Simulations of hydrogen blending in gas grids : development of a dynamic framework for multi-node injection

Abstract

Wasserstoff ist eine treibende Kraft bei der Transformation zu einem nachhaltigen Energiesystem, insbesondere in Industrie und Verkehr. Da die Zahl der Elektrolyseure zunimmt, reicht die bestehende Infrastruktur nicht aus, um die wachsenden Mengen an Wasserstoff zu verteilen. Die Beimischung von Wasserstoff in das Erdgasnetz bietet eine praktische Übergangslösung. Um das Potenzial der Einspeisung in Bezug auf die Systemintegration von Wasserstoff vollständig zu bewerten, sind detaillierte Modellierungen erforderlich. Die meisten vorhandenen Studien beruhen jedoch auf stationären Modellen oder konzentrieren sich auf einzelne Einspeisepunkte, so dass sie nur begrenzt in der Lage sind, das dynamische Verhalten realer Netze zu erfassen. In dieser Arbeit wird ein Simulationsmodell für die zeitabhängige Wasserstoffeinspeisung an mehreren Knotenpunkten eines Gasnetzes vorgestellt. Dieses basiert auf einem modularen, komponentenorientierten Ansatz, der eine flexible Netzgestaltung und Szenarioanalyse ermöglicht. Ein zentrales Ziel ist es, die Ergebnisse von stationären und dynamischen Simulationen der Wasserstoffverteilung im Netz zu vergleichen. Darüber hinaus wird das Model verwendet, um zu untersuchen, wie die Einspeiseraten durch Optimierung der Einspeiseorte verbessert werden können. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen,dass stationäre Modelle die Wasserstoffkonzentrationen oft falsch darstellen, weil sie zeitliche und räumliche Schwankungen ignorieren. Dies kann zu einer Unter- oder Überschätzung des Einspeisepotenzials und zu einer Fehleinschätzung der maximalen Wasserstoffkonzentration im Netz führen. Im Gegensatz dazu liefern dynamische Simulationen ein genaueres Bild des Systemverhaltens. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Einspeiseraten durch die Wahl geeigneter Einspeisepunkte erheblich verbessert werden können.

Hydrogen is a driving force in the transition to a sustainable energy system, particularly in industry and transport sectors. As the number of electrolysers increases, the existing infrastructure is not sufficient to distribute the growing volume of hydrogen. Blending hydrogen into the natural gas grid offers a practical transitional solution. To fully assess the potential of blending in relation to the system integration of hydrogen, detailed modelling is required. However, most existing studies rely on steady-state models or focus on single injection points, limiting their ability to capture the dynamic behaviour of real networks. This thesis presents a simulation framework for time-dependent hydrogen injection at multiple nodes in a gas network. The framework is based on a modular, component-oriented approach allowing flexible network design and scenario analysis. A central aim is to compare the performance of steady-state and dynamic simulations in representing hydrogen distribution across the grid. In addition, the approach is used to investigate how injection rates can be improved by optimising injection locations. The results show that steady-state models often misrepresent hydrogen concentrations by ignoring temporal and spatial variations. This can lead to under- or overestimation of injection potentials and misjudgment of safety thresholds. In contrast, the dynamic model provides a more accurate picture of the system behaviour. Moreover, the findings demonstrate that injection rates can be significantly improved by selecting appropriate injection points.