Brennwert: Fiskalische Messung im Zeitalter von komplexen Gasgemischen

Autoren: Konrad Domanski, Product Manager Gas Metering Solutions, Sensirion und Andreas Rüegg, Senior R&D Engineer, Sensirion

Bisher wird der Energieverbrauch der Erdgasverbraucher in kWh abgerechnet. Die zur Messung dieses Verbrauchs verwendeten Gaszähler können jedoch nur das Volumen des durchströmenden Gases messen. Zudem erfolgt die Volumenmessung aktuell ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Temperatur- und Druckschwankungen (diese werden von den Versorgungsunternehmen auf statistischer Basis vorgenommen). Um den Energieverbrauch zu ermitteln, müssen die Gasversorger neben dem Normvolumen auch den Brennwert (CV – Calorific Value) des Gases kennen, mit dem jeder Verbraucher versorgt wird:

Energie = Normvolumen x Brennwert

Heute löst man dieses Problem, indem man Gaschromatographen (GC) an Einspeisepunkten im Netz installiert und allgemeine Annahmen über Temperatur und Druck des an die Verbraucher gelieferten Gases trifft. In der Folge geht man davon aus, dass alle Verbraucher hinter den Einspeisepunkten Gas von gleicher Qualität erhalten. Für gewöhnlich liegt der CV zwischen 30 MJ/m3 für L-Gas und 45 MJ/m3 für H-Gas und Flüssigerdgas (LNG). In der Praxis ist dieses Fenster jedoch in der Regel kleiner, da in einem bestimmten Gebiet jeweils nur eine Gasart verteilt wird. Für die meisten H-Gase liegt der CV im Bereich von 37 bis 43 MJ/m3.

Die getrennte Messung von Volumen und CV bedeutet, dass man den Gaszähler vereinfachen kann, was in der Vergangenheit auch die kosteneffizienteste Lösung war. Die OIML R140 schreibt drei Genauigkeitsklassen für die CV-Messung vor: A (0.5 %), B (1 %) und C (2 %). Derzeit sind in den meisten Ländern nur Geräte der Klasse A oder B für Messungen zu Abrechnungszwecken zugelassen. 

Der aktuelle Trend in der weltweiten Energieversorgung geht dahin, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energien zu ersetzen. Im Falle von Erdgas wird dieser Übergang voraussichtlich in Form eines schrittweisen Ersatzes von Erdgas durch Biomethan und Wasserstoff erfolgen, bevor ein möglicher Übergang zu reinem Wasserstoff erfolgt. Daher veröffentlichen viele Länder jetzt ihre Wasserstoffstrategien und passen ihre Richtlinien an, um sich auf diesen Übergang vorzubereiten, beispielsweise durch die Vorschrift, dass alle im Vereinigten Königreich verkauften Heizkessel ab 2025 wasserstofftauglich sein müssen. Gleichzeitig werden weltweit zahlreiche Pilotprojekte gestartet, um zu testen, ob das Netz für die Einführung erneuerbarer Gase – insbesondere Wasserstoff, dessen Eigenschaften sich deutlich von denen von Erdgas unterscheiden – bereit ist.

Die Erzeugung von erneuerbaren Gasen wird weitaus stärker dezentralisiert sein als die derzeitige Gasversorgung. Biomethan kann aus Biomasse, in Kläranlagen, auf Mülldeponien oder in landwirtschaftlichen Grossbetrieben hergestellt werden. Wasserstoff kann in erneuerbaren Kraftwerken als Energiespeicher, aus Biomasse oder auch von kleinen Stromerzeugern produziert werden, die überschüssige Energie durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln. Durch die Einspeisung dieser erneuerbaren Gase in das Netz dürfte sich die Zahl der Einspeisepunkte deutlich erhöhen, was sich wiederum auf den Brennwert des Gases auswirkt, das an die Endverbraucher abgegeben wird.

In einer 2020 durchgeführten Studie des Verbands der italienischen Messgerätehersteller (ACISM) wurde der Brennwert von Gas in der Nähe von zwei Biomethan-Einspeisepunkten in Italien untersucht. Aufgrund des höheren CO2-Gehalts und der fehlenden komplexen Kohlenwasserstoffgase hat Biomethan in der Regel einen niedrigeren CV als Erdgas. Die Autoren stellten fest, dass der in der Nähe der Einspeisepunkte gemessene CV im Durchschnitt 5% bis 6% unter dem Referenzwert lag, der für die Abrechnung mit den Kunden an diesem Ort verwendet wurde. Dies zeigt, dass der derzeitige Ansatz der sehr präzisen Messungen der Klasse A oder B (0.5 bis 1 %) an den Ortseingängen, die weit von den Endverbrauchern entfernt sind, keine gerechte Abrechnung für die Verbraucher nach sich zieht, die sich in der Nähe der Einspeisepunkte für erneuerbare Gase befinden. Mit der zunehmenden Anzahl von Einspeisepunkten und vor allem mit der Beimischung von Wasserstoff (der Brennwert von Wasserstoff beträgt nur 1/3 des Brennwerts von Erdgas) wird das Problem noch gravierender und betrifft immer mehr Verbraucher.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, an allen neuen Einspeisepunkten einen Gaschromatographen einzusetzen und den Brennwert des über das Netz verteilten Gases zu bestimmen. Je nach Zahl der neuen Einspeisepunkte in verschiedenen Gebieten kann dieser Ansatz bereits ausreichen. Bei Kosten von mehreren Tausend Euros pro Geräte und zusätzlichen Betriebs- und Wartungskosten ist die Skalierbarkeit dieses Ansatzes jedoch begrenzt.

