wie viel Luft durch eine Vielzahl von Betankungen in den Gasraum des Tanks gelangen könnte. Daraus lässt sich ableiten, wann sich rechnerisch ein explosives Gemisch gebildet haben könnte. Zu beachten ist: • • • •

Die Luft kann aus physikalischen Gründen nicht kondensieren; die Luftanteile können nur über die Entnahme der Gasphase minimiert werden; die Luft verteilt/verdünnt sich nicht gleichmäßig im Gasraum; durch Schichtung der Gase können sich Zonen mit zündfähigen Konzentrationen bilden.

Insbesondere Letzteres ist unbedingt zu verhindern. Wenn die Gasphase im Tank ständig oder zyklisch einer direkten Verbrennung (thermisch oder katalytisch) zugeführt ­werden kann, wird der Austausch vergrößert und man darf annehmen, dass sich dadurch kein explosives Gemisch bildet. Das trifft für Gasbrenner oder für die Gasmotoren (z. B. KWK-Anlagen) zu. Erfahrungen dazu sind bisher nicht bekannt. Eine einfache Entlastung in die Umgebung ist verboten. Bei ausschließlicher Flüssigentnahme ist von der beschriebenen Gefahr der Bildung explosiver Gemische auszugehen. Das geschlossene, totraumlose Schlauchsystem setzt eine totraumlose Kupplung (z. B. FUHEKA-Kupplung; siehe: [2]) für Hochdruck voraus. Der Schlauch wird beim Trennen vom Fahrzeugtank nicht mehr geöffnet, beim Zusammenführen der Kupplungshälften bilden sich keine Hohlräume. Luft kann nicht eingeschlossen werden und somit auch nicht in den Gasraum des Tanks gelangen. Die Kupplung ist auf der Tankseite, wie

3.5  Betanken von oben

47

auf der Schlauchseite, technisch gasdicht. Im Schlauch verbleibt nach dem Abtankvorgang eine Restflüssigkeit. Sie verdampft nach dem Pumpprozess und strömt zurück in den Tank. Der Schlauch steht zum Schluss unter Gasdruck des Tanks. Das setzt am Tankfahrzeug allerdings eine Schaltung voraus, die das Gas sicher in den Gasraum abführen kann. Der Druckausgleich zwischen Tank und Schlauch muss möglich sein. Die schlauchseitige Hälfte der totraumlosen Kupplung wird in Ruheposition gegen Beschädigung oder ­Verschmutzung mit einer Kappe verschlossen (siehe auch 10.2.2). Der Tankanschluss selbst hat eine fest installierte Abdeckung. Eine totraumlose Kupplung hat generell den Vorteil, dass das kostspielige Spülen entfällt, denn der Schlauch, fest verbunden mit der Pumpe, wird nur noch kaltgefahren. Dieses verbliebene Gas strömt in den zu betankenden Tank und wird bei der nachfolgenden Mischkondensation, eingeleitet durch die Betankung, kondensiert. Nach Betankungsende wird der Schlauch vom örtlichen Tank getrennt und am Fahrzeug sicher verstaut. Hinweis:  Die totraumlose Kupplung ist auch im getrennten Zustand absolut gas- und flüssigkeitsdicht. Die dichtenden Kegel gehen vor der Trennung zwangsläufig in ihre Ausgangsstellung zurück. Dadurch ist ein Einmann-­ Arbeitsplatz ausweisbar [4].

cc

Auf dem Markt existieren Kupplungen, die diese Bedingungen erfüllen und fast vollautomatisch arbeiten. Ein Austreten von Restflüssigkeit nach der Betankung ist damit ausgeschlossen. Folglich ist die Unfallgefahr auf ein Minimum reduziert. Praxishinweis

Das geschlossene Schlauchsystem setzt totraumlose Kupplungen voraus. Bei bestehenden Kupplungen mit Totraum ist davon auszugehen, dass Luft in das System gelangt. Luft kann nicht von LNG kondensiert werden und kann daher ein explosives Luft-Gas-­ Gemisch bilden. Dem kann nur durch häufige Gasentnahme aus dem Gasraum des Tanks begegnet werden. Für Anlagen mit 100 % Flüssigentnahme ist die sicherheits­ technisch erforderliche Gasentnahme nicht möglich. Das Spülen des Gasraums könnte nur durch Verbrennung ermöglicht werden. Das totraumlose, dicht schließende Kupplungssystem schließt diese Gefahren aus. Schmutz und Luft können nicht in das System eindringen. Es erfüllt die Anforderungen eines Einmann-Arbeitsplatzes.

3.5

Betanken von oben

Der Standardprozess für die LNG-Tankbefüllung ist das Betanken von oben. Ist im Tank nur noch eine Restmenge vorhanden, muss erneut betankt werden. Der Restinhalt hatte sich während der zurückliegenden Zeit erwärmt und damit ist der Druck im Tank gestiegen.

48

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

Abb. 3.10 Betankung von oben

Dabei handelt es sich um den Gleichgewichtsdruck, wie in Abschn. 2.2 beschrieben. Dieser Druck muss abgesenkt werden, weil ansonsten eine erneute Betankung ohne Überschreitung des zulässigen Betriebsdrucks nicht möglich wäre. Durch eine Betankung von oben wird der Effekt der Mischkondensation zum Absenken des Tankdrucks genutzt. Im obersten Teil des Tanks wird über einen Verteiler, der ein Düsenkopf, ein Prallteller oder ein anderer Einbau zum Versprühen des LNG sein kann, das Produkt von oben zugeführt (siehe Abb. 3.10). Die Füllleitung der oberen Befüllung wird bis in den Gasraum des Tanks geführt. Dort tritt aus dem Rohr über die genannten Einbauten die Flüssigkeit mit hohem Druck (Pumpendruck) aus. Ziel ist es, den Flüssigkeitsstrahl möglichst fein zu zerstäuben, damit sich die Flüssigkeit als feinste Tröpfchen im Gas verteilen kann (siehe Abschn. 2.2). Der Schlauch des Tankwagens hat eine mit ihm fest verbundene Kupplung. Diese Kupplungshälfte wird an die des Tanks angeschlossen. Der Tankprozess beginnt mit dem Kaltfahren der Pumpe. LNG wird im Kreis durch die Pumpe gedrückt, bis diese die Temperatur des LNG erreicht. Nun werden die Kupplung und das Ventil des Schlauchanschlusses geöffnet  – ein Spülen des Schlauchs ist nicht notwendig. Der Schlauch wird sofort mit Flüssigkeit beaufschlagt, wobei der erste Teil verdampft. Der Kupplung und den angeschlossenen Bauteilen (Schlauch, Rohrleitung, Armaturen) wird die Wärme entzogen. Das führt zur Verdampfung des LNG. Das System ist geschlossen. Die entstandene

3.5  Betanken von oben

49

Gasphase steigt in den Gasraum des Tanks auf. Folglich steigt der Druck, das Produkt im Tank verlässt das thermodynamische Gleichgewicht, denn der Gasdruck ist höher als der der Siedetemperatur zuzuordnende Druck. Das flüssige Produkt, LNG, wird mit Siedetemperatur und einem Siededruck von ca. 1–1,5 bar in den Tank gesprüht. Die feinen Tropfen bilden einen Flüssigkeitsschleier, durch den das wärmere Gas mit dem Ansteigen der Flüssigkeit gedrückt wird. Es wird gekühlt. Der Wärmeübergang findet an der Oberfläche der kalten Tropfen statt. Im Schleier kondensiert das Gas zu einem Tropfen, dadurch wird der Gasanteil verringert, folglich muss der Druck fallen. Der kalte Tropfen fällt in die bereits vorhandene Flüssigkeit. Er hat in etwa die Temperatur des Flüssigkeitsschleiers angenommen, nämlich eine Temperatur nahe der Siedetemperatur von 2 bar. Durch die einsetzende Mischkondensation stellt sich das Gleichgewicht während einer Betankung von oben wieder ein. Die zugeführte, kalte Masse aus dem Tankfahrzeug ist wesentlich größer als die vorhandene warme Restmasse, die im Tank vorhanden war. Eine weitere Wärmequelle ist der Tankkorpus selbst, dessen Temperatur von der höheren Siedetemperatur auf die geringere mit der zugeführten Flüssigkeit abgesenkt werden muss. Die Mischtemperatur liegt bei dem thermodynamischen Gleichgewicht zwischen 2  bar und 8  bar und wird von den Massenverhältnissen bestimmt, erfahrungsgemäß näher an der Temperatur der zugeführten Flüssigkeit. Der Tankdruck wurde durch das sinkende thermodynamische Gleichgewicht abgesenkt. cc

Hinweis:  Dem System wird weder Wärme zu- noch abgeführt. Die Summe der Energie im Tank, d. h. der Wärmeinhalt des Gases, der Restflüssigkeit und der zugeführten Flüssigkeit ist konstant. Der Druck stellt sich auf der Isobare unterhalb des kritischen Punktes ein.

Mit dem Ablesen des Drucks am Manometer kann man die Temperatur im Ts-­Diagramm bestimmen. Man kann aus dem Anfangszustand vor der Betankung (leerer Tank) und der zugeführten Masse am Ende der Betankung die mittlere Temperatur und den herrschenden Druck näherungsweise ermitteln. Ein genauer Wert ist auf einfache Weise nicht zu ermitteln, da die Masse des inneren Behälters abgekühlt werden muss. Diese ist in der Regel nicht bekannt. Zusammenfassung

Während der Betankung von oben sinkt der Gasdruck durch Mischkondensation im Tank. In der Flüssigphase und im Gas stellt sich eine Mischtemperatur ein. Bei Beendigung der Betankung darf davon ausgegangen werden, dass der Tank im thermodyna-

50

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

mischen Gleichgewicht steht, d. h., die Temperatur und der Gasdruck entsprechen den Parametern der Isobare unterhalb des kritischen Punktes. Der Gasdruck, angezeigt auf dem Manometer, erlaubt den Rückschluss, wo die Temperatur in etwa liegt.

3.6

Betanken von unten

Die Füllleitung der unteren Befüllung endet im Sumpf des Tanks (siehe Abb. 3.11). Die zugeführte Flüssigkeit wird durch die Vermischung von vorhandenem, warmen Restprodukt und frischem, kalten Produkt abgekühlt. Der Füllstand steigt während der Betankung an und damit auch, im Gegensatz zur Betankung von oben, der Gasdruck. Ein Energieaustausch zwischen Gasraum und Flüssigkeit findet zwar statt, nur benötigt dieser eine relativ lange Zeit. Aufgrund des schnellen Anstiegs der Flüssigkeit, die Pumpe fördert je nach Leistung und Gegendruck zwischen 20 und 40 m3/h, steht diese Zeit nicht zur Verfügung, das Gasraumvolumen verringert sich. Der Druck steigt an und der Gasdruck entspricht nicht wie bei der Befüllung von oben dem Gleichgewichtsdruck.

Abb. 3.11 Befüllung von unten

Gas wird komprimiert

Gas

untere Füllleitung

3.7  Das Betanken bei Aufrechterhaltung des Prozessdrucks

51

Hinweis:  Bei der unteren Befüllung ist der Gasdruck des Tanks genau zu beobachten. Hatte der Tank zu Beginn der Befüllung beispielsweise einen Druck von 12 bar, so muss nun darauf geachtet werden, dass mit zunehmenden Füllstand der zulässige Tankdruck nicht erreicht wird. In dem Fall würde die vorgeschriebene Sicherheitsarmatur MG 97 (eingestellter Druck 17,5  bar) schließen. Der Tank könnte nicht weiter gefüllt werden.

cc

Um einer Drucküberschreitung zu begegnen, muss zwischen unterer und oberer Befüllung gewechselt werden. Eine vollständige Befüllung von unten ist nie möglich, denn der Tankdruck steigt auch bei einem sehr geringen Anfangsdruck sehr schnell auf den zulässigen Höchstwert an. Bei einem Anfangsdruck von nur 5 bar steigt der Druck nach dem Verdrängen der 1. Hälfte des Gasraumes auf 10 bar an. Würde weiter betankt, würden mit weiterer Verdrängung der 2.Hälfte 20 bar erreicht. Das ist durch die installierten Sicherheitseinrichtungen nicht möglich, denn diese schließen in der Regel vorher, je nach Einstellung bei z. B. 17,5 bar. Abhilfe kann in diesem Szenario ausschließlich der Wechsel von unterer auf obere Befüllung oder Entspannung der Gasphase schaffen. Zur Aufrechterhaltung des angeschlossenen Produktionsprozesses oder einer Turbine wird oftmals ein konstanter Ausgangsdruck am Tank gefordert. Würde man einen solchen Tank allein von oben befüllen, würde der Druck unzulässig weit abfallen. Daher muss in diesen Fällen der Tankwagenfahrer, der die Befüllung durchführt, zwischen unterer und oberer Befüllung wechseln. Das ist relativ einfach, es wird einmal das Ventil der unteren und einmal das der oberen Befüllung geöffnet. Das verlangt aber trotzdem die volle Aufmerksamkeit des bedienenden Personals. Praxishinweis

Wird ein Tank von unten befüllt, steigt der Gasdruck im Tank, da die zugeführte Flüssigkeit das Gasvolumen verkleinert. Um den Tank zu 100  % zu füllen, muss immer zwischen unterer und oberer Befüllung gewechselt werden oder aber es muss Gas abgelassen werden. Der Tank steht nach Beendigung der Betankung nicht im thermodynamischen Gleichgewicht.

3.7

Das Betanken bei Aufrechterhaltung des Prozessdrucks

In einem anderen Fall muss (vgl. Abschn. 3.6) ein bestimmter Gasdruck, d. h. Arbeitsdruck, während der Betankung gehalten werden. Zum Beispiel müssen für einen Prozess (Gasturbine) ständig 5 bar verfügbar sein. Dazu wird ein 18 bar-Tank abwechselnd von unten und oben betankt. Der Druck kann so auf gewünschtem Niveau gehalten werden. Voraussetzung hierfür ist, dass der Druck am Manometer genau beobachtet wird.

52

cc

3  LNG – von der Quelle zum Endkunden

Hinweis:  Durch eine Befüllung von oben sinkt der Gasdruck durch die zuvor beschriebene Mischkondensation. Der Gasdruck wird bei einer Betankung von oben auf den gewünschten Wert abgesenkt. Bei der Befüllung von unten steigt der Gasdruck.

Der Druck kann durch Wechsel von unterer auf obere Befüllung für den angeschlossenen Prozess während der Betankung aufrechterhalten werden. Der Prozess kann planmäßig, ununterbrochen weiterlaufen. In der Folge hält der Druckzusatzverdampfer den Tankdruck auf dem gewünschten Druckniveau. Praxishinweis

Vor Erreichen des zulässigen Tankdrucks muss die Betankung von unterer auf obere Betankung umgeschaltet werden. Der Prozess ist am Tankmanometer genau zu verfolgen. Bei Erreichen des unteren Druckwertes durch obere Befüllung muss wieder auf die untere umgeschaltet werden.

Literatur 1. https://de.wikipedia.org/wiki/Multilayer_Insulation 2. EU-Patent Nr.: 12 816 427.44 3. www.umweltinnovationsprogramm.de/sites/default/files/benutzer/36/dokumente/151110_ab_ vtg_kesselwagen_kl_final.pdf LNG- Kesselwagen von Chart Ferox Decin 4. Arbeitsschutzgesetz – (ArbSchG) § 5 Beurteilung der Arbeitsbedingungen

4

Betriebsführung

LNG wird, ebenso wie Öl und LPG, in Tanks gespeichert und bedarfsabhängig abgerufen, allerdings sind die Tanks für LNG vakuumisoliert. Der Abruf kann ständig erfolgen, auch mit kleineren oder größeren Pausen. Da es keine genaue Definition einer diskontinuierlichen Betriebsführung gibt, soll angenommen werden, dass jede Unterbrechung der LNG-Entnahme von länger als 12 h diskontinuierlich sein soll.

4.1

Die kontinuierliche Betriebsführung

Bei der kontinuierlichen Betriebsführung wird ständig Produkt abgenommen, mal mehr oder weniger, eventuell ruht auch über wenige Stunden die Entnahme. Es muss also nicht ständig eine gleichmäßige Entnahme erfolgen. Wichtig ist die durchgehende Lieferbereitschaft. Eine Kraft-Wärme-Kopplung ist dafür ein gutes Beispiel. Diese muss kontinuierlich, aber schwankend, bezüglich Leistung, Strom liefern. Mit den Stromschwankungen ändern sich auch die LNG-Entnahmemengen. Zu ausgewählten Tageszeiten könnte der Strombedarf auf null zurück gehen. Damit ruht die Entnahme. cc

Hinweis: Die bei der Stromerzeugung zwangsläufig anfallende Wärme wird stets auf einen Speicher gefahren, dem sie bedarfsgerecht entnommen wird. Stromerzeugung dient primär einem anderen Zweck, weshalb die Wärmeabgabe aus dem Prozess fluktuieren kann. Daher gleicht der Speicher die Lieferschwankungen der Wärme aus und ist meistens in einen Heizkreislauf eingebunden, der von einem Brenner unterstützt wird. Obwohl bei der Stromerzeugung Unterbrechungen zu erwarten sind, spricht man von einer kontinuierlichen Betriebsführung.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_4

53

54

4 Betriebsführung

Für die Versorgung von Anlagen mit kontinuierlicher Betriebsführung ist ein möglichst großer Tank zu installieren. Er sollte wenigstens das Volumen des Tankwagens aufnehmen können. Damit verringern sich die spezifischen Transportkosten, denn das Anfahren des Tanks wird bei fast allen LNG-Lieferanten mit einem Festpreis verrechnet. Die Abgabe aus dem Tank an den Verbraucher, den Gasmotor, erfolgt entweder gasförmig oder flüssig. Eine gasförmige Entnahme erfolgt aus dem Gasraum des Tanks, eine Flüssigentnahme aus der Flüssigphase. In beiden Fällen passiert die Phase den nachgeschalteten Luftverdampfer, wobei die Flüssigphase verdampft, die Gasphase in etwa auf Umgebungstemperatur erwärmt wird. Ein doppelt wirkender Druckregler, wie er u. a. von der Fa. Herose angeboten wird (siehe Abb. 8.3), gibt automatisch die jeweiligen Wege frei. Es ist vorteilhaft, nach dem Luftverdampfer einen weiteren Druckregler zu installieren, der dem Verbraucher den genau gewünschten Druck anbietet, denn dem Gasmotor wird immer die Gasphase zugeführt. Verschiedene Gasmotoren verlangen einen Gasdruck in sehr engen Grenzen. Diese Gasdruckregler werden mit einer integrierten Sicherheitsabsperrarmatur (siehe Abschn. 9.4) u. a. der Fa. Medenus ausgestattet. Zusammenfassung

Die kontinuierliche Betriebsführung zeichnet sich durch eine ständige Lieferbereitschaft aus, setzt aber keine kontinuierliche Gasentnahme voraus. Bei der Entnahme werden die Schwankungen der Wärmeerzeugung, hervorgerufen durch den bedarfsabhängigen Strombedarf, mit einem Speicher ausgeglichen. Ein möglichst großer Tank sollte installiert werden. Gasmotoren müssen eventuell gegen Über- oder Unterdruck gesondert abgesichert werden.

4.2

Die diskontinuierliche Betriebsführung

Die diskontinuierliche Betriebsführung wird in der Wärmeversorgung (im Sommer braucht man keine oder wenig Wärme) verstärkt an Bedeutung gewinnen. Die Prozesssteuerung ist an diese Anforderungen anzupassen. Man steuert die Entnahme über den Gasdruck im Tank. Bei einem entsprechend hohen Druck wird das Gas der Gasphase entnommen. cc

Hinweis:  Bei Gasentnahme fällt bei Siededruck im Gasraum der Gasdruck nicht proportional, denn die Flüssigkeit und die Gasphase streben immer das thermodynamische Gleichgewicht an. Durch die Entnahme aus der Gasphase sinken bei herrschendem Siededruck Gasdruck und Temperatur der Flüssigkeit. Dies verläuft durch sofort einsetzende Verdampfung relativ langsam. Das thermodynamische Gleichgewicht wird während der Entnahme gestört (siehe ­Abschn. 2.1).

Zum Kühlen der Flüssigkeit oder zur Druckabsenkung im Tank ist das die richtige Methode. Es wirkt die adiabate Kühlung. Durch die Abkühlung kann die Flüssigkeit län-

4.2  Die diskontinuierliche Betriebsführung

55

ger gespeichert werden, da der zulässige Betriebsdruck nicht so schnell erreicht wird. Auf diesem Effekt beruhen alle adiabaten Kühlprozesse, im Kleinen im Tank vor Ort, wie auch im Großen im Tank des Transportschiffes oder im atmosphärischen Tank des Hubs. Bei einem 18 bar-Tank wird der Gasdruckregler beispielsweise auf 12 bar eingestellt. Das Gas wird generell der Gasphase entnommen. Das Gas hat Siedetemperatur. Dieses kalte Gas könnte Anlagenstörungen zur Folge haben. Um Störungen zu vermeiden, strömt das Gas zur Erwärmung durch den Luftverdampfer zum Verbraucher. Hat der Druck im Tank 12 bar erreicht, schließt langsam der Gasdruckregler des Druckzusatzverdampfers. Fällt der Gasdruck wieder unter 12  bar, öffnet der Druckregler am Druckzusatzverdampfer und Flüssigkeit kann in diesen fließen. Diese verdampft dort und das Gas wird in den Gasraum des Tanks geleitet. Der Druck im Gasraum steigt. Eine weitere Möglichkeit bietet die Entnahme der Flüssigkeit. Sie wird mit dem Gasdruck – im Beispiel 12 bar – in den Luftverdampfer gedrückt und dort regasifiziert. Dieses Gas strömt mit 12 bar Tankdruck aus dem Luftverdampfer und hat fast Umgebungstemperatur. Anlagenstörungen sind bei diesen Gastemperaturen nicht zu erwarten. Sollte eine höhere Gastemperatur gefordert sein, die sich nicht durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung einstellen kann, ist zwingend ein Gasnachwärmer (auch Gasvorwärmer genannt), vorzusehen. Dieser erwärmt das Gas auf die geforderten Betriebsparameter (siehe Abschn. 8.5). Bei entsprechend hohem Druck wird das Gas der Gasphase entnommen. cc

Hinweis:  Mit Entnahme des Gases fällt der Druck im Gasraum nicht proportional, denn die Flüssigkeit und die Gasphase streben immer das thermodynamische Gleichgewicht an. Durch die Entnahme aus der Gasphase bei Siededruck sinken Gasdruck und Temperatur der Flüssigkeit. Dies verläuft relativ langsam. Das thermodynamische Gleichgewicht wird während der Entnahme gestört, und stellt sich ständig durch die stattfindende Verdampfung wieder ein.

Mit einer überschlägigen Berechnung kann man den Druckanstieg und damit die mögliche Lagerzeit abschätzen. Geht man von einem Tankdruck von 8 bar aus, einem zulässigen Betriebsdruck von 18 bar und einer ausbleibenden Entnahme, so kann das Produkt bei einem täglichen Anstieg von 0,3 bar ca. 30 Tage bis zum Abblasen gelagert werden. Zu beachten ist dabei jedoch, dass nicht nur der Druck steigt, sondern dass sich auch die Dichte verringert. Das hat zur Folge, dass ohne Entnahme der Füllstand steigt. cc

Hinweis:  Ist der Tank noch vergleichsweise voll und bleibt die Entnahme aus, dehnt sich die Flüssigkeit aus und wird im ungünstigsten Fall in einige Messleitungen der Gasphase und in die Anschlussleitung des ­Sicherheitsventils gedrückt. Die Leitungen und das Sicherheitsventil vereisen, die Anzeige am Füllstandmesser fällt aus. Der Tank ist damit außer Kontrolle.

56

4 Betriebsführung

Ein Vereisen sicherheitsrelevanter Teile sollte unter allen Umständen vermieden werden, ist aber bei der Auswahl des Sicherheitsventils zu berücksichtigen. Daher muss das Sicherheitsventil immer für diesen Zustand zugelassen sein. Drückt Flüssigkeit in die Leitungen, ist der Tank überfüllt. Ein solcher regelwidriger Zustand muss beseitigt werden. Der Tank muss abgelassen werden, das bedeutet, der Verbraucher muss Produkt ziehen. Dieser kritische Zustand wird mit der Überlaufsicherung, wie in Abschn. 9.5 ff., vermieden. Kommt diese Schaltung zur Anwendung, wird immer Gas entwickelt, das prozessgerecht über das Prozessüberdruckventil, und wenn dieses nicht vorhanden ist, über das Sicherheitsventil abgeblasen. Flüssigkeit kann niemals in die Messleitungen oder die Sicherheitsventilleitung gelangen. Damit kann auch keine Füllstandsanzeige ausfallen. Diese Schaltung ist nicht im aktuellen Regelwerk berücksichtigt.  Praxishinweis

Im Falle einer diskontinuierlichen Betriebsführung kann es zu längeren Anlagenstillständen kommen. Folglich kann die Isobare unterhalb des kritischen Punktes durch die eindringende Wärme steigen. Diese wird durch Entnahme durch den Verbraucher aus der Gasphase abgesenkt. Bei ausbleibender Entnahme schafft nur die Überfüllsicherung Abhilfe. Die Lagerzeit kann mit einer Abschätzung ermittelt werden.

5

LNG-Anwendungen

LNG wird generell als Energieträger für Wärme, Strom und Kälte eingesetzt und neuerdings als Kraftstoff verwendet. In Deutschland kann LNG wegen der hohen ökologischen Akzeptanz, dem relativ einfachen Umgang, der lokalen Unabhängigkeit und des hohen Heizwertes zu einem bedeutenden Energieträger werden. Diese Tendenz wird durch die Nutzung der möglichen, energetischen Kombination von Wärme, Strom und Kälte unterstützt. Eine solche Kombination erlaubt einzig und allein LNG. Die spezifischen Energiekosten des Endkunden können bei entsprechender Verbrauchsstruktur von Wärme, Strom und Kälte unter den Einkaufspreis des Gases fallen. Ein Beispiel demonstriert dies: Einkaufspreis für LNG:  + Energiesteuer  + Transport- u. Logistikkosten  + Anlagenkosten/Kap.-dienst  + Terminalkosten Preis, gesamt

2,5 Cent/KWh = 0,25 €/m3 0,5 Cent/KWh 0,7 Cent/KWh 0,1 Cent/KWh 0,15 Cent/KWh 3,95 Cent/KWh = 0,385 €/m3

Aus 1  m3 Erdgas, dieser beinhaltet ca. 10  KWh, können bei einer Kraft-Wärme-­ Kopplung (KWK) gewonnen werden: ca. 4 KWh Strom ca. 6 KWh Wärme

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_5

57

58

5 LNG-Anwendungen

Verkaufspreis der Energie

 Strom 0,20 €/KWh  Wärme 0,07 €/KWh  Erlös, gesamt  Einstandkosten  Gewinn −20 % Betriebs-, Kapitalkosten und sonstiger Kosten  Nettoergebnis

ca. 0,80 €/KWh/m3 ca. 0,42 €/KWh/m3 1,22 €/KWh/m3 −0,385 €/KWh 0,835 €/KWh −0,167 €/KWh 0,688 €/KWh

Dem Erlös von ca. 1,22 €/m3 sind die Transport-, Betriebs- und Wartungskosten und der Kapitaldienst der Anlage, in Summe geschätzt 20 %, abzuziehen. Trotz Berücksichtigung dieser weiteren Kosten ist ein Gewinn je Energieeinheit zu erwarten. Dieses mögliche Ergebnis ist bei jedem LNG-Einsatz zur Diskussion zu stellen. Um LNG in einer KWK-Kopplung zu verbrennen, muss aus dem flüssigen LNG das gasförmige CNG hergestellt werden. Das erfolgt durch Wärmezufuhr. Die Verdampfungswärme des LNG kann zur Kühlung genutzt werden (siehe [1]). Diese Möglichkeit wird im Abschn.  5.1.3, Funktionsprinzip Modul 3 detailliert dargestellt. Eine Kälteauskopplung bei der Verdampfung des LNG zu CNG wird derzeit technisch selten umgesetzt. Über die Gründe kann nur spekuliert werden. In jedem Fall kann diese Kälte einen Kältekreislauf unterstützend und kostensenkend beeinflussen. Im Rahmen der Energiewende werden Kernkraftwerke und künftig auch Kohlekraftwerke (siehe [7]) stillgelegt. Nachfolgende Grafik, Abb. 5.1 zeigt die Energieerzeugung von 2017 und 2018. Im Jahr 2017 wurden 611,8 Mrd. KWh Strom produziert, der Anteil aus Kernenergie betrug 11,8 %, was 72,2 Mrd. KWh entspricht. Künftig soll diese Menge durch alternative Quellen kompensiert werden. Dem steht eine Windstromerzeugung im Jahr 2017  in Deutschland von 104 TWh = 104 Mrd. KWh Strom gegenüber (siehe [2]), anscheinend mehr als gebraucht wurde. Leider wurde dieser Strom nicht bedarfsgerecht, sondern volatil bereitgestellt. In Zukunft wird die Verstromung der Kohle zurückgefahren. Das sind nochmals 36,3 % der Erzeugung, also 222 Mrd. KWh. Geht man davon aus, dass nur die Hälfte der Kapazitäten stillgelegt werden, müssen immer noch 111 Mrd. KWh mit alternativen Möglichkeiten kompensiert werden. Voraussetzung für eine bedarfsgerechte Nutzung des Stroms aus Windkraft und Fotovoltaik sind Stromspeicher. In Deutschland fehlen jedoch die Speicherkapazitäten (siehe [3]). In der Literatur wird ausgeführt, dass gerade 40 Mio. KWh bei einer Leistung von 11.025 MW verfügbar sind. Die vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke können nur einen minimalen Anteil der Windkraft speichern. Neubauten sind geologisch kaum machbar. Das Konzept des Ringwallspeichers (siehe [4]), an fast jeden Tagebau adaptierbar, wird kaum beachtet, sodass sich der Schluss aufdrängt, bei bestehendem Energiebedarf in Deutschland ist eine bedarfsgerechte und sichere Versorgung mit erneuerbaren Energien flächendeckend nur schwer möglich. Das bedeutet nicht, dass für kleine Netze Lösungen erfolgreich umgesetzt wurden. Einige Projekte weisen hervorragende Ergebnisse aus (siehe [6]). Leider wird voreilig und

5 LNG-Anwendungen

59

Abb. 5.1  Struktur der Energieerzeugung in Deutschland 2017 und 2018. (Quelle: [5])

unwissenschaftlich aus diesen Erkenntnissen auf eine breit angelegte Lösung geschlossen. Die Problematik ist lösbar, aber sehr komplex. Die alternativen Energiequellen liefern absolut unplanmäßig/volatil ihre Energie, sodass entweder die Versorgungsqualität eingeschränkt werden müsste – das ist nicht vermittelbar – oder es müssen im großen Maßstab konventionelle, kalorische Energieerzeugungskapazitäten parallel zu Wind- und Photovoltaikanlagen geschaffen und vorgehalten werden. Diese müssen augenblicklich auf die ausfallende Windenergie und/oder fehlende Sonneneinstrahlung reagieren. Dazu sind ausschließlich Gas- und Wasserkraftwerke in der Lage. Wasserkraftwerke sind, wie bereits erwähnt, aufgrund der geologischen Erfordernisse nur bedingt machbar, sodass sich als universelle Möglichkeit nur das Gaskraftwerk anbietet. Die Kosten der Bereitstellung dieser Versorgungseinheiten sind unbedingt in der Gesamtbetrachtung der Energiekosten zu berücksichtigen. Da die Anlagen teilweise bereits verfügbar sind, werden diese Kosten vielfach vernachlässigt. Das verfälscht das Gesamtbild der Energiekosten. Anderseits üben Neubauten einen hohen Kapitaldienst aus, so dass zwecks Kostenersparnis auf diese verzichtet werden, das sollte reiflichst überlegt werden. Alternative Energie (Sonne, Wind, Wasserkraft) ist zwecks Verfügbarkeit zum Nulltarif erhältlich, nicht jedoch die komplexe technische Umsetzung.  Wenn man davon ausgeht, dass derzeit 11,8 % Atomstrom in Deutschland erzeugt werden (Statista 2019) und dieser Anteil gegenwärtig nicht durch alternative Energien ersetzt werden kann, bleibt nur Stromerzeugung mit Gaskraftwerken übrig.

5 LNG-Anwendungen

60

Dezentralisierung der Energieversorgung ist ein Zukunftstrend. Kleine Erzeugungseinheiten werden an Bedeutung gewinnen. Die Energieträger für Strom und Wärme werden aufgrund der sich wandelnden Erzeugung dezentral verfügbar sein. LNG ist eigentlich der einzige verfügbare Energieträger, der die ökologischen und technisch machbaren Anforderungen erfüllt. Obwohl Leitungsgas kostengünstiger als LNG ist, werden unter energetisch und technisch richtiger Auslegung die spezifischen Energiekosten durch die ­Verwendung des LNG unter die des Leitungsgases sinken. In einer Kombination der energetischen Nutzung wird LNG preislich dem Leitungsgas sehr nahekommen, wenn nicht sogar konkurrieren können; vorausgesetzt, die Möglichkeiten des LNG werden voll genutzt. Das weiter vorne dargestellte kleine Rechenbeispiel zeigt das Potenzial des LNG. Zusammenfassung

LNG wird an Bedeutung gewinnen. Die ausgerufene Energiewende wird diesen Prozess beschleunigen. Die KWK-Schaltung ist durch die Auskopplung der Energiearten Strom, Wärme und Kälte die wirtschaftlich günstigste Nutzung des Erdgases. Dadurch wird das im Einstandspreis teurere LNG dem Leitungsgas ebenbürtig, wenn nicht sogar überlegen sein.

5.1

LNG-Versorgungsanlagen

Gas aus LNG-Versorgungsanlagen muss odoriert werden. Ist das nicht der Fall, muss eine Gaswarnanlage bzw. Methandetektoren installiert werden, die jeden Gasaustritt anzeigen. Vorteilhafterweise sollten sie bei Gasaustritt die Anlage sofort automatisch abschalten und dieses auf einem fixen Alarmierungsweg anzeigen. Es ist vom Anlagenbetreiber einzuschätzen, welche Reaktionszeit zur Abstellung des Mangels verfügbar ist. Im Wissen, dass bereits die geringsten Methananteile (wenige ppm) in der Luft erfasst werden, kann auf die Dauer der Bildung eines explosiven Gemisches geschlossen werden. Ein Austritt muss mit absoluter Sicherheit vermieden werden. Eine Möglichkeit besteht in der durchgehend doppelwandigen Ausführung der Anlage. Das ist jedoch extrem aufwendig und es stellt sich die Frage, ob eine automatische Warn- und Abschalteinrichtung nicht sinnvoller ist. Ein Gasaustritt ist bei allen Lösungen zu vermeiden bzw. anzuzeigen. Praxishinweis

Die Gasphase jeder LNG-Anlage ist zu odorieren bzw. sind Gaswarnanlagen zu installieren oder es ist mit technischen Maßnahmen mit absoluter Sicherheit auszuschließen, dass Gas austreten kann.

5.1.1 Funktionsprinzip Modul 1 Die heute noch häufigste Anwendung ist die Regasifizierung und anschließende einfache Verbrennung des Gases zu Wärme (Abb. 5.2). Sie ist gleichzeitig die energetisch und betriebswirtschaftlich ineffektivste Verwendung des hochwertigen Energieträgers. Das Gas wird mit dem eigenen Druck aus dem LNG-Tank in den Verdampfer gedrückt und in die Gasphase überführt.

5.1 LNG-Versorgungsanlagen

61

Abb. 5.2  Modul 1 – LNG im Tank gelagert, im nachgeschalteten Luftverdampfer regasifiziert und nach dem Luftverdampfer über einen Druckregler an den Verbraucher, einen Gasbrenner abgegeben. Die Odorierung nach dem Luftverdampfer wurde nicht dargestellt

Die 1. Druckregelstufe  Der gewünschte Druck wird mit der 1. Druckregelstufe des Energieanbieters gesichert. Der Druck für die 1. Druckregelstufe wird durch den sich auf natürliche Weise einstellenden Tankdruck, eventuell unterstützt durch den Druckzusatzverdampfer, erreicht. Der Druckzusatzverdampfer geht nur in Betrieb, wenn die Abnahme größer ist als die natürliche Verdampfungsrate des Tanks. Ein Druckzusatzverdampfer sollte immer installiert werden, da von einer größeren Abnahme als geplant auszugehen ist. Er sichert den eingestellten Gasdruck am Druckregler und drückt mit dem Gas auf die Flüssigkeit. Mit diesem Druck wird die Flüssigkeit in den Luftverdampfer gedrückt. Die 2. Druckregelstufe  In Obhut des Verbrauchers stellt sie dem Brenner den genauen Arbeitsdruck bereit. Gasmotoren verlangen oftmals einen Eingangsdruck in sehr engen Grenzen. Unter- und Überdruck müssen deshalb abgesichert werden. Dazu werden integrierte Sicherheitsabsperrarmaturen mit Druckregelfunktion angeboten (siehe ­Abschn. 9.1.3). Da es sich dabei erfahrungsgemäß um eine Störung in der Anlage handelt, müssen diese manuell entsperrt werden. Modul 1 ist eine technisch und energetisch einfache Lösung. Sie wird vorzugsweise bei der direkten Ablösung von Heizöl installiert. cc

Hinweis:  Der spezifische Energiepreis kann nicht unter den Einkaufspreis des Gases sinken, sehr wohl aber unter die gegenwärtigen spezifischen Energiekosten des Kunden.

Fertigungsstätten haben, oftmals technologisch bedingt, eine stark schwankende Abnahme aus dem Netz. Diese Leistungsschwankungen, die sich bei einer Netzversorgung im Leistungspreis des Anbieters niederschlagen, verteuern wesentlich die Energiekosten beim Kunden. Für den Bezug von LNG haben diese Schwankungen keine Bedeutung, denn das Gas kommt wie Öl oder LPG aus dem Tank und macht die Leistungsspitzen bedeutungslos. Letztere müssen allerdings bei der Auslegung des Verdampfers und der Druckregeleinrichtungen bedacht werden.

62

5 LNG-Anwendungen Zusammenfassung

Der Verbrauch von LNG hat weder einen Leistungs- noch einen Mengenpreis. Die Entnahme erfolgt bedarfsgerecht, so wie Öl oder LPG aus einem Tank. Leistungsschwankungen sind unbedeutend, müssen aber bei der Anlagendimensionierung berücksichtigt werden. Der Gasdruck wird mit dem Druckzusatzverdampfer aufgebaut und mit Druckregeleinrichtungen auf den gewünschten Arbeitsdruck gebracht.

5.1.2 Funktionsprinzip Modul 2 Modul 2 (Abb. 5.3) wird in der Kraft-Wärme-Kopplung praktiziert. Diese Schaltung garantiert eine wesentlich wirtschaftlichere, energetische Ausbeute des Energieträgers  – siehe Beispielrechnung aus Kap. 6. Mittels regasifiziertem und odoriertem Gas wird über einen Gasmotor bzw. eine Gasturbine, meistens eine Microturbine, Strom erzeugt. Microturbinen arbeiten mit einem Luftüberschuss, sodass sich die Abgaswerte positiv entwickeln und Aufwendungen für die Abgasaufbereitung reduzieren. Der Gasdruck wird, wie bei Modul 1 (Abschn. 5.1.1) beschrieben, durch den Tankdruckaufbau erzeugt.

Abb. 5.3  Modul 2 – LNG im Tank gelagert, im nachgeschalteten Luftverdampfer regasifiziert und nach dem Luftverdampfer über eine 1. Druckregelstufe über eine nachgeschaltete 2. Druckregelstufe an den Verbraucher, einen Gasmotor oder eine Turbine abgegeben. Turbine oder Gasmotor geben ihre Wärme an einen Wärmespeicher ab, der Teil einer Wärmeversorgung ist. Die Odorierung nach dem Luftverdampfer ist nicht dargestellt

5.1 LNG-Versorgungsanlagen

cc

63

Hinweis:  Die Stromerzeugung sollte Basis für die Berechnung der Anlage sein. Mit der zwangsläufig anfallenden Wärme wird ein Speicher gespeist, der Teil eines Wärmeversorgungssystems sein muss.

Die anfallende Wärme wird gepuffert und bedarfsgerecht abgerufen. Für Wärmespeicher gibt es verschiedene Möglichkeiten, die hier aber nicht erläutert werden sollen. Wichtig ist, dass Modul 2 unter Ausnutzung aller Möglichkeiten eine wesentlich bessere Wirtschaftlichkeit erreicht als Modul 1. Durch Änderung der Stromausbeute kann über die Turbine (vorzugsweise Microturbine) die Abgastemperatur beeinflusst werden (siehe [5]). Wird der Stromertrag verringert, steigt die Abgastemperatur, wird der Stromertrag maximiert, sinkt die Abgastemperatur. Die Abgaswärme steht jeweils als Wärmequelle zur Verfügung. Microturbinen sind wartungsarm, da sie vorwiegend luftgelagert sind und daher keine Schmierung benötigen. Sie erzeugen den Strom durch Erregung mit einem Permanentmagneten und arbeiten ohne Getriebe. Diese Turbinen setzt man wegen ihrer Robustheit bezüglich der Verbrennung gern in Biogas­ anlagen ein, da deren Gaszusammensetzung schwankt. Eine Turbine verbrennt, anders als ein Gasmotor, Gasgemische, welchen einen Anteil von bis zu 30 % kalorisch wirksames Gas beinhalten. Der Gesamtenergieertrag setzt sich aus einem kleineren Teil Strom und einem größeren Anteil Wärme zusammen. Die Stromausbeute liegt bei etwa 25–32 % des kalorischen wirksamen Anteils, die verbleibende Energie ist Wärme Der Gasmotor erzeugt bis zu 40 % Strom von der eingesetzten Energie. Der verbleibende Teil ist folglich Wärme. Für beide Arten der Erzeugung gilt, es kommt auf die Spezifik des Verbrauchers an. Ist Wärme gefragt, zum Beispiel in einer Seniorenresidenz, wird der erzeugte Strom zu dem vom Netz bezogenen zugespeist. In Abhängigkeit des Einspeisetarifs kann auch die Einspeisung des Stroms in das Netz wirtschaftlich sein. Wird Strom benötigt, wird die Wärme auf einen Speicher gefahren und bedarfsgerecht abgerufen. Liegt die erzeugte Wärme wesentlich über dem Bedarf, ist zu prüfen, ob die Stromerzeugung mit der KWK- Schaltung reduziert werden und statt dessen der fehlende Strom aus dem Netz bezogen werden soll. Eine verbindliche Aussage kann nur an Hand einer Optimierung von Verbrauch, Kosten KWK und Tarifen getroffen werden. In jedem Fall sind die Leistungsspitzen des Stromverbrauchs zu minimieren. Das wirkt sich in der Regel vorteilhaft auf die Energiekosten aus. Beim Gasmotor ist der Kühlkreislauf bezüglich der Temperatur an enge Grenzen gebunden. Dort wird die Wärmeabfuhr über die Menge geregelt. Das bedeutet, der Massenstrom durch den Wärmeübertrager bestimmt wie viel Wärme aus diesem abgeführt werden kann. Eine Temperaturerhöhung ist nur in ganz engen Grenzen möglich, da im anderen Fall die Maschine Schaden erleiden würde. Die Wärme wird an einen Speicher abgegeben, über den der Verbraucher versorgt wird. Eine direkte Wärmeabgabe an den Verbraucher ist nicht üblich oder nur in seltenen Fällen möglich. Zusammenfassung

Mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)  wird die Energieausbeute im Vergleich zu Modul 2 wesentlich verbessert. LNG hat weder einen Leistungs- noch einen Mengenpreis, sondern wird nach Energieinhalt gehandelt. Die Preisbasis ist der Preis für die

64

5 LNG-Anwendungen

Energie im Hub. Die Entnahme beim Verbraucher erfolgt bedarfsgerecht aus einem Tank, so wie bei Öl oder Propangas. Leistungsschwankungen sind unbedeutend. Der Gasdruck wird mit dem Druckzusatzverdampfer gesichert und mit Druckregeleinrichtungen auf den gewünschten Wert gebracht. Neben Wärme wird vor allem auch Strom bereitgestellt. Es ist zu entscheiden, welche Energieform die führende sein soll.

5.1.3 Funktionsprinzip Modul 3 Modul 3 (siehe Abb. 5.4) entspricht dem Modul 2 der Kraft-Wärme-Kopplung, nur dass die Verdampfungswärme einem Kühlkreislauf entzogen wird. cc

Hinweis:  Kälte ist eine sehr teure Energie. Die Möglichkeit der Einbindung des Verdampfers in einen Kältekreislauf z. B. eine Klimaanlage ist immer zu prüfen. Zu beachten ist, nur ein Teil der anliegenden Kälte ist nutzbar. Für die Auslegung ist die Verdampfungswärme ausschlaggebend. Inwieweit die Wärme zur Überhitzung des Gases/Dampfes genutzt werden kann, hängt von einer Vielzahl an Faktoren ab.

Abb. 5.4  Modul 3: LNG im Tank gelagert, im nachgeschalteten Luftverdampfer regasifiziert und nach dem Luftverdampfer über eine 1. Druckregelstufe und weiter über eine nachgeschaltete 2. Druckregelstufe an den Verbraucher, einen Gasmotor oder eine Turbine abgegeben. Turbine oder Gasmotor geben ihre Wärme an einen Wärmespeicher ab, der Teil einer Wärmeversorgung ist und kühlen so die Kühlflüssigkeit. Die Regasifizierung erfolgt je nach Bedarf im Wärmeübertrager eines Kühlkreislaufs. Die Odorierung nach dem Luftverdampfer bzw. dem Wärmeübertrager ist nicht dargestellt.

5.1 LNG-Versorgungsanlagen

65

Je größer die Anlage ist, desto besser ist die Kälte nutzbar und umso größer ist der Nutzen. Geht man davon aus, dass der Tankinnendruck im Gleichgewicht 10 bar beträgt, sind 415 KJ/kg Verdampfungswärme nutzbar. Da bei der Überhitzung auf −15 °C auch noch Wärme aufgenommen wird, kann mit mindestens 515 KJ/kg Kälteleistung des Mathans gerechnet werden. Diese Variante verbessert die Wirtschaftlichkeit der Anlage ein weiteres Mal, der Einsatz von LNG wird besonders vorteilhaft, weil besonders wirtschaftlich. LNG entzieht der Umgebung bei der Verdampfung mindestens ca. 515 kJ/kg Verdampfungsenergie, die sich in Kälte ausdrückt. Es können bei einer Kraft-Wärme-Kopplung zusätzlich minimal 0,14 kWh/kg ohne Kältemaschine oder ähnlicher Apparatur, nur mittels Wärmeübertrager gewonnen werden: ca. 4 KWh Strom ca. 6 KWh Wärme ca. 0,14 KWh Kälte Verkaufspreis der Energie  Strom 0,20 €/KWh  Wärme 0,07 €/KWh  Kälte 0,30 €/KWh  Erlös, gesamt

ca. 0,80 €/KWh ca. 0,42 €/KWh ca. 0,04 €/KWh 1,26 €/KWh

Bei der verfügbaren Kälte handelt es sich um eine sehr hochwertige Energie (ca. 0,30 €/ KWh). Die Temperatur des verdampften Gases kann weit unter −100 °C liegen und damit den Kältekreislauf stark entlasten, oder die Anlagenparameter reduzieren. Die Kälteanlage kann eventuell kleiner ausgelegt werden. Kälte kann weder bei Einsatz von Öl noch von LPG direkt für Kühlzwecke gewonnen werden. Das ist bei einem sehr geringen Investitionsaufwand im Verhältnis zur Gesamtinvestition eine vorteilhafte Nutzung von LNG. Zusammenfassung

Durch die Berücksichtigung der Verdampfungswärme des LNG wird der Prozess wirtschaftlicher. Die Kälte kann in Kühl- oder Klimaanlagen eingespeist werden. Der wirtschaftliche Vorteil berücksichtigt nicht die ersparten anlagentechnischen Aufwendungen, nur den kalorischen Wert durch die zusätzliche Kühlleistung.

5.1.4 Funktionsprinzip Netzeinspeisung/Netzstabilisierung Die Erdgasnetzeinspeisung größerer Mengen zur Netzstabilisierung ist mit LNG bzw. der daraus gewonnenen Gasphase mit einem geeigneten technischen Aufwand sehr gut machbar (Abb. 5.5). Damit können z. B. temporäre Engpässe überwunden werden. Solche können entstehen, wenn zusätzlich zur Versorgung neue Abnehmer wie Neubaugebiete oder Gewerbeanlagen Bedarf anmelden, Verbrauchsspitzen abgefangen werden sollen, oder die kontinuierliche Versorgung eines ganzen Netzabschnitts übernommen werden soll. cc

Hinweis:  Es wird in ein bestehendes Netz eingespeist. Jedes Gas eines Netzes hat einen Heizwert, ausgedrückt als Wobbe-Zahl, sie liegt in einem bestimmten Bereich, der von der unterstützenden Versorgung garantiert werden muss.

66

5 LNG-Anwendungen

Abb. 5.5  Vereinfachte Darstellung des Schaltschemas einer Netzstabilisierung/Notversorgung mit Zumischen von Stickstoff

LNG hat mit 98  % Methan plus weiterer kalorischer Bestandteile  einen kalorischen Gehalt, dessen Heizwert in den meisten Fällen über dem des Leitungsgases liegt. Der Heizwert muss dann abgesenkt werden, ansonsten entstehen an den Gasgeräten des Versorgungsbereichs Schäden. Die Absenkung auf die netzrelevante Wobbe-Zahl erfolgt durch Beimischen von kalorisch totem Begleitgas, meistens Stickstoff. Notversorgung, wie auch Netzstabilisierung, beide Prozesse setzen für die Einspeisung eine geeignete Anlagentechnik voraus. cc

Hinweis:  Die Anlage muss die Einspeisung und die Beimischung von Stickstoff automatisch regeln. Da der Bedarf stark schwankend sein kann, müssen diese Anlagen sehr flexibel reagieren. Da sie oftmals weit ab vom Versorger zu errichten sind, bedürfen sie zusätzlich einer automatischen Fernüberwachung.

Industrieabnehmer können mit einer Stabilisierung auf Werksebene Leistungsspitzen in der Netzentnahme kompensieren. Im Augenblick des steigenden Bedarfs schaltet sich automatisch die Netzstabilisierung zu, der Gasversorger nimmt nur die gleich-

5.1 LNG-Versorgungsanlagen

67

mäßige Entnahme war. Der teuer bezahlte Leistungspreis kommt nur bedingt zum Tragen. Kommt es zu technologisch bedingten Leistungsspitzen, sind diese Anlagen nach kurzer Zeit rentabel, es sein denn, der Gasversorger geht auf die Besonderheit des Prozesses mit Preisabschlägen ein. Ein Beispiel für technologisch bedingte Leistungsspitzen wäre, wenn ein Gasmotorenhersteller seine Motoren testet und diese für kurze Zeit auf Volllast hochfahren muss. Die Gasentnahme steigt plötzlich für kurze Zeit an und fällt nach dem Test wieder auf das Normalniveau. Die Leistungsspitze für die Preisberechnung ist eingetreten. In solchen und ähnlichen Fällen bietet sich die beschriebene Lösung bestens an. LNG wird im Tank gelagert, im nachgeschalteten Luftverdampfer regasifiziert. Nach dem Luftverdampfer wird der Massenstrom erfasst und anteilig Stickstoff dazugegeben (vgl. Abb. 5.5). Die Odoriermittelmenge wird aus den Massendurchflüssen ermittelt und vor der Stickstoffeinspeisung zugemischt. Eine 1. Druckregelstufe stellt den Druck für eine nachgeschaltete 2. Druckregelstufe des Verbrauchers sicher. Der an das Netz abgegebene Erdgasmassenstrom muss gemessen werden. Das ist einmal mit Blenden über den Druckverlust und einer Korrektur über die Temperatur möglich, eleganter aber stellt sich die Messung der Masse mit dem Coriolismassenmessverfahren dar. Dazu werden verschiedenste Systeme, auch in Ex-Schutz-Ausführung angeboten. Die Messung ist zur Berechnung der Menge der Stickstoffbeimischung und für die zu dosierende Menge des Odorierungsmittels erforderlich. Der Gasdruck wird durch den Tankdruck abgesichert. Der durch die Verdampfung erzeugte Druck ist immer für die Netzeinspeisung ausreichend. Geht man von einer Niederdruckversorgung aus, ist keinerlei zusätzliche mechanische Druckerhöhung notwendig. Im Mitteldrucknetz sind Netzstabilisierungen nicht bekannt. Versorgungsanlagen zur Netzstabilisierung werden neben dem LNG-Tank mit einem Stickstofftank und einem Odorierungssystem ausgestattet. Stickstoff wird über eine Gasmischeinheit dem Methan mengenkorrigiert zugemischt. Die Odorierung ist in jedem Fall vorzusehen, da das lt. Regelwerk vorgeschrieben ist (siehe Abschn. 8.6). Zusammenfassung

Die Netzstabilisierung dient der temporären Versorgung. Das eingespeiste Gas muss die gleiche Wobbe-Zahl haben, wie das Gas in der Leitung. Das erfolgt vorzugsweise mit Stickstoff. Dazu werden die Massenströme gemessen, aus denen die zuzumischende Stickstoff- und Odorierungsmittelmenge errechnet werden.

5.1.5 Mobile Notversorgung Die Notversorgung ist mit der Netzstabilisierung gleichzusetzen. Sie wird mobil und temporär befristet eingesetzt. Es wird immer wieder vorkommen, dass ein Standort wegen einer Störung vorübergehend mit Erdgas versorgt werden muss. Eine mobile Notversor-

68

5 LNG-Anwendungen

gung auf LNG-Basis kann im Vergleich zur Trailer-Notversorgungen (es wird Gasphase zur Verfügung gestellt) größere Mengen einspeisen. Bei Gastrailern ist das Fassungsvermögen auf einige 1000 Nm3 begrenzt. Die LNG-Notversorgung besteht grundsätzlich aus dem mobilen LNG-Tank mit Luftverdampfer, der Gasmischanlage, die aus dem mobilen Stickstofftank Stickstoff zumischt, und der Gasodorieranlage. Alle Aggregate sollten mit einer Automatik gesteuert t werden. Das aus dem LNG-Tank regasifizierte Gas darf nicht unaufbereitet in die Leitung eingespeist werden. Wie bereits erwähnt, muss die Wobbe-Zahl eingestellt und das Odormittel dem Gas zugegeben werden. Für die Odorierung können sich besondere Herausforderungen ergeben. Es ist mit relativ kleinen aber schwankenden Mengen zu rechnen, sodass eine hohe Flexibilität erforderlich ist. Bekannte Odorierungsanlagen odorieren erst ab ca. 500 Nm3/h homogen den Gasstrom. Die Fa. Hoffmann & Hoppestock aus Wernigerode hat eine Anlage für Kleinstmengen (1–500 Nm3/h) entwickelt, die durch Parallelschaltung von Odoriermodulen auch größeren Mengen gerecht werden kann (siehe Abschn. 8.6). Einfacher gestaltet sich der Notversorgungsprozess, wenn LNG im Regelbetrieb direkt verbrannt wird. Dann ist es nicht notwendig, dem Gas Stickstoff beizumischen. Der Brenner wird auf diesen hohen Heizwert eingestellt. Praxishinweis

Erdgas aus der Rohrleitung kann nicht bedingungslos gegen Erdgas, gewonnen aus LNG, ersetzt werden. Es muss die Wobbe-Zahl des Rohrleitungsgases beachtet werden und auf diese muss das einzuspeisende Gas eingestellt und odoriert werden. Die Wobbe-Zahl stellt sich durch Zumischen von Stickstoff ein.

5.2

Möglichkeiten der Gaskompression

Erdgastankstellen für CNG müssen das Gas komprimiert anbieten. Kleine Erdgastankstellen werden aus der Niederdruckleitung, größere Anlagen, z. B. Buster minals, generell aus der Mitteldruckschiene, versorgt. Allein der Gasversorger entscheidet, ob eine Erdgastankstelle an die Mitteldruckleitung oder die Niederdruckleitung angeschlossen werden kann. Das ist von verschiedensten Faktoren abhängig u.  a. von der verfügbaren Zapfleistung, dem anstehenden Gasdruck, der Lage usw. cc

Hinweis:  Leitungsgas ist in der Niederdruckschiene bereits odoriert, Gas aus der Mitteldruckschiene ist eventuell zu odorieren.

Das Leitungsgas kann nur mit Kompressoren auf den Betankungsdruck (ca. 250 bar) verdichtet werden. Ist LNG das Ausgangsprodukt, sind Gaskompressor, Kryopumpe oder die Anwendung des Liqui-Flow-Verfahrens möglich.

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

69

5.2.1 G  askomprimierung mit Kompressor, Kryopumpe und Liqui-­Flow-Verfahren Für jede der Varianten gilt, die Gasphase, hervorgegangen aus LNG, muss odoriert werden. cc

Hinweis:  CNG aus LNG sind zwangsläufig zu odorieren, denn Erdgas ist nicht giftig, aber geruch- und geschmacklos und wirkt erstickend. Ein Gasaustritt wäre ohne Odorierung vom Menschen nicht wahrnehmbar.

