Aufbau eines nationalen Netzwerks von Verbundrohren zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen

Oct 31, 2023

65.000 Meilen Pipeline: Das ist die Entfernung, die laut einer Studie der Princeton University erforderlich sein könnte, um bis 2050 wirtschaftsweit Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Die Vereinigten Staaten stehen kurz vor dem Bau eines riesigen Pipelinenetzes für den Transport von Wasserstoff und Kohlendioxid, gefördert durch den Infrastructure Investment and Jobs Act und den Inflation Reduction Act. Dennoch belaufen sich die Lebenszyklusemissionen einer typischen Stahlpipeline auf 27,35 kg Kohlendioxid-Äquivalent pro Fuß1. Das bedeutet, dass 65.000 Meilen allein durch die Stahlpipeline-Infrastruktur zu fast 9,4 Millionen Megatonnen Kohlendioxidäquivalenten führen würden (das entspricht über 2 Millionen Personenkraftwagen pro Jahr).

Pipelines aus Verbundwerkstoffen bieten einen Weg zur Emissionsreduzierung. Verbundrohre bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien – typischerweise einem thermoplastischen Polymer als primäre Strukturschicht mit Verstärkungsmaterialien wie Fasern oder Partikelfüllstoffen zur Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit. Bei einigen Typen sind die Lebenszyklusemissionen fast ein Drittel geringer als bei typischen Stahlrohrleitungen. Je nach Anwendung können Verbundrohrleitungen sicherer und kostengünstiger sein. Allerdings dauert der Prozess der Pipeline and Hazardous Materials and Safety Administration (PHMSA) zur Erteilung von Genehmigungen für Verbundrohre länger als für Stahl, und für Wasserstoff und überkritisches Kohlendioxid fehlen in der Branche überhaupt regulatorische Standards. Die erneute Genehmigung des PIPES-Gesetzes (Protecting Our Infrastructure of Pipelines and Enhancing Safety) bietet eine hervorragende Gelegenheit, die Richtlinien für neue, weniger emissionsintensive Pipeline-Technologien zu überprüfen.

Die Vereinigten Staaten stehen am Rande eines Booms beim Bau sauberer Energien, der weit über die Wind- und Solarenergie hinausgeht und auch eine Infrastruktur umfasst, die Wasserstoff und Kohlenstoffabscheidung nutzt. Der Pump wurde mit 21 Milliarden US-Dollar für Demonstrationsprojekte oder „Hubs“ im Infrastructure Investment and Jobs Act ausgestattet und mit weiteren 7 Milliarden US-Dollar für Demonstrationsprojekte und mindestens 369 Milliarden US-Dollar an Steuergutschriften im Inflation Reduction Act verstärkt. Der Kongress erkannte an, dass Pipelines eine entscheidende Komponente sind, und stellte im Rahmen des Carbon Dioxide Transportation Infrastructure Finance and Innovation Act (CIFIA) Darlehen und Zuschüsse in Höhe von 2,1 Milliarden US-Dollar bereit.

Die Vereinigten Staaten sind von Pipelines durchzogen. Ungefähr 3,3 Millionen Meilen überwiegend aus Stahl bestehende Pipelines transportieren jedes Jahr Billionen Kubikfuß Erdgas und Hunderte Milliarden Tonnen flüssige Erdölprodukte. Für den Transport von Kohlendioxid werden deutlich weniger 5.000 Meilen genutzt und nur 1.600 Meilen für Wasserstoff. Untersuchungen deuten darauf hin, dass das bestehende Pipelinenetz bei weitem nicht den Anforderungen entspricht. Laut Net Zero America werden etwa 65.000 Meilen Pipeline benötigt, um abgeschiedenes Kohlendioxid zu transportieren, um bis 2050 in den Vereinigten Staaten wirtschaftsweit Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Die Studie identifiziert auch einen Bedarf an mehreren tausend Meilen Pipelines für den Transport von Wasserstoff jede Region.