Ein anderer möglicher Ansatz ist die punktuelle Messung des Brennwerts von Gas im Netz und die Kombination mit Daten, die von vorhandenen Smart-Metern übermittelt werden (Durchfluss, Temperatur, Druck, möglicherweise auch die Gaseigenschaften), um den Brennwert bei jedem Verbraucher zu simulieren. Ein solcher Ansatz muss jedoch noch erfolgreich umgesetzt werden. Darüber hinaus wäre eine MID-Zertifizierung erforderlich, um dieses Verfahren für die Kundenabrechnung zuzulassen.

Die umfassendste Lösung wäre eine Brennwertmessung, die deutlich näher am Verbraucher erfolgt und an den Einspeisepunkten vorbeiführt. Letztlich können die Zähler selbst die direkte Messung des Energieverbrauchs übernehmen. 

Auch eine Kombination mehrerer Ansätze ist denkbar: So könnten beispielsweise punktuelle Brennwertmessungen mit Gaschromatographen mit dem Einsatz von weniger genauen, aber wesentlich preiswerteren Energiemessgeräten kombiniert werden, um den möglichen Umfang der Gaszusammensetzung für letztere einzugrenzen und ihre Genauigkeit zu erhöhen. Für welche Lösung man sich entscheidet, hängt von einer sorgfältigen Kosten-Nutzen-Analyse der verschiedenen Optionen ab.

Mit mehr als 6 Millionen installierten Zählern ist die Thermal-Mass-Technologie für die Gasmessung auf dem Vormarsch die traditionelle mechanische Technologie abzulösen. Die Grundidee des thermischen Massenflussmessprinzips basiert auf einem Mikro-Heizelement sowie einem flussaufwärts und einem flussabwärts integrierten Temperatursensor. Fliesst Gas durch das Mikro-Heizelement, wird ein Temperaturprofil auf der Membran generiert. Thermische Massendurchflussmesser liefern den um Temperatur- und Druckschwankungen korrigierten Gasvolumenstrom und andere für die Zähler- und Netzdiagnose nützliche Gasparameter (Gaseigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit oder Diffusionsfähigkeit, Absolutdruck usw.). Die Technologie wurde erfolgreich für den Einsatz mit Erdgas, Wasserstoffgemischen, reinem Wasserstoff und Biomethan getestet.

Die gemessenen thermischen Eigenschaften können mit dem Brennwert des Gases und dem Wasserstoffgehalt im Gemisch korreliert werden. Die thermischen Gaszähler von Sensirion können bereits heute den Brennwert der verteilten Gase mit einer Genauigkeit von 2% bestimmen. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse von a) Messungen und b) Simulationen der Brennwertmessgenauigkeit über ein breites Spektrum von Erdgaszusammensetzungen (ohne Wasserstoffzusatz). Die gestrichelten Linien markieren die Genauigkeitsgrenzen der OIML-Klasse C. Zum Vergleich zeigt c) die Simulation mit einem Ultraschallsensor mit optimaler Temperatur- und Druckkompensation. Für die Simulationen wurden über 1′000 tatsächliche Gasgemische verwendet. Hierzu gehören H-, L- und E-Erdgase, LNG-Gemische sowie Biogase. Biogase werden hier als ein binäres oder ternäres Gemisch aus CH4, CO2 und C3H8 definiert, wobei die beiden letztgenannten Komponenten zusammen bis zu 30 % des Gases ausmachen. Die Messungen in Abbildung 4 a) wurden mit verschiedenen H- und L-Gasen durchgeführt (TGH, TGL in der Legende).

