Wellheadtechnologie für Wasserstoffkavernen
EEK 2022, Hartmann H2Cast Etzel Wellheads
Autoren: Norman Holenstein, Sales & Projektmanager, Hartmann Valves GmbH
Mit dem Startschuss für das norddeutsche Pilotprojekt „H2Cast Etzel“ wird mit dem Projektpartner Hartmann Valves ein optimales Design für wasserstofftaugliche Bohrlochköpfe erarbeitet. Im Mittelpunkt stehen dabei Konstruktionsanpassungen in Bezug auf eine maximale Betriebssicherheit bei dem anspruchsvollen Medium Wasserstoff. Zudem geht es um die Frage, inwieweit zukünftig auch bestehende Bohrlochköpfe der Gaskavernen für einen Wasserstoffbetrieb umgerüstet werden könnten. Das heißt, bis zu welchem Punkt das Wellheaddesign übertragbar ist und an welchen Stellen eine Umrüstung des Bohrlochkopfes erfolgen müsste.
H2CAST Etzel – Untertagespeicherung von Wasserstoff
In dem Wasserstoff-Forschungs & Entwicklungs-Pilotprojekt soll die Machbarkeit der großvolumigen Untertagespeicherung von Wasserstoff demonstriert und im operativen Speicherbetrieb erprobt werden. H2CAST steht dabei für H2CAvern Storage Transition, das heißt die Umrüstung bestehender Kavernen und Anlagen in Etzel für die Speicherung von Wasserstoff als Baustein für ein zukünftiges Energiesystem. Die Untergrundspeicherung von Wasserstoff in Kavernen stellt eine umweltfreundliche Lösung dar, um zukünftig große Energiemengen zum Ausgleich zwischen Erzeugung und Bedarf zu speichern. Unterirdische Kavernenspeicher im Salz sind dabei ideal für die angestrebte großvolumige Speicherung. Im Rahmen des Projektes wird entsprechend auch die Eignung der Salzkavernen am Standort Etzel zur Wasserstoffspeicherung nachgewiesen. Mit derzeit 75 Öl- und Gaskavernen ist Etzel eines der größten Kavernenfelder Europas. Das H2CAST Etzel-Projekt umfasst zwei Kavernen inklusive Kompressorstation und Gastrocknungsanlage. Das bietet den großen Vorteil, dass der Speicherbetrieb inklusive Ein- und Ausspeichern zwischen den Kavernen abgebildet werden kann. So kann man unter realen Bedingungen wie etwa Temperaturschwankungen testen oder auch unterschiedliche Drucksituationen durchspielen.
Mögliche Konstruktionsmerkmale
In der ersten Phase des Pilotprojekts „H2Cast Etzel“ wird unter anderem das optimale Konstruktionsdesign der wasserstofftauglichen Bohrlochköpfe erarbeitet. Das betrifft zum einen die Materialauswahl und zum anderen werden weitere Dichtungen und Messstellen am Bohrlochkopf hinzugefügt und Dichtheitsmessungen durchgeführt.
Hartmann Bohrlochköpfe sind standardmäßig mit rein metallisch dichtenden Kugelhähnen nach API 6A ausgestattet, die im Standard eine doppelte Abdichtung gegen den Bohrungsdruck besitzen. Darüber hinaus können doppelte Abdichtungen an den Flanschverbindungen sowie zusätzliche metallische Dichtungen am Wellhead integriert werden. Um Flanschverbindungen zu reduzieren, ist auch ein Solidblock-Design, das heißt die Integration von mehreren Komponenten in einem Block, möglich.
Je nach Ergebnis des Konstruktionsdesigns und der Erprobung aller Komponenten in Phase 2 des Projektes, könnten mit entsprechenden Anpassungen auch bestehende Bohrlochköpfe der Gaskavernen auf H2-Tauglichkeit umgewidmet werden oder umgekehrt die neuen H2-Bohrlochköpfe auf den Gasbetrieb.