Die beiden Verfahren mit Kompressor oder mit Kryopumpe haben einen hohen Stromverbrauch. Der Kompressor benötigt das Mehrfache der Kryopumpe (ca. 1:10). Je größer der Volumenstrom und je höher der Speicherdruck werden, desto höher wird die elektrische Anschlussleistung. Aus diesem Grund minimiert man an der Tankstelle den Druck am Kompressor und fährt einen möglichst geringen Volumenstrom pro Stunde. Das soll mit größeren Speichervolumen, die in 3 Druckbänke aufgeteilt sind, kompensiert werden. Nur ist zu bedenken: Der Speicher kann noch so groß sein, wenn die Entnahme größer als die Leistung des Kompressors ist, ist das Manko der fehlenden Kompressionsleistung nicht auszugleichen. Beispielsweise schafft am Tag ein Kompressor mit 60 Nm3/h nur 24 Mal diese Menge, also 1440  Nm3/Tag. Das mag heute noch genügen, mit steigender Anzahl an CNG-­ Fahrzeugen wird so ein Kompressor an den meisten Standorten überfordert sein. es können auch keine 1440 Nm³/h abgegeben werden, das würde nämlich voraussetzen, dass kontinuierlich täglich während 24 h getankt wird. Dieses Volumen ist nur theoretisch erreichbar. cc Beispiel: Es tanken Pkw mit jeweils 30 Nm3 Speichervolumen an einer Tankstelle mit einem Kompressor für 60 Nm3/h. Es ist eine Anschlussleistung von ca. 20 KW zu installieren. Nachdem unmittelbar nacheinander 2 Pkw in ca. 5 Minuten betankt wurden, reicht der Speicherdruck für einen 3. nicht mehr aus, um diesen auf 200 bar zu füllen. Der Kompressor muss nachhelfen. Beim 3. PKW muss etwas mit dem Kompressor aufgefüllt werden. Bei den nächsten wird die Zeitdauer mit steigender Tendenz wesentlich größer sein. Ganz extrem wird die Situation, wenn die Speicher leer sind. Dann dauert die Betankung mit diesem Kompressor (60 Nm3/h) für den nachfolgenden Pkw ca. 1/2 h, eine lange Zeit. Größere und stärkere Kompressoren verlangen elektrische Anschlussleistung von 100 und mehr KWh. Da das oftmals nicht umsetzbar ist, werden derzeit relativ kleine Kompressoren auf den öffentlichen Erdgastankstellen installiert. Diese leisten einen Normvolumenstrom von 60–100 Nm3/h. Ein weiterer Grund für die geringe Kompressorleistung kann die verfügbare Zapfleistung der Gasleitung sein. Gegenwärtig erfüllen diese Anlagen die Erwartungen des CNG-Kunden. Werden es mehr, wird man über die aktuelle Leistung nachdenken müssen. Günstiger sieht es für die Versorgung der Gasspeicher mit einer Kryopumpe aus. Sie bekommen das Gas aus dem LNG-Tank und sind folglich netzunabhängig. Pumpen mit 500  l/h wären sehr häufig anzutreffen, für große Abnehmer würden Pumpen mit 1000–2000  l/h zur Verfügung stehen. Dieses Volumen erzeugt etwa 600–1200  Nm3/h.

70

5 LNG-Anwendungen

­ atürlich steigt mit dem Volumen der Strombedarf. Läuft eine Pumpe mit 500 l/h noch mit N ca. 15 KW Anschlussleistung, benötigen die großen Pumpsysteme bereits 25–50 KW. Mit Letztgenannten ließen sich Busse, Lkw (Speichervolumen ab ca. 150 Nm3) und Transporter (Speichervolumen ab ca. 80 m3) sehr komfortabel betanken. Eine Pumpe mit 500 l/h würde ca. 300 Nm3/h liefern, d. h. es könnten 10 Pkw/h (Speichervolumen ca. 30 Nm3) tanken, eine offensichtlich gute Lösung. Ein großer Vorteil sind die relativ geringen Investitionskosten der Kryopumpe im Vergleich zum Kompressor. Dem stehen nachfolgende Nachteile gegenüber. cc

Hinweis:  Kryopumpen-Anlagen haben leistungsunabhängig eine relativ lange Kaltfahrzeit (bis zu 30 Minuten). Bereits nach mehreren Stunden Stillstandzeit muss erneut kaltgefahren werden. Sie sollten nur unter fachlicher Aufsicht betrieben werden. Die kurzen und kostenintensiven Wartungsintervalle (siehe Abschn. 5.2.2) sind der Sache nicht dienlich.

Die Dauer der Kaltfahrzeit lässt erkennen, dass die Pumpen nach Möglichkeit ununterbrochen laufen sollten. Das wird nicht machbar sein. Die Kaltfahrzeiten sind sehr abhängig von der Aufstellung der Pumpe und dem LNG-Füllstand im Tank. Es ist zu erwarten, dass diese Wartezeiten an einer Tankstelle von der Mehrzahl der Kunden nicht hingenommen werden. Aus vorhergesagten Gründen setzt sich dieses Pumpsystem zur LNG-­ Betankung bisher nicht durch. Das Liqui-Flow-Verfahren kompensiert einige dieser Nachteile. Auch hier kommt das LNG aus dem Tank, es braucht aber keinen Strom zum Antrieb der Motoren, wie es bei Kompressor oder der Pumpe der Fall ist. Die Investitionskosten liegen bei der Hälfte oder weniger verglichen zum Kompressor. Die Wartung ist erst nach mehreren 1000 h (kalkulativ 10.000 h) vorzusehen. Die Leistung hängt allein von der Größe des Systems und der dazugehörenden Verdampferfläche ab. Beides kann beliebig variiert werden. Eine Kaltfahrzeit gibt es nicht, das System bleibt immer kalt. Für den Betrieb sind größere Mengen der Gasabgabe betriebswirtschaftlich günstig. Das Verfahren ist bestens für die Betankung großer Flotten (z. B. Busterminals, Lkw und Transporterflotten) geeignet. Diese Anlagen (2000  Nm3/h und mehr), nach dem Liqui-­ Flow-­Verfahren arbeitend, sind zwar wesentlich kostengünstiger als vergleichbare Anlagen, in welchen das Gas mit Kompressor verdichtet wird, aber trotzdem zu teuer für die Versorgung des Individualverkehrs. Hier werden wenige 1000 Nm3 pro Tag oder weniger zu erwarten sein. Für diese geringen Mengen wird man gegenwärtig Satelliten-Tankstellen einsetzen (siehe Abschn. 5.4). Sie versorgen mittels CNG-Bündel das Fahrzeug durch einfaches Überströmen des CNG, vorzugsweise Pkw. Die Bündel werden an der Basisstation mit dem Liqui-Flow-­ System gefüllt und erhöhen damit die Auslastung der Anlagen, sodass die spezifischen Kosten der Betankung sinken. Für kleine CNG-Busterminal (weniger als 20 Busse) werden Trailerstationen angeboten, die odoriertes CNG mit 300 bar gespeichert haben und an Fahrzeugspeicher für 200 bar abgeben. Die Funktion entspricht der einer Satellitenanlage und wird daher nicht weiter erläutert. 

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

71

Gegenwärtig liegen die Kosten für das Liqui-Flow-System unter 0,10  €/Nm3 bei 6000 Nm3/Tag und 300 bar (siehe Abschn. 5.2.3) Mit diesen Kosten kann keine vergleichbare Kompressoranlage hinsichtlich Betrieb und, mit steigendem Verbrauch sinkt der Wert weiter Wartung konkurrieren. Die Kryopumpe würde wegen der genannten Nachteile, insbesondere wegen der kurzen Wartungsintervalle, ausscheiden. Zusammenfassung

Erdgas ist geruchlos, geschmacklos, ungiftig, wirkt aber erstickend. Das Gas muss odoriert werden, bevor es an den Verbraucher abgegeben wird. Je höher der Enddruck und das Fördervolumen sind, desto höher sind die Betriebskosten. Die Kompressionsenergie je Volumeneinheit ist immer die gleiche. Mit steigender Zapfleistung nimmt die elektrische Leistung zu. Die Kryopumpe hat eine wesentlich geringere Leistungsinanspruchnahme (ca. 1/10), jedoch sprechen die kurzen Wartungsintervalle und die unbedingte Beaufsichtigung gegen sie. Die Liqui-Flow-Tankstelle bietet für große Abgabemengen eine Alternative. Sie braucht keinen Strom und keine Gasleitung. Geringe Mengen können mit der Satelliten-­ CNG-­Tankstelle versorgt werden. Die Kostenstruktur ist von den genannten die günstigste.

5.2.1.1 Gaskomprimierung mit Kompressor Der Kompressor Der Kompressor ist eine Kolbenmaschine. Mit ca. 0,2–0,3 KWh/Nm3 verdichtet er in einem mehrstufigem Prozess Gas vom Eingangsdruck auf den Enddruck (ca. 220–250 bar). Mit diesem Druck werden die CNG-Fahrzeuge betankt bzw. die Speicher der Tankstelle gefüllt. In der Regel werden die Kompressoren mit Elektroenergie betrieben. In Ländern mit einer fehlenden Strominfrastruktur für die Energieübertragung, erfolgt die Stromgestehung mit Gasmotoren, die mittels Generator den Kompressor elektrisch antreiben. Die Leistung des Kompressors muss sehr genau in Abhängigkeit von der geforderten stündlichen Zapfleistung bestimmt werden. Sollen beispielsweise Busse mit einem Speicher von 150  Nm3 CNG zapfen, so ist ein Kompressor von 600  Nm3/h eine minimale Größe. Erfahrungsgemäß stehen in einem Depot mehr als 20 CNG-Busse bereit. Sollen diese mit CNG versorgt werden, sind mit der zuvor genannten Ausstattung rechnerisch mindestens 5 h erforderlich. Würde man die Leistung der Kompressoranlage auf 1200 Nm3/h verdoppeln, so müsste eine Anschlussleistung von ca. 380–400  KVA verfügbar sein. Inwieweit diese Leistung übertragen werden kann, ist bezüglich der örtlichen Gegebenheiten zu prüfen. Auch im gut ausgebauten deutschen Stromnetz wird das nicht unproblematisch sein. Die regelmäßige und vor allem fachgerechte Wartung sichert eine lange Lebensdauer und zuverlässige Verfügbarkeit des Kompressors. Günstig ist, wenn der Kompressor ununterbrochen läuft, denn gerade die Anlaufphase verursacht einen besodneren Verschleiß. Die Wartungsintervalle werden vom Hersteller vorgegeben und sind strikt einzuhalten. Diese Arbeiten sowie die Instandhaltung sind kostenintensiv und mit einem markanten technischen Aufwand

5 LNG-Anwendungen

72

verbunden. Beispielsweise müssen die Filter regelmäßig getauscht und fachgerecht entsorgt werden, da sie vor allem Schadstoffe enthalten, die bei der Kompression und Fortleitung des Gases aufgenommen werden. Sie dürfen nicht dem normalen Müll zugeordnet werden. Erfolgt die Verdichtung des CNG nicht aus der Leitung, sondern aus der Flüssigphase (LNG) sind nur Rückstände des Kompressors zu erwarten. In größeren Abständen (ca. 1500 Betriebsstunden, Angabe ist herstellerabhängig und wird von der Größe der Anlage und deren Betriebscharakteristik beeinflusst) ist eine große Inspektion vorzunehmen. Dazu wird die Maschine geöffnet und zerlegt. Zum Abheben der zentnerschweren Zylinderköpfe muss eine geeignete Krananlage verfügbar sein. Weitere technische Hilfsmittel mit einer Brückenkrananlage sollten errichtet werden. Ein Gebäude zum Schutz der Anlage ist unumgänglich. Der Kran nimmt nicht nur die Zylinderköpfe auf, sondern verrichtet weitere Aufgaben bei der Instandhaltung. Zusätzlich ist ein hoch qualifiziertes Personal für Wartung und Instandhaltung der Kompressoren erforderlich. Es entstehen Personalkosten, die zusätzlich zu den Kosten für die Ersatzteile anfallen. Selbst bei guter Arbeitsorganisation werden für die Arbeiten mehrere Tage benötigt. In dieser Zeit fallen die Anlagen zu 100 % aus. Diese Kosten gehen in die Gewinnund Verlustrechnung des Unternehmens ein und werden sich im Preis des Gases widerspiegeln. cc

Hinweis: Erfahrungsgemäß verursachen kleine Anlagen höhere spezifische Kosten als die Großanlagen. Die Wartungs- und Betriebskosten (nicht die Kosten für den Strom) sind stets eine Kostenposition, bei der vieles versteckt und negiert wird. Für die betriebswirtschaftliche Betrachtung einer Investition sollten für jährliche Betriebs- und Wartungskosten über 10 Jahre ca. 10 % des Investitionswertes (eigener langjähriger Erfahrungswert) geplant werden. Exakte Zahlen liegen hierfür nicht vor, diese Größenordnung wird jedoch von vielen Praktikern bestätigt. Das schließt nicht aus, dass die Kosten über einige Jahre weit darunter liegen. Bei einer notwendigen Großreparatur wird das bis dahin Gesparte sehr schnell zur Gänze konsumiert.

Der ionische Verdichter, eine Entwicklung von LINDE GAS, arbeitet ohne Kolben. Das Gas wird mit einer ionischen Flüssigkeitssäule verdrängt. Ionische Flüssigkeiten sind Salze mit einem Schmelzpunkt, der bei dieser Anwendung im Bereich von 90–100  °C liegt. Die Kompressionsenergie wird mit einer Pumpe eingetragen und soll bis zu 20 % unter der eines Kompressors liegen. Die Pumpe bewegt die Flüssigkeit prozessgerecht. Beachtlich ist, dass die Kolbenreibung und die Kolbenbewegung nicht mehr vorhanden sind und damit ein wesentlicher Verschleißfaktor des Kolbenkompressors eliminiert wurde. Die Wartungszyklen sollten wesentlich weiter auseinanderliegen. In der Praxis trifft man diese Anlagen noch sehr selten an. Zusammenfassung

Der mehrstufige Kolbenkompressor hat neben den hohen Anschaffungskosten hohe Betriebs- und Wartungskosten. Sie liegen, bezogen auf 10 Jahre, bei jährlich ca. 10 % der Investitionskosten. Er verbraucht ca. 0,2–0,3  KWh/Nm3 bei einem Druck von 250 bar.

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

73

Der Ionenkompressor hat einen geringeren Verschleiß, da das Gas mit einer Flüssigkeit komprimiert wird. Die Kompressionsenergie wird mit einer Pumpe aufgebracht, die die Flüssigkeit bewegt. Die Flüssigkeit reduziert den Energiebedarf im Vergleich zum Kompressor um bis zu 20 %. Kompression von Rohrleitungsgas Zu Beginn der Überlegungen des Aufbaus einer Kompressoranlage zur Verdichtung von Rohrleitungsgas muss die notwendige Infrastruktur geprüft werden. Wie aus Abschn. „Der Kompressor“ ersichtlich ist, sind nachfolgende Bedingungen zu erfüllen: • Vorhandensein einer leistungsstarken Gasleitung; • Verfügbarkeit der elektrischen Leistung. Für kleine Anlagen, so wie man sie von den öffentlichen Tankstellen her kennt, sind diese Bedingungen meistens realisierbar. Besteht jedoch der Bedarf, eine größere Busflotte täglich zu betanken, werden die genannten Voraussetzungen schwieriger zu erfüllen sein. Dazu kommen die nicht unbedeutenden Investitionskosten zur Schaffung der Infrastruktur der Anlage und deren baulichen Maßnahmen. Da hieran E ­ rdgastankstellenprojekte mitunter scheiterten, ist eine eingehende Projektstudie, inklusive Betrachtung des Umfeldes, von vorrangiger Bedeutung. cc

Hinweis:  Der CNG-Bedarf ist möglichst genau zu ermitteln. Daraus leiten sich die minimale Zapfleistung, Investitionsmaßnahmen für die Anlage und die benötigte Infrastruktur ab.

Rohrleitungsgas wird mit einem Kompressor auf Speicherdruck gedrückt. Nach der Entnahme aus der Rohrleitung wird, unabhängig von der Größe der Anlage, das Gas zur Kompression und zum Betanken aufbereitet. Es wird gereinigt, insbesondere entfeuchtet, entschwefelt, das CO2 und störende Kohlenwasserstoffe (Öle) werden abgeschieden. Die Verunreinigungen sammeln sich im Filter, dieser muss regelmäßig getauscht werden. Gereinigtes Gas wird vom Kompressor angesaugt und verdichtet in die Speicher gedrückt. Wird das Gas der Hoch- oder Mitteldruckschiene entnommen, muss es vor der Abgabe odoriert werden. Gas der Niederdruckschiene wird bereits vom lokalen Gasversorger odoriert, da damit der Endverbraucher versorgt wird. cc

Hinweis:  Der Volumenstrom in der versorgenden Rohrleitung muss deutlich über der installierten Leistung des Kompressors liegen. Ist dieser zu gering, würde das Gasnetz, mit dem noch andere Verbraucher versorgt werden, zusammenbrechen.

Vorteilhaft ist die Entnahme aus dem Mitteldruck- oder Hochdrucknetz. Der anliegende Netzdruck reduziert den Energieverbrauch des Kompressors, da das Gas bereits mit

5 LNG-Anwendungen

74

höherer Dichte in die Kammer des Kompressors einströmt und damit pro Takt mehr Masse gefördert werden kann. In der Praxis ist das leider selten möglich, da diese Leitungen oftmals weit vom Verbraucher entfernt verlegt wurden. Zusammenfassung

Die Kompression von Rohrleitungsgas setzt die Prüfung des Bedarfs und der Infrastruktur voraus. Das Gas muss vor der Verdichtung gereinigt und je nach Ursprung odoriert werden. Der Filter muss regelmäßig getauscht und entsorgt werden. Der Volumenstrom der Rohrleitung muss wesentlich größer sein als die volumetrische Leistung des Kompressors. Vorteilhaft ist ein hoher Eingangsdruck in den Kompressor. Kompression von regasifiziertem Gas aus LNG Die Kompression einer aus LNG gebildeten Gasphase mittels Kompressors ist bei dem Betankungsprozess wesentlich einfacher. Das Gas kann unmittelbar nach dem Verdampfer vom Kompressor mit Tankdruck angesaugt und nach dem Abscheiden der Verschmutzungen durch diesen selbst in die Speicher gedrückt werden. Der Tankdruck kann, eingestellt mit dem Druckzusatzverdampfer, nahe dem zulässigen Tankdruck liegen. Das entlastet den Kompressor und spart Strom. Vor der erneuten Befüllung des Tanks wird der Druck durch den Kompressor abgesenkt, sodass vorteilhafte Füllbedingungen bestehen. Da LNG ein Kondensat ist, liegt ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit dem Hauptanteil Methan an. Der Motor bekommt zu 100 % kalorisch nutzbares Gas. Das bedeutet, dass aus diesem Produkt mehr Energie pro Volumeneinheit gewonnen wird als aus Leitungsgas, da dieses kalorisch totes Begleitgas mitführt. Mit dem gleichen Energieeinsatz fördert der Kompressor mehr kalorisch nutzbares Gas. Das ist ein wesentlicher Vorteil, wenn man dessen Anteil am Gesamtvolumen bedenkt. Das Fahrzeug legt bei gleicher Speicherkapazität eine längere Strecke zurück. Da das Leitungsgas unterschiedliche Zusammensetzung hat (bis zu 10 % kalorisch totes Begleitgas), kann der Reichweitenunterschied des Fahrzeugs bis zu 10 % betragen. Das CNG muss in jedem Fall vor oder nach dem Kompressor und vor dem Speicher odoriert werden. Der Reinigungsprozess beschränkt sich auf das Abscheiden der Verunreinigungen des Kompressors (z. B. Öl). Zudem werden die Transportverluste beim Leitungsgas, hervorgerufen durch das tote Begleitgas, eingespart. Praxishinweis

CNG aus LNG hat eine hohe Reinheit. Es müssen nur die Verunreinigungen, verursacht vom Kompressor, abgeschieden werden. Es gibt kein kalorisch totes Begleitgas. Dadurch erhöht sich z. B. die Reichweite des Fahrzeugs. Das Gas steht max. mit Tankdruck an und muss nach dem Verdampfer odoriert werden.

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

75

Energiebedarf des Kompressors Der Gaskompressor verdichtet das Gas in mehreren Stufen. Dazu benötigt er elektrischen Strom. Dieser wird dem Netz entnommen. In unterversorgten Regionen wird der Kompressor von diesel- oder gaselektrischen Generatoren mit Strom versorgt. Der Energiebedarf des Kompressors ist von verschiedensten Faktoren abhängig. Den markantesten Einfluss übt der Vordruck aus. Dieser kann im sehr günstigen Fall bei 100 bar und mehr (Hochdruckleitung) liegen und kann bis auf wenige Bar bei regasifiziertem LNG sinken. In einer Niederdruckleitung sind nur wenige mbar verfügbar. Für erste Abschätzungen sollte mit einem Elektroenergiebedarf von 0,2–0,3 KWh/m3 Gas gerechnet werden. Der genaue Wert ist neben dem Vordruck vom jeweiligen Hersteller der Anlage abhängig und mit diesem gemeinsam zu ermitteln. Zusammenfassung

Der Elektroenergiebedarf des Kompressors ist von verschiedensten Bedingungen, vor allem vom Vordruck, abhängig und sollte mit dem Lieferanten des Kompressors ermittelt werden. Für erste Abschätzungen sollte mit einem Wert von 0,2–0,3 KWh/m3 Gas gerechnet werden.

5.2.2 Gaskomprimierung mit Kryohochdruckkolbenpumpe 5.2.2.1 Allgemeines zur Kryohochdruckkolbenpumpe Die Kryohochdruckkolbenpumpe – oder auch kurz Kryopumpe genannt –, ist ein bewährtes Bauteil der Tieftemperaturtechnik (Abb. 5.6). Sie wird vor allem zum Befüllen von Gasflaschen und anderen Druckgasbehältern und in technologischen Prozessen als Abb. 5.6 Hochdruckkolbenpumpe der Cryostar. (Quelle: Cryostar)

5 LNG-Anwendungen

76

­ rozesspumpe eingesetzt. Dabei arbeitet sie in verschiedensten Druckstufen. Folglich eigP net sie sich auch zur Erzeugung von CNG aus LNG. Die Pumpe wird vorteilhafterweise an einen Pumpentank (siehe Abschn. 6.2.2.1) angeschlossen. Das LNG fließt der Kolbenpumpe aus dem Tank durch den geodätischen Druck zu. Im vakuumisolierten Kühlmantel der Kolbenpumpe liegt das Ansaugventil. Mit dem Kolben wird zyklisch die Flüssigkeit über das Auslassventil in den Verdampfer drückt. Bevor die Kolbenpumpe die Flüssigkeit an den Verdampfer abgibt, werden die Flüssigkeitsstöße mit einem Pulsationsdämpfer gedämpft. cc

Hinweis: Dieser Pulsationsdämpfer ist zwingend erforderlich, da sonst die Druckstöße auf die gesamte Anlage, inklusive den Hochdruckspeichern, übertragen werden und Schäden zu erwarten sind. Er wird unmittelbar am Hochdruckausgang der Pumpe installiert.

Die Kryopumpe ist eine im Vergleich zum Kompressor energetisch günstigere Variante der Kompression. Der Unterschied besteht darin, dass im Verdampfer Flüssigkeitsvolumen verdampft wird. Dabei stellt sich die Kompressionsarbeit ein. Die Kompressionsenergie wird teilweise der Umgebung entzogen. Der Kompressor verdichtet das voluminöse Gas, während die Pumpe das geringe Flüssigkeitsvolumen in den Verdampfer drückt und dieses dort verdampft. Die Pumpe verdrängt pro Hub im Zylinder eine vielfach größere, flüssige Masse als der Kompressor. Daher ist die Anschlussleistung der Kolbenpumpe wesentlich geringer (bis zu 1/10 der Kompressorleistung). Die Investitionskosten der Kolbenpumpe sind um einiges günstiger, jedoch die Standzeit der Pumpen sind wesentlich kürzer als die des Kompressors. Die Pumpe muss einem Service unterzogen werden, wenn Methan in die Umgebung freigesetzt wird. Das kann bereits nach unter 200 Betriebsstunden eintreten. Der Kompressor wird erfahrungsgemäß nach über 750 Betriebsstunden einem ersten Service unterzogen, der große Service ist herstellerabhängig nach 6000–8000 h erforderlich und kommt fast einer Neuanschaffung gleich. Die Einsatzdauer wird erfahrungsgemäß durch die Leckrate an der Kolbenstange begrenzt. Daher ist dieser Stelle besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die Abdichtung an der Kolbenstange kann bereits nach wenigen Betriebsstunden durch den Methansensor eine Undichtigkeit anzeigen. Das bedeutet, der eingangs erzielte wirtschaftliche Vorteil, erzielt durch den geringen Anschaffungspreis, wird durch hohen Wartungsaufwand relativiert. Praxishinweis

Die Kryopumpe drückt die Flüssigphase des Gases in den Verdampfer. Der Energieverbrauch ist geringer und beträgt im Vergleich zum Kompressor nur ca. 10 %. Die Laufleistung der Pumpe wird hauptsächlich durch die Leckage an der Kolbenstange begrenzt. Der Leckage ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Vorteilhaft sind die geringen Investitionskosten, die teilweise durch die geringe Standzeit wieder an Bedeutung verlieren.

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

77

5.2.2.2 Der Kryopumpenkopf Die Kryohochdruckpumpe ist eine Kolbenpumpe. Sie besteht aus dem speziell ausgebildeten Pumpenkopf, variierend zwischen Einfach- oder Mehrfachkopfpumpe. Im Zylinder des Pumpenkopfes läuft der Kolben, der mit dem Getriebe über die Kolbenstange verbunden ist. Dieses wird von einem Elektrogetriebemotor angetrieben. Die Modelle der verschiedenen Anbieter unterscheiden sich nur in Details. Der Zylinder im Pumpenkopf muss nach Möglichkeit ausschließlich flüssiges Gas ansaugen können. Dazu muss er auf Flüssigkeitstemperatur gekühlt werden. Wird diese Temperatur nicht erreicht, würde bereits die Verdampfung im Zylinder einsetzen und der Wirkungsgrad der Pumpe würde extrem abnehmen. Deshalb darf die Flüssigkeit keine Dampfanteile (also x = 1) mitführen. Das verlangt, dass die Zuleitung gut isoliert und der Pumpenkopf auf besagte Produkttemperatur gekühlt ist. Zur Kühlung bzw. dem Abführen der eindringenden Wärme aus der Umgebung, der Kompressionswärme und der Reibungswärme wird das verflüssigte Gas aus dem Tank verwendet. Die Förderleistung ist ebenso von der Dichte des LNG abhängig und damit vom Siededruck. Mit steigendem Siededruck fällt die Fördermenge. cc

Hinweis:  Mit steigendem thermischem Gleichgewichtsdruck nimmt die Dich­te ab. Sie sinkt von 4 auf 18 bar um ca. 20 %. Damit geht auch der gleiche Anteil der Förderleistung der Pumpe zurück.

Der Pumpenkopf wird von einem vakuumisolierten Doppelmantel umschlossen, der die Verdampfung der kühlenden Flüssigkeit minimiert. Diese Flüssigkeit kommt aus dem Tank. Ein Teil der Flüssigkeit wird von der Pumpe angesaugt, der andere Teil führt die trotz Vakuumummantelung eindringende Wärme ab, nimmt die Reibungswärme des Pumpenkopfes auf und geht als Gasphase in den Tank zurück (Abb. 5.6). Beim Pumpentank tritt dieses zurückgeführte Gas in die Flüssigphase ein. Das im Tank aufsteigende Gas kondensiert teilweise, führt der Flüssigkeit die Kondensationswärme zu und lässt dort den Gleichgewichts- und auch den Gasdruck ansteigen. Der Gasdruckanstieg wird bei laufender Pumpe durch die Flüssigentnahme reduziert. Der Zulauf zum Pumpenkopf (Abb. 5.7) tritt stirnseitig oder von unten in den Kopf, also in das ummantelnde Gehäuse ein und füllt den gesamten Kühlmantel des Kopfes mit Flüssigkeit. In diesem Eintrittsbereich liegt auch das Ansaugventil der Pumpe. Ist die Pumpe auf Flüssigkeitstemperatur gekühlt, also kaltgefahren, steht sowohl im Zulauf als auch im Gasrückgang Flüssigkeit. Die Pumpe kann nur in diesem Zustand gestartet werden. Damit sie keinen Schaden nimmt, verriegelt bei fast allen Modellen ein Temperaturfühler die Pumpe und lässt den Pumpenstart erst zu, wenn sich die Flüssigkeitstemperatur am Pumpenkopf eingestellt hat. cc

Hinweis:  Die Pumpe wird nach erfolgter Pumparbeit durch Schließen des Gasrückgangs vom Tank getrennt. Im Ruhezustand wird durch eindringende äußere Wärme das verbleibende Produkt im Pumpenkopf verdampft und drückt die im Pumpenkopf verbliebene Flüssigkeit in den Tank zurück. Der druckfeste

78

5 LNG-Anwendungen

Arbeitszylinde der Pumpe wird von der Flüssigkeit des Pumpenkopfes umspült. Dieser hat ein Ansaugventil (auch Niederdruckansaugventil genannt) und ein Hochdruckauslassventil, ein wie ein bekanntes Rückschlagventil arbeitendes Bauteil. Es ist auf eine Vielzahl von Lastspielen ausgelegt (über 400 1/min). Im Arbeitszylinder läuft der Kolben. Fährt der Kolben zurück, sinkt der Druck in der Kammer und das Einlassventil öffnet. Die Flüssigkeit strömt in die Kammer. Mit dem Wechsel der Kolbenbewegung wird die Flüssigkeit in die entgegengesetzte Richtung geschoben. Das Ventil wird durch den Impuls der Flüssigkeit geschlossen.  Das Produkt wird komprimiert und das Hochdruckauslassventil (Rückschlagventil) öffnet, das Produkt strömt in die angeschlossene Rohrleitung, die bei einer Gasflaschenfüllanlage in den Luftverdampfer führt. Das ist nur  möglich, wenn  die Pumpenleistung den im Luftverdampfer herrschende Druck überwindet. Das Niederdruckeinlassventil ist federgesteuert, es wird durch den anstehenden geodätische Höhe der Flüssigkeit und den herrschenden Tankdruck (NPSH) aufgedrückt. Die Bedeutung der Federkraft und des NPSH-Wertes werden im Abschn. 5.2.2.4 und 5.5 beschrieben. 

Der sich aufbauende Gasdruck verdrängt bei geschlossenem Gasrückgang die Flüssigkeit durch den Zulauf in den Tank. Dort steigt der Gasdruck unwesentlich. Die Pumpe enthält kein kühlendes Medium und wird in wenigen Stunden warm. Der Druck des Tanks kann nur noch im Rahmen des natürlichen Wärmeeintrags steigen. Beim Pumpentank mit Thermosiphon endet die Rohrleitung der Gasphase in der Flüssigphase des Tanks, aber oberhalb der Flüssigentnahmeleitung. Würde man den Zulauf im Ruhezustand schließen, könnte aus dem Thermosiphon über den Gasrückgang Flüssigkeit in die Pumpe gelangen. Der Zulauf ist gerade ausgeführt und kann deshalb während des Anlagenstillstands kein Gaspolster bilden. Es kann immer wieder Flüssigkeit in den Pumpenkopf laufen. Der Tankdruck würde steigen. Das sollte vermieden

Abb. 5.7  Prinzipskizze eines Pumpenkopfes der Hochdruckkolbenpumpe

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

79

werden (siehe Abschn. 6.2.3). Würde man Zulauf und Gasrückgang schließen, würde das Sicherheitsventil das entstandene Gas abblasen. Vorteilhaft ist es, einen drehzahlgesteuerten Motor zu verwenden. Mit diesem kann die Pumpdauer beeinflusst werden. cc

Hinweis:  Eine lange Laufzeit kommt der Standzeit der Pumpe entgegen. Die Pumpe bleibt kalt und alle thermischen Prozesse laufen mit weniger Wiederholungen/Lastwechseln ab.

Eine gleichmäßige Pumpgeschwindigkeit über die gesamte Laufzeit ist anzustreben. Ist bekannt, wie viel Behälter gefüllt werden und welche Zeit dazu zur Verfügung steht, kann ermittelt werden, wie lange die Pumpe ohne Unterbrechung laufen kann. Diese Zeit sollte genutzt werden und kommt, wie bereits erwähnt, der Standzeit der Pumpe entgegen. Natürlich ist man bestrebt, möglichst schnell die Gasflaschen/Druckgasbehälter zu füllen. Es wurde beobachtet, dass zu diesem Zweck die Pumpgeschwindigkeit anfangs e­ rhöht und die Drehzahl der Pumpe reduziert wurde, wenn sich der Druck in den Druckbehältern dem Zulässigen nähert. cc

Hinweis:  Es ist falsch zu glauben, dass anfangs eine hohe Geschwindigkeit mit Absenken der Pumpgeschwindigkeit zum Ende der Befüllung die Entwicklung der Kompressionswärme reduziert.

Diese Kompressionswärme ist letztendlich dafür verantwortlich, dass sich der Behälter erwärmt und der Druck auch dadurch ansteigt. Die zulässige Grenze wird erreicht, obwohl noch nicht die gewünschte Masse im Behälter ist. Das kann nicht mit einer Verlangsamung der Füllgeschwindigkeit zum Ende der Befüllung ausgeglichen werden. Es ist unbedeutend, wie die Kompressionsenergie in dem Behälter entsteht, sie fällt in jedem Fall an, ob schnell oder langsam laufende Maschine. cc

Hinweis:  Der Vorteil einer langsam laufenden Pumpe besteht darin, dass die Zuführung der Kompressionswärme über einen zeitlich längeren Abschnitt verteilt wird. Die Wärme kann gleichmäßiger in das Material eindringen und an die Umgebung abgegeben werden, dadurch steigt die Temperatur weniger punktuell an.

Durch die langsame Befüllung steigt der Druck weniger stark an und es stellt sich ein niederes Temperaturniveau ein. Wärme kann über einen längeren Zeitraum an die Umgebung abgegeben werden. Das wird durch eine entsprechende Temperaturverteilung an der Flasche, die liegend oder stehend gefüllt wird, sichtbar. Die liegende Variante entspricht den CNG-Tanks im Fahrzeug oder einem liegenden Gasflaschenbündel, beispielsweise zur Versorgung der Satelliten-Erdgastankstelle. Wird der Druckgasbehälter stehend befüllt, ist der oberer Bereich, die Schulter, am wärmsten. An der CNG-Tankstelle ist eine langsam laufende Pumpe nicht machbar, da immer der Wunsch bestehen wird, das Fahrzeug möglichst schnell zu betanken. In der Fahrzeugbe-

80

5 LNG-Anwendungen

tankung schaltet die Anlage druckgesteuert, unabhängig von der abgegebenen Menge, ab. Es ist davon auszugehen, dass das Volumen des Behälters nicht die Masse aufgenommen hat, die bei niederer Temperatur möglich wäre. Praxishinweis

Es ist vorteilhaft, die Pumpenzyklen möglichst lang zu betreiben, bzw. die Laufzeit möglichst über den Tag zu verteilen. Das wird mit reduzierter Pumpendrehzahl erreicht und kommt der Standzeit der Pumpe zu gute. Das LNG strömt in den Arbeitszylinder und wird durch die zyklische Kolbenbewegung in den Verdampfer gedrückt. Der Pumpenkopf wird zum Pumpen gekühlt, das verdampfte Kühlmedium, LNG, geht als Gasphase in den Tank zurück. Nach Prozessende wird der Tank von der Pumpe getrennt. Das im Pumpenkopf verbleibende Produkt verdampft und geht als Gasphase zurück in den Tank. Die Pumpe erwärmt sich.

5.2.2.3 Einfluss der Kolbenstangendichtung auf die Standzeit der Kryopumpe Mit der Kolbenstange wird die Kraft des Motors auf den Kolben übertragen. Sie kommt aus dem relativ warmen Getriebe und verbindet den kalten Kolben mit der Pumpe. Im kolbennahen Bereich ist die Kolbenstange daher kühl, sodass Luftfeuchtigkeit kondensieren kann. Sie sollte also nicht mit Luft in Berührung kommen. Die Feuchtigkeit der Luft kondensiert an der sehr kalten Oberfläche und sofort werden Eiskristalle gebildet. Sie beschädigen die empfindlichen Dichtlippen der Kolbenstangendichtung. Die Standzeit der Pumpe wird dadurch minimiert. Vorteilhaft ist es, die Kolbenstange mit einem trockenen Gas mit geringem Überdruck zur Umgebung zu umspülen. Dazu eignet sich in der Regel die Gasphase des geförderten Mediums. Das ist für Erdgas aber technisch nicht einfach zu lösen. Deshalb wäre zu überlegen, mit trockenem Stickstoff zu arbeiten, was natürlich zusätzliche Kosten verursacht. Es ist darauf zu achten, dass der Druck dieses Spülgases beim Eindringen in den Getriebekasten (im Fall, des Versagens der Dichtung) diesen nicht zum Platzen bringt, dieser ist nämlich in der Regel nicht druckfest ausgelegt. Die Dichtheit der Kolbenstangenabdichtung ist ständig zu kontrollieren (z. B. Methansensor) und bei angezeigtem Leck wieder durch Wechsel der Dichtung herzustellen. Austretendes Methan stellt ein Sicherheitsrisiko dar.  In der Vergangenheit wurde eine andere Möglichkeit mit der Montage einer Manschette zwischen Getriebe und Pumpenkopf versucht. Der Erfolg stellte sich nur bedingt ein. Eine undichte Kolbenstange läßt Methan in die Umgebung austreten, das muß unter allen Umständen vermieden werden. Eine Kolbenstange wird nicht nur durch die reibenden  und verschleißenden Eiskristalle undicht, sondern auch, wenn Pumpenkopf und Getrieb nicht genau fluchten. Dann werden die Lippen der Dichtungen einseitig belastet. Dieser Monategfehler führt zwangsläufig nach kurzer Laufzeit zu Undichtigkeiten. Diese Arbeit verlangt äußerste Präzision, denn hierbei kommt es auf wenige 100stel mm an. 

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

81

cc

Hinweis:  Ist die Kolbenstange undicht, muss der Pumpenkopf gewechselt werden. Das genaue Ausrichten nach dem Wechsel des Pumpenkopfes ist unbedingt zu beachten, die Kolbenstange muss mit Austritt Pumpenkopf und Austritt Getriebe genauestens fluchten.

cc

Sicherheitshinweis: Der Austritt der Kolbenstange aus dem Pumpenkopf ist mit einem Methansensor zu überwachen. Dieser zeigt jegliche Undichtigkeit an. Anhand der Messergebnisse ist über den Austausch des Pumpenkopfes zu entscheiden. Ein zündfähiges Gasgemisch stellt sich bereits bei 4,4  % Methan in der Luft ein. Das ist ein Sicherheitsrisiko.  Zusammenfassung

Die Standzeit der Pumpe wird wesentlich vom Dichtungsverschleiß an der Kolbenstange beeinflusst. Die einseitige Belastung der Kolbenstangendichtung ist durch ein genaues Ausrichten des Pumpenkopfes zu vermeiden. Der Austritt der Kolbenstange aus dem Pumpenkopf ist mit einem Methansensor zu überwachen. Ein zündfähiges Gemisch stellt sich bereits bei 4,4 % Methan ein.

5.2.2.4 Bedeutung des Tankdrucks und der Federcharakteristik für die Förderleistung Die Federcharakteristik hat maßgeblichen Einfluss auf die Arbeitsweise der Pumpe. Im Ruhezustand zieht sie das Einlassventil der Kammer zu und wird im Arbeitszyklus durch den geodätischen Druck im Zusammenspiel mit dem Unterdruck in der Kammer geöffnet. Ist diese zu hart, muss der Gesamtdruck des Tanks entsprechend hoch sein. Das verschlechtert die Förderleistung. Ein sicheres Öffnen bei ansaugendem Kolben ist nicht oder nur verzögert möglich. Der Siedepunkt wird erreicht, es kommt zur Dampfbildung in der Kammer, sodass sie nicht richtig gefüllt wird. Die Pumpenleistung entspricht nicht den Erwartungen. Ein hoher geodätischer Druck bei niederem Gleichgewichtsdruck führt zu einer verbesserten Fördermenge. Durch den niederen Gleichgewichtsdruck ist die Dichte der Flüssigkeit am höchsten, die Flüssigkeit wird schwerer und somit steigt auch der geodätische Druck. Diese Drucksteigerung wird oftmals durch eine erhöhte Aufstellung des Tanks unterstützt. cc

Hinweis:  Ein hoher geodätischer Druck und ein geringer Gleichgewichtsdruck verbessern die Förderleitung der Pumpe.

Zum Erreichen eines höheren geodätischen Drucks baut man sogenannte Fußverlängerungen unter den Tank. Diese aufstellungsvariante hat den Vorteil, dass fallende Dichte (Erwärmung der Flüssigkeit und Anstieg des Gleichgewichtsdrucks im Tank) durch die größere Höhe teilweise kompensiert werden kann (siehe Abb. 5.9). Mit steigendem geodätischem Tankdruck bildet sich vor dem Einlassventil der Pumpe unterkühlte ­

82

5 LNG-Anwendungen

­ lüssigkeit. Sie enthält theoretisch keinen Gasanteil. Es wird eine maximal mögliche F Dichte erreicht. Ist die Feder zu weich, ist ein sicheres und schnelles Schließen des Ventils beim zurücklaufenden Kolben nicht gewährleistet. Ein Teil der Flüssigkeit in der Kammer wird wieder herausgeschoben, aber nicht über das Auslassventil, sondern über das Einlassventil. Zusammenfassung

Ein hoher geodätischer und ein niederer Gleichgewichtsdruck ermöglichen eine maximale Fördermenge. Die Federcharakteristik ist zusätzlich ausschlaggebend für die Pumpleistung.

5.2.2.5 Hinweise zur Aufstellung und Installation der Kryopumpen Voraussetzung einer einwandfrei arbeitenden Kryopumpe ist die geeignete Tankverrohrung, d. h. ein geeigneter Tanktyp, und ein entsprechender Anschluss der Pumpe (Abb. 5.8). cc

Hinweis:  Der Zulauf vom Tank zur Pumpe sollte mindestens einen Durchmesser von 25 mm, der Gasrückgang mindestens 20 mm haben.

Von Vorteil ist die Aufstellung eines Pumpentanks, der durch einen Siphon gekennzeichnet ist. Der Kältetank ist nur eine Notlösung, da er nicht für einen Pumpenbetrieb konzipiert wurde und daher die Leitungsquerschnitte zu klein sein können. Auf die Querschnitte von Zulauf und Gasrückgang ist bei diesem Tanktyp besonders zu achten. cc

Hinweis:  Der vakuumisolierte Zulauf und der Gasrückgang sollten möglichst kurz sein und niemals senkrecht, sondern stets schräg verlegt werden.

Eine kurze Leitung minimiert die Wärmeaufnahme durch das Produkt. Das trotz alledem entstandene Gas steigt einseitig gegen die Zulaufrichtung durch den schräg verlegten

Abb. 5.8  Prinzipskizze für Anschluss der Hochdruckkolbenpumpe an Tank mit Thermosiphon

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

83

Zulauf auf. Wäre die Leitung senkrecht verlegt, geht das Gas als große Blase in den Tank zurück – damit würde der Zulauf behindert. Der Zulauf wird im gleichen Maße durch einen zu geringen Durchmesser des Gasrückgangs erschwert, da das Gas nicht schnell genug in den Gasraum des Tanks abgeführt werden kann. Zu wenig Flüssigkeit kühlt den Pumpenkopf ungenügend und verlängert die Kaltfahrzeit der Pumpe unter zusätzlicher Gasentwicklung und zusätzlichem Druckaufbau im Tank. Damit kann nicht genügend Flüssigkeit einströmen und das ganze System kann zum Erliegen kommen. Die Zulaufleitung und der Gasrückgang haben für Reparaturzwecke je ein Absperrventil. Die Ventile sind aufrecht zu stellen, maximal mit einem Neigungswinkel von 30°. Lassen dies die Rahmenbedingungen nicht zu, kann ein Ventil des Typs „Frees“ (Stöhr Valves), welches lageunabhängig verbaut werden kann, eingesetzt werden. Es ist möglich, dass Flüssigkeit durch Fehlbedienung eingeschlossen wird, daher ist diese Strecke durch ein Sicherheitsventil zu schützen. cc

Sicherheitshinweis:  Im Flüssigkeitsvorlauf oder im Gasrückgang muss ein Sicherheitsventil den möglichen Überdruck absichern. Dazu sind die Einbauhinweise für Sicherheitsventile in Kap. 6 zu beachten.

Die Pumpe sollte fest am Boden mittels eines Rahmens verschraubt sein. Von Vorteil ist es, wenn der Steuerschrank der elektrisch betriebenen Pumpe in unmittelbarer Nähe installiert wird. Es ist auf die Ex-Schutz-Ausführung des Schranks zu achten. LNG hat eine geringere Dichte (422,6 kg/m3) als Stickstoff (806,6 kg/m3) und andere Luftgase. Dieser Umstand könnte dazu führen, dass die Pumpe schlecht ansaugt. Abhilfe schafft eine weichere Feder für das Einlassventil und/oder eine größerer Zulaufhöhe (Fußverlängerung, wie in Abb.  5.9 gezeigt). Diese hat allerdings zur Folge, dass durch die längeren Leitungen (Zulauf und Gasrückgang) mehr Wärme eingetragen wird. Bei Zuleitungslängen über 1,5 m wäre die Installation einer Triax-Leitung (siehe Abb. 11.8) ratsam.

Abb. 5.9  Empfehlungen zur Aufstellung einer Kryopumpe

84

5 LNG-Anwendungen Zusammenfassung

Der Weg zwischen Tank und Pumpe sollte möglichst kurz und schräg ausgeführt werden, damit einseitig im Rohr das Gas in den Tank aufsteigen kann. Der geodätische Druck der Flüssigkeit wird durch eine höhere Aufstellung des Tanks verbessert. Die Ventile sollten senkrecht stehen, Schräglagen bis 30° sind zulässig. Bei extremen Vo­ raussetzungen sind lageunabhängige Kryoventile zu verbauen. Im Flüssigkeitsvorlauf oder im Gasrückgang ist ein Sicherheitsventil zu installieren.

5.2.2.6 Energiebedarf der Kolbenhochdruckpumpe Die Energie für die Kompression des im Verdampfer gebildeten Gases, die Reibungsverluste der Kolben- und Dichtungsringe, müssen als elektrische Leistung zugeführt werden. Das von der Kryopumpe geförderte Volumen ist wesentlich geringer, die Masse aber wesentlich größer im Vergleich zum Kompressor. Daher liegt der Energiebedarf der Kolbenpumpe bei einem Bruchteil (bis zu ca. 1/10) des Bedarfs des Gaskompressors und kann mit 0,04–0,05 KWh/kg berücksichtigt werden. Im Fall abnehmender Dichte der Flüssigkeit, d. h. Siededruckanstieg im Tank, steigt der spezifische Strombedarf, denn nun fördert die Pumpe je Hub weniger Masse als unter geringem Siededruck. Praxishinweis

Der Energiebedarf ist geringer als bei einem Kompressor, jedoch steigt er mit abfallender Dichte oder steigendem Siededruck des LNG.

5.2.3 Gaskompression mit dem Liqui-Flow-Verfahren 5.2.3.1 Das Liqui-Flow-Verfahren Das vom österreichischen Patentamt geprüfte und in der Folge patentierte Verfahren (siehe Abb. 5.10) ist eine alternative Lösung und gegenüber den anderen beschriebenen Verfahren betriebswirtschaftlich, energetisch und ökologisch vorteilhafter. Das Verfahren befindet sich derzeit in der Phase des Markteintritts. Das Liqui-Flow-Verfahren wurde erstmals bei einer Erdgastankstelle angewendet, um LNG in CNG mit bis zu 300 bar zu überführen. Teile des Liqui-Flow-Verfahrens sind, wie bei dem Kryopumpen-Verfahren, ein Niederdruckteil und ein Hochdruckbereich. Die Trennung vom Teil des niederen Drucks, dem Tank und dem des höheren Drucks, dem Luftverdampfer und mit den nachfolgenden Baugruppen, erfolgt durch eine Art Schleusensystem – genannt Druckschleuse. In der Druckschleuse wird LNG dosiert und zyklisch mit dem pneumatischen Antrieb in den Verdampfer gedrückt. Die Menge des in den Verdampfer dosierten LNG bestimmt den zu erwartenden Druck im Hochdruckteil der Anlage. Da sich ausschließlich Ventile öffnen und schließen und ein langsam laufender Kolben die jeweilige Kammer leert oder füllt, ist im Vergleich zur Kompressoranlage und zur Kryopumpe ein geringerer Wartungsaufwand zu erwarten (ca. 10.000 Betriebsstunden).

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

85

Abb. 5.10  Vereinfachtes Schaltschema des Liqui-Flow-Verfahrens. In der Perliteschüttung befindet sich die Druckschleuse, die den Niederdruckteil vom Hochdruckteil trennt

Im Liqui-Flow-Verfahren fließt LNG aus dem für 18  bar zugelassenen Tank  allein durch den geodätischen Druck in die Druckschleuse. Ist diese vollständig gefüllt, werden die Ventile der Druckschleuse geschlossen. Darauf beruht ein Vorteil des Verfahrens. Während der Kolben mit der einen Seite LNG in den Luftverdampfer drückt, läuft LNG aus dem Tank auf der anderen Seite des Kolbens zu. Die Flüssigkeit hat keinen Gasanteil (x = 0). Die maximal mögliche Masse wird gefördert. Mit dem nächsten Hub drückt der Kolben die Flüssigkeit in den Verdampfer. Im Luftverdampfer, dieser bildet mit den angeschlossenen Speichern einen abgeschlossenen Raum, und wird die Flüssigkeit ausschließlich durch Zuführung der Umgebungswärme verdampft. Dadurch stellt sich der gewünschte hohe Gasdruck im Verdampfer und in den nachgeschalteten Speichern ein. Die zyklischen Kolbenbewegungen laufen langsam ab, wodurch weniger Verschleiß auftritt und – im Vergleich zum schnell laufenden Kompressor oder zur empfindlichen Kryokolbenpumpe – der Wartungsaufwand geringer ausfällt. Die Grenze der Druckentwicklung wird einzig durch die Dichte der überkritischen Gasphase bestimmt, denn mit dem erzeugten Gasdruck muss der Kolben bewegt werden. Ist die Dichte der überkritischen Phase zu hoch, ist keine Förderung mehr möglich. In diesem Fall wird die gleiche Menge gefördert, die zum Bewegen des Kolbens verlangt wird.

86

5 LNG-Anwendungen

Das Steuermedium, CNG, wird zur Bewegung des Kolbens im System erzeugt. Folglich wird für dessen Bewegung kein Strom benötigt. Durch den Verzicht auf elektrische Energie zum Antrieb des Kolbens zeichnet sich ein besonderer ökologischer Vorteil ab. Neben dem Nutzen der Umgebungswärme zur Kompression hat das Verfahren eine weitere Besonderheit: Die unterkühlte Flüssigkeit fließt der Kammer durch den geodätischen Druck zu. Damit wird das Erreichen der Siedelinie im kalten Pumpenkopf (auf Siedetemperatur gekühlt) ausgeschlossen. Das im Luftverdampfer zyklisch entstandene Hochdruckgas wird im Speicher aufgefangen und die pulsierenden Druckstöße werden durch die Volumenerweiterung in den Druckgasbehältern geglättet. Der Speicher entspricht in etwa der Ausführung der Kompressor betriebenen Tankstelle, nur werden weniger Speicherflaschen verbaut. Im Liqui-Flow-Verfahren hat die Speicherung ausschließlich die Funktion der Glättung der Druckspitzen, die Speicherfunktion ist wegen der möglichen hohen Förderleistung unbedeutend. Das CNG wird Just-­ in-­time bereitgestellt. Der Speicher stellt zusätzlich das Steuermedium für den Kolben bereit. Dieses Steuermedium ist eine Teilmenge der gesamten Förderung. In der Kolbenpumpe läuft ein ähnlicher Prozess ab. Hier wird die Flüssigkeit allerdings durch den zurücklaufenden Kolben angesaugt. Damit entsteht ein geringer Unterdruck, der das Öffnen des Einlassventils unterstützt. Dieser Unterdruck kann die unterkühlte Flüssigkeit in eine siedende überführen. Wenn das passiert, wirkt es sich negativ auf den Liefergrad der Pumpe aus, denn im Augenblick des Siedepunktes wird der Dampfanteil erhöht. Bei einer Pumpe laufen die Zyklen mehrere 100 Mal pro Minute ab, im Liqui-­ Flow-­Verfahren wesentlich weniger oft. Zusammenfassung

Beim Liqui-Flow-Verfahren läuft LNG durch den geodätischen Druck in die Kammern der Druckschleuse. Der Kolben drückt die Flüssigkeit in den Luftverdampfer und gibt die andere Kammer zum Befüllen frei. Im Luftverdampfer entwickelt sich der hohe Druck einzig durch Zuführung der Umgebungswärme. Der Kolben wird mit Eigenmedium angetrieben.

5.2.3.2 Hinweise zur Installation der Druckschleuse im Liqui-Flow-­Verfahren Die Druckschleuse ist, wie die Pumpe, die Schnittstelle zwischen Nieder- und Hochdruckteil einer Erdgastankstelle, die mit LNG versorgt wird und dieses in CNG überführt. Die Druckschleuse ist in einem Modul verbaut, in dem alle Armaturen und Messleitungen installiert sind. Dieses Modul wird vorgefertigt zur zukünftigen Tankstelle geliefert und dort mit kurzen Rohrleitungen unmittelbar neben dem Tank angeschlossen. Für den Zulauf wird je eine Leitung auf den Kühlmantel und je eine weitere für die rechte und linke Kammer der Druckschleuse installiert. In der Zulaufleitung ist ein Absperrventil zu platzieren. Mit dem Schließen dieses Ventils wird die Anlage abgestellt, anders ist dies bei einer Pumpe,.

5.2  Möglichkeiten der Gaskompression

87

Die entstehende Gasphase wird direkt in den Tank geleitet, wird aber nicht wie beim Pumpentank unten in die Flüssigkeit, sondern oben im Gasraum in den Tank eingebunden. Sind Gas- oder Phasentrenner am Gasrückgang von Kühlmantel und den Kammern installiert, können die Leitungen der Gasrückgänge in den Tank zusammengeführt an den Gasraum angeschlossen werden. cc

Hinweis: Jeder Gasrückgang ist mit einem Absperrventil versehen. Daher muss nach jedem Gastrenner ein Sicherheitsventil gesetzt werden, da nicht auszuschließen ist, dass das Absperrventil geschlossen wird. Sollte noch Flüssigkeit in einer der Kammern der Druckschleuse verbleiben, entweicht das Gas durch das Hochdruckauslassventil in den Verdampfer. Dieser ist mit einem Sicherheitsventil abgesichert.

Ohne Gastrennung benötigen der Kühlmantel und die Kammern eigene Gasrückgänge. Es muss nämlich darauf geachtet werden, dass sich der Gasrückgang des Kühlmantels und der Gasrückgang der Kammern nicht gegenseitig behindern. Eine entsprechende ­Rohrführung schließt das aus. Um der genannten Behinderung vorzubeugen, ist es vorteilhaft, für den Gasrückgang der Kammern eine separate Leitung in den Gasraum des Tanks zu ziehen. Das muss bereits bei der Verrohrung des Tanks berücksichtigt werden (siehe Abschn. 6.2.2.4). Zusammenfassung

Die Druckschleuse des Liqui-Flow-Verfahrens wird als Moduleinheit zur Tankstelle geliefert und dort über kürzeste Rohrleitungsanschlüsse mit dem Tank verbunden. Je nach Ausrüstung wird der Gasrückgang gestaltet. Die Druckschleuse hat einen eigenen Kühlkreislauf. Vorteilhaft ist der Einbau eines Gastrenners für jede Leitung.

5.2.3.3 Energiebedarf des Liqui-Flow-Verfahrens Für alle Verfahren sind die Energiekosten und die erforderliche zu installierende Leistung ausschlaggebend. Sind die Energiekosten noch beherrschbar, ist die Installation der geforderten elektrischen Versorgungsleitung oftmals problematisch. Auch für eine Tankstelle mit Liqui-Flow spielt die benötigte Energie zur Verdampfung und Kompression eine Rolle (siehe Abschn. 5.2.1). Sie kommt, im Gegensatz zu anderen Verfahren, zu 100 % aus der Luft, kostenlos und unbegrenzt. Der Druck kann bedarfsgerecht erhöht werden, die Betankungszeit wird durch einen starken Massenstrom minimiert. So genügt ein einfacher 240 V-Anschluss zur Versorgung der automatischen Anlagensteuerung. Diese Versorgung kann auch über eine Photovoltaikanlage, ergänzt mit einem Batteriespeicher, ersetzt werden. Zusammenfassung

Das Verfahren benötigt zum Druckaufbau und zur Verdampfung des LNG keine Fremdenergie. Diese wird ausschließlich der Umgebung entzogen. Lediglich die Steuerung muss mit einer Spannungsquelle für 240 V versorgt werden.

88

5.3

5 LNG-Anwendungen

CNG-Tankstellen

CNG wird aus der Gasleitung oder aus dem LNG-Tank (Abb. 5.11) bereitgestellt. Nur mit dem Kompressor kann Gas aus der Gasleitung auf Speicherdruck gedrückt werden. Bei einer LNG-Versorgung kann das Gas zusätzlich mit der Kryopumpe oder dem Liqui-­ Flow-­Verfahren komprimiert werden. Kommt der Kompressor zum Einsatz, ist das LNG vorher zu regasifizieren. Der Platzbedarf ist bei vielen Tankstellen ein nicht zu unterschätzendes Problem. Man wird kaum einen Standort finden, an dem neben der traditionellen Tankanlage Raum für eine leistungsstarke Kompressoranlage (Platzbedarf ca. 100 m2) zur Verfügung steht.

