„h2 readiness von gasgeräten“ - dvgw
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„H2-Readiness von Gasgeräten“
Erste Ergebnisse aus dem Projekt Roadmap Gas 2050 |
Teilprojekt „Roadmap Gasanwendungen“
21.06.2021
Frank Burmeister
H2-Verträglichkeiten von Gasanwendungen im häuslichen und
industriellen Bereich
Hintergrund:
• Klimaschutzziele erfordern schnelles Handeln
und eine Reduktion der CO2-Emissionen in
allen Bereichen.
• Wasserstoff kann einen Beitrag leisten auch
über die Beimischung im Erdgasnetz.
Fragestellung:
• Wie verhalten sich Gasendgeräte bei einer
Zumischung von Wasserstoff?
→ Teil der Untersuchungen im
DVGW-Projekt Roadmap Gas 2050
2
Inhalt
1. Theoretischer Hintergrund
2. Aufbau der Testreihen: Testprogramm, Testgase und Gerätetypen
3. Ergebnisse der Tests
4. Status heute und Fazit
3
Theoretischer Hintergrund
4
Wie kann ein H2-Anteil im Gas die Anwendungen beeinflussen?
H2-Zumischung
5
Beeinflusst werden u.a.Lmin, Hs, Ws ,Q
sL = f(xi, T, p, q), ʎ
Die laminare, adiabate Flammengeschwindigkeit ist ein Stoffwert – folgt aus 1-D-Berechnung.
H2 hat einen Wobbe-Index entsprechend der unteren Grenze des H-Gas-Bandes.
Warum funktioniert das trotzdem nicht?
Es sind zu unterscheiden:• Brenner ohne und mit Ventilator,• Voll- und teilvormischende Brenner,• Diffusionsbrenner im
Industriesektor,• Regelungskonzepte• 1-stufige und modulierende Brenner• Zündeinrichtungen• Überwachungseinrichtungen
Wasserstoff und Methan | Wichtige Kenngrößen im Vergleich
Wasserstoff ist im Vergleich zu Methan „reaktionsfreudiger“ (Knallgasversuch), vgl. min.
Zündenergie, Zündbereich, Brenngeschwindigkeit.
Für die Gasgerätetechnik stellen sich hierdurch besondere Anforderungen: Brennerauslegung
(Gemischbildung, Startverhalten, Flammenstabilisierung), Flammenüberwachung und Akustik.
6 Quelle: GWI, 2020
Kenngrößen WasserstoffH2
MethanCH4
Heizwert massebezogen kWh/kg 33,3 13,9
Heizwert volumetrisch kWh/m³ 3,0 10,0
Dichte kg/m³ 0,09 0,72
Untere / obere Zündgrenze in Luft Vol.-% 4 / 75 5 / 15
Minimale Zündenergie (l = 1) mWs 0,02 0,29
Brenngeschwindigkeit in Luft (l = 1) cm/s 275 43
Diffusionskoeffizient in Luft cm²/s 0,61 0,16
Spez. CO2-Emissionen g/MJ 0 55
Einfluss von Wasserstoff auf die kalorischen Kenngrößen:
Wobbe-Index und Heizwert
7 Quelle: GWI, 2020
Bei einer Grenzwertbetrachtung von 100 % CH4 / 0 % H2 bis 0 % CH4 / 100 % H2 weicht der Wobbe-Index um lediglich 10 % ab (wichtiger Kennwert für Gasgeräte im Wärmemarkt), im Heizwert dagegen um ca. 70 % (wichtiger Kennwert z.B. für die Thermoprozesstechnik).
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Rel
ati
ve D
ich
ted
Hei
zwer
tH
iu
nd
Wo
bb
e-In
dex
WS
in M
J/m
3
Anteil H2 im Gemisch mit CH4 in Vol.-%
Hi [MJ/m3] WS [MJ/m3] relative Dichte [-]
ΔHi ca. 70 %
ΔWS ca. 10 %
Flammengeschwindigkeit sL für CH4, H2 und CH4/H2-Gemische
8 Quelle: GWI und Riello, 2020
Die (laminare) Flammengeschwindigkeit im CH4 / H2-Gemisch ändert sich wesentlich erst bei sehr großen H2-Anteilen.
