Erdgas | <<< | >>> | Feedback |
Definition: ein hauptsächlich aus Methan bestehendes brennbares Gas aus fossilen Quellen
Erdgas ist ein brennbares Gas, welches aus unterirdischen Quellen gefördert wird. Es besteht hauptsächlich aus Methan (CH4), kann aber auch diverse andere Gase enthalten, insbesondere Kohlendioxid, Stickstoff, Ethan, Ethen, Propan, Butan und geringe Mengen von Edelgasen. Es variiert je nach Herkunft und Aufbereitung deutlich in der Zusammensetzung und im Heizwert. Sogenanntes H-Gas (high caloric gas) enthält mindestens 87 % Methan und hat einen höheren Heizwert als L-Gas. Bei der Umstellung der Erdgasqualität in einem Versorgungsnetz sollte z. B. die Verbrennungsluftmenge von Heizkesseln entsprechend angepasst werden. (Moderne Heizkessel mit Lambda-Sonde tun dies automatisch.)
Typischerweise liegt der Heizwert von Erdgas etwa bei 38 MJ/kg und der Brennwert um ca. 10 % höher. Bei Normaldruck (1 bar) ist die Dichte von Erdgas ca. 0,83 kg/m3, so dass 1 m3 (Kubikmeter) einen Heizwert von ca. 31,5 MJ = 8,8 kWh aufweist. (Erdgas-Mengen häufig in Norm-Kubikmetern angegeben, d. h. nach dem Volumen bei Normaldruck.) Zum Vergleich liefert ein Liter Heizöl ca. 36 MJ = 10 kWh, also gut 10 % mehr Energie als 1 m3 Erdgas.
Anwendungen
Erdgas wird in großen Mengen für verschiedene Zwecke verwendet, und zwar nicht nur im Energiesektor, sondern auch für chemische Prozesse. Die Hauptanwendungen im Energiesektor sind der Betrieb von Wärmekraftmaschinen wie Gasturbinen und Gasmotoren (Otto- oder Dieselmotoren) sowie die Gewinnung von Wärme durch Verbrennung in Heizkesseln. Bei der Verwendung in Ottomotoren ist die hohe Klopffestigkeit des Methans vorteilhaft, weil sie (in eigens für den Erdgasbetrieb konstruierten Gasmotoren) einen hohen Kompressionsgrad zulässt. Besonders effizient ist aber die Herstellung elektrischer Energie in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken, insbesondere wenn zusätzlich die Abwärme genutzt werden kann, also Kraft-Wärme-Kopplung betrieben wird. Diese Kraftwerke haben ebenfalls den Vorteil, in der Leistung relativ schnell und in einem weiten Bereich regelbar zu sein. Deswegen gelten Gas-Kombikraftwerke als ideale Ergänzung für erneuerbare Energie, um Schwankungen von deren Produktion auszugleichen.
Es ist auch möglich, flüssige Energieträger wie Dieselkraftstoff oder Methanol synthetisch aus Erdgas herzustellen (→ Gas-to-Liquids-Verfahren, GtL). Auch ohne chemische Umwandlung ist eine Verflüssigung durch Tiefkühlen möglich (Flüssigerdgas, siehe unten). Die Verflüssigung erleichtert den Transport, verursacht jedoch einen nicht unerheblichen Verlust an Energie.
Ebenfalls ist es möglich, aus Erdgas durch Dampfreformierung Wasserstoff herzustellen. Bis heute wird der größte Teil des verwendeten Wasserstoffs auf diese Weise erzeugt.
Ökologische Aspekte
Die Förderung von Erdgas (siehe unten) kann je nach den Umständen recht umweltfreundlich sein oder auch stark umweltbelastend (insbesondere mit gewissen nicht-konventionellen Fördermethoden).
Erdgas kann ohne großen technischen Aufwand recht sauber verbrannt werden. Es bildet sich dabei fast kein Ruß, und ebenfalls enthält das Abgas praktisch keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe. Schwefeldioxid (SO2) entsteht fast nicht, da (gereinigtes) Erdgas kaum Schwefel enthält. Jedoch entstehen giftige Stickoxide (Verbindungen von Stickstoff und Sauerstoff); diese Emissionen können durch eine optimierte Verbrennungstechnik niedrig gehalten werden. Im Wesentlichen kommt es darauf an, dass die Flammengase nicht in zu kurzer Zeit von einer sehr hohen auf eine niedrige Temperatur abgekühlt werden.
