Tab af metan fra gasledningsnettet

Transkript

1 Tab af metan fra gasledningsnettet Emissionsfaktor for plastrør Projektrapport September 2016 Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf

2 Tab af metan fra gasledningsnettet Emissionsfaktor for plastrør Klaus Hjuler Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 2016

3 Titel : Tab af metan fra gasledningsnettet Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : Klaus Hjuler Dato for udgivelse : Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : ; H:\743\22 Tab af metan via diffision\rapport\tab af metan fra gasledningsnettet final_projekt.docx Sagsnavn : Tab af metan fra gasledningsnettet via diffusion ISBN :

4 DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Baggrund Densitet af polyethylen Beregning af permeation Emissionsfaktor for PE-nettet Litteraturliste... 11

5 DGC-rapport 2 1 Baggrund MARCOGAZ (den tekniske interesseorganisation for naturgasindustrien i Europa) har ønsket at belyse og kvantificere de samlede emissioner af metan fra naturgasforsyningen. På baggrund af statistiske data fra gasselskaberne rapporterer MARCOGAZ (2016) en gennemsnitlig emissionsfaktor på hhv. 821 kg/km/år for transmissionsnettet og 313 kg/km/år for distributionsnettet. Disse tal inkluderer alle kilder, såsom rør, ventiler, kompressorstationer etc. Totalt svarer tallene til hhv. 0,1 og 0,4 % af det totale naturgassalg i Europa. Tabet ved permeation gennem plastledninger udgør kun en mindre del af den samlede emission fra distributionsnettet. De anvendte plastrør er i langt overvejende grad fremstillet af polyethylen (PE). Nærværende rapport giver en kort gennemgang af den fundne litteratur på området og den anvendte metode til vurdering af emissionsfaktoren for permeation gennem plastledninger. Der skal her rettes en stor tak til Jette Kristensen, HMN Naturgas, og Grethe Andersen, DONG Gas Distribution, som har udtrukket data fra GIS-systemet for de respektive områder. På basis heraf har DGC estimeret emissionsfaktoren for metan ved permeation gennem PE-rør i Danmark. Opgaven er bevilget af TCG på møde 2/2016.

6 DGC-rapport 3 2 Densitet af polyethylen Polyethylen (PE) er en såkaldt termoplast, som blødgøres og dernæst smelter ved opvarmning. Ved afkøling immobiliseres polymerkæderne i materialet gradvist, hvorefter materialet opnår fast form igen. Polymerkæderne kan fremstilles med forskellig længde og grad af forgrening. PE karakteriseres ved dets densitet, som øges med længden af polymerkæderne og omvendt reduceres ved forgrening. Lange lineære kæder har tilbøjelighed til at folde, hvorved dannes krystallinske områder, såkaldte lameller (tykkelse 8-20 nm), med densitet på ca kg/m 3. Ved høj grad af forgrening fås amorfe områder med densitet på ca. 880 kg/m 3. Deraf betegnelsen semi-krystallinsk polymer. Permeabiliteten af PE er primært relateret til amorfe områder, dvs. med lavest densitet, hvor forekomsten af porøsiteter (microvoids) er størst. PE fremstilles normalt i kvaliteterne hhv. low (LD), medium (MD) og high (HD) density, se Tabel 1. MDPE er klart den mest anvendte type i det danske distributionsnet (målt som km ledning). Figur 1 Skitseret struktur af hhv. amorf og krystallinsk polymer (Plastics Pipe Institute, Handbook of Polyethylene Pipe, Chapter 3).

7 DGC-rapport 4 Tabel 1 Densitetsklasser for PE efter ASTM D 3350 (tidl. ASTM D 1248).

8 DGC-rapport 5 3 Beregning af permeation Permeation er en kombineret effekt af diffusion og opløselighed, og hastigheden øges derfor med temperatur og partialtryk. Den såkaldt kinetiske diameter el. Lennard-Jones diameter, som udtrykker sandsynligheden for molekylkollision, er 0,38 nm for metan og til sammenligning 0,29 for brint (Figur 2). Dette antyder, at diffusiviteten af metan i PE er lavere end brints, men omvendt har metan højere opløselighed. Figur 2 Relativ permeabilitet af gasser i forskellige polymerer (Diffusion in Polymers, J. Elliott, 2004). Permeationskoefficienten, Pe, beregnes som: Pe = D S [=] volumen gas (cm3) vægtykkelse (cm) røroverflade (cm2) partialtryk (bar) tid (s) hvor D er diffusiviteten (cm 2 /s) og S opløseligheden (cm 3 /cm 3 /bar). Permeabiliteten stiger med temperaturen, hvilket beskrives med et udtryk af Arrhenius-typen: E Pe = Pe o exp ( RR )