5.3.1 Erdgastankstellen mit Kompressor Die technische Machbarkeit der Gaskompression mit einem Kompressor wurde mehrfach bewiesen. In jeder kleinen Werkstatt steht ein Kompressor für die Druckluftwerkzeuge. Mit steigendem Druck und großem Fördervolumen werden solche Anlagen komplexer und daher seltener. Der Kompressor braucht einen leistungsstarken Starkstromanschluss. Sollen große Volumina verdichtet werden, muss außerdem eine leistungsstarke Gasversorgung verfügbar sein. Wenn beispielsweise pro Stunde mehr als 1500 Nm3 Erdgas abgegeben wer-

Abb. 5.11  CNG-Tankstelle. Basis LNG, wird im Tank bevorratet und mit Kryopumpe verdichtet. (Quelle: Rolande NL)

5.3 CNG-Tankstellen

89

den soll, müssen diese Voraussetzungen erfüllt sein. Mit diesem Volumen könnte man ca. 10 Autobusse oder 20 Transporter oder 50 Pkw betanken. Dieses Beispiel soll verdeutlichen, dass die Grenzen bezüglich Infrastruktur schnell erreicht werden. Derzeit sind an größeren Tankstellen in Stoßzeiten diese Leistungen für Benzin und Diesel üblich. Fehlt eine leistungsstarke Gasleitung dazu, könnte sie durch eine LNG-Versorgung kompensiert werden. Für eine Tankstelle, wie im zuvor genannten Beispiel, ist der anlagentechnische Aufwand erheblich. Für 1500 Nm3/h müssten beispielsweise 3 Kompressoren mit je 500 Nm3/h installiert werden. Diese wären in einer Halle unterzubringen, die über eine Kranbahn und weitere technische Ausrüstungen verfügt. Der Strom müsste mittels eigener Trafostation geliefert werden Schätzungsweise wäre eine Fläche von mindestens 150 m2 ­erforderlich, inklusive der erforderlichen Werkstatt und Sozialräume. Investitionskosten von mehreren Millionen Euro mit dieser Technologie schränken eine breite Marktdurchdringung des CNG erheblich ein. Zusammenfassung

Der große technische Aufwand, die hohen Investitionskosten und die ausgereifte Infrastruktur setzen der Erdgastankstelle mit Kompressor in der breiten Anwendung enge Grenzen.

5.3.2 Erdgastankstelle mit Kryopumpe Eine Erdgastankstelle, die mit einer Kryopumpe ausgestattet ist (siehe Abb. 5.11), setzt einen LNG-Tank voraus, der die Tankstelle mit Gas versorgt. Tank, Verdampfer und Speicher benötigen je nach Anlagenleistung eine Fläche von mindestens 30 m2. Die Pumpenleistung sollte mindestens 500 l/h liefern, was einem Volumen von ca. 300 Nm3/h gleichkommt. Damit kann die Tankstelle bei entsprechender Speicherkapazität theoretisch über 6000 Nm3 pro Tag abgeben. Die Laufzeit der Pumpe, mit wenigen kurzen Unterbrechungen, wirkt sich positiv auf deren Standzeit aus. Selbst bei leerem Speicher können noch 2 Busse pro Stunde betankt werden. Vor der Befüllung der Speicher ist das Gas zu odorieren, denn es darf nur odoriertes Gas abgegeben werden.  Eine Starkstromversorgung ist Voraussetzung für den Betrieb der Pumpe, die einen Anschlusswert von etwa 20  KVA haben sollte. Die Schraubverbindung, die nicht geschweißten Verbindungen und die Kolbenstange der Pumpe sind mit Methansensoren zu überwachen. Eine Leistungssteigerung ist durch Austausch der Pumpen und Erweiterung der Verdampferfläche möglich. Die zunehmende elektrische Anschlussleistung ist vorher auf Machbarkeit zu prüfen, ebenso die Eigenschaften des LNG-Tanks und dessen Speichermenge. Zusammenfassung

Die geringen Investitionskosten und der geringe Flächenbedarf sowie die Möglichkeit zur Erweiterung sprechen für die Kryopumpe. Nachteilig sind die Wartungs- und

90

5 LNG-Anwendungen

Instandhaltungskosten durch die begrenzten Pumpenstandzeiten. Die Voraussetzungen zur Bereitstellung des erforderlichen Stroms sowie für einen größeren Tank sind vor Erweiterung der Leistung zu prüfen.

5.3.2.1 Prozesssteuerung der Kryopumpe Das Betriebsverhalten einer Kryopumpe bestimmt die Möglichkeiten der Prozesssteuerung. Eine Kryopumpe kann ohne erhebliche Gasentwicklung nicht kalt gehalten werden. Dafür ist die Isolierung, die den Pumpenkopf umschließt, nicht ausgelegt. Das bedeutet, die Anlage muss vor jedem Start erneut kaltgefahren werden. Die Automatisierung des Vorgangs wäre zu untersuchen und erscheint aus gegenwärtiger Sicht machbar. In jedem Fall sollten alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden, um möglichst lange Pumpzyklen zu erreichen. Die Pumpleistung muss dazu nicht maximiert, sondern minimiert und das Gas in entsprechend große Speicher gedrückt werden. Diese müssen nicht auf die maximale Pumpleistung, sondern sollten auf den Tagesbedarf ausgelegt werden. Die Speicher werden zu Gruppen, den Speicherbänken, geschaltet. Die CNG-Abgabe erfolgt immer aus den Speichern. Diese sind kaskadisch zu entleeren. Ist der letzte Speicher nicht mehr in der Lage, den Fahrzeugtank auf einen Enddruck von 200  bar aufzufüllen, ist die Pumpe erneut zu starten. Die Speicher werden erneut gefüllt. Zusammenfassung

Die Pumpe muss nach dem Abschalten erneut kaltgefahren werden, manuell oder automatisch. Die Pumpdauer sollte durch Verringerung der Drehzahl maximiert werden. Dafür sind entsprechende Speicher zu installieren. Die Entnahme erfolgt immer aus den Speichern. Das Gas muß odoriert werden. 

5.3.3 Erdgastankstellen mit Liqui-Flow-Verfahren Eine Liqui-Flow-Erdgastankstelle (Abb. 5.12 und 5.13) entspricht in fast allen Teilen der Kryopumpen-Erdgastankstelle – mit Füllschlauch, Zapfsäule, Odorierung – hat aber im Gegensatz zu dieser keinen Kraftstromanschluss und sehr kleine Gasspeicher. Sie werden nicht auf die Tagesmenge ausgelegt, sondern dienen als Pufferbehälter und Pulsationsdämpfer. Die Anlage wird für die maximal erfoderliche Zapfleistung ausgelegt. Die Kompressions­ energie ist versorgungstechnisch bedeutungslos, da sie zu 100 % der Umgebung entzogen wird. Diese Energie ist unbegrenzt verfügbar, sodass eine minimale Pufferkapazität möglich ist. Die Anlage wird im Augenblick des Bedarfs (Just-in-time) und in kürzester Zeit dem Fahrzeug genügend Gas durch die sehr schnell erfolgende Verdampfung anbieten können. Eine Tankstelle für 2000 Nm3/h bei 300 bar hat einen Freiflächenbedarf von ca. 20 m2. Im Vergleich dazu benötigt eine Kompressoranlage eine Halle mit ca. 200 m2 und eine leistungsstarke Stromversorgung (ca. 700–800 KVA).

5.3 CNG-Tankstellen

91

Abb. 5.12  Prinzipskizze einer LCNG-Tankstelle mit dem Liqui-Flow-Verfahren. (Quelle: Hoffmann & Hoppestock, Wernigerode)

Abb. 5.13  Pilotanlage einer Erdgastankstelle nach dem Liqui-Flow-Verfahren, Leistung 2000 Nm3/h bei 300 bar – der Tank ist verdeckt. (Quelle: Hoffmann & Hoppestock GmbH, Wernigerode)

92

5 LNG-Anwendungen

Die freistehenden Liqui-Flow-Anlagen sind mit einem Anfahrschutz gesichert. Mit Kameras können die Abläufe an der Tankstelle überwacht werden. Der Abgasschlot macht ein gefahrloses Abziehen von eventuell entstehenden Erdgaswolken möglich. Die Sicherheitsabstände von Zapfsäule und Gasaufbereitung müssen dem Regelwerk folgend eingehalten werden (siehe TRBS 3151). Mit der projektierten Zapfleistung sind pro Stunde ca. 10 Busse zu betanken. Damit mehrere Busse gleichzeitig Gas bekommen können, sind jedoch mehrere Zapfschläuche und eine entsprechende Schaltungen erforderlich. Die Leistung der Tankstelle erlaubt es, zusätzlich Satelliten-­Tankstellen zu versorgen. Diese ganannte hohe Zapfleistung und die stromlose Verdichtung machen diese zusätzliche Auslastung der Tankstelle möglich. Die Gasleitung und ein Starkstromanschluss entfallen, die Wartungs- und Instandhaltungskosten sind aufgrund langer Standzeiten der einzelnen Bauteile minimal. Gasaustritte sind wegen der kompakten Bauweise nicht zu erwarten, trotzdem werden NPT-­ Verschraubungen mit Methansensoren kontrolliert. Die Anlage läuft vollautomatisch und kann mit einer speziell entwickelten Software fernüberwacht werden. Der Arbeitsplatz „Betankung“, also vom Tankfahrzeug zum LNG-Tank der Tankstelle, ist als EINMANN-­ Arbeitsplatz gestaltet, sodass auch außerhalb der Betriebszeit gefahrlos LNG angeliefert werden kann. Mit der Druckschleuse wird die LNG-Menge dosiert. LNG wird mit dem Kolben der Druckschleuse in den Verdampfer gedrückt und verdampft. Da, abgesehen vom Anfahren der Anlage, im Verdampfer ein Druck von über 200 bar herrscht, bedarf es nur einer geringen Energiezufuhr, um die Flüssigkeit in den überkritischen Zustand zu überführen. Das bedeutet, die Verdampferfläche des Luftverdampfers kann relativ klein ausfallen. Konkret heißt das, ein Luftverdampfer für 400 Nm3/h benötigt diese Fläche nur, wenn der Anfangsdruck sehr gering ist. Es lohnt sich nicht, einen Luftverdampfer speziell für diese Ansprüche zu installieren, man setzt einen Standartverdampfer ein, der demnach überdimensioniert ist. Das hat den Vorteil, dass eine Leistungssteigerung allein durch die Erhöhung der Zahl der Lastspiele möglich ist. Gas strömt aus dem Verdampfer in die Puffer- und Steuerspeicher. Zuerst werden immer die Steuerspeicher auf Enddruck gefüllt, damit hat der Steuerspeicher den erforderlichen Steuerdruck zum Bewegen des Kolbens erreicht. Das danach produzierte Gas wird in den Fahrzeugtank geleitet. Ausschlaggebend ist die Ausbeute an Gas je Flüssigvolum­ eneinheit. Sie wird, ebenso wie bei der Kryopumpe, durch die Dichte der Flüssigkeit bestimmt. Hat die Flüssigkeit einen geringen Gleichgewichts- oder Siededruck, hat sie eine größere Dichte als bei hohem Siededruck. Die Gasausbeute bei geringem Siededruck ist größer als bei hohem. Des Weiteren muss die Flüssigkeit entgast sein. Nach Befüllen der Druckschleuse findet eine Entgasung statt. Dazu bleiben, im Gegensatz zum Pumpprozess, das Ein- und das Auslassventil für einen kurzen Augenblick offen, eventuell anfallendes Gas kann durch den Gasrückgang entweichen. Vorteilhafterweise wird bei längeren Zuleitungen ein Triax-Rohr eingebaut, damit das Gas bereits vor der Druckschleuse aus der Flüssigkeit abgeschieden wird und in den Gasraum des Tanks zurück geführt wird. Eine Kondesation des Gases in der Flüssigkeit des Tanks ist nicht möglich. Damit wird

5.4 Satelliten-Erdgastankstelle

93

auch der Siededruck im Tank durch dieses Gas nicht angehoben. Die Flüssigkeit tritt mit geringstem Gasanteil in die Druckschleuse ein.  Zusammenfassung

Die CNG-Zapfleistung kann durch modulare Erweiterungen (z. B. Liqui-Flow, patentiert) beliebig gesteigert werden. Die Flüssigkeit muss vor Eintritt oder in der Druckschleuse entgast werden. Der Flächenbedarf ist wesentlich geringer als für vergleichbare Tankanlagen, der Kraftstrombedarf ist null, die Anlage kann fernüberwacht werden.

5.3.3.1 Die Prozesssteuerung des Liqui-Flow-Verfahrens Die Prozesssteuerung erfolgt mit einer speziell entwickelten Software und verfolgt das Ziel eines vollautomatischen Prozessablaufs. Der Operator nimmt zur Betankung des Fahrzeugs die Zapfpistole auf und verbindet sie mit dem Fahrzeugtank. Der Tankprozess wird vollautomatisch gesteuert. Ein Eingriff in die Software vor Ort ist ohne entsprechende Zugriffsberechtigung nicht möglich und erfolgt von der zentralen Überwachung oder vor Ort. Die Ventile werden zum Teil pneumatisch, aber auch elektrisch angesteuert. Elektrisch arbeitende Ventile müssen den vorgeschriebenen Ex-Schutz aufweisen. Die Prozesse sind nicht redundant ausgelegt. Im Störfall sprechen die Sicherheitsventile oder die Schnellschlussabsperrarmatur (SAA) an. In einem solchen Szenario schaltet sich die Anlage automatisch ab und kann nur mit der entsprechenden Berechtigung wieder gestartet werden. Die Software ist mit einer Schnittstelle zur zentralen Überwachungssoftware ausgestattet. Sie greift laufend auf ausgewählte Daten der Sensorik zurück. Deren Auswertung erlaubt die Standzeit des jeweiligen Sensors zu prognostizieren. Ebenso überwacht die Prozesssteuerung Armaturen auf deren Schließ- bzw. Öffnungsverhalten. Kommt es zu kleinsten Abweichungen, werden diese signalisiert und es erfolgt eine manuelle Betrachtung der Erscheinung. So werden durch die Software die Sensoren und Armaturen ständig auf Zuverlässigkeit geprüft und vor allem deren Standzeit prognostiziert. Damit sollen unplanmäßige Anlagenstillstände vermieden werden. Zusammenfassung

Prozesssteuerung erlaubt den automatischen und gefahrlosen Umgang mit der Anlage. Die Steuerungssoftware ist an die zentrale Fernwartung angeschlossen. Über diese wird der Zustand der Anlage, der Sensoren und der Armaturen überwacht.

5.4

Satelliten-Erdgastankstelle

Eine Satelliten-Erdgastankstelle (siehe Abschn. 5.4.1) ist für die Markterschließung sowie für die schnelle und kurzfristige Versorgung eines Standortes gedacht. Sie besteht aus Hochdruckflaschenbündeln mit 300 bar (fest untereinander verbundene Gasflaschen), die

94

5 LNG-Anwendungen

zu bedarfsgerecht großen Gruppen zusammen geschaltet werden und nach Bedarf entleert werden. Die Gruppen können ebenso der Betankung von Pkw wie Bussen oder Lkw dienen. Die Betankung erfolgt in der gleichen Zeit wie an der Basisstation (Abb. 5.14). Eine Satelliten-Tankstelle (Basisvariante 4 Bündelgruppen  zu je 2 Bündeln, eines wurde in; Abb. 5.15 dargestellt) kann in ihrer kleinsten Variante bis 32 zu 40 Pkw betanken. Die angegebene Spanne kommt durch den unterschiedlichen Restdruck der Fahrzeuge zustande. Nach der Betankung der genannten Anzahl an Fahrzeugen ist die erste Bündelgruppe auf ca. 2–3 bar entleert, die anderen 3 Gruppen sind teilentleert. Die Betankung von Transporten und Bussen ist ebenfalls möglich, jedoch geht dann die Anzahl der zu betankenden Fahrzeuge extrem zurück – die Abtankmenge ist abhängig von den installierten Bündeln. Sollte diese Anforderung über einen längeren Zeitraum bestehen, ist die Speicherkapazität zu erhöhen. Das bedeutet, es müssen mehr Bündel zur Verfügung stehen oder eine Versorgung über Gastrailer ist vorzusehen, Diese werden nach den gleichen Prinzip betankt und entleert wie die Satelliten- Station. Das Prinzip der kaskadischen Entleerung wird bei einer Vergrößerung nicht verlassen, sodass die Kompatibilität zur Software erhalten bleibt. Satelliten-Erdgastankstellen werden auf der bestehenden Tankstellenanlage installiert und können in das System lückenlos eingebunden werden.  Stationen mit Gastrailern verlangen eine größte Standfläche und werden in den

Abb. 5.14 300-bar-­ Flaschenbündel. (Quelle: Fa. BBA Müller, Wittstock)

5.4 Satelliten-Erdgastankstelle

95

Abb. 5.15 Schematische Darstellung der kleinsten Satelliten-Erdgastankstelle mit 4 Bündelgruppen. (Quelle: Hoffmann & Hoppestock GmbH, Wernigerode)

s­ eltesten Fällen Raum auf einer bestehenden Tankstelle finden. Da mit diesen Busse und Transporter betankt werden, werden diese vorzugsweise auf dem jeweiligen Betriebshof stationiert.  Alle Anlagen benötigt zum Betrieb der Steuerung Strom, welcher dem bestehenden Netz entnommen oder durch eine Photovoltariklösung bereitgestellt wird. Das Gas ist bereits odoriert und komprimiert und strömt durch Druckausgleich in den Fahrzeugspeicher. Die Satelliten-Erdgastankstelle besteht aus einer handelsüblichen CNG-Zapfsäule, der Anlagensteuerung, der Fernüberwachungsanlage, der Datenkommunikation und den Erdgasflaschenbündeln. Die handelsübliche Zapfsäule kann in das Abrechnungssystem der bestehenden Tankstelle eingebunden werden. Die Gasflaschenbündel sind untereinander mit Rohrleitungen und Ventilen verbunden. In der kleinsten Ausführung kann alles in einem handelsüblichen Container oder einer Stahlrahmenkonstruktion untergebracht werden. Die Verbindung zwischen Bündel und Anlage ist mit Schnellkupplungen ausgeführt, eine spezielle Verriegelung an der Bündelgruppe stellt sicher, dass beim Tausch des Bündels die Verbindung mit der Anlage ordnungsgemäß erfolgte. Die Gasentnahme erfolgt kaskadisch. Das heißt, es wird immer zuerst aus der Bündelgruppe/der Trailer mit der geringsten Druckdifferenz zum Fahrzeugtankdruck Gas entnommen. Ist der Druckausgleich zwischen der Bündelgruppe und dem Fahrzeugtank hergestellt, wird die nächste Bündelgruppe zugeschaltet, usw. Eine zentrale Steuereinheit regelt, aus welchem Bündel/Trailer das Gas entnommen wird. Um den Druck der Bündelgruppe mit dem geringsten Druck möglichst weit abzusenken, wird diese ständig abgesaugt, sodass der Druck bis auf 2–3 bar sinkt. Ist dieser Druck erreicht, gilt die Bündelgruppe/Trailer als leer und wird automatisch zum Tausch gemeldet. An einem zentralen

96

5 LNG-Anwendungen

Rechner wird der Füllstand der Bündel/Trailer angezeigt und der Verlauf der Entnahme beobachtet. Aufbauend auf diesen Zahlen kann der nächste Austausch prognostiziert werden. Zusammenfassung

Eine Satelliten-Erdgastankstelle dient der Markterschließung oder einer kurzfristigen und schnellen Versorgung eines Standortes. Sie versorgt Kunden mit geringer jährlicher Abnahme mittels Erdgasflaschenbündel (300  bar). Die Bündelgruppen werden auf 2–3 bar entleert. Die Alternative dazu ist die Trailerstation.

5.4.1 Füllen von Erdgasflaschen, Erdgasbündel und Erdgastrailer Die Flaschen, Bündel und Trailer für CNG werden an der Basisstation gefüllt. Aus Sicherheitsgründen und zur Vermeidung von Verschmutzungen (Eindringen von Luftfeuchtigkeit) sind sie mit Restgasventilen (auch Restdruckventile genannt) auszustatten. Diese schließen jede Verschmutzung des Inneren der Druckbehälter, insbesondere mit Luft, aus. Bei Bedienfehlern eines herkömmlichen Ventils wäre es möglich, dass durch ein nicht ganz geschlossenes Ventil Luft und damit Feuchtigkeit in die Flasche gesaugt wird. Abhilfe könnte nur ein umfangreicher Reinigungsprozess schaffen, der wegen Einhaltung von Umweltauflagen technisch sehr anspruchsvoll ist. Das ist neben der Sicherheit der Grund für die Notwendigkeit von Rastgasventilen. Flaschen, Bündel und Trailer werden mit einer Kryopumpe oder über das Liqui-­Flow-­ Verfahren gefüllt. Die Füllung aus der Gasphase mit Kompressor verlangt im Vergleich zur Kryopumpe einen wesentlich höheren Energieaufwand. Das Liqui-Flow-Verfahren ist das energetisch günstigste, denn es entnimmt die Kompressionsenergie aus der kostenlos verfügbaren Luft. Bei  der Befüllung mit einem Kompressor muss davon ausgegangen werden, dass das Flascheninnere durch Rückstände aus dem Kompressor verschmutzt. Nach einer einmaligen Befüllung sollte keine Verschmutzung erkennbar sein, jedoch kumuliert sie nach zahlreichen Wiederholungen. Man unterscheidet die manometrische und gravimetrische Befüllung. Im manometrischen Verfahren wird nach Druck abgefüllt. Der normierte Fülldruck von 200 bar bezieht sich auf 15 °C. Das bedeutet, die Flaschentemperatur muss während der Befüllung beachtet werden. Ist die Flasche warm (Sommer) muss zur Befüllung mit der zugeordneten Masse der Fülldruck höher als der nominelle Flaschendruck sein, ist sie kalt (Winter) muss er unter diesem liegen. Eine Tabelle gibt dem Abfüller Auskunft, wie hoch der Fülldruck sein sollte. Das Verfahren ist relativ ungenau. Bei der gravimetrischen Befüllung wird nach Gewicht gefüllt. Eine Flasche, die Referenzflasche, wird auf die Waage gestellt und die Masse des einzufüllenden Gases an Hand des eingeprägten Volumens berechnet. Das übernimmt erfahrungsgemäß der Füllanlagenrechner, der die erforderliche Masse anhand des eingegebenen Flaschenvolumens ermittelt. Ist die Masse in der Referenzflasche erreicht, ist die gesamte Gruppe, unabhängig von der herrschenden Temperatur normgerecht gefüllt. Der Füllprozess wird über die ­ermittelte

5.4 Satelliten-Erdgastankstelle

97

Masse gesteuert und damit beendet. Es ist unerheblich, wie groß das zu füllende Volumen ist, man muß jedoch wissen, je größer die Differenz des Volumens zwischen Referenzflasche und zu befüllender Einheit ist, je größer kann der Fehler werden. Trotz alledem ist diese Variante die zuverlässigste, da die Temperatur an der Flasche nur hinreichend genau ermittelbar ist.  Damit in einer Befüllung mit Referenzflasche alle Flaschen die gleiche Menge in Abhängigkeit ihres geometrischen Volumens bekommen, müssen die Druckverluste in den Zuleitungen ähnlich sein. Am Ende der Befüllung haben alle Flaschen den gleichen Druck und die ihrem geometrischen Volumen zuzuordnende Masse. Der Druck stellt sich entsprechend dem Temperaturniveau ein, spielt aber nun keine Rolle mehr. Wird zu schnell gefüllt, steigen die Temperatur und damit der Druck auf einen unzulässigen Wert, die Anlage schaltet automatisch ab, obwohl noch nicht das erforderliche Endgewicht in den Behältern erreicht war. Nach einer gewissen Verweilzeit, in der sich die Flasche abkühlt und der Druck auf einen zulässigen Wert gesunken ist, kann auf Endmasse gefüllt werden. Eine einfache Erhöhung der spezifischen Füllgeschwindigkeit erreicht man, indem mehrere Behälter (Flaschen oder Bündel) gleichzeitig gefüllt werden; also indem das Füllvolumen je Füllvorgang vergrößert wird. Da die geförderte Masse gleich ist, sie sich aber auf mehrere Behälter aufteilt, verlängert sich die absolute Füllzeit, die spezifische aber verringert sich. Beide Verfahren haben eines gemeinsam: Zu hohe Füllgeschwindigkeiten erzeugen eine zu hohe Kompressionswärme, sodass der zulässige Fülldruck von 250 bar zu schnell erreicht wird. Die Behälter haben nach dem Temperaturausgleich nicht die gewünschte Füllmenge. Besonders extrem ist diese Erscheinung bei 300-bar-Gebinden, wie sie für die Satelliten-Tankstelle gebraucht werden. In Kenntnis der Kompressionswärme wird in der manometrischen Füllung die Flaschentemperatur mit einem angelegten Temperaturfühler überwacht. Kommt es zum Temperaturanstieg, wird an manchen Anlagen die Füllgeschwindigkeit der Pumpe mit einem drehzahlgeregelten Motor reduziert. Man erhofft sich, dass diese Vorgangsweise eine schnellere Befüllung erlaubt. Das wurde bisher nicht nachgewiesen. Praxishinweis

Die Druckbehälter sind mit Restgasventilen oder Restdruckventilen auszustatten. Die gravimetrische Füllung der CNG-Flaschen, Bündel oder Trailer ist einer manometrischen vorzuziehen. Die Befüllung aus der Flüssigphase ist derjenigen aus der Gasphase vorzuziehen. Bei einer gravimetrischen Befüllung sind die Druckverluste in den Zuleitungen durch entsprechende Querschnitte auszugleichen. Bei einer manometrischen Befüllung ist man nicht sicher, ob die Druckbehälter über- oder unterfüllt ist/sind.

5.4.2 Energiebedarf der Satelliten-Erdgastankstelle Die Satelliten-Erdgastankstelle gibt komprimiertes und odoriertes Gas ab, sodass für diesen Prozess keine Energie benötigt wird. Die Absaugung der Restmenge zum vollständigen Entleeren der Bündelgruppen erfolgt stromlos durch Nutzen strömungstechnischer

98

5 LNG-Anwendungen

Effekte. Nur die Steuerung benötigt eine 240 V-Stromquelle. Dies kann das vorhandene Netz stellen, ebenso wäre eine autarke Photovoltaikanlage in Kombination mit einem Batteriespeicher denkbar. cc

5.5

Hinweis:  Eine Satelliten-Erdgastankstelle benötigt einzig für die Anlagensteuerung elektrische Energie.

 edeutung der Haltedruckhöhe im Liqui-Flow-Verfahren B und für Hochdruckkolbenpumpen

Die Haltedruckhöhe oder der NPSH-Wert (Net Positive Suction Head) beschreibt speziell die Ansaugverhältnisse einer Kreiselpumpe und wird teilweise auch auf Kolbenpumpen übertragen. Für Kryopumpen sollte die Bedeutung dieses Wertes nicht überschätzt werden. cc

Hinweis:  Gute Zulaufverhältnisse (z.  B. direkt unter dem Tank), eine Zuleitung mit ausreichendem Querschnitt (ca. 25 mm) und ein gut funktionierender Gasrückgang sind ausschlaggebend für die zuverlässige Funktion der Kolbenpumpe.

In der Pumpe befindet sich Flüssigkeit im Bereich um den Siedepunkt. Da sich siedende Flüssigkeit völlig anders verhält als Flüssigkeiten weit unter dem Siedepunkt – wie es auch für Wasser, Öl usw. der Fall ist – sind Vergleiche mit diesen Stoffen nur bedingt aussagefähig. Für die Anwendung einer Kryopumpe ist zu beachten, dass Flüssigkeitsvorlauf und Gasrückgang gut kommunizieren können. Die Beachtung besonders der Druckverhältnisse, d. h. Gasdruck und Flüssigkeitsdruck sind ausschlaggebend. Für die NPSH-Wert Berechnung einer Kolbenpumpe sind die Zulaufverhältnisse, die Zulaufhöhe, der Siededruck, die Strömungsgeschwindigkeit in der Zuleitung und die Flüssigkeitsdichte zu berücksichtigen. Die Pumpe steht unter dem Tank, eindringende Wärme führt je nach Zustand der Flüssigkeit (unterkühlt oder auf dem Siedepunkt) zur Gasbildung, woraufhin der NPSH-Wert unterschritten wird, ein weiteres Fördern wird behindert und ist im ungünstigsten Fall nicht mehr möglich. Die Leitung muss entgast werden. cc

Hinweis:  Der Gasdruck muss über dem Siededruck der Flüssigkeit liegen. Je größer die Druckdifferenz ist, desto zuverlässiger ist die Förderung mit der Kryopumpe. Ein weiterer ausschlaggebender Faktor ist die Federcharakteristik des Einlassventils der Pumpe (siehe Abschn. 5.2.2.4).

Im Liqui-Flow-Verfahren wird die Flüssigkeit nicht in die Pumpenkammer gesaugt, sondern läuft ohne weiteres Zutun durch den geodätischen Druck zu. Es kommunizieren Flüssigkeitszulauf und Gasrückgang, dazwischen liegt die zu füllende Kammer der Druckschleuse. Bevor die Ventile schließen, ist keine Strömung vorhanden und damit spielt der NPSH-Wert für das Liqui-Flow-Verfahren keine Rolle. Im Gegensatz dazu,  die Pumpe saugt an, das bedeutet, es besteht Unterdruck.

Literatur

99

Zusammenfassung

Der NPSH-Wert, ausgerichtet auf die Kreiselpumpe wird für Kryopumpen (= Kolbenpumpe) überbewertet, im Liqui-Flow-Verfahren ist er bedeutungslos. Ausschlaggebend sind generell die Zulaufverhältnisse (Zulaufhöhe und Rohrquerschnitt), der Gasanteil in der Flüssigkeit sowie deren Dichte.

Literatur 1. Recknagel-Sprenger, Taschenbuch der Heizung und Klimatechnik, R.  Oldenbourg München Wien 1972, S. 192 + 1182) 2. Fraunhofer Gesellschaft  – www.ise.Fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/ studies/daten-zu-erneuerbaren-energien/Stromerzeugung_2017.pdf) 3. www.bundestag.de/resource/blob/496062/759f6162c9fb845aa0ba7d51ce1264f1/wd-8-083-16pdf-data.pdf. 4. http://www.ringwallspeicher.de/ 5. www.bdew.de/media/documents/Nettostromerz_D_Vgl_VJ_o_online_jaehrlich_ Ki_18062019.pdf 6. www.wildpoldsried.de/se_data/_filebank/alte_ pdfbank/LKRenergie14.pdf) 7. www.bmwi.de/Redaktion/DE/Artikel/Energie/gas-erdgasversorgung-in-deutschland.html

6

Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

Übersicht der Vorgänge siehe Tab. 6.1

6.1

Allgemeines zur thermodynamischen Funktion eines Tanks

Eine zusammenfassende Übersicht der Zustände im vakuumisolierten Tank gibt Tab. 6.1. Der natürliche Wärmeeintrag durch die Vakuumisolierung wird in der Tabelle nicht explizit dargestellt, da dieser stets vorhanden ist und einen unvermeidbaren Druckanstieg zur Folge hat. Das flüssige Gas wird im vakuumisolierten Tieftemperaturtank, meistens mit zul. 18  bar Betriebsdruck, bevorratet. Angeboten werden solche Tanks mit zulässigen Betriebsdrücken bis zu 38 bar. Ausführungen mit anderen Drücken sind auf Kundenwunsch möglich. Der maximal mögliche Druck ist der kritische Druck des Mediums.  Unabhängig vom Isolierverfahren dringt durch die Vakuumisolierung Wärme ein, eine absolute Isolierung gibt es nicht. Das LNG nimmt immer Wärme auf. Im Tank stellt sich eine Strömung ein. Es ist anzunehmen, dass die erwärmte Flüssigkeit an der Wand aufsteigt und an der Oberfläche eine warme Schicht bildet. Sie kühlt sich durch einsetzende Verdampfung ab (adiabater Prozess) und sinkt im mittleren Bereich nach unten. In diesem Bereich herrscht ein thermodynamisches Gleichgewicht. Die Flüssigkeit ist im unteren Bereich des Tanks kälter und auch schwerer. Die geodätische Höhe der Flüssigkeitssäule erzeugt am Boden des Tanks immer einen höheren Druck. An der Oberfläche beträgt der geodätische Druck der Flüssigkeit null. Daher steigt der Dampf unmittelbar aus den obersten Schichten auf. Man spricht hier von Dampf, weil die Gasphase auf der Dampflinie liegt. Der Gasdruck des Tanks steigt und die Gesamtenergiebilanz des Tankinhalts erhöht sich um die von außen eingedrungene Wärme. Der höhere Gasdruck des Tanks, er entspricht

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_6

101

Betankung von unten

Betankung 100 % keine Entnahme, Ausdehnung der Flüssigkeit, Druckaufbau im Gasraum

Gasentnahme gering

keine Entnahme

Verdampfer keine der Überfüllsi- Entcherung nahme

Gasentnahme

zugeführte Masse

Betankung von oben Mischkonsdensation

keine Entnahme

zugeführte Masse

Prozess keine Entnahme Tank 100 % gefüllt

Abfuhr keine Entnahme

Zufuhr

Energie

Druck

Dichte

Volumen

Gleichgewicht bleibt fallend erhalten Flüssigkeit nimmt Verdampfungsenergie auf

fallend

fallend

fallend

zunehmend

fallend

abnehmend

Flüssigkeit zunehmend Füllstand fällt

Anzeige am DifferenzZustand thermody- FlüssigFlüssigFlüssigdruckmesnamisch phase Gasphase phase Gasphase Flüssigphase Gasphase phase Gasphase ser Gleichgewicht stellt gleichmäßig steigend gleichmäßig abnehmend zunehmend abnehzunehmend keine sich zeitlich mit Siedelinie steigend Isobare = mend, um Füllstandverschoben ein Siedelinie durch abnehsänderung verdamp- mende fende Flüssigkeit Flüssigkeit Gleichgewicht bei Zustand auf Siedelinie auf Isobare sinkend Siedelinie Siedelinie zunehabnehmend Füllstand oberer Betankung stellt sich bei entsprechend der mend um steigt Betankung ein zugeführten Masse zunehmende Flüssigkeit unterkühlte sinkend sinkend steigend, steigend zunehmend zunehmend zunehabnehmend Füllstand Flüssigkeit bei zu mend um steigt Betankung von unterzunehunten kühlter mende FlüssigFlüssigkeit keit kein Gleichgewicht ansteigend >Siede- Einstellung Druck abnehmend zunehmend konstant zunehmend keine auf temp. SV oder Prozessum FüllstandSiedetemp. überdruckventil verdampsänderung fende

Temperatur

Tab. 6.1  Thermodynamische Zustände des vakuumisolierten Tanks

Abfuhr Gasentnahme

Gasentnahme

Flüssigentnahme

Flüssigentnahme

keine Entnahme

Zufuhr

Druckzusatz-­ verdampfer des Tanks

Druckzusatz-­ verdampfer des Tanks

Druckzusatz-­ verdampfer des Tanks

Druckzusatz-­ verdampfer des Tanks

Energie

Zustand thermodynamisch Gleichgewicht bleibt nicht erhalten Flüssigkeit kann nicht notwendige Verdampfungsenergie aufnehmen Druck lt. Regler am Zusatzverdampfer Bei Entnahme keine Druckabsenkung unterkühlte Flüssigk. kein Gleichgewicht

fallend

Flüssigphase fallend

FlüssigentSiedetemp. nahme (Pumpen, Flüssigversorg., Liqui-Flow-Prozess) Flüssigentkein Gleichgewicht keine nahme Temperera(Pumpen, turänderung Flüssigversorg., Liqui-Flow-Prozess) keine Entkein Gleichgewicht-­ Siedetemnahme stellt sich ein, wenn peratur Siededruck den langsam eingestellten Druck ansteigend des Reglers erreicht hat

Gasentnahme stark/heftig

Prozess Gasentnahme stark/heftig

Temperatur

>Siedetemp.

>Siedetemp.

>Siedetemp.

fallend

steigend

Druck des Reglers

Siededruck

fallend

FlüssigGasphase phase fallend fallend

Druck

Druck des Reglers

>Siededruck

fallend

fallend

konstant

zunehmend

zunehmend

abnehmend

Flüssigphase abnehmend

Volumen

abnehmend

zunehmend abnehmend

konstant

zunehmend abnehmend

fallend

Gasphase Flüssigphase Gasphase fallend zunehmend fallend

Dichte

zunehmend keine Füllstandsänderung

zunehmend Füllstand fällt

zunehmend Füllstand fällt

zunehmend Füllstand fällt

Anzeige am DifferenzdruckmesGasphase ser zunehmend Füllstand fällt

104

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

dem Gleichgewichtsdruck, hat auch eine höherer Siedetemperatur zur Folge. Es wäre falsch anzunehmen, dass die verdampfende Flüssigkeit das Energieniveau im Tank absenken könnte: Bleibt eine Entnahme aus, steigt das Energieniveau, ausgedrückt  durch den Tankdruck. Dem Verbraucher strömt das flüssige Produkt durch den geodätischen Druck unten aus dem Tank (Flüssigentnahme) zu. Die Flüssigentnahme senkt den Flüssigkeitsspiegel und hätte einen Druckabfall zur Folge. Der zu erwartende Druckabfall wird im thermodynamischen Gleichgewicht durch die einsetzende Verdampfung im Gasraum kompensiert (adiabate Kühlung). Das System bleibt annähernd im Gleichgewicht. Ist der zulässige Druck des Tanks erreicht, muss adiabat oder durch Mischkondensation gekühlt werden. Die adiabate Kühlung erfolgt durch Ablassen der Gasphase. Im Falle von Methan ist die Erfüllung verschiedener Voraussetzungen erforderlich. Aus ökologischen und sicherheitstechnischen Gründen kann nicht einfach in den Abgasschlot abgeblasen werden. Es käme nur eine Verbrennung infrage. Ob diese Möglichkeit infrage kommt, ist standortabhängig. Im Fall einer Gasversorgungsanlage muss von Flüssigentnahme auf Gas­ entnahme umgestellt werden. Das Gas wird dem Verbraucher so lange zugeführt, bis der Druck und damit die Temperatur der Flüssigkeit wieder im gewünschten Bereich sind. Für die Flüssigentnahme, wie z. B. bei einer Erdgastankstelle, stellt sich die Druckabsenkung komplizierter dar, unabhängig davon, ob eine Pumpe oder das Liqui-Flow-Verfahren eingesetzt wird. Ohne angeschlossene Verbrennung (kalorisch oder katalytisch) ist das Ablassen des Gases nicht möglich. Die Druckabsenkung über das Prozessüberdruckventil oder das Sicherheitsventil sind davon nicht betroffen. Der Druck kann nur durch eine erneute Befüllung mittels Mischkondensation gesenkt werden. Das bedeutet, dass der Tank entsprechend entleert sein muss. Ist das nicht der Fall, wurden bei der Planung Fehler gemacht oder das Abnahmeprofil hat sich wesentlich geändert. Eine genaue Beobachtung des Tankdrucks ist wichtig. Vom Verlauf des Tankdrucks können die Zyklen der Befüllung des Tanks abgeleitet werden. Kommt es zu einer Gasentwicklung in der Zulaufleitung zur Pumpe oder der Druckschleuse, steigt das Gas in der Zulaufleitung gegen die Strömung und im Gasrückgang mit der Strömung auf. Ein Teil des Gases erreicht den Gasraum, der andere wird in der Flüssigkeit des Tanks kondensiert. Das in den Gasraum gelangende Gas erhöht dort den Druck. Die Leitung übernimmt damit eine Teilaufgabe des Druckzusatzverdampfers. Das in der Flüssigkeit kondensierte Gas erhöht deren Energieniveau, der Gleichgewichtsdruck steigt. Um das zu vermeiden, ist es besser, wenn der Dampf aus der Zulauflaufleitung mit einer Triax-Leitung direkt in den Gasraum des Tanks abgeführt wird. Dabei bleibt das Produkt kälter und die Dichte größer. Allein der Gasdruck im Tank steigt und verlässt das thermodynamische Gleichgewicht. Die Entnahme von siedender Flüssigkeit ist für den anschließenden Prozess, unabhängig ob mit Kryopumpe oder im Liqui-Flow-­Verfahren, nur bedingt möglich. Würde das Gleichgewicht durch einen zusätzlichen Druckaufbau im Gasraum gestört (Öffnen des Druckzusatzverdampfers), wird aus der siedenden Flüssigkeit unterkühlte, die keine Gas-

6.1 Allgemeines zur thermodynamischen Funktion eines Tanks

105

phase bilden kann und insbesondere beim Pumpprozess den Liefergrad der Pumpe wie des Liqui-Flow-Verfahrens verbessert. Wie sich zusätzlicher Druck im Einsatz einer Kryopumpe auswirkt, wird im Abschn. 5.2.2 ff. erklärt. Zusammenfassung

Ohne Entnahme steigt der Tankdruck. Der Tankdruck kann nur durch Entnahme gesenkt werden. Am effektivsten wird er durch Gasentnahme reduziert. Wird Flüssigkeit entnommen, muss zur Druckabsenkung sehr viel Volumen abgelassen werden. Die Menge richtet sich nach dem Gesamtvolumen des Tanks. Gasentwicklung in der Zulaufleitung ist durch entsprechende Isolierung zu vermeiden. Strömt das Gas durch die Flüssigkeit in den Tank, erhöht sich das thermodynamische Gleichgewicht, wird das Gas direkt in den Gasraum geleitet, erhöht sich der Tankdruck.

6.1.1 Die thermodynamische Funktion des Pumpentanks Eine Erdgastankstelle, die mit Kolbenpumpe arbeitet, wird idealerweise mit einem Pumpentank (also mit Thermosiphon) ausgestattet. Der Pumpenzulauf wird an der Flüssigphase des Tanks angeschlossen, an dem darüber befindlichen Gasrückgang die Gasrückgangsleitung. Das aus der Pumpe kommende Gas steigt durch die Flüssigkeit in den Gasraum des Tanks auf und kondensiert dabei zum Teil. Die Pumpe steht so immer unter Flüssigkeit (siehe Abschn. 5.2.2.5). Wird das Liqui-Flow-Verfahren angewandt, muss der Gasrückgang des Pumpentanks im Gasraum enden und sollte nicht durch die Flüssigkeit, sondern im Doppelmantel des Tanks geführt werden. Dafür bietet sich bei Tanks, die nicht explizit für LNG bebaut worden, die Gasentnahmeleitung an. Ist eine solche Leitung nicht vorhanden, muss außerhalb des Tanks waagerecht eine vakuumisolierte Leitung verlegt werden. Sie entspricht der Überfüllsicherung. Beide Leitungen enden über dem zulässigen Füllstand des Tanks. Darüber werden sie zusammengeführt und als eine parallel verlaufende Leitung wieder nach unten geführt. Dort wird diese an die Gasentnahmeleitung angeschlossen. Ein vakuumisoliertes Doppelrohr, in dem innen die Flüssigkeit aufsteigt und außen das Gas zurück zur Gasentnahmeleitung strömt (siehe Abb. 6.1), ist auch möglich. cc

Hinweis: Im laufenden Betrieb steht LNG in der Leitung. Aus diesem Grund sollte der Gasrückgang des Tanks immer isoliert werden. Ansonsten würde eine unkontrollierte Gasdruckerhöhung im Tank hervorgerufen.

An vorhandenen Tanks sollte der Anschluss an die Gasentnahme außerhalb der Leistungsgrenzen der Herstellerzulassung des Tanks erfolgen. Er ist aus diesem Grund vor das Gasentnahmeventil zu setzen. Das ursprüngliche Ventil muss in der Stellung offen blockiert

106

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

Gas

Gas

max. Füllstand

max. Füllstand

LNG versprüht

LNG versprüht

Flüssigphase

Flüssigphase beide Leitungen Vakuumisolier Gasphase

Gasphase

Vakuumisolierung

Gasentnahme Füllleitung

Gasentnahme Füllleitung

blockiert

blockiert

Abb. 6.1  Anschluss der Überfüllsicherung an die Gasentnahmeleitung  – einfache Rohrführung (links), Doppelrohr (rechts)

werden. Es wird stattdessen ein weiteres Ventil zum Verschließen des Gasrückgangs gesetzt. Dadurch wird nicht in den zugelassenen Bereich des Tanks eingegriffen. Im anderen Fall wäre eine Änderung am Tank anzuzeigen und die Genehmigung einzuholen. Ist der Abstand zwischen Tank und Druckschleuse oder Pumpe zu groß (mehr als 1,5 m), wird empfohlen, eine Triax-Leitung im Pumpenzulauf zu verlegen (Abb. 6.2). Der Gasrückgang der Triax-Leitung der Pumpe wie der Druckschleuse muss an einen separaten Gasrückgang angeschlossen werden. Der Gasrückgang der Druckschleuse muss getrennt von dem der Triax-Leitung über den maximal möglichen Füllstand des Tanks geführt werden. Für die Kryopumpe ist das nicht erforderlich. Wird der Gasrückgang mit einem Gasabscheider oder einer anderen Trennung von Flüssig- und Gasphase ausgestattet (siehe Abb. 6.3), kann die Vakuumisolierung für die Gasstrecke des Gasrückgangs entfallen. Würden die Gasrückgänge von der Druckschleuse und der Triax-Leitung ohne Gasabscheider zusammengeführt werden, stünde Flüssigkeit in der ­Gasrückgangsleitung. Die Rückführungen würden sich gegenseitig behindern. Nur wenn ein freier Gasrückgang gesichert ist, können sich die kommunizierenden Röhren in der erforderlichen Weise ausbilden. Der Pumpenkopf der Kryopumpe bzw. die Kammern der Druckschleuse tragen immer Wärme in die Flüssigkeit ein. Wärme reduziert deren Dichte. Der Dichteunterschied erzwingt das anstehende hydraulische Druckgefälle. Die Zirkulation vom Tank zum Pumpenkopf bzw. zur Druckschleuse kommt zustande und das System wird kontinuierlich mit Flüssigphase versorgt. Der entstehende Dampf wird durch die Flüssigkeit in den Gasraum des Tanks abgeführt (Abb. 6.4).

6.1 Allgemeines zur thermodynamischen Funktion eines Tanks

107

Gas

vakuumisolierte Triax-Leitng für Flüssigkeitsvorlauf Hochdruckanschluss zum Luftverdampfer vakuumisolierter Gasrückgang

Fußverlängerung Thermosiphon Kryopumpenkopf Getriebemotor

Abb. 6.2  Anschluss der Kryopumpe an den Tank für einen größeren Anstand und Verbesserung des geodätischen Drucks durch eine Fußverlängerung für den Tank

Abb. 6.3  Gasabscheider mit Füllstandsmesser

108

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

Abb. 6.4  Pumpentank mit angeschlossener Kryopumpe

Gas wird komprimiert

Gas

Hochdruckanschluss zum Luftverdampfer vakuumisolierter Gasrückgang

Kryopumpenkopf Getriebemotor Thermosiphon vakuumisolierter

Flüssigkeitsvorlauf

Zusammenfassung

Dem Pumpentank, komplettiert mit einem Thermosiphon, ist in der Ausstattung von CNG-Tankstellen der Vorzug zu geben. Im Liqui-­Flow-­Verfahren muss, anders als beim bekannten Pumpentank, der Gasrückgang im Gasraum enden. Der Gasrückgang der Triax-Leitung sollte separat in den Gasraum geführt werden. Die Gasphase sollte von der Flüssigphase durch Gasabscheider oder Phasentrenner getrennt werden. Das erspart Isolieraufwand.

6.1.2 Die thermodynamische Funktion des Kältetanks Der Kältetank ist für die Flüssigversorgung des Verbrauchers konzipiert. Im Kältetank wird die Flüssigkeit am Boden abgezogen und in einer isolierten Leitung zum Verbraucher geführt (beim Kaltvergaser ist es anders). Der Anschluss der Rohrleitung muss immer mit einem Vakuumanschluss komplettiert werden. Damit kann auch eine Kolbenpumpe oder ein Liqui-Flow-System angeschlossen werden, einen entsprechend großen Leitungsquer-

6.1 Allgemeines zur thermodynamischen Funktion eines Tanks

109

schnitt vorausgesetzt. Soll der Tankdruck in bestimmten Grenzen gehalten werden, ist es unausweichlich, diese Leitung wie den Flüssigkeitszulauf entsprechend zu isolieren. cc

Hinweis: Zu beachten ist, dass ein Kältetank keine Gasrückgangsleitung hat und somit die Gasphase an die Gasentnahmeleitung angeschlossen werden muss (vgl. Abschn. 6.1.1). Im Gasrückgang steht nach dem Anfahrprozess Flüssigkeit.

Neuere Tanks werden als Kältetank und als Kaltvergaser verrohrt. Der Mehraufwand ist minimal, aber die Einsatzmöglichkeiten erweitern sich erheblich. Auch der Isolieraufwand kann reduziert werden, indem man unmittelbar hinter dem Verbraucher, also der Kryopumpe oder der Druckschleuse, einen Gasabscheider platziert (vgl. Abb. 6.3). Die Gasphase entweicht in den Gasraum, die Flüssigphase wird zurückgehalten. cc

Hinweis: Die Gasentnahmeleitung hat oftmals einen sehr geringen Querschnitt. Das ist weniger vorteilhaft, da das Gas nicht schnell genug abziehen kann und ein Nachlaufen der Flüssigkeit behindert. Praxishinweis

Die Verwendung des Kältetanks ist auch zur Versorgung der Kryopumpe oder der Druckschleuse geeignet. Die Gasphase soll über einen Gasrückgang mit möglichst großem Querschnitt abgeleitet werden. Mit einem Gasabscheider im jeweiligen Rohrabschnitt wird der Isolieraufwand reduziert.

6.1.3 Die thermodynamische Funktion des Kaltvergasers Die Verwendung eines Kaltvergasers kommt nur für die KWK-Schaltung infrage. Beim Kaltvergaser wird das Gas je nach Tankdruck der Gasphase oder der Flüssigphase entnommen. Die Entnahmeleitung taucht von oben in die Flüssigkeit ein und verläuft im Doppelmantel nach unten. Dort tritt sie aus dem Tank aus. Das ist der Anschluss für den Luftverdampfer. Die Flüssigkeit wird mit dem Differenzdruck zwischen Tank und Entnahmestelle weiter in den Verdampfer gedrückt. Der Tankdruck wird ggf. mit dem Druckzusatzverdampfer aufgebaut und am Druckregler eingestellt. Aus dem Verdampfer wird ein Gasmotor oder eine Turbine versorgt. Ist die Entnahme beendet, bildet sich ein aufsteigendes Gaspolster im oberen Bogen der Entnahmeleitung. Die weitere Zufuhr wird unterbrochen. Es strömt kein weiteres Produkt nach, der Tankdruck wird nicht von der nachfolgenden Infrastruktur beeinflusst. Mit erneutem Start wird mit der Tankdruckdifferenz zwischen Tank und Verbraucher wieder Flüssigkeit in die Entnahmeleitung gedrückt, das Gaspolster wird in Richtung des Verbrauchers verdrängt.

110

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

Hinweis: Der Einsatz eines solchen Tanks ist für Anlagen mit Pumpe oder Liqui-Flow-Verfahren falsch.

cc

Praxishinweis

Ein Kaltvergaser ist für die Versorgung von KWK-Anlagen bestens geeignet, für Anlagen mit Pumpe oder Liqui-Flow-­Anlagen ist er ungeeignet.

6.2

Die konstruktive Beschreibung des vakuumisolierten Tanks

6.2.1 Allgemeines Alle vakuumisolierten Tanks bestehen aus einem inneren und einem äußeren Tank. Der Innere ist aus einem austenitischen Stahl, dessen Legierung speziell auf die tiefkalte Beanspruchung ausgelegt ist. In ihm wird das tiefkalt verflüssigte LNG gespeichert. Der äußere Behälter besteht aus einfachem schwarzem Baustahl. Der äußere Tank erhält einen Anstrich, der zum einen als Korrosionsschutz dient und zum anderen eine optische Komponente hat und nach Kundenwunsch ausgeführt wird. Der innere Tank, ein Druckgefäß, wird vom äußeren, drucklosen Behälter getragen. Innerer und äußerer Behälter sind thermisch entkoppelt. Je nach Hersteller gibt es verschiedene Varianten der Fixierung und der thermischen Entkopplung des inneren Tanks. Im Zwischenraum des Doppelmantels wird das Vakuum mittels Vakuumpumpen aufgebaut. Der Tank wird zwecks Evakuierung erwärmt, d. h. ausgeheizt, um eventuell vorhandene Restfeuchte von den Oberflächen zu lösen und aus dem Isolierstoff auszutreiben. Dieser Prozess ist beendet, wenn das anstehende Vakuum bei abgeschalteter Pumpe über einen längeren Zeitraum stabil bleibt. Dieser Prozess dauert mehrere Tage und hängt u. a. von der Tankgröße und dem gewählten Isolierverfahren ab. Für die eigentliche Vakuumisolierung bedient man sich zweier unterschiedlicher Verfahren. Traditionell wurde der evakuierte  Zwischenraum mit Perlit ausgefüllt und dann durch Abpumpen Vakuum gezogen. Perlit wird langsam, unter Rütteln, in den Zwischenraum eingefüllt und liegt dort als lose Schüttung. Es umschließt lückenlos alle Einbauten, ist ein schlechter Wärmeleiter und bindet eventuell vorhandene Wassermoleküle. Die genaue Technologie der thermischen Trennung und des Vakuumziehens ist das Geheimnis eines jeden Herstellers. Neuerdings setzt sich die Vakuum-super-Isolierung (VSI; oder auch MLI – Multilayer Insulation genannt) verstärkt durch (siehe: [1]). Bei diesem Verfahren, das aus der Weltraumtechnik stammt, wird eine sehr dünne, reflektierende Folie in mehreren Schichten mit einem Abstandshalter, eine profilierte Kunststofffolie um den Behälter und die Einbauten gewickelt und dann evakuiert. Die Folien (Aluminium oder mit Aluminium bedampfter Kunststoff) haben reflektierende Wirkung und unterbrechen die Strahlungswärme. Die Abstandshalter reduzieren die Wärmeleitung und die Konvektion.

6.2 Die konstruktive Beschreibung des vakuumisolierten Tanks

111

Eine Verrohrung des Tanks erfolgt generell in diesem Doppelmantel. Die Rohre werden am inneren Behälter befestigt. Die Durchführung vom inneren zum äußeren Behälter stellt eine besondere konstruktive Herausforderung dar. Der Temperaturunterschied des warmen zum kalten vollen Behälter hat Längenänderungen der austretenden Rohre zur Folge. Die Rohre sind mit dem äußeren Behälter verbunden und müssen nach außen geführt werden. Dieser Übergang von innen nach außen ist kritisch, denn während des Befüllens des Behälters schrumpfen die Rohre. Die Längenänderungen werden mit Bögen kompensiert.  Der äußere Behälter nimmt die Temperatur der Umgebung an, sodass zwischen innerem und äußerem Behälter schwankende Temperaturdifferenzen herrschen. Die Temperaturänderungen stellen sich nicht nur im Kaltfahrprozess ein, sondern auch durch die sich ändernde Siedetemperatur des LNG. So hat LNG eine Temperatur von −146 °C bei 3 bar, und bei 15 bar eine Temperatur von −114 °C. Die durch Temperaturänderungen entstehenden Spannungen werden ebenso durch Dehnungsbögen ausgeglichen. Die Schweißnähte der Rohrdurchführungen (Gefahr von Kapillarrissen) werden so entlastet. Die Gas- oder die Flüssigproduktabgabe wird mit dem Gasdruck des Tanks geregelt. Das Gas drückt auf die Flüssigkeit, sodass sich eine Druckdifferenz zur Entnahmestelle einstellt. Ist der Gasdruck zu gering, wird dieser durch Verdampfung im Druckzusatzverdampfer gesteigert. Mit dem Druckregler am Druckzusatzverdampfer wird der gewünschte Druck an der Entnahmestelle eingestellt. In den Druckzusatzverdampfer fließt das Gas durch den geodätischen Druck. Folglich muss ein Druckzusatzverdampfer immer am Boden des Tanks liegen. Es gibt Anwendungen, für die die Verdampferleistung des installierten Druckzusatzes nicht reicht. Dieser Umstand wird durch fehlenden Gasdruck während der Entnahme festgestellt. Zur Unterstützung des vorhandenen Verdampfers kann an die Flüssigentnahmestelle ein zusätzlicher Verdampfer angeschlossen werden. Dieser wird auch auf den Gasraum des Tanks geschaltet. Durch zusätzliche Verdampfung wird der gewünschte Druck erreicht und mit einem weiteren Gasdruckregler garantiert. Es ist zu entscheiden, welcher Verdampfer bei welchem Druck öffnen soll. Beide auf den gleichen Enddruck einzustellen ist unzweckmäßig. Sie werden auf unterschiedliche Drücke eingestellt, z. B. 10 bar und 9,5 bar. Gewünscht sind 10 bar. Beide Regler öffnen. Der Druck von 9,5 bar wird erreicht, der Regler bleibt bei Entnahme offen. Der 10 bar-Regler ist offen und erreicht 10 bar. Die Entnahme schwankt, sodass zuerst der 10 bar-Regler schließt und öffnet. cc

Hinweis: Wird festgestellt, dass trotz Entnahme der Druck nicht auf 10 bar gehalten werden kann, sind die Druckregler oder die Verdampfer oder beides zu klein ausgelegt.

