Wie bestehende Pipelines für die Wasserstoff-Wirtschaft genutzt werden können

Was war der Ausgangspunkt für die Publikation?

Dr. Robert Fussik: Der Transport von Wasserstoff ist bei der Umstellung auf die Wasserstoff-Wirtschaft eine zentrale Fragestellung. Für eine möglichst schnelle und kostengünstige Umstellung haben wir die Idee geprüft, ob bestehende Erdgasleitungen für den Wasserstoff-Transport umgestellt werden können.

Die Herausforderung ist, dass Wasserstoff andere Produkteigenschaften aufweist und das Werkstoffverhalten verändert. Rohrleitungsstähle wurden erst in den letzten Jahren hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unter Druckwasserstoff qualifiziert, wobei der Großteil der Ergebnisse auf amerikanische Leitungsstähle bezogen war.

Um diese Änderungen der mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in deutschen Rohrleitungen zu berücksichtigen, haben wir in unserer gemeinsamen Studie bruchmechanische Verfahren in Anlehnung an das DVGW-Regelwerk (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches) und die ASME B31.12 angewandt, um eine fundierte Aussage zur Sicherheit und Lebensdauer bestehender Leitungen treffen zu können.

Was wurde konkret untersucht?

Julius Langenberg: Im DVGW-Projekt SyWeSt H2 wurden unterschiedliche Rohrleitungsstähle von deutschen Fernnetzbetreibern in Bezug auf die Werkstoffanforderungen der ASME B31.12 hinsichtlich Bruchzähigkeit und Risswachstum überprüft. Unsere Versuchsdaten für die beiden verwendeten Werkstoffe, die der amerikanischen Stahlgüte API 5L X70 entsprechen, sind innerhalb dieses Projektes entstanden und beinhalten Längs- und Umlaufschweißnähte. Die Proben wurden in Luft und unter Druckwasserstoff geprüft, um mögliche Degradationen unter verschiedenen Druckniveaus und zyklischen Belastungen (R-Wert) zu analysieren.

Die bruchmechanischen Berechnungen zur Bewertung der Pipeline basierten auf AMSE B31.12 und DVGW G 464. Dafür haben wir reale Belastungen aus drei Jahren Erdgasbetrieb für die zyklische Rissfortschrittsberechnung herangezogen, inklusive eines angenommenen Volllastwechsels alle 30 Jahre für Wartungszwecke. Zudem floss die reale Rohrgeometrie sowie eine aus der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung abgeleitete Fehlerannahme von fünf Prozent der Wandstärke ein. Der Betriebsdruck entsprach dem bisherigen maximal zulässigen Betriebsdruck der Leitung und wir haben zusätzlich zu bestehenden Regelwerken Schweißnahteigenspannungen in Höhe von 100 MPa berücksichtigt.

Was war das wichtigste Ergebnis?

Julius Langenberg: Beim Werkstoff X70 zeigt sich, dass der Wasserstoff vor allem einen hohen Einfluss auf die Rissfortschrittsgeschwindigkeit hat. Die Zähigkeit wird zwar deutlich beeinflusst, bleibt aber auf einem hohen Niveau erhalten. Außerdem konnten wir zeigen, dass Grundmaterial und Schweißnähte unter Wasserstoff sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen.

Beide untersuchten Werkstoffe erfüllen die Anforderungen der ASME B 31.12. Die Bruchzähigkeit ist sogar mehr als doppelt so hoch wie der geforderte Mindestwert. Auf dieser Basis konnten wir bruchmechanische Berechnungen für die Umstellung einer bestehenden Erdgasleitung durchführen. Selbst bei konservativen Annahmen, etwa einer nominalen Bruchzähigkeit von 55 MPa√m und Eigenspannungen von 100 MPa, ergibt sich eine rechnerische Lebensdauer von über 500 Jahren.

Was bedeuten die Ergebnisse für einen Netzbetreiber wie GASCADE Gastransport GmbH?