Die Herstellung von Rohren aus Stahl ist ein kohlenstoffintensiver Prozess, und die Stahlherstellung im Allgemeinen ist für sieben bis neun Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Es gibt fortlaufende Bemühungen, die durch Stahl verursachten Emissionen (d. h. „grüner Stahl“) zu senken, indem man energieeffizienter arbeitet, emittiertes Kohlendioxid auffängt und speichert, Stahlschrott in Kombination mit erneuerbarer Energie recycelt und emissionsarmen Wasserstoff verwendet. Allerdings stellen die Kosten bei vielen dieser Minderungsstrategien eine erhebliche Herausforderung dar. Die geschätzten Kosten für die Umstellung globaler Stahlanlagen auf Netto-Null-kompatible Technologien bis 2050 belaufen sich auf 200 Milliarden US-Dollar, zusätzlich zu einem Basisdurchschnitt von 31 Milliarden US-Dollar pro Jahr, um einfach die wachsende Nachfrage zu decken.

Angesichts des riesigen Pipelinenetzes, das für eine Zukunft mit Netto-Null-Emissionen erforderlich ist, bietet der zunehmende Einsatz von Verbundrohren den Vereinigten Staaten eine erhebliche Chance, die CO2-Emissionen zu senken. Verbundwerkstoffe weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, wiegen weniger, sind flexibler und verfügen über eine verbesserte Fließfähigkeit. Dadurch haben Rohrleitungen aus Verbundwerkstoffen eine längere Lebensdauer und einen geringeren Wartungsaufwand als Stahlrohrleitungen. Verbundrohre können viermal schneller installiert werden, erfordern ein Drittel des Installationsaufwands und weisen deutlich niedrigere Betriebskosten auf.2 Der Einsatz von Verbundrohren wird voraussichtlich weiter zunehmen, da der technologische Fortschritt diese Materialien zuverlässiger und kostengünstiger macht .

Auch der Einsatz von Verbundrohren nimmt zu, da die Industrie versucht, deren Nachhaltigkeit zu verbessern. Wir haben eine Lebenszyklusanalyse für thermoplastische Rohre durchgeführt, die durch einen Prozess namens Extrusion hergestellt werden, bei dem ein thermoplastisches Material wie hochdichtes Polyethylen oder Polyvinylchlorid geschmolzen und dann durch eine Düse gedrückt wird, um ein kontinuierliches Rohr zu erzeugen. Anschließend kann das Rohr auf die gewünschte Länge zugeschnitten und an den Enden Fittings angebracht werden, sodass eine komplette Rohrleitung entsteht. Wir haben festgestellt, dass die Lebenszyklusemissionen von thermoplastischen Rohren 6,83 kg Kohlendioxid-Äquivalent/Fuß betrugen und etwa 75 % niedriger waren als bei einer entsprechenden Länge eines Stahlrohrs, das Lebenszyklusemissionen von 27,35 kg Kohlendioxid-Äquivalent/Fuß aufweist.

Diese Schätzungen berücksichtigen keine potenziellen Unterschiede bei Lecks. Insbesondere Verbundrohre haben eine kontinuierliche Struktur, die die Herstellung längerer Rohrabschnitte ermöglicht, was zu weniger Verbindungen und Schweißnähten führt. Im Gegensatz dazu werden Metallrohre aufgrund von Einschränkungen im Herstellungsprozess häufig in kürzeren Abschnitten hergestellt. Dies bedeutet, dass mehr Verbindungen und Schweißnähte erforderlich sind, um die Abschnitte miteinander zu verbinden, was das Risiko von Undichtigkeiten oder anderen Problemen erhöhen kann. Darüber hinaus ist etwa die Hälfte der Stahlrohrleitungen in den Vereinigten Staaten über 50 Jahre alt, was das Risiko von Lecks und Wartungskosten erhöht.3 Ein weiterer Vorteil von Verbundrohren besteht darin, dass sie durch Stahlrohrleitungen gezogen werden können, wodurch alternde Stahlrohrleitungen für den Transport umgenutzt werden können unterschiedliche Materialien und reduziert gleichzeitig den Bedarf an neuen Wegerechten und damit verbundenen Genehmigungen.

Trotz der Vorteile der Verwendung von Verbundwerkstoffen wurden die Standards noch nicht entwickelt, um eine sichere Genehmigung für den Transport von überkritischem Kohlendioxid4 und Wasserstoff zu ermöglichen. Auf Bundesebene wird die Pipeline-Sicherheit von der Pipeline and Hazardous Materials Administration (PHMSA) des Verkehrsministeriums verwaltet.5 Um den sicheren Transport von Energie und anderen gefährlichen Materialien zu gewährleisten, legt die PHMSA nationale Richtlinien fest, legt Standards fest und setzt diese durch, bildet aus und führt Forschung durch um Zwischenfälle zu verhindern. Es gibt Regulierungsstandards für den Transport von überkritischem Kohlendioxid in Stahlrohren.6 Es gibt jedoch keine Standards für Verbundrohre für den Transport von Wasserstoff oder Kohlendioxid im überkritischen flüssigen, gasförmigen oder unterkritischen flüssigen Zustand.