9 DGC-rapport 6 hvor E er en aktiveringsenergi (kj/mol), R gaskonstanten (8,314 J/mol/K) og T den absolutte temperatur (K). Emissionen af metan ved permeation gennem en rørstrækning beregnes som: Pe π D b L p [=] volumen gas (cm3) tid (s) hvor Pe er permeationskoefficienten, D den ydre rørdiameter (cm), b vægtykkelsen (cm), L rørlængden (cm) og p partialtrykket (bar) af metan i rørledningen. Faktoren D/b kaldes også standard dimension ratio (SDR). Typisk opgives emissionen i kg/km/år ved en densitet af metan på 0,7175 kg/m 3 (STP). I Tabel 2 er angivet de i litteraturen opgivne parametre til beregning af permeabilitetskoefficienten for metan, som med forbehold kan ekstrapoleres til 8 C. Kun Gueugnaut et al. (2008) har faktisk målt ved 8 C, som er aktuelt for ledningsnettet. Flaconnéche et al. (2001) ser ikke signifikant forskel på MDPE og HDPE. De øvrige data er for HDPE. Gennemsnitsværdien for MDPE/HDPE ved 8 C antages således at være 2,22*10-9 cm 2 /bar/s. Til sammenligning er i Tabel 3 angivet værdier fra litteraturen, som er opgivet ved 20 C uden oplysninger om temperaturafhængighed. Oprindelsen (reference, metode, m.m.) fremgår ikke umiddelbart af kilderne, hvorfor der er set bort fra disse data i nærværende arbejde. Tabel 2 Pe 0 E (kj/mol) 8 C (cm 2 /bar/s) PE type Ref. 0,144-43,0 1,48*10-9 MD/HD 11,02-53,8 1,11* ,042-38,0 3,66*10-9 HD - - 2,61* /100 1 Flaconnèche et al (2001) 2 Foulc et al. (2006) 2 Klopffer et al. (2015) 3 Gueugnaut et al. (2008) Noter: 1,2 værdi for Pe ved 8 C er ekstrapoleret fra det undersøgte område C, 1 ser ikke signifikant forskel på MD og HD, 3 har udelukkende målt ved 8 C på prøver fra opbevaret i laboratorium. PE 80 og PE 100 er fremstillet af HDPE.

10 DGC-rapport 7 Tabel 3 Pe 0 E (kj/mol) 20 C (cm 2 /bar/s) PE type Ref ,48*10-9 HD ,71*10-9 PE 2 * 5 PlasticPipe.org/AGA - - 2,12*10-9 PE 3 * 5 PlasticPipe.org/ AGA - - 1,68*10-9 PE 4 * 5 PlasticPipe.org/ AGA Noter: 4 værdi for Pe opgivet ved 20 C, metode og kilde ikke oplyst, 5 værdier omregnet fra US-enheder, temperatur opgivet som ambient, metode ikke oplyst. *Henviser til densitetsklasse efter ASTM D3350, se Tabel 1.

11 DGC-rapport 8 4 Emissionsfaktor for PE-nettet Datamaterialet fra hhv. HMN Naturgas og DONG Gas Distribution omfatter i alt 240 ledningsstrækninger (rør-id er), hver med given rørlængde, PEtype, ydre diameter, tykkelse og trykklasse (nominelt tryk). Plastledningsnettet i disse to områder omfatter i alt ca km ledning, heraf ca km i 4 bar nettet og ca km i 2,5 bar nettet. Et udsnit af de væsentligste data er vist i Tabel 4. Ledningsnettet består overvejende af medium density polyethylen (MDPE). For hver ledningsstrækning er beregnet en emission af metan på basis af den gennemsnitlige værdi for permeationskoefficienten på 2,22*10-9 cm 2 /bar/s ved 8 C (Tabel 2). Figur 3 viser hhv. samlet rørlængde og beregnet emission fordelt på trykklasse (nominelt tryk). Emissionen fra 4 bar nettet alene udgør ca. 85 % af den samlede emission fra distributionsnettet. Emissionen af metan ved permeation gennem de i alt km PE-ledning i HMN Naturgas og DONG Gas Distributions områder estimeres til 12,2 ton/år, svarende til en gennemsnitlig emissionsfaktor på 0,54 kg metan/km/ år (ved nominelt tryk). Til sammenligning oplyser MARCOGAZ (2016), som nævnt indledningsvist, en gennemsnitlig emissionsfaktor på 313 kg/km/år for et distributionsnet, inklusive alle kilder. Det skal bemærkes, at det reelle tryk er noget lavere end det nominelle, antageligt omkring 2,5 bar for 4 bar nettet, hvorfor emissionsfaktoren bliver tilsvarende lavere (proportionalitet). Desuden understreges, at der er betydelig usikkerhed på permeabilitetskoefficienten for metan i PE på baggrund af relativt få eksperimentelle data fundet i litteraturen (Tabel 2).

