Načrt za prilagoditev plinovodnih omrežij (GTP) je večletni proces, ki se je začel marca 2022, cilj pa je prilagoditev distribucijskih omrežij za plin v smeri podnebne nevtralnosti. V prvi fazi je sodelovalo 180 operaterjev sistemov, tako da je večina omrežnih povezav v Nemčiji že zajeta. Večina okrožij v Nemčiji ima občine, katerih plinovodna omrežja upravlja eno od sodelujočih podjetij. Operaterji sistemov so analizirali svoja omrežja glede na potrebe odjemalcev, stanje decentraliziranega napajanja, oskrbo s strani predhodnih operaterjev sistema in glede na tehnično primernost omrežij za vodik. Te analize se bodo v naslednjih letih še poglobile, načrt za naložbe pa bo pripravljen najpozneje do leta 2025.

Uvod

Nemčija želi do leta 2045 postati podnebno nevtralna in je ta cilj zapisala v zakon. Glede na to, da danes porabi 84 odstotkov fosilne energije na leto, mora torej to porabo do leta 2045 zmanjšati na nič. Vendar bo Nemčija tudi v prihodnosti potrebovala velike količine energije – tudi če bo dosegla pomembne uspehe na področju varčevanja z energijo. Za shranjevanje energije iz obnovljivih virov, proizvedene v Nemčiji, ali za uvoz energije iz obnovljivih virov (trenutno uvozi približno 70 odstotkov energije) so zelo primerni vodik in njegovi stranski proizvodi, kot sta metanol in amonijak. Podnebno nevtralen vodik se namreč lahko proizvaja neposredno iz vode in obnovljive električne energije, na primer z elektrolizo.

Nemčija ima s svojimi plinskimi omrežji zelo razvito infrastrukturo za oskrbo z energijo – že samih omrežij za distribucijo plina je 554.500 km. Poleg polovice gospodinjstev je na distribucijska omrežja priključenih še 1,8 milijona industrijskih in poslovnih odjemalcev. Plinovodna omrežja jih trenutno oskrbujejo z zemeljskim plinom, tj. metanom, vendar jih je mogoče nadgraditi tudi za prenos 100-odstotno podnebno nevtralnega vodika. Na ta način lahko trenutno oskrbo z zemeljskim plinom preoblikujejo v podnebno nevtralno oskrbo.

Slika 1: Poraba energije v Nemčiji 2020 in 2040/45

Vir: Terranets bw GmbH, 2022

Pogled na porabo končne energije v Nemčiji (slika 1) kaže, da je bilo leta 2020 približno 80 odstotkov potreb po energiji pokritih v obliki molekul. Ena ploščica ustreza 100 TWh energije. Razmerje med zeleno in sivo osenčenimi ploščicami ponazarja, da se trenutno le majhen del končne energije zagotavlja na podnebno nevtralen način. Do leta 2040/45 se bo podnebno nevtralna končna energija v skladu s političnimi cilji povečala na 100 odstotkov.

Skupna poraba končne energije se bo zmanjšala z ukrepi za povečanje učinkovitosti. Poleg tega se bo zaradi znatne elektrifikacije povečala količina elektronov, pri čemer je treba premik na sliki razumeti kvalitativno. Ob vseh uspehih pri širjenju električne infrastrukture pa bodo še vedno potrebne velike količine molekularne energije.

Analiza položaja odjemalcev za oskrbo v prihodnosti

Omrežja za distribucijo plina danes z molekularno energijo oskrbujejo ogromno odjemalcev po vsej Nemčiji. V prihodnosti bo to potekalo na podnebno nevtralen način. Tu pa ne gre le za distribucijska omrežja, saj bo morala celotna prihodnja oskrba z vodikom v Nemčiji zadostiti potrebam odjemalcev glede količine, zmogljivosti in kakovosti.