Die Umnutzung bestehender Infrastruktur ist von entscheidender Bedeutung, da die Standortwahl von Pipelines, unabhängig vom Typ, oft eine Herausforderung darstellt. Während sich Erdgaspipelines und einige Ölpipelines auf wichtige Domänenbestimmungen des Bundesrechts wie des Natural Gas Act oder des Interstate Commerce Act berufen können, gibt es für Wasserstoff- und Kohlendioxidpipelines keine derartigen Bundesbehörden. In einigen Staaten regeln spezielle Gesetze wichtige Bereiche für Kohlendioxid-Pipelines. Diese Gesetze legen in der Regel die Verfahren für die Einleitung eines Verfahrens wegen bedeutender Domänen, die Festlegung der Höhe der an Grundstückseigentümer zu zahlenden Entschädigung und die Beilegung von Streitigkeiten im Zusammenhang mit bedeutenden Domänen fest. Allerdings gibt es derzeit in Staaten wie Iowa Bestrebungen, die Inanspruchnahme staatlicher Behörden für die Vergabe von Sonderrechten an geplante Kohlendioxid-Pipelines einzuschränken. Die bedeutenden Herausforderungen unterstreichen die Chancen, die Technologien bieten, die die Umnutzung bestehender Pipelines für den Transport von Kohlendioxid und Wasserstoff ermöglichen.

Wie können wir ein riesiges Netzwerk von Kohlendioxid- und Wasserstoffpipelines aufbauen und gleichzeitig Materialien mit geringerer Emission verwenden?

Empfehlung 1. Entwicklung von Sicherheitsstandards für den Transport von Wasserstoff und überkritischem Kohlendioxid mithilfe von Verbundrohren.

PHMSA, Industrie und interessierte Interessengruppen sollten zusammenarbeiten, um Sicherheitsstandards für den Transport von Wasserstoff und überkritischem Kohlendioxid mithilfe von Verbundrohren zu entwickeln. Ohne Standards gibt es keinen Weg, die Verwendung von Verbundrohren zuzulassen. Diese Zusammenarbeit könnte im Zusammenhang mit der jüngsten Ankündigung der PHMSA stattfinden, ihre Standards für den Transport von Kohlendioxid zu aktualisieren, die als Reaktion auf einen Vorfall im Jahr 2020 in Sartartia, MS, erfolgt.

Im Idealfall könnten die Genehmigungen nach dem normalen Verfahren der PHMSA und nicht als Sondergenehmigungen (z. B. 49 CFR § 195.8) erteilt werden. Die Entwicklung von Standards dauert mehrere Jahre. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, den Standardsetzungsprozess einzuleiten, damit Verbundrohre in vom Energieministerium finanzierten Wasserstoffzentren und Demonstrationsprojekten zur Kohlenstoffabscheidung verwendet werden können.

In dieser Hinsicht ist Europa den Vereinigten Staaten voraus, da das Klassifizierungsunternehmen DNV derzeit ein gemeinsames Industrieprojekt durchführt, um die Kosten und Risiken der Verwendung von thermoplastischen Rohren zum Transport von Wasserstoff zu prüfen. Diese Arbeit wird den Regulierungsbehörden in der Europäischen Union dienen, die derzeit Standards für die Wasserstoffinfrastruktur überarbeiten. Die European Clean Hydrogen Alliance hat kürzlich eine „Roadmap on Hydrogen Standardization“ verabschiedet, die ausdrücklich die Festlegung von Standards für nichtmetallische Rohre empfiehlt. Soweit möglich, würde es den Exportmärkten für US-Produkte zugute kommen, wenn die Standards ähnlich wären.

Empfehlung 2: Straffung des Genehmigungsverfahrens für die Nachrüstung von Stahlrohrleitungen.