Das bei der Verbrennung von Erdgas entstehende Kohlendioxid (CO2) ist klimaschädlich. Allerdings sind die CO2-Emissionen pro erzeugter Kilowattstunde bei Erdgas erheblich niedriger als bei allen anderen fossilen Brennstoffen. Dies gilt insbesondere bei der Stromerzeugung in Gas-und-Dampf-Kombikraftwerken, da nicht nur weniger CO2 pro kWh Wärme entsteht, sondern auch der Wirkungsgrad des Kraftwerks besonders hoch ist.
Erdgas sollte niemals unverbrannt in die Atmosphäre gelangen. Sein Hauptbestandteil Methan (CH4) ist nämlich sehr klimaschädlich – über 20 mal mehr als das Kohlendioxid, das bei seiner Verbrennung entstünde. Leider gelangen durch Leckagen z. B. von Erdgaspipelines ständig erhebliche Mengen von Methan in die Atmosphäre. Außerdem gibt es gescheiterte Erdöl- und Erdgasbohrungen (z. B. in der Nordsee), aus denen schon viele Jahre lang große Mengen von Methan ausströmen. Diese Umstände verschlechtern die effektive Klimabilanz des Erdgases erheblich.
Gefahren bei der Anwendung
Gemische von Erdgas und Luft sind bei einem Erdgas-Anteil von z. B. 10 % sehr explosiv. Allerdings ist Erdgas etwa im Gegensatz zu Flüssiggas deutlich leichter als Luft, steigt bei Leckagen zumindest im Freien also relativ schnell nach oben, was die Explosionsgefahr reduziert.
Das Eindringen von Luft in Erdgas-Leitungsnetze muss unbedingt verhindert werden, da das Gas sonst in den Leitungen explodieren kann. Entsprechende Unfälle können spektakulär sein, sind jedoch bei Verwendung moderner Installationen sehr selten.
Erdgas ist (ganz im Gegensatz zu Stadtgas) im Wesentlichen ungiftig; allerdings kann das Gas vor der Reinigung noch gewisse Mengen giftiger Gase wie z. B. Schwefelwasserstoff (H2S) sowie radioaktive Substanzen enthalten. Bei der Verbrennung von Erdgas entstehen hauptsächlich das ungiftige Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf, mit typischerweise deutlich geringeren Schadstoffgehalten des Abgases als bei anderen Brennstoffen. Jedoch kann bei Verbrennung unter Sauerstoffmangel das sehr giftige Kohlenmonoxid (CO) entstehen.
Gewinnung von Erdgas
Erdgas wird aus unterirdischen Quellen gefördert, die nach vorherrschender wissenschaftlicher Meinung ähnlich wie Erdöllagerstätten durch die Zersetzung biologischer Stoffe unter sauerstoffarmen Bedingungen entstanden sind. Somit gehört Erdgas zu den fossilen Energieträgern. Die Lagerstätten sind meist sogenannte Erdgasfallen unter undurchlässigen Gesteinsschichten, jedoch kommt Erdgas z. B. auch in Kohleflözen vor, wo es an die poröse Kohle adsorbiert ist, und u. a. in Meeresböden auch als Methanhydrat
Erdgaslagerstätten stehen oft unter hohem Druck, so dass die Förderung relativ einfach ist. Angesichts der Erschöpfung vieler Erdgasfelder werden aber zunehmend auch sehr viel aufwändigere neue Techniken für die Gewinnung von “unkonventionellem Erdgas” angewandt. Insbesondere kann Erdgas in Schiefergesteinen eingeschlossen sein; es wird dann als Schiefergas (“shale gas”) bezeichnet. Hier muss teilweise in sehr viel größere Tiefen vorgedrungen werden, und der Untergrund muss mit aufwändigen Methoden für das Gas durchlässig gemacht werden. Meist wird das Gestein hydraulisch aufgesprengt, wobei dem Wasser teils giftige Chemikalien und Quarzkügelchen beigegeben werden, die die erzeugten Risse offen halten sollen. Die Chemikalien verunreinigen mancherorts das Grundwasser, weil die dauerhafte Abdichtung des Bohrlochs schwierig ist. Von Spülwasser aus dem Boden ausgeschwemmte Schadstoffe (z. B. Salze, Arsen und auch radioaktive Substanzen) können auch an der Oberfläche Probleme verursachen. Da pro Förderstätte nur relativ geringe Mengen von Gas gewonnen werden können, werden z. B. in den USA große Landstriche mit Bohrungen und Abwasserteichen durchsetzt, häufig geradezu verwüstet. Zudem erhöht die Vielzahl der Bohrungen die Gefahr des Austritts von klimaschädlichem Methan in die Atmosphäre.