Integrierte Kugelhähne für maximale Sicherheit
Das Herzstück für die Betriebssicherheit der Bohrlochköpfe sind die Absperrarmaturen. Aufgrund ihrer Langlebigkeit und Wartungsarmut hat sich zunehmend der Einsatz von Kugelhähnen in der Öl- und Gasindustrie sowie in der tiefen Geothermie durchgesetzt. Im Vergleich zu Gate Valves bieten im Bohrlochkopf integrierte API 6A Kugelhähne eine höhere Sicherheit, da sie weniger zu dazu neigen, zu blockieren, einem geringeren Verschleiß unterliegen und nicht mit Fett gefüllt werden müssen, welches nachgelagerte Anlagenteile verschmutzen könnte. Hartmann Kugelhähne verfügen zudem über eine rein metallische Abdichtung zwischen Kugel und Sitzring und sind auch bei Drücken bis 690 bar gasdicht. Die in der Petrochemie eingesetzten Wasserstoffkugelhähne gewährleisten auch bei extrem hohen Temperaturbereichen Gasdichtheit. So wurden von Hartmann beispielsweise DN 200 PN 420 Armaturen geliefert, die bei 184 bar bei 380°C geschaltet werden, sowie DN 600 PN 420 Kugelhähne, die bei 191 bar und bei 426°C sicher schließen. Auch bei hohen Schalthäufigkeiten, bis zu 200.000 Schaltungen pro Jahr, bieten die Kugelhähne eine zuverlässige und wartungsarme Absperrung. Eine zusätzliche Sicherheit bietet die Option mit zwei Barrieren in Druckrichtung (DIB) oder auf Wunsch eine Twin Ball Valve (TBV) Ausführung, ein doppelter Kugelhahn mit entsprechend bis zu vier Barrieren in einer Armatur. Das Testen in der Rohrleitung kann bei entsprechender Armaturenauswahl mittels der Double Block and Bleed (DBB)-Funktion ermöglicht werden.
Standardisierte Wasserstoffprüfungen
Neben wasserstofftauglichen Bohrlochköpfen und Armaturen werden im Rahmen des H2CAST Etzel-Projekts auch begleitende Materialeignungs- und Dichtheitsprüfungen von Hartmann Valves durchgeführt. Die richtige Auswahl von Werkstoffen sowie standardisierte Druckprüfungen sind entscheidend für den sicheren Umgang mit dem Medium Wasserstoff. Für alle metallischen Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, wird eine standardisierte Materialeignungsprüfung durchgeführt. Hierbei werden die metallischen Werkstoffe auf ihre Resistenz gegenüber Wasserstoffversprödung und damit auf ihre Einsatzfähigkeit für Wasserstoff beurteilt. Als kleines Molekül kann Wasserstoff durch Dichtelemente der Armaturen diffundieren. Deshalb gibt ein umfassender H2 Dichtheitstest Sicherheit, dass die Grenzwerte eingehalten und somit flüchtige Emissionen minimiert werden. Auch im Rahmen des ersten von Hartmann begleiteten Wasserstoffspeicherprojektes 2021 kamen den Wasserstoffprüfungen eine entscheidende Bedeutung zu, um über die Verwendung bestehenden Equipments zu entscheiden. So wurde zunächst die vorhandene Bohrlochkopfausrüstung durch den Hartmann Materialeignungstest umfassend geprüft, um Materialermüdung und Wasserstoffversprödung zu vermeiden. Zusätzlich zu den bestehenden wasserstoffgeeigneten Teilen konstruierte und fertigte Hartmann neue Bohrlochkopfkomponenten, einschließlich metallisch dichtender API 6A Kugelhähne. Im Rahmen der Endabnahme (Factory Acceptance Test - FAT) wurde bei Hartmann vor Ort ein erfolgreicher Wasserstofftest auf Dichtheit durchgeführt. Zudem bietet Hartmann auch das Testen von Equipment anderer Lieferanten auf Wasserstofftauglichkeit an.