0
50
100
150
200
250
300
350
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 2,20 2,40 2,60 2,80 3,00
Fla
mm
enge
sch
win
dig
keit
sL
in c
m/s
Luftzahl n in m³/m³
CH4 70 % CH4 / 30 % H2 50% CH4 / 50% H2 H2
Flammen-halter
Brenngas-/Luft-Gemisch
(laminare) Flammen-Geschwindigkeit sL
Ausström-geschwindig-keit c
Flamme
Neuentwicklungen nötig
Anpassungen erforderlich
Testprogramm,
Testgase und
Gerätetypen
9
Brennerlauf mit Gaswechsel im stationären Betrieb und bei
Leistungserhöhung/-reduktion
Start
Qmin
Qmax Brennerlauf
TVL/TRL: 80/60 °C und 50/30 °C
Randbedingungen:TLuft = Tumgebung pGas= 20 mbar
Testgase:G 20 als ReferenzgasG 20 + H2 (10, 20 ,30 und 40%)G 231 + H2 (10, 20 ,30 und 40%)G 23 + H2 (10, 20 ,30 und 40%)(EU-Low nur, wenn G23 Probleme zeigt)EU-Low+H2 (10, 20 ,30 und 40%)
20 min 30 min
G 2
0
G 2
0 +
10
% H
2
G 2
0 +
20
% H
2
G 2
0 +
30
% H
2
G 2
0 +
40
% H
2
30 min 30 min 30 min
G 2
0
G 2
0 +
10
% H
2
G 2
0 +
20
% H
2
G 2
0 +
30
% H
2
G 2
0 +4
0% H
2
40 min 30 min 15 min 30 min 30 min
G 2
0
G 2
0
15 min
G 2
0
15 min
*
G 2
0
*
Zeitintervalle abhängig vom Erreichen des stationären Zustands und der Zeitdauer bis zum Vorhandensein der neuen Gasmischung(je nach Gerät und Mischanlage), ca. 2/3 Messzeit
ca. 1minEvtl. kritisch bei Gaswechsel
G 2
0 +
35
% H
2
30 min
G 2
0 +
35
% H
2
G 2
0
15 min
Start- und Stop-Messung
Randbedingungen:TLuft = -15°C pGas= 20 mbar
Worst-case-Start-TestDas Gerät muss starten und die Flamme muss sich am Brenner stabilisieren.
Start
5 min
G 2
0 +
40
% H
2
10 min
Gas
wec
hse
l
G 2
0 +4
0% H
2
5 min
Gas
wec
hse
l
G 2
0 +3
5% H
2
Ga
swe
chse
l
G 2
0 +3
0% H
2
10 min 5 min 10 min 5 min
Kaltstart mit gekühlter Verbrennungsluft
Sto
pS
tart
Sto
pSt
art
Sto
pSt
art
Sto
pSt
art
G 2
0 +2
0% H
2
5 min
Sto
p
(Kaltstart nur G 20+40% H2)
Sto
pSt
art
G 2
0 +
10
% H
2
5 min
Gas
wec
hse
l
Gas
wec
hse
l
Einordnung der Testgase
12
11 12 13 14 15 16 17
7
8
9
10
11
12
13
14
d = 0,25
d = 0,35
d = 0,45
EU low+40% H2
EU low+30% H2
EU low+20% H2
EU low+10% H2
Untergrenze EU
G 231
G 23
G 21+ 20% H2
60% CH4+40% H2
70% CH4+30% H2
80% CH4+20% H2
90% CH4+10% H2
57,652,243,2 61,254,039,6 46,850,4
46,8
43,2
39,6
36,0
32,4
28,8
H-Gas
Grenzen DVGW Arbeitsblatt G 260 / März 2013
d = 0,55
13,1
8,4
15,7
25,2
rel. Dichte d = 0,75
13,6
CH4
G 21
Wobbe-Index Ws,n in MJ/m3 (@ 25 °C / 0 °C)
Bre
nn
wert
Hs,n
in
MJ/m
3 (
@ 2
5 °
C /
0 °
C)
Wobbe-Index Ws,n in kWh/m3 (@ 25 °C / 0 °C)
Bre
nn
wert
Hs,n
in
kW
h/m
3 (
@ 2
5 °
C /
0 °
C)
• Die Anzahl der Testgase wurde
reduziert.
