Gaslecks entdecken durch kontinuierliche Methanmessung mit IoT-Sensoren

Methanemissionen aus Gasnetzen rücken bei Stadtwerken zunehmend in den Fokus. Ein Grund dafür sind neue gesetzliche Vorgaben auf EU-Ebene, die eine systematische Erfassung und Bewertung der Emissionen verlangen. Damit wächst der Bedarf an Lösungen, mit denen sich Methan kontinuierlich überwachen und frühzeitig erkennen lässt. Eine davon ist der stationäre Methansensor Versatilis Signal Scout von Honeywell, der dauerhaft an Gasdruckregel- und Messstationen installiert wird und eine durchgängige Überwachung ermöglicht.

Die Herausforderung: komplexe Gasnetze und klimaschädliche Methanemissionen

Stadtwerke betreiben häufig weitverzweigte Gasnetze mit Gasdruckregel- und Messstationen, Leitungen und Armaturen. In Großstädten wie Hamburg gibt es mehr als 600 solcher Stationen, an denen Leckagen auftreten können.

Methan ist ein zentraler Bestandteil von Erdgas: ein farbloses, geruchloses und leicht entzündliches Gas, das zugleich erheblich zum Klimawandel beiträgt. Zwar verbleibt es nicht dauerhaft in der Atmosphäre, über einen Zeitraum von 20 Jahren ist seine Klimawirkung jedoch mehr als 80-mal so hoch wie die von CO₂.

Kontinuierliche Überwachung statt punktueller Kontrollen

Um Lecks möglichst früh zu erkennen, haben Stadtwerke ihre Gasnetze bisher überwiegend durch manuelle Begehungen kontrolliert. Damit lassen sich allerdings nur einzelne, oft weit auseinanderliegende Zeitpunkte erfassen. Hinzu kommt der hohe Aufwand: Manuelle Kontrollen binden viel Personal und lassen sich nur schwer skalieren.

Diese Herausforderung betrifft nicht nur Stadtwerke. Methanemissionen entstehen ebenso in der Öl- und Gasindustrie, in Chemieanlagen und in der Abwasserwirtschaft. Selbst stillgelegte Bergwerke können Gas freisetzen. In all diesen Bereichen müssen Emissionen zuverlässig erkannt und dokumentiert werden.

Regulatorischer Druck durch die EU-Methanverordnung

Zusätzlichen Druck erzeugt die neue EU-Methanverordnung. Sie verlangt von Betreibern, Methanemissionen an allen Betriebsstätten zu messen und strukturiert zu berichten. Insgesamt sollen die Methanemissionen bis 2030 um 30 Prozent gegenüber dem Stand von 2020 sinken. Die Verordnung definiert zudem unterschiedliche Emissionskategorien mit festen Grenzwerten, wodurch die Zahl der erforderlichen Prüfungen steigt.

Die EU-Verordnung verwendet den Begriff „Leak Detection and Repair" (LDAR) und unterscheidet zwei Kategorien von Inspektionen:

• LDAR Typ 1 zielt auf größere Leckagen mit einem Schwellenwert von 7.000 ppm (Parts per Million) oder 17 Gramm pro Stunde.
• LDAR Typ 2 erfasst kleinere Leckagen ab etwa 500 ppm oder einem Gramm pro Stunde.

Außerdem legt die Verordnung Fristen für die Reparatur fest. Bei Leckagen oberhalb des definierten Grenzwerts muss innerhalb von fünf Tagen ein erster Reparaturversuch erfolgen, die vollständige Reparatur spätestens nach 30 Tagen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist ein neuer Ansatz nötig: keine punktuellen Kontrollen, sondern kontinuierliche Überwachung.

Die Lösung: stationäre Sensoren für die kontinuierliche Methanmessung

Für die kontinuierliche Methanmessung wird ein stationärer Methansensor dauerhaft an der jeweiligen überwachten Anlage oder Gasregelstation installiert. Honeywell hat dafür den Methangasdetektor Versatilis Signal Scout entwickelt. Er misst die Methankonzentration in der Umgebungsluft und erfasst zusätzlich Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit. Das Gerät ist batteriebetrieben, benötigt keine Verkabelung und lässt sich einfach montieren. Dadurch können in kurzer Zeit zahlreiche Sensoren an bestehenden Standorten ausgerollt werden.

Präzise Erkennung mit neuem Messverfahren

Die Honeywell IoT-Sensoren reagieren auf Veränderungen der thermodynamischen Eigenschaften der Luft. Methanemissionen beeinflussen das Verhalten des Luft-Gas-Gemischs. Dieser Effekt wird erfasst und in einen Konzentrationswert umgerechnet. Auf diese Weise lassen sich Änderungen der Methankonzentration bereits ab etwa 50 ppm nachweisen, abhängig von den Installationsbedingungen und Umwelteinflüssen.

Die zusätzlich erfassten Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck helfen, Verdünnungseffekte und Umwelteinflüsse einzuordnen. Die Geräte von Honeywell sind robust und für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet. Sie arbeiten kontinuierlich und liefern in kurzen Intervallen Messwerte. So lassen sich Emissionen über einen längeren Zeitraum hinweg quantitativ analysieren.