Za ustrezno oblikovanje te oskrbe je treba izhajati iz potreb kupcev. Osrednjo usklajevalno vlogo imajo operaterji distribucijskega sistema. Na eni strani so povezani z vodikovo hrbtenico operaterjev prenosnega sistema, po kateri se bo vodik prenašal v distribucijska omrežja po vsej državi in na mednarodni ravni. Po drugi strani pa poznajo svoje odjemalce in njihove potrebe. Le oni lahko vzpostavijo most med ponudbo in povpraševanjem ter zagotovijo, da bo infrastruktura za oskrbo dimenzionirana tako, da bo ustrezala povpraševanju in bo varna. Poleg preoblikovanja lastnih omrežij imajo operaterji sistemov kot posredniki osrednjo vlogo pri uspešni prilagoditvi sistema za uspešen prehod na vodik.

V Nemčiji se iz distribucijskih omrežij za plin trenutno oskrbuje 1,8 milijona industrijskih in komercialnih podjetij ter približno polovica gospodinjstev. Skupaj s proizvodnjo električne energije iz plina (zlasti s soproizvodnjo toplote in električne energije) je bilo leta 2020 prek distribucijskih omrežij oddanih 742 TWh, tj. več kot 75 odstotkov nemške količine zemeljskega plina.

Analiza povratnih informacij o načrtu GTP kaže, da je industrija v Nemčiji močno razporejena in pomešana z zasebnimi stanovanjskimi stavbami. Z drugimi besedami: industrija večinoma ni prisotna v prostorsko strnjeni obliki. Ločena oskrba industrije z vodikom torej zaradi široke porazdelitve ni smotrna, temveč je treba vodikovo infrastrukturo razviti po vsej državi.

Industrijski procesi pogosto zahtevajo visoke temperature (74 odstotkov procesov potrebuje več kot 500 °C). Toplota te ravni se trenutno proizvaja skoraj izključno s fosilnimi gorivi, v prihodnosti pa jo bo mogoče doseči z vodikom in drugimi podnebno nevtralnimi plini. V številnih primerih tehnološko ni mogoče izvajati teh procesov z električno energijo. Vodik pa ni zelo pomemben le za industrijo. Zlasti v gradbenem sektorju se Nemčija sooča z izjemno obsežno nalogo razogljičenja. Tu so potrebe po energiji materialov velike, predvsem v hladnejši polovici leta, in je v tem obsegu ne bo mogoče nadomestiti z drugimi oblikami energije. Pri širitvi električnega in daljinskega ogrevalnega omrežja je mogoče pričakovati ekonomske in časovne omejitve. Za porazdelitev potrebnih količin energije bo potrebna kombinacija energije snovi (vodik, biometan, sintetični metan), električnih aplikacij (toplotna črpalka, neposredno električno ogrevanje), daljinskega ogrevanja in ukrepov za varčevanje z energijo. Nadaljnje zmanjšanje povpraševanja po energiji je lahko posledica podnebnih in regionalnih demografskih sprememb.

Za prilagoditev stavbnega fonda ne bo toliko časa, kot bi bilo potrebno iz družbenih in socialnih razlogov. S postopnim preoblikovanjem omrežja zemeljskega plina v vodikovo omrežje pa bo lahko podnebna nevtralnost v raznovrstnem fondu 20 milijonov stavb v Nemčiji dosegljiva, ne da bi bilo treba rekordno hitro ustvarjati novo infrastrukturo na vseh področjih. Uporaba vodika v sektorju ogrevanja in prilagoditev omrežij za distribucijo plina v vodikova omrežja dajeta lastnikom stavb več svobode pri doseganju podnebne nevtralnosti lastnih in posebnih stavb. Brez vodika lastnik stavbe nima tržne alternative električni energiji (lesni peleti ne bodo zadostovali za pokritje potrebnih količin energije).