• Wenn das Gerät mit G 231 bzw.
G 23 betrieben werden kann,
muss EU-low nicht getestet
werden.
• G 20 + 20 Vol.-% H2 zeigt, ob
eine relative Dichte von 0,45
angesetzt werden könnte.
• Zur Abklärung weiterer Effekte
wurden Tests mit „Dichtetest-
gasen“ durchgeführt.
Getestete Gerätetypen
Es wurden/werden zunächst „sensible“ Technologien und ein Gerät nach dem
Stand der Technik getestet (Neu- und Altgeräte):
• I2N-Brennwertgeräte
• 1-stufiger Kessel
• teilvormischender Brenner
• mehrfach-Injektorbrenner, modulierend
• 300 kW-Kessel (Gebläse-Brenner)
• BHKW
• Brennstoffzelle
• Kochgeräte
13
Heizsysteme sind im Schnitt 15 Jahre alt
Altersverteilung auf Basis von 96 Erhebungen
14
Durchschnittsalter:
15 Jahre
Ersterhebung im Rahmen des
DVGW-Projekts H2-20 (gemeinsam
mit Avacon) – Zwischenergebnisse ff.
Stand 04. XII/2020
Ergebnisse der Tests (Beispiele zu Haushaltsanwendungen)
15
Ergebnisse bis 40 Vol.-% H2: Brennwertgerät ohne Auffälligkeiten
16
Test mit Gaswechsel, Beispiel: G 20 mit H2
Bisher wurde ein Brennwert-
gerät getestet:
➔ Funktionsfähig ohne
Auffälligkeiten mit
40 Vol.-% H2
• bei schnellem Gaswechsel
von G 20 auf das CH4-/H2-
Gemisch
• bei Unterschreiten der
unteren Grenze für die
relative Dichte mit d = 0,5
(Untergrenze zurzeit bei
d = 0,55)
Ergebnisse bis 40 Vol.-% H2: Kessel mit Injektorbrenner funktionsfähig
17 Quelle: GWI, 2020
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
1100
0
1200
0
1300
0
1400
0
1500
020
30
40
50
60
70
80
90
100
110
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
G 20 & G 20+H2
TVL/TRL: 80/60 °C
TVL in °C
TRL in °C
TAbgas in °C
QTherm. in kW
CH4 in Vol-%
Vo
r- u
nd
Rü
ckla
uft
em
pera
tur
in °
C
Ab
gaste
mp
era
tur
in
°C
Zeit in s
QT
herm
. in
kW
50
60
70
80
90
100
110
CH
4-A
nte
il im
Bre
nn
sto
ff in
Vo
l-%
Einstufiger Kessel:
➔ Funktionsfähig bis zu
40 Vol.-% H2
• bei schnellem Gaswechsel
von G 20 auf das CH4-/H2-
Gemisch
• bei Unterschreiten der
unteren Grenze für die
relative Dichte mit d = 0,5
(Untergrenze aktuell d=0,55)
− Aber ab 30 Vol.-%
akustische Effekte.
