Simulation and capacity calculation in real German and European interconnected gas transport systems (Volume 8) (English shop)

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Abstract

The whole supply chain of natural gas, from the gas well through several kinds of elements to final customers, creates an integrated and complex network system. Such complex systems in Europe are owned and operated by different companies. The legal framework of liberalization of the energy markets requires gas network operators to publish flow capacities at their entry and exit stations. In combination with publicly available knowledge about the gas transportation infrastructures, an overall hydraulic simulation of the gas flows over Germany and Europe becomes possible. Considering the logistics and integrity of the natural gas supply system, it is obvious that such models are significant to present the overall gas flow, assess detailed infrastructures and analyze emergency situations based on national or European levels and from a technical point of view. In this thesis, the author depicts the workflow and methodologies of modeling such large scale and complex gas grids, using the German H-gas system as an example. The established model is able to simulate the major gas transmission systems in Germany, with consideration of the storage facilities. The modeling work is described in this thesis from three major aspects: the creation of network topology, the definition of simulation scenarios and the methodologies for capacity calculations. The author further explains in detail the integration of available databases and some simplification and assumption approaches developed for the modeling work. By investigating on German gas consumption sectors and gas demand behaviors over years, various scenarios are defined and simulated. Through the simulations, the technical potentials for both individual entry / exit points and the nationwide grid can be analyzed. The investigation in this thesis also illustrates several case studies to technically evaluate new infrastructures and German “energy transformation” technologies (e.g. synthetic methane from “Power–to–Gas” projects and “Nuclear Moratorium”). Some bottleneck areas in the existing gas transmission system under such newly developed conditions are presented in the model, which could provide good reference information for future pipeline grid extension and facilities enhancement.

Kurzfassung

Die Transportkette von Erdgas stellt vom Bohrloch bis zu den Endkunden ein integriertes und komplexes Netzwerk aus verschiedenen Systemelementen dar, das in Europa von verschiedenen Unternehmen betrieben wird. Der Rechtsrahmen, der durch die Liberalisierung der Energiemärkte stark geändert wurde, verlangt von diesen Gasnetzbetreibern, die Durchflusskapazitäten an den Ein- und Ausspeisepunkten ihrer Leitungen zu veröffentlichen. Zusammen mit weiteren öffentlich verfügbaren Daten über die Erdgas-Infrastruktur wird eine unternehmensübergreifende hydraulische Simulation des gesamten Netzes möglich. Mit diesem Modell können die gesamten Gasnetzflüsse der integrierten Gastransportkette dargestellt, Bestandteile der Infrastruktur detailliert bewertet und die Auswirkungen von Versorgungsstörungen auf nationaler oder europäischer Ebene aus technischer Sicht bewertet werden. Anhand des deutschen H-Gasnetzes als BeispieI beschreibt der Autor in dieser Arbeit das Vorgehen und die Methoden, um ein großes und komplexes Gasnetz zu modellieren. Das Modell beschreibt das Transportnetz unter Einbeziehung der Erdgas-Speicherstandorte. Das Vorgehen wird in der Arbeit mit drei wesentlichen Aspekten beschrieben: Die Abbildung der Netzwerktopologie, die Definition von Simulationsszenarien der Ein- und Ausspeisung sowie die Methoden der Kapazitätsberechnung. Der Autor beschreibt detailliert die Integration verfügbarer Datenquellen sowie Annahmen und Vereinfachungen, die für die Modellierung notwendig sind. Durch die Untersuchung verschiedener Erdgas-Verbrauchersektoren und der Verbrauchsentwicklung über die Jahre werden verschiedene Szenarien definiert und mit Hilfe des Topologiemodells simuliert. Mit diesen Simulationen können die technischen Potentiale sowohl für individuelle Ein- und Ausspeisepunkte, als auch für das gesamte deutsche H-Gasnetz analysiert werden. Das Modell wird anhand einiger Fallstudien illustriert, um neue Infrastrukturen sowie die Auswirkungen neuer Technologien (z.B. Erzeugung von synthetischem Methan aus Stromspeicherprojekten) und politischer Entscheidungen (z.B. den deutschen Ausstieg aus der Kernenergie) zu bewerten. Einige Engpassbereiche des existierenden Transportnetzes in dieser neuen Situation werden mit Hilfe des Modells identifiziert, um Empfehlungen für den Um- und Ausbau des deutschen Gastransportsystems zu geben.