Ist der Tankdruck zu hoch, müssen entweder Gas oder Flüssigkeit abgelassen werden, oder der Tankdruck wird durch eine erneute Befüllung durch die bereits beschriebene Mischkondensation (siehe Abschn. 2.2) gesenkt. Wird Gas abgelassen, tritt adiabate Kühlung ein (siehe Abschn. 2.1). Wird Flüssigkeit entnommen, sinkt der Tankdruck um das nun zugenommene Gasvolumen. Dabei sinkt der

112

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

Gasdruck auf Gleichgewichtsdruck. Verdampfung setzt wie bei der Gasentnahme ein. Die Flüssigkeit tritt mit dem Gas in ein thermodynamisches Gleichgewicht. Da in der Regel keine Flüssigkeit abgelassen werden kann, ist diese Variante von untergeordneter Bedeutung. In fast allen Fällen wird der Gasdruck bei der nächsten Betankung durch Entnahme abgesenkt, eine einfache und ökonomische Variante. Erdgas darf nicht in die Luft geblasen werden. Das ist gefährlich und umweltschädigend. Daher wurde die Überfüllsicherung (siehe Abschn.  9.5) entwickelt. Diese Rohre sollten bei Neubauten im Tankzwischenraum verlegt sein, ältere Tanks können nachgerüstet werden. Der Verdampfer sollte in beiden Fällen seitlich unten am Tank positioniert werden (siehe Abschn. 9.5 ff.). Der Tank steht auf Füßen, mit denen er am Aufstellungsort am Boden befestigt wird. Über sie werden alle auf den Tank einwirkenden Kräfte (Gewicht, Wind- und Schneelast) abgeleitet. Sie sind daher entsprechend im Boden zu verankern. Eine statische Berechnung ist erforderlich. Vakuumbruch ist ein sehr häufiger, aber oftmals unbemerkter Fehler. Das heißt, die Isolierung ist geschädigt. Man erkennt einen Vakuumbruch durch einen unzulässig schnellen Druckanstieg und eventuell auch durch Beschlagen im Bereich der Schadensstelle mit Reif oder kondensierendem Wasser. Der Tank kann zwar noch als Behälter genutzt werden, es muss aber beachtet werden, dass sich die Lagerzeit des Produktes verkürzt. Es ist unbedingt zu vermeiden, dass der zulässige Druck erreicht wird und das Sicherheitsventil abbläst. Ursache für einen Vakuumbruch sind in der Regel Kapillarrisse an den Schweißnähten. Häufig ist die genaue Örtlichkeit des Fehlers nicht erkennbar, sodass kaum wirtschaftlich sinnvoll repariert werden kann. Jeder Tank ist mit einer Füllkupplung sowie einem Füllstandmesser (Differenzdruckmesser) ausgestattet. Die gasartspezifische Füllkupplung mit Sicherheitsabsperrarmatur (MG97) wird von einem Absperrventil vervollständigt – das trifft auch für totraumlose Kupplungen zu. Mit Ventilen wird der Prozess gesteuert. In der Regel sind Handventile verbaut, nur das Flüssigentnahmeventil, welches die Druckschleuse, die Pumpe oder den Verdampfer versorgt, ist für eine automatische Betriebsführung dann als pneumatische Variante ausgeführt.  Das an Tanks für Luftgase installierte Peilrohr darf beim LNG-Tank nicht verbaut werden, bzw. wenn vorhanden, ist dieses zu blockieren. Dieses Peilrohr dient der Füllstands­ überprüfung, in dem Gas so lange nach außen abgeleitete wird, bis der Austritt der Flüssigkeit beginnt. Das ist bei LNG unzulässig. Statt dessen muß der Tank eine Überfüllsicherung haben, die diese Aufgabe sicherer und ohne jegliche Beeinflussung der Umwelt übernimmt.  cc

Hinweis: Im Gegensatz zu den Tanks für Luftgase sollte ein LNG-Tank kein Peilrohr haben. Die Funktion des Peilrohrs wird von der Überfüllsicherung übernommen.

Das Sicherheitsventil ist als Sicherheitswechselkombination (siehe Abschn.  9.1 ff.) ausgeführt und mit einer Plombe versehen. Fehlt die Plombe oder ist sie beschädigt, muss der Tank aus dem Verkehr genommen werden. Jeder Tank hat außerdem eine Gas- und

6.2 Die konstruktive Beschreibung des vakuumisolierten Tanks

113

eine Flüssigentnahmeleitung über die der Tank bei Bedarf entleert werden kann. Jeder Tank muss lt. Regelwerk ein Typenschild (Hersteller, Herstellerjahr, zulässiger Betriebsdruck, Bauart usw.) und eine produktartspezifische Beschriftung tragen. Ein RI-Schema, auf dem zu erkennen ist, welches Ventil welche Aufgabe hat, muss immer gut sichtbar und fest angebracht sein. Die Ventile sind neben der Beschriftung (Flüssigentnahme usw.) mit Nummern zu kennzeichnen, die sich auf dem RI-Schema wiederfinden. Es ist auf das Produkt (LNG) und den einzuhaltenden Arbeitsschutz (u. a. Rauchverbot) hinzuweisen, und der Notfallplan (Erste Hilfe, Arzt usw.) muss gut kenntlich und sichtbar angebracht sein. Alle Hinweise müssen fest mit dem Tank verbunden sein. Zusammenfassung

Das Vakuum eines vakuumisolierten Tanks wird zwischen dem inneren und äußeren Tank, dem Doppelmantel, mit verschiedenen Verfahren erzeugt. In diesem Doppelmantel wird die Verrohrung geführt. Der Tankdruck wird durch einen Druckzusatzverdampfer aufgebaut und durch Gasentnahme oder erneute Befüllung gesenkt. Flüssigentnahme senkt den Druck nur in der Größenordnung des zunehmenden Gasvolumens, bzw. des sinkenden Füllstandes und ist daher für die Druckabsenkung wenig geeignet. Für LNG ist immer eine Überfüllsicherung erforderlich, die Funktion des Peilrohres wird durch die Überfüllsicherung übernommen. Jeder Tank hat eine Sicherheitsventilwechselarmatur. Die Beschriftung hat lt. Regelwerk zu erfolgen.

6.2.2 Tankbauarten Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Druckstufe. Früher baute man Tanks mit 6 oder 8 bar, heute kennt man die Drücke 18 bar, 22 bar, 38 bar sowie weitere nach Kundenanforderung. Die Ausführung der Aufstellung kann liegend oder stehend sein.

6.2.2.1 Pumpentank Die Verrohrung eines Pumpentanks entspricht weitestgehend der des Kältetanks. Zusätzlich hat ein Pumpentank eine Verlängerung am Tankboden. In dieser Verlängerung werden der Flüssigkeitsvorlauf und der Gasrückgang geführt. Beide enden im Tank kurz über dem Boden, der Gasrückgang mit einem Schwanenhals etwas über dem Flüssigkeitsvorlauf. Da die Rohre kurz über dem Boden enden, ist eine totale Entleerung nicht möglich. Das hat den Vorteil, dass bei geleerten Tank, dieser immer noch über eine Restmenge zur adiabaten Kühlung des Tanks verfügt. Die Rohrleitungen verlassen durch diese Verlängerung den Tank über eine als Siphon ausgeführte Rohrleitung. Die Verlängerung am Tankboden ist in die Vakuumisolierung des Tanks eingebunden (siehe Abschn. 5.2.2.5). Wird die Pumpe gestartet, wird der Gasrückgang geöffnet – der Zulauf sollte immer offen bleiben – der Pumpe läuft Flüssigkeit zu. Sie nimmt anfangs die Wärme des Pumpenmaterials auf und geht als Gas in den Tank zurück. Ist die Pumpe kalt, ist der Gasanteil auf ein

114

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

Minimum reduziert, die Pumpe kann fördern. Ein Temperaturfühler erfasst die Temperatur und gibt den Start der Pumpe frei. Wird die Pumpe abgestellt, wird der Gasrückgang geschlossen, das entstehende Gas drückt in den Zulauf und verhindert als Gaspolster weiteres Nachströmen der Flüssigkeit. Die Rohrverbindungen zur Pumpe werden möglichst kurz gehalten und vakuumisoliert.  Mit der eingangs genannten Verrohrung hält man die Pumpe kalt. Flüssigkeit hält sich auch während kurzer Unterbrechung in der Pumpe, sodass sie nach dem Start sofort wieder pumpt. Im Liqui-Flow-Verfahren verläuft der Prozess ähnlich. Die Druckschleuse, sie ersetzt die Pumpe, wird mit einem Kühlmantel permanent kalt gehalten. Wird die Anlage für längere Zeit abgestellt, wird der Gasrückgang geschlossen. Analog zur Pumpe bildet sich ein Gaspolster, der das Nachlaufen der Flüssigkeit ausschließt. Beim Start des Prozesses werden die Ventile der Druckschleuse geöffnet. In die Kammern fließt die kühlende Flüssigkeit. Nachdem sie verdampft ist, steht Flüssigkeit in der Kammer und dem Gasrückgang. Anders als bei der Pumpe, muss diese Leitung im Gasraum des Tanks enden (siehe Abschn. 6.2.2.4). cc

Hinweis: Beim Pumpentank ist zu beachten, dass zum Pumpen kein thermodynamisches Gleichgewicht herrscht, der Gasdruck in der Pumpe muss über dem Siededruck liegen. Für die Druckschleuse ist das ebenso vorteilhaft. Zusammenfassung

Der Pumpentank ist durch die Thermosiphonschaltung erkennbar. Vor- und Rücklauf haben einen Siphon. Für das Liqui-­Flow-­Verfahren muss der Gasrückgang in den Gasraum des Tanks geführt werden.

6.2.2.2 Kältetank Dieser Tanktyp spielt für LNG eine untergeordnete Rolle, da die Anforderungen von LNG besser vom Pumpentank erfüllt werden. Generell dient dieser Tanktyp dazu, kontinuierlich Flüssigkeit zur Kälteversorgung abzugeben, deshalb spricht man vom Kältetank. Solche Tanks haben keinen nachgeschalteten Verdampfer und werden zum Kaltmahlen von Kunststoff, zum Impfen von Getränkedosen, zum Schockgefrieren oder anderen Kühlprozessen für Temperaturen weit unter −70 °C installiert. Der Flüssigkeitsstrom muss ununterbrochen verfügbar sein. Das hauptsächliche Merkmal ist, dass am Tankboden direkt Flüssigkeit abgezogen werden kann. Die Mengenreglung erfolgt mit dem Gasdruck des Tanks. Am Ausgang ist es von Vorteil, wenn ein Vakuumanschluss für die weiterführende, vakuumisolierte Rohrleitung montiert ist. Damit wird der Wärmeübergang vom Tank auf die Rohrleitung minimiert. Um diesen Tanks einer universelleren Verwendung zuzuführen, wird meistens zusätzlich die Kaltvergaserverrohrung installiert.

6.2 Die konstruktive Beschreibung des vakuumisolierten Tanks

115

Zusammenfassung

Der Kältetank gibt Flüssigprodukt am Tankboden ab und kann unter bestimmten Vo­ raussetzungen für Pumpprozesse und Liqui-Flow-­ Verfahren genutzt werden. Der Druck der Flüssigkeit wird durch den Gasdruck aufgebaut. Zum universellen Einsatz wird zusätzlich die Verrohrung des Kaltvergasers installiert.

6.2.2.3 Kaltvergaser Ein Kaltvergaser ist im Krankenhaus der Sauerstofftank, im Schweißbetrieb der Argontank, beim Lebensmittelhersteller der Stickstofftank zur Inertisierung, bei einer KWK der Erdgastank oder der Tank einer einfachen Gasheizungsanlage. Diese Tanks dienen der Versorgung mit Gas und haben eine Entnahmeleitung, die in den Luftverdampfer führt und dort das flüssige Gas verdampft und erwärmt, d. h., der Dampf wird überhitzt. Die Flüssigkeit wird mit dem Gasdruck des Tanks in die Leitung zum Luftverdampfer gedrückt und am Luftverdampferausgang als Gasphase der angeschlossenen Rohrleitung über eine Druckregelarmatur (siehe Abschn. 8.2) entnommen. Das Besondere an diesen Tanks ist, dass die Flüssigentnahmeleitung im Tank eine aufsteigende und eine abfallende Leitung hat. Oben sind beide Leitungen mit einem Bogen verbunden, sodass sie in ihrer Geometrie einer Haarnadel ähneln. Im oberen Bogen ist eine Verbindung zum Gasraum. Über diese Verbindung kann der Flüssigkeitszulauf schlagartig unterbrochen werden. Eine ständige Flüssigentnahme ist so nicht möglich, da bei jedem Gasrückfluss in der Leitung (aufsteigende Gasblasen durch Wärmezufuhr) der Flüssigkeitsstrom sofort abreißt. Praxishinweis

Der Kaltvergaser ist zur Abgabe von Gas konstruktiv ausgelegt und bestens für Erdgaswärmeversorgungen oder KWK-Anlagen geeignet. Eine kontinuierliche Flüssigentnahme ist wegen der Konstruktion nicht gesichert.

6.2.2.4 Besondere Anforderungen an einen LNG-Tank Für LNG werden heute noch Tanks eingesetzt, die eigentlich nur die Anforderungen für Luftgase erfüllen. Ein mit Luftgasen gefüllter Tank kann bei Überfüllung in die Umgebung entleert, d. h. auf zulässigen Füllstand abgelassen werden. Das ist für LNG verboten. Nachfolgenden Bedingungen muss ein Tank für LNG gerecht werden: a) Der Tank muss eine Überfüllsicherung nach Abschn. 9.5 haben. Begründung: Der Tank kann nicht überfüllt werden, da sich vorher ein Gasdruck bildet, der die weitere Zufuhr absperrt. Das Ventil MG97 (SAA) wird geschlossen, die Betankung wird abgebrochen. 

116

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

b) Die Überfüllsicherung muss die Aufgabe der Peilrohre übernehmen. Begründung: Der 100 %ige Füllstand wird bei Luftgasen mit Peilrohren bestätigt. Dazu muss der Tank während der Betankung gegen die Atmosphäre entlastet werden. Das ist für LNG verboten. Im Falle der theoretisch möglichen Überfüllung läuft in einem LNG-Tank das Produkt in den Luftverdampfer der Überfüllsicherung (nicht Bestandteil des Regelwerks) und erzeugt dort durch Verdampfen einen plötzlichen Druckanstieg, der zum Schließen der Sicherheitsabsperrarmatur (SAA) führt. c) Die Überfüllsicherung erlaubt, den Tank zu 100 % zu füllen. Begründung: Ist der Tank zu 100 % gefüllt, nimmt die Flüssigkeit 95 % des geometrischen Volumens an. Bei diesem Füllstand wird der Füllprozess automatisch abgebrochen. Wird nicht kurzfristig LNG oder Gas entnommen, dehnt sich die Flüssigkeit durch einströmende Wärme aus. Ist die Ausdehnung, d. h. die Abnahme der Flüssigkeitsdichte so groß, dass der Überlauf erreicht wird, läuft LNG in den Verdampfer der Überfüllsicherung. Der Gasdruck im Gasraum des Tanks steigt und mit Erreichen des Abblasedrucks des Prozessüberdruckventils oder des Sicherheitsventils bläst dieses ab. Die Flüssigkeit kann niemals den Anschluss der Messleitungen oder des Sicherheitsventils erreichen. d) Für das Liqui-Flow-Verfahren muss der Tank mit einem Thermosiphon ausgestattet sein, der für den Kühlmantel einen zusätzlichen Anschluss haben sollte, also einen Flüssigkeitsvorlauf, der auf zwei Leitungen (Kammern der Druckschleuse und Kühlmantel) gespreizt wird und zwei voneinander unabhängige Gasrückgänge. Begründung: Während des Anfahrens des Systems kann LNG nicht in die Atmosphäre entlastet werden. Für die Kammern der Druckschleuse muss eine ungehinderte Zirkulation möglich sein. Mit Prozessstart wird die Druckschleuse mit dem Kühlmantel gekühlt. Erst wenn diese unter Flüssigkeit steht, werden die Kammern geöffnet, die Flüssigkeit muss verdampfen und dann ungehindert aufsteigen können. Steht im Gasrückgang Flüssigkeit, behindert diese die Zirkulation, deshalb muss der Gasrückgang im Gasraum enden, oder durch einen Gastrenner ein freier Gasabzug möglich sein. Ab Gastrenner können beide Gasrückgänge gemeinsam in den Gasraum geführt werden. e) Der Tank muss aus Gründen der Anlagensicherheit mit einer totraumlosen Kupplung ausgestattet sein, die noch nicht Bestandteil des Regelwerks ist. Diese wird vor der SAA installiert. Zwischen SAA und Kupplung muss die Strecke druckmäßig abgesichert sein. Dazu ist ein Sicherheitsventil zu setzen oder eine Entlastungsleitung in den Gasraum zu ziehen. Gleiches trifft für den Abschnitt zwischen dem jeweiligen Ventil für die obere oder untere Befüllung zu. Begründung: Es darf mit Sicherheit keine Luft in das System eindringen. Das ist nur mit einer totraumlosen Kupplung zu gewährleisten. Laut Regelwerk sind die absperrbaren Abschnitte druckmäßig abzusichern, entweder mit einem Sicherheitsventil oder mit einer Entlastungsleitung in den Gasraum.

6.2 Die konstruktive Beschreibung des vakuumisolierten Tanks

117

Zusammenfassung

Ein optimaler LNG-Tank für eine Tankstelle muss eine Überlaufsicherung in Verbindung mit einer Sicherheitsabsperrarmatur (SAA) haben, der Gasrückgang muss im Gasraum enden, er muss mit einer totraumlosen Kupplung ausgestattet sein. Das eventuell vorhandene Peilrohr darf nicht benutzt, muß blockiert bzw. gar nicht erst installiert werden.

6.2.3 Bedeutung des Tankdrucks Der am Tankboden gemessene Druck spiegelt den Gesamtdruck wider. Er setzt sich zusammen aus dem Gasdruck über der Flüssigkeit und dem Flüssigkeitsdruck. Direkt am Tankboden herrscht der höchste Druck. Dort ist die Flüssigkeit unterkühlt, während sie an der Oberfläche siedend sein kann. Der Flüssigkeitsdruck hängt von der Dichte und dem Füllstand im Tank ab. Die Dichte ist temperaturabhängig und nimmt im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts die Siedetemperatur an. Der Gasdruck im Gasraum des Tanks ist Teil des thermodynamischen Gleichgewichtes. Dieser Druck wird durch den Druckzusatzverdampfer erhöht. Dann wird das thermody­ namische Gleichgewicht verlassen. Die Flüssigkeitstemperatur entspricht weiterhin der Temperatur während des thermodynamischen Gleichgewichts. Sie kann durch die adiabate Kühlung oder durch Zumischen kalten Produktes (Betankung von unten) verändert, d. h. gesenkt werden. Der durch den Druckzusatzverdampfer erzeugte Druck entspricht nicht mehr dem thermodynamischen Gleichgewicht. Es stellt sich eine unterkühlte Flüssigkeit nicht nur am Boden, sondern im gesamten Tank ein. Der statische Gesamtdruck herrscht außerhalb des Tanks, am Eintritt in die Pumpe bzw. die Druckschleuse. Durch eine erhöhte Aufstellung des Tanks (Fußverlängerung) kann der statische Flüssigkeitsdruck, im Blick auf die Zulaufverhältnisse, zur Pumpe oder der Druckschleuse erhöht werden. cc

Hinweis: Oftmals wird der Pumpprozess durch eine Erhöhung des statischen Gesamtdrucks verbessert, indem eine erhöhte Aufstellung des Tanks gewählt wird.

Man baut die Fußverlängerung unter den Tank (vgl. Abb.  5.8). Das ist richtig, zwar wäre theoretisch der Effekt auch durch eine Erhöhung des Gasdrucks zu erreichen. Es ist bei dieser Variante aber schwierig, die richtige Druckerhöhung am Druckzusatzverdampfer einzustellen. Für Kryopumpen besteht die Gefahr, dass der Druck zu hoch wird und daher das Ansaugventil der Pumpe nicht richtig bzw. verzögert schließt. Der Pumpenwirkungsgrad nimmt dann ab, das Problem kann aber auch zum Erliegen des Pumpprozesses

118

6  Die thermodynamische Betrachtung des vakuumisolierten Tieftemperaturtanks

führen. Diese Problematik kann durch eine Fußverlängerung vermieden werden. Die Fußverlängerung erhöht den geodätischen Druck am Pumpeneintritt und wirkt nur so lange, bis er durch die Entnahme aufgebraucht ist. Dieser kritische Füllstand schwankt, denn er ist wiederum von der Dichte und dem Siededruck abhängig. Für das Liqui-Flow-Verfahren verhält es sich anders: Eine Druckerhöhung mittels Gasdruck ist immer von Vorteil. Natürlich kann der Gasdruck nicht unbegrenzt erhöht werden, denn sobald der zulässige Betriebsdruck erreicht würde, muss das Prozessüberdruckventil bzw. das Sicherheitsventil ansprechen. Ist die Wärmezufuhr bereits so groß, dass der Druckanstieg im Tank den zulässigen Betriebsdruck erreicht hat, ist eine Druckerhöhung durch den Druckzusatzverdampfer nicht mehr möglich. Das ist die Ursache eines Fehlers. Entweder ist der Tank • falsch ausgelegt worden, • oder der Tank hat einen Vakuumbruch • oder der Tank hatte eine unplanmäßig lange Stillstandsphase, das bedeutet, es blieb die Entnahme aus. Der Fehler kann nur durch Ablassen der Gasphase behoben werden. Es kommt zur adiabaten Kühlung im Tank. Der Druck sinkt. Der Gasdruck und die Flüssigkeitstemperatur zeigen an, ob der Tank im thermodynamischen Gleichgewicht steht. Liegt dieses vor, ist nur sehr bedingt eine Förderung von Flüssigkeit mittels Pumpe möglich. Beim Ansaugprozess der Pumpe würde die siedende Flüssigkeit schlagartig verdampfen und der Fördergrad der Anlage würde nicht die projektierten Werte erreichen. Der Gasdruck im Tank muss leicht (die Betonung liegt auf leicht) erhöht werden. Die korrespondierende Siedetemperatur steigt, es entsteht unterkühlte Flüssigkeit, die Produkttemperatur ändert sich nicht. Es kann keine Verdampfung stattfinden, die Pumpe kann fördern. Oftmals ist zu beobachtet, dass zum Abstellen des Mangels der Tank erneut befüllt wird. Dabei geschieht im Prinzip das Gleiche: Die Siedetemperatur wird durch das frische Produkt gesenkt, die Dichte wird größer, der statische Druck am Pumpeneintritt steigt. Die Druckschleuse ist in der Lage, Flüssigkeit mit Siedetemperatur und Siededruck zu fördern. Ist der Dampfanteil in der Flüssigkeit zu hoch, steigt dieser bei geöffneten Ventilen in den Gasraum des Tanks auf. Der Tankdruck kann durch adiabate Kühlung, d.  h. durch Entspannen der Gasphase abgesenkt werden. Das System strebt das thermodynamische Gleichgewicht an, die Flüssigkeitstemperatur sinkt, die Dichte nimmt zu. Ebenso kann der Tankdruck durch Mischkondensation gesenkt werden. Das tritt während jeder Betankung ein. Wird von oben betankt, kühlt der sich einstellende Flüssigkeitsschleier die Gasmoleküle bis zur Kondensation ab. Sie fallen in die Flüssigkeit oder kondensieren an der Behälterwand. Der Tankdruck kann dadurch erhöht werden, indem Gas zugeführt oder von unten betankt wird. Bei der Zuführung von Gas wird im Wärmeübertrager, in der Regel ist das der Druckzusatzverdampfer, verdampft – der Druck im Tank steigt. Damit der Druck nicht

Literatur

119

unermesslich steigt, wird der Zufluss der Flüssigkeit in den Druckzusatzverdampfer mit dem Gasdruckregler begrenzt. Ist der eingestellte Druck erreicht, schließt der Regler. Zusammenfassung

Der Gesamtdruck des Tanks beeinflusst maßgeblich die Arbeitsweise einer Kolbenpumpe. Ein zu hoher Druck verschlechtert den Wirkungsgrad der Kolbenpumpe. Druck und Temperatur auf der Isobaren unterhalb des kritischen Punktes machen eine Förderung mit einer Pumpe fast unmöglich, da beim Ansaugvorgang die siedende Flüssigkeit verdampft. Der Gasdruck kann durch den Druckzusatzverdampfer erhöht werden. Eine Druckabsenkung ist nur durch Mischkondensation (Betankung) oder durch Ablassen des Gases (adiabate Kühlung) möglich. Die Druckschleuse des Liqui-­FlowVerfahrens kann siedende Flüsigkeit fördern. 

Literatur 1. https://de.wikipedia.org/wiki/Multilayer_Insulation

7

Sensorik in einer LNG-Anlage

Elektronische Messgeräte unterliegen ganz bestimmten Betriebsbedingungen. Die Arbeitsweise elektronischer Bauteile ist temperaturabhängig. Daher sollte den Datenblättern der Hersteller besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.  cc

Hinweis:  Beim Einsatz elektronischer Bauteile ist besonders auf die lt. Datenblatt vorgegebene minimal zulässige Betriebstemperatur zu achten. Diese ist in der Regel auf −40 °C begrenzt.

Eine Temperaturlimitierung elektronischer Bauteile bedeutet, dass besondere Vorkehrungen zum Schutz der Bauteile getroffen werden müssen oder es muss mit Analogien auf die Zustandswerte geschlossen werden. Ähnliches gilt es auch für mechanisch arbeitende Messgeräte zu beachten. Würde die tiefkalte Flüssigkeit die Messdose eines Manometers erreichen, so ist mit Materialschäden an ihr oder unzutreffenden Messwerten zu rechnen. Das Messgerät fällt ggf. aus. Druckmessgeräten für tiefkalt verflüssigte Gase schaltet man ein Gasdruckpolster vor, dies trifft sowohl für mechanische wie auch für elektronische Messgeräte zu. Möglich ist das, indem eine Schleife oder wie dargestellt ein U-Bogen (siehe Abb. 7.1) verlegt wird. Im U-Bogen verdampft LNG, es bildet sich ein Gaspolster und „warmes“ Gas überträgt den Druck an die Druckmessstelle. Das kalte Produkt kann die Sensorik oder die Druckmessdose nicht erreichen. Um den richtigen Messwert zu erfassen, muss die Messleitung so angeschlossen werden, dass sie den Gesamtdruck wiedergibt. Das bedeutet, der gesamte Druck muss in der Messleitung wirken. Das ist besonders wichtig, wenn hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. cc

Hinweis:  Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ist der dynamische Anteil des Druckes besonders hoch, der statische gering.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_7

121

122

7  Sensorik in einer LNG-Anlage

Strömungsrichtung Messleitung

Absperrhahn

Variante 1

Variante 2

U-Bogen oder Schleife nach oben

Abb. 7.1  Anschluss einer Druckmessstelle an eine Rohrleitung

Würde man die Leitung senkrecht, wie in Variante 1 der Abb. 7.1 anschließen, misst man vor allem den statischen Druck, der dynamische würde nur bedingt wirksam. Für Variante 2 wurde ein T-Stück mit Rohrerweiterung und mit einer langen Druckausgleichsstrecke gesetzt. Durch die Rohrerweiterung stellt sich in der Druckausgleichsstrecke der Gesamtdruck ein. Mit einem Anschluss an den U-Bogen drückt der Gesamtdruck in die Messleitung. In die Leitung, deren Druck erfasst werden soll, wird statt eines Bogens ein T-Stück eingebaut. Der gerade Ausgang des T-Stücks ist gleichzeitig die Anschlussstelle für die Messleitung, so dass dort der Gesamtdruck wirksam wird. cc

Hinweis:  Ist die Kompression in einer Kammer zu messen, ist das Leitungsvolumen zu berücksichtigen. Das Leitungsvolumen vergrößert den Totraum der Kammer und könnte das Ergebnis der Kompression verringern. Beides trifft für mechanische wie für elektronische Messgeräte zu, denn auch das elektronische Gerät hat eine Messleitung, an deren Ende der Drucksensor verbaut ist. Deshalb sollte für diese Messungen die Messleitung möglichst kurz und der Durchmesser möglichst gering sein (Kapillare). Zusammenfassung

Die zulässige Betriebstemperatur elektronischer Messgeräte ist zu beachten, diese ist in der Regel auf −40 °C begrenzt. Zum Schutz des Messgerätes wird ein Gaspolster vorgeschaltet. Das Volumen in der Messleitung ist zu beachten. Die Messleitung ist so anzuschließen, dass der Gesamtdruck erfasst wird. Bei Messungen der Kompression ist das Volumen der Messleitung in die Berechnung einzubeziehen. Die Messleitung erweitert das Volumen der Kammer und kann ggf. das Ergebnis markant beeinflussen. 

7.1 Füllstandsmessgeräte

7.1

123

Füllstandsmessgeräte

Ein Füllstandsmesser wird zur Messung des Flüssigkeitsfüllstandes eingebaut. Er ist ein unverzichtbares und vorgeschriebenes Messgerät an jedem vakuumisolierten Tank. Über ihn wird der Füllstand nicht nur erfasst, sondern auch ggf. gesteuert. In der breiten Anwendung haben sich für die Füllstandsmessung die Differenzdruckmessgeräte durchgesetzt, während gravimetrische nur bedingt Anwendung finden. Mit steigendem Siededruck fällt die Dichte. Damit wird ein niederer Füllstand als vorhanden angezeigt, denn das Gerät wurde auf eine höhere Dichte (i.R. Normdichte) eingestellt. Das trifft für die Differenzdruckmessung, wie für die gravimetrische Messung zu. Da bei Auslieferung des Tanks oftmals nicht der durchschnittliche Tankdruck bekannt ist, reduzieren einige LNG-Lieferanten die zulässige Füllhöhe auf einen Wert unter 100 %. Das ist jedoch nicht immer zielführend, da bei manchen Anlagen die Siededrücke stark schwanken. In dem Fall müßte der max. zulässige Abblasedruck des Sicherheitsventils als Bezugsgröße für den zulässigen Füllstand angenommen werden. Das Tankvolumen wird nur begrenzt ausgenutzt. Das ist durch die Überfüllsicherung (siehe Abschn. 9.5) vermeidbar. Diese erlaubt die Füllung zu 100 %, denn sie führt die sich ausdehnende Flüssigkeit in den Verdampfer ab, dort wird sie verdampft und wird in den Gasraum des Tanks zurück geleitet. Bei Erreichen des Ansprechdrucks des Prozessüberdruckventils oder des Sicherheitsventils wird das Gas kontrolliert über den Abgasschlot abgeführt.  cc

Hinweis:  In beiden Verfahren ist die jeweilige Dichte zu beachten. Sie ändert sich nicht nur von Medium zu Medium, sondern bei tiefkalt verflüssigten Gasen auch mit dem Siededruck.

Bei beiden Systemen wird vom Hersteller anhand der zu erwartenden Dichte und der Tankhöhe, sie beinhaltet den maximal möglichen Füllstand, die Skaleneinteilung vorgegeben. Daher sind Füllstandsmesser nur innerhalb der gleichen Tankgröße bei gleichem Produkt austauschbar.

7.1.1 Differenzdruckfüllstandsmessgerät Ein Füllstandsmessgerät ist das markanteste Messgerät an einem LNG-Tank. Es misst die Druckdifferenz, die sich aus der Flüssigkeitssäule und deren Dichte abzüglich des Gasdrucks im Tank ergibt. Auf diese Werte stellt der Hersteller das Gerät ein. Beispielsweise darf ein Differenzdruckfüllstandsmessgerät für einen Stickstofftank nicht unkorrigiert für einen LNG-Tank eingesetzt werden. Die Dichte von Stickstoff zu Erdgas verhält sich in etwa 1:2. Das auf Stickstoff eingestellte Gerät würde demnach nur die Hälfte des Füllstandes, bei gleicher Tankgröße, anzeigen (Abb. 7.2).

Dp = p Gesamt - p Gas

124

7  Sensorik in einer LNG-Anlage

Dp = p hyd.



p Gesamt = p Gas



p hyd.

H fullst ¨ . = p hyd . / Dichte

pGas phyd. Hfüllst. Δp pGesamt

+

= Gasdruck im Tank, wird am Manometer abgelesen = Füllstandshöhe ∗ Dichte der Flüssigkeit = Füllstandshöhe = Druckdifferenz entspricht der Füllstandshöhe = Druck am Tankboden, wird durch die Flüssigkeitssäule und dem darauf ruhenden Gasdruck bestimmt

Die Dichte ist von der Siedetemperatur abhängig, die im zeitlichen Verlauf durch die erwähnte Wärmezufuhr abnimmt. Erfolgt keine Entnahme, steigt der Flüssigkeitsspiegel an. Das Volumen nimmt zu, eine Änderung des Füllstandes wird jedoch nicht angezeigt. Ist keine Überfüllsicherung installiert, kann die Flüssigkeit in die Messleitungen und die Sicherheitsventilleitung gelangen. Durch die beaufschlagte Messleitung ist der aktuelle Füllstand nicht mehr erkennbar, der Tank ist messtechnisch außer Kontrolle. Allein deshalb ist die Überfüllsicherung (siehe Abschn. 9.5) bei LNG-Tanks zwingend notwendig. Bei einem Luftgasetank kann das Gas unter Beachtung der Vorsichtsmaßnahmen über die Gasentnahmeleitung abgeblasen (Gas am Siedepunkt) werden. Dabei wird das Produkt im Tank adiabat gekühlt.  Installation  Das Messgerät wird mit der einen Messleitung mit dem Gasdruck, angeschlossen an der Gasphase, und mit der anderen Messleitung, angeschlossen am Boden Lagertank

Media 6 mit Ventilblock −

H h

Ar, N2, O2, CO2 etc.

+ H Messbereich

h gemessene Hohe (≈ Tankinhalt)

Abb. 7.2  Druckverteilung am Tank. (Quelle: Samson, Typenblatt T 9527)

7.1 Füllstandsmessgeräte

125

des Tanks, mit dem Gesamtdruck beaufschlagt. Beide Drücke wirken von je einer Seite gegen eine Membran, die sich je nach Druckdifferenz mehr oder weniger nach der einen Seite bewegt. Diese Bewegung wird auf ein Zeigersystem übertragen (Abb. 7.3). cc

Hinweis:  Im Messgerät wirkt der Gasdruck alleine dem Druck der Flüssigkeitssäule plus Gasdruck entgegen. Die Gasdrücke heben sich auf, sodass nur der Druck der Flüssigkeitssäule angezeigt wird. Wäre die Flüssigkeitssäule nicht vorhanden, der Tank wäre also leer, würden beide Drücke die gleiche Kraft auf die Membran ausüben. Die Membran würde sich nicht bewegen, es erfolgt kein Ausschlag und der Zeiger würde auf null stehen. Das Gerät zeigt in der Regel den Füllstand in Prozent an. Dieser Wert kann auch in ein Volumenmaß umgerechnet werden und kann entsprechend auf der Skala gekennzeichnet werden.

Für den Anschluss an die Flüssigphase ist darauf zu achten, dass er am untersten Punkt des Tanks erfolgt und sich vor der Messeinheit ein Gaspolster aufbauen kann. Flüssiges Produkt darf nicht in die Messeinheit gelangen (U-Rohr oder Schleife legen).

Abb. 7.3 Wirkungsweise des Differenzdruckmessgeräts Media 6. (Quelle: Samson, Typenblatt T 9527)

126

cc

7  Sensorik in einer LNG-Anlage

Hinweis: Am Messgerät ist vor Inbetriebnahme ein Druckausgleich vorzunehmen. Durch die Verbindungsleitung im vorgeschalteten Ventilblock werden Gasdruck- und Flüssigkeitsdruckleitung kurzgeschlossen. Der Nullpunkt wird fixiert. Das Druckausgleichsventil wird wieder geschlossen, die Stränge wieder getrennt, und es werden der Gasdruck und der Gesamtdruck an der Membran wirksam. Der Füllstand wird angezeigt. Praxishinweis

Der Differenzdruckmesser stellt die Druckdifferenz zwischen Gasphase und Gesamtdruck fest und leitet daraus den Füllstand ab. Der Anschluss der Messleitungen erfolgt an der Gasphase und an der Flüssigphase. Vor Inbetriebnahme ist der Druckausgleich am Messgerät durchzuführen. Flüssigkeit darf nicht die Messzelle erreichen. Die Dichte ist abhängig vom herrschenden Siededruck. Eine Änderung des Füllstandes wird durch die Dichteänderung nicht angezeigt. Die Geräte sind an Tankgröße und Medium gebunden und müssen für den jeweiligen Tank vom Hersteller des Differenzdruckmessers eingestellt werden. Ausführung  Dem Differenzdruckfüllstandsmessgerät werden die Manometerabsperrhähne vorgeschaltet. Sie sind für den Servicefall notwendig, da sie die ungehinderte Arbeit am Messsystem bzw. dessen Austausch erlauben. An mechanisch arbeitenden Geräten können durch verstellbare Grenzwertgeber Punkte erfasst und übertragen werden. Die elektronischen Geräte arbeiten digital. Beide funktionieren nach dem gleichen Prinzip. Sie werden vom Hersteller auf max. Füllstandshöhe und Produkt eingestellt/kalibriert. Beim elektronisch arbeitenden ist die Ex-Zone zu beachten. Für Methan ist es die Zone 0, da die elektronische Messeinheit direkt mit dem Medium in Berührung kommt, es sei denn, vor dem Sensor befindet sich eine sperrende unbrennbare Flüssigkeit. cc

Praxishinweis  Elektronische wie mechanische Geräte arbeiten nach dem gleichen Messprinzip. Digital arbeitende Geräte müssen die Ex-Zone 0 haben. Der Differenzdruckmesser wird mit Manometerabsperrhähnen versehen.

Betriebsweise  Vor der Tankbefüllung ist abzuschätzen, wie lange der Tank mit Flüssigkeit steht und wie die Entnahme erfolgen wird. Erfolgt keine Entnahme in absehbarer Zeit, ist der Tank nicht auf die zulässige Höhe zu füllen. Beispielsweise nimmt die Dichte von Stickstoff um ca. 1/3 ab, wenn der Druck von 5 bar auf 18 bar steigt. Mit der Änderung der Dichte (sinkend) hat das Volumen zugenommen. Der Füllstandsmesser zeigt keine Veränderung an. Im Extremfall könnte Flüssigkeit in die Messleitung des Gasdrucks gelangen, das Gerät fällt aus. cc

Praxishinweis  Ist abschätzbar, dass eine gewisse Zeit keine Produktentnahme erfolgt, ist bei der Befüllung von Tanks ohne Überfüllsicherung auf eine geringere Füllhöhe zu füllen, da sie sich durch Erwärmung ausdehnt und den Tank ohne Betankung überfüllen würde. Für Tanks mit Überfüllsicherung kann auf diese Vorsichtsmaßnahme verzichtet werden.

7.1 Füllstandsmessgeräte

127

Wartung und Kontrolle  Wie alle Messgeräte ist auch der Differenzdruckmesser regelmäßigen Kontrollen, lt. Betriebsanleitung des Herstellers, zu unterziehen. Da die Anzeige am Differenzdruckmesser von der Dichte des Mediums abhängt, kann der Füllstandsmesser nur innerhalb der Gasart, und für gleiche Tankhöhen, ausgetauscht werden. cc

Praxishinweis  Das Füllstandmessgerät ist lt. Herstellerangaben regelmäßigen Kontrollen zu unterziehen. Der Austausch der Geräte ist nur für gleiches Medium und gleiche Tankgröße möglich.

7.1.2 Gravimetrische Füllstandsmessung Bei diesem Verfahren macht man sich das Gewicht der Flüssigkeit zunutze. Das Gewicht aller Flüssigkeiten ist vom Volumen und der Dichte abhängig. Der Zustand der Flüssigkeit im Tank wird durch den Wärmeeintrag verändert. Das bedeutet, die Dichte nimmt ab. Das Volumen kann aus der Dichte und dem gemessenen Gewicht ermittelt werden, sodass die Geometrie des Tanks die Berechnung des Füllstandes ermöglicht. Der Füllstandsmesser wird vom Hersteller bezüglich Tankhöhe und Produkt kalibriert. Für das Verfahren hat der Tankdruck eine nicht zu vernachlässigende Bedeutung. Hat der Tank einen Druckzusatzverdampfer und ist dieser nicht geschlossen, so kann nicht vom Gasdruck des Tanks auf die Dichte geschlossen werden. Nur im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichtes korrespondieren Druck und Dichte. Der Messwert würde ein falsches Ergebnis beschreiben. Das Messverfahren wird relativ selten anzutreffen sein, ist aber nicht zu verwerfen. Der Tank muss zur Messung von Schnee befreit sein. Die Sensoren dürfen nicht anderweitig belastet werden. Installation  Die elektronisch arbeitenden Druckmessdosen werden unter die Füße des Tanks gebaut. Es ist darauf zu achten, dass sie nicht mechanisch beschädigt werden. Diese liefern generell ein elektronisches Signal. Zur Füllstandsbestimmung wird es über eine Messbrücke weiterverarbeitet und der Füllstand auf einem Display anzeigt. Die Sensoren müssen der Ex-Zone 1 entsprechen. Wartung und Kontrolle  Wie alle Messgeräte sind auch die Messdosen lt. Herstellerangabe regelmäßig zu prüfen. Die Umgebung der Messdosen muss sauber sein und darf in keiner Weise zusätzlich belastet werden.

Zusammenfassung

Aus dem Gewicht und dem Druck unmittelbar nach der Betankung kann auf die Dichte geschlossen werden. Aus der Dichte und dem Gewicht kann das im Tank befindliche Volumen bestimmt werden. Daraus ist der Füllstand abzuleiten. Mit denen zur Messbrücke geschalteten Druckdosen wird das Gewicht im Tank ermittelt und daraus der Füllstand abgeleitet. Die Sensorik muss mindestens  dem Ex-­ Schutz ex 1 entsprechen. Der Füllstandsmesser muss werksseitig auf Tankgröße und Produkt eingestellt/kalibriert werden.

7  Sensorik in einer LNG-Anlage

128

7.2

Temperaturmessung

Der PT-100-Messfühler hat sich zur Temperaturmessung von LNG oder CNG bewährt. Er wird als Anlegethermometer ausgeführt. Seine Genauigkeit ist in dem Fall ausreichend. Der Messebereich erstreckt sich fast linear bis −73 K (Platinwiderstand). Es handelt sich um ein Widerstandsthermometer, bei dem sich in Abhängigkeit von der Temperatur die Leitfähigkeit ändert. Ein Austausch ist ohne erneute Kalibrierung möglich. Andere ­Sensoren sind auch möglich, sollen aber nicht näher besprochen werden, da sie von untergeordneter Bedeutung sind. Abweichend vom Tank für Luftgase und CO2 ist am LNG-Tank nach Möglichkeit unmittelbar am Flüssigkeitsaustritt eine Temperaturmessstelle vorzusehen. Sie dient der automatischen Prozesssteuerung, speziell zur Kontrolle des thermodynamischen Zustands des Produktes. Dazu genügt das erwähnte Anlegethermometer. Praxishinweis

Zur Temperaturmessung wird überwiegend der PT-100-Messfühler eingesetzt. Er sollte zur Kontrolle des thermodynamischen Zustands im Tank dienen und direkt am Austritt der Flüssigleitung installiert werden.

7.3

Massendurchflussmessgeräte

Massendurchflussmessgeräte werden in der LNG-Anlage an verschiedensten Stellen mit unterschiedlichen Aufgaben eingesetzt: Das Tankfahrzeug liefert das LNG und misst dabei die abgegebene Masse mit einem eichfähigen Massendurchflussmesser. Die Tankstelle gibt CNG oder LNG ab. Die gehandelte Masse wird in diesen Fällen erfahrungsgemäß mit Coriolismessgeräten erfasst und muss folglich mit einem amtlich geeichten Gerät ermittelt werden. Für betriebsinterne Abgaben ist die amtliche Eichung nicht erforderlich, die Messung dient nur der innerbetrieblichen Information.  Vor der Abgabe in den Fahrzeugtank muss das Gas odoriert werden. Die zuzugebene Odormittelmenge ist massenabhängig und muss daher genau festgestellt werden. In der Gasversorgungsanlage wird LNG verdampft. Dieses Gas muss entsprechend des Heizwertes aufbereitet werden. Dazu muss die Gasmasse bekannt sein, um zusätzlich  die zuzusetzende Stickstoffmenge zu ermitteln. Das setzt voraus, dass der Gasstrom festgestellt wird, um den Heizwert mit der Stickstoffmasse einzustellen. Für die technologisch bedingten Messungen sind keine amtlich geeichten Messgeräte notwendig.  Weitere Messverfahren sind u. a. die Wälzkolben- und Turbinenmessgeräte, kombiniert mit einer Temperaturkorrektur, thermische Messverfahren und das Ultraschalldurchflussmessgerät. Nachfolgend werden die gebräuchlichsten Geräte für den tiefkalten Bereich beschrieben. Praxishinweis

Die Messung des Massendurchflusses ist mit verschiedensten Verfahren möglich. Die Messung erfolgt aus technologischen oder kommerziellen Gründen. Kommerziell verwendete Messgeräte müssen eichfähig sein.

7.3 Massendurchflussmessgeräte

129

7.3.1 Coriolis-Messgerät Das Coriolis-Massendurchflussmessgerät (Abb. 7.4) arbeitet unabhängig von der Dichte, der Temperatur und dem Druck des zu erfassenden Massenstroms. Das Gerät muss jedoch für den jeweiligen Betriebsdruck zugelassen sein. Das Prinzip beruht auf der Trägheit einer bewegten Masse. Wird in einem Rohr eine Masse in Schwingungen versetzt, so wird die Schwingung einer Strömung am Eingang und Ausgang ungleich sein. Strömt die Masse nicht, sind die Schwingungen am Ein- und Ausgang gleich. Aus der Abweichung der Schwingungen lässt sich proportional auf die strömende Masse schließen. Mit Zu- oder Abnahme der strömenden Masse wird sich ein stärkerer oder schwächerer Ausschlag ergeben. Diese Veränderungen werden durch Sensoren am Anfang und Ende der Messstrecke erfasst und ausgewertet. Das Prinzip des Coriolis-Messers wurde bereits 1775 von Laplace aus den Newtonschen Gesetzen abgeleitet, aber erst 1835 von Coriolis ausführlich beschrieben. Der Durchflussmesser wird vorteilhafterweise in der Gasphase installiert. Die Messwerte werden je nach Bedarf ausgewertet, sei es für die Abrechnung der gezapften Menge an der Erdgastankstelle (mit einem eichfähigen Gerät) oder der durchströmenden Gasmasse der Heizanlage, der KWK-Anlage oder Ähnlichem. Einmal muss der Wert für verfahrenstechnische Zwecke ermittelt werden, das andere Mal wird über die Messung Gas gehandelt. Praxishinweis

Die Messung des Massendurchflusses nach Coriolis ist vorwiegend dem Prozess vorbehalten, wobei es sich um die Abgabe des CNG oder LNG in der Zapfsäule handelt und zum anderen die Massenbestimmung der Gasphase im Hoch- und Niederdruckbereich zwecks Odorierung. Das System für den kommerziellen Bereich muss eichfähig sein. Für technologische Messungen, wie die Einstellung der Gasmischung, sind keine geeichten Geräte vorgeschrieben.  Abb. 7.4 Coriolis-­ Durchflussmessgerät CNGmass D8CB, Ex-­ geschützt, (Quelle: Fa. Enders + Hauser)

130

7  Sensorik in einer LNG-Anlage

7.3.2 Massendurchfluss mittels Druckverlustmessung Die Flüssigkeit, speziell LNG, wird in diesem Messverfahren durch eine Blende gedrückt. Der Druck vor und nach der Blende wird gemessen. Der in der Blende erzeugte Druckverlust gibt Aufschluss über den Volumenstrom. Unter Beachtung der Dichte und der Temperatur kann die Masse errechnet werden. Da die Dichte sehr von der Siedetemperatur der Flüssigkeit abhängig ist, wird diese über die jeweils gemessene Temperatur kompensiert. Die Abweichungen belaufen sich im Bereich von 1 zu 3 bar auf einen Fehler von ca. 5 %. Ist der Tankauflieger für höhere Drücke zugelassen, wird der Fehler größer. Daher ist die Temperaturkompensation von Vorteil. Diese Kompensation kann man auch durch Bestimmung des Tankdrucks durchführen, indem die abgegebene Menge mit der Dichte beim herrschenden Tankdruck multipliziert wird (Abb. 7.5). Die Messstrecke steht permanent unter LNG und muss daher beim Start nicht kaltgefahren werden. Für den rauen Betrieb ist die Anlage bestens gerüstet. Die abgegebene Menge wird nach Beendigung des Tankvorgangs dem Kunden auf einem Streifen ausgedruckt und verbleibt als Datensatz im Gerät.

Abb. 7.5  Geräteschrank (links) mit Anzeigegerät (rechts) für Fahrzeuge (Quelle: Flow instruments GmbH) Praxishinweis

Die Messung des Massendurchflusses über den Druckverlust erfolgt über eine Blende. Vor und nach der Blende wird der Druck gemessen. Aus dem Druckverlust ergibt sich der Massendurchfluss. Die Messung erfolgt im Niederdruckbereich und wird hauptsächlich am Fahrzeugtank zur LNG-Abgabe in den örtlichen Tank angewendet. Durch eine Temperaturkompensation zwecks genauer Ermittlung der LNG-Dichte ist das System eichfähig.

8

Ausrüstungen einer LNG-Anlage

8.1

Ventile im tiefkalten Flüssigbereich und in der Gasphase

Ventile sperren Wege ab und geben sie frei, sie regeln den Druck und den Durchfluss. Mit ihnen wird die Sicherheit einer jeden Anlage beherrscht. Zu dieser Gruppe gehören auch die Sicherheitsventile. Entsprechend der Konstruktion und des Antriebs gibt es selbstöffnende und -schließende, pneumatische, elektrisch angetriebene und manuell betätigte Ventile. Sie werden neben der Art der Betätigung nach ihrer Arbeitsweise unterschieden, Regelventile, mit denen der Durchfluss eingestellt wird und Absperrventile, die einen Weg frei geben oder blockieren. Sie werden durch die zulässige Druckstufe, die Bauart, die Nennweite, das Medium und den Temperaturbereich gekennzeichnet; elektrisch angetriebene werden in Ex-geschützte und nicht geschützte Ventile eingeteilt. Ventile im kryogenen Bereich (Flüssigphase) werden meistens mit Faltenbalg ausgestattet. Der Wärmefluss in das Medium wird minimiert und bei höheren Drücken die Dichtheit gewährleistet. Daher sind LNG-Anlagen im Bereich der Flüssigphase mit Faltenbalgventilen auszustatten. In der Gasphase sind verschiedenste Dichtungssysteme anzutreffen, soweit diese für Medium und Druck geeignet sind. Zu beachten ist für elektrisch betriebene Ventile der einzuhaltende Ex-Schutz. cc

Hinweis:  Für die Installation müssen, wie für alle Bauteile, die Vorgaben des Herstellers beachtet werden. Es ist bei Einbau unbedingt immer auf die Strömungsrichtung (gekennzeichnet durch einen Pfeil) zu achten. Der Einlass ist immer die Seite des höheren Drucks, der Auslass liegt immer auf der Seite des geringeren oder gleichen Drucks.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_8

131

132

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

Werden die Anschlussseiten verwechselt, kann es zu Funktionsstörungen kommen. Beispielsweise können Magnetventile oder pneumatisch betätigte Ventile bei ­Nichtbeachten der Strömungsrichtung nicht öffnen oder werden aufgedrückt. Bei handbetätigten Ventilen besteht je nach Konstruktion die Möglichkeit, dass der Ventilkegel von der Ventilstange getrennt wird. Zur Reglung des Durchflusses wird fälschlicher Weise ein normales Absperrventil eingebaut. An solchen Ventilen stellen sich in der dauerhaften Nutzung Schäden durch Kavitation ein. Die Einstellung ist ungenau und kann sich ohne Betätigung ändern. Regelventile sind mit ihrem entsprechend ausgeführten Kegel und dem feinen Gewinde der Ventilspindel die bessere und sollte die einzige Lösung sein. Jedes Ventil wird von einer Ventilhalterung oder einer konstruktiv vorgesehenen Befestigung (Schraubenlöcher im Gehäuse zur Befestigung) gehalten. Kleine, leichte Ventile werden manchmal nur durch die Rohrleitung fixiert. Im tiefkalten Bereich muss die Befestigung der Ventile thermisch von der Befestigungsstelle entkoppelt sein (unterlegen einer Isolierung, Kunststoffplatte oder entkoppelnde Befestigungen). Ventile werden in der kryogenen Flüssigphase, gedichtet mit Faltenbalg, mit einer Schrägstellung von max. 30° eingebaut (senkrecht wäre optimal). Mit der Stellung soll verhindert werden, dass die Flüssigkeit in den Faltenbalg eindringt und dort ständig verdampft. Durch die aufrechte Stellung wird im Faltenbalg ein Gaspolster gebildet. Die Flüssigkeit wird nach unten aus dem Faltenbalg verdrängt und kann somit nicht verdampfen. Der Wärmefluss in das Medium wird stark eingeschränkt. Es sind spezielle Ventile erhältlich (z. B. Abb. 8.1), die lageunabhängig montiert werden können. Deren Spindelantrieb ist vom Produktbereich hermetisch getrennt. Es kann keine Flüssigkeit in diesen Abschnitt gelangen. Der Faltenbalg, aus einem Edelstahlrohr durch Walzen von hintereinander folgenden Wellen gefertigt, unterliegt einer starken Beanspruchung. Der Werkstoff neigt durch die ständige Bewegung der Ventilstange zur Ermüdung.

Abb. 8.1  Lageunabhängiges Ventil „Frees“ für tiefkalte Flüssigkeiten, auch für LNG mit Anschluss zur Vakuumisolierung. (Quelle: Fa. Stöhr Armaturen, Königsbrunn)

8.2 Rückschlagventil

133

Hinweis:  Aufgrund des Faltenbalgs wird die Standzeit eines Ventils begrenzt. Der Hersteller macht die entsprechenden Angaben zur Standzeit/Lastspielen. Die Standzeit kann durch einen verlängerten Faltenbalg erhöht werden, weil bei gleichem Weg des Ventilantriebs die einzelnen Wellen des Faltenbalgs weniger beansprucht werden. Ventile mit elektrischem Antrieb müssen in einer LNG-Anlage generell explosionsgeschützt sein (min. Ex 1, bei Medienberührung der elektrischen Teile Ex 0).

cc

Zusammenfassung

Man unterscheidet grundsätzlich Ventile für die Flüssig- und Gasphase. Ventile der Gasphase dürfen nicht im Bereich der Flüssigphase installiert werden, da diese sofort vereisen würden und damit ihre Funktion nicht mehr gegeben ist. Außer den Frees-­Ventilen müssen Ventile in der Flüssigphase senkrecht eingebaut werden, eine Schrägstellung von max. 30° ist zulässig. Die angezeigte Strömungsrichtung ist unbedingt zu beachten.

8.2

Rückschlagventil

Ein Rückschlagventil soll das Zurückströmen von Gas oder Flüssigkeit vermeiden. Dazu liegt ein Kegel, eine Platte oder eine Kugel, gehalten von einer Rückstellfeder im Ventilgehäuse. Für geringe Drücke wird seit einiger Zeit ein magnetisch arbeitendes Rückschlagventil von der Fa. Stöhr Armaturen angeboten. Dort ist die Feder durch einen Ma­ gneten ersetzt worden. Der Magnet hält das Ventil geschlossen. Mit dem Fließdruck und der anliegenden Druckdifferenz im Ventil wird es bei Erreichen des Öffnungsdrucks aufgedrückt. Sobald die Druckdifferenz, egal ob Fließdruck oder statische Druckdifferenz, über dem Ventil kleiner als die Rückstellkräfte ist, schließt das Ventil. Meistens soll vermieden werden, dass aus dem Hochdruckteil Produkt in den Niederdruckteil zurückströmt. Sollte es wider Erwarten eintreten oder zu erwarten sein, muss garantiert sein, dass durch ein entsprechendes Sicherheitsventil im Niederdruckteil (z. B. SV des Tanks) die Abblaseleistung des zurückströmenden Mediums sicher abgeführt werden kann. cc

Hinweis:  Das Sicherheitsventil des Tanks ist in der Regel nur für die Gasentwicklung ausgelegt, die durch Wärmeeintrag über die Behälterwand  oder Rohrleitung zu erwarten ist. Die Abblaseleistung des zurückströmenden Mediums ist nicht berücksichtigt, sodass geprüft werden muss, ob dieses Sicherheitsventil der möglichen zusätzlichen Abblaseleistung gerecht wird.

Gegenüber Schmutz in der Leitung sind Rückschlagventile besonders anfällig. Dieser setzt sich unter Umständen im Sitz des Ventils ab, sodass das Ventil nicht mehr richtig schließt. Daher ist es ratsam, vor Rückschlagventilen Schmutzfilter in der Leitung zu in­ stallieren. Vorschriften zur Platzierung für ein Rückschlagventil gibt es nicht. Der Prozess muss analysiert werden, sodass erkannt wird, ob Produkt ungewollt zurückströmen könnte.

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

134

An solchen Abschnitten wären Rückschlagventile zu platzieren. Ein Rückschlagventil sollte nach Möglichkeit immer senkrecht eingebaut werden, auch wenn Betriebsanleitungen nicht explizit darauf hinweisen. Damit schließen das Ventil immer zwangsläufig, auch wenn die Feder nicht mehr entsprechend des Datenblattes für das Rückschlagventil arbeitet.  cc

Hinweis:  Es ist günstig, wenn der Ventilkegel oder die Kugel durch das eigene Gewicht auf den Sitz fällt. Sollte die Feder brechen, würde das Ventil nicht mehr schließen. Letzteres kann durch senkrechten Einbau vermieden werden.

