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Prozessleittechnik für den Bau von Erdgaskavernen

Bild 1. Zum Erzeugen von Kavernenspeichern im Salzstock wird ca. 1,5km tief in die Erde gebohrt

Bild 2. Dipl.-Ing. (FH) Klaus Kerner, Process Control Technology Project Manager bei der Rösberg Engineering GmbH: „Projekte in ähnlichem Umfang wie beim Erdgasspeicher in Jemgum haben wir schon in vielen anderen Bereichen umgesetzt.“

Bild 3. Der erste Bauabschnitt mit der Anlage zur Frischwasser­versorgung ist abgeschlossen. Hier wird das Wasser aus der Ems entnommen und gereinigt

Bild 4. Zum Planen der Anlage nach RI-Vorgaben setzten die Ingenieure von Rösberg auf das hauseigene CAE-System Prodok

Die Nachfrage nach Erdgas schwankt abhängig von verschiedenen Faktoren. Um das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage abzufangen, wird es in Speichern in Kundennähe zwischengelagert. Eine Möglichkeit, große Mengen an Erdgas zu speichern, bieten künstliche Hohlräume unter der Erdoberfläche, sogenannte Kavernenspeicher. Komplexe Projektplanung, zuverlässige Prozesstechnik und umfangreiches technisches Know-how sind beim Bau solcher Speicher gefragt, um später für einen reibungslosen Betrieb und nicht zuletzt auch für die Sicherheit von Mensch und Umwelt zu sorgen.

In der ostfriesischen Gemeinde Jemgum entsteht derzeit einer der größten Erdgaskavernenspeicher Deutschlands. Dazu wollen Wingas und EWE bis Projektende 33 Kavernen im Salzstock Jemgum errichten. Wingas plant dabei allein 18 Kavernen mit einem geometrischen Hohlraumvolumen von je 750000 m³.
Es kann aber anschließend nicht das komplette Volumen für die Lagerung genutzt werden. In Kavernen eingefülltes Gas unterteilt man in Arbeitsgas (ca. 2/3 des Gesamtvolumens) und Kissengas (ca. 1/3 des Gesamtvolumens). Das Kissengas kann nicht aus dem Speicher entnommen werden, da es den minimal notwendigen Druck gewährleistet, der für die optimale Ein- und Ausspeicherung des Arbeitsgases sowie die Standfestigkeit der Kaverne notwendig ist. Nach Projektabschluss soll in Jemgum somit Speicherplatz für ungefähr 18 Mio.m³ Erdgas bereitstehen.

Komplexe Projektplanung
Die Kavernen selbst ähneln zylinderförmigen Löchern in 1600 m Tiefe mit einem Durchmesser von ca. 80 m und einer Höhe von 400 m, zweieinhalb mal so hoch wie der Kölner Dom. Um diese künstlichen Hohlräume unter der Erdoberfläche zu erzeugen, wird – wenn ein geeigneter Standort gefunden ist – gut 1,5 km tief in die Erde gebohrt. Anschließend werden in dieses Bohrloch Rohre eingeführt und Wasser in den Salzstock geleitet (Bild 1).
Im konkreten Fall wird das Wasser aus der Ems entnommen, gefiltert, mehrstufig verdichtet und schließlich mit 90bar Druck über die Frischwasserleitungen in die Tiefe geführt. Dieses Wasser löst das Salz aus dem Salzstock; die Sole wird über die Soleleitung aus dem Bohrloch geleitet und über eine 40km lange Pipeline in die Nordsee transportiert. Vorteilhaft beim Erzeugen der Kavernen sind die petrophysikalischen Eigenschaften des Salzes. Sie dichten die Kavernen auf natürliche Weise ab und machen eine zusätzliche Auskleidung überflüssig.

Der Bau solcher Kavernen ist eine komplexe Angelegenheit. Vom ersten Spatenstich bis zur ersten Gaseinleitung vergehen um die drei Jahre. Umfangreiche Genehmigungsphasen, die den ersten Bauarbeiten vorangehen, sind hierbei noch nicht berücksichtigt. Da der Bau der gesamten Anlage aufwendig und teuer ist, nutzen die zwei Energieversorger einzelne Infrastrukturkomponenten gemeinsam. Dazu gehören im Wesentlichen die Frischwasserversorgung und die Soleentsorgung; alle anderen Anlagenteile entwickeln und errichten die Energieversorger eigenständig.

Umfangreiche Projektverantwortung
Allein der Aufbau der Infrastruktur, die fürs Aussolen benötigt wird, ist ein komplexes Projekt. Mit der Planung und der Realisierung der Prozessleittechnik für die Infrastrukturkomponenten und die Anlagenteile, die von Wingas für die Solung selbst genutzt werden, wurden die Automatisierungsexperten der Rösberg Engineering GmbH beauftragt. In deren Zuständigkeitsbereich als Main Automation Vendor fällt das komplette Design der Prozessleittechnik mit Spezifikation der Feld- und Leittechnik, SIL-Betrachtungen und Ausführung der Sicherheitstechnik. Darüber hinaus ist das Unternehmen für das Erstellen der Software für die Leittechnik und die Sicherheits-SPS, den Bau und die Lieferung der benötigten PLS- und Safety-Komponenten sowie die Verkabelung und Montage vor Ort verantwortlich.