Die Möglichkeit, den Brennwert des Gases direkt am Zähler zu messen, ist wohl die wünschenswerteste Lösung, sobald erhebliche Mengen an Wasserstoff und Biomethan ins Netz eingespeist werden. Die thermischen Massendurchflussmesser von Sensirion können bereits heute eine genaue Brennwertschätzung für Flüssigerdgas mit einem Wasserstoffanteil von bis zu 30 % (1 %, OIML R140 Klasse B; Abbildung 5) liefern. Für Gase anderer Familien, die sich mit Wasserstoff vermischen, ist jedoch eine Kombination mit einem weiteren Sensor erforderlich, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Durch die Kombination von thermischen Eigenschaften, wie sie mit handelsüblichen thermischen Massendurchflussmessern gemessen werden, und einer zusätzlichen Gaseigenschaft (Korrelation auf Grundlage von 3 Gaseigenschaften) lässt sich eine präzise Korrelation für eine breite Palette von Gasen mit einem Wasserstoffanteil von bis zu 30 % erzielen. Dasselbe gilt für reinen und nahezu reinen Wasserstoff (95 % Wasserstoff mit bis zu 5 % N2 oder CO2-Verunreinigungen).

Als zusätzlicher Sensor kann beispielsweise ein Ultraschallsensor eingesetzt werden, der die Schallgeschwindigkeit misst. Dies ist die intuitivste Lösung, da die benötigten technologischen Bausteine bereits auf dem Markt verfügbar sind. Die Anforderungen der OIML R140 Klasse C können mit dieser Kombination zwar erfüllt werden, doch müssen die kompatiblen Gaszusammensetzungen eingeschränkt werden. Ob sich eine solche Einschränkung in der Praxis durchsetzen lässt, bleibt abzuwarten. 

Eine optimale Zusammenstellung von Gasmengen, die für die Korrelation mit dem Brennwert verwendet werden, sollte so eng wie möglich mit dem Brennwert verschiedener Gase verbunden sein und gleichzeitig eine möglichst geringe Korrelation untereinander aufweisen. Sensirion hat eine Reihe unterschiedlicher Parameter untersucht, die neben der Wärmeleitfähigkeit und Diffusionsfähigkeit berücksichtigt werden könnten. Wir haben zwei vielversprechende Lösungen bestimmt, die zusammen mit den heute verfügbaren Gaszählermodulen von Sensirion verwendet werden könnten, um Brennwertsensoren der Genauigkeitsklasse B oder C herzustellen. 

Als besonders vielversprechend erweist sich das Messprinzip, das als MEMS-Sensor realisiert werden könnte (Abbildung 6 a)) – und das zu einem sehr attraktiven Preis-Leistungs-Verhältnis. Die erreichbare Genauigkeit von 2 % würde es ermöglichen, kostengünstige Brennwertmesser der Klasse C herzustellen.

Abbildung 6 b) zeigt die Kombination des von Sensirion angebotenen Sensors zur Messung der thermischen Masse mit einem optischen Sensor. Mit dieser Lösung liesse sich der Brennwert mit einer Genauigkeit von 1 % messen und wäre damit auch für Brennwertzähler der Klasse B geeignet. Von der Genauigkeit her könnte diese Lösung eher akzeptabel sein, auch wenn sie mit höheren Kosten verbunden ist als die MEMS-basierte Lösung.

MEMS- und optische Sensoren können in bestehende Gaszählermodule von Sensirion integriert werden, um einen Zähler herzustellen. In diesem Fall könnte die Durchflussmessung nach OIML R137 Klasse 1.5 mit der Brennwertmessung der Klasse B oder C kombiniert werden, um eine einfache, kostengünstige und skalierbare Lösung zu realisieren, die für eine beliebige Anzahl künftiger Netzeinspeisepunkte geeignet ist.

Fazit

Aufgrund der homogenen Gasqualität im Netz hat die getrennte Messung von Brennwert (gemessen an den Einspeisepunkten) und Volumen (gemessen bei jedem Verbraucher) in der Vergangenheit zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt. Mit der zunehmenden Zahl von Einspeisepunkten für erneuerbare Gase dürfte sich das Kosten-Nutzen-Verhältnis bei einer Skalierung des derzeitigen Ansatzes jedoch deutlich verschlechtern. Derzeit werden Brennwertmessungen mit einer Genauigkeit der Klassen A und B in einiger Entfernung vom Endverbraucher vorgenommen, doch gibt es Technologien, mit denen der Brennwert näher am Kunden gemessen werden kann, und dies zu einem Bruchteil der Kosten. Eine mögliche Lösung für die Zukunft ist der Einsatz direkt messender Zähler, die auf der Gaszählertechnologie von Sensirion basieren und eine Genauigkeit der OIML R140 Klasse B (1 %) oder C (2 %) bei der Brennwertmessung und eine Genauigkeit der Klasse 1.5 bei der Volumenstrommessung erlauben. Sobald die Vorschriften eine direkte Energiemessung mit einer Brennwertmessung der Genauigkeitsklasse B oder C erlauben, wird Sensirion eine wirtschaftliche, mit Wasserstoff und Biomethan kompatible Lösung anbieten können, die die Volumen- und Brennwertmessung in einem Gaszähler kombiniert.

Dazugehörige Sensoren