Präzise Messung der Feuchtigkeit in Erdgas

Erdgas ist trotz der Vorstöße in Richtung erneuerbarer Energien noch für Jahre ein dringend erforderlicher Brennstoff für industrielle und stromerzeugende Anwendungen sowie die private Versorgung. Zur Verringerung des Anteils fossiler Brennstoffe wird derzeit sowohl die Wasserstoff- als auch die Biomethaneinspeisung in die Verteilungsnetze weiter hochgefahren. Um schwankende Nachfragen auszugleichen, lagern die Energieunternehmen das Erdgas unter anderem in erschöpften Öl- und Gasfelder oder Salzkavernen. Dadurch wird es aber mit Feuchtigkeit gesättigt und muss getrocknet werden, bevor es in die Netze eingespeist wird.

Feuchtigkeitsgehalt in Erdgas

Ein zu hoher Feuchtigkeitsgehalt des Erdgases bei der Einspeisung in nachgelagerte Transportleitungen fördert die Hydratbildung, die zu einer Verstopfung der Pipeline und Schäden an den Kompressoren führen kann. Hinzu kommt, dass die vertragliche Spezifikation, die der Fernleitungsnetzbetreiber für den maximalen Feuchtigkeitsgehalt vorschreibt, erfüllt sein muss. Eine genaue Kontrolle der Feuchtigkeitskonzentration durch eine präzise Messung ist somit für den sicheren und effizienten Betrieb unerlässlich.

Zeigt das Messgerät beispielsweise einen zu hohen Wert an, verzögert das nicht nur die Freigabe des Gases. Es werden dadurch auch mehr Entfeuchtungsvorgänge durchführt als nötig; und das erhöht die Kosten. Eine Unterschätzung des Wertes hingegen führt dazu, dass der Betreiber dem Gas nicht genügend Feuchtigkeit entzieht, mit den genannten Folgen für Pipeline und Kompressoren. Für die Messungen der Feuchte stehen den Energieunternehmen eine Reihe von Technologien zur Verfügung. Dazu gehören Impedanz- und kapazitive Sensoren, Taupunktspiegel, Schwingquarz-Analysatoren (QCM) sowie abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektrometer (TDLAS) – jede mit Vor- und Nachteilen in Bezug auf Genauigkeit, Geschwindigkeit und Kosten.

Verunreinigung durch Glykol

Die gebräuchlichste und kostengünstigste Methode, Wasser aus Erdgas zu entfernen, ist der Einsatz von Glykol als flüssiges Trocknungsmittel in einem Glykolabsorber- oder Kontaktorverfahren. Dieser Ansatz ist gut etabliert, birgt aber auch Risiken, da Glykol durch zu hohe Gasgeschwindigkeiten zusammen mit dem trockenen Erdgasstrom aus dem oberen Teil der Kolonne herausgedrückt werden kann. Glykol hat aber eine hohe Dielektrizitätskonstante, so dass es von jedem nachgeschalteten Feuchtigkeitssensor mit kapazitiven Metalloxid-/Impedanzsensoren erkannt wird und dieser dadurch ungenaue Messwerte liefert.

Im Vergleich dazu arbeiten abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektrometer (TDLAS) unabhängig von einer Glykolverschmutzung. Bei dieser berührungslosen Messmethode wird aus einer gemessenen Absorption die Konzentration oder Dichte des zu untersuchenden Gases bzw. der Gasbestandteile bestimmt. Bestehende TDLAS-Analysatoren scheinen also auf den ersten Blick eine gute Lösung für die Bestimmung des Feuchtegehalts zu bieten. Erdgas ist aber ein Gasgemisch aus einer breiten Palette von Kohlenwasserstoffen; von leichten, kurzkettigen Aliphaten (nicht-aromatische Verbindungen) bis hin zu schweren, langkettigen Molekülen. Diese sehr unterschiedlichen Zusammensetzungen des Erdgases können nicht nur die Messungen verfälschen, sondern wirken sich zudem auf die Nachweisgrenzen und die Genauigkeit aus.

Meist wird versucht die Auswirkungen dieser Wechselwirkungen durch eine Kalibrierung des Analysators für die verwendete Gaszusammensetzung abzufedern. Das funktioniert bei den häufig stark schwankenden Bestandteilen des Erdgases aber nicht immer wie gewünscht und führt so zu Fehlern, die außerhalb der Leistungsangaben der Hersteller liegen. Eine spezifizierte TDLAS-Leistungsgrenze von ±4 ppm lässt beispielsweise auf ein sogenanntes Vertrauensband von etwa 2 °C Taupunkt schließen. Realistisch gesehen könnte diese Abweichung bis zu 20ppmv betragen und an jedem Messpunkt auftreten, an dem sich die Zusammensetzung des Erdgases ändert. Typisches Beispiel sind Ferngasleitungen, die von mehreren Gasquellen gespeist werden und die eventuell auch noch einer Brenngaseinspeisung wie z. B. mit Biomethan nachgeschaltet sind. Die Auswirkungen insgesamt gesehen sind enorm, da der zusätzliche Fehler das Vertrauensband auf etwa 14 °C Taupunkt erhöht.

Feuchtigkeit mit einer Genauigkeit von 1ppmv messen

Eine Lösung des Problems verspricht ein Analysator der nächsten Generation, der zusätzlich zu seiner Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen auch Schwankungen in der Gaszusammensetzung durch spezielle Algorithmen in der Spektroskopie automatisch ausgleicht. Der OptiPEAK TDL600 von Michell ist in der Lage, den Feuchtigkeitsgehalt in Erdgas mit einer Genauigkeit von 1ppmv (<100 ppmv) zu bestimmen – selbst bei Vorhandensein von sauren Komponenten wie Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff sowie unterschiedlichen Wasserstoffgehalten. Die berührungslose Technologie erfordert nur minimale Wartung, selbst bei anspruchsvollen Anwendungen wie wechselnden Methankonzentrationen oder Sauergas. Der Analysator ist zudem vollständig für explosionsgefährdete Bereiche zertifiziert und bietet eine in seiner Klasse führende Messleistung, Stabilität und Nachweisempfindlichkeit.

Die hohe Genauigkeit ist deshalb besonders relevant, da nicht nur die Einspeisung von Biomethan ansteigt, auch die Wasserstoffeinspeisung zur Verringerung des Anteils fossiler Brennstoffe in der Erdgasversorgung wird weiter hochgefahren. In den Netzen der EU-Länder sind Steigerungen der H2-Einspeisung von bis zu 20 % geplant, die durch Elektrolyse von Wasser aus überschüssigem Solar- und Windstrom erzeugt werden soll. Es hat sich gezeigt, dass erhöhte Wasserstoffgehalte keine Auswirkungen auf die Messgenauigkeit des OptiPEAK TDL600 von Michell haben. Dies bestätigen unabhängige Tests, die von DBI Gas- und Umwelttechnik in Leipzig durchgeführt wurden. Selbst eine Zugabe von 10 mol% H₂ in Erdgas zeigte keinen negativen Einfluss auf die Genauigkeit und die Gesamtmessleistung des Analysators.

Fazit

Der Michell's OptiPEAK TDL600 ermöglicht den Feuchtigkeitsgehalt in realen Erdgaszusammensetzungen mit einer Genauigkeit von ±1ppm_v zu bestimmen – wesentlich präziser als vergleichbare TDLAS-Analysatoren. Dies schützt sowohl vor unnötigen Prozesskosten durch Übertrocknung als auch vor Abschaltungen aufgrund von zu pessimistischen Messungen.  

Author: Rolf Kolass