Der Kongress sollte die Nachrüstung von Stahlrohren rationalisieren, indem er einen gesetzgeberischen kategorischen Ausschluss gemäß dem National Environmental Policy Act (NEPA) erlässt. NEPA verlangt von Bundesbehörden, Maßnahmen zu bewerten, die erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben können. Kategorische Ausschlüsse (CEs) sind Kategorien von Maßnahmen, bei denen festgestellt wurde, dass sie keine wesentlichen Auswirkungen auf die Umwelt haben und die daher keine Umweltverträglichkeitsprüfung (EA) oder Umweltverträglichkeitserklärung (EIS) erfordern, bevor sie durchgeführt werden können. CEs können innerhalb weniger Tage bearbeitet werden, wodurch die Prüfung förderfähiger Maßnahmen beschleunigt wird.

Der CE-Prozess ermöglicht es Bundesbehörden, den Zeit- und Kostenaufwand für die Erstellung einer EA oder EIS für Maßnahmen zu vermeiden, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass sie erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben. CEs werden häufig durch behördliche Regelungen eingerichtet, können aber auch vom Kongress als „legislative CE“ geschaffen werden. Beispiele hierfür sind kleinere Bautätigkeiten, routinemäßige Wartungs- und Reparaturtätigkeiten, Landübertragungen sowie Forschung und Datenerfassung. Doch selbst wenn eine Maßnahme in eine CE-Kategorie fällt, muss die Agentur dennoch eine Überprüfung durchführen, um sicherzustellen, dass keine außergewöhnlichen Umstände vorliegen, die eine weitere Analyse erfordern würden.

Angesichts der Dringlichkeit, eine Infrastruktur für saubere Technologien bereitzustellen, sollte der Kongress die Bundesbehörden ermächtigen, einen kategorischen Ausschluss anzuwenden, wenn Stahlrohre mit Verbundrohren nachgerüstet werden. In solchen Situationen nutzt das Projekt eine bestehende Pipeline-Vorfahrt und es dürften, wenn überhaupt, nur wenige zusätzliche Umweltauswirkungen entstehen. Sollten außergewöhnliche Umstände eintreten, wie beispielsweise wesentliche Änderungen des Risikos von Umweltauswirkungen, könnten Bundesbehörden das Projekt im Rahmen einer EA oder EIS bewerten. Eine CE macht die Überprüfung von Sicherheitsstandards und anderen anwendbaren materiellen Gesetzen nicht überflüssig, sondern passt lediglich die Verfahrensanalyse im Rahmen von NEPA richtig an.

Empfehlung 3: Erkunden Sie Möglichkeiten zur Verbesserung des politischen Rahmens für Verbundrohre während der Neuautorisierung des PIPES-Gesetzes.

Beide oben genannten Ideen sollten berücksichtigt werden, wenn der Kongress seine Neugenehmigung des PIPES-Gesetzes (Protecting Our Infrastructure of Pipelines and Enhancing Safety) von 2020 einleitet. Neben anderen Verbesserungen der Pipeline-Sicherheit hat das PIPES-Gesetz PHMSA bis zum Geschäftsjahr 2023 erneut genehmigt. Da der Kongress mit der Arbeit an seinem nächsten Gesetzentwurf zur Neuzulassung von PHMSA beginnt, ist es der perfekte Zeitpunkt, die Lage der Branche zu prüfen, einschließlich des Potenzials von Verbundrohren zur Beschleunigung der Energiewende.

Empfehlung 4: Berücksichtigen Sie bei der Finanzierung von Demonstrationsprojekten die eingebetteten Emissionen von Baumaterialien.

Das Office of Clean Energy Demonstrations sollte bei der Bewertung von Projekten zur Finanzierung die eingebetteten Emissionen von Baumaterialien berücksichtigen. Bewerber, die planen, eingebettete Emissionen von Baumaterialien zu berücksichtigen, könnten im Auswahlverfahren zusätzliches Gewicht erhalten.

Empfehlung 5: Forschung und Entwicklung von Verbundwerkstoffen unterstützen.

Verbundwerkstoffe bieten auch in vielen anderen Anwendungen Vorteile, nicht nur in Rohrleitungen. Das Amt für Energieeffizienz und erneuerbare Energien (EERE) sollte die Forschung unterstützen, um die Eigenschaften von Verbundrohren weiter zu verbessern und gleichzeitig die Lebenszyklusemissionen zu verbessern. Zusätzlich zu den laufenden Bemühungen, die Emissionsintensität von Stahl und Beton zu senken, sollte EERE Innovationen bei alternativen Verbundwerkstoffen für Pipelines und andere Anwendungen unterstützen.