Zagotavljanje energije za oskrbo s toploto pozimi

Prednosti oskrbe z vodikom se pokažejo ravno pozimi, ko so potrebe po ogrevanju največje. V nasprotju z električnimi omrežji so plinovodna omrežja zasnovana za velika sezonska nihanja. Poleg tega se proizvodnja električne energije sezonsko ne povečuje sočasno s povpraševanjem po ogrevanju, zato je poleg plinovodne infrastrukture, načrtovane za obdobje ogrevanja, ne glede na tehnologijo ogrevanja potrebna tudi visoko zmogljiva tehnologija skladiščenja. Po eni strani je vodik medij za shranjevanje nacionalno proizvedene ali uvožene obnovljive energije, po drugi strani pa ga je mogoče shranjevati v velikih količinah v predelanih skladiščih plina. V prihodnosti se bo vodik – tako kot danes zemeljski plin – lahko uporabljal za pokrivanje velikih potreb po energiji med kurilno sezono.

Slika 2: Mesečna primerjava povpraševanja po električni energiji in plinu v povprečno hladnem letu (primer: leto 2017)

Načrtovanje oskrbe z vodikom

V okviru analize potreb po zmogljivostih je bila razdelitev distribucijskih omrežij na t. i. območja prehoda pomemben rezultat načrta za prilagoditev območij plinovodnega omrežja. Območja so opredeljena kot deli omrežja, ki so neodvisna z vidika hidravlike omrežja in so zaradi svoje velikosti primerna za prehod na vodik ali druge podnebno nevtralne pline kot posamezni bloki. Ta območja so podlaga za prihodnje podrobno načrtovanje prehoda. Njihova velikost je bila določena na podlagi ustreznih občinskih predpisov. Lahko so v enem ali več okrožjih, posamezno okrožje pa lahko v celoti ali delno vključuje več območij prehoda. Analiza prikazuje, kako se bo razvijalo povpraševanje po vodiku v sodelujočih podjetjih. Prvi premiki v zahtevah po zmogljivostih z zemeljskega plina na vodik so opazni že pred letom 2030. To jasno kaže, da številni udeleženci predvidevajo ambiciozno prilagoditev svojih omrežij v smeri podnebne nevtralnosti.

Horizont načrtovanja

Od 180 operaterjev sistemov jih je 144 oddalo načrte do leta 2045. Za 33 je bilo obdobje načrtovanja krajše, trije pa niso predložili časovnice. Operaterji distribucijskih sistemov, ki še niso pripravili načrta do leta 2045, so med drugim navedli naslednje razloge:

• načrtovanja ni bilo mogoče dokončati pred rokom za predložitev GTP 2022,
• stališče operaterja sistema še ni znano,
• negotovost.

Za naslednja leta predvidevamo, da se bo delež dokončanih načrtov povečal, saj postopek načrtovanja že poteka, usklajevanje in načrtovanje nemške hrbtenice omrežja za vodik pa še naprej napredujeta. Poleg tega se bodo negotovosti zmanjšale v okviru splošnih prizadevanj za uresničevanje podnebne nevtralnosti.

Načrtovanje in začetek dovajanja H₂

Od 144 operaterjev sistemov s popolnim načrtom jih je 126 pripravilo načrte za vodik, 18 pa jih načrtuje oskrbo samo z metanom.

Operaterji sistemov, ki niso pripravili načrta za vodik, so podali naslednje pripombe (če so jih utemeljili):

• stališče predhodnega operaterja sistema še ni znano,
• negotovost.

Tudi za te primere predvidevamo, da bodo podrobnosti znane v naslednjih letih, po potrebi v zvezi s podnebno nevtralnim metanom. Od 126 operaterjev sistemov, ki načrtujejo prehod na H₂, jih nekaj manj kot polovica poroča o prvem dovajanju H₂ do leta 2030:

• 25 odstotkov načrtuje dovajanje vodika do leta 2028,
• nadaljnjih 23 odstotkov do leta 2030 (skupaj 48 odstotkov),
• nadaljnjih 17 odstotkov do leta 2032 (skupaj 64 odstotkov),
• nadaljnjih 14 odstotkov do leta 2035 (skupaj 78 odstotkov),
• nadaljnjih 19 odstotkov do leta 2040 (skupaj 98 odstotkov),
• 2 odstotka do leta 2045 (skupaj 100 odstotkov).

