Tab af metan fra gasledningsnettet

Tab af metan fra gasledningsnettet Emissionsfaktor for plastrør Projektrapport September 2016 Dansk Gasteknisk Center a/s Dr. Neergaards Vej 5B 2970 Hørsholm Tlf. 2016 9600 www.dgc.dk dgc@dgc.dk

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

Titel : Tab af metan fra gasledningsnettet Rapport kategori : Projektrapport Forfatter : Klaus Hjuler Dato for udgivelse : 06.09.2016 Copyright : Dansk Gasteknisk Center a/s Sagsnummer : 743.22; 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 : 978-87-7795-400-9

DGC-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side 1 Baggrund... 2 2 Densitet af polyethylen... 3 3 Beregning af permeation... 5 4 Emissionsfaktor for PE-nettet... 8 5 Litteraturliste... 11

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.

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. 1000 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).

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

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 )

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) Pe @ 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*10-9 80 0,042-38,0 3,66*10-9 HD - - 2,61*10-9 80/100 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 40-80 C, 1 ser ikke signifikant forskel på MD og HD, 3 har udelukkende målt ved 8 C på prøver fra 87-97 opbevaret i laboratorium. PE 80 og PE 100 er fremstillet af HDPE.

DGC-rapport 7 Tabel 3 Pe 0 E (kj/mol) Pe @ 20 C (cm 2 /bar/s) PE type Ref. - - 6,48*10-9 HD 4 www.pes-tec.com - - 3,71*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.

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. 22.800 km ledning, heraf ca. 17.400 km i 4 bar nettet og ca. 3.700 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 22.836 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).

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 3352680 POLYETHYLEN, MIDDEL 40 3,7 10,81 4 2283 18,7% 3481593 POLYETHYLEN, MIDDEL 20 3 6,67 4 1462 30,6% 1223534 PLAST 40,0 4,0 10,00 4 771 36,9% 1135639 PLAST_SDR17 63,0 3,9 16,15 2,5 722 42,8% 944570 POLYETHYLEN, MIDDEL 125 11,4 10,96 4 652 48,2% 895467 POLYETHYLEN, MIDDEL 63 5,8 10,86 4 613 53,2% 788799 POLYETHYLEN, MIDDEL 90 8,2 10,98 4 545 57,6% 698867 PLAST 63,0 6,2 10,16 4 447 61,3% 669037 PLAST 125,0 12,1 10,33 4 435 64,8% 607839 POLYETHYLEN, MIDDEL 160 14,6 10,96 4 420 68,3% 620518 PLAST 90,0 8,7 10,34 4 404 71,6% 1193207 PLAST 25,0 3,3 7,58 2,5 356 74,5% 932020 PLAST 20,0 3,3 6,06 4 356 77,4% 435492 PLAST 160,0 15,4 10,39 4 285 79,7% 570613 PLAST 25,0 3,3 7,58 4 272 81,9% 373099 POLYETHYLEN, MIDDEL 200 18,2 10,99 4 258 84,1% 639031 POLYETHYLEN, COATED 20 3,25 6,15 4 248 86,1% 353121 PLAST 200,0 19,2 10,42 4 232 88,0% 283314 PLAST_SDR17 90,0 5,6 16,07 2,5 179 89,4% 151874 PLAST_SDR17 125,0 7,6 16,45 2,5 98 90,2% 133329 POLYETHYLEN, COATED 40 4 10,00 4 84 90,9% 120137 POLYETHYLEN, MIDDEL 225 20,5 10,98 4 83 91,6% 70445 POLYETHYLEN, PE100 160 9,5 16,84 4 75 92,2% 173763 POLYETHYLEN, MIDDEL 40 3,7 10,81 2,5 74 92,8% 242156 POLYETHYLEN, MIDDEL 20 3 6,67 2,5 64 93,3% 59468 POLYETHYLEN, PE100 90 5,4 16,67 4 62 93,9% 99140 POLYETHYLEN, MIDDEL 25 3 8,33 4 52 94,3% 74567 POLYETHYLEN, MIDDEL 180 16,4 10,98 4 52 94,7% 38250 POLYETHYLEN, PE100 125 7,4 16,89 4 41 95,0%

DGC-rapport 10 20.000 18.000 16.000 14.000 12.000 Ledningslængde Emission (kg/år) 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 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).

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 www.pes-tec.com 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

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)