Die jüngste Gesetzgebung wird den Bau der nächsten Generation sauberer Energieinfrastruktur vorantreiben, und die Finanzierung schafft auch die Möglichkeit, Baumaterialien mit geringeren Lebenszyklusemissionen von Treibhausgasen einzusetzen. Dies ist wichtig, da der Bau riesiger Pipelinenetze mit hochemissionsintensiven Verfahren die Ziele der Gesetzgebung untergräbt. Das Regulierungsgesetz bleibt jedoch ein Hindernis, da es keinen Weg für die Verwendung von Verbundwerkstoffen bietet. PHMSA und die Industrie sollten Diskussionen zur Schaffung der erforderlichen Sicherheitsstandards aufnehmen, und der Kongress sollte sowohl mit der Industrie als auch mit den Regulierungsbehörden zusammenarbeiten, um den NEPA-Prozess bei der Nachrüstung von Stahlrohrleitungen zu rationalisieren. Während Amerika mit dem Bau von Netzwerken zur Abscheidung, Nutzung und Speicherung von Wasserstoff und Kohlenstoff beginnt, bietet die Neugenehmigung des PIPES-Gesetzes eine hervorragende Gelegenheit, die Emissionen deutlich zu senken.

Wir haben zwei Arten von Rohren verglichen: 4" API 5L Die Analyse wurde mit FastLCA durchgeführt, einer proprietären Webanwendung, die von Baker Hughes entwickelt und von einem unabhängigen Gutachter zertifiziert wurde, um die CO2-Emissionen unserer Produkte und Dienstleistungen zu quantifizieren. Die Emissionsfaktoren für die verschiedenen Materialien und Prozesse basieren auf der Datenbank ecoinvent 3.5 für globale Durchschnittswerte.

Ähnlich wie bei Stahlrohren birgt der Transport von Wasserstoff und Kohlendioxid mithilfe von Verbundrohren bestimmte Sicherheitsrisiken, die sorgfältig gemanagt und gemindert werden müssen:

Um diese Sicherheitsrisiken zu mindern, müssen geeignete Test-, Inspektions- und Wartungsverfahren eingeführt werden. Darüber hinaus sollten ordnungsgemäße Handhabungs- und Transportprotokolle befolgt werden, einschließlich der strikten Einhaltung von Druck- und Temperaturgrenzen sowie Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Zündquellen. Schließlich sollten Notfallpläne entwickelt und umgesetzt werden, um etwaige Zwischenfälle während des Transports zu bewältigen.

Die API-Spezifikation 15S, Spoolable Reinforced Plastic Line Pipe, deckt die Verwendung flexibler Verbundrohre in Onshore-Anwendungen ab. Der Standard befasst sich nicht mit dem Transport von Kohlendioxid und wurde nicht in die PHMSA-Vorschriften aufgenommen.

Die API-Spezifikation 17J, Specification for Unbonded Flexible Pipe, deckt die Verwendung flexibler Verbundrohre in Offshore-Anwendungen ab. Ähnlich wie 15S befasst es sich nicht mit dem Transport von Kohlendioxid und wurde nicht in die PHMSA-Vorschriften aufgenommen.

HDPE-Rohre, die häufig in Anwendungen wie der Wasserversorgung, Entwässerungssystemen, Gasleitungen und Industrieprozessen verwendet werden, bieten hinsichtlich Flexibilität, einfacher Installation und geringem Wartungsaufwand ähnliche Vorteile wie Verbundrohre. Es kann so zusammengebaut werden, dass nahtlose Verbindungen entstehen, wodurch das Risiko von Undichtigkeiten verringert wird. Es kann auch zur Nachrüstung von Stahlrohren als Auskleidung gemäß API SPEC 15LE verwendet werden.

HDPE-Rohre wurden von PHMSA für den Transport von Erdgas gemäß 49 CFR Part 192 zugelassen. Die typischen Betriebsdrücke (z. B. 100 psi) sind jedoch deutlich niedriger als bei Verbundrohren. Ähnlich wie bei Verbundrohren gibt es keine Standards für den Transport von Wasserstoff und Kohlendioxid, obwohl HDPE-Rohre aufgrund der niedrigeren Druckgrenzen weniger für den Einsatz bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung geeignet sind.

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