Prenehanje oskrbe z metanom

Od 144 operaterjev sistemov, ki imajo popoln načrt, 104 leta 2045 ne bodo več kupovali metana od predhodnih operaterjev sistemov. 39 jih bo ohranilo oskrbo z metanom, en sam operater pa ni predložil načrta za oskrbo z metanom. Skupaj z 18 operaterji sistemov, ki bodo ohranili oskrbo izključno z metanom, je tako 21 operaterjev sistemov, ki za leto 2045 načrtujejo podnebno nevtralno oskrbo z metanom in vodikom.

Prehod na vodik – tehnična posodobitev komponent omrežja

Cilj procesa prilagoditve plinske infrastrukture je zagotoviti podnebno nevtralno delovanje z vodikom, biometanom in sintetičnimi plini najpozneje do leta 2045, v nekaterih zveznih deželah že do leta 2040. Za delovanje plinske infrastrukture in aplikacij vodika je treba analizirati celotno dobavno verigo. Poleg ocene tehničnih komponent glede njihove primernosti za uporabo z vodikom in njihovega povezovanja v omrežje to vključuje tudi organizacijske zahteve v vključenih podjetjih.

V obdobju 2023–2025 je treba dele, komponente, sklope in naprave med drugim evidentirati in ovrednotiti ob pomoči podatkovne zbirke H₂ pri nemškem združenju DVGW, ki se še vzpostavlja. Vsebovala bo informacije o pripravljenosti vseh komponent plinske infrastrukture na vodik, tudi trenutno stanje tehnike in izjave proizvajalcev. Tako bo operaterjem sistemov omogočila, da preverijo pripravljenost vgrajenih komponent za obratovanje z vodikom.

Celovite analize stanja tehnike v okviru GTP zagotavljajo podlago za ocenjevanje fizikalno-tehničnih vidikov za pripravljenost plinske infrastrukture na vodik. To naj bi bilo končano najpozneje do leta 2025.

Za pravočasno in popolno vzpostavitev pripravljenosti celotnega omrežja za distribucijo plina v Nemčiji za obratovanje z vodikom so bili v nedavni študiji DVGW določeni razmeroma nizki stroški prilagoditve v skupni višini 13 do 17 milijard evrov do leta 2045.

Stanje na področju raziskav

Združenja, zlasti DVGW, inštituti, proizvajalci in podjetja za oskrbo z energijo, so v zadnjih letih izvedli številne raziskovalne projekte in pobude o možnostih dovajanja vodika in združljivosti materialov, delov in komponent obstoječega omrežja z vodikom.

Vsa vprašanja še niso v celoti razjasnjena, številne študije in raziskave še vedno potekajo. Kljub temu je bilo doslej potrjeno, da so omrežja za distribucijo plina večinoma primerna za prehod na vodik. Dosedanji rezultati kažejo na zelo majhno število delov/komponent, ki jih zaradi materialno-tehničnih ali obratovalnih razlogov ni mogoče uporabljati s 100-odstotnim vodikom. Prenos vodika ne vpliva na običajno visoko stopnjo stabilnosti in zanesljivosti oskrbe s plinom. Pozitivni rezultati se še preverjajo s praktičnimi preskusi. Prav tako ni nobenih znakov, da bi bila zelo dolga trajnost infrastrukturnih komponent pri obratovanju z vodikom v praksi omejena.

V zadnjih letih so nemški operaterji sistemov prek portala G 410 sporočili podatke o materialih za skupaj 506.584 km plinovodov (priključnih in glavnih). Po podatkih Zvezne agencije za omrežja je skupna dolžina nemškega omrežja za distribucijo plina 554.500 km. Po najnovejših podatkih je 95,9 odstotka cevovodov izdelanih iz jekla in plastike, ki sta združljiva z vodikom. Nadaljnjih 3,9 odstotka je v statističnih podatkih navedenih kot duktilna litina ali kot neznan material. Le 0,2 odstotka cevovodov je iz sive litine, torej materiala, ki bi ga bilo treba zamenjati, preden bi ustrezen odsek omrežja lahko prilagodili za vodik.

