Analysis and modelling of natural gas grids in presence of biomethane and hydrogen injections

In last decades, the global energy scenario has faced multiple changes that include the transition from conventional fossil to more sustainable fuels. In the projections, natural gas is expecting to have an increasing role, and sustainable fuels, like biomethane and hydrogen, can represent a valid alternative. In this new scenario of the gas system, modelling and simulation of gas networks, in particular in the presence of alternative sources, is essential for gas companies. This work analyses the current biomethane scenario and the testing projects for grids transporting natural gas – hydrogen blends or pure hydrogen at experimental or pilot level in Europe and the world, determining the main critical aspects of the technology and its potential development in the future. Furthermore, a model for the simulation of gas networks is studied and applied to a distribution network. As model applications, biomethane and hydrogen decentralized injections in different positions of the grid and with different flow rates have been studied, as well as different natural gas-hydrogen blends and a grid supplied by pure hydrogen. Particular attention has been paid to the critical network operating conditions: pressure levels, maximum velocity, flow rate introduced. Finally, in the case of hydrogen injections, the concept of gas quality tracking is introduced to study the composition of the gas in the nodes of the network and the energy supplied to each of them.

Negli ultimi decenni, lo scenario energetico mondiale ha affrontato molteplici cambiamenti che includono il passaggio dalle risorse energetiche convenzionali a quelle sostenibili. In questa prospettiva, il gas naturale avrà un ruolo sempre più significativo, e i gas sostenibili, come biometano e idrogeno, potranno rappresentare una valida alternativa. In questo nuovo scenario, la modellazione e la simulazione delle reti gas, soprattutto in presenza di fonti alternative, sono essenziali per le compagnie di gas. Questo lavoro analizza lo scenario corrente del biometano e i progetti di prova per reti che trasportano miscele di gas naturale e idrogeno a livello sperimentale in Europa e nel mondo, individuando i principali aspetti critici della tecnologia e il suo potenziale per il futuro. Successivamente, un modello per la simulazione di reti gas è studiato e applicato a una rete di distribuzione. Come applicazioni del modello, sono state studiate le immissioni decentralizzate di idrogeno e biometano in posizioni diverse della rete e con quantità diverse di gas, oltre a reti con diverse miscele di gas naturale e idrogeno e una rete alimentata da idrogeno puro. È stata data particolare attenzione alle condizioni critiche operative: livelli di pressione, velocità massima, quantità di gas introdotto. Infine, nel caso di immissioni di idrogeno, il concetto di “gas quality tracking” (tracciamento della qualità del gas) è stato introdotto al fine di analizzare la composizione del gas nei vari nodi della rete e l’energia fornita a ciascuno di loro.