Test mit Gaswechsel, Beispiel: G 20 mit H2
Einordnung der Gase für den „Dichtetest“ und der Einfluss der
relativen Dichte
18
13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0
7
8
9
10
11
12
13
14
Dichtetest (Gas_4)
Dichtetest (Gas_2)
Dichtetest (Gas_1)
Dichtetest (Gas_3)Wobbe-Index gleich
Dichte gleich
H2 unterschiedlich
Wobbe-Index gleich
H2 unterschiedlich
Dichte unterschiedlichWobbe-Index gleich
H2 gleich
Dichte unterschiedlich
55,852,248,6 57,654,046,8 50,450,4
46,8
43,2
39,6
36,0
32,4
28,8
H-Gas
Grenzen DVGW Arbeitsblatt G 260 / März 2013
relative Dichte
d = 0,55
13,1
8,4
15,7
25,2
relative Dichte
d = 0,75
13,6
Wobbe-Index Ws,n in MJ/m3 (@ 25 °C / 0 °C)
Bre
nn
we
rt H
s,n
in
MJ
/m3 (
@ 2
5 °
C /
0 °
C)
Wobbe-Index Ws,n in kWh/m3 (@ 25 °C / 0 °C)
Bre
nn
we
rt H
s,n
in
kW
h/m
3 (
@ 2
5 °
C /
0 °
C)
Die Testgase wurden so
gemischt, dass die Effekte
durch den H2-Anteil, den
Wobbe-Index und die relative
Dichte isoliert betrachtet
werden können.
Gaskennwerte DIN EN
ISO 6976
Referenzbedingungen:
(Verbrennung: 25°C /
Volumen: 0°C), p=
1013,25 mbar
Dichtetest
Gas_1
Dichtetest
Gas_2
Dichtetest
Gas_3
Dichtetest
Gas_4
CH4 87,0 81,0 69,5 91,0
N2 10,0
H2 10,0 10,0
C3H8 10,5 3,0
He 13,0 9,0
CO2 6,0
Brennwertgerät: Emissionen bei verschiedenen Gasen und „Dichtetestgasen“
19
5
10
15
20
25
30
35
40
45
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
Dic
htete
st
Gas
_3
Dic
htete
st
Gas
_2
Dic
htete
st
Gas
_1
Dic
htete
st
Gas
_4EU L
ow
G 2
31
(Gre
nze H
-Gas
berei
ch)
QMax.
TVL/TRL: 50/30 °C
CO in ppm
NOX in ppm
CO2 in Vol.-%
O2 in Vol.-%
Luftzahl l [-]
CO
2-
un
d O
2-
An
teil im
Ab
gas in
Vo
l-%
CO
lftr
.- u
nd
NO
x,lft
r.-E
mis
sio
nen
in
pp
m @
0 V
ol-
% O
2
G 2
1+20
Vol.-
H 2
G 2
3G 2
1G 2
0
Lu
ftzah
l l [
-] Luftzahl bei verschiedenen
Brenngasen zeigt keinen
signifikanten Effekt.
Industrieanwendungen
20
Testmessung an einem BHKW
21
Erklärung des Herstellers zu den hohen NOx und CxHy Werten: Bei der Messung wird sichtbar,
dass der Dreiwege-Katalysator bei zu hoher H2-beimischung aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Somit kann er NOx und Kohlenwasserstoffe (CxHy) nicht mehr reduzieren, da ihm das notwendige CO zum Abbau fehlt.
Herausforderung Industrieanwendung
22
Auswirkungen der H2-Zumischung auf die
Brennerleistung und Luftzahl für gleiche Einstellung des Gasdruckreglers und gleiche Luftmenge
Kompensationsmöglichkeiten:
− Konstanthalten von Leistung und Luftzahl
− Anpassung der Luftzahl
Herausforderung:
− Unterschiedliche Brennertypen und Anwendungen,
− Einstellung vor Ort
Einstellung vor Ort:
− Wir grade intensiv diskutiert
Herausforderung:
− Einstellung auf H2-reiches Gas -Wechsel auf Erdgas
InstallationenBeispiel Gasströmungswächter, Leitungsanlage
23
Auszug: Installationen, Gasströmungswächter (GS)-Prüfstand am
Gas- und Wärme-Institut
24
Die Komponenten des GS-Prüfstandes:
Laminar-Flow-Element am GS-Prüfstandes
Gasseitig
• Festanschluss: Druckluft aus der hauseigene Versorgung.
Hiermit kann nach DIN 30652-1 (bzw. „ehemals“ DVGW VP
305-1) geprüft werden.