S skupaj 325.888 km omrežja in 64-odstotnim deležem predstavlja plastika večino materialov, uporabljenih v omrežju za distribucijo plina. Poleg številnih potrjenih izjav proizvajalcev in študij DBI, DVGW, drugih inštitutov (slika 13 in podjetij sta nemško združenje industrije plastičnih cevi Kunststoffrohr-verband e. V. in evropsko združenje za plastične plinovode TEPPFA z izjavo potrdila primernost materialov PE63, PE80, PE100, PE100-RC, PA-U12 in drugih plastičnih mas (npr. PVC) za distribucijo in prenos vodika do 16 barov.

Za večino uporabljenih jeklenih cevi so raziskovalni projekti (slika 13 in predpisi o industrijskih plinih za cevi za vodik, kot sta ASME B31,12 in EIGA 121/14, dokazali njihovo dolgoročno primernost za delovanje z vodikom v obstoječih obratovalnih pogojih v distribucijskih omrežjih (npr. statične obremenitve in majhna izkoriščenost mejnih trdnosti).

Jekla, priporočena za zemeljski plin v tehničnih pravilih DVGW G 463 »Visokotlačni plinovodi iz jeklenih cevi za načrtovani tlak nad 16 bar; načrtovanje in gradnja«, in za vodik v dokumentu EIGA 121/14 vključujejo jekla L245, L290 in L360 (jekla z nizko trdnostjo). Pri obnovah ali širitvah omrežja na področju distribucijskega omrežja se večinoma uporabljajo navedeni materiali. V skladu s priročnikom »Vodik v omrežjih za distribucijo plina« nobeno običajno jeklo ni izključeno iz uporabe za vodik v obstoječem distribucijskem omrežju.

Primernosti za vodik za sedaj ni mogoče potrditi le za zelo majhen delež cevi iz duktilne litine (1,5 odstotka). Prvi preizkusi, ki jih izvajajo v Veliki Britaniji, kljub temu kažejo pozitivne rezultate.

Slika 3: Trenutno znano stanje primernosti materialov cevi za H₂

Vir: DVGW e. V., 2021

PREGLED REZULTATOV

• Rezultati jasno kažejo, da operaterji sistemov že načrtujejo obsežno preureditev svojih omrežij na vodik.
• Analize materialov cevnega omrežja so pokazale, da je 95,9 odstotka cevovodov iz jekla in plastike primernih za vodik.
• Le 0,2 odstotka je neprimernih, za 3,9 odstotka cevovodov pa se primernost še ugotavlja.
• Povratne informacije kažejo, da večina sodelujočih pričakuje prvo redno uporabo vodika v svojih distribucijskih omrežjih v bližnji prihodnosti – v večjem delu Nemčije v naslednjih osmih letih.
• Obsežne prehode na 100-odstotni vodik je zaradi časa, potrebnega za predelavo naprav odjemalcev, in časovnic prenosnih sistemov za prehod na vodik je mogoče pričakovati po letu 2030.
• Pričakuje se, da bo večina vodika dobavljena prek operaterjev prenosnih sistemov. Nakup (takrat podnebno nevtralnega) metana prek prenosnih omrežij leta 2045 trenutno vidi le nekaj operaterjev sistemov, saj naj bi bila ocenjena razpoložljivost vodika trenutno večja kot razpoložljivost podnebno nevtralnega metana.
• Glede na regijo se predvideva tudi dolgoročna in obsežna uporaba lokalno proizvedenega biometana.
• Načrti količin kažejo, da številni operaterji sistemov pričakujejo povečanje energijske učinkovitosti. Začetni rezultati analize odjemalcev kažejo, da je med odjemalci RLM (industrija, elektrarne, soproizvodnja toplote in električne energije) veliko povpraševanja po predčasnem razogljičenju.

Vir: H2vorOrt