Effiziente Datenübertragung mit LoRaWAN

Ein wesentlicher Bestandteil der Lösung ist die drahtlose, verschlüsselte Kommunikation über LoRaWAN® (Long Range Wide Area Network). Die Technologie zeichnet sich durch einen sehr geringen Energiebedarf aus, sodass Batterien die Sensoren über viele Jahre versorgen. Damit eignet sie sich besonders für schwer zugängliche Messpunkte oder für Standorte, die über lange Zeiträume betrieben werden sollen. Zugleich sind Aufbau und Betrieb der Infrastruktur kostengünstig, sodass sich auch große Netze wirtschaftlich betreiben lassen. In ländlichen Gebieten sind Reichweiten von bis zu 15 Kilometern möglich, in Städten typischerweise mehrere Kilometer. In großen Gebäuden und weitläufigen Anlagen ist die starke Gebäudedurchdringung der Funksignale ein klarer Vorteil.

LoRaWAN® eignet sich besonders für die regelmäßige Übertragung kleiner Datenmengen, also genau für die Betriebsweise der Honeywell IoT-Sensoren. Sie übertragen die Daten über ein LoRaWAN-Gateway und das MQTT-Protokoll an eine Softwareplattform, die sie in Echtzeit verarbeitet. Auf dieser Basis lassen sich Leckagen lokalisieren und ihre Emissionsrate berechnen. Sobald definierte Grenzwerte überschritten werden, erzeugt das System automatisch eine Benachrichtigung per E-Mail oder über andere Kanäle. Verantwortliche können so schnell reagieren und gezielt Maßnahmen einleiten.

Praxisbeispiel: Methanmessung in einer Gasdruckregelstation

Während Wartungsarbeiten im geschlossenen Raum einer Gasdruckregelstation erfassten die Sensoren plötzlich ein Methanleck. Kurz nach Beginn der Arbeiten stieg die Methankonzentration in weniger als einer halben Stunde stark an und erreichte einen Spitzenwert von über 13.000 ppm. Ein kurzes Öffnen der Stationstür ließ die Konzentration rasch abfallen. Nach dem Schließen der Tür folgte ein langsamer Rückgang. Insgesamt dauerte es mehr als sieben Stunden, bis die Konzentration wieder auf ein unkritisches Niveau gesunken war.

Der Verlauf dieses Ereignisses zeigt die Leistungsfähigkeit der Honeywell-Lösung. Die kontinuierliche Messung der Methankonzentration zusammen mit weiteren Umgebungsparametern wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit bildet solche dynamischen Verläufe vollständig ab. So wird der gesamte Prozess nachvollziehbar, vom ersten Anstieg bis zum allmählichen Abklingen, und der Zusammenhang zwischen Belüftung und Gaskonzentration sichtbar. Darüber hinaus lässt sich die insgesamt freigesetzte Methanmenge berechnen, in diesem Fall rund 145 Gramm.

Die zusätzlich erfassten Parameter zeigen außerdem, wie die Umgebung im Raum auf das Leck reagierte. Mit steigender Methankonzentration sank die Luftfeuchtigkeit: von einem Ausgangswert von rund 74 Prozent auf etwa 73,3 Prozent beim Konzentrationsmaximum, was einem Rückgang von etwa 0,1 Prozent je 1.000 ppm Methan entspricht. Der Grund liegt in den Eigenschaften des Gases selbst: Methan ist leichter als Luft und verdrängt die feuchtere Umgebungsluft, während das trockene Quellgas den Feuchtigkeitsgehalt im Raum zusätzlich senkt. Die Temperatur wurde über das gesamte Ereignis hinweg miterfasst und lag beim Konzentrationsmaximum bei rund 6 °C, zeigte jedoch keine vergleichbare Korrelation zum Leck. In der Zusammenschau ordnen diese Parameter ein Methanereignis in seinen Umgebungskontext ein und helfen, ein tatsächliches Leck von normalen Schwankungen zu unterscheiden.

Die Honeywell-Lösung geht über die reine Leckage-Erkennung hinaus. Sie ermöglicht eine präzise Quantifizierung und Dokumentation der Emissionen gemäß den gesetzlichen Anforderungen. Betreiber erhalten damit eine belastbare Grundlage für schnelle Reaktionen und gezielte Wartungsmaßnahmen.

Das Ergebnis: frühere Erkennung und optimierte Prozesse

Die automatisierte Methanmessung von Honeywell führt zu einer früheren Erkennung von Leckagen und verkürzt die Zeit bis zur Reparatur. Auch das Aufgabenprofil verändert sich: Stadtwerke können ihr Personal gezielter einsetzen und schneller auf konkrete Probleme reagieren. Zudem lassen sich die Vorgaben der EU-Regulierung leichter erfüllen, da das System eine belastbare Datenbasis liefert.

Langfristig eröffnet der Ansatz weitere Möglichkeiten. Die gesammelten Messdaten zeigen auch Muster und Trends. So können beispielsweise bestimmte Standorte häufiger Leckagen aufweisen als andere. Daraus ergeben sich wertvolle Hinweise für die Instandhaltung, mit denen Stadtwerke ihre Maßnahmen gezielter planen können. Kurz gesagt: Stationäre Sensoren in Verbindung mit dem Industrial IoT ermöglichen eine lückenlose Überwachung und senken zugleich den operativen Aufwand.