Dr. Robert Fussik: Da gibt es mehrere Aspekte. Zunächst haben mir die Ergebnisse gezeigt, dass wir beruhigt in die Projektumsetzungen gehen können.

Die Umstellung unserer ersten Bestandsleitung war nicht von der Veröffentlichung abhängig, da sie bereits vorher erfolgte. Dennoch waren die positiven Ergebnisse von hoher Relevanz, um unsere bruchmechanische Bewertung im Rahmen der Umstellung abzusichern.

Die bruchmechanische Bewertung in der Veröffentlichung wurde zudem von der IWT-Solutions AG und damit von unabhängigen Dritten vorgenommen. Und schließlich betrachte ich es als Meilenstein, dass die Studienergebnisse im Rahmen eines Peer-Review-Prozesses von internationalen Experten beurteilt und akzeptiert worden sind. Damit sind das Vorgehen und die Ergebnisse anerkannt und belastbar. Bei zukünftigen Umstellungsprojekten können wir auf diese Publikation verweisen.

Das Projekt wurde gemeinsam von der IWT-Solutions AG und der GASCADE Gastransport GmbH umgesetzt. Wie war die Zusammenarbeit?

Julius Langenberg: Wir haben uns sehr gut ergänzt. GASCADE konnte uns als erfahrener Fernleitungsnetzbetreiber mit den notwendigen Informationen zu Belastungen im Rohr, Rohrabmessungen und Werkstoffkennwerten versorgen. Durch die Zusammenarbeit waren wir in der Lage die Bewertung für eine reale Rohrleitung umzusetzen und somit einen Mehrwert für den Umstieg auf die Wasserstoff-Wirtschaft zu kreieren.

Dr. Robert Fussik: Die Zusammenarbeit war konstruktiv und hat uns einen Mehrwert gebracht. So kannte ich unabhängig vom Zeitpunkt der Publikation stets die konkreten Ergebnisse. Das hat unser internes Vorgehen bei der bruchmechanischen Bewertung für die konkrete Umstellung einer unserer Leitungen beschleunigt.

Welche Rolle spielt die Wasserstoff-Wirtschaft für die GASCADE Gastransport GmbH?

Dr. Robert Fussik: Die Studie ist Teil unseres Programms „Flow – making hydrogen happen“, das die weltweit erste Umstellung einer Pipeline mit einem Durchmesser von 1,4 m vorsieht. Grundsätzlich glauben wir an den erfolgreichen Wasserstoff-Markthochlauf und arbeiten intensiv an dessen Gelingen. Im Oktober 2024 haben die deutschen Fernleitungsnetzbetreiber die Genehmigung des Deutschen Wasserstoffkernnetzes durch die Bundesnetzagentur erhalten. Damit liegt ein belastbarer Rechtsrahmen für uns als Netzbetreiber vor, um mit der Transportinfrastruktur in Vorleistung zu treten und so Planungssicherheit für die vor- und nachgelagerten Wertschöpfungsstufen zu schaffen.

Was wünschen Sie sich für die Praxis?

Julius Langenberg: Mehr Mut, Wissenschaft und die praktische Anwendung zusammenzubringen. Wenn wir Wasserstoff als Energieträger ernst nehmen, brauchen wir dafür nicht nur Innovation, sondern auch Sicherheit und Effizienz. Bruchmechanik ist ein Schlüssel, um diese Ziele zu verbinden. Mit einer individuellen Bewertung lassen sich sehr gute, belastbare Aussagen treffen, ob eine bestehende Infrastruktur weiter genutzt werden kann. Entscheidend ist, die realen Belastungen, die Materialkennwerte und die Randbedingungen des Wasserstoffes und des Rohrs zu analysieren. Dafür haben wir die methodische Grundlage gelegt.

Die vollständige Publikation finden Sie hier: asmedigitalcollection.asme.org/pressurevesseltech/article-abstract/Evaluation-of-Existing-Natural-Gas-Pipelines-for-Repurposing-to-Hydrogen-Transport-by-Means-of-Fracture-Mechanics