Im Hochdruckbereich haben sich der Schließkegel und die Kugel durchgesetzt, die Platte wird vorwiegend als Überdrucksicherung für geringe Drücke verwendet. Ein Schließkegel hat den Vorteil, dass er in der vertikalen Achse fixiert werden kann, die Kugel ist in der Lage nicht definierbar, da sie sich in schwebender Position drehen kann. Wird die Feder durch einen Permanentmagneten ersetzt, wirkt die Magnetkraft als Schließkraft. Diese ist konstant, sodass sich sehr zuverlässig ein genauer Öffnungsdruck einstellt. Dieses Ventil ist jedoch nur in der Gasphase einsetzbar, da sich bei tiefen Temperaturen die magnetischen Kräfte ändern. Ein Rückschlagventil wird nicht extern angesteuert, sondern durch den Impuls der Strömung. Die Federkraft toleriert in einem bestimmten Bereich. Die Toleranz ist in der Auslegung zu beachten. Abweichungen in den Baureihen sind möglich und sind aus dem Datenblatt des Herstellers zu entnehmen. – Als Ventilsitz hat sich, wegen der Robustheit, eine Dichtung aus einem Elastomerwerkstoff bewährt. Für Sauerstoff sind nur sauerstoffzertifizierte Dichtmaterialien zulässig. Dem begegnet man durch metallisch dichtende Systeme. cc

Hinweis:  Das Rückschlagventil entwickelt immer einen Druckverlust, den Öffnungsdruck, der im Fall geringer Druckreserven zu beachten ist. Ist der anstehende Öffnungsdruck zu niedrig, öffnet das Rückschlagventil nicht. Bei Unterschreitung des Öffnungsdrucks schließt es sofort.

cc

Es ist darauf zu achten, dass ein Rückschlagventil in regelmäßigen Abständen, insbesondere zur Vermeidung von Undichtigkeit, gereinigt werden muss. Kommt eine Kugel zum Einsatz, ist dieser mit großer Wahrscheinlichkeit zu wechseln, da die Oberfläche leicht durch Verschmutzungen beschädigt werden kann und nicht mehr zuverlässig schließt. Zusammenfassung

Das Rückschlagventil vermeidet das Zurückströmen eines Mediums. Es sollte so eingebaut sein, dass das schließende Bauteil immer von allein in den Sitz fallen kann. Der Druckverlust des Ventils ist in kritischen Druckbereichen zu beachten. Leichte Verschmutzungen des Mediums können die Funktion des Rückschlagventils stören. Daher sind Filter und regelmäßige Reinigung empfehlenswert.

8.3 Gasdruckregler

8.3

135

Gasdruckregler

Dem Anlagentyp entsprechend werden Druckregler installiert • zum Sichern eines konstanten Drucks, • zum Glätten von Druckspitzen im Gasstrom, • zum Halten eines definierten Ausgangs- oder Eingangsdrucks. Das bedeutet, dass der Druckregler für einen zulässigen Druck und für den gewünschten Volumenstrom ausgelegt wurde. Der zu regelnde Volumenstrom muss in der Kombination mit einer Gasdurchflussmessung und einer automatisierten Steuerung des Druckreglers erfolgen, der abhängig vom Gasdurchfluss die Ventilstellung beeinflusst. LNG-Tank  hier wird der Druckregler im Zusammenhang mit dem Druckzusatzverdampfer verbaut. Der Druckregler stellt den eingestellten Tankdruck sicher. In der Praxis zeigt sich aber, dass dieser Regler beim Pumpentank geschlossen wird, da die Kryohochdruckpumpe optimal arbeitet, wenn diese mit einem möglichst geringen Gasdruck aber hohem geodätischen Druck versorgt wird. Kaltvergaser versorgen einen Brenner oder einen Gasmotor. Diese beanspruchen eine konstanten Eingangsdruck, der über den Gasdruckregler am Druckzusatzverdampfer eingestellt wird. In weiterer Folge ist es möglich, dass der Gasmotor einen sehr begrenzten Eingangsdruck verlangt. Ein weitere Druckregler ist dem Motor vorzuschalten, eventuelkl mit einem zusätzlichen Sicherheitsventil, damit in keinem Fall dieser vorgeschriebene Druck überschritten wird.   LNG-Kältetank  da Flüssigphase entnommen werden muss, hat der Druckzusatz die Aufgabe, einen geforderten hohen Druck zu erzeugen. Der genaue Druck zur Versorgung wird mit dem Druckregler, der immer am Ausgang des Verdampfers installiert wird, eingestellt. LNG-Kaltvergaser  er wird verwendet für Gasbrenner, Gasmotoren oder Turbinen. Das LNG wird mit dem Gasdruck, entwickelt durch den natürlichen Wärmeeintrag, in den Luftverdampfer gedrückt und dort regasifiziert. Reicht dieser Druck nicht aus, ist ein Druckzusatzverdampfer mit Gasdruckregler unbedingt erforderlich. cc

Hinweis: Turbinen oder Gasmotoren verlangen einen geringen Eingangsdruck in einem engen Druckbereich. Mit einem Druckregler wird der genaue Arbeitsdruck hinter dem Luftverdampfer eingestellt.

Ein anderer Anwendungsfall ist die Aufrechterhaltung eines höheren Arbeitsdrucks. Das wird mit einem zusätzlichen Verdampfer und 2 Reglern erreicht. Ein Regler ist an die Gasphase des Tanks, der andere an die Flüssigphase angeschlossen. Der Regler der Gasphase schließt, wenn ein bestimmter Gasdruck erreicht ist. In diesem Zustand öffnet der Regler für den Druckzusatz und baut den erforderlichen Gasdruck im Tank auf. Der

136

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

z­ usätzliche Regler für die Flüssigphase öffnet und gibt flüssiges Produkt für die Verdampfung im Verdampfer frei. Die geforderte Entnahmemenge konnte vorher allein vom Druckzusatzverdampfer nicht bereitgestellt werden. Die eingestellten  Drücke am jeweiligen Regeler  müssen sich in der Höhe unterscheiden, ansonsten gibt es Komplikationen, da beide Regeler öffnen oder schließen könnten. Es gibt Druckregler, die diese beiden Funktionen in sich vereinen, es sind kombinierte Druckregler (siehe Abschn. 8.3.2), sogenannte Kombidruckregler. Installation  Der Ort der Installation ist von der Aufgabe des Reglers abhängig. Hat der Tank einen Druckzusatzverdampfer, soll dieser den Tankdruck auf einem gewünschten, konstanten Niveau halten. cc

Hinweis:  Der Druckregler ist am Druckzusatzverdampfer immer am Ausgang zu installieren. In den Eingang des Gasdruckreglers darf niemals tiefkalte Flüssigkeit eintreten. Das würde durch die Kälte oder die Verdampfung der Flüssigkeit zu Fehlfunktion führen. Deshalb sollte der Regler stets auf der „warmen“ Seite eingebaut werden.

Schließt der Regler, sperrt das Gaspolster den weiteren Zulauf der Flüssigkeit, eine weitere Verdampfung ist ausgeschlossen. Der Druck kann nicht weiter ansteigen. Besteht die Aufgabe, den Druck im Tank nicht über einen bestimmten Wert steigen zu lassen, wird an die Gasentnahmeleitung ein Regler angeschlossen. Der Regler öffnet, wenn der eingestellte Druck überschritten ist und schließt, wenn dieser auf den gewünschten Druck abgefallen ist. cc

Hinweis:  Es ist möglich, Gas bei geringem Verbrauch ausschließlich der Gasphase zu entnehmen. Zu beachten ist, dass dabei die adiabate Kühlung einsetzt.

Meistens wird ein federbelasteter Gasdruckregler (Abb. 8.2). verwendet. Im Reglergehäuse wird die Membran angeströmt, die von einer Federkraft entgegenwirkt und je nach eingestelltem Sollwert bewegt sich die Membran nach oben oder unten. Die an der Membran befestigte Ventilstange öffnet oder schließt das Ventil. Durch Öffnen oder Schließen wird der Druck dem Sollwert angeglichen. Durch Verdrehen der Federeinstellschraube stellt man den Sollwert ein. Erfolgt keine Abnahme, d. h. stellt sich kein Durchfluss ein, schließt der Regler und es stellt sich der Schließdruck (= Eingangsdruck) ein. Ein Pfeil zeigt die Strömungsrichtung des Reglers an. Er funktioniert nur in Strömungsrichtung. Eine weitere Möglichkeit besteht in der angesteuerten Gasdruckregelung. Dabei wird der Druck erfasst und ein Regelventil wird entsprechend des gewünschten Drucks geöffnet oder geschlossen. Diese Variante setzt jedoch eine zusätzliche Steuerung voraus und ist in LNG-Anlagen bisher nicht verbreitet. Der Gasdruckregler kann nicht das Absperrventil erstetzen, er ist ein Regelorgan und kein Absperrorgan. Betriebsweise  Ein direkt gesteuerter Gasdruckregler arbeitet analog und ist ständig betriebsbereit. Er kann nicht abgestellt oder zugeschaltet werden, es sei denn, man sieht eine Umgehung vor. Das wäre unüblich.

8.3 Gasdruckregler

137

Abb. 8.2  Gasdruckregler. (Quelle: Medenus GmbH Produktkatalog 2018/19)

Der angesteuerte Gasdruckregler arbeitet nur, wenn entsprechende Signale bereitgestellt und verarbeitet werden können. Dazu wird der Druck erfasst und einer vom Druckregler unabhängigen Regeleinheit zugeführt. Diese regelt über ein Regelventil den gewünschten Druck und Volumenstrom. Im Ruhezustand sollte in jedem Fall das ­ ­Regelventil in den gefahrlosen Zustand übergehen. Dieser Zustand wird erreicht, wenn das Regelventil strom- oder steuermedienlos öffnet oder schließt. Wartung und Kontrolle  Die Wartung und Kontrolle sollte entsprechend den Vorgaben des Herstellers durchgeführt werden. Diese kann durch betriebliche Festlegungen erweitert werden. Zusammenfassung

Druckregler sind nach Betriebsdruck, Medium, Temperatur, erforderlichem Gasvolumenstrom und konstantem oder variablem Eingangsdruck und Ausgangsdruck auszulegen und glätten Druckspitzen. Am Tank beeinflusst der Gasdruckregler den Gasdruck,

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

138

den Einspeisedruck in die Leitung zum Verbraucher und als Kombiregler die Entnahme aus der Gas- oder Flüssigphase des Tanks. Ein Kombiregler kann die beiden separaten Regler ersetzen. Die Installation des Druckminderers ist wesentlich von den Anforderungen abhängig. Es muss vermieden werden, dass tiefkalte Flüssigkeit in den Regler eindringt. Er sollte stets im Gasstrom auf der „warmen“ Seite installiert werden. Der Druckregler wird meistens als federbelastetes Bauteil ausgeführt. Er ist ein direkt wirkendes Regelgerät. Über die Feder wird ein Ventil geöffnet oder geschlossen. Es ist mit der Membran verbunden. Mit einer Stellschraube wird der Federdruck und damit der Sollwert des Drucks eingestellt. Für jede Anwendung gibt es spezielle Ausführungen.

8.3.1 Gasdruckregler, einfacher Der Gasdruck wird mit dem Gasdruckregler auf einem eingestellten Niveau gehalten. Voraussetzung ist, dass bei Druckabfall hinter dem Regler genügend Gas nachströmen kann. Der Gasdruckregler muss für den höchsten Anlagendruck und den Volumenstrom des jeweiligen Anlagenabschnitts geeignet sein und ist ein prüfpflichtiges Bauteil. Der Gasdruck wird über eine Stellschraube eingestellt und diese ggf. verplombt. cc

Praxishinweis  Der Druckregler hält den Druck auf einem eingestellten Ni-

veau. Er ist ein prüfpflichtiges Bauteil.

Installation  Der Gasdruckregler am Tank wird in der LCNG-Anlage (CNG wird aus LNG gewonnen) hinter dem Druckzusatzverdampfer, also auf der Gasseite und/oder dem Verdampferausgang installiert. Mit dem Gasdruckregler nach dem Verdampfer wird der gewünschte Gasdruck für die Versorgung eingestellt. Sind Drücke exakt einzuhalten, hat sich bewährt, dass erst ein Vordruckregler und danach ein Feindruckregler installiert werden. Der Vordruckregler wird auf einen höheren Wert als der Feindruckregler eingestellt. Wartung und Kontrolle  Entsprechend der Herstellerangabe sind die Regler, teilweise verbaut in einer Regelstrecke, zu warten. Praxishinweis

Der Druckregler wird am Tank nach dem Druckzusatzverdampfer und nach dem Verdampfer installiert. Es hat sich bewährt, dass nach dem Verdampfer ein Vordruckregler und dahinter ein Feindruckregler nacheinander geschaltet werden.

8.3.2 Gasdruckregler mit Doppelfunktion Der Druckregler vereint 2 Geräte in sich, einmal den Druckregler für die Druckbegrenzung der Gasphase und die Druckreglung durch Öffnen der Flüssigphase. Er schaltet mit Erreichen eines minimalen Drucks auf die Flüssigphase um.

8.3 Gasdruckregler

139

Die Fa. Herose, Bad Oldesloe schreibt dazu, sie nennt ihn Cryo-Druckregler, auch Kombiregler (Abb.  8.3) genannt, in ihrer Firmenschrift: Die Funktion eines Kombireglers – von einigen Herstellen auch als Cryo-Druckregler bezeichnet – beschreibt folgender Text: „Im Cryo-Druckregler sind drei Funktionen vereint: Druckaufbau-, Druckabbau- und Sicherheitsfunktion. Es sind weniger Armaturen und Verrohrungen notwendig, was obendrein Kosten spart. Mit dem CombiDruckregler lassen sich technische Gase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon1 tiefkalt verflüssigt unter konstantem Druck wirtschaftlich in einem Standtank lagern. Der CombiDruckregler ist erhältlich in DN20 und sichert Drücke bis zu 38 bar ab, bei Betriebstemperaturen von −196 °C bis zu +200 °C. Gefertigt werden die Druckregler in Edelstahl, mit den Durchflussraten von 1,2 m3/h und 3,2 m3/h.“  Quelle: Fa. Herose, Bad Oldesloe, Firmenprospekt Die Gasphase des Tanks kann mit Rückschlagsicherung, die als Zusatzbauteil geliefert wird, ausgeführt werden. Damit wird eine zuverlässige Steuerung des Tankdrucks unterstützt. Installation  In diesem Ausnahmefall wird der Kombidruckregler vor dem Verdampfer eingebaut und eingangs an die Gasphase und die Flüssigphase des Tanks angeschlossen. Der Ausgang führt in den Luftverdampfer. Betriebsweise  Der Regler arbeitet wie alle anderen analog und kontinuierlich. Durch die mittels Stellschraube eingestellte Stellgröße für den Druck, wird der Ausgangsdruck in

Abb. 8.3  Druckregler mit Doppelfunktion, oder Kombidruckregler. (Quelle: Herose, GmbH Bad Oldesloe) 1

 Anmerkung: lt. Firmenschrift auch für LNG zugelassen.

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

140

engen Grenzen konstant gehalten. Erreicht der Druck im Gasraum des Tanks den eingestellten Wert, wird die Hubbegrenzung nach unten gedrückt und die Entnahme der Flüssigkeit wird gesperrt.

Zusammenfassung

Der Druckregler mit Doppelfunktion regelt den Gasdruck im Tank und hält ihn kon­ stant. Er wird am Tankausgang installiert und verbindet den Gasraum des Tanks und die Flüssigphase. Je nach Gasdruck wird die Gasphase oder die Flüssigphase geöffnet. Damit sind 3 Funktionen in einem Regler vereinigt.

8.4

Luftverdampfer

Funktion  Im Luftverdampfer wird LNG regasifiziert, d.  h. verdampft. Die Verdampfungswärme und Überhitzungswärme wird der Luft entzogen. Muss das Gas beim Verlassen des Verdampfers eine Temperatur über der Umgebungstemperatur haben, muss mit einem Gasanwärmer nachgewärmt werden. Der Luftverdampfer neigt im Dauerbetrieb zur Vereisung. Die Vereisung ist im Sommer, also in Zeiten hoher Luftfeuchtigkeit, besonders stark. Deshalb kann man 2 Verdampfer parallel schalten. Es besteht so die Möglichkeit, dass ein Verdampfer abtaut, bzw. sich erwärmt und der andere den Verdampfungsprozess ermöglicht. Das wird durch eine automatische Umschaltung geregelt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur einen Verdampfer zu installieren, ihn aber größer zu dimensionieren. Nach dem Verdampfer ist der Gasvorwärmer zu in­ stallieren, der im Bedarfsfall das Gas auf die geforderte Mindesttemperatur erwärmt. Er wird von nachgeschalteten Thermostaten angesteuert.

Zusammenfassung

Im Luftverdampfer wird dem LNG die Verdampfungs- und Kompressionsenergie zugeführt. Die Energie bezieht er aus der umgebenden Luft. Deren physikalische Eigenschaften (Temperatur, Luftfeuchte) und damit Energiegehalt wechselt ständig. Daher werden diese Anlagenteile nach Erfahrungswerten ausgelegt. Konstruktive Gestaltung  Der Luftverdampfer ist ein Röhrensystem, das mit Rippen bestückt ist, über die der Energieaustausch zwischen Medium, hier LNG und der Umgebung erfolgt. Je nach Bauart sind die Rohre heute in der Regel in Reihe geschaltet (früher pa­ rallel geschaltet). Die Rohre befinden sich in einem Rahmen, der auf dem Boden befestigt wird und das gesamte Werk statisch zusammenhält.

8.4 Luftverdampfer

141

Auslegung  Ein Luftverdampfer wird anhand empirischer Werte ausgelegt, eine Berechnung wie beim Wärmetauscher ist wegen der ständig wechselnden Parameter der Luft nicht sinnvoll. Des Weiteren spielen auch Sonneneinstrahlung, Betriebsweise und Aufstellungsort eine nicht unwesentliche Rolle. Ist die Gastemperatur am Verdampferaustritt zu gering, muss zuerst die Verdampferfläche vergrößert werden. Ist am Ausgang der Volumenstrom zu gering, werden mehrere Verdampfer parallel geschaltet. Wird die Austrittstemperatur nicht erreicht, werden weitere Verdampfer in Reihe geschaltet. Die Austrittstemperatur kann die Temperatur der Umgebung nicht überschreiten, sie wird stets kurz darunter liegen.  cc

Hinweis: Steht der Luftverdampfer in unmittelbarer Nähe von Verkehrsflächen, ist bei Frostgefahr mit Vereisung der Flächen zu rechnen. Insbesondere, wenn die Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt liegen, ist diese Gefahr besonders gegeben. Der aus dem Luftverdampfer abziehende kalte Nebel fällt auf die Betonfläche, kondensiert dort und bildet eine Eisschicht, die von passierendem Personal oder Fahrzeugen nicht erwartet wird. Zwecks Unfallvermeidung sind entsprechende Maßnahmen zu treffen.

Führt die Flüssigentnahme aus einem Tank zum Abfall des Tankdrucks, wird der Druck durch den Druckzusatzverdampfer, einem Luftverdampfer kleinerer Bauart, erzeugt. Wird dabei die Leitungsgrenze erreicht, muss die Verdampferfläche des Druckzusatzes erweitert werden, das bedeutet, dass ein weiterer Verdampfer installiert werden muss. Er ist dem vorhandenen Druckzusatzverdampfer parallel zuzuschalten. Die Zuleitung zum Druckzusatzverdampfer lässt erfahrungsgemäß genügend Flüssigprodukt nachströmen, sodass auch ein zweiter Verdampfer angeschlossen werden kann. Zu beachten ist, dass der zusätzliche, meist daneben stehende Verdampfer, maximal bis zum Füllstand des Tanks mit ­Flüssigkeit beaufschlagt werden kann. Kann der Verdampfer nicht uneingeschränkt geflutet werden, führt das zu einer verminderten Leistung. Zusammenfassung

Luftverdampfer werden nach empirischen Werten ausgelegt. Aufstellungsort und Betriebsweise beeinflussen die Leistung. Eine projektierte Überdimensionierung ist kostengünstiger als eine Nachrüstung oder ein anschießendes Temperieren des Gases. Vorsicht ist bei einer Aufstellung in der Nähe von Verkehrsflächen geboten. Sie können sehr schnell vereisen. Bei Erhöhung des Volumenstromes werden mehrere parallel, bei zu tiefer Austrittstemperatur werden weitere in Reihe geschaltet.

142

8.5

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

 asvorwärmer in KWK-Anlagen oder in Anlagen G mit Gasbrenner

Mit einem Gasvorwärmer wird Gas auf eine gewünschte Prozesstemperatur erwärmt. Generell sollte versucht werden, eine Anlage ohne Gasvorwärmer zu betreiben. Durch einen Gasvorwärmer steigt der Energieverbrauch und zusätzliche Kosten fallen an. Er sollte also nur eingesetzt werden, wenn das Gas im Luftverdampfer nicht die gewünschte Temperatur erreicht. Eine Möglichkeit wäre es, die Verdampferfläche des Luftverdampfers zu vergrößern. Installation  Der Gasvorwärmer wird in die Zuleitung unmittelbar vor die Abnahmestelle geschaltet. Der Wärmeübertrager wird vorzugsweise in Reihenschaltung in den Strang eingebaut. Nur wenn der Druckverlust im Wärmeübertrager von besonderer Bedeutung ist, sollte geprüft werden, ob es sinnvoll ist, diesen parallel zu schalten. Der Gasvorwärmer sollte mit nur einem Ventil absperrbar sein, entweder am Eingang oder am Ausgang. Das jeweils 2. Ventil, welches zum Absperren des Verdampfers im Servicefall dienen könnte muß unbedingt blockiert werden oder es ist ein Sicherheitsventil zu installieren. Das Sperren von Einund Ausgang kann bei Fehlbedienung unzulässigen Druckanstieg verursachen, da Flüssigkeit eingeschlossen sein kann, verdampft und der Gasdruck den zulässigen übersteigt. cc

Hinweis:  Ist es zwingend erforderlich, Ein- und Ausgang mit einem Ventil abzusperren, muss die Strecke durch ein Sicherheitsventil abgesichert werden.

Ausführung  Die Beheizung kann elektrisch, mit einer Flüssigkeit (Wasser, Öl usw.) oder mit temperiertem Gas erfolgen. Mit Wasser gefüllte Vorwärmer müssen immer mit einem Frostschutzmittel versetzt werden. Erdgasvorwärmer, die elektrisch beheizt sind, müssen immer einen Ex-Schutz haben. Taucht die Heizspirale direkt in das Gas ein, wird die Zone Ex = 0 verlangt. Ist die Heizspirale doppelwandig ausgeführt oder in einem Alublock vergossen, also nicht medienberührend ist, wird die Ausführung in Ex  =  1 erfolgen. Der Gasvorwärmer ist ein Druckgerät, welches die entsprechenden Anforderungen der Druckgeräterichtlinie erfüllen muss. Betriebsweise  Über einen, am Ausgang installierter Temperaturfühler wird der Temperaturregler angesteuert. Er steuert die Wärmeabgabe. Die Steuerung läuft kontinuierlich mit und schaltet die Heizung bedarfsgerecht. Wartung und Kontrolle  sollten entsprechend den Vorgaben des Herstellers durchgeführt werden. Kontrollen können durch betriebliche Festlegungen erweitert werden. Für sekundärbeheizte Geräte ist der Füllstand der Flüssigkeit ständig zu überwachen. Es bietet sich eine automatisierte Überwachung an.

8.6  Odorieranlagen und Odorierung

143

Praxishinweis

Der Gasvorwärmer sichert mit Fremdenergie eine gewünschte Gastemperatur. Es ist jedoch anzustreben, diesen zu vermeiden, indem der Luftverdampfer entsprechend groß ausgelegt wird. Werden am Ein- und Ausgang Ventile gesetzt, muss dieser Abschnitt mit Sicherheitsventilen abgesichert werden.

8.6

Odorieranlagen und Odorierung

Erdgas ist ein brennbares, geruchloses und farbloses Gas und birgt bei unkontrolliertem Austritt ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotenzial. Es kann vom Menschen nicht durch Geruch oder Farbe erkannt werden. Die Technischen Regeln – Arbeitsblatt DVGW 280-1(A) vom Juli 2012 – schreiben deshalb vor, dass diese Gase mit Geruchsstoffen versetzt (odoriert) werden, damit ein unkontrollierter Austritt am Geruch des Odorierungsmittels erkannt werden kann. Der Geruch des Odorierungsmittels wird als Warnung empfunden, sodass entsprechende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden können. Odorieren großer Gasvolumenströme ist technisch gelöst. Markante Probleme sind nicht bekannt. Durch den eigenen Gasgeruch in unterschiedlichen Geruchsvarianten wird der unkontrollierte Gasaustritt auch für Nichtfachkundige erkennbar. Das Odorierungsmittel wird mit einer Odorieranlage (Abb. 8.4) flüssig in den Gasstrom gedrückt und verdampft dort. Abb. 8.4 Gasodorieranlage für große Gasmengen – über 500 Nm3/h. (Quelle: Lewa GmbH Leonberg)

144

8  Ausrüstungen einer LNG-Anlage

Es entwickelt sich ein Trend, kleinere Erdgasmengen dezentral über LNG bereitzustellen. Diese Mengen  müssen odoriert werden, da das Gefahrenpotenzial das gleiche ist. Odorieranlage bisheriger Leistung setzen Odorierungsmittel zwischen 1 l/h und mehrere 100 l/h – in Abhängigkeit des Gasvolumenstromes – zu. Durch die Dosierpumpe erfolgt die Odoriermittelzugabe laut DVGW 280-1(A) stoßweise. In Großanlagen (ab 500 Nm3/h) verteilt sich anschließend das Odoriermittel gleichmäßig im Gasstrom. Geringe Volumenströme können mit den leistungsstarken Odorieranlagen nicht mehr homogen mit dem Mittel versetzt werden. Beispielsweise wird Gas mit Gasodor® S-free mit einer Menge von 8ppm/Nm3 versetzt. Es sind grundsätzlich 2 Gasversorgungsfälle zu unterscheiden, die Gasversorgung aus dem Leitungsnetz und die LNG-Versorgung aus einem LNG-Tank. Das in der Gasleitung befindliche Gas wird an der Übernahmestelle vom Mitteldrucknetz zum Niederdrucknetz zentral im Gas- oder Stadtwerk mit Odorierungsmittel versetzt, dezentrale Anlagen, müssen selbst für diesen Prozess sorgen. Dezentrale Gasversorgungsanlagen speichern LNG in einem Tank. Aus dem Tank fließt das LNG, angetrieben durch den Tankdruck, in den Luftverdampfer und wird dort zu CNG verdampft. Anschließend müssen diese oftmals sehr egringen Mengen odoriert werden.  Zugabe des Odorierungsmittels in das LNG direkt ist nicht möglich. Das Mittel würde sofort ausflocken. Da das Gasvolumen abhängig vom Bedarf schwankt, muss es mit einem Massendurchflussmessgerät ermittelt werden. Dieser Massendurchflussmesser kommuniziert mit der Odorieranlage. Das Messergebnis des Massenstroms wird in der Odorierungsanlage ausgewertet, sodass diese entsprechend Odorierungsmittel zusetzt. Zur Ermittlung des Massenstroms hat sich allgemein das Coriolis-Durchflussverfahren bewährt. Wird beispielsweise ein Pkw betankt, so werden ca. 20 kg in mehreren Minuten abgenommen. Diese Menge wird vor dem Einströmen in den Fahrzeugtank regasifiziert und strömt mit ununterbrochenem, aber schwankendem Volumenstrom in das Fahrzeug. Für solche kleinen, volatilen Mengen wurde in Wernigerode (Hofmann & Hoppestock) eine geeignete Odorierung entwickelt. Eine solche Einheit ist in Abb. 8.5 dargestellt, im Vordergrund steht das Massendurchflussmessgerät, das in die Hochdruckleitung eingebunden ist. Dahinter ist die Odoriereinheit mit Odormittelspeicher im Gehäuse verbaut. Mit einem Coriolis-Massendurchflussmessgerät (entweder in der Zapfsäule oder separat verbaut) kommuniziert die Odoriereinheit. Damit können auch Mengen von 1 Nm3/h homogen odoriert werden. Die abgegebene Odoriermittelmenge ist zu verifizieren. Deshalb wird das Gewicht der entnommenen Menge kontinuierlich kontrolliert und mit dem Gasstrom verglichen. Der Massendurchfluss an einer Zapfsäule wird von einem geeichten Zählwerk in der Zapfsäule gemessen. Ist keine Zapfsäule verfügbar (z. B. an einer KWK-Anlage), wird die Odorieranlage mit einem eigenen Coriolis-Massendurchflussmesser ausgestattet, vgl. ­Abschn. 5.5.2. Der Druck hinter dem Luftverdampfer wird in Niederdruckanlagen (Heizanlagen oder KWK-Schaltungen) zwischen 3 und 16 bar liegen und für Hochdruckanlagen (Erdgastankstellen) zwischen 220 und 320 bar. Unabhängig vom Druck wird das Gas immer nach dem Verdampfer bzw. Hochdruckgasspeicher odoriert.

8.6  Odorieranlagen und Odorierung

145

Abb. 8.5  Odorieranlage für Kleinmengen. (Quelle: Hoffmann & Hoppestock GmbH, Wernigerode)

Zusammenfassung

Das geruchlose Erdgas muss odoriert werden, damit es bei unkontrolliertem Austritt vom Menschen wahrgenommen werden kann. Die Odorierung erfolgt mit Odorieranlagen, die dem jeweiligen Massenstrom angepasst werden. Das Odoriermittel wird in LNG-Anlagen nach dem Luftverdampfer zugesetzt. Leitungsgas aus dem Niederdrucknetz ist in der Regel odoriert.

9

Sicherheitseinrichtungen

9.1

Sicherheitsventile

9.1.1 Sicherheitsventile (SV) in der Anlage Rohrleitungen, Behälter und Bauteile müssen gegen Überdruck gesichert werden. Das erfolgt mit Sicherheitsventilen oder Berstscheiben. Das Ventil muss bei Erreichen des zulässigen Drucks selbsttätig öffnen und unmittelbar unterhalb einer Schwelle ebenso schließen. Das abgeblasene Gas ist, wie bei allen anderen Ventilen in den Abgasschlot zu führen. Berstscheibe Sie kann sehr platzsparend verbaut werden, ist aber nur einmalig benutzbar. Nach dem Ansprechen (platzen) muss sie stets durch eine neue ersetzt werden. Vor ihrem Einsatz ist die sekundäre Gefahrenentwicklung (Abblasen großer Erdgasmengen ist möglich) und, insbesondere für hohe Drücke, die Wirtschaftlichkeit zu prüfen. In LNG/CNG-Anlagen ist der Einsatz nur bedingt möglich. Bei Ansprechen der Berstscheibe muss gesichert sein, dass abgeblasenes Gas in den Schlot abgeführt wird, denn das Gas strömt, im Gegensatz zum Sicherheitsventil, bis zur völligen Entleerung des abgesicherten Abschnitts ab. Die Berstscheibe ist für LNG/CNG-Anlagen ungeeignet und wird in diesem Buch nicht weiter betrachtet. Sicherheitsventil Es ist in Abhängigkeit vom Medium nach dem zulässigen Betriebsdruck, der Betriebstemperatur und dem Abblasevolumen auszulegen. Ist der zulässige Druck – wie es die Regel ist – vorgegeben, so müssen Medientemperatur und Abblasevolumen genau ermittelt werden. Dazu ist zu prüfen, ob die Gasphase des Tanks oder Gasphase aus den

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_9

147

148

9 Sicherheitseinrichtungen

nachfolgenden Bauteilen (nach dem Verdampfer) entlastet werden muss. Für die Absicherung der ­Gasphase des Tanks ist die Siedetemperatur des Erdgases für die zulässige Betriebstemperatur bestimmend, hinter dem Luftverdampfer ist die Umgebungstemperatur von Bedeutung. Als nächstes muss das maximal mögliche Abblasevolumen bestimmt werden, das sich immer auf den Normzustand (entspannt auf Atmosphärendruck) des Gases bezieht. Neuerdings wird für den Brandfall das Abblasevolumen zur Querschnittsermittlung zugrunde gelegt. Im Brandfall wird der Tank im Schadensfall überdurchschnittlich warm, es bildet sich extrem viel Gas, das abgeführt werden muss. Das Medium muss ungehindert abströmen können. Wird der Druck nach dem Verdampfer abgesichert, ist die Verdampferleistung in der Auslegung zu berücksichtigen. Auch dieser Wert muss mit den Leistungswerten des Datenblattes des Verdampfers korrespondieren. Es ist davon auszugehen, dass der Verdampfer nach der Pumpleistung ausgewählt wurde. Die verbindende Rohrleitung zum Sicherheitsventil darf im freien Querschnitt nicht geringer sein als der des Sicherheitsventils. Die Rohrleitung ist auf den möglichen Druckverlust zu überprüfen. Er darf 3 % des Abblasedrucks nicht unterschreiten. Stellt sich ein größerer Druckabfall ein, ist ein größerer Querschnitt der Leitung zu wählen. Der Öffnungsdruck muss dem zulässigen Druck entsprechen und hat anhand der Vorgaben des jeweiligen Ventilherstellers zu erfolgen. Der Schließdruck liegt ca. 3 % unter dem Ansprechdruck und schließt demnach unterhalb des zulässigen Drucks. cc

Hinweis:  Eine Überdimensionierung des Sicherheitsventils sollte vermieden werden, da dadurch das Ventil im Fall des Ansprechens in kurzen Abständen öffnet und wieder zuschlägt. Das beansprucht den Ventilsitz und kann besonders bei metallisch dichtenden Sitzen zu Undichtigkeiten führen.

Eventuelle Verunreinigungen können sich durch pulsierende Druckstöße in den Sitz einarbeiten. Nachdem der Druck abgebaut wurde, schließt das Ventil dann nicht mehr dicht. Das Sicherheitsventil ist nach Möglichkeit in der Gasphase zu positionieren, also hinter dem Luftverdampfer oder am Tank an der Gasphase. Die nachgeschalteten Baugruppen müssen für den Ansprechdruck des Sicherheitsventils zugelassen sein, sie dürfen ihn nicht unterschreiten. Damit erübrigen sich nach dem Verdampfer weitere Sicherheitsventile in der Anlage. Ist Flüssigkeit in der Leitung, ist das Ventil so anzuschließen, dass diese mit dem entstehenden Gas aus der Leitung gedrückt wird (siehe Abb. 9.1). Das Ventil muss für das flüssige Medium (LNG) geeignet sein. Die Ausblaseleitung endet im Abgasschlot, sodass keine Gefahr durch spritzendes LNG besteht. Schließt die Leitung oben am Rohr an, wird Gas abströmen und die Flüssigkeit wird in der Leitung verdampfen. Auch hier muss das SV für die Flüssigphase zugelassen sein. Im Ventilsitz entspannt das Gas durch den Drosseleffekt auf Atmosphärendruck und kann damit Siedetemperatur erreichen. Es kühlt sich ab, sodass sich beim Ausblasen Flüssigkeitstropfen bilden können.

9.1 Sicherheitsventile

149

Abb. 9.1  Anschluss eines Sicherheitsventils in der Rohrleitung

cc

Hinweis:  Wird die SV-Leitung angeschlossen, sinkt der Druck in der zu entspannenden Leitung. Die Verdampfung wird nachlassen, das Ventil schließt, die Oberflächen werden vereisen. Der Prozess der Gasbildung kann sich zyklisch wiederholen und über eine längere Zeit hinziehen.

In jedem Fall wäre zu beachten, dass das Gas im Ventilsitz durch die Entspannung auf Siedetemperatur abkühlt (Joule Thomson). Der Flüssigkeitsanteil wird unregelmäßig vermischt mit Gasanteilen ausgeblasen. Dieses Szenarium wird als ungünstig eingeschätzt. Für die Auslegung der Sicherheitsventile ist der mögliche Druckanstieg durch: • zu lange Lagerzeit im Tank und zwangsläufigem Druckanstieg, • plötzlichem Vakuumbruch oder nachlassendes Vakuum der Tankisolierung, • Rückschläge und Druckspitzen aus der Anlage (sollte durch Rückschlagventile ausgeschlossen werden), • zu hoher Pumpendruck bei der Betankung möglich. Hierbei ist Augenmaß zu wahren. Selbst wenn ein Vakuumbruch z.  B. durch Beschädigung des Außenmantels des Tanks auftritt, ist nur ein langsamer Druckanstieg zu erwarten. Muss man mit einem plötzlichen und starken Druckanstieg (Brandgefahr) rechnen, ist anzunehmen, dass ein wesentlich größerer Ventilquerschnitt zu berücksichtigen ist. Das SV wird größer. Für dieses seltene Szenario wäre eine Berstscheibe die scheinbar bessere Wahl, weil es die kostengünstigere Lösung darstellt. Dem kann nicht gefolgt werden: Im Brandfall würde aus der Berstscheibenöffnung Erdgas mit relativ hohem Druck austreten, der Gasstrom ist nicht zu stoppen, da in der Leitung zur Berstscheibe keine Armatur verbaut werden darf. cc

Hinweis:  Die bessere Lösung ist das Prozessüberdruckventil (siehe ­Abschn. 9.2). Mit diesem Ventil wird der normale Überdruck abgeleitet. Sollte dieses Ventil versagen, würde das SV unmittelbar folgend den Druck ablassen.

150

cc

9 Sicherheitseinrichtungen

Praxishinweis  Die Sicherheit gegen Überdruck muss durch Sicherheitsventile oder Berstscheiben hergestellt werden. Sie öffnen, bzw. bersten bei Erreichen des Ansprechdrucks – potenzielle Gefahr! Eine Berstscheibe lässt im Fall des Ansprechens den gesamten Druck ab. Das Sicherheitsventil schließt nach Unterschreiten des eingestellten Drucks. Die Gasphase muss bei Erdgas in den Schlot abgeleitet werden. Eine Überdimensionierung ist zu vermeiden. Das Sicherheitsventil ist nach Druck, Temperatur und maximalem Abblasevolumen auszulegen. Das Gas muss ungehindert abströmen können. Das Sicherheitsventil am vakuumisolierten Tank wird nach dem möglichen Druckanstieg durch eingedrungene Wärme ausgelegt, also dem projektierten Druckanstieg lt. Datenblatt, neuerdings auch für den Druckanstieg im Brandfall. Das Sicherheitsventil hinter dem Verdampfer wird nach der genannten Verdampferleistung bestimmt. Absperrbare Rohrleitungen, die Flüssigkeitsreste aufweisen können, sollten so abblasen, dass zuerst die Flüssigkeit aus dem Rohrstück oder Behälter gedrückt wird.

Ausführungen  Von Sicherheitsventilen gibt es die unterschiedlichsten Bauformen. Für LNG/CNG als brennbares Gas ist nur ein nicht anlüftbares SV zulässig. In Erdgas­ anlagen dürfen generell keine anlüftbaren Ventile eingesetzt werden. Sicherheitsventile unterscheiden sich ansonsten unwesentlich in ihrer Bauart. Unterschieden werden Ventile mit Elastomersitz oder metallisch dichtenden. Der Anlagenentwickler entscheidet, welcher Typ eingesetzt wird. Meistens wird ein Eckventil gewählt, da bei dieser Bauform ein Rohranschluss verfügbar ist, an den die Abblaseleitung angeschlossen werden kann. Über diese Leitung wird das Gas kontrolliert abgeführt. Im Servicefall oder bei Betriebsstörung, ausgelöst durch das Sicherheitsventil, ist das Ventil außer Betrieb zu nehmen und zu tauschen. Mit der Sicherheitswechselarmatur (siehe nachfolgenden Abschnitt) ist im Servicefall immer ein Sicherheitsventil im Einsatz. Damit wird der erforderlichen Sicherheit entsprochen. Manipulationen am SV sind strengstens verboten. Das SV muss verplombt sein. Ist die Plombe gebrochen oder beschädigt, muss das Ventil außer Betrieb genommen werden. Installation  Die SV-Leitung des Tanks wird generell an den Gasraum angeschlossen, sodass immer Gas abgeblasen wird. Das SV bläst in den Abgasschlot aus (siehe Abb. 9.2). Es können die Ventilauslässe für SV und Prozessüberdruckventil in einem Rohr zusammengeführt werden. Das ist in diesen Anwendungsfall möglich, da immer nur eines der beiden Ventile betriebsbereit ist. Die Rohrquerschnitte der Ventilauslässe dürfen nicht verjüngt werden. Lange SV-Ausblaseleitungen sind bezüglich des zu erwartenden Druckverlustes zu berechnen. Der Druckverlust in der Zuleitung zum SV darf max. 3 % betragen. Ansammlung von Kondensat vor dem Ventilsitz wird am einfachsten vermieden, in dem die Leitung weg vom Ventil mit Gefälle verlegt wird (siehe Abb. 9.2). Muss sie ansteigend ausgeführt werden (siehe Abb. 9.3), ist vor dem Ventil ein Gefälle mit unterem

9.1 Sicherheitsventile

151

Abb. 9.2  Ausführung der Abblaseleitung eines Sicherheitsventils

Abb. 9.3  Ausführung der Abblaseleitung mit Entwässerung eines Sicherheitsventils

Bogen zu verlegen. Der Bogen hat im Scheitelpunkt eine Bohrung (ca. ½ Rohrdurchmesser), durch die das Kondensat – oder trotz aller Umsicht eingedrungener Niederschlag – ablaufen kann. cc

Hinweis:  Die Ausblaseleitung ist so zu verlegen, dass sich keine Feuchtigkeit (Bildung von Kondensat) vor dem Ventilsitz ansammeln kann.

Der Rohrquerschnitt der Ausblaseleitung muss mindestens dem Ausblasquerschnitt des Ventilsitzes entsprechen. Einschnürungen oder Verengungen sind nicht zulässig. In der Planung zur Verlegung ist bereits darauf zu achten, dass die Ausblas-Enden, beispielsweise nicht durch Niederschlag (Schnee, gefrierender Regen) verschlossen werden können. Der Tank wird mit einer Sicherheitsventilkombination ausgestattet. Sie ist stabil an einer eigens dafür vorgesehenen Konstruktion zu befestigen. Es wird immer wieder versucht, die Festigkeit und Stabilität der angeschlossenen Rohrleitung zu nutzen. Das ist gefährlich, denn der Impuls des austretenden Gasstroms wird oftmals unterschätzt. Das Austreten von Flüssigkeit am Sicherheitsventil ist nicht unbedingt als Überfüllung zu deuten, vielmehr kommt es bei Erreichen und Überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks zum Abblasen. Ursache für das Austreten der Flüssigkeit ist der Drosseleffekt, bei dem Kälte entsteht (siehe Abschn. 2.4.3). Im Ventilsitz des Sicherheitsventils kühlt sich das Gas auf der Linie der konstanten Enthalpie ab. Die Siedetemperatur kann unterschritten werden und das Gas kondensiert.

152

9 Sicherheitseinrichtungen

Wartung und Kontrolle  Die Sicherheitsventile sind einer strengen Kontrolle und Wartung zu unterziehen. Bei deren Einbau ist zu überprüfen, ob die Plomben unbeschädigt sind und jeweils der angegebene Druck auf dem Typenschild mit dem vorgegebenen identisch ist. Erst dann ist ein Einbau vorzunehmen. Die Kontrollzyklen sind vom Anlagenbetreiber lt. Betriebsanweisung oder Regelwerk festzusetzen. Die Einstellung und Verplombung dürfen nur von zugelassenen Stellen erfolgen. In der Regel macht es der Hersteller, der dazu die entsprechenden Zulassungen hat. Zur Kontrolle wird das Ventil demontiert und der Ansprechdruck von einer zugelassenen Stelle wiederkehrend überprüft. Entspricht er den Vorgaben, wird das Ventil erneut verplombt. Im anderen Fall wird der geforderte Wert eingestellt und nach erfolgreicher Prüfung die Plombe angebracht. cc

Hinweis:  Ein unverplombtes Ventil darf nicht eingebaut werden. Zusammenfassung

Sicherheitsventile dürfen nicht manipuliert werden, die Plombe muss unversehrt sein. Vorzugsweise wird ein Eckventil wegen des möglichen Rohranschlusses eingesetzt. Das SV darf nicht anlüftbar sein. Das Sicherheitsventil wird auf eine Wechselventilarmatur installiert, sodass ein Ventil den Tankdruck stets absichert. Der Einstelldruck sollte 0,5 bar über dem zulässigen Tankdruck liegen. Die Ausblaseleitung muss so verlegt werden, dass keine Feuchtigkeit an den Ventilsitz gelangen kann. Der Druckverlust in der Sicherheitsventilkombination bzw. im 3-Wegeventil ist zu beachten und darf in der Berechnung des Gesamtdruckverlustes nicht vernachlässigt werden. Austretende Flüssigkeit am Sicherheitsventil des Tanks ist kein Indiz für die Überfüllung des Tanks, sondern deutet auf einen Entspannungsprozess kalten Gases hin.

9.1.2 Sicherheitswechselventil des Tanks Mit dem Sicherheitsventil wird der Tankdruck auf den zulässigen begrenzt und verhindert das Bersten des Tanks. Das Sicherheitswechselventil besteht aus 2 handelsüblichen Sicherheitsventilen mit gleichem, vorgegebenen Ansprechdruck, die auf einem Ventilblock, einer Sicherheitswechselarmatur montiert sind. Ältere Ausführungen verwenden die Kontur, wobei die Ventile auf eine Verteilerleitung geschraubt werden. Die Sicherheitswechselarmatur/Verteilerleitung ist so eingestellt, dass immer nur 1 SV betriebsbereit ist. Damit kann zu jeder Zeit das andere SV, z. B. zur Prüfung, demontiert werden, wodurch der Tank abgesichert bleibt. Der Tank bleibt voll betriebsbereit, alternativ müsste er geleert werden. Die Ventile sind mit der Sicherheitswechselarmatur gegeneinander verriegelt.

9.1 Sicherheitsventile

153

Zusammenfassung

Die Sicherheitswechselventile sind Vorschrift an jedem vakuumisolierten Tank. Sie ermöglichen unter vollem Betrieb den sicheren Austausch der Sicherheitsventile. Zum Überprüfen der Sicherheitsventile muss die vorgeschriebene Plombe gebrochen und nach erfolgreicher Prüfung wieder eine neue Plombe gesetzt werden.

9.1.2.1 Sicherheitswechselarmatur Neue Anlagen werden mit Sicherheitswechselarmaturen (siehe Abb. 9.4) ausgestattet. Der Ventilblock/die Sicherheitswechselarmatur ist ein eigens dafür entwickelter Bausatz. Mit dem Handrad kann man nur für ein Ventil den Weg freischalten oder sperren. Eine geschlossene Sicherheitswechselarmatur gibt es nicht. Konstruktionsbedingt ist es nicht möglich, beide Ventile außer Betrieb zu nehmen, sonst würde der Tank in einen ungesicherten Zustand gehen. Beim Austausch der Ventile wird die Spindel so bewegt, dass ein Ausgang gesperrt, der andere aber offen ist und das Sicherheitsventil im Einsatz ist. In der Mittelstellung sind beide Ventile betriebsbereit. Das ist unzweckmäßig. Betriebsweise  Die Sicherheitswechselarmatur wird nur zum Wechsel des jeweiligen Sicherheitsventils betätigt. Sie gibt immer den Weg zu einem oder zu beiden Sicherheitsventilen frei. In Abb. 9.5 erkennt man die verbindende Kammer. Aus ihr führen die Kanäle zu den Ventilanschlüssen. Im Servicefall wird das Handrad bis zum Anschlag gedreht, sodass das zu tauschende Ventil keinen Druck mehr bekommt und demontiert werden kann. In der Vergangenheit wurden Sicherheitswechselarmaturen mit einer gegenseitig sperrenden Kontur angefertigt. Sie wurden aus einem massiven Blech (alte Ausführung) hergestellt und sind heute noch im Einsatz. Sie müssen nicht ersetzt werden. Bei der Kontur wird ein 3-Wege-Hahn verwendet. Dieser läuft in der Kontur, die entweder das eine oder das andere Ventil frei gibt.

Abb. 9.4  Sicherheitswechselarmatur. (Quelle: Fa. Herose, Bad Oldesloe)

154

9 Sicherheitseinrichtungen

Abb. 9.5  Schnittdarstellung Sicherheitswechselarmatur. (Quelle: Fa. Herose Bad, Oldesloe)

Wechselventilblock oder 3-Wege-Hahn mit Kontur müssen in ihrer Endstellung verplombt sein. Die Plomben werden beim Wechsel der Sicherheitsventile gebrochen und müssen nach erfolgter Bearbeitung wieder verplombt werden. Zusammenfassung

Die Sicherheitswechselarmatur sichert den Tank ab, da immer ein Sicherheitsventil im Eingriff verbleibt. Ein Absperren beider Sicherheitsventile ist technisch nicht möglich. Nach dem Verstellen der Sicherheitswechselarmatur ist diese wieder zu verplomben.

9.1.3 Integrierte Sicherheitsabsperrarmatur in Gasdruckregelgeräten Diese Armatur (siehe Abb.  9.6) wird vorzugsweise vor Gasmotoren, in Erdgasversorgungsanlagen und in Industrieanlagen eingesetzt. Sie sind auf einen festgelegten Eingangsdruck begrenzt und die nachgeschaltete Anlage muss auf Über- oder Unterdruck abgesichert werden. Die Armatur eignet sich auch für den Einsatz in Versorgungsanlagen, die ein Netz mit wenigen mmWS versorgen. Es wäre fatal, wenn das Netz mit einem erhöhten Gasdruck durch einen Schaden an der Armatur oder einem anderen Fehler beaufschlagt wird. Das Sicherheitsabsperrventil (SAV) löst unter Über- oder Unterdruck bei eingestelltem Abschaltwert selbstständig aus und muss aus Sicherheitsgründen wieder manuell zurückgesetzt werden. Zusammenfassung

Die Sicherheitsabsperrarmatur mit Gasdruckregler wird installiert, wenn Gasdrücke in keinem Fall überschritten oder unterschritten werden dürfen. Nach dem Auslösen muss sie manuell entriegelt werden.

9.2  Prozessüberdruckventil am Tank

155

Abb. 9.6 Integrierte Sicherheitsabsperrarmatur mit Gasdruckregler. (Quelle: Fa. Medenus GmbH, Olpe)

9.2

Prozessüberdruckventil am Tank

Ein Prozessüberdruckventil funktioniert wie das Sicherheitsventil. Es ist aber keine Sicherheitseinrichtung und daher nicht vorgeschrieben. Der Abblasedruck wird kurz unter dem des Sicherheitsventils und kurz über dem Schaltpunkt der Sicherheitsabsperrarmatur (siehe Abschn. 9.3) liegen. Es ist ein Überdruckventil oder Überströmer, der zum Sicherheitsventil parallel geschaltet ist. Anders als das SV darf dieses mit einem Absperrventil vom Prozess getrennt werden. cc

Hinweis:  Die Abblaseleistung sollte dem Druckanstieg durch den Wärmeeintrag entsprechen.

Durch das Prozessüberdruckventil wird das vorgeschriebene Sicherheitsventil geschont, denn dessen Abblaseleistung ist ggf. auf den Brandfall zugeschnitten und daher für den Normalfall völlig überdimensioniert. Beim Ansprechen würde es in kurzen, kräftigen Stößen öffnen und schließen. Es würde sich ein unnötiger Verschleißfaktor einstellen. Das Prozessüberdruckventil unterstützt damit auch die zuverlässige Funktion der Sicherheitsventile.

156

9 Sicherheitseinrichtungen

Installation  Das Ventil wird in die SV-Leitung eingebunden und dort parallel zu den SV positioniert. Es wird in Strömungsrichtung nach dem SV positioniert und kann mit einem Absperrventil vom Prozess getrennt werden. Die Ausblaseleitung führt in den Abgasschlot. Ausführung  Das Ventil entspricht prinzipiell dem SV, nur ist dieses weder verplombt noch geeicht. Es sollte so eingestellt sein, dass es unmittelbar unter dem Druck des SV öffnet. Das SV wird nicht ansprechen und wird dadurch geschont. Betriebsweise  Das Prozessüberdruckventil sollte, wie das SV, nicht ansprechen. Wenn es trotzdem passiert, ist von einer Betriebsstörung auszugehen. Die Ursache ist umgehend zu suchen und zu beseitigen. Wartung und Kontrolle  Das Prozessüberdruckventil sollte regelmäßig gewartet werden, damit es zum eingestellten Druck zuverlässig öffnet. Die Kontrollzyklen sind vom Anlagenbetreiber lt. Betriebsanweisung festzusetzen. Zur Kontrolle wird das Ventil demontiert und der Ansprechdruck überprüft. Entspricht dieser nicht den Vorgaben, wird das Ventil erneut eingestellt und wieder eingebaut. Zusammenfassung

Der Ansprechdruck des Prozessüberdruckventils liegt unter dem des Sicherheitsventils und über dem der Sicherheitsabsperrarmatur. Das Ventil ist nicht sicherheitsrelevant und wird daher absperrbar ausgeführt.

9.3

Sicherheitsabsperrarmatur des Tanks

Die Sicherheitsabsperrarmatur (SAA), erläutert am Beispiel der Armatur MG 97 der Fa. Herose, wurde vor Jahren von der damaligen Fa. Messer Griesheim entwickelt und eingeführt (siehe Abb. 9.7 und 9.8). Es soll das Bersten des Tanks ausschließen. Die Entwicklung war das Ergebnis der Auswertung eines schweren Unfalls, der durch Überfüllung eines vakuumisolierten Tanks geschah. Das Sicherheitsventil sprach damals an und führte

Abb. 9.7  Installation der SAA MG97

9.3  Sicherheitsabsperrarmatur des Tanks

157

Abb. 9.8 Sicherheitsabsperrarmatur MG 97. (Quelle: Fa. Herose, Bad Oldesloe)

den ansteigenden Gasdruck ab, war aber überfordert, den Volumenstrom der Kreiselpumpe des Tankwagens zu beherrschen. Der Druck stieg bis zum Bersten des Tanks weiter an. Eine SAA ist heute lt. Regelwerk für jeden vakuumisolierten Tank vorgeschrieben. Am LNG-Tank hat diese Armatur eine weitere Aufgabe: Sie soll generell eine Überfüllung des Tanks verhindern, denn die überfüllte Menge kann nicht, wie bei Luftgasen, abgelassen werden. Daher müssen weitere Maßnahmen zur Sicherheit getroffen werden. Im Fall von LNG muss die Überfüllsicherung (siehe Abschn. 6.2) nicht nur ein Bersten des Tanks verhindern, sondern eine Überfüllung des Tanks ausschließen. Ohne eine Überfüllsicherung würde das über die zulässige Befüllung ansteigende LNG den erforderlichen Druckanstieg erzeugen. Mit der Überfüllsicherung wird durch die Gasbildung der Schaltdruck für die Sicherheitsabsperrarmatur erzeugt. Diese schließt schlagartig beim Erreichen des Drucks, der Füllprozess ist beendet, eine Überfüllung ist ausgeschlossen. Die Sicherheitsabsperrarmatur arbeitet wie das Sicherheitsventil autark, ohne Hilfsenergie und unabhängig von der Anlagensteuerung. Installation  Sie wird in die Befüllleitung des Tanks unmittelbar hinter der Kupplung eingebaut und liegt in Strömungsrichtung gesehen vor dem Abzweig für obere und untere Befüllung. Die Steuerleitung der SAA ist mit dem Gasraum des Tanks verbunden, sodass der Druck im Gasraum an der SAA ansteht. Steigt der Druck auf Schließdruck, schließt die SAA. Ausführung  Die SAA arbeitet stromlos und völlig unabhängig von den anderen Sicherheitsarmaturen. Sie wird mit dem Gasdruck des Tanks betätigt. Der Gasdruck löst bei dessen Erreichen – dieser Druck wird vorher fest eingestellt – die Sperre einer Feder aus.

9 Sicherheitseinrichtungen

158

cc

Hinweis:  Am Druckpunkt schließt die Armatur. Sie kann nur mit einem speziellen Schlüssel entriegelt werden. Dieser Schlüssel darf nicht allgemein zugänglich sein. Die SAA darf nur von dazu befähigten Personen entriegelt werden.

Erst nach erfolgter Entriegelung ist eine erneute Befüllung des Tanks möglich. Dem Auslösen der SAA ist ein Fehler vorausgegangen. Dieser muss beseitigt werden. Daher darf die Entriegelung nur von einem bestimmten Personenkreis durchgeführt werden. Betriebsweise  Der Auslösedruck für das Sperren des Zuflusses muss unter dem Öffnungsdruck des Sicherheitsventils liegen. Wenn LNG den zulässigen Füllstand erreicht hat und in den Rohranschluss der Überfüllsicherung läuft, daraufhin im Verdampfer schlagartig verdampft und damit den Gasdruck im Tank auf den Auslösedruck erhöht, schließt die SAA. Es wurde beobachtet, dass der Auslösedruck der SAA so eingestellt wurde, dass er über dem Ansprechdruck des SV lag. Folglich löst die SAA nicht aus, das SV bläst den Druck ab, die Pumpe überfüllt weiter. Über das SV tritt dann Flüssigkeit aus. Ist die Förderleitung der Pumpe größer als das mögliche Abblasevolumen des SV steigt der Druck weiter. cc

Hinweis:  Der Einstelldruck der SAA muss unter dem des Prozessüberdruckventils und unter dem Ansprechdruck des SV liegen. Den höchsten ­Druckpunkt hat das SV, darunter liegt der des Prozessüberdruckventils und darunter schaltet die SAA.

Nachfolgendes Szenarium wird angenommen: Während der Befüllung des Tanks steigt der Gasdruck. Er erreicht den Auslösedruck und die SAA schließt. Es liegt ein Bedienfehler vor. Der Druck dürfte nicht den Auslösedruck erreichen, denn mit großer Wahrscheinlichkeit wurde der Tank zumindest mit einem Teilstrom von unten befüllt. Die SAA kann auch auslösen und damit schließen, wenn sich der Tankdruck dem zulässigen Betriebsdruck nähert. Das ist prozessbedingt möglich, da der Schließdruck der SAA unter der des Prozessüberdruckventils/SV liegen muss. Wird der Schließdruck erreicht, ist keine Betankung möglich. Der Tank war nachweislich leer und soll befüllt werden. Der Gasdruck muss unter den Auslösedruck der SAA abgelassen werden, sodass die SAA entriegelt werden kann. Bei der anschließenden Betankung von oben wird der Druck zwangsläufig abgesenkt. Wartung und Kontrolle  Die SAA ist in regelmäßigen Abständen auf Funktion, bezüglich des eingestellten Auslösedruckpunktes, zu kontrollieren. Die Zyklen legt der Betreiber fest.