• Flaschenanschluss: G20, G20/H2-Gemische und H2 als
Testgase
• Flaschenanschluss: Stickstoff zum Spülen der Leitung aus
Sicherheitsgründen.
Messtechnik
• Zur Volumenstrommessung dient ein Laminar-Flow-Element
(LFE) vom Typ Meriam Process Technologies 50MH10-01.25
• In Kombination mit dem LFE wird ein Differenzdruck-
Manometer Halstrup Walcher P26 genutzt.
• Zur Temperaturmessung wird ein Messgerät mit Pt100
Temperatursensor verwendet.
Schließvolumenströme und Schließfaktoren im stationären Betrieb (Mittelwerte)
(Betriebsdruck pmin= 15 mbar)
25
Schließvolumenstrom im stationären Betrieb in m³/h (p= 1013 mbar, T= 15 °C)
Luft G 20G 20+
10 Vol.-% H2
G 20+
30 Vol.-% H2
G 20+
40 Vol.-% H2
G 20+
50 Vol.-% H2100% H2
DN20 2,5 2,66 3,51 3,93 4,19 3,96 4,31
DN20 4,0 4,13 5,57 5,79 6,20 6,77 7,31
DN25 2,5 2,87 3,79 3,92 4,41 4,76 5,10 9,38
DN25 4,0 4,62 6,11 6,35 6,72 7,35 7,83 14,67
DN25 6,0 6,67 8,75 9,52 10,26 11,26 12,26 22,29*
DN32 6,0 6,62 8,68 9,40 10,45 10,72 11,68
DN40 10,0 10,75 14,20 15,37 16,39 18,21 19,51
DN40 16,0 17,66 23,85 25,75 25,90 29,53 33,34
DN50 10,0 11,04 14,62 16,13 17,47 18,62 19,86
Schließfaktors fs im stationären Betrieb [-]
Luft G 20G 20+
10 Vol.-% H2
G 20+
30 Vol.-% H2
G 20+
40 Vol.-% H2
G 20+
50 Vol.-% H2100% H2
1,40 1,40 1,57 1,67 1,58 1,72
1,33 1,39 1,45 1,55 1,69 1,83
1,51 1,52 1,57 1,76 1,91 2,04 3,75
1,49 1,53 1,59 1,68 1,84 1,96 3,67
1,42 1,46 1,59 1,71 1,88 2,04 3,72*
1,41 1,45 1,57 1,74 1,79 1,95
1,38 1,42 1,54 1,64 1,82 1,95
1,49 1,61 1,62 1,85 2,08
1,42 1,46 1,61 1,75 1,86 1,99
*pmin= 20 mbar
fs =ሶVs
ሶVN
ሶVS = Schließvolumenstrom in Τm3 h
ሶVN = Nennvolumenstrom in Τm3 h
Bei dem Prüfling „DN25 6,0“ mit reinem Wasserstoff musste
der Betriebsdruck (pmin) auf 20 mbar erhöht werden, da bei
pmin= 15 mbar der Schließvolumenstrom nicht erreichen
werden konnte.
Normanforderung für Schließfaktor fs: 1,3 < fs < 1,8 erfüllt / nicht erfüllt
Bis ca. 30 Vol.-% H2 sind die Anforderungen für die Gasströmungswächter erfüllt.
Leitungsanlage
26
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Dru
ckve
rlu
st in
Pa
/m
H2-Anteil in Vol.-%
Re < 2300
Der Druckverlust bei 100 % H2 entspricht nach den verwendeten Verfahren (TRGI) etwa dem von Gas mit eine 20 Vol.-%-Anteil.
Verifizierung!
Stand heute und Fazit
27
Die Ergebnisse zeigen: Geräte tolerieren eine Beimischung von 20 Vol.-% H2
28
▪ Die Ergebnisse der durchgeführten Testreihen
zeigen, dass die Geräte mit einem Anteil von
20 Vol.-% H2 im Gasgemisch funktionieren.
▪ Die Grenze der relativen Dichte könnte nach
derzeitigem Untersuchungsstand abgesenkt
werden.
Frank Burmeister
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
29
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