„Vom Gesamtumfang her entspricht dieses Projekt mit circa 1600 Messstellen vielen anderen, die wir bereits realisiert haben“ berichtet Klaus Kerner (Bild 2), Process Control Technology Project Manager bei der Rösberg Engineering GmbH. „Erstellen von Spezifikationen, das Beschaffungs-Engineering und den Busaufbau haben wir in ähnlichem Umfang schon in vielen anderen Projekten umgesetzt. Dieses Mal ist jedoch das Prozessleitsystem umfangreicher als sonst und wir müssen viele Schaltschränke an verschiedenen Orten des Geländes installieren. Zudem beschaffen wir in diesem Projekt auch aus unserem eigenen Budget die Feldgerätetechnik und koordinieren die MSR-Montagearbeiten. Neben Projektplanung und der Realisierung übernehmen wir für unseren Bereich auch das komplette Controlling über Zeit, Kosten und Qualität.“

Der erste Bauabschnitt – die Anlage zur Frischwasserversorgung – ist inzwischen abgeschlossen (Bild 3). Hier wird das Wasser der nahe gelegenen Ems entnommen. Da das Wasser sehr sedimentbehaftet ist, muss es vor der weiteren Nutzung gefiltert werden. Danach wird in der Anlage der Wasserdruck auf ca. 5 bar erhöht, um dann zur Soleanlage weiter geleitet zu werden.
Hierfür haben die Automatisierungsexperten nach vorgegebenen Spezifikationen die Prozessleittechnik realisiert, dazu Feldgeräte geliefert, Kabellisten und Kabelpläne erstellt, Schaltschränke montiert, die Busstruktur bereitgestellt, Software programmiert und Hardware installiert.

Zum Planen der Anlage nach R&I-Vorgaben (Rohrleitungs- und Instrumentenschemata) setzen sie auf das CAE-System Prodok, das einen integrierten Planungsprozess nach einheitlichen Regeln ermöglicht und mit dem sich Anlageninformationen während des gesamten Prozesses dokumentieren lassen (Bild 4). Nach Abschluss der Bauarbeiten folgten Loopchecks und eine Funktionsprüfung sowie die Schulung des vor Ort arbeitenden Bedienpersonals, sodass dieser Anlagenteil nun vom Betreiber genutzt werden kann.

Bild 5. Die Soletransportleitung wird auf Leckagen überwacht

Bild 6. Das Leitsystem verwaltet die Anfragen für das Frischwasser und schaltet abhängig vom Bedarf die benötigten Pumpen

Der Bauabschnitt 2 – die Soletransportleitung – ist ebenfalls bereits fertiggestellt (Bild 5). „Hier überwacht ein voll in das Leitsystem integriertes Leckageüberwachungssystem die Pipeline“, berichtet K. Kerner. „Das System stellt nicht nur fest, ob Sole verloren geht, sondern auch wo genau, damit bei einer Havarie sofort und zielgerichtet an der betroffenen Stelle eingegriffen werden kann.“ In den Bauabschnitten 3 bis 5 schließlich wird die Solanlage erstellt, die den nötigen Betriebsdruck des Frischwassers von ca. 90 bar zum Solen bereitstellt und den Soleabtransport sichert. Ebenso entsteht hier jeweils ein Sammelplatz für Kavernenköpfe, von denen aus je sechs Kavernen gesolt werden können. Am 1. Dezember 2010 soll das Aussolen der ersten Kaverne starten.

Zuverlässigkeit ist oberstes Gebot
Im laufenden Solbetrieb soll die Anlage zur Frischwasserversorgung allen Betreibern jederzeit die benötigten Mengen Frischwasser zur Verfügung stellen. Das von Rösberg konzipierte Leitsystem erhält hierzu von jedem Nutzer die von ihm benötigten Mengen und regelt abhängig vom tatsächlichen Bedarf die Förderleistung der Frischwasseranlage mit mehreren Pumpen (Bild 6). „Hier ist ein ausfallsicherer Betrieb zwingend gefordert“, berichtet K. Kerner. „Wird die Wasserzuführung im laufenden Ansolbetrieb unterbrochen, wird schlimmstenfalls die komplette Kaverne unbrauchbar.
Bis eine Kaverne ihr endgültiges Volumen erreicht, vergehen fast zwei Jahre. Der finanzielle Schaden, der durch einen solchen Ausfall entstünde, ist also enorm hoch.“ Um die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls zu minimieren, setzt man auf Redundanz: Sollte ein Controller des Systems ausfallen, schaltet das System automatisch auf den redundanten Controller um.

Messstellen für analoge Messungen, die zum Abschalten der Anlage führen könnten, sind fehlersicher ausgelegt und haben zudem Voralarme, die den Anlagenbediener vorab auf kritische Zustände hinweisen. So kann man eingreifen, bevor wirklich Probleme auftreten. Zyklisch vorgegebene Wartungen tragen ebenfalls zur Anlagensicherheit bei.
Wichtig ist zudem eine gute Schulung der Mitarbeiter vor Ort, damit diese sowohl im normalen Operator- als auch im Wartungs- und Notfallbetrieb die Anlage richtig bedienen. Sollte doch einmal der Rat der Automatisierungsexperten gefragt sein, und diese sind gerade nicht vor Ort, kann auch aus dem Stammhaus auf die Anlage zugegriffen werden. Wird es vom Kunden gewünscht, bieten die Automatisierungsexperten auch über eine zentrale Rufnummer eine Bereitschaft rund um die Uhr.

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Autor: Dipl.-Betriebsw. (FH) Evelyn Landgraf ist in der Abteilung Marketing bei der Rösberg Engineering GmbH in Karlsruhe tätig.