Zusammenfassung

Die Sicherheitsabsperrarmatur beugt, in Verbindung mit der Überfüllsicherung, einer Überfüllung des Tanks vor. Das Schließen der Sicherheitsabsperrarmatur wird an der

9.4  Einstellung der Öffnungsdrücke der Sicherheitseinrichtungen am Tank

159

Armatur angezeigt. Das Entriegeln darf nur von dazu befähigten und speziell geschulten Personen ausgeführt werden. Die Entriegelung muss vor der erneuten Befüllung des Tanks erfolgen. Prozessbedingt ist das Erreichen des Schließdrucks ohne Befüllung möglich. In dem Fall muss vor der Betankung über die Gasentnahmeleitung das Gas in den Abgasschlot bis zum Unterschreiten des Schließdrucks der SAA abgelassen werden. Der Ansprechdruck der Sicherheitsabsperrarmatur muss unter dem des Prozessüberdruckventils liegen. Im Gefahrenfall würde die SAA nicht schließen.

9.4

 instellung der Öffnungsdrücke der E Sicherheitseinrichtungen am Tank

Die Toleranz der Federn in den Sicherheitsarmaturen sollte mit 0,5 bar angenommen werden. Daher sind die Stufen mindestens 0,5 bar festzulegen. Der freie Querschnitt des Ventils sollte vom Hersteller anhand der Daten für den Tank berechnet werden. Das Sicherheitswechselventil wird auf den zulässigen Tankdruck eingestellt. Mindestens 0,5 bar unter dem Sicherheitswechselventil liegt der Schaltpunkt des Prozessüberdruckventils und darunter wieder ca. 0,5 bar ist der Schaltpunkt der ­Sicherheits­absperrarmatur. Mit den angegebenen Schaltpunkten öffnet immer zuerst das Prozessüberdruckventil und schont damit das auf Druck geeichte Sicherheitsventil des Tanks. Die Sicherheitsabsperrarmatur muss vor dem Öffnen des Prozessüberdruckventils ansprechen schließt und muß für den weiteren Betrieb entriegelt werden. Ist dieses nicht installiert worden, trifft diese Aussage für das SV zu. Hat beispielsweise ein Tank einen zulässigen Druck von 18 bar, sollte das SV bei 18,5 bar, das Prozessüberdruckventil bei 18,0 bar und die Sicherheitsabsperrarmatur bei 17,5 bar ansprechen. Beobachtung des Druckverhaltens des Tanks hilft, um das Schließen der Sicherheitsabsperrarmatur zu vermeiden. Bei der SAA MG97 ist unter der Haube an der roten Fahne zu erkennen, ob das Ventil geschlossen ist. Zusätzlich kann das Erreichen des Schließdrucks der Sicherheitsabsperrarmatur auch durch einen Drucksensor erkannt und das zu erwartende Schließen angezeigt werden. cc

Hinweis:  Vor jeder Betankung ist zu prüfen, ob die SAA geöffnet ist. Zusammenfassung

Das Sicherheitsventil muss auf den höchsten zulässigen Tankdruck eingestellt werden. Darunter spricht das Prozessüberdruckventil an. Die Sicherheitsabsperrarmatur muss vor dem Prozessüberdruckventil schließen. Ist dieses nicht vorhanden, bezieht sich der Schließdruck auf den Druck des Sicherheitsventils. Eine andere Druckeinstellung kann trotz vorhandener Sicherheitsarmaturen zum Bersten des Tanks führen.

160

9.5

9 Sicherheitseinrichtungen

Überfüllsicherung

Die Überfüllsicherung ist in nachfolgend beschriebener Form nicht Bestandteil des Regelwerkes. Mit der Überfüllsicherung werden die Anforderungen des Regelwerks exakt eingehalten und weitere sicherheitstechnische Anforderungen erfüllt. Die Installation ist am LNG-Tank unabdingbar, wie dem vorausgehenden Abschn. 9.3 zu entnehmen ist. Die Überfüllsicherung muss, wie die Sicherheitsabsperrarmatur, unabhängig vom System der Anlage reagieren. Sie darf, wie die SV-Leitung, nicht absperrbar sein. Zu beachten ist, dass sie bei eventuellem Stromausfall oder dem Ausfall einer anderen Hilfsenergie wirksam ist. cc

Hinweis:  Eine Detektierung des Überfüllens muss immer unabhängig von der Befüllung erfolgen und trotz Ausfall einer Hilfsenergie, z. B. Strom oder Steuerdruck, autark reagieren und die SAA schließen. Das im Regelwerk beschriebene Peilrohr darf nicht am LNG-Tanks benutzt werden, da über dieses umweltschädigenden und/oder giftigen Gase freigesetzt werden. Wurde es installiert, muß es blockiert werden.

Wird der Füllstand erreicht und überschritten, fließt durch den Überlauf LNG in den Verdampfer. Es wird augenblicklich Gas generiert, welches den Gasdruck im Gasraum des Tanks erhöht. Das muss vor Erreichen der zulässigen Füllhöhe erfolgen, da die befüllende Pumpe einen Nachlauf hat. Die in den Verdampfer führende Überlaufleitung wird kurz unter dem zulässigen Füllstand angeschlossen. Der Schließdruck muss sehr schnell erreicht werden, damit die SAA ausgelöst wird. Die Pumpe läuft nach und fördert in dieser Nachlaufzeit. Die Pumpe drückt gegen ein geschlossenes Ventil und schaltet sich über den systemeigenen Druckschalter ab. Ein sonst notwendiges Ablassen entfällt. Sollte zusätzlich eine Überprüfung des Füllstandes notwendig sein, bei der die beschriebene Maßnahmen nicht ausreichend sind, sind in jedem Fall die Sicherheitsanforderungen für Methan zu beachten und zu erfüllen (z. B. Ex-Klasse eines elektrischen Sensors). Sollte es erforderlich sein,  größere Mengen abzublasen,  ist nur eine örtliche Verbrennung des Gases möglich. Alle eventuell möglichen Varianten des Freisetzens von Erdgas setzen Abstimmung mit und Erlaubnis durch zuständige Behörden voraus. Es wurde beobachtet, dass ein elektrisch arbeitender Temperaturfühler die Überfüllung detektieren soll. Bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur wird die SAA geschlossen. Zu diesem Zweck wurde am maximal zulässigen Füllstand die Überlaufleitung installiert. Wird der Tank überfüllt, läuft LNG in die Überlaufleitung, an deren Ende ein Gefäß ist, dessen Temperatur von einem Temperaturfühler überwacht wird. Beide Lösungen sind nicht autark wirksam und daher nicht zielführend. Sie entsprechen nicht den Vorgaben des Regelwerks für autark wirkende Sicherheitseinrichtungen.

9.6 Überfüllsicherung

161

Praxishinweis

Der LNG-Tank muss eine Überfüllsicherung haben, die autark bei Überfüllung den Zulauf schließt. Der Druck wird mit dem Gasdruck ausgelöst, der im Verdampfer entwickelt wird. Andere Lösungen setzen einen Druckaufbau durch Überfüllung voraus. Das ist für Luftgase bedeutungslos, im Fall von LNG treten unzulässige Umweltbelastungen auf.

9.6

Überfüllsicherung

9.6.1 Überfüllsicherung durch Gasdruckaufbau Eine Überfüllsicherung (Abb. 9.9) besteht aus: • der Überlaufleitung, die im Doppelmantel des Tanks installiert wird und dort nach unten führt; • einer Rohrführung ohne jegliche absperrbaren oder verengenden Einbauten; • der Überlaufleitung, die an der Stelle des max. Füllstandes in den Tank eingebunden wird;

Abb. 9.9  Überfüllsicherung für vakuumisolierte Tanks

162

9 Sicherheitseinrichtungen

• dem angeschlossenen Verdampfer, der im Falle des unzulässigen Füllstands mit Flüssigkeit geflutet wird und schlagartig LNG verdampft; • dem Verdampfer, der im Gasraum des Tanks mündet und bei LNG-Eintritt den erforderlichen Schaltdruck für die SAA aufbaut. Der Schaltdruck wird durch wenige Liter Flüssigkeit erzeugt. Die Überfüllung tritt nicht ein. Die Rohrleitung der Flüssigphase sollte unmittelbar unter der Marke 95 % angeschlossen werden, damit unter Beachtung der Reaktionszeit eine Überfüllung ausgeschlossen ist. Gleichzeitig schließt die Armatur. Optional kann der Schaltvorgang durch das Abschalten der Pumpe unterstützt werden. Im Gegensatz zu Luftgasen darf man für LNG keinerlei Überfüllung billigend in Kauf nehmen. Das verhält sich für andere gefährliche Gase (brennbar, giftig, umweltschädigend) nicht anders. Eine spezielle Überfüllsicherung muss dazu zwingend installiert werden. Die Sicherheitsabsperrarmatur unterbindet die weitere Befüllung des Tanks, es muss kein Produkt abgelassen werden. Die Überfüllsicherung erfüllt eine weitere Aufgabe. Wird nach erfolgter Betankung nicht umgehend Produkt entnommen, führt die zwangsläufig eindringende Wärme zur Abnahme der Dichte und zum Abstieg der Flüssigkeit. Die zulässige Füllstandshöhe wird erreicht und überschritten. Dem begegnet man bisher, in Ermangelung einer besseren Lösung, durch eine Teilbefüllung des Tanks, z. B. nur 70 %. Alternativ dazu könnte der Abblasedruck des SV bzw. des Prozessüberdruckventils reduziert werden. Damit würde bei Druckanstieg der Tank eher abblasen. Beides ist unwirtschaftlich, da unnötiges Tankvolumen installiert wurde, welches nicht zur Speicherung genutzt werden kann. Installation  Die Überfüllsicherung ist Bestandteil des Tanks. Die Überlaufleitung wird in Füllhöhe installiert und endet unter dem Tank in einem Luftverdampfer. Der Ausgang des Luftverdampfers mündet in den Gasraum des Tanks. Sollte es zum Überfüllen kommen, steigt das Gas im Gasrückgang in den Gasraum des Tanks auf und erhöht dort den Gasdruck bis auf Schließdruck der Sicherheitsabsperrarmatur. Damit kein zusätzlicher Gasdruck durch Thermik in der Leitung entstehen kann, wird der Gasrückgang von oben in den Gasraum eingeführt. In der abwärtsführenden Überlaufleitung ist ein Siphon vorzusehen (in ihm wird jede Zirkulation durch Kondensatbildung unterbrochen). Damit sind eventuelle druckerhöhende Zirkulationen ausgeschlossen. Betriebsweise  Mit der neuartigen Überfüllsicherung kann der zulässige Füllstand nicht überschritten werden. Eine Überschreitung ist ausgeschlossen, denn das überlaufende Produkt schließt zuerst die SAA. Mit weiterer Ausdehnung läuft das LNG weiter in den Verdampfer, wird verdampft und bei Erreichen des zulässigen Drucks über das Prozessüberdruckventil abgeblasen. Ist dieses Ventil nicht installiert worden, wird diese Aufgabe vom SV übernommen. Das Abblasevolumen des Prozessüberdruckventils entspricht dem Druckanstieg und der Verringerung der Dichte, die sich durch die natürliche Wärmezufuhr (lt. Datenblatt) im Tank einstellt. Die Armaturen, ob Prozessüberdruckventil oder SV, werden nicht überlastet, sondern arbeiten in ihrem projektierten Arbeitsbereich.

9.6 Überfüllsicherung

163

9.6.2 Überfüllsicherung durch Gasdruckaufbau als Nachrüstung Sollen neuere Tanks für LNG genutzt werden, ist eine Nachrüstung im Doppelmantel nicht wirtschaftlich. Alternativ wird eine parallel zum Tank verlaufende, kommunizierende, vakuumisolierte Leitung verlegt. Sie verbindet außerhalb des Tanks die Flüssigphase mit der Gasphase. Nun wird ebenso wie beim Tank mit integrierter Überlaufsicherung in Höhe des Füllstandes 95 % ein T-Stück gesetzt, an das die Überlaufleitung zum Verdampfer angeschlossen wird. Der Ausgang des Verdampfers wird mit der Gasphase des Tanks geführt. Der Anschluss ist beispielsweise an der Leitung zum SV oder Prozessüberdruckventil möglich. Kommt es nun zur Überfüllung, läuft Flüssigkeit bei unzulässig steigendem Füllstand in den Verdampfer, wird ebenso schlagartig verdampft und erhöht den Gasdruck des Tanks (siehe Abb. 9.10). Ausführung  Die Überfüllsicherung ist ein einfaches Rohrsystem ohne jegliche Armaturen. Der Luftverdampfer erzeugt bei Überfüllung den Schaltdruck. Die Steigleitung bis zum T-Stück ist vakuumisoliert. Der mit Gas gefüllte Abschnitt des Systems bleibt unisoliert. Die Rohrquerschnitte sind so zu wählen, dass sie schnell den Luftverdampfer füllen und sollten einen freien Durchmesser von nicht weniger als 15 mm haben. Betriebsweise  Die Überfüllsicherung ist eine Sicherheitseinrichtung, die die Sicherheitsabsperrarmatur ergänzt. Sie tritt nur bei einsetzender Überfüllung des Tanks in Aktion.

Abb. 9.10  Installation der Überfüllsicherung als Nachrüstbausatz, (Fa. Hoffmann & Hoppestock GmbH, Wernigerode)

164

9 Sicherheitseinrichtungen

Wartung und Kontrolle  Die Wartung und Kontrolle bezieht sich auf die einfache regelmäßige Sichtkontrolle lt. betrieblicher Vorschrift. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass die Verdampferflächen sauber sind.

Zusammenfassung

Die Überfüllsicherung muss ohne jegliche Hilfsenergie zuverlässig/autark arbeiten. In beschriebener Ausführung gestattet sie, unter Einhaltung aller sicherheitstechnischen Vorkehrungen, die Befüllung auf 95 % des geometrischen Tankvolumens. Mit Erreichen des zulässigen Füllstandes läuft Flüssigkeit in den Verdampfer und verdampft dort. Die SAA schließt. Steigt der Gasdruck im System durch Wärmezufuhr bis zum Erreichen des Ansprechdrucks des Prozessüberdruckventils, bläst es den Druck ab. Für die Nachrüstung bestehender Tanks wird eine Lösung beschrieben.

9.7

Abgasführung

Austretendes Erdgas muss kontrolliert und sicher abgeführt werden. Dazu wird ein Schlot installiert, der über der Anlage endet. Das abgeführte Gas kann sich gefahrlos und frei ausbreiten. Installation  Der Schlot wird in unmittelbarer Nähe der Anlage errichtet. Er ist gegen Umkippen zu sichern. In ihm enden alle Ausblaseleitungen, die der Sicherheitsventile, des Prozessüberdruckventils, der Entlastungsleitungen und aller anderen Gasaustritte. Damit sich stets eine Kaminwirkung im Rohr einstellen kann, sind am Boden Öffnungen, durch die Luft eintreten kann und im Schlot aufsteigt. Die auf den Schlot strahlende Sonne erwärmt ihn und die im oberen Teil befindliche Luft. Der entstehende Auftrieb fördert die Luft durch den Schlot. Kommt Erdgas dazu, wird dieses von diesem Luftstrom erfasst und gefahrlos nach oben abgeleitet. Ausführung  Der Schlot ist ein glatt nach oben führendes Rohr, das am unteren Ende neben den Öffnungen für den Zug, eine Entwässerung hat. Der obere Austritt ist mit einem Wetterschutz zu versehen. Der Querschnitt muss mindestens so groß sein, wie die Summe der zugeführten Rohrquerschnitte. Unten sind Öffnungen vorzusehen, die einen guten Zug erwarten lassen. Die Ausblashöhe muss gewährleisten, dass eine Erdgaswolke keine Gefahr in nahe gelegenen Gebieten verursacht. Es ist eine Gefahrenanalyse zu erarbeiten, die nachweist, dass mit der gewählten Ausblashöhe kein zündfähiges Gas-Luft-Gemisch in einen Bereich ziehen kann, in dem ein Zündfunke möglich wäre.

9.9 Peilrohre am LNG-Tank

165

Betriebsweise  Der Schlot tritt nur im Havariefall oder im Rahmen einer kontrollierten Gasentlastung in Aktion. Wartung und Kontrolle  Die Wartung und Kontrolle sind durch betriebliche Festlegungen abzusichern. Es ist darauf zu achten, dass der Schlot nicht verstopft (z. B. Vogelnester). Zusammenfassung

Der Abgasschlot führt kontrolliert und sicher austretendes Erdgas ab. Der Querschnitt muss mindestens so groß sein wie die Summe der zugeführten Rohrquerschnitte. Die mögliche Gaswolke darf in kein Gebiet gelangen, in der ein Zündfunke zu erwarten wäre.

9.8

Gaswarnanlagen

Rohrverbindungen, Übergänge und Anschlussstücke zu Armaturen einer Erdgastankstelle sind nach Möglichkeit zu verschweißen. Damit ist ausgeschlossen, dass Gas austreten kann. Trotzdem sind bestimmte Anschlüsse nur mit Gewinde lieferbar oder müssen aus anderen Gründen verschraubt werden. Diese Verschraubungen, auch wenn mit NPT-­ Gewinde ausgeführt und damit als technisch gasdicht bezeichnet, müssen auf Undichtigkeiten überwacht werden. Dazu wird über den relevanten Bauteilen eine Haube gesetzt, in der sich Methandämpfe verfangen können. In der Haube wird ein Methansensor installiert. Der Sensor zeigt bereits Konzentrationen von weniger als 1 % an. In diesem Augenblick ist ein Warnsignal auszulösen. Undichtigkeiten im Flüssigbereich sind offensichtlich. An diesen Stellen entsteht eine Eisschicht. Praxishinweis

Geschraubte Verbindungen sind auf Dichtheit zu überwachen. Über den Verschraubungen ist eine Haube mit Sensor vorzusehen. Die Überwachung erfolgt mit Methansensoren.

9.9

Peilrohre am LNG-Tank

Ein Peilrohr ist eine feststehende Füllstandkontrolle und endet jeweils an dem Füllstand, der nachgewiesen werden soll, das sind in der Regel 95 % des geometrischen Volumens. Damit gilt der Tank zu 100 % gefüllt. Das trifft ausschließlich für Luftgase zu, bei LNG-­ Tanks ist das Peilrohr nicht zulässig.  cc

Hinweis:  Ein Peilrohr ist eventuell an alten Tanks installiert, darf aber nicht im Regelbetrieb für LNG genutzt werden.

166

9 Sicherheitseinrichtungen

Die Füllstandanzeige bezieht sich immer nur auf einen bestimmten Zustand des Produktes. Das entspricht nicht der Praxis und sollte nur der groben Orientierung dienen: Nämlich für den Fall, dass alle anderen Möglichkeiten nicht funktionsfähig sind. Über das Peilrohr wird das jeweilige Luftgas  abgeblasen. Ist der Füllstand nicht erreicht worden, handelt es sich um Gasphase, bei Erreichen oder Überfüllung wird Flüssigphase abgeblasen. Es ist äußerste Vorsicht geboten, denn Spritzer sollen weder die Haut noch die Kleidung treffen. Luftgase sind bei Siedetemperatur schwerer als Luft und breitet sich am Boden aus. Langsam wird es am Boden erwärmt und steigt auf. Im kalten Zustand kann es in Öffnungen, wie beispielsweise in Kanäle und Keller fließen – das ist sicher zu vermeiden. Ein Peilrohr an LNG-Tanks kann  nur zum Einsatz kommen, wenn das austretende  Gas ­verbrannt oder aufgefangen wird. Deshalb ist die unter Abschn. 6.5 beschriebene Überfüllsicherung vorzusehen. Installation  Das Peilrohr wird in dem Doppelmantel des Tanks verlegt. Es endet oben im Gasraum auf Höhe des gewünschten Füllstandes des Tanks, das andere Ende wird unten nach außen geführt und dort mit einem Ventil verschlossen. Wartung und Kontrolle  Das Peilrohr – sollte es noch Bestandteil des Tanks sein – wird entsprechend der betrieblichen Vorschriften blockiert und kann damit nicht betätigt werden.

Zusammenfassung

Ein Peilrohr darf am LNG-Tank nicht genutzt werden, bzw. es muss dafür Sorge getragen werden, dass das austretende Gas/Flüssigkeit nicht als unverbranntes Gas in die Atmosphäre gelangt. Der eventuell mögliche Ausblasebereich muss großräumig frei bleiben und darf nicht von Gegenständen verstellt werden.

Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung

10

Die Verbindung der Tanks mit dem Fahrzeugtank hat eine herausragende Bedeutung, vor allem für die Sicherheit und für die Qualität des Produktes. Die Verbindung wird mit einem Schlauch hergestellt. An der Schnittstelle zwischen Schlauch und Tank befindet sich die Kupplung. Mit dieser Kupplung muss bei LNG das Eindringen von Luft sicher ausgeschlossen werden. Ein mit Luft verschmutztes Erdgas kann Betriebsstörungen zur Folge haben und die Mischkondensation einschränken. Mit offenen Betankungssystemen ist das nicht zu verhindern. cc

Hinweis: LNG-Tanks dürfen nur mit geschlossenen Betankungssystemen betankt werden. Das Vermeiden von Lufteinschlüssen erfordert eine totraumlose Kupplung.

Sollte Luft in den Tankraum gelangen, bildet sich dort ein explosives Gasgemisch. Bläst in einem ungünstigen Augenblick das Sicherheitsventil ein zündfähiges Gemisch ab, könnte diese Gaswolke entzündet werden. Weiter soll nicht spekuliert werden. Unfälle ereignen sich meistens dann, wenn unerwartete Bedingungen zusammentreffen. Deshalb ist äußerste Vorsicht geboten. Es gibt geschlossene Betankungssysteme, die in der Kupplung Luft einschließen. Das ist bisher konstruktiv bedingt. Luft transportiert immer Luftfeuchtigkeit, denn sie ist Bestandteil der Luft. Feuchtigkeit kristallisiert im Tank aus und setzt sich ab, bzw. schwimmt im Produkt. Der Prozess wird sehr oft wiederholt. Es entsteht eine Vielzahl von Eiskristallen. Sie werden in die Pumpe oder Druckschleuse getragen und weiter in das Rohrsystem. In der Pumpe oder Druckschleuse kann ein Eiskristall die Funktion der Ventile behindern. Im Rohrleitungssystem ist nicht auszuschließen, dass durch Kondensation der Feuchtigkeit betriebliche Störungen auftreten.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_10

167

168

10  Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung

Je mehr Luft im Gasraum des Tanks ist, desto geringer wird die Möglichkeit, dass der Tankdruck durch Mischkondensation abgesenkt werden kann. Die Luft kann nicht durch Kühlung kondensiert werden, da deren Siedepunkt unter derjenigen des LNG liegt. Zu beachten ist, dass mit sinkendem Partialdruck der Siedepunkt steigt. cc

Hinweis: Luft im Tank kann nur durch Abziehen der Gasphase beseitigt werden. Ist prozessbedingt keine Gasentnahme möglich (z. B. Liqui-Flow-Verfahren oder Kryopumpe), sind zuvor beschriebene Folgen zu erwarten. Zusammenfassung

Die Verbindung der Tanks erfolgt mittels Schlauchleitung. Die Ausführung dieser Verbindung hat Einfluss auf die Sicherheit, die Qualität und die Prozessführung. Bei der Übertragung darf keine Luft in das System eindringen.

10.1 Kuppeln offener Systeme Offene Systeme sind einfache Schlauchverbindungen zwischen Fahrzeugtank und örtlichem Kundentank (siehe Abschn. 3.4.1). Offene Systeme erfüllen für LNG nicht die sicherheitstechnischen Anforderungen, u.  a. die des Einmann-Arbeitsplatzes. Wegen des notwendigen Spülens werden nicht die ökologischen Bedingungen (Stichwort BImSchG) eingehalten. cc

Hinweis: Offene Schlauchsysteme sind für LNG unzulässig. Zusammenfassung

Offene Kupplungssysteme sind nicht für LNG geeignet. Werden sie eingesetzt, müssen besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, die die Bildung eines explosiven Gas-Luft-Gemisches und die Verschmutzung des Produktes ausschließen. Sie sind ökologisch nachteilig.

10.2 Kuppeln geschlossener Systeme LNG muss mit einem geschlossenen Schlauchsystem von Tankwagen in den ört­ lichen LNG-Tank übertragen werden. Bei geschlossenen Kupplungssystemen (siehe Abschn. 3.4.2) bleibt der Schlauch mit dem Fahrzeugtank verbunden und auf jeder Seite bleibt das Kupplungsstück geschlossen. Die Schnittstelle ist eine totraumlose Kupplung (siehe Abschn. 10.2.2). Das jeweilige Kupplungsteil wird erst geöffnet, wenn die Verbindung des Schlauchs mit dem Tank erfolgt ist. In Ermangelung einer besseren Lösung werden bis aktuell noch Kupplungssysteme mit Totraum verwendet.

10.2  Kuppeln geschlossener Systeme

169

Die bisherigen Konstruktionen verwenden zum Verschließen den Kugelhahn, Kolben oder Klappensysteme. Wenn der Abtankprozess durch die SAA beendet wird, das bedeutet, der Tank wurde überfüllt und das Ventil wurde geschlossen, befindet sich Flüssigkeit zwischen der Kupplung. Wird nicht sofort entspannt, baut sich dort ein unzulässig hoher Druck auf. Daher muss es eine Entspannungsmöglichkeit geben, wie in Abschn.  9.3 beschrieben und auf Abb. 9.7 skizziert. Das automatisch schaltende Magnetventil öffnet bei Beenden des Tankprozesses. Mit Beginn der Betankung wird es automatisch geschlossen. In Fließrichtung gesehen sind nach der SAA die Handabsperrventile für die obere und untere Befüllung installiert. Sollten die Ventile im Falle der Überfüllung des Tanks geschlossen sein, kann hier ein unzulässiger Druck entstehen. Daher ist diese Strecke, wie die vor der SAA, immer mit einer Entlastungsleitung in den Gasraum des Tanks zu versehen. Die Entlastungsleitung befindet sind am tiefsten Punkt des Abschnitts. Bei waagerecht verlaufenden Rohrleitungen ist das der untere Scheitelpunkt des Rohres. Hier ist die Leitung zu positionieren. Steigt die Rohrleitung an, ist die Entlastungsleitung am unteren Ende der Rohrleitung einzubinden. Bei Druckentwicklung wird das entstehende Gas die Flüssigkeit aus dem Abschnitt drücken. Die Gasbildung wird dadurch minimiert. Wichtig ist, dass die Gasphase die Flüssigphase verdrängt. In den Rohrabschnitten stellt sich Tankdruck ein. Durch den anstehenden Gasdruck ist ausgeschlossen, dass an der Kupplung durch eine Undichtigkeit Luft in das System eindringen kann. Wird der Leitungsabschnitt mit je einem SV abgesichert, bläst es das Gas immer in den Abgasschlot ab. In der Leitung verbleibt ein Restdruck. Praxishinweis

Bei einem geschlossenen Kupplungssystem ist die Strecke zwischen oberer und unterer Befüllung gegen Überdruck zu sichern. Der Abschnitt zwischen Kupplung und SAA sowie zwischen SAA und den nachfolgenden Ventilen ist durch je ein Entlastungsventil in den Gasraum des Tanks oder durch ein SV zu sichern. Für LNG sollten nur geschlossene totraumlose Kupplungssysteme eingesetzt werden. Nach dem Trennen verbleiben die Kupplungshälften am Schlauch bzw. am Tank und lassen keinen Lufteintritt zu. Die Anschlussleitungen bleiben unter dem Gasdruck des Tanks stehen, der Schlauch unter dem Druck des Fahrzeugtanks.

10.2.1 Kupplungen mit Totraum Man geht für die Anwendung dieser Kupplungen davon aus, dass die konstruktiv bedingten kleinen Hohlräume im Kupplungssystem kein zündfähiges Gemisch im Gasraum des Tanks entstehen lassen. Das ist leider nicht zutreffend. Mit einer Vielzahl von Adaptierungen kumuliert die Luftmenge.

170

cc

10  Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung

Hinweis: Während der Projektierung der Anlage muss geprüft werden, nach wie vielen Betankungen sich welche Menge Luft im Gasraum des Tanks befindet. Es kann zu Schichtungen kommen, die eine höhere Konzentration aufweisen als die rechnerisch durchschnittlich zu erwartende. Man darf nicht davon ausgehen, dass sich Luft – die schwerer als Methan ist – gleichmäßig im Gasraum verteilt.

Es ist möglich, dass bei extrem kleinem Totraum keine weiteren Maßnahmen gesetzt werden müssen. Wird jedoch prognostiziert, dass gefährliche Konzentrationen erreicht werden, muss der Gasraum zyklisch gespült werden. In Gasheizsystemen oder KWK-­ Schaltungen kann Gas dem Gasraum entnommen werden und dabei die Luftkonzentration so minimiert werden, dass der Gefahrenbereich mit absoluter Sicherheit verlassen wird. Bei Pumpen oder Liqui-Flow-Anlagen muss das Gas anderweitig z. B. durch eine Verbrennung beseitigt werden. Zusammenfassung

Für geschlossene Systeme mit Totraum besteht die Möglichkeit, dass sich durch eine Vielzahl von Betankungsvorgängen explosive Gas-Luft-Gemische im Gasraum des Tanks bilden. Die tiefer siedende Luft kann mit dem höher siedenden Methan nicht kondensiert werden. Daher steigt mit jedem Betankungsvorgang die Luftkonzentration im Tank an. Dieser Umstand ist bei der Projektierung zu beachten und eventuelle Sicherheitsmaßnahmen sind vorzuschreiben.

10.2.2 Kupplungen ohne Totraum Die FUHEKA®-Kupplung (siehe Abb. 10.1) ist ein Beispiel für eine totraumlose Kupplung. An ihr sollen die Möglichkeiten und Anforderungen demonstriert werden, dabei ist zu betonen, dass andere Lösungen ebenso zielführend sein können. Eine totraumlose Kupplung schließt aus, dass Luft während der Betankung in das System eindringt und Gas oder LNG austreten kann. Es kann nur Erdgas als Flüssig- oder Gasphase in den Tank strömen. Im Gasraum des Tanks kann sich kein explosives Luft-­ Erdgas-­Gemisch bilden. Ist der Schlauch nach Beendigung der Betankung vom örtlichen Tank getrennt, stellt sich in ihm der Gasdruck des Tankfahrzeugs ein. Die Funktionsweise der Kupplung zeigen die Abb. 10.2, 10.3 und 10.4. Im getrennten Zustand (Abb.  10.2) sind beide Enden geschlossen. Die Schlauchseite ist fest mit dem Schlauch verbunden, die andere Hälfte ist fester Bestandteil des Tanks. Im nächsten Bild (Abb. 10.3) sind beide Hälften zusammengefahren, die Kupplung ist geschlossen. Die Verbindungsklaue hält die Kupplung zusammen. Beide Flächen liegen spaltlos bündig aufeinander, Lufteinschlüsse sind nicht möglich. In Abb. 10.4 ist die Kupplung innen geöffnet. Der Kegel des Tankteils drückt den Kegel des Schlauchteils auf und der Produktstrom hat

10.2  Kuppeln geschlossener Systeme

171

Abb. 10.1  FUHEKA-Kupplung mit Steuerung (Quelle: Hoffmann & Hoppestock GmbH, Wernigerode)

Abb. 10.2  Die Kupplung ist getrennt, beide Enden sind dicht verschlossen

einen freien Weg. Der skizzierte Spalt entspricht der Querschnittsfläche des Rohranschlusses auf der Tankseite. Die Kegel sind so verriegelt, dass sie erst geöffnet werden können, wenn die Kupplung mit der Verbindungsklaue geschlossen ist. Das erfolgt durch eine mechanische Verriegelung. In den aufeinandertreffenden Dichtflächen sind Sensoren inte­ griert. Der zu erkennende örtliche Tank wird an der Füllstelle in die Schlauchseite der Kupplung programmiert. So ist es nicht möglich, dass versehentlich ein Tank bedient wird, der nicht zur Belieferung vorgesehen ist. Der Sensor muss das manuell herangeführte Kupplungsgegenstück, den Schlauchteil, erkennen. Nur wenn das entsprechende Gegenstück passt, schließt sich automatisch die Verbindung. Dann kann die Kupplung, einem Signal (Tastendruck) folgend, geöffnet werden. Vorher würde sie nicht reagieren.

172

10  Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung

Abb. 10.3  Die Kupplung ist zusammengefahren, aber noch geschlossen

Abb. 10.4  Die Kupplung gibt den Produktstrom frei

Der Kegel der Tankseite schiebt den Kegel der Schlauchseite nach innen, sodass ein Spalt, der dem Rohrquerschnitt des Tankanschlusses entspricht, freigegeben wird. Nicht dargestellt ist der tankseitig installierte Siphon der Kupplung. Mit Ende der Betankung verbleibt LNG in der Rohrleitung. Damit das Produkt nach der Betankung nicht zur Kupplung zurückfließen kann, ist vor der Kupplung ein Siphon vorgesehen, in dem sich ein Gaspolster bildet. Es verhindert, dass die kalte Flüssigkeit die Kupplungsmechanik erreicht. Die Kupplung erwärmt sich schneller wieder auf Umgebungstemperatur. Damit wird die Bildung von Kondensat auf den Kupplungsflächen minimiert. Die Kupplung arbeitet vollautomatisch. Ihre Steuerung ist in die Anlagensteuerung der Tankstelle oder der Erdgasversorgungsanlage integriert. Der Schaltkasten für die Kupplung wird in ihrer Nähe positioniert. In der Übersicht in Tab. 10.1 werden die Kosten, von der Investition bis zum täglichen Gebrauch, komplex betrachtet. Dem wird ein offenes Kupplungssystem gegenüberge-

10.2  Kuppeln geschlossener Systeme

173

Tab. 10.1  Kostenübersicht FUHEKA-Kupplung FUHEKA-Kupplung Kosten für Tank-Kupplungshälfte Kosten für Lkw-Kupplungshälfte täglich zu betankende Tanks Kosten für Lkw-Kupplungshälfte Kosten für Kupplungsequipment Kap.-dienst für Kupplungsequipment Kap.-dienst für 10 Jahre, 4 % Handlingstime in Min. Anschließen 5 Sek. + Lösen 5 Sek. = 10 Sek. Kosten je Stunde Standzeit des Tankwagens Kosten je Tag in € Tage je Jahr Kosten je Jahr Gesamtkosten je Jahr

€ 15.000

1 15.000 €

€ 5000 1 € 5000 € 20.000 2472 €

3 € 5000 € 50.000 6180 €

5 € 5000 € 80.000 9888 €

0,17

0,51

0,85

€ 0,51

€ 0,85

184 € 6364 €

306 € 10.194 €

€ 60 € 0,17 360 61 € 2533 €

stellt. Dabei handelt es sich um eine sehr kostengünstige Ausrüstung und es ist davon auszugehen, dass sie die wirtschaftlichere Variante von beiden darstellt. Die FUHEKA-Kupplung kuppelt bzw. löst in max. 10 Sekunden. Es zeigt sich, dass die Handlingszeiten auf ein Minimum schrumpfen. Die Kosten werden allein durch den Kapitaldienst für die Investition bestimmt. Es wird davon ausgegangen, dass täglich 1, 3 oder 5 Tanks angefahren werden. Man erkennt: • In Tab. 10.2 sind die Investitionskosten unbedeutend. • Die Personalkosten sind für einfache und kostengünstige offene Kupplungen wesentlich höher und der maßgebliche Faktor für die Wirtschaftlichkeit. Ausschlaggebend ist die Sicherheit, denn für das offene System ist eine 2. Person zur Absicherung des Prozesses notwendig. Diese wurde bezüglich der Kosten nicht berücksichtigt. Das geschlossene System erfüllt höchste Sicherheitsansprüche. Es ist ein typischer Einmann-Arbeitsplatz, eine 2. Person muss nicht bereitstehen. Die Kupplung erfüllt außerdem die ökologischen Anforderungen. Praxishinweis

Eine geschlossene totraumlose Kupplung schließt Fehlbedienungen durch teilautomatisierte Abläufe aus. Es kann weder Produkt austreten noch Luft in das System gelangen. Eine FUHEKA-Kupplung z. B. kann nur geöffnet werden, wenn sich die Kupplungshälften geschlossen gegenüberstehen und fest verbunden sind. Sie ist trotz höherer Investitionskosten in der komplexen Betrachtung wirtschaftlicher, da sie die Bedingungen für einen Einmann-Arbeitsplatz erfüllt.

174

10  Konstruktive Beschreibung der Schlauchkupplungen zur Tankbefüllung

Tab. 10.2  Kostenübersicht für ein beliebiges offenes System Kupplung für offenes System Kosten für Lkw-Kupplungshälfte (Annahme) Kosten für Tank-Kupplungshälfte (Annahme) täglich zu betankende Tanks Kosten für Tankkupplungshälften Kosten für Kupplungsequipment Kap.-dienst für Kupplungsequipment Kap.-dienst für 10 Jahre, 4 % Handlingstime in Min. Anschließen 5 Min. + Lösen 15 Min. Kosten je Stunde Standzeit des Tankwagens Kosten je Tag in € Tage je Jahr Kosten Handlingszeit je Jahr Gesamtkosten je Jahr

400

1 400

400 1 400 800 98,88

3 1200 1600 197,76

5 2000 2400 296,64

20

60

100

€ 60,00

€ 100,00

€ 21.600,00 € 21.797,76

€ 36.000,00 € 36.296,64

60 € € 20,00 360 € 7200,00 € 7298,88

Installation  Die Kupplung wird mit dem Tankwagenschlauch und dieser mit dem Fahrzeugtank fest verbunden. In ihm herrscht der Druck des Tankwagentanks. Während der Fahrt liegt der Schlauch in einer Halterung. Das Kupplungsteil selbst ist in einer Vorrichtung fixiert. Vom Fahrerhaus aus kann die feste Verankerung auch während der Fahrt kontrolliert werden. Zur Betankung wird die Kupplung aus der Arretierung genommen und an den Tank geführt. Dort wird sie an das Gegenstück herangeführt, erkannt und das System wird automatisch geschlossen. Ausführung  Die Kupplung gibt es in Nennweiten von 18 bis 40 und für einen Druck bis zu 40 bar, dem maximal möglichen Pumpendruck. Sie ist aufgrund der gewählten Materialien (austenitischer Edelstahl) bis zu −196 °C einsetzbar. Sensoren erkennen die Kupplung und schließen erst, wenn die Kupplungshälften zusammengeführt sind. Die tankseitige Kupplungshälfte ist mit den Motoren zum Verbinden der Hälften und zum inneren Öffnen der Kupplung ausgestattet. Sie sind gegeneinander verriegelt. Kälteführende Teile sind durch Kälteisolierungen geschützt. Die Kupplung fungiert als Absperrarmatur, trotzdem wird ein automatisches Absperrventil nach der Kupplung empfohlen. Es öffnet, wenn die Kupplung im Inneren geöffnet ist und Gas oder LNG strömen. Der Abschnitt zwischen SAA und automatisch arbeitendem Ventil ist gegen Überdruck durch eine Entlastungsleitung mit einem automatisch arbeitenden Ventil zu sichern. Betriebsweise  Die Kupplung arbeitet teilautomatisiert. Das Besprühen mit einem Trennmittel, das eine Vereisung ausschließt, entfällt. Die Kupplung schließt vor und öffnet nach jeder Betankung in jeweils max. 5 Sekunden. Das Gegenstück wird an die Kupplung he­ rangeführt, der Kupplungsprozess startet. Ist die Kupplung geschlossen, kann die Pumpe in Betrieb gehen. Nach dem automatisch durchgeführten Kaltfahrprozess fördert die

10.2  Kuppeln geschlossener Systeme

175

Pumpe die Flüssigkeit. Ist der Tankwagen mit dem Füllstandmesser verbunden, läuft der Prozess bis zum programmierten Füllstand automatisch ab. Wenn der Füllstand erreicht ist, schaltet die Pumpe ab, dies wird signalisiert. Der Betankungsprozess kann auch manuell beendet werden, indem die Pumpe ausgeschaltet wird. Die Kupplung wird durch Drücken des entsprechenden Tasters am Schaltkasten getrennt. Mit dem Schlauch wird die Kupplung in die Arretierung gelegt. Der Prozess ist beendet. Da die Schlauchseite nur mit der Tankseite geöffnet werden kann, ist ein unbeabsichtigtes Öffnen nicht möglich. Der teilautomatisierte Prozess gestattet die Installation eines Einmann-Arbeitsplatzes. Als mögliche Unfallgefahr verbleibt, dass die Kupplung dem Personal auf die Füße fallen kann. Sie sind allerdings durch entsprechende Arbeitsschutzschuhe geschützt. Der Prozess ist für die Fernüberwachung ausgelegt. Wartung und Kontrolle  Die Wartung beschränkt sich auf das Sauberhalten der Dichtflächen der Kupplung. Das wird unterstützt, in dem am Tank die Kupplung nach der Betankung mit einer Staubkappe geschützt wird. Die Arretierung auf dem Fahrzeug muss dicht abschließt und ggf. auf Umgebungstemperatur beheizt werden, damit eine Kondensatbildung ausbleibt. Die Kupplung ist, wie jedes andere Druckbauteil, in regelmäßigen Abständen zu prüfen.

Praxishinweis

Die geschlossene, totraumlose Kupplung erlaubt eine schnelle Adaptierung am örtlichen Tank. Für den Transport erfolgt die Fixierung am Tankfahrzeug, ohne dass der Schlauch vom Tank zu trennen wäre. Ein teilautomatisierter Betrieb ist möglich.

Isolierungen

11

Eine absolute Isolierung gibt es nicht. Die Isolierung reduziert die Wärmeleitung, die Wärmestrahlung und die Konvektion. Alle Isolierverfahren unterbinden den Energietransport entweder durch a) Vakuum; b) ruhende Luft, eingeschlossen in kleinste Zellen – eine konvektive Wärmeübertragung ist dort ausgeschlossen; c) Wärmeleitfähigkeit des Materials; d) einer Kombination aus den zuvor Genannten. Demnach unterscheidet man zwei grundsätzlich unterschiedliche Isoliersysteme, die Vakuumisolierung und die Feststoffisolierung. Isolierungen werden mit entsprechenden Verfahren aufgebracht bzw. ausgeführt. Die Isolierung ist eine Kombination aus Isolierstoff und Isolierverfahren. Der tiefkalte Bereich einer Anlage muss immer isoliert werden. Es ist zu prüfen, ob das auch für die Gasphase, insbesondere für den Gasrückgang erforderlich ist. Dafür ist entscheidend, ob der Wärmeinhalt der Masse des zurückströmenden Gases von Bedeutung ist oder ob dieser Anteil vernachlässigbar klein ist. Ältere Isolierverfahren mit Glaswolle oder Mineralfasern werden in der Kryotechnik nicht mehr angewandt und werden daher im Weiteren nicht behandelt. Zusammenfassung

Eine absolute Isolierung gibt es nicht. Mit der Isolierung werden Wärmeübertragung, Wärmestrahlung und Konvektion reduziert. Es wird unterschieden zwischen Vakuumund Feststoffisolierung.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_11

177

178

11 Isolierungen

11.1 Feststoffisolierung Auf Glasfasern und ähnlichen Stoffen beruhende Dämmstoffe sind nur noch sehr vereinzelt vorzufinden und sollen daher außer Acht gelassen werden. Kryogene Isolierungen werden als • • • •

Matte mit verschiedensten Dämmmaterialien, Schaum in Form von Kautschuk, PIR (Polyisocyanurat) oder Glas als vorgefertigten Isolierkörper, Paneelen (eben oder gebogen) ausgeführt.

Alle Feststoffisolierungen haben eines gemeinsam: Hohlräume zwischen den einzelnen Elementen müssen unbedingt vermieden werden. In ihnen würde beim Kaltfahren durch den entstehenden Unterdruck warme Luft mit der enthaltenen Feuchtigkeit angesaugt. Diese Luft ermöglicht die einsetzende konvektive Wärmeübertragung im Hohlraum oder Spalt. Die Feuchtigkeit friert aus, es bildet sich Eis und verschlechtert die Isolierwirkung. Das ist ebenfalls unerwünscht. Zusammenfassung

Feststoffisolierungen werden in verschiedenster Konfektionierung geliefert. Hohlräume zwischen den Isolierelementen sind unbedingt zu vermeiden. Sie saugen Luft an, deren Feuchtigkeit ausfriert und die Isolierwirkung verschlechtert.

11.1.1 Vakuumpaneele Vakuumpaneele sind aus der Bauindustrie bekannt. Für sie werden andere Folien zur Konfektionierung als in der Kryotechnik verwendet. Die Bau-Paneele sind nur für Temperaturen bis ca. −40 °C geeignet. Die Temperaturen im tiefkalten Bereich hingegen liegen weit darunter. Denn für die Kryotechnik wurden Paneele für den Bereich von unter −100 °C bis −196  °C entwickelt. Sie haben bestechende Isolierwerte. Richtige Montage und Verlegung vorausgesetzt, werden damit die meisten Anforderungen zur Isolierung erfüllt und können sich mit der Vakuumisolierung messen. Lunker und Spalten sind unbedingt zu vermeiden. Diese sind kontraproduktiv, bauen Unterdruck auf und ziehen durch die geringsten Öffnungen Luft in die Kammern. Dort bildet sich Eis, welches bei mehrfachem Lastwechsel die Isolierung zerstören kann. Dem lässt sich auch durch eine saubere Verklebung mit Klebefolie nicht begegnen. Die Erfahrung zeigt, dass die Verklebungen über längere Zeit (mehrere Jahre) nicht absolut dicht sind. Die Verlegung muss generell mehrschichtig und untereinander versetzt erfolgen. Sollten Hohlräume unvermeidbar sein, sind sie zur Vermeidung der Konvektion mit M ­ ineralwolle oder anderen frei formbaren Isolierstoffen zur Gänze auszufüllen. Am besten wäre

11.1 Feststoffisolierung

179

I­ solierschaum, der für den tiefkalten Bereich geeignet ist (in Kleingebinden allerdings nicht verfügbar). Eine Alternative könnte ein 2-Komponeten-Klebstoff sein, der voll den Hohlraum füllt. Eine Verklebung mit der Platte ist möglich, da die Folie eine gewisse Elastizität aufweist, die eventuell auftretende Spannung aufnehmen kann. Soll eine Anlage im Wechsel kalt und wieder warm gefahren werden, sollte generell über eine Laminierung nachgedacht werden. Für den kurzzeitigen Einsatz wird Klebefolie bei sauberer Verarbeitung die Erwartungen erfüllen. Für eine dauerhafte Ausführung ist ein Laminat, welches die Platten schützt und jegliche Diffusion unmöglich macht, die bessere Lösung. Während der Montage und Verklebung der Paneele ist zu beachten, dass sie durch die Abkühlung geringfügig schrumpfen. Bei einer Reihung der Platten kann die Differenz mehrere Millimeter betragen. Vakuumpaneele (siehe Abb. 11.1) gibt es in verschiedenen Stärken und unterschiedliche vorgefertigte Größe. Sie bestehen aus einem porösen Kern, meistens handelt es sich um gepresstes Kieselsäurepulver. Vor dem Evakuieren wird der Kern getrocknet und durch die Erwärmung Restfeuchte ausgetrieben. Je höher die Ausheiztemperatur ist, desto besser lösen sich die Wassermoleküle aus ihrem Verband. Der Kern wird von einer mehrschichtigen Folie aus Aluminium, kombiniert mit speziellen Kunststofffolien (meist PE-Typen) umhüllt. Der so erhitzte, poröse Kern wird mit der gas- und dampfdichten Folie nach einem genauen Faltprozess im Vakuum eingepackt, evakuiert und zum Schluss verschweißt. Die Oberflächen der Folie dienen dem Verschweißen (derzeit meistens mit Infrarot-­Schweißgeräten). Während der Montage ist genauestens darauf zu achten, dass die Folien nicht beschädigt werden. Wird beispielsweise die Folie einer Platte durchstochen, ist das Vakuum gebrochen und die Platte ist auszusondern. Sollte nur eine von vielen verbauten Platten unbemerkt mit einem gebrochenen Vakuum verbaut sein, darf man annehmen, dass der verbleibende Isolierwert durch das Füllmaterial des Kerns den Wärmezustrom noch genügend abhält. Es hat sich bewährt, die gesamte Konstruktion mit einer Laminatschicht zu schützen. Vorsicht ist jedoch geboten, wenn ein konventioneller Blechmantel darumgelegt werden soll und dieser wie eine Blechmantelisolierung mit Schrauben gesichert wird. Denn dabei besteht die Gefahr, dass die Folie durchstochen und das Vakuum gebrochen wird und damit wirkungslos ist. Abb. 11.1  Isolierpaneel für tiefkalte Anwendungen. (Quelle: Fa. Vitec GmbH, Ilsenburg)

180

11 Isolierungen

Abb. 11.2  Isolierpaneel für tiefkalte Anwendungen mit GFK-Beschichtung. (Quelle: Fa. Vitec GmbH, Ilsenburg)

Abb. 11.3  Isolierpaneel für tiefkalte Anwendungen für Rohre. (Quelle: Fa. Vitec GmbH, Ilsenburg)

Um Beschädigungen auszuschließen, wurde eine äußerst robuste, ein- oder beidseitig mit GFK beschichtete Platte entwickelt. Sie hat auch eine dekorative Wirkung. Die aufgetragene GFK-Schicht widersteht Belastungen, kann verschiedenfarbig gestaltet werden und ist fertigungsbedingt an der Oberfläche glatt (siehe Abb. 11.2). Paneele können nur eben oder mit einem sehr geringen Radius gefertigt werden. Sie eigenen sich daher vor allem zum Isolieren ebener Flächen. Gebogene Körper dürfen nur einen sehr geringen Radius haben, der genaue Radius, den ein Paneel aushält, ist beim Hersteller zu erfragen. Für Rohre werden dünne, längsnahtgefalzte Platten (siehe Abb. 11.3) angeboten. Sie können sich dem Radius anpassen. Sie sind in vielen Anwendungen eine sehr gute Alternative, für die Berechnung der Isolierstärke ist jedoch der wärmeleitende Steg zu beachten. Durch Überlappungen können Wärmebrücken minimiert werden. Zusammenfassung

Vakuumpaneele sind mit Isolierstoff gefüllte Platten in verschiedenen Größen, die ein Vakuum tragen. Sie werden versetzt verlegt und untereinander dampfdicht verklebt oder laminiert. Die Platten selbst sind mit einer Folie umgeben, die auf keinen Fall beschädigt werden darf, sonst bricht das Vakuum und die Isolierwirkung wird minimiert.

11.1 Feststoffisolierung

181

11.1.2 Matten mit Faserstruktur Isoliermatten sind aus der Raumfahrttechnik bekannt. Diese Isolierungen werden heute mit speziellen Faserstrukturen aus Silikatfestkörpern (siehe Abb.  11.4) hergestellt. Sie werden mit Dampfwiderständen komplettiert (z. B. Cryogel Z). Das Material gibt es in unterschiedlichen Stärken und es wird in Rollen geliefert. Die Funktion beruht auf der schlechten Wärmeleitung des Materials selbst, sowie auf der schlechten Wärmeleitung der in ihr ruhenden Luft. Die dichte Struktur der Matte erlaubt in den inneren, winzig kleinen Hohlräumen keine bzw. nur eine sehr eingeschränkte Konvektion. Es handelt sich um stark wasserabweisende Matten, die mehrschichtig, vorwiegend auf Rohre, Behälter oder auch um Armaturen, gewickelt werden. Zu beachten ist, dass sich bei der Abkühlung kleine Hohlräume bilden können. Sie könnten Luft ziehen. Die Matten müssen untereinander wasserdampfdicht, mit einer vom Hersteller empfohlener Klebefolie, gefügt werden. Die Wirkung von Wärmebrücken ist durch eine versetzte Verlegung zu minimieren. Klebeband sollte zum Verschließen der Enden bzw. Stöße verwendet werden. Umschließende Laminate sind länger haltbar und daher unbedingt zu empfehlen. In der Matte selbst sind Wasserdampfsperren eingebaut. Das Material wird zugeschnitten (Abb. 11.5) und an die zu isolierende Struktur angepasst. Der Zuschnitt erfolgt vor Ort oder in der Werkstatt des Herstellers u. a. mit Wasser-

Abb. 11.4  Cryogel Z Matte, wird in Rollen geliefert. (Quelle: Insulcon GmbH, Neuss)

Abb. 11.5  Zuschnitte für komplizierte Geometrien. (Quelle: Insulcon GmbH, Neuss)

182

11 Isolierungen

strahlschneidanlagen – die Verarbeitung verlangt spezielle Werkzeuge zum Zuschneiden. Vorteilhafterweise kann man durch Ausschneiden von Abwicklungen komplizierte Geometrien isolieren. Während der Verarbeitung müssen die vom Hersteller vorgegebenen Parameter unbedingt eingehalten werden. Rohre werden, dicht aufliegend, mit den Matten umwickelt. An jedem Ende ist eine Klebefolie zusätzlich zur Laminierung vorzusehen, die jegliche Diffusion unterbindet. Folie und Versatz der Matten sind in Abb. 11.6 zu erkennen. Dampfwiderstände halten nur bedingt eventuell eindringende Feuchtigkeit ab, so dass das Laminat einen gas- und wasserdampfdichtenden Schutz bietet. Zusammenfassung

Isoliermatten sind auf Rollen gewickelte, mehrschichtige Matten. Sie dienen der Isolierung von Apparaten, Rohren und Armaturen. Die Isolierwirkung tritt durch unterbundene Konvektion und geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials ein. Der Zuschnitt erfolgt meistens vor Ort oder in einer Werkstatt mit Wasserstrahlschneidanlagen. Das Material ist wasserabweisend.

11.1.3 Matten aus Kautschukverbindungen In den letzten Jahren wurde ein Schaumstoff (geschäumte Kautschukverbindung) speziell für Kälteanwendungen bis −196 °C entwickelt, der die bisherigen Isoliermaterialien ergänzt. Eine qualitätsgerechte Montage verlangt die genaue Einhaltung der vorgeschriebenen Luftparameter (Temperatur, Luftfeuchte nach Vorgaben des Herstellers). Anwen­ dungen, die unter Einhaltung der Verarbeitungsrichtlinien eingerichtet wurden, waren erfolgreich. Das Material wird in Matten oder Schläuchen angeliefert. Schläuche können zur Isolierung dünner Rohre über diese geschoben und untereinander verklebt werden. Dazu gehö-

Abb. 11.6  Cryogel Z Matte, verarbeitet. (Quelle: Insulcon GmbH, Neuss)

11.1 Feststoffisolierung

183

ren die vom Hersteller vorgeschriebenen Klebstoffe und die Dampfsperrfolien. Dampfsperrfolien sind mehrschichtige Alufolien, kombiniert mit Kunststofffolien, oder mit Alu bedampfte Kunststofffolien, beide werden in der Regel in selbstklebender Ausführung geliefert. Die glänzende Aluschicht dient der Reflektion der Wärme, die selbstklebende Rückseite muss falten- und lückenlos auf die Oberfläche aufgeklebt werden. Da sich das Kleben einer absolut glatten Oberfläche auf weichem Schaummaterial sehr kompliziert gestaltet, bzw. viel manuelle Übung verlangt, sollte die als Dampfsperre wirkende Alufolie in mehreren Schichten geklebt werden. Damit werden eventuell entstandene Kanäle beim Verkleben geschlossen. Sollte Hohlräume durch einen zu komplizierten Zuschnitt entstanden sein, sind diese mit einer Isolierwolle dicht auszufüllen; in keinem Fall dürfen sie eine konvektive Strömung zulassen. Durch die Kälte kommt es zur Kontraktion der Luft. Das führt zu einem Unterdruck, der durch angesaugte Luft gebrochen wird. Luftfeuchtigkeit kristallisiert aus und bei nächster Erwärmung taut das Eis wieder. Die Isolierwirkung lässt daraufhin markant nach. Das muss unter allen Umständen verhindert werden. Es ist nicht davon auszugehen, dass die Feuchtigkeit von selbst wieder verdampft. Das ist bei einer Wärmeleitung möglich, bei einer Kälteleitung jedoch physikalisch ausgeschlossen. Außen muss die Oberfläche mit einem UV-Schutz versehen werden. Das kann ein Blechmantel sein, ein vom Hersteller gelieferter Schutzanstrich oder ein Laminat, wie für die Fasermatten (siehe Abschn. 11.2). Dieser Oberflächenschutz ist zwingend notwendig, da das Produkt unter UV-Einstrahlung zerbröselt. Der Blechmantel ist nur anzuwenden, wenn keine Beeinflussung durch die Witterung zu erwarten ist (geschlossene Räume). Trotz alledem muss man davon ausgehen, dass an der inneren Seite des Blechmantels Taupunktunterschreitungen möglich sind. Deren Ursache sind nicht das kalte Produkt, sondern Nachtkälte und hohe absolute Luftfeuchtigkeit tagsüber. Das resultierende Kondenswasser muss frei abfließen können. Punktuell werden kleine Bohrungen an der Unterseite der Ummantelung eingearbeitet. Im Allgemeinen beschreiben die Hersteller die fachgerechte Montage sehr ausführlich. Praxishinweis

Eine Matte wirkt vor allem durch die Isolierwirkung der Materialien. Das Material hat kleine Lufteinschlüsse, die so klein sind, dass sie keine Konvention zulassen. Das Auftragen erfordert eine sehr genaue Arbeit und das Einhaltung der Montagetechnologie. Sie ist erfahrungsgemäß sehr arbeitsintensiv. Die Matten müssen außen mit einem Laminat, Anstrich oder Blechmantel geschützt werden.

