Erdgas-Speicherung: Methoden, Grundlagen und Anwendungen

Erdgas ist ein zentraler Energieträger in der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) und spielt eine bedeutende Rolle in der Energieversorgung von Gebäuden. Da Erdgas nicht kontinuierlich erzeugt, sondern bedarfsgerecht bereitgestellt werden muss, ist eine effiziente und sichere Speicherung essenziell. In diesem Fachbeitrag werden die Grundlagen, Methoden und Anwendungen der Erdgasspeicherung sowie ihre Bedeutung für die TGA erläutert.

Grundlagen

Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan und wird in verschiedenen Formen gespeichert, abhängig von der Anwendung, den physikalischen Eigenschaften des Gases und den technischen Anforderungen. Die wesentlichen Speicherformen sind:

1. Unterirdische Speicherung:

Porenspeicher: Nutzung geologischer Formationen wie Sandstein, der Erdgas durch Poren aufnehmen kann. Diese Methode eignet sich besonders für saisonale Schwankungen.
Kavernenspeicher: Verwendung von künstlich geschaffenen Hohlräumen in Salzstöcken, die hohe Drücke aushalten können.
Aquiferspeicher: Unterirdische Wasserschichten dienen als Speicher, allerdings mit geringerer Verfügbarkeit in Deutschland.

2. Oberirdische Speicherung:

Druckbehälter: Speicherung in Stahl- oder Verbundwerkstofftanks unter hohem Druck (CNG, Compressed Natural Gas).
Flüssigerdgas (LNG): Speicherung bei -162 °C in isolierten Behältern, wodurch das Volumen erheblich reduziert wird.

3. Pipeline-Netzwerke:

Pipeline-Systeme dienen oft als dynamischer Speicher, indem sie kurzfristige Bedarfsschwankungen ausgleichen.

Formeln

Speicherkapazität eines Druckspeichers:

Die maximale Speicherkapazität eines Behälters kann berechnet werden mit:

$V_{\text{Gas}} = V_{\text{Behälter}} \cdot \frac{p_{\text{Betrieb}}}{p_{\text{Umgebung}}}$

$V_{\text{Gas}}$ : Speichervolumen des Gases [m³]
$V_{\text{Behälter}}$ : Volumen des Speichers [m³]
$p_{\text{Betrieb}}$ : Betriebsdruck im Speicher [Pa]
$p_{\text{Umgebung}}$ : Umgebungsdruck [Pa]

Energiegehalt des gespeicherten Erdgases:

Der Energiegehalt eines Speichers kann mit dem Brennwert des Gases berechnet werden:

$E = V_{\text{Gas}} \cdot H_{\text{s}}$

$E$ : Energiegehalt [kWh]
$H_{\text{s}}$ : Brennwert von Erdgas [kWh/m³]

Thermodynamik von LNG:

Für die Verflüssigung gilt die Clausius-Clapeyron-Gleichung:

$\ln \left( \frac{p_2}{p_1} \right) = \frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R} \cdot \left( \frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2} \right)$

$\Delta H_{\text{vap}}$ : Verdampfungsenthalpie [J/mol]
$R$ : Universelle Gaskonstante [J/(mol·K)]
$T_1$ , $T_2$ : Temperaturen [K]
$p_1$ , $p_2$ : Drücke [Pa]

Anwendungsbeispiel

Ein typisches Beispiel ist die Nutzung eines Druckspeichers in einer Wohnanlage mit Blockheizkraftwerk (BHKW). Das BHKW benötigt eine konstante Erdgasversorgung, während der Gasbezug aus dem Netz Schwankungen unterliegt. Ein Druckspeicher mit 10 m³ Volumen und einem Betriebsdruck von 200 bar kann dabei als Puffer dienen.

Berechnung:

Betriebsdruck: $200 \, \text{bar} = 2 \cdot 10^7 \, \text{Pa}$
Umgebungsluftdruck: $1 \, \text{bar} = 10^5 \, \text{Pa}$
Gasvolumen:
$V_{\text{Gas}} = 10 \cdot \frac{2 \cdot 10^7}{10^5} = 2000 \, \text{m}^3$
Energiegehalt (bei $H_{\text{s}} = 10 \, \text{kWh/m}^3$ ):
$E = 2000 \cdot 10 = 20000 \, \text{kWh}$

Geschichte innerhalb Deutschlands

Die Speicherung von Erdgas begann in Deutschland in den 1960er Jahren mit der Nutzung unterirdischer Porenspeicher, insbesondere in Norddeutschland. Die Entwicklung von Kavernenspeichern in den 1980er Jahren markierte einen technologischen Fortschritt, der größere Kapazitäten und höhere Drücke ermöglichte. Die Einführung von LNG-Speicherung in den 2000er Jahren wurde durch die zunehmende Bedeutung internationaler Gasimporte vorangetrieben.

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Flexibilität: Speicherung ermöglicht die Deckung von Spitzenlasten.
Sicherheit: Ermöglicht eine kontinuierliche Energieversorgung bei Versorgungsunterbrechungen.
Energieeffizienz: Direkte Nutzung in der TGA reduziert Verluste.

Nachteile:

Kosten: Hohe Investitionskosten, insbesondere für unterirdische Speicher.
Platzbedarf: Oberirdische Speicher erfordern große Standorte.
Risiken: Explosions- und Umweltgefahren bei unsachgemäßem Betrieb.

Ergänzende und wichtige Gesetze innerhalb Deutschlands

Energiewirtschaftsgesetz (EnWG): Regelt die Speicherung und den Transport von Gas.
TRBS 3145/TRGS 745: Vorschriften für den sicheren Betrieb von Druckbehältern.
DIN EN 1918: Technische Regeln für unterirdische Gasspeicherung.
BImSchG: Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Gasspeichern.