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2023
Master Thesis
Title
Machbarkeitsstudie für die Implementierung eines Wasserstoffnetzes zur Wärmebereitstellung in einem urbanen Raum
Other Title
Feasibility study for the implementation of a hydrogen grid for the heat supply of an urban area
Abstract
Die von der deutschen Bundesregierung bis zum Jahr 2045 angestrebte Treibhausgasneutralität erfordert den strukturellen Wandel der Energiewirtschaft. Besonders im Gebäudesektor besteht Handlungsbedarf. Im Jahr 2020 war dieser der Einzige, in dem das sektorspezifische Ziel der Emissionsreduzierung verfehlt wurde [1].
Verschiedene klimafreundliche Alternativen zu fossilen Energieträgern für die Wärmeversorgung kommen in Frage. Dabei betrachtet die deutsche Bundesregierung gasförmige Energieträger auch in Zukunft als unverzichtbar. Denn die bestehende Gasinfrastruktur ist weit ausgebaut und eng vermascht. Außerdem verfügen die Hälfte der Bestandsgebäude bereits über einen Gasanschluss [2]. Die vorliegende Arbeit betrachtet die Umwidmung des bestehenden Erdgasverteilnetzes hin zu einem Wasserstoffnetz. Konkret wird für eine beispielhaft ausgelegte deutsche Kleinstadt mit 1740 Gebäuden dargestellt, wie die Transformation der Gasinfrastruktur aussehen könnte, wenn das Umsetzungsziel für die Wasserstoffversorgung der Gebäude mit Gasanschluss auf das Jahr 2045 festgelegt wird. Zu der Untersuchung gehören: Die Abschätzung des benötigten Wasserstoffbedarfs sowie des zeitlichen Arbeitsaufwandes für Umrüstungsarbeiten und eine detaillierte Kostenbetrachtung der Umrüstung für Verteilnetzbetreiber und Gaskunden. Untersuchte Sensitivitäten unterscheiden sich hinsichtlich der Wasserstofftoleranz von Gasleitungen und Gasnetzkomponenten im Bestand, sowie der Geschwindigkeit, in welcher die Wasserstofftoleranz des Gesamtsystems zunimmt. Zur Beantwortung der Forschungsfragen wurde eine mehrstufige Methodik entwickelt, die mit Hilfe von QGIS, Pandapipes und Excel, sowie der Verwendung von ausschließlich öffentlich zugänglichen Daten, die Transformation eines Gasnetzes simuliert. Die Modellierung ergab einen Wasserstoffbedarf von 0,024 bis 0,0304 TWh/Jahr. Des Weiteren konnte ermittelt werden, dass allein die Umrüstung von Gasfeuerungsanlagen für eine Fachkraft bis zu dreieinhalb Jahre in Anspruch nimmt. Bezüglich der Kosten für die Umrüstung wird deutlich, dass, falls die Gasleitungen im Bestand materialseitig wasserstofftolerant sind, die größten direkten Kosten für neue Gasfeuerungsanlagen anfallen. Diese müssten von den Endnutzern getragen werden. In zukünftigen Forschungsarbeiten sollte der Fachkräftemangel und die daraus entstehenden Verzögerungen bzw. Aufwände genauer betrachtet werden. Mithilfe einer verbesserten Datengrundlage können außerdem die Ergebnisse hinsichtlich des Wasserstoffbedarfs und Umrüstungskosten verifiziert werden.
Verschiedene klimafreundliche Alternativen zu fossilen Energieträgern für die Wärmeversorgung kommen in Frage. Dabei betrachtet die deutsche Bundesregierung gasförmige Energieträger auch in Zukunft als unverzichtbar. Denn die bestehende Gasinfrastruktur ist weit ausgebaut und eng vermascht. Außerdem verfügen die Hälfte der Bestandsgebäude bereits über einen Gasanschluss [2]. Die vorliegende Arbeit betrachtet die Umwidmung des bestehenden Erdgasverteilnetzes hin zu einem Wasserstoffnetz. Konkret wird für eine beispielhaft ausgelegte deutsche Kleinstadt mit 1740 Gebäuden dargestellt, wie die Transformation der Gasinfrastruktur aussehen könnte, wenn das Umsetzungsziel für die Wasserstoffversorgung der Gebäude mit Gasanschluss auf das Jahr 2045 festgelegt wird. Zu der Untersuchung gehören: Die Abschätzung des benötigten Wasserstoffbedarfs sowie des zeitlichen Arbeitsaufwandes für Umrüstungsarbeiten und eine detaillierte Kostenbetrachtung der Umrüstung für Verteilnetzbetreiber und Gaskunden. Untersuchte Sensitivitäten unterscheiden sich hinsichtlich der Wasserstofftoleranz von Gasleitungen und Gasnetzkomponenten im Bestand, sowie der Geschwindigkeit, in welcher die Wasserstofftoleranz des Gesamtsystems zunimmt. Zur Beantwortung der Forschungsfragen wurde eine mehrstufige Methodik entwickelt, die mit Hilfe von QGIS, Pandapipes und Excel, sowie der Verwendung von ausschließlich öffentlich zugänglichen Daten, die Transformation eines Gasnetzes simuliert. Die Modellierung ergab einen Wasserstoffbedarf von 0,024 bis 0,0304 TWh/Jahr. Des Weiteren konnte ermittelt werden, dass allein die Umrüstung von Gasfeuerungsanlagen für eine Fachkraft bis zu dreieinhalb Jahre in Anspruch nimmt. Bezüglich der Kosten für die Umrüstung wird deutlich, dass, falls die Gasleitungen im Bestand materialseitig wasserstofftolerant sind, die größten direkten Kosten für neue Gasfeuerungsanlagen anfallen. Diese müssten von den Endnutzern getragen werden. In zukünftigen Forschungsarbeiten sollte der Fachkräftemangel und die daraus entstehenden Verzögerungen bzw. Aufwände genauer betrachtet werden. Mithilfe einer verbesserten Datengrundlage können außerdem die Ergebnisse hinsichtlich des Wasserstoffbedarfs und Umrüstungskosten verifiziert werden.
Thesis Note
Aachen, TH, Master Thesis, 2023
Author(s)
Rights
Under Copyright
Language
German