11.1.4 Foamglas®-Isolierung In den letzten Jahren wurden tiefkalte Anlagen, insbesondere wenn gleichmäßige thermische Belastung (große atmosphärische Tanks, Gasverflüssigungsanlagen usw.) vorliegt,

184

11 Isolierungen

Abb. 11.7 Foamglas-Isolierung

mit Foamglas®, einem speziell geschäumten Glaswerkstoff, isoliert. Die Isolierwirkung beruht auf der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Materials. Kleine Gasräume in der Materialstruktur schließen konvektiven Wärmeaustausch aus, sodass das Material isolierend wirkt. Die Isolierung wird konfektioniert angeliefert (siehe Abb. 11.7). Foamglas® kann ggf. auf der Baustelle bearbeitet und angepasst werden. Zu beachten ist, dass das Material sehr spröde ist: Es lässt zwar eine einfache Bearbeitung zu, kann aber auch sehr leicht zerbrechen. Die Verlegung erfolgt versetzt und wird außen mit einem Laminat geschützt. Untereinander werden die Werkstücke mit einem speziellen Klebstoff fixiert. Für Temperaturen im Umgang mit LNG sind 2 Lagen vorgeschrieben, 3 Lagen verbessern das Ergebnis. Es wird mit zusätzlichen Dampfbremsen und/oder Dehnfugen verlegt. Kalotten, Krümmer, T-Stücke und ähnlich komplizierte Geometrien werden für das jeweilige Bauteil von den meisten Herstellern zugeschnitten geliefert. Für Rohre werden fertige Rohrschalen angeboten, die nur übereinander zu verlegen sind. Wie für alle anderen Feststoffisolierungen gilt, Hohlräume müssen ausgeschlossen werden. Ist ein Dehnungsausgleich erforderlich, sind entsprechende Räume zur Ausdehnung bzw. Schrumpfung vorzusehen. Diese müssen so ausgeführt sein, dass sich darin keine konvektive Strömung bilden kann (z. B. Ausstopfen mit Matte oder Mineralwolle). Zusammenfassung

Foamglas wird an die Geometrie angepasst, Hohlräume müssen vermieden werden. Die Teile der Isolierung werden durch einen speziellen Klebstoff verbunden. Zum äußeren Schutz wird ein Laminat aufgetragen.

11.1.5 Isolierungen aus Polyisocyanurat (PIR) PIR (Polyisocyanuratverbindung) ist ein idealer Schaum für komplizierte Konstruktionen. Das Schäumen erfolgt vor Ort. Spätere Reparaturen werden durch den festen und gut haf-

11.2 Vakuumisolierungen

185

tenden Schaum sehr aufwendig. Für einfache Geometrien werden die Teile vorgefertigt und an die zu isolierenden Bauteile angesetzt. Dehnungsfugen und mögliche Kontraktion eines Bauteils sind zu berücksichtigen. Für Anwendungen mit Temperaturen unter −190 °C ist ein spezieller Tieftemperaturschaum entwickelt worden. cc

Hinweis: Es gibt spezielle Tieftemperaturschäume. Andere Schäume bieten keine Alternative für diesen Temperaturbereich. Solche Schäume würden bei den niedrigen Temperaturen zerbröseln und bieten deshalb nicht die gewünschten Isolierwerte.

Komplizierte Geometrien werden vor Ort geschäumt. Sie verlangen eine feste Form (Blechkasten oder Blechhülle). In diese Form werden Löcher für die Mischpistole eingebracht. Die wässrige Flüssigkeit wird jeweils von unten nach oben, für große und voluminöse Bauteile, mit hohem Druck in Stufen, eingespritzt. Die sich einstellende Reaktionswärme des Schaums ist unbedingt zu beachten (bis zu 100 °C). Solche Arbeiten werden erfahrungsgemäß von Industrieschäumern ausgeführt. Sie kennen das Produkt und halten die geforderten Luftparameter (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) ein. Nach dem Aushärten hat sich ein fester, mechanisch belastbarer Schaum ausgebildet. Er entsteht nicht, wenn beim Schäumen im Freien, vor allem vor beginnendem Regen, die Luftfeuchtigkeit zu hoch ist. Alternativ können mit den Schäumen auch Formteile hergestellt werden, die auf die zu isolierenden Flächen aufgebracht und untereinander mit speziellen PIR-Klebern verklebt werden. Zur Verarbeitung machen die Hersteller genaue Angaben. Die Verarbeitungsrichtlinien werden von ihnen auf das Genauste beschrieben. Da der Schaum an sich brennbar ist, ist für LNG-Anlagen unbedingt auf das zugesetzte Flammschutzmittel zu achten,. Zusammenfassung

PIR-Isolierungen werden als Bauteil geliefert oder vor Ort geschäumt. Bei Vorortschaum ist unbedingt darauf zu achten, dass der Schaum für −196 °C geeignet ist. Des Weiteren sind für das Schäumen vor Ort die klimatischen Bedingungen lt. Herstellerangabe genauestens einzuhalten. Abweichungen davon haben Lunker und unstrukturierten Schaum zur Folge. Für LNG-Anlagen ist auf das Zusetzen des Flammschutzmittels zu achten.

11.2 Vakuumisolierungen 11.2.1 Vakuumisolierungen für Behälter und Rohre Für die Vakuumisolierung wird mittels eines inneren und eines umschließenden Teils ein fixierter Zwischenraum gebildet. Die Vakuumisolierung ist die an und für sich effektivste und hat wegen ihrer guten Isolierwirkung die geringste Wanddicke/Dämmdicke[1, 2].

186

11 Isolierungen

In diesem wird durch Abpumpen das Vakuum gezogen. Eingebaute reflektierende Folien oder Perliteschüttungen reduzieren die Strahlung, die Konvektion und die Wärmeleitung. Eine Perlitefüllung – ein bei ca. 1000 °C geblähtes Perlitegesteinsmehl mit sehr geringer Dichte (35–55 kg/m3) und geringer Wärmeleitfähigkeit (ca. 0,02 W/mK) – reduziert, unterstützt durch das Vakuum, die Konvektion, den Anteil der Strahlung und die Wärmeleitung auf ein absolutes Minimum. Der Strahlungsanteil wird durch Perliteschüttungen bedeutungslos, der konvektive Anteil wird stark eingeschränkt, sodass Wärmeaustausch nur noch durch die Wärmeleitung des Perlites selbst möglich ist. Dieses Material zeichnet sich gerade durch schlechte Wärmeleitung aus. Ein vakuumisolierter Tank wird mit dem Druckanstieg im Zwischenmantel oder mit der Abdampfrate im Tank beschrieben. Die Angaben basieren auf Zeiteinheiten. Diese Angaben drücken die Qualität des Tanks aus und sind dem Datenblatt des Tanks zu entnehmen. Mit Hilfe des Datenblatts werden u. a. die Tankgröße und Betankungszyklen berechnet. Das Vakuum wird erzeugt, indem das Bauteil auf bis zu 200  °C erwärmt wird. Das geschieht selbst mit großen Tanks, die in einem speziellen Ofen auf diese Temperatur gebracht werden. Bei dieser Temperatur löst sich molekulares Wasser von den Oberflächen und kann abgesaugt werden. Absaugen ist eigentlich ein irreführender Ausdruck, denn im wirksamen Vakuumbereich gibt es keine Strömung durch Saugen, es wird die chaotische freie Weglänge der Moleküle genutzt. Eine Turbopumpe fängt die Moleküle nach dem Zufallsprinzip ab und fördert sie aus dem zu evakuierenden Raum. Deshalb nimmt der Evakuierprozess eine lange Zeit in Anspruch, für große Behälter sind es einige Tage. Durch das Vakuum wird die Luftdichte verringert. Wenn ca. 1 × 10−3 mbar erreicht sind und dieser Wert entsprechend lange konstant gehalten wird, kann der Evakuierprozess beendet werden. Durch die nun einsetzende Abkühlung von ca. 200  °C auf Umgebungstemperatur sinkt das Vakuum weiter ab. Das Befüllen des Zwischenraums mit Perlit muss sehr sorgfältig erfolgen. Ein leichtes Vakuum sollte nach Möglichkeit das erhitzte Perlit ansaugen und eine gleichmäßige Schüttung gewährleisten. Zusätzlich wird das Bauteil während und nach der Befüllung gerüttelt und geklopft. Eventuell entstandene Hohlräume verschwinden dadurch, und es stellt sich eine gleichmäßige Schüttung ein. Danach wird auf das gewünschte Endvakuum unter weiterer Erwärmung abgepumpt. MLI-Isolierung  (siehe: [3]) Mit dieser Methode kann die isolierende Masse reduziert werden. Die extrem dünnen Folien werden durch Wärme aufgeheizt, dadurch lösen sich Wassermoleküle von der Oberfläche der Folien und der inneren Tankoberfläche. Sie werden durch das angelegte Vakuum gereinigt und ein stabiler Unterdruck erzeugt. Da sich die freien Weglängen zwischen den Folien besser und schneller ausbilden lassen, ist der Evakuierprozess kürzer. Das Aufbringen der Folien mit den erforderlichen Abstandshaltern ist aber komplizierter.

11.2 Vakuumisolierungen

187

Triax-Rohr  es stellt eine besondere Art der Isolierung dar. Triax-Rohre nutzen weitere Isoliereffekte. Der Grundgedanke beruht auf der Überlegung, das innere, produktführende Rohr mit dem Gas bzw. der Flüssigphase des Produktes selbst zu kühlen. Dieses Gas bzw. dessen Flüssigkeit hat eine Temperatur nahe dem Siedepunkt. Das Produkt wird in einem zweiten, umschließenden Rohr entgegen der Strömungsrichtung geleitet. Um dieses Rohr wird die Vakuumisolierung aufgebaut (siehe Abb.  11.8). Kühlmedium ist das Produkt selbst. Der im Gegenstrom befindliche Gasanteil wird in den Gasraum des Tanks abgeführt. Damit bleibt im innersten Rohr das Produkt unterhalb des kritischen Punktes auf der Siedelinie bzw. sogar im unterkühlten Zustand. Im Dauerbetrieb ist auch das umhüllende Rohr mit Flüssigkeit gefüllt und das verdampfte LNG blubbert durch die Flüssigkeit in den Gasraum.

Zusammenfassung

Die Vakuumisolierung ist die effektivste Isolierung. Die Wirkung des Vakuums wird durch Perlit oder reflektierende Folien verstärkt. Im Evakuiervorgang werden die Wassermoleküle durch Erwärmung von den inneren Wänden und der Folienoberfläche gelöst und aus dem Perlit ausgetrieben. Der ausgewiesene Druckanstieg ist Maßstab für die Qualität eines Tanks oder einer Rohrleitung. Das Triax-Rohr besteht aus einem ­Inneren und ein dieses umschließende Rohr. LNG wird im inneren Rohr transportiert. Im Umschließenden wird das entstandene Gas im Gegenstrom in den Tank zurückgeführt. Das äußere Rohr wird mit Vakuum isoliert. Abb. 11.8  Schema eines Triax-Rohrs in Einbaulage

188

11 Isolierungen

11.2.2 Vakuumisolierungen für Armaturen Armaturen müssen im vakuumisolierten Rohrstrang, ebenso wie das Rohr, vakuumisoliert werden. Ansonsten kann es passieren, dass das Rohr zwar gut isoliert ist, aber am Ventil ein zu großer Wärmeeintrag möglich ist. Dieser Wärmeeintrag beeinflusst nicht prozessgerecht den gesamten Prozessablauf. Die Armaturen müssen dazu entsprechend vorbereitet sein (vgl. Abb.  8.1), d.  h. sie müssen wie die Rohre mit einem Doppelmantel gefertigt werden, in dem Vakuum ist. Der Übergang vom Ventil zum Rohr verlangt besondere vakuumisolierte Übergangsstücke. Dafür hat jeder Hersteller eine eigene Lösung. Zusammenfassung

Armaturen müssen, wie die Rohrleitung, vakuumisoliert werden, damit der Prozess nicht durch eine Wärmelast negativ beeinflusst wird.

11.2.3 Vakuumisolierte Schläuche Es existieren flexible, vakuumisolierte Leitungen in schlauchähnlicher Konstruktion. Sie zeichnen sich durch hohe Flexibilität aus, sind aber bezüglich des zugelassenen Betriebsdrucks auf max. 5 bar begrenzt. LNG-Anlagen arbeiten mit Drücken ab 5 bar. Daher sind sie für LNG-Anlagen von untergeordneter Bedeutung.

11.2.4 Wartung und Kontrolle: Eine Wartung im eigentlichen Sinn findet nicht statt. Die wiederkehrende Behälterprüfung von vakuumisolierten Tanks beschränkt sich (zur Zeit lt. Regelwerk alle 10 Jahre) auf eine äußere Sichtkontrolle. Es kann versucht werden, das Vakuum nach einigen Betriebsjahren durch erneutes Evakuieren zu verbessern. Das ist mit einer Perlitisolierung jedoch sehr schwierig und verlangt sehr weitreichende Erfahrung. Beschädigungen der Außenhaut führen zum Vakuumbruch. Sind Kapillarrisse aufgetreten, lässt im Mantel die Isolierung um das Leck langsam nach. Kapillarrisse sind durch die lokale Temperaturabsenkung, also durch Kondensation der Luftfeuchtigkeit, zu erkennen. Das wird bei entsprechendem Lichteinfall und bei hoher absoluter Luftfeuchtigkeit (Sommer) sichtbar. Ältere Tankauflieger zeigen das Beschlagen häufig an der obersten Kante des Tanks. Dort ist die Perliteschüttung zusammengerutscht und nicht mehr so dicht wie an anderen Stellen. Die Kälte schlägt nach außen durch und es kommt zum Beschlagen der Oberfläche. Deshalb entwickelte man, abgeleitet von den Erfahrungen der Raumfahrt, die Multilayer Insulation (MLI) für den Tankwagen. Später wurde diese Art der Isolierung auch für andere Bauteile wie Tanks und Rohre übernommen (siehe Abschn. 11.2.1).

Literatur

189

Kleine Rohrabschnitte sind auch wiederholt relativ leicht vakuumierbar. Allerdings sind dabei die Zeit und nach Möglichkeit eine erneute Erwärmung des Bauteils, der ausschlaggebende Faktor für den Erfolg des Vakuums. Zusammenfassung

Die Vakuumbrüche erkennt man am Beschlagen des äußeren Mantels. Die Reparatur erweist sich als sehr schwierig. Eine wiederkehrende Prüfung des Behälters beschränkt sich auf die äußere Sichtkontrolle.

Literatur 1. http://www.vakuum-isolierung.de 2. http://www.kryo-safe.de 3. https://de.wikipedia.org/wiki/Multilayer_Insulation

Elektrische Erdungen

12

Die Erdung stellt den elektrischen Potenzialausgleich zwischen der Anlage und der Erde her. Sie wird zum Schutz des Menschen installiert. Generell besteht eine Erdung aus der Erdungselektrode, an die der Schutzleiter angeschlossen ist, und dem Blitzableiter. Sollte die Anlage mit einer Spannung beaufschlagt werden, wird sie über die Erde abgeleitet und schützt damit den Menschen, der in diesem Augenblick mit der Anlage im Kontakt steht. Man kennt folgende Erdungsarten: • Schutzerdung – wie soeben beschrieben; • Funktionserdung – sie leitet sämtliche Ströme ab und gewährleistet den sicheren Betrieb der Anlage; • Blitzschutzerdung – sie leitet einen möglichen Blitzschlag sicher ab. Dieser Schutz ist von der örtlichen Lage der Anlage abhängig. Nachfolgende Anforderungen an die Erdungsanlage müssen erfüllt werden: • Personensicherheit. • Das Material muss korrosionsbeständig sein und die entsprechende Stabilität und Festigkeit haben. • Der höchstmögliche Fehlerstrom und dessen thermischen Wirkungen dürfen nicht zur Zerstörung des Leiters führen. • Die Beschaffenheit des Erdreichs muss bekannt sein und in der Auslegung beachtet werden.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_12

191

192

12  Elektrische Erdungen

Zusammenfassung

Die Erdung stellt einen Potenzialausgleich her und muss an jeder Anlage vorhanden sein. Sie schützt den Menschen, der mit der Anlage Berührung hat. Die Erdung leitet Blitze ab, und schützt damit die Anlage. An die Erdung werden gesetzlich vorgeschriebene Anforderungen gestellt.

12.1 Schutzerdung der Anlage Die Anlage ist entsprechend der VDE-Richtlinie zu erden. Dazu werden die einzelnen Bauteile elektrisch verbunden und an eine Erdungselektrode fest angeschraubt. Die Erdung darf nicht getrennt werden. Besonders ist auf die Rohrleitungsverbindungen zu achten, wenn sie mit Flansch ausgeführt sind. Die Dichtung ist eine ideale elektrische Isolierung. Die Bauteile müssen mit einer Erdungsbrücke verbunden werden. Die Schutzerdung ist abnahmepflichtig und muss einen entsprechenden Erdungswiderstand haben. Zusammenfassung

Die Erdung muss der VDE-Richtlinie entsprechen und ist ein abnahmepflichtiger Abschnitt der Gesamtanlage. Mit der Ableitung von Überströmen wird die Anlage geschützt.

12.2 Erdung zur Befüllung Während der Betankung des lokalen Tanks oder des Fahrzeugs an der LNG-Quelle können zwischen Fahrzeug und Anlage elektrische Potenzialunterschiede auftreten. Sie sind durch die elektrische Verbindung (Erdungskabel) von Fahrzeug und Anlage auszugleichen. Das Erdungskabel muss durch eine Erdungsschelle an einem blanken metallischen Teil am Tank oder einer Rohrleitung zum Tank (deren Verbindungen geschweißt sein müssen) angeschlossen werden. Zusammenfassung

Zur Befüllung mit dem Tankwagen muss ein Potenzialausgleich erfolgen. Dazu werden Tankanlage und Tankwagen fest verschraubt mit einem Erdungskabel verbunden.

12.3  Funktionserdung im laufenden Betrieb

193

12.3 Funktionserdung im laufenden Betrieb Diese Erdungsart leitet alle Potenzialunterschiede kontrolliert über die Erdungselektrode ab. Potenzialunterschiede können die Ursache für Betriebsstörungen sein, wenn beispielsweise die Anlagensteuerung versagt. Die Schutzerdung kann als Funktionserdung genutzt werden. Zusammenfassung

Die Erdung ist abnahmepflichtig. Jede Anlage ist zu erden. Mit der Erde werden elek­ trische Potenziale ausgeglichen. Sie dienen dem Schutz des Menschen und vermeiden Betriebsstörungen. Die Blitzschutzanlage leitet die Blitze ab. Die Notwendigkeit ist von der örtlichen Lage abhängig.

Markante Prozessstörungen

13

13.1 Luft im Schlauch Nach wie vor wird zur LNG-Betankung die Technologie der Luftgasbetankung übernommen. Bisher ist es bei Luftgasen  Praxis, dass der Schlauch während der Fahrt auf dem Fahrzeug im Schlauchkasten mehr oder weniger geschützt liegt. Luft ist zwangsläufig im Schlauch. An der Entladestelle werden mit dem Schlauch Fahrzeugtank und Kundentank verbunden. Um die verschmutzende Luft zu beseitigen, spült der Fahrer lt. Vorschrift den Schlauch zur Betankung. Das erfolgt mit dem Gas aus der Gasphase des Tanks. Das Spülgas entweicht in die Luft. Für O2, N2, Ar, H2, ist es problemlos möglich, denn sie sind nicht umweltschädigend. Erdgas darf nicht in die Umgebung gespült werden. Daher ist diese Technologie nicht auf LNG anwendbar.  cc

Hinweis: Die Betankungstechnologie von Luftgasen darf nicht auf die für LNG übertragen werden. Das ist nicht zulässig.

Mit Beginn der Befüllung des örtlichen Tanks mittels offenem Schlauchsystem springt die Pumpe an, es wird Flüssigkeit durch den Schlauch gefördert. Durch die vorher einströmende Kälte kondensieren die Wasserpartikel und setzen sich als Eiskristalle an der inneren Schlauchwand ab. Die Eiskristalle, auch die sich vor dem Durchgangsventil abgelagert haben (vgl. Abb. 3.4), werden in den Tank gespült. Im Tank bewegen sich diese Teilchen unkontrolliert. Es wird angenommen, dass diese zu größeren Kristallen zusammenkleben. Ist die Konzentration der Eiskristalle hoch genug, werden sie beim Öffnen der Zulaufleitung in das System mitgerissen. Die Kristalle setzen sich im System an Stellen ruhender Strömung ab, meist handelt es sich um Stellen, von denen sie schwer zu entfernen sind. Wird der Schlauch nicht mit Gas gespült, wird Luft aus dem Schlauch in den Gasraum des Tanks gelangen. Die Luft sammelt sich, es bildet sich ein Erdgas-Luft-Gemisch, das bei

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_13

195

196

13  Markante Prozessstörungen

entsprechender Konzentration (4,4  % bis 14  % Methan in Luft) explosiv ist. Wo sich ­dieses Gemisch sammelt und wie, ist nicht klar. Es muss aber davon ausgegangen werden, dass es möglich ist. Nach dem Ende der Betankung erwärmen sich die Leitungen des Tanks. Die Kristalle tauen. Zum erneuten Prozessstart wird das Wasser wieder von kaltem durchströmendem Gas zu Eis gekühlt. Das Volumen eines Wassertropfen vergrößert bei Eisbildung um ca. 1/3 und kann Leitungen verstopfen, insbesondere die dünnen Messleitungen, oder sensible Ventilsitze verunreinigen. Störungen am Ventil und fehlerhafte Messwerte sind die Folge. Sie können den Prozessverlauf infrage stellen. Für Erdgas und andere umweltschädigende oder gefährliche Gasen ist das Spülen in die Umgebung verboten. Diese Gase dürfen nicht in die Luft entweichen. Gelangt Erdgas, auch in geringeren Mengen, in die Atmosphäre, kann wegen der starken Ozonschädigung die BIMSCH-Genehmigung versagt werden. Deshalb ist eine LNG-Betankung mit herkömmlicher Technologie nicht möglich. cc

Gefahrenhinweis: Das Spülen der Leitungen in die Atmosphäre ist mit LNG unzulässig, weil gefährlich und umweltschädigend. Zusammenfassung

Es muss mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen werden, dass bei dem Betankungsprozess mit LNG Luft eingeschlossen wird und in den Tank gelangt. Das ist mit offenen Schlauchsystemen nicht möglich. Es dürfen ausschließlich geschlossene Systeme angewendet werden.

13.2 Gasblasen in der Flüssigkeitsleitung LNG befindet sich in verschiedenen Abschnitten des Prozesses auf der Siedelinie. Gasblasenbildung ist vorhanden, die Dichte wird geringer. Ist die Verdampfung zu intensiv, kann es speziell in senkrecht ansteigenden Leitungen zur Behinderung der nachlaufenden Flüssigkeit kommen, sodass der Flüssigkeitsstrom kurzzeitig unterbrochen wird. Damit reduziert sich das zu fördernde Flüssigvolumen. Durch den stets vorliegenden Wärmeeintrag muss immer damit gerechnet werden, dass Flüssigkeit verdampft. Durch konstruktive Maßnahmen ist die aufsteigende Richtung der Gasblasen in der Leitung festzulegen. Wird Gas in den Innenraum des Tanks geführt, steigt dort der Druck, der Tank gerät aus dem thermodynamischen Gleichgewicht. Die Entnahme aus der Gasphase kann erhöht werden. In vielen Fällen ist das jedoch nicht möglich, da das Gas durch die Flüssigkeit in den Gasraum des Tanks zurückgeht. Das trifft für das Liqui-Flow-Verfahren oder die Kolbenpumpe zu. Das ist ungünstig, denn zur maximalen Förderleistung sollte immer eine Flüssigkeit mit dem Dampfanteil x = 0 anstehen. Geht das Gas durch den Tank zurück, wird ein Teil kondensiert. Die Kondensationswärme wird an die Flüssigkeit abgeben. Die Flüssigkeit im Tank erwärmt sich und der

13.4  Produkt fließt nicht in die Pumpe bz. in die Druckschleuse einer …

197

Tankdruck steigt. Die Rohrquerschnitte müssen das ungehinderte Zurückströmen des Gases gegen die Fließrichtung der Flüssigkeit gestatten. Zu geringe Zulaufquerschnitte sind hinderlich und ein häufiger Fehler der Installation. Eine gute Isolierung und eine hohe Fließgeschwindigkeit reduzieren die Gasentwicklung. Es ist vorteilhaft, die Leitungen schräg zu verlegen, damit am oberen Scheitelpunkt der Rohrleitung das Gas geführt werden kann.  Zusammenfassung

Gas in der Rohrleitung muss abgeführt werden. Die ungehinderte Abführung ist durch entsprechend große Rohrquerschnitte zu gewähren. Geht Gas direkt in den Gasraum, steigt der Druck schnell an. Steigt es durch die Flüssigkeit, verläuft dieser Prozess des Druckanstiegs bei gleichzeitigem Anstieg der Siedetemperatur langsamer. Die Isolierung reduziert die Gasentwicklung. Nach Möglichkeit sollten die Leitungen steigend oder fallend verlegt werden. 

13.3 Vereisungen Vereisungen sind ein Zeichen, dass die Anlage in Betrieb ist, können aber auch Anzeichen von Fehlern sein. Vereist z. B. ein vakuumisolierter Rohrleitungsabschnitt, ist gewiss, dass das Vakuum gebrochen ist oder zumindest nicht mehr den Anforderungen genügt. Daraufhin sind Anlagenstörungen zu erwarten. Vereisungen an Ventilen lassen vermuten, dass diese nach außen undicht sind. Lokales Beschlagen eines Tanks lässt, wie bereits ausgeführt, auf einen Kapillarriss schließen, der nur sehr aufwendig reparabel wäre. Praxishinweis

Vereisungen sind normal, können aber auch auf Undichtigkeiten im System hinweisen. Diesen ist umgehend nachzugehen!

13.4 P  rodukt fließt nicht in die Pumpe bz. in die Druckschleuse einer Liqui-Flow-Anlage In dem Fall tritt die Verdampfung bereits on der Zulaufleitung ein, d. h. die Isolierung ist zu schwach. Dabei ist damit zu rechnen, dass Gas im Rohr aufsteigt und der nachlaufenden Flüssigkeit teilweise den Weg versperrt. Die Pumpe kann nicht mehr richtig fördern, sie wird allein durch die Reibung des Kolbens warm und damit potenzieren sich die Folgen des Fehlers. Beim Liqui-Flow-Verfahren kommt der Prozess zum Stehen, da zu wenig Steuermedium bereitgestellt werden kann. Möglich ist auch, dass der Querschnitt der Zuleitung und der der Gasrückgangsleitung zu eng dimensioniert wurde. Bei dieser Störung kann das Gas nicht schnell genug in den

13  Markante Prozessstörungen

198

Gasraum des Tanks entweichen. Die nachlaufende Flüssigkeit wird behindert, der Prozess läuft zu langsam ab oder er kommt gar zum Stehen. cc

Hinweis: Gasentwicklung in der Zulaufleitung und zu geringe Querschnitte des Zulaufs und des Gasrückgangs sind Ursache für eine geringe Leistung oder für das Versagen des Prozesses.

13.5 Kryopumpe fördert nicht Immer wieder tritt der Störfall auf, dass eine Pumpe nach längerem Stillstand (d. h. die Pumpe ist warm) nicht erneut fördert. Ursache sind in vielen Fällen Eiskristalle. Durch unsaubere Betankung (siehe Abschn.  13.1), werden sie aus dem Schlauch in den Tank gespült. Diese werden von der Flüssigkeit in die Pumpe transportiert. Bleibt zufällig ein kleines Eiskristall im Einlassventil hängen, so schmilzt es bei Stillstand, also dem Erwärmen der Pumpe. Der Tropfen liegt nun im Ventil zwischen Kegel und Sitz. Mit dem Anfahren strömt zuerst ein kalter Gasstrom in den Pumpenkopf, der zum schlagartigen Gefrieren des Wassertropfens führt. Der Ventilkegel friert am Sitz fest und öffnet nicht mehr. Ein Fördern ist nun ausgeschlossen. Es besteht eine einzige Möglichkeit zur Abstellung der Störung, der Kopf muss demontiert und der Sitz sowie der Hubraum müssen gereinigt werden. Dazu wird der Kopf von dem Getriebe getrennt werden. Der Kopf muss über Raumtemperatur erwärmt, geöffnet und zerlegt werden. – Wäre der Kopf kalt, würde die gesamte Oberfläche beschlagen. – Geöffnet muss jegliche Feuchtigkeit, vorzugsweise mit einem warmen Stickstoffstrahl, weggeblasen werden. Danach wird der Kopf wieder warm zusammengebaut. Auf einer warmen Oberfläche kann keine Luftfeuchtigkeit kondensieren. Eine Kondensation und spätere Eisbildung ist ausgeschlossen. Bei den Arbeiten ist auf absolute Sauberkeit zu achten. Praxishinweis

Nach dem Abstellen der Pumpe wird sie warm. Eventuell abgelagerte Eiskristalle aus dem Tank schmelzen. Liegen diese Kristalle im Ventilsitz, gefrieren sie beim erneuten Anfahren, das Ventil kann nicht öffnen, der Pumpenkopf muss gereinigt werden.

Anlagenplanung

14

14.1 Erdgasversorgungsanlage Die Aufgabe einer Erdgasversorgungsanlage (Abschn. 5.1) muss eindeutig definiert werden. Davon sind die weiteren Entscheidungen maßgeblich abhängig. Es gibt, wie nachfolgend ausgeführt ist, verschiedene Versorgungsmodule, die mit Modul 1–3 gekennzeichnet werden. Jedes für sich hat ganz gezielte Anwendungen und damit Anforderungen. In jedem Fall ist die Versorgungsanlage durch die Gewerbeaufsichtsbehörde, die regional unterschiedlich bezeichnet wird, genehmigungspflichtig [1]. Nach der Standortwahl und der Abwägung der Definition der Anforderungen ist zu empfehlen, im Vorfeld die zuständige Behörde (Verbraucherschutz, Gewerbeaufsicht oder gleichbedeutende Stellen) und ggf. die Kommune zu konsultieren. Dabei wird der Behörde/Kommune die Idee nähergebracht. Es wird geprüft und besprochen, welche Bedingungen und Auflagen zu erwarten sind. In der Folge sind sie in die Planung einzubeziehen. Jeder der Teilnehmer erfährt auf diese Weise die Erwartungen des jeweiligen Partners. Sie werden in diesen Teil der Planung eingehen und spätere Kosten ersparen. Der Betreiber der Anlage sollte bereits zu Beginn der Arbeiten feststehen. Für die Planung einer Versorgungsanlage ist u. a. zu definieren: a) Wer soll versorgt werden und welche Versorgungssicherheit wird gefordert? b) Wie ist die Anlage für den Tankwagen erreichbar? c) Wie verläuft der Versorgungszyklus? d) Welche Mengen werden umgeschlagen? e) Wie groß darf die Lagerkapazität sein? f) Ist die Tankhöhe begrenzt? g) Kann der Tank anderweitig, z.  B. als Reklamefläche, genutzt werden oder in einer Umbauung verdeckt werden? h) Welches Lastprofil soll gefahren werden?

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_14

199

200

14 Anlagenplanung

i) Welcher Personalbedarf ist zu erwarten? j) Welche laufenden und fixen Kosten treten in welchen Zeiträumen auf? k) Welche Forderungen hat die zuständige Feuerwehr? Das soll nur ein Auszug der möglichen Fragen sein. Eine intensive und kritische Vorbereitung der Planung erspart Zeit und Geld. Die Meinung eventuell Betroffener sollte berücksichtigt werden. Es muss den Betroffenen bewusst sein, dass ihre Anliegen nach Möglichkeit einer Lösung zugeführt werden. Die gewerberechtlich genehmigende Behörde holt sich das technische Urteil der benannten Stelle, des TÜV, der DEKRA oder einer anderen begutachtenden und genehmigenden Stelle ein. Sie sind zur Verschwiegenheit verpflichtet und sollten uneingeschränkt mit dem Prozess, dem Bauteil oder dem zu beurteilenden Gegenstand vertraut gemacht werden. Die Kommune sollte dem Vorhaben zustimmen, damit dieses den örtlichen Gremien vorgetragen werden kann. Die Achtung und Einhaltung des zutreffenden Regelwerkes und Vorschriften sind selbstverständlich. Die benannten Stellen und genehmigenden Behörden sollten als sicherheitstechnische Berater, Prüfer, Zertifizierer wahrgenommen werden, die zum Teil auch entsprechende Schulungen anbieten. cc

Hinweis: Es ist zu beachten, allein der Planer und Betreiber der Anlage ist immer für die Sicherheit zuständig, nicht die Genehmigenden. Zusammenfassung

Jede Erdgasversorgungsanlage ist genehmigungspflichtig. Die prüfende und genehmigende Organisation erteilt keine sicherheitstechnische Garantie. Für die Sicherheit ist einzig und allein der Planer und Betreiber der Anlage verantwortlich. Er überwacht die Einhaltung des Regelwerks. Die Einrichtungen stehen beratend und kontrollierend zur Verfügung und übernehmen zum Teil Schulungen zu bestimmten Themen. Für die Anlagensicherheit ist immer der Planer und Betreiber der Anlage verantwortlich.

14.2 Erdgastankstellen Erdgastankstellen sind genehmigungspflichtig. Dafür gibt es verschiedenste Regelwerke, die sich inhaltlich nicht wesentlich unterscheiden. Sie dienen der Errichtung von Erdgastankstelle und dem sicheren und gefahrlosen Betrieb [2–5]. Die Errichtung einer Erdgastankstelle setzt umfangreiche Untersuchungen zur Standortwahl voraus (vgl. [4]). Als Erstes ist u. a. zu fragen:

14.2 Erdgastankstellen

201

a) Welche Fahrzeuge (Bus, Lkw, Transporter, Pkw und Bündel) sollen betankt werden? b) Welche technischen Anforderungen sind zu erfüllen (Wendekreis, Abstände Zapfsäule, Tankstutzen usw.) c) Wie viele Fahrzeuge sollen täglich betankt werden? d) Wie sind die zeitlichen Rhythmen der Betankung? e) Gibt es Vorgaben zur Betankungsdauer? f) Wie wird das lokale Umfeld bewertet? g) Gibt es Bedenken zum Umwelt- und Tierschutz? h) Soll die Tankstelle autark fungieren oder in eine Bestehende eingebunden werden? i) Welche Höhe darf der Tank haben? j) Wie erfolgt die Abrechnung? k) Welche Forderungen hat die zuständige Feuerwehr? Nachdem der Standort betrachtet und als machbar gewählt wurde, ist er mit der zuständigen Aufsichtsbehörde, die in den einzelnen Bundesländern unter verschiedenen Bezeichnungen (in Sachsen-Anhalt beispielsweise Landesamt für Verbraucherschutz) geführt wird, abzustimmen Mit einer Projektbeschreibung ist die Genehmigung einzuholen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Behörde mit Projektstart in den Entscheidungsprozess einzubeziehen. Dadurch erfährt der Planer der Anlage die weiteren Besonderheiten des Standorts und kann sie von Anfang an in die Überlegungen einbeziehen und entsprechend berücksichtigen. Die gewerberechtlich genehmigende Behörde holt sich das technische Urteil der benannten Stelle (TÜV, DEKRA oder andere begutachtende und genehmigende Organisation) ein. Das Achten auf die Einhaltung des zutreffenden Regelwerkes und Vorschriften ist selbstverständlich, die benannten Stellen und genehmigenden Behörden sollten als sicherheitstechnische Berater, Prüfer, Zertifizierer wahrgenommen werden, die zum Teil auch entsprechende Schulungen anbieten. Für den sicheren Betrieb der Anlage bleibt die Verantwortung immer beim Planer und dem zukünftigen Betreiber der Anlage. Diese Verantwortung kann nicht delegiert werden. Die genehmigenden Stellen fordern eine tabellarische Sicherheitsanalyse, in der alle möglichen Gefahrenszenarien gedanklich durchzuspielen sind. Es sind die • möglichen Gefahren zu erkennen, • die auslösenden Faktoren und deren Auswirkung sowie • die erforderlichen Gefahrenabwehrmaßnahmen zu nennen. Die Berufsgenossenschaft beschreibt in [5] einzuhaltenden Regeln und Vorschriften. cc

Hinweis: Die Vorgaben entbinden den Planer nicht von der Überprüfung aller aktuell bekannter sicherheitstechnischer Vorkehrungen und der Betrachtung der daraus resultierenden Möglichkeiten bzw. Notwendigkeiten.

202

14 Anlagenplanung

Zusammenfassung

Jede CNG-Tankstelle und Erdgassatellitenanlage ist genehmigungspflichtig. Die prüfende und genehmigende Stelle erteilt keine sicherheitstechnische Garantie. Für die Sicherheit ist einzig und allein der Planer und Betreiber der Anlage verantwortlich. Die benannten Stellen/Einrichtungen stehen beratend und kontrollierend zur Verfügung und übernehmen zum Teil Schulungen zu bestimmten Themen. Regelwerke und Vorschriften beschreiben sicherheitstechnische Mindeststandards, die zwingend einzuhalten sind. Weitere eventuell mögliche Gefahrenmomente sind zu erkennen und Maßnahmen zu deren Verhinderung vorzusehen.

14.2.1 Montage, Errichtung und Wartung Erdgasanlagen eignen sich bei entsprechender Planung und größerer Stückzahl zur Vorfertigung, insbesondere Anlagen nach dem sehr kompakten und raumsparenden Liqui-­Flow-­ Verfahren. Erdgasversorgungsanlagen bestehen aus den Hauptbaugruppen Erdgastank mit Druckzusatzreglung, Luftverdampfer mit Druckregelstation, Odorierung, Abgasrohr und Übergabeeinheit an den Verbraucher. Versorgungsanlagen können sehr kompakt gebaut werden. Sie werden auf vorgefertigten Betonflächen befestigt, die jedoch einer statischen Berechnung genügen müssen. Sollte es erforderlich sein, die Anlage modular aufzuteilen, so ist das ohne Weiteres möglich. Eine Überwachung kann komplizierter sein. Auf diese Anlagen soll nicht weiter eingegangen werden. Erdgastankstellen sind umfangreicher ausgestattet [9, 10]. Eine Anlage hat • einen Tank mit Druckzusatz, Überfüllsicherung und totraumlose Kupplung mit Sicherheitsabsperrarmatur zur Betankung des örtlichen Tanks • die Druckerhöhung mit Kompressor oder Hochdruckpumpe oder Liqui-Flow-Verfahren und mit Luftverdampfer, • Speichereinheiten, • Odorierung, • Steuerschrank [9, 10], • Zapfsäule, • das Abgasrohr [9, 10], • ggf. den Anfahrschutz. Die Tankstellenmodule haben die Hauptgruppen [6]: • Tank mit den dazugehörenden Bauteilen Füllkupplung, Sicherheitsabsperrarmatur, Druckentlastungsstrecken im Zulauf, Druckzusatzreglung und den Anschlüssen Flüssigkeitszulauf, Gasrückgang (2x) und der Ausblaseleitung bzw. der Entlastungsleitungen der Ventile,

14.3 Ausführung von Rohrverbindungen und Armaturenanschlüsse

203

• Druckerhöhung durch Druckschleuse (Liqui-Flow-Anlage)  mit den darin verbauten Anschlüssen Flüssigkeitszulauf, Gasrückgang, Kühlmantel bei Liqui-Flow, Anschluss Entlastungsleitungen, Hochdruckanschlüsse • Gastrenner am Hochdruckteil und im Kühlmantel • Luftverdampfer mit Sicherheitsventil, angeschlossene Ventilinsel für die Howchdruckspeicher und Odorieranlage • Hochdruckspeicher, Zapfsäule, • Anlagensteuerung mit Datenkommunikation (separate Aufstellung wegen Ex-Schutz-­ Maßnahmen) • Abgasschlot, eventuell mit Befestigungspunkten für Kameraüberwachung • Beleuchtung und Umzäunung Eine Tankstelle mit Kryopumpe hat die gleichen Ausrüstungsteile, nur wird dort die Druckschleuse durch die Pumpe ersetzt. Auf diesen Anlagentyp soll wegen der nur bedingt gelösten Probleme nicht eingegangen werden. Eine Liqui-Flow-Tankstelle wird auf einer vorgefertigten Betonfläche mit eingelassenen Löchern für Schrauben und Anker errichtet. Sie wird vom Hersteller (Hoffmann & Hoppestock) in Modulen angeliefert, die vor Ort schnell und sicher zusammengefügt werden. Die einzeln geprüften und abgedrückten Baugruppen werden auf die Baustelle geliefert und vor Ort miteinander verbunden. Nach erfolgter Montage wird die Gasdruckprüfung vorgenommen. Die Schweißnähte werden nach Vorgabe der Prüfstelle ggf. einer Röntgenprüfung unterzogen. Aufgrund des hohen Vorfertigungsgrades sind kurze Montagezeiten möglich [6]. Das System ist für die Fernwartung konzipiert. Alle Aktivitäten an der Tankstelle, alle Sensoren und Armaturen liefern Daten zum zentralen Rechner, der online protokolliert, Störungen anzeigt und bei Gefahr die Anlage automatisch außer Betrieb nimmt. Bei Störungen darf davon ausgegangen werden, dass nur Armaturen oder Sensoren ausfallen. Diese sind alle neben der Fabrikationsnummer mit einem internen, maschinell lesbaren Code ausgestattet. Dieser Code dient neben dem Erkennen des Bauteils der Erfassung des Fehlerortes, der Angabe zum Austausch des Teils und dem Ersatz. Im Schadens- oder Störfall wird es nicht möglich sein, die Anlage weiter zu betreiben oder erneut zu starten, ohne ein zum Austausch vorgesehenes Teil zu wechseln.

14.3 A  usführung von Rohrverbindungen und Armaturenanschlüsse Rohrverbindungen und Armaturenanschlüsse sollen nach Möglichkeit geschweißt ausgeführt werden. Für Serien eignet sich das Orbitalschweißverfahren. Es wird eine hohe Wiederholbarkeit der Rohrdurchmesser mit gleichen Rohrwandstärken zu erwarten sein. Auf die Rohrmaße wird die Orbitalschweißanlage eingestellt und die Verbindungen können schnell und mit hoher Qualität ausgeführt werden.

14 Anlagenplanung

204

Der Anschluss der Messgeräte ist meistens nur mit Gewinde möglich. Es sollte ausschließlich ein NPT-Gewinde zur Anwendung kommen. Zylindrische Gewinde verlangen eine sichere Abdichtung, im tiefkalten Bereich sind die schwankenden Temperaturen in der Wahl des Dichtungssystems zu beachten. Jedes Material dehnt sich oder schrumpft, wenn es Temperaturänderungen ausgesetzt wird. Das Ausmaß der Dehnung/Schrumpfung ist abhängig vom Material und vom Grad der Temperaturänderung. Unterschiedliche Dehnungen/Schrumpfungen können zu Le­ ckagen oder auch zu Brüchen an verschraubten Flanschen, Schweißnähten oder ähnlichen Verbindungen führen. Die ausgewiesenen Materialkennzahlen beziehen sich auf die jeweils herrschende Temperatur. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass das eingesetzte Material für den Tieftemperaturbereich (−196 °C) geeignet ist [6]. cc

Hinweis: Als Faustregel gilt: Schwarzer Stahl ist verboten, da er sofort im Tieftemperaturbereich  verspröden würde. Für tiefkalt verflüssigte Gase muss ein austenitischer Stahl oder Kupfer mit seinen Legierungen zum Einsatz kommen. Unter den austenitischen Stählen muss auf die richtige Materialgruppe geachtet werden.

Reines Kupfer ist auch geeignet, nur verlangen die Materialkennwerte des Kupfers massive Wandstärken. Diese können durch Edelstahl vermieden werden. Praxishinweis

Die Materialien müssen für den tiefkalten Einsatz, also für −196 °C zugelassen sein.

14.4 E  ntscheidungshilfe zur Auswahl der Anlagengröße einer Liqui-Flow-Tankstelle Für die Auswahl des Tanks ist die gewünschte Dauer der Verfügbarkeit ausschlaggebend. Die Verfügbarkeitsdauer wird durch den Druckanstieg des Tanks gekennzeichnet. Geht man davon aus, dass ein 60 m3-Tank der Tankstelle einen durchschnittlichen Druckanstieg von max. 0,3 bar je Tag hat und der Druck nach der letzten Befüllung 10 bar betrug, so wird dieser nach ca. 20 Tagen auf ca. 16 bar belaufen. Da es sich um einen 18 bar Tank handelt, verbleibt noch eine Druckreserve bis zum Erreichen des zulässigen Betriebsdrucks von 2 bar oder ca.7 Tage. Für diese Betrachtung wird davon ausgegangen, dass eine tägliche Entnahme erfolgt. Tab. 14.1 zeigt ein mögliches Szenario unter Berücksichtigung verschiedenster Tankgrößen. Die Tabelle sagt aus, dass bei einer täglichen Entnahme von 2340 kg oder 5506 l aus einem 20 m3-Tank alle 3 Tage erneut der Tankwagen Produkt bringen müsste. Zu beachten ist, dass dabei der Tankwagen, der voraussichtlich ein 40 t-Fahrzeug ist, nur zu 1/3 geleert werden kann. Das ist ungünstig. Trotz Schwallblechen im Tankinnern kommt es bei diesem Füllstand zu einem starken Schwappen im Tank. Damit wird Energie in die Flüssigkeit getragen, die zum Druckanstieg im Fahrzeugtank

14.4 Entscheidungshilfe zur Auswahl der Anlagengröße einer Liqui-Flow-Tankstelle

205

Tab. 14.1  Berechnung der Tankzyklen bei unterschiedlicher Tankgröße. (Eine Tabellenkalkulation mit hinterlegten Formeln kann unter https://www.springer.com/de/book/9783658285500 heruntergeladen werden.) Berechnung der Tankgröße KFZ – Tankvolumen in kg tägliche Betankungen Durchsch. Abtankmenge/Tag in kg

Busse Transporter 100 54 10 10 1000 540

LNG in PKW Summe l 20 40 800 2340 5506

Lokaler Tank in m³ (geo. Volumen) nutzb. Volumen 95% Inhalt in kg Mögliche Zyklen

20 19 8550 3,65

40 38 17100 7,31

60 57 25650 10,96

2

4

6

Druckanstieg, durchschnittlich in bar Inhalt Tankwagen in kg bei 40t Nutzlast Lieferungen

22300 0,38

22300 22300 0,77 1,15

führt. Deshalb sollte die nächste Abgabestelle in nächster Nähe liegen oder es müsste ein kleinerer Tankwagen gewählt werden. Bei dargestelltem Bedarf wäre ein 60 m3-Tank zu empfehlen. cc

Hinweis: Es sollte stets die volle Transportmenge abgegeben werden, der Tankwagen ist leer und damit optimal genutzt. Es verbleibt in einem größeren Tank eine Reserve. Der zulässige Betriebsdruck wird im leeren Zustand i. R. nicht erreicht.

Der zu erwartende Druckanstieg ist minimal, da angenommen werden darf, dass der Siededruck nach erfolgter Betankung bei 5 bar liegen wird. Der zulässige Tankdruck ist 18 bar. Somit ist der Druckanstieg bei diesen Tankzyklen bedeutungslos. Im letzten Fall sollte die Anlage auch Bündel befüllen. Ein erhöhter LNG-Umschlag geht in die spezifischen Kosten des CNG ein. Ein hoher Umschlag reduziert den spezifischen Fixkostenanteil des CNG. cc

Hinweis: Der örtliche LNG-Tank darf niemals völlig entleert werden, da sonst eine erneute Betankung nur unter Aufsicht einer befähigten Person erfolgen darf. Tritt dieser Zustand ein, muss davon ausgegangen werden, dass der Tank sich erwärmt hat. Vor erneuter Betankung muss er gekühlt werden. Das erfolgt mit Stickstoff und ist aufwendig. Praxishinweis

Die Tankgröße richtet sich nach dem zu erwartenden Bedarf. Der Druckanstieg ist ausschlaggebend für die Länge der Tankzyklen. Die Tankgröße wird anhand des durch-

206

14 Anlagenplanung

schnittlichen Druckanstiegs und der Liefermenge des Tankwagens ermittelt. Der Tank darf niemals total geleert werden. Ein großer LNG-Umschlag reduziert die spezifischen Kosten des CNG.

14.5 Kosten einer Anlage 14.5.1 Allgemeine Hinweise Es kann sich an dieser Stelle nur um eine vereinfachte Darstellung handeln. Deshalb sollen steuerliche Aspekte, Preisschwankungen für Hilfs- und Betriebsmitteln, Löhne und Kosten der Betriebsumlage sowie Zinsentwicklung usw. nicht berücksichtigt werden. Diese Parameter können die Entscheidung jedoch maßgeblich beeinflussen. Dieser Aspekt alleine wäre in einem eigenen Werk darzustellen, welches für den Praktiker wieder nach Vereinfachungen suchen müsste. cc

Hinweis: Die Gesamtheit der zu treffenden Entscheidung muss von Technikern, Kaufleuten und Finanzfachleuten unter der Beachtung der möglichen Kosten getroffen werden.

Die technische Herausforderung kann noch so innovativ und elegant gelöst sein, wenn sie sich nicht wirtschaftlich darstellen lässt, ist sie nur bedingt werthaltig. Zur Entscheidungsfindung müssen die Investitionskosten und die Folgekosten abgeschätzt werden. Die Investitionskosten können anhand von Angeboten ermittelt werden. Sie sollten, wenn vorhanden, mit Erfahrungswerten verglichen werden. Die Folgekosten werden durch die Anzahl der geplanten Arbeitskräfte und den daraus erwachsenen Personalkosten, die Energie- und Transportkosten, Kosten der Betriebs- und Hilfsstoffe, die Betriebs- und Wartungskosten und nicht zu vergessen, die Kosten der allgemeinen Verwaltung oder auch Betriebsumlage oder Overheadkosten genannt, entstehen. Die noch so genaue Berechnung wird nur eine Abschätzung sein, deren Ergebnis eintreten kann, aber nicht muss. Der Hersteller der Liqui-Flow- Erdgastankstellen (Hoffmann & Hoppestock GmbH) bietet deshalb dem Kunden statt Kauf eine Mietvariante an, die alle Kosten des Betriebs, der Wartung und der eventuellenReparatur beinhalten. Bei Kauf der Anlagen können diese Kosten durch einen Servicevertrag beherrscht werden, der ebenso alle Kosten wie beim Mietvertrag beinhaltet. 

14.5.2 Investitions- oder Fixkosten Die Investitions- oder Fixkosten sind Teil der Gesamtkosten und gehen in die Wirtschaftlichkeitsrechnung ein. Sie fallen, unabhängig von der Nutzung der Investition, an. Die Kosten für die Investition liegen anhand der zuvor genannten Möglichkeiten (Angebote und/oder Erfahrungswerte) vor und müssen nun für die jährliche Belastung gewichtet werden. Wird geplant, die Investition aus dem Cashflow zu bezahlen, ist eine jährliche Belas-

14.5 Kosten einer Anlage

207

tung eine theoretische Kenngröße. Sie muss, zwecks seriöser Beurteilung, in die Gesamtrechnung eingehen. Ist eine Fremdfinanzierung vorgesehen, ist die Investitionshöhe in ihrer Gesamtheit zu ermitteln. Diese ist über einen Tilgungsplan oder mit dem Annuitätsdarlehen zu bewerten. Die Annuität wird wie folgt ermittelt (siehe [11]):

jährliche Fixkosten = Investitionskosten x Annuitätsfaktor

Für die Annuität wird unabhängig von der Art der Finanzierung eine einheitliche Tilgungsdauer, in der Regel 10 Jahre, angenommen. Ist bereits in der Planungsphase bekannt, dass die Nutzungsdauer kürzer ist, muss die Tilgung nach dem zu erwarteten Nutzungszeitraum erfolgten. Das bedeutet, mit dem Annuitätsfaktor wird das entsprechend berücksichtigt. In der Annuitätstabelle wird anhand des Zinssatzes und der Laufzeit der Faktor abgelesen, mit dem die Investition zu multiplizieren ist. Das Ergebnis zeigt die Summe aus jährlichen Zinsen und Tilgung an. Der Tilgungsplan ist variabel und wird mit dem Finanzierer vereinbart. Für die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit, unabhängig davon, ob Cashflow oder Fremdfinanzierung, ist die Berücksichtigung der Annuität ein gutes Werkzeug. Wird das Objekt gemietet oder geleast, sind die jährlichen Miet- oder Leasingkosten anzusetzen. In diese Position gehen auch die Kosten für die Ersatzteilhaltung ein, nicht jedoch deren Austausch. Der Austausch muss nicht notwendig werden, sondern ist eine Option. In die Investition gehen ein: • • • • •

die direkten Kosten für die Anlage mit deren Errichtung bis zur Inbetriebnahme die Gasanschlusskosten bei Gasleitungsanschluss (Leitung, Übergabestation) Genehmigungen und Zulassungen Schulungen und alle anderen vorbereitenden Arbeiten Anschlusskosten für Energieversorgung bei Pumpen und Kompressoren

Zusammenfassung

Eine Investitionsmaßnahme wird anhand der zu erwartenden jährlichen Kosten bewertet und setzt sich aus Fixkosten und variablen Kosten zusammen. In die Fixkosten gehen auch die sofort zu kaufenden Ersatzteile ein. Die Investitionskosten werden mit der Annuität oder dem Tilgungsplan gewichtet. Die variablen Kosten sind eine Planungsgröße und berücksichtigen alle Kosten, die zum Betrieb der Anlage erforderlich sind.

14.5.3 Variable Kosten Die variablen Kosten sind neben den zu erwartenden Lohn- und Personalkosten, die Kosten der allgemeinen Verwaltung  – teilweise werden sie mit einem Prozentsatz auf die Lohn- und Personalkosten berücksichtigt – der Energieverbrauch, Transport- und Handlingkosten, der Materialeinsatz, Nebenkosten und vor allem die Reparatur- und Wartungs-

208

14 Anlagenplanung

kosten mit den Kosten für Ersatz- und Austauschteile. Die Abschätzung der Reparaturund Wartungskosten ist sehr schwierig. Es ist nicht bekannt, wann welche Reparatur anfallen wird, es sei denn, es werden für bestimmte Bauteile die Zyklen vorgeschrieben. Es hat sich bewährt, diese Kosten mit einem Erfahrungswert, bezogen auf die Gesamtinvestition zu kalkulieren. Natürlich wird jeder Verkäufer sein Produkt als absolut günstig darstellen. Ein noch so gut ausgehandelter Rabatt wird zum Bumerang, wenn die Aussage des Verkäufers falsch war oder der spätere Service nicht zufriedenstellend ist oder nicht funktioniert. Folglich ist es sehr schwierig, diese wahren Kosten zu erfahren. Ein nicht zu unterschätzender Punkt ist die Qualität des Service und die unbedingt zu klärende Vorhaltung von Ersatzteilen. cc

Hinweis: Eine feste Zusage zur Ersatzteillieferung oder zu Serviceeinsätzen im Liefervertrag kann im Störfall sehr hilfreich sein.

Auch wenn im Einkauf ein Ventil nur wenige Hundert Euro kostete, kann der Ausfall eine ganze Anlage stilllegen. Ein enormer Schaden kann die Folge sein. Ein günstiger Einstandspreis verliert dann an Bedeutung. Diese Entscheidung zu treffen ist sehr kompliziert und oftmals emotional belastet.

14.5.4 Betriebskosten Die Betriebskosten sind wesentlich komplizierter zu ermitteln. Günstig ist es daher, mit Erfahrungs- und Durchschnittswerten zu arbeiten. Sie geben in der Regel eine eindeutige Tendenz wieder, denn wer weiß, wie sich beispielsweise der Gasverbrauch des Kunden entwickeln wird oder wie sich die Zapfmenge an der Tankstelle in 5 Jahren darstellt. Ob das eine oder andere Bauteil ausfällt, kann nur anhand der Erfahrung beurteilt werden. cc

Hinweis: Die Durchschnittswerte werden über 10 Jahre angenommen und sollen die Kosten für diese Zeit widerspiegeln.