12 DGC-rapport 9 Tabel 4 Udsnit af datamateriale for plastledningsnettet i HMN og DONG s distributionsområder, ordnet efter beregnet emission. De viste 29 poster (rør-id er) udgør 95 % af den samlede emission fra distributionsnettet. SDR er forholdet mellem ydre rørdiameter og rørtykkelse, som er direkte proportional med emissionen. Materialet plast er ikke nærmere defineret. Samlet længde Materiale_beskrivelse Udv_dia Godstykkelse SDR Trykklasse Emission % akk m mm mm bar kg/år POLYETHYLEN, MIDDEL 40 3,7 10, ,7% POLYETHYLEN, MIDDEL , ,6% PLAST 40,0 4,0 10, ,9% PLAST_SDR17 63,0 3,9 16,15 2, ,8% POLYETHYLEN, MIDDEL ,4 10, ,2% POLYETHYLEN, MIDDEL 63 5,8 10, ,2% POLYETHYLEN, MIDDEL 90 8,2 10, ,6% PLAST 63,0 6,2 10, ,3% PLAST 125,0 12,1 10, ,8% POLYETHYLEN, MIDDEL ,6 10, ,3% PLAST 90,0 8,7 10, ,6% PLAST 25,0 3,3 7,58 2, ,5% PLAST 20,0 3,3 6, ,4% PLAST 160,0 15,4 10, ,7% PLAST 25,0 3,3 7, ,9% POLYETHYLEN, MIDDEL ,2 10, ,1% POLYETHYLEN, COATED 20 3,25 6, ,1% PLAST 200,0 19,2 10, ,0% PLAST_SDR17 90,0 5,6 16,07 2, ,4% PLAST_SDR17 125,0 7,6 16,45 2, ,2% POLYETHYLEN, COATED , ,9% POLYETHYLEN, MIDDEL ,5 10, ,6% POLYETHYLEN, PE ,5 16, ,2% POLYETHYLEN, MIDDEL 40 3,7 10,81 2, ,8% POLYETHYLEN, MIDDEL ,67 2, ,3% POLYETHYLEN, PE ,4 16, ,9% POLYETHYLEN, MIDDEL , ,3% POLYETHYLEN, MIDDEL ,4 10, ,7% POLYETHYLEN, PE ,4 16, ,0%

13 DGC-rapport Ledningslængde Emission (kg/år) Figur 3 0,026 0,1 2,5 4 7 Trykklassifikation (bar) Estimeret emission af metan fra og længde af PE-ledningsnettet i HMN s og DONG s områder fordelt på trykklasse (ved nominelt tryk).

14 DGC-rapport 11 5 Litteraturliste Survey methane emissions for gas transmission and distribution in Europe Marcogaz (2016) B. Flaconnèche, J. Martin and M.H. Klopffer Permeability, Diffusion and solubility og gases in polyethylene, Polyamide 11 and Poly(vinylidene fluoride) Oil & Gas Science and Technology, Vol. 56 (2001) Gas Permeability of HDPE Pipes D. Gueugnaut, D. Rousselot, T. Gellert, A. Erdöhelyi Evaluation of the Permeability to CH 4 and CH 4 +H 2 of the PE Currently Used On the Gas Distribution Networks IGRC 2008, Paris, France M.H. Klopffer, P. Berne and E. Espuche Development of Innovating Materials for Distributing Mixtures of Hydrogen and Natural Gas. Study of the Barrier Properties and Durability of Polymer Pipes Oil & Gas Science and Technology, Vol. 70 (2015) P. Memari, V. Lachet and B. Rousseau Gas Permeation in Semicrystalline Polyethylene as Studied by Molecular Simulation and Elastic Model Oil & Gas Science and Technology, Vol. 70 (2015) M.P. Foulc, F. Nony, P. Mazabraud, P. Berne, M.H. Klopffer, B. Flaconnéche, G.F. Pimenta, G.M. Syring, I. Alliat Durability and transport properties of polyethylene pipes for distributing mixtures of hydrogen and natural gas WHEC 16 (2006), Lyon, France

15 DGC-rapport 12 B.K. Lamb, S.L. Edburg, T.W. Ferrara, T. Howard, M.R. Harrison, C.E. Kolb, A. Townsend-Small,W. Dyck, A. Possolo, J.R. Whetstone Direct Measurements Show Decreasing Methane Emissions from Natural Gas Local Distribution Systems in the United States Environ. Sci. Technol., Vol. 49 (2015) M.R. Harrison, T. M. Shires, J.K. Wessels, R.M. Cowgill Methane Emissions from the Natural Gas Industry EPA/600/SR-96/080 (1997) Finding the Facts on Methane Emissions: A Guide to the Literature ICF International, report for the Natural Gas Council (2016) O.G. Piringer Prediction of Diffusion Coefficients in Plastic Materials FABES Forschungs-GmbH, München (2008) Handbook of Polyethylene Pipe Plastics Pipe Institute, Texas, USA Plastic Pipe Manual for Gas Service American Gas Association (AGA), 8 th Ed. (2006)