Liegt der Wert im Grenzbereich, muss genauer gearbeitet werden. Nachfolgende Werte haben sich in der Praxis bewährt. Reparatur- und Wartungskosten Kompressoranlagen: • 10 % des Investitionswertes für Anlagen mit 250–270 bar • bei Wartungszyklen alle 750 h (klein) bzw. 1500 h (groß) Reparatur- und Wartungskosten Kryopumpenanlagen: • jährlich 20 % des Investitionswertes für Anlagen mit 320 bar • (verursacht hauptsächlich durch Undichtigkeiten an der Kolbenstange und Verschmutzungen des Produktes)

14.5 Kosten einer Anlage

209

Reparatur- und Wartungskosten Liqui-Flow-Anlage: • ca. 5 % des Investitionsaufwands für Wartungszyklen alle 10.000 Betriebsstunden (projektierter Wert, da diese Anlagen noch nicht im Markt sind) Reparatur- und Wartungskosten Erdgasversorgungsanlagen • 2 % des Investitionswertes (durch Ausfall der Druckregler, Odorierung und automatischen Steuerung) • Ausschlaggebend sind die jährlichen Betriebsstunden. Minimale Betriebsstunden und durchgehendes Betreiben der Anlagen reduzieren die spezifischen Kosten. Der Energiebedarf und daraus abgeleitet die Energiekosten liegen für eine: • Kompressoranlage 250–270 bar bei 0,3–0,4 KWh/kg, stark abhängig von der Größe der Anlage, kleine Anlagen benötigen spezifisch mehr, größere weniger Strom. • Kryopumpenanlage 320 bar bei ca. 0,03–0,04 KWh/kg • Liqui-Flow-Anlage – hat außer Anlagensteuerung keinen Bedarf an elektrischer Energie • Erdgasversorgungsanlage  – hat außer Anlagensteuerung keinen Bedarf an elektrischer Energie Die jährlichen Gesamtkosten der Anlage setzen sich für eine erste abschätzende Rechnung zusammen aus: • • • • • •

Investitionskosten, dargestellt über die Annuität oder Tilgungsplan Wartungs- und Instandhaltungskosten Betriebskosten wie Stromkosten und weitere Hilfsmittel Transport- und sonstige Nebenkosten Personalkosten Wiederholende Prüfungen und Abnahmen

Diese aufgeführten Kosten sind durch das produzierte Medium, ausgedrückt in Volumen- oder Masseneinheiten z. B. CNG (€/kg oder €/Nm3) zu teilen. Daraus leiten sich im nächsten Schritt die Kosten der Produktion ab, die die weiteren Kosten, wie die Betriebs­ umlage usw. enthalten. Auf dieser Basis kann ein erster Preis kalkuliert werden, der sich am Markt messen muss. Liegen die Kosten der Produktion über dem Marktpreis, so besteht für den Techniker die Aufforderung, den Prozess effektiver zu gestalten. Alternativ scheitert die Überlegung wegen zu hoher Kosten. Zusammenfassung

Die Kosten der Produktion werden aus den jährlichen Gesamtkosten berechnet. Liegen diese Kosten über dem Marktpreis, wäre das Vorhaben bezüglich des Preises gescheitert. Neue effektivere Wege müssen gefunden werden.

210

14 Anlagenplanung

Literatur 1. DVGW Arbeitsblatt G215 Flüssigerdgas-Satellitenanlagen 2. Arbeitsblatt G 651 Erdgastankstellen 3. Richtlinie VdTÜV 510 4. www.dvgw.de/medien/dvgw/leistungen/publikationen/genehmigungsleitfaden-lng-lcng-tankstellen-dvgw.pdf 5. TRBS 3151 Vermeidung von Brand-, Explosions- und Druckgefährdung an Tankstellen und Gasfüllanlagen zur Befüllung von Landfahrzeugen 6. DIN EN ISO 16903 Erdöl- und Erdgasindustrie, Eigenschaften von Flüssigerdgas mit Einfluss auf die Auslegung und die Materialauswahl 7. Rohrleitungsverband e.V. (Hrsg.): Netzmeister: Technisches Grundwissen – Gas, Wasser, Fernwärme. Vukan-Verlag, 2015. 8. Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.: DVGW Technische Regel, Arbeitsblatt G495 (A) Gasanlageninstandhaltung, November 2015 9. Weiss, Sicherheit bei Gasversorgungsanlagen, Gesetze – Verordnungen – technische Regeln – Unfallverhütungsvorschriften – Alarm- und Einsatzpläne, expert-Verlag, 1997 10. DVGW G 5634 (P), technische Prüfgrundlagen, Juni 2013 11. www.uniturm.de/hochschulen/hochschule-anhalt/finanzierunginvestition-5594/download/annuitaetentabelle

Inbetriebnahme und Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage

15

15.1 Vorbereitende Maßnahmen zur Inbetriebnahme Vorliegende Betriebserlaubnis prüfen  Die Inbetriebnahme einer LNG-Anlage setzt voraus, dass die Anlage zur Inbetriebnahme durch die Gewerbeaufsicht, Verbraucherschutz oder adäquate Behörde schriftlich freigegeben wurde. Gasdruckprobe  Bestätigt, dass die Anlage technisch gasdicht ist. Personalschulung  Es ist zu prüfen, ob das Bedienpersonal aktenkundig zur Anlage geschult/belehrt wurde und die Voraussetzungen zur Bedienung der Anlage erfüllen. Betriebsanleitung  Sie ist nochmals auf Plausibilität zu prüfen. Die einzelnen Festlegungen und Abläufe sind zu checken. Anlagensicherheit  Der ordnungsgemäße Zustand der Sicherheitsventile (überprüfen der Plomben) ist zu bestätigen, die Armaturen auf ihre Druckstufe, die Erdung der Anlage und die projektierten Sicherheitsabstände sowie weitere sicherheitsrelevanten Bedingungen sind auf Einhaltung und Erfüllung zu prüfen. Personal  Es ist darauf zu achten, dass sich an der Anlage ausschließlich Personal befindet, die den genehmigten Zugang, erworben durch eingehende Schulung, zu dieser haben. Sicherheitsabstände  Es ist zu prüfen, dass sich keine Gegenstände im Bereich der Sicherheitsabstände befinden. Eine freie Zufahrt zur Betankung der Anlage und für Notfälle ist unbedingt zu gewährleisten.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_15

211

212

15  Inbetriebnahme und Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage

Kontrollen  Vor der erstmaligen Befüllung ist anhand der Betriebsanleitung eine Checkliste und ein Ablaufplan zum Anfahren zu erstellen, die handelnden Personen werden festgelegt und deren Aufgaben eindeutig festgelegt und die Kontrollen regelt.

Zusammenfassung

Voraussetzung für die Inbetriebnahme der Anlage ist die gewerberechtliche Zulassung. Diese schließt alle Prüfungen und Zertifizierungen ein. Uneingewiesenes Personal darf sich nicht im Umfeld der Anlage aufhalten. Das Personal muß eindeutig über Rechte und Pflichten an der Anlage unterrichtet sein, die Abläufe sind vorher zu üben. 

15.2 Befüllung und Anfahren der Anlage Spülen der Anlage  Die Anlage soll angefahren werden. Anfangs wird die Anlage mit warmem Stickstoff (über 20 °C oder Umgebungstemperatur) gespült. Eventuelle Feuchtigkeit wird so vom Stickstoff aufgenommen und aus der Anlage gespült. Diesen Prozess kann man mit dem Messen der Feuchte des austretenden Stickstoffs prüfen. Es ist zweckmäßig den Wassergehalt in der Startphase im Stickstoffstrom zu messen und dessen Entwicklung während des Spülens zu erfassen. Zum Feuchtigkeitsmessen wird der Gasstrom auf ein absolutes Minimum reduziert. Erst wenn  dort keine Feuchtigkeit mehr detektiert wird, kann der Prozess des Trocknens beendet werden. Kaltfahren  Der Anlagenabschnitt Tank-Druckschleuse-Kühlmantel bzw. Tank-­ Hoch­ druckpumpe mit den verbindenden Rohrleitungen ist mit kalter Stickstoffgasphase (Siedetemperatur) kaltzufahren, in keinem Fall mit flüssigem Stickstoff. Damit dieser Abschnitt gleichmäßig durchspült werden kann, werden die Ventile (Flüssigkeitszulauf, Gasrückgang, Kühlmantel und Druckschleuse Ein- und Auslassventile) und das Entlastungsventil nach dem Luftverdampfer geöffnet. Hinter dem Verdampfer tritt das Gas aus. Alle Ventile der Strecken bleiben während des Spülens offen. Die Bauteile der Anlage kühlen sich langsam ab und schrumpfen in Abhängigkeit von der Temperatur. Mit käl­ ter werdendem Gas am Austritt wird der Gasdurchsatz reduziert. Zyklisch wird die ­Rohrleitungstemperatur unmittelbar vor dem Luftverdampfer gemessen. Ist diese auf unter −140 °C gesunken, kann der Kaltfahrprozess beendet werden. Die Gaszufuhr wird beendet. Das System über das Entlastungsventil nach dem Luftverdampfer auf Umgebungsdruck entlastet. cc

Hinweis: Wird sofort mit Flüssigphase die Anlage beaufschlagt, kommt es zu Druckschlägen. Die Sicherheitsventile öffnen und können ggf. das entstandene Gas nicht abführen, das System kann bersten. Ursache dafür ist, die Sicherheitsventile sind für den Druckanstieg durch Wärmeeintrag ausgelegt worden und nicht für einen fehlerhaften Kaltfahrprozess.

15.2  Befüllung und Anfahren der Anlage

213

Spülen mit Erdgas  Der LNG-Tankwagen wird über den Schlauch mit dem Tank verbunden. Die Kupplung bleibt noch geschlossen. Die Tankwagenpumpe wird gekühlt. Hat diese Flüssigkeitstemperatur erreicht, wird die Kupplung des Schlauchs geöffnet. Das Einlassventil des Tanks wird langsam bis zum vollen Hub geöffnet. Ein geringer Gasstrom strömt aus dem Gasraum des Tankwagens langsam von oben in den Tank und verdrängt den kalten Stickstoff durch die nachfolgenden Bauteile. Mit dem Entlastungsventil hinter dem Verdampfer wird der Gasstrom eingestellt. Nach wenigen Minuten wird mit einem Sensor die Methankonzentration am Entlastungsventil gemessen. Ist die Konzentration auf über 80 % angestiegen, kann auf Flüssigphase umgestellt werden. Betanken mit LNG  Mit Einschalten der Lkw-Pumpe wird LNG in den Tank gefördert. Die Betankung erfolgt von oben. Der Füllstand ist am Füllstandsmesser zu verfolgen. Der Druck steigt kurzzeitig an und wird durch die sich einstellende Verdampfung der Flüssigkeit im Tank und den nachgeschalteten Baugruppen hervorgerufen. Nach kurzer Zeit sinkt der Tankdruck auf Siedetemperatur/Siededruck. Im Tank herrscht durch die sich einstellende Mischkondensation ein thermodynamisches Gleichgewicht. Die Ventile sind vom Spülen mit Gas nach wie vor geöffnet. Das Produkt strömt nicht nur in den Tank, sondern auch in die nachgeschalteten Bauteile. Sollten diese noch nicht die Siedetemperatur erreicht haben, entwickelt sich Gas. Die nachgeschalteten Speicher werden mit Gas gefüllt. Hat der Druck in den Speichern den zulässigen Betriebsdruck des Tanks durch die nach wie vor stattfindende Verdampfung fast erreicht, werden die Speicher geschlossen. Die Lkw-Pumpe drückt weiter in die Anlage, der Druck kann in dieser Situation bis auf den zulässigen Betriebsdruck steigen. Die Betankung ist zu unterbrechen. Der Tankdruck wird durch die Verdampfung in den nachgeordneten Bauteilen entwickelt. Der Füllstand am Tank könnte halb gefüllt sein (Annahme) und steht nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Der Druck wird zur weiteren Betankung unter den Zulässigen abgesenkt, die Betankung wird zum Füllen auf 100 % fortgesetzt. Ist eine Überfüllsicherung vorhanden, darf immer auf 100 %, also 95 % gefüllt werden. Für Liqui-Flow-Tankstellen kann der Prozess des Druckaufbaus im Steuerspeicher gestartet werden. Mit Erreichen des gewünschten Drucks im Steuerspeicher wird der Prozess angehalten. Die Tankstelle ist betriebsbereit. Zusammenfassung

Die Anlage wird mit Stickstoff innerlich getrocknet und für die LNG-Betankung gekühlt. Der Zustand wird durch eine Temperaturmessung vor dem Luftverdampfer überprüft. Mit Erreichen der Betriebstemperatur wird die Anlage auf Atmosphärendruck entlastet und mit Methangas und LNG betankt. Dabei wird der Füllstand am Tank kontrolliert.

214

15  Inbetriebnahme und Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage

15.3 Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage Es sind kurzzeitige und dauerhafte Außerbetriebnahmen zu unterscheiden. Außerbetriebnahme heißt, die Anlage wird für einen längeren Zeitraum nicht arbeiten. Ursache für kurzzeitige Stilllegungen können Revisionen oder Reparaturen sein. Nach einer kurzzeitigen Außerbetriebnahme ist wieder die erneute, bzw. in absehbarer Zeit geplante, Inbetriebnahme vorgesehen. Dazu wird die Anlage abgeschaltet, der Druckaufbau entwickelt sich im Tank und das Gas wird über das Prozessüberdruckventil abgeblasen. Sollen Reparaturen durchgeführt werden, ist für den jeweiliegen Anlagenabschnitt eine Druckentlastung durchzuführen und das entsprechend zu kennzeichnen. Es muß ausgeschlossen sein, dass durch eine Fehlbedienung erneut Druck aufgebaut wird. In flüssigkeitsführenden Bereichen kommt es im Zuge einer Entlastung zur Gasbildung (der thermodynamische Gleichgewichtszustand wird angestrebt). Die Flüssigkeit verdampft. Im Falle größerer Mengen muss das Gas einer Verbrennung zugeführt werden. Eine Kompression des entweichenden Gases wird kaum möglich sein, da dafür die entsprechende technologische Ausrüstung vorhanden sein müsste. Die Flüssigkeit ist verdampft, das Gas ist bis auf einen geringen Restdruck abgeströmt, die Anlage kann abgestellt und die Steuerung ausgeschaltet werden. In der Anlage ist kein Produkt mehr, sie wird langsam warm. Eine erneute Befüllung setzt das Kaltfahren voraus. cc

Hinweis: Der herrschende Restdruck darf nicht abgelassen werden. Er stellt sicher, dass keine Luft in das System eindringen kann.

Reparaturarbeiten an der Anlage  Soll die Anlage zu Reparaturzwecken abgestellt werden, ist der entsprechende Abschnitt, wie zuvor beschrieben, zu entlasten und den Arbeitsschutzvorschriften entsprechend zu kennzeichnen. cc

Hinweis: Es besteht die Gefahr, dass aus dem davor oder danach liegenden Abschnitt durch ein undichtes oder nicht exakt geschlossenes Ventil Gas in den zu reparierenden Abschnitt strömt. Das stellt eine extreme Gefahr dar. Insbesondere ist dabei zu beachten, dass bereits bei 4,4 % Methan in der Luft explosive Gemische vorhanden sind. Diese sind unbedingt durch ­technisch zuverlässige Maßnahmen zu vermeiden (siehe nachfolgenden ­Abschnitt).

Um jegliches Gefahrenpotenzial auszuschließen, ist zusätzlich der davor und der danach liegende Abschnitt zu entlasten. Diese Abschnitte sind mit Stickstoff zu spülen, leichter Überdruck zu erzeugen und die Ventile für die Zeit der Reparatur zu schließen. Damit ist vor und nach dem Abschnitt kein brennbares Gas in der Leitung. Der Reparaturabschnitt selbst ist vor der Reparatur mit Stickstoff zu spülen. Dieses Prozedere ist in einer Reparaturanweisung ausführlich zu beschreiben. Sie beschreibt den einzuhaltenden Pro­zess.

15.3  Außerbetriebnahme einer LNG-Anlage

215

Stilllegung der Anlage auf Dauer  Wird die Anlage auf Dauer stillgelegt, ist ebenso zu verfahren. Nur in diesem Fall wird die gesamte Anlage mit Stickstoff gespült und anschließend unter einem leichten Stickstoffüberdruck, durch Schließen der Ventile, verschlossen. Der gefahrlose Zustand ist damit hergestellt. Der leichte Überdruck ist zyklisch zu kontrollieren und schließt aus, dass Luft in die Anlage eindringen kann. Praxishinweis

Für eine kurzzeitige Außerbetriebnahme der Anlage wird der Druck, bis auf einen Restdruck, entlastet. Die Außerbetriebnahme zu Reparaturzwecken verlangt die Druckentlastung des Abschnitts, indem die Reparatur erfolgen soll und die Inertisierung mit Stickstoff des Reparaturabschnitts, sowie vor und nach diesem. Die dauerhafte Außerbetriebnahme verlangt das Spülen der gesamten Anlage mit Stickstoff. Die Anlage bleibt unter einem leichten Überdruck stehen.

Schulungsempfehlung

16

Die Produktschulung dient zuerst dem gesundheitlichen Schutz der Mitarbeiter und dem Erhalt, der Wartung und Pflege der ihm anvertrauten Gegenstände, Apparate und Vorrichtungen. Der Mitarbeiter soll verstehen, warum und wie bestimmte Prozesse ablaufen , damit er im Fall einer Störung fachgerecht reagieren kann. cc

Hinweis: Die Schulung ist vor der Inbetriebnahme der Anlage durchzuführen. Sie ist dem zu schulenden Personenkreis anzupassen, ständig zu überarbeiten, regelmäßig zu wiederholen und vor allem in anschaulicher Weise auf Gefahren, deren Auswirkungen und Vermeidung hinzuweisen. Die Schulung zum Produkt und zur Anlage ersetzt nicht die wiederkehrende Arbeitsschutzbelehrung, sondern ist bestenfalls ein Teil von dieser.

Eine Schulung erhebt keinen Anspruch auf Aktualität, sondern ist ständig durch neue Erkenntnisse und aktuelle gesetzliche Anforderungen zu vervollständigen. Zwecks Errichtung von Anlagen sind die ausführenden Personen bzw. der Personenkreis auf zutreffende Regelwerke und Vorschriften aufmerksam zu machen. Der Planer ist verpflichtet, sich selbst über das Regelwerk kundig zu machen und dieses in seine Überlegungen zur Ausführung/Planung der Anlage einfließen zu lassen. cc

Hinweis: Ein Planer muss sich ständig fragen, ob mit der geplanten Ausführung alle möglichen Gefahren ausgeschlossen bzw. vermieden werden. Restrisiken sind durch schützende Maßnahmen auszuschließen.

Für den Betrieb von Anlagen sind die Personen bzw. der Personenkreis auf potenzielle Gefahren aufmerksam machen. Die Gesundheit der Menschen ist zu schützen, die Anlage zu erhalten und es ist darauf zu verweisen, wie die Anlagen in einem ordnungsgemäßen Zustand betrieben und gepflegt wird. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_16

217

218

cc

16 Schulungsempfehlung

Hinweis: Ein sicherer Umgang mit tiefkalt verflüssigtem Erdgas ist nur möglich, wenn die spezifischen Eigenschaften dieses Gases bekannt sind. Das Gleiche trifft für unter Druck stehende Gase zu.

Mitarbeiter werden mit den Spezifika einer Anlage vertraut gemacht, um die Anlagen entsprechend der Betriebsanleitungen bedienen zu können, mögliche Gefahren zu erkennen, zu vermeiden oder diesen vorzubeugen. Es muss ein Eintreten der Gefahrensituation auszuschließen sein. Im Gefahrenfall muss ein Mitarbeiter wissen, wie in welchen Situationen zu reagieren ist. Die Verfahrensweise muss geübt werden, insbesondere bestimmte Abläufe, wie das Melden des Schadensortes, die Zeit, den Schaden selbst und die eingetretenen Szenarien. Die dabei vermittelten Sicherheitshinweise ersetzen nicht die verbindlichen Sicherheitsvorschriften, sondern sind als deren Ergänzung zu verstehen. Sie ordnen sich den Sicherheitsvorschriften, beschrieben in den Regelwerken, unter. Geschult werden sollte: • der Anlagenbetreiber, • das Betriebspersonal vor Ort, • die Servicefirma zur Durchführung von Reparaturen, Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten an den Anlagen.

Praxishinweis

Vor Beginn der Inbetriebnahme einer Anlage bzw. der Planung ist die Produktschulung durchzuführen. Sie bezieht sich ausschließlich auf LNG und CNG. Sie dient dem Gesundheits- und Arbeitsschutz der Mitarbeiter und dem Schutz der Anlagen sowie dem sicheren Umgang mit ihnen. Die Produktschulung ersetzt nicht die Belehrung zum Arbeits- und Gesundheitsschutz. Schulungen zum Produkt sind die Voraussetzung für einen gefahrlosen Betrieb der Anlage. Sie müssen auf die Zielgruppe zugeschnitten sein. Das Vermitteln von Wissen, welches nicht für den Aufgabenbereich relevant ist, ist kontraproduktiv und ist deshalb unbedingt zu vermeiden.

16.1 T  hemenempfehlung für Schulungsthemen für den Anlagenbetreiber Der Betreiber der Anlage wird zum Produkt, lt. Produktschulung informiert und zusätzlich zu den lt. Schulungsplan vorgegebenen Themen.

16.2  Themenempfehlung für Personenschutz des Kunden an der Tankstelle

219

Schulungsschwerpunkte: • Anlagentechnische Funktionsweise, Verfahren, Anlagensteuerung, grober Überblick [1–7]; • LNG, was ist das: –– Vorkommen –– Bedeutung –– Transport –– Eigenschaften • Arbeitssicherheit allgemein • Arbeitssicherheit speziell im Umgang mit Gasen (tiefkalt verflüssigt, Druckgase, Gefahrenpotenziale aufzeigen, entwickeln von Gefahrenszenarien und deren Abwehr, Schutzmaßnahmen usw.) • Betankung des Tanks mit LNG, Bedeutung des geschlossenen Schlauchsystems • Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG) • Störfallverordnung

Praxishinweis

Dem Anlagenbetreiber muss bewusst gemacht werden, welches Produkt er in den Markt bringt und welcher Anlagen er sich bedient. Er ist für die Sicherheit des Personals und der Anlagen zuständig und kennt die Möglichkeiten zu deren Umsetzung.

16.2 T  hemenempfehlung für Personenschutz des Kunden an der Tankstelle An der Tankstelle kann der Kunde nicht dezidiert zum Umgang mit CNG oder LNG geschult werden. Es muss durch eindeutige, kurze Texte und allgemein bekannte und verständliche Symbole auf die Gefahr hingewiesen werden. Sie müssen gut sichtbar und am besten durch Hinweise auf einem Display (schriftlich oder visuell) den Prozess begleiten. Der Betankungsprozess sollte so weit automatisiert sein, dass eine Fehlbedienung ausgeschlossen ist. Praxishinweis

Der Kunde ist mit deutlichen und prägnanten Hinweistafeln auf die richtige Bedienung der Tankanlage und auf deren Umgang hinzuweisen.

16 Schulungsempfehlung

220

16.3 T  hemenempfehlung für Schulungsthemen für das Betriebspersonal vor Ort Der Betreiber der Anlage stellt sicher, dass sich das Betriebspersonal zum Produkt, lt. Produktschulung informiert, zusätzlich auch zu den lt. Schulungsplan vorgegebenen Themen. Die Produktschulung bezieht sich ausschließlich auf das Produkt. Der Schulungsplan sieht die Erklärung des Umfeldes und weitere Themen vor. cc

Hinweis: Vor Inbetriebnahme hat der Betreiber sichergestellt, dass sein Betriebspersonal entsprechend geschult wurde, das bedeutet, dass mit Abschluss der Schulung der Betreiber nachweisen kann, dass sein Personal entsprechende Kenntnisse hat.

Schulungsschwerpunkte: • Anlagentechnische Funktionsweise, Anlagensteuerung, grober Überblick • LNG, was ist das? –– Vorkommen –– Bedeutung –– Transport • Anlagenmanagement, vereinfacht • Arbeitssicherheit allgemein • Speziell der Umgang mit Gasen (tiefkalt verflüssigt, Druckgase, Gefahrenpotenziale aufzeigen, entwickeln von Gefahrenszenarien und deren Abwehr, Schutzmaßnahmen usw.) • Störfallverordnung, auszugsweise • Alarmierungsplan, detailliert und trainieren

Praxishinweis

Das Betriebspersonal muss das Produkt und die von ihm ausgehenden Gefahren kennen, deren Vorbeugung und sich bewusst sein, im Gefahrenfall den Weg der Alarmierung und der Eindämmung zu beherrschen.

16.4 T  hemenempfehlung für Schulungsthemen für das Serviceund Reparaturpersonal Das Reparaturpersonal muss vor Inbetriebnahme mit den Gegebenheiten der Anlage vertraut gemacht werden, mit dem Umfeld und auch möglichen Stör- und Gefahrenquellen. Auf bestehenden Qualifizierungen muss aufgebaut werden und es muss genau festgelegt

16.5 Einmann-Arbeitsplatz

221

werden, welche Aufgaben von welcher Person erfüllt werden dürfen. Die Schulung zur Ausführung von Reparatur- und Wartungsarbeiten muss in regelmäßigen Abständen wiederholt und gefestigt werden. In deren Mittelpunkt muss der richtige Umgang mit einem Druckgerät stehen. Schulungsschwerpunkte: • Anlagentechnische Funktionsweise, Verfahren, Anlagensteuerung, grober Überblick [1–7]; • LNG, was ist das? –– Vorkommen –– Bedeutung –– Transport –– Eigenschaften • Arbeitssicherheit ausführlich; insbesondere Brandschutz, Dichtheitsprobe, Anlagenabnahme, wiederkehrende Prüfungen, Protokollierung der Reparatur, Ersatzteilaustausch, zugelassene Werkzeuge • Vorgehen beim Druckabsenken auf Umgebungsdruck zwecks Reparatur • Umgang mit Gasen (tiefkalt verflüssigt, Druckgase, Gefahrenpotenziale aufzeigen, entwickeln von Gefahrenszenarien und deren Abwehr, Schutzmaßnahmen usw.) • Inertisieren des Reparaturabschnittes • Füllstandsmessung im Tank, Prinzip, Funktion und Funktionskontrolle • Kupplung Tankfahrzeug/Tank, Prinzip, Funktion und Funktionskontrolle • Druckgeräterichtlinie • Explosionsschutzrichtlinie (ATEX 95, 137) • Betreiben von Anlagen mit LNG • Alarmierungsplan

Praxishinweis

Das Servicepersonal muss über Kenntnisse im Umgang mit Druckgeräten verfügen. Es muss mit dem Umgang des Produkts vertraut sein, seine Gefahren und dessen Abwehr kennen und die Reparaturvorschriften beherrschen.

16.5 Einmann-Arbeitsplatz Der Arbeitsplatz zum Betanken des Kundentanks mit LNG sollte als Einmann-­Arbeitsplatz deklariert werden. Es gehört zu unserer heutigen Arbeitswelt, dass Arbeiten allein, ohne eine zweite Person, verrichtet werden, für die ein geringes Restrisiko besteht. Das ist ohne Weiteres möglich und statthaft. Es trifft allerdings nicht für Arbeiten mit tiefkalt verflüssigten Gasen zu. Es bestehen in diesem Bereich allerdings Anforderungen, dass eine Person ohne Aufsicht

16 Schulungsempfehlung

222

arbeiten kann. Daher muss alles unternommen werden, um jegliches G ­ efährdungspotenzial auf ein Minimum zu reduzieren. Wird wider Erwarten doch eine Gefahr wahrgenommen, muss die Person die Möglichkeit haben, diese Gefahr anzuzeigen und sie abzuwenden. Alternativ muss eine automatische Alarmierung erfolgen. Es ist davon auszugehen, dass die Geräte und Vorrichtungen den Arbeitsschutzrichtlinien entsprechen. Trotzdem verbleibt ein Restrisiko. Dieses ist zu analysieren. Voraussetzung ist, dass der Arbeitsplatz zertifiziert wurde und entsprechend sicher gestaltet ist. Dazu wurden nachfolgende Vorkehrungen, neben der verpflichtenden totraumlosen Kupplung, getroffen:

Gefahrenpotenzial Tankfahrzeug gegen Abrollen sichern Schlauchverbindung herstellen

Gefahrenabwehr Räder mit Hemmschuh sichern

Bewertung der Maßnahme Keine verbleibende Gefahr Keine verbleibende Gefahr

Totraumlose FUHEKA – Kupplung, elektronische Erkennung der Kupplung, automatisches Schließen (Kupplungshälften) werden zusammengezogen, Kupplung dichtet zu 100 %, kein Produktaustritt möglich, manuelles Auslösung des automatisch gesteuerten Betankungsprozesses Kältebrand an der Kalte Bereiche der Kupplung sind mit isolierendem Keine Kupplung Kunststoff geschützt verbleibende Gefahr Kupplung entgleitet und Arbeitsschutzschuhe mit Schutzkappe Keine fällt auf die Füße verbleibende Gefahr Keine Kupplung schließt sich innerlich und gibt Trennen der Kupplung verbleibende Schlauchseite der Kupplung frei, Kupplung ist vom Kundentank, Gefahr Trennprozess wird manuell automatisch verschlossen, kein Produktaustritt möglich, kalte Flächen werden ausgelöst mit Schutzkappe verschlossen Einlegen der Kupplung mit Kontakt erkennt die vorschriftsmäßige Keine Schlauch in die durchgeführte manuelle Verriegelung, ansonsten verbleibende Fahrzeughalterung wird Warnsignal ausgelöst Gefahr Allgemeine Überwachung Abtankstelle ist beleuchtet, videoüberwacht und an Keine der ausführenden Person verschiedenen Stellen mit Notrufknopf ausgestattet verbleibende Gefahr

Praxishinweis

Der Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen, dazu gehört auch LNG, ist als Einmann-Arbeitsplatz entsprechend sicher zu gestalten. Die Person muss durch entspre-

Literatur

223

chende Maßnahmen vor möglichen Gefahren geschützt und gesichert werden. Kommt es trotzdem zu einer Gefahrensituation, muss automatisch ein Alarm ausgelöst werden.

Literatur 1. Gasfachliche Norm DIN EN ISO 16923 Erdgastankstellen  – CNG-Tankstellen zur Betankung von Fahrzeugen (ISO 16923:2016) 2. DIN EN ISO 16924 Erdgastankstellen – Tankstellen für verflüssigtes Erdgas (LNG) zur Betankung von Fahrzeugen (ISO 16924:2016); 3. TRBS 3151 4. G97 Erdgas (CNG)-Betankungsanlagen (Österreich) 5. Betriebssicherheitsverordnung 2015 6. Explosionsschutz in der Gasversorgung 7. Der DVGW-Merkblatt G 442 „Explosionsgefährdete Bereiche an Ausblaseöffnungen von Leitungen zur Atmosphäre an Gasanlagen“ (erschienen als Ausgabe 07/2015. Das DVGW G 442 wird unter Punkt 5.14 in die EX-RL-Beispielsammlung der DGUV aufgenommen.)

Besondere Hinweise und Vorsichtsmaßnahmen

17

17.1 Arbeitsschutzkleidung Konsequent getragen, schützen persönliche Schutzausrüstungen vor dem Kontakt mit tiefkalten Gasen, Flüssigkeiten oder Anlageteilen. Gesundheitsschäden sind praktisch ausgeschlossen (siehe: [1, 2]). Die Kleidung soll sauber, trocken und aus Naturfasern hergestellt sein. Sie soll nicht eng anliegen, damit sie leicht und schnell ausgezogen werden kann, sollte eine Benetzung mit dem tiefkalten Gas oder LNG erfolgen. Arme und Beine sollen vollständig bedeckt sein. Offene Taschen, umgeschlagene Hosenbeine oder Ärmel sind zu vermeiden. Gut isolierende Handschuhe aus trockenen, versprödungsarmen Materialien sind zu tragen, wenn kalte Anlagenteile (Kupplung beim Betanken) berührt werden und mit Spritzern gerechnet werden muss. Die Handschuhe sollen ebenfalls locker sitzen, damit sie schnell abgestreift werden können, falls tiefkalte Flüssigkeit eingetreten ist. Stulpen oder Manschetten sollen ein Eindringen des tiefkalten Gases in den Handschuh verhindern. Im Umgang mit LNG muss ein Gesichtsschutz getragen werden, z. B. wenn Schläuche anoder abgeschlossen werden oder mit tiefkalter Flüssigkeit hantiert wird. Wenn mit Flüssig-­ Erdgas (LNG) hantiert wird, sind Sicherheitsschuhe mit leitfähigen (sogenannten antistatischen) Sohlen zu tragen. Wenn Stiefel benutzt werden, sollten die Hosen über die Stiefel reichen.

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7_17

225

17  Besondere Hinweise und Vorsichtsmaßnahmen

226 Zusammenfassung

Der Mitarbeiter muss eine Arbeitsschutzkleidung tragen, die dem Produkt gerecht wird. LNG verursacht Kältebrand auf der ungeschützten Haut und kommt einer Verbrennung gleich.

17.2 B  erührung und Hautkontakt mit flüssigkeitsführenden Leitungen Unisolierte flüssigkeitsführende Leitungen dürfen niemals mit der Haut direkt in Kontakt kommen. Die hauteigene Feuchtigkeit würde sofort gefrieren und sie fest durch die Eisbildung mit dem Gegenstand verkleben. Das Gleiche trifft für Gasleitungen, die kaltes Gas fördern, zu. Ein Entfernen, der durch Eis angefrorenen Hände ist schmerzhaft. Die Leitung muss nach Möglichkeit aufgewärmt werden, sodass das Eis zwischen Haut und kalter Oberfläche schmilzt. cc

Hinweis: Leitungen und Bauteile im tiefkalten Bereich müssen immer gegen Berührung geschützt sein.

Wird die Haut der Mitarbeiter, von solchen Tropfen oder gar einem Flüssigkeitsstrahl getroffen, kommt es zu einer Verletzung. Sie entspricht einer Verbrennung, dem Kältebrand. cc

Hinweis: Dringt ein Gasstrahl in die Kleidung ein, wird das Gas dort eingelagert und kann bei Zündung auch zu einem späteren Zeitpunkt brennen.

Deshalb ist nicht entflammbare Schutzkleidung vorgeschrieben und das Tragen feuchter Kleidung unbedingt zu vermeiden. Gesicht und Hände müssen geschützt sein. Gleiches gilt für das Eintauchen von Gegenständen mit Umgebungstemperatur in tiefkalt verflüssigte Gase. Die Arbeitsschutzvorschriften für den Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen, also auch für LNG, sind sehr exakt einzuhalten. cc

Hinweis: Werden Arbeiten an den Anlagen durchgeführt, müssen sie druck- entlastet sein und die Umgebungstemperatur angenommen haben.

Zusammenfassung

Der mögliche Hautkontakt ist durch entsprechende Schutzmaßnahmen auszuschließen. Spritzer müssen durch weitere Schutzmaßnahmen ausgeschlossen werden. Arbeiten an den Anlagen setzen die vorherige Erwärmung voraus.

17.4 Schadensszenarien

227

17.3 Löschen einer Erdgasflamme Das Szenarium ist im Vorfeld vor Errichtung der Anlage mit der zuständigen Feuerwehr zu besprechen [3, 4, 5]. cc

Hinweis: Im Falle eines Erdgasbrandes ist zu entscheiden, ob der Brand gelöscht, oder das Gas verbrennen soll. Erdgas brennt mit sehr heißer Flamme, mit einer Temperatur von etwa 1970 °C. LNG brennt nicht, brennbar ist das verdampfte Gas.

Wird entschieden, die Flamme nicht zu löschen, muss das Nachströmen des Gases durch Schließen der Ventile beendet werden. Am und um den Entstehungsort der Flamme sind die Anlage, die nahestehenden Gegenstände und Gebäude mit Wasser zu kühlen. Der Prozess muss mindestens bis zum Erlöschen der Gasflamme und dem Ende des Gasaustritts durchgeführt werden. Wird entschieden, die Flamme zu löschen, wird das Gas weiter austreten. Das Gas muss so abgeführt werden, dass es frei abziehen kann und sich keine Zündquelle in der Nähe befindet. Leicht kann sich ein zündfähiges Gemisch aus 4,4 % bis 14 % Gas in der Luft bilden. Das abzuschätzen kann eine Herausforderung sein. Die Gefahr einer Gasexplosion ist nicht auszuschließen. Der Folgeschaden wäre ggf. wesentlich größer und unberechenbarer als der direkte Schaden durch die Gasflamme. Erdgas wird mit Schaum gelöscht. Der Schaum verhindert den weiteren Zutritt von Luft, die Flamme erstickt. Wird mit einem Wasserschleier gelöscht, entzieht das Wasser dem Gas die Verdampfungswärme. Die Zündtemperatur wird nicht mehr erreicht und das Gas kann nicht mehr brennen. Zusammenfassung

Im Vorfeld der Inbetriebnahme der Anlage ist die Feuerwehr zu eventuellen Erdgasbränden zu konsultieren. Es ist zu entscheiden, ob brennendes Erdgas gelöscht oder nicht gelöscht werden soll. Der Brand wird durch Unterbrechung der Gaszufuhr oder dem Verbrennen des gesamten Gases gestoppt. Gelöschtes und danach ausströmendes Erdgas kann eine Gasexplosion zur Folge haben. Die Anlage selbst und die Umgebung sind mit Wasser zu kühlen.

17.4 Schadensszenarien Unter Atmosphärendruck ist LNG in der Regel siedend. Beim Tankvorgang kann es ausschließlich bei offenen Systemen beim Lösen des Schlauches und beim Kupplen möglich sein, dass Spritzer mit dem verdampften Gas mitgerissen werden. In geschlossenen Schlauchsystemen mit Totraum können Flüssigkeitsreste mitgerissen werden. Gesicht und Hände, sowie die Kleidung müssen geschützt sein. Bei Hautkontakt kommt es zu Verlet-

17  Besondere Hinweise und Vorsichtsmaßnahmen

228

zungen, die einer Verbrennung gleichkommen. In der Kleidung darf sich das Gas nicht ablagern. Es besteht Brandgefahr. Es ist unbedingt eine flammgeschützte Arbeitskleidung zu tragen. Zusammenfassung

LNG-Spritzer beim Betanken sind möglich, insbesondere wenn keine totraumlosen Kupplungssysteme eingesetzt werden.

17.5 Austretendes LNG oder Gas Aus ein Liter austretendem tiefkalt verflüssigtem Gas entstehen beträchtliche Gasmengen (ca. 0,6 m3). Es ist erforderlich, dass an Orten, an denen LNG austreten könnte, eine intensive Lüftung vorhanden ist. Eine ausreichende Lüftung soll vermeiden, dass der Sauerstoffgehalt der Luft wesentlich verändert wird. Das Gleiche trifft für die Gasphase zu. Wenn sich LNG mit Luft mischt, können sich Nebel bilden, da die Luftfeuchtigkeit infolge des kalten Erdgases kondensiert. cc

Hinweis: Außerhalb der Nebelwolke muss mit einer deutlichen Veränderung der Luftzusammensetzung gerechnet werden. Im Falle eines größeren Austritts von LNG kann die Nebelbildung durch die Sichtbehinderungen die Orientierung erschweren. Das ist ein großes Gefahrenmoment.

Der Aufenthalt in einer durch tiefkalte Gase unterkühlte Luft kann zu einer Unterkühlung des Körpers führen. Es kann beim Einatmen der unterkühlten Luft zu einer Störung der Lungentätigkeit, verursacht durch das tiefkalte Gas, kommen. cc

Hinweis: In tiefer liegenden Räumen, Kanälen etc. kann verdampftes LNG eindringen, weil es im kalten Zustand schwerer als Luft ist.

In solchen Bereichen bestünde also unter Umständen besondere Erstickungs- bzw. Brandgefahr, im Fall von LNG Feuer- oder Explosionsgefahr. Diese Möglichkeit muss durch Schwallwände oder Verschließen der Öffnungen ausgeschlossen werden. Zusammenfassung

LNG verdampft, wenn es in die Atmosphäre austritt. Das Gas nimmt bei Atmosphärendruck das 600-Fache eines Liters Flüssigkeit ein. Es vermischt sich mit Luft und kann dort ein explosives Gemisch bereits zwischen 4,4 % und 14 Vol. % bilden. Kaltes Gas ist schwerer als Luft und kann in Schächte und andere Vertiefungen fließen und dort den Sauerstoffanteil reduzieren oder ein explosives Gemisch bilden.

Literatur

229

17.6 Beeinflussung der Umwelt Austretendes LNG verursacht keine Verunreinigung des Erdreiches, da LNG schnell verdampft und somit nicht in das Erdreich eindringt. Die vorübergehende lokale Bodenfrostung hinterlässt keine Dauerschäden im Erdreich. Tritt CNG aus, steigt es sofort auf und verdünnt sich mit der Luft. Dabei entsteht zwischen 4,4 % bis 14 % Methan in der Luft ein explosives Gasgemisch. Das muss vermieden werden. Es darf in keinem Fall eine Zündquelle verfügbar sein. Der Austritt von LNG oder der Gasphase ist generell zu vermeiden, da Methan extrem stark die Ozonschicht unserer Erde angreift. Zusammenfassung

LNG verursacht im Erdreich keine Umweltschäden. Das aufsteigende Gas ist äußerst umweltschädigend.

17.7 Eingeschlossenes LNG Wenn tiefkalt verflüssigte Gase, z. B. LNG zwischen zwei Ventilen eingeschlossen werden, sind Druckentlastungseinrichtungen mit genügend großem freiem Querschnitt lt. Regelwerk vorgeschrieben. Auch mit bester Isolierung werden diese Flüssigkeiten verdampfen. Das dabei entstehende Gas muss durch die Druckentlastungseinrichtungen kontrolliert abgeführt werden, um ein Bersten der Rohrleitung etc. zu vermeiden. Zusammenfassung

In einem Behälter oder Rohr eingeschlossene LNG-Spritzer verdampfen und bauen höchste Drücke auf und müssen über Druckentlastungseinrichtungen entspannt werden.

Literatur 1. http://www.linde-gas.at/de/images/Sicherheitshinweis_01_AT_V110_nq_tcm550-101553.pdf Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen 2. www.industriegaseverband.de/system/files/downloads/5d425676b9fc9eaa0d076b0eaec31653/ umgang-mit-tiefkalt-verfluessigten-gasen01-14.pdf Umgang mit tiefkalt verflüssigten Gasen 3. Schutz von Gasversorgungsanlagen (Löschen) 4. https://www.bundesfeuerwehrverband.at/wp-content/uploads/2017/08/E07_Erdgas.pd 5. www.gvp-netz.de/fileadmin/Dateien/Dokumente/Erdgasinformationen_für_die_Feuerwehr.pdf

Regelwerke, Links

Biogas DVGW-Arbeitsblatt G 262 TRBS 3151/TRGS 751 Vermeidung von Brand-, Explosions- und Druckgefährdungen an Tankstellen und Gasfüllanlagen zur Befüllung von Landfahrzeugen DVGW-Arbeitsblätter Gasinstallationen • G 260-2013-03, Gasbeschaffenheit • G 600 – Technische Regel für Gasinstallationen; DVGW-TRGI 2018 • G 626-2006-10, Mechanische Abführung von Abgasen für raumluftunabhängige Gasfeuerstätten in Abgas- bzw. Zentralentlüftungsanlagen • G 660-1981-08, Abgasanlagen mit mechanischer Abgasabführung für Gasfeuerstätten mit Brennern ohne Gebläse; Installation Arbeitsblatt DVGW 280-1(A) Gasodorierung

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7

231

Weiterführende Hinweise

G 491 Entwurf Arbeitsblatt 05/2019 Gas-Druckregelanlagen für Eingangsdrücke bis einschließlich 100 bar G 105 2017-09 Anforderungen an Sachkundige für Erdgastankstellen und Erdgastankgeräte; Schulungsplan G Sicherheitsdatenblätter für Odorierungsmittel, siehe Hersteller Informationen und Schulungen zur neuen Rechtslage sowie Hinweise zu den DVGW-­ Merkblättern G 440 (M) und G 442 (M) Arbeitsblatt G 652 Erdgastankgeräte und Erdgastankgeräteanlagen TRBS 3151/TRG 751 Vermeidung von Brand Explosions und Druckgefährdungen an Tankstellen und Gasfüllanlagen zur Befüllung von Landfahrzeugen

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7

233

Synonyme

Abgasschlot  Abgasrohr, Gassammelrohr Anlagenstilllegung Außerbetriebnahme Anschlussleistung  Leistung, elektrische Anschlussleistung Auslassventil  Durchgangsventil, Entlastungsventil Befüllung  Befüllung nach Druck, Bündelbefüllung gravimetrisch, Befüllung nach G ­ ewicht Begleitgas  Verschmutzungen gasförmig, Verunreinigungen gasförmig, Spurengase Betankung  Betankung von oben, Betankung von unten Bündel  Flaschenbündel, Hochdruckflaschenbündel, Bündelgruppe, Bündelbefüllung, Bündelbefüllung manometrisch CNG  komprimiertes Erdgas Dampf  überhitzt, Gas, Gasphase Druckregler  Gasdruckregler, Druckminderer, Druckregelarmatur, Gasdruckregelgerät Druckstufen der Gasleitungen  Gasdruckstufen, Gasleitung der Stufe Druckzusatzverdampfer  Wärmeübertrager, Druckaufbauverdampfer Einlassventil  Zulaufventil, Durchgangszulaufventil Einmann-Arbeitsplatz  Einzelarbeitsplatz, unbeaufsichtigter Arbeitsplatz Energie volatile  Energie schwankend, Energie ungleichmäßig erzeugt Energiebedarf  Energiebedarf Kolbenpumpe, Energiebedarf Kompressor, Energiebedarf Liqui-Flow-Verfahren, Energiebedarf Satelliten-Erdgastankstellen Enthalpie  Gesamtenergieinhalt, Gesamtenergie Entspannungsenergie Entspannungsenthalpie Erdgas  Naturgas, Erdgasversorgungsanlage, Erdgasnetzstabilisierung Expansionsmaschine Expansionskühlmaschine Faltenbalg  Wellschlauch, Metallwellschlauch, Metallfaltenbalg Ferngasleitung Transferleitungen Foamglas®  Schaumglas, geschäumtes Glas Füllkupplung  Schlauchkupplung, Schlauchverbindung, Füllanschluss Füllstandmessgerät  Füllstandmesser, Füllstandanzeiger

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7

235

236

Synonyme

Füllstandmessung  gravimetrische ~, Massenmessung Fußverlängerung  Tankstützen, Tankbeinverlängerung Gas regasifiziertes ~, Gassensor, Gasversorgungsanlagen, saturiertes Gas, Gas am Siedepunkt, Sattdampf Gasabscheider  Gasseparator, Gaskondensator, Gastrenner Gasaufbereitungsanlage  Gasreinigungsanlage, Gaskonditionieranlage Gasbrenner Brenner Gasentnahmeleitung Gasversorgungsleitung Gaskompression Gasverdichtung Gasreinigung Gaskonditionierung Gasrückgang Druckausgleichsleitung Gasvorwärmer  Gaswärmeübertrager, Gaswärmetauscher H-Gas  höherkalorisches Leitungsgas Hochdruckkolbenpumpe  Hochdruckpumpe, Kolbenpumpe Hub  Verteilzentrum, Verteilungsknoten, Terminal Isobare  Drucklinie, Linie konstanten Drucks Kohlenwasserstoffe  kalorisch nutzbare ~, brennbare Gase, Brenngase Kolbenpumpe  Kryohochdruckkolbenpumpe, Kolbenpumpe für tiefkalt verflüssigte Gase Kompressor Verdichter Konvektion  Strömung durch aufsteigende Wärme, Kryoventil  Ventil für tiefkalt verflüssigte Gase, Ventil für kryogene Flüssigkeiten Kupplung  offenes System, Schlauchkupplung, geschlossenes System, Vollschlauchsystemkupplung L-Gas  niederkalorisches Leitungsgas LNG  verflüssigtes Erdgas, flüssiges Erdgas, LNG-Versorgungsanlagen, LNG-­Speicher, Verflüssigung LNG, LNG-Kondensation Löschen  LNG, Brandbekämpfung, Löschmaßnahmen Luftverdampfer  Wärmeübertrager, Verdampfer, Luftwärmetauscher Netzeinspeisung  Netzanschluss, Leitungsanschluss, Übergabestation Notversorgung  mobile, Netzunterstützung, Versorgungseinheit Odorierung  Odorieranlage, Odorierungsanlage, Odorierungsmittelzugabestelle Pipelinegas Rohrleitungsgas Prozess  irreversibler ~, unumkehrbarer ~, reversibler ~, umkehrbarer ~ Prozessdruck  Druck, augenblicklicher Druck Rezent biologischer Ursprung  Biogas, Biomethan, Bio-LNG, Biomasse, Gärsubstrat Sensorik  Messfühler, Messgeber Sicherheitsabsperrarmatur  Schnellschlussarmatur, Schnellschlussventil Sieden  saturierter Zustand, Siedezustand, siedendes Medium Schulung  Seminarprogramm, Trainingsprogramm Stahl  Schwarze Stähle, Baustahl, Werkzeugstahl; austenitische Stähle, Edelstahl

238

Synonyme

Tankwagenauflieger  LNG-Tankwagenauflieger, Auflieger für LNG, Kryotankauflieger Überdruckventil  Prozessüberdruckventil, Überströmer, Druckhalteventil Vakuumpaneele Vakuumisolierplatten Ventil Armatur Wärmeübertrager  Druckzusatzverdampfer, Luftverdampfer, Kondensator

Stichwortverzeichnis

A Abgasschlot 92, 104, 123, 147, 148, 150, 156, 159, 165, 169, 203 Anlagenaufstellung 82 ff Anlagengenehmigung 42, 106, 196, 199, 200, 201, 202, 207 Anlagenplanung 199 ff Anlagenstilllegung 214, ff Anlagenzulassung 105, 152, 207 212 Anschlussleistung 69-71, 76, 89 Aufrechterhaltung Prozessdruck 51 Auslassventil 76, 78, 82, 87, 92, 212 Außerbetriebnahme 214, 215 B Begleitgas 5, 8, 9, 27, 28, 66, 74 Betriebsführung kontinuierliche 53 diskontinuierliche 54 Betankung 18, 42-52 beim Endkunden, Kontrolle 42 von oben 19, 48, 49, 50, 52, 102 von unten 102, 117 Biogas 1-5 Bio-LNG 2 Biomasse 2, 4 Blitzschutzerdung 191 Bündel, Hochdruckgas 94, 95 Bündelbefüllung 96, 97 manometrische 96, 97 gravimetrische 96, 97 Bündelgruppe 95-97

C Claude-Heyland-Verfahren 27 CNG 58, 68-74, 76 -Betankung 68 -Tankstelle 10, 71, 79, 88 -Speicher 22 -Zapfsäule 95 -Zapfleistung73, 90, 92 Coriolismassendurchflussmessung 67 D Dampfanteil x 196 Dampfdruck 18, 22, 26 Dampflinie 14, 23, 101 Dampf, überhitzter 14, 22, 23, 26, 64, 65 Differenzdruckfüllstandsmesser 123 Drosselprozess 20 Druck geodätischer 81 Siedelinie 26, 86, 102 Druckmessstelle 121, 122 Druckregler einfacher 135 mit Doppelfunktion 138 Druckschleuse 84-87, 92, 98, 106, 109, 114, 116 Druckstufen der Gasleitungen 10 Druckzusatzverdampfer 18, 55, 61, 104, 111, 135, 136 Durchflussmessgerät 128, 144

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2020 W. Hermeling, Handbuch für den LNG- und CNG-Praktiker, https://doi.org/10.1007/978-3-658-28551-7

239

240 E Einlassventil 44, 78, 81-83, 86, 98, 198, 213 Einmann-Arbeitsplatz 221 Energiebedarf Kolbenpumpe 84 Kompressor 75 Liqui-flow-Verfahren 87 Energiekosten 59-61, 63, 87 Energiequelle, volatile 144 Energieträgerverteilung in Deutschland 7 Energie, volatile 6, 59 Enthalpie 15, 20, 21, 25, 151 Entspannungsenergie 20 Erdgas 5, 6 Erdgastankstelle 200 Erdgastransport 36 Erdgasversorgungsanlage 199 Erdung, elektrische 191 Erdungselektrode 191-193 Expansionsmaschine 27 F Faltenbalg 131-133 Federcharakteristik der Kolbenpumpe 81 Ferngasleitung 9, 10 Foamglas 183 Isoliertechnik 183, 184 Füllen von Erdgasflaschen 96 von Erdgasbündeln 96 Füllgeschwindigkeit 79, 97 Füllkupplung 112, 202 Füllstandsmessgerät 123 Füllstandsmessung. Gravimetrische 127 Funktionserdung 193 Funktion Tank thermodynamisch Allgemein 101 Kältetank 108 Pumpentank 105 Fußverlängerung 81, 83, 107, 117, 118 G Gas regasifiziertes 1, 9, 33, 55, 60, 61, 64, 74 saturiertes 24 Gasabscheider 106-109 Gasaufbereitungsanlage 62 Gasbrenner 46, 61, 135, 142

Stichwortverzeichnis Gasdruckregler 135 für Gasmotoren 135 Gasentnahmeleitung 105, 106, 109 Gaskompression 68 Gassensor 93, 121 Gasreinigung 8 Gasrückgang 77-79, 82 84, 87, 98, 105-109, 113, 114, 116, 162 Gasverflüssigung 2, 16, 21 Gasvorwärmer 142 Gasversorgungsanlagen 128, 144, 154, 172, 199ff Gaswarnanlage 165 Gleichgewicht, thermodynamisches 19, 24, 101 H H-Gas 9 Hochdruckkolbenpumpe 75, 98 Höhe, geodätische 78, 101 Hub 31, 33, 34, 84, 85 I Inbetriebnahme 211 Isobaren 17, 22-26, 119 Isoliermatte 181, 182 Isoliertechnik 177 Isolierung Feststoff 177 ff MLI 186 Vakuum 110 VSI 110 J Joule-Thomson-Effekt 20 K Kälteisolierung 174 Kältetank 108, 109, 113, 114 Thermodynamik 108 Kaltvergaser 109, 115, 135 Thermodynamik 109 Kohlenwasserstoff 2, 3, 73, 74 kalorisch nutzbarer 8 Kolbenpumpe 76, 98 Kolbenstange 76, 80, 81 Kolbenstangenvereisung 80

Stichwortverzeichnis Kompressionswärme/Kompressionsenergie 22, 28, 77, 79, 97 Kompressor 69-76, 84, 88, 96 ionischer ((nicht gefunden)) Konvektion 177, 178, 181 Kopplung Kostenvergleich 60 Kosten variabele 207 fixe 200 Betrieb 208 Kostenvergleich 76 Kraftwärmekopplung 6, 53, 57 Kryohochdruckkolbenpumpe 75 Kryopumpe 69, 70, 76, 80, 82, 84, 89, 90, 98, 106, 198 Aufstellung 82 Energiebedarf 84 Kryopumpeninstallation 82 Kryopumpenkopf 77, 78, 80, 81, 106, 198 Kryopumpenstandzeit 80 Kryoventil 84 Kühlung, adiabate 13 ff Kupplung geschlossenes System 170, 173 mit Totraum 169 offenes System 174 ohne Totraum 170 KWK-Schaltung 60, 63, 109, 144, 170

L L-Gas 9 Linde-Verfahren 27 Liqui-flow-Anlage 197 Liqui-flow-Prozesssteuerung 103 Liqui-flow-Verfahren 69, 70, 84-88, 90, 91, 93, 96, 98, 104, 105, 108, 110, 114 LNG 113 LNG-Durchflussmessung am Tankwagen 41 LNG-Tank 60, 115, 135, 160, 165 Funktion 60 thermodynamischer 101 LNG-Tanker 32, 33 LNG-Tankwagenauflieger 37 LNG-Versorgungsanlagen 60 LNG-Waggon 34

241 Löschen LNG 227 CNG 227 Luftverdampfer 61, 62, 64, 78, 85, 86, 92, 115, 135, 140 ff Berechnung 141 M Massendurchflussmessgerät 128 Massendurchfluss mittels Druckverlust 130 Methan 2, 4, 9, 19, 23, 60, 74, 80ff Methananteil 1, 4, 60 Microturbine, 62, 63 Mischkondensation 17 MLI-Isolierung 34, 36, 186 N Netzeinspeisung 65 Netzstabilisierung 65 Notversorgung, mobile 67 NPSH-Wert 98 NPT-Gewinde 165, 204 O Odorieranlage 143 Odorierung 143 Odorierungsmittel 67, 143, 144 P Peilrohr 112, 165, 166 Perlite 186 Pipelinegas 8, 11, 33 PIR (Polyisocyanurat) 178 Potenzialausgleich, elektrischer 191, 192 Prozess, irreversibler 20, 29 Prozessüberdruckventil 155 ff Pumpentank 77-79, 82, 87, 108, 113 Thermodynamik 105 Punkt, kritischer 14, 23 R Referenzflasche 96, 97 Rohrleitungsgas 9ff Rückschlagventil 133, 134, 149 magnetisches 133

242 S SAA 93, 115, 116, 156, 168, 169 Satelliten-Erdgastankstelle 93, 97 Schlauch Spülen 212, 213 vakuumisolierter 188 Schlauchkupplung 167ff Schlauchsystem offenes 43 geschlossenes 43 Schließdruck Rückschlagventil 158 Schnellkupplung 95 Schulungsprogramm 217 Schulungsthemen 218 Schutzerdung 192 Sensorik 93, 121ff Sicherheitsabsperrarmatur 54, 61, 112, 116, 154-160, 162, 163 Sicherheitsventil 56, 83, 87, 113, 116, 123, 133, 142, 147 ff, 156-159, 164, 167, 212 Anschluss 48, 55, 153 Auslegung 149 Sicherheitswechselarmatur 153 Sicherheitswechselventil 152 Sicherheitswechselventilkombination 152 Siededruck 16-18, 26, 54, 55, 77, 84, 92, 98, 103, 114, 123 Siedelinie 26, 86, 102, 187 Siedepunkt 3, 17, 19, 21, 81, 86, 98, 124, 168 Siedetemperatur 2, 14, 15-18, 21, 23, 25, 26, 49, 86, 111, 117, 118, 124, 130, 148, 151, 166, 197, 212, 213 austenitische 2, 110, 174, 204 schwarze 2, 110, 204 Stähle Strahlungswärme 110

Stichwortverzeichnis T Tank thermodynamischer 108 vakuumisolierter, Funktion allgemein 186 Tankbauart 113 Tankdruck 117 absenken 48, 79 Temperaturmessung 128, 213 Thermometer, anliegendes 128 Thermosiphon 78, 105, 107, 108, 114, 116 Totraum 122, 168, 169 ff Triax-Leitung 83, 104, 106, 108

V Vakuumpaneel 178 Ventil lageunabhängiges 83, 84, 132 tiefkaltes 131 Verflüssigung LNG 1ff Biogas 3

W Wärmeleitung 177, 181, 183, 186

Z Zapfleistung 68, 69, 71, 73, 90, 92, 93 Zündgrenze 167, 226, 227 Zustand saturierter 24 überkritischer 14, 23