Das geförderte Rohgas muss vor der Verwendung in der Regel noch verarbeitet werden. Insbesondere müssen diverse Gase wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff abgetrennt werden. Helium kann hierbei als wertvolles Nebenprodukt anfallen. In sehr geringen Mengen werden Geruchsstoffe (Odorierungsstoffe) zugesetzt (in der Regel erst vom örtlichen Gasversorger), damit austretendes Erdgas bemerkt werden kann.
Erdgas wird häufig zusammen mit Erdöl angetroffen. In manchen Fällen wird es vor Ort abgefackelt, wenn unzureichende Mengen oder große Entfernungen eine Nutzung unwirtschaftlich machen. Angesichts begrenzter Ressourcen und des entstehenden klimaschädlichen Kohlendioxids ist das Abfackeln zunehmend umstritten.
Transport und Speicherung von Erdgas
Erdgas-Pipelines
Erdgas lässt sich gut in Pipelines (Rohrleitungen) unter hohem Druck (z. B. 90 bar) transportieren. Verluste durch Leckagen können klein gehalten werden. Jedoch ist ein gewisser Energieaufwand nötig, um das Erdgas für den Transport zu komprimieren; beispielsweise wird nach jeweils ca. 200 km eine weitere Verdichterstation benötigt, die den Druck wieder erhöht. (Reibungsverluste in der Pipeline lassen den Druck entlang der Strecke abfallen; anders gesagt ist eine gewisse Druckdifferenz nötig, um den Erdgas-Strom gegen die Reibung anzutreiben.) Die Kompressoren werden in der Regel mit einem Teil des Erdgases betrieben. Das komprimierte Erdgas (CNG = Compressed Natural Gas) besitzt in Fernleitungen einen besonders hohen Druck von z. B. 84 bar und wird bei Verteilung in kleinere Netze zunehmend auf niedrigere Drucke entspannt. Bei der Entspannung könnte im Prinzip ein Teil der für die Kompression aufgewandten Energie zurückgewonnen werden, jedoch geschieht dies bisher nur vereinzelt. Unter Umständen müssen sogar erhebliche Mengen von Wärme durch Verbrennung zusätzlichen Erdgases zugeführt werden, um eine zu starke Abkühlung bei der Entspannung des Gases zu verhindern.
Flüssigerdgas
Erdgas kann auch in verflüssigter Form als Flüssigerdgas (LNG = liquefied natural gas, nicht zu verwechseln mit Flüssiggas) transportiert werden, insbesondere in großen Tankschiffen. Die Kompression auf ca. 1/600 des Volumens ist für den Transport sehr vorteilhaft, jedoch ist eine Kühlung auf etwas unter −160 °C nötig. Für die Verflüssigung müssen ca. 10 bis 25 % des Heizwerts des Erdgases aufgewandt werden. Deswegen ist der Transport als Flüssigerdgas nur für große Transportdistanzen (Tausende von Kilometern) wirtschaftlich, und natürlich nur wo keine Pipelines verfügbar sind.
Speicherung
Erdgas lässt sich in oberirdischen und unterirdischen Druckbehältern speichern. Besonders große Volumina können in ausgedienten Salzstöcken sowie in Erdöl- und Erdgaslagerstätten gespeichert werden. Ebenfalls möglich ist die Verwendung der Transportpipelines für Speicherzwecke, wenn der Betriebsdruck variiert werden kann.
Oberirdische Speicher wurden früher häufig als zylinderförmige Gasometer gebaut. Heute sind kugelförmige Speicher, die mit hohem Druck von z. B. 10 bar betrieben werden können, gebräuchlicher.
Konkurrenz von Erdgas und Erdöl
Erdgas kann insbesondere Heizöl ersetzen. Häufig kann sogar der gleiche Heizkessel verwendet werden, und nur der Brenner muss ausgetauscht werden. Viele Heizungen wurden von Heizöl auf Erdgas umgestellt, was verschiedene Gründe hat:
- Tendenziell sind die Preise für Erdgas niedrigerer. Allerdings führen steigende Ölpreise direkt auch zu höheren Erdgaspreisen.
- Erdgas-Heizkessel sind tendenziell etwas effizienter, was insbesondere für Gas-Brennwertkessel zutrifft, die auch preisgünstiger als Heizöl-Brennwertkessel gebaut werden können.
- Die Abgase eines Gas-Heizkessels enthalten deutlich weniger Kohlendioxid und meist auch weniger giftige Schadstoffe.
- Eine Gasheizung benötigt keinen Tankraum. Allerdings verzichtet man so auf die Möglichkeit, den Brennstoff zu Zeiten niedriger Preise einzukaufen, und zusätzliche Kosten entstehen beim Anschluss an das Erdgasnetz.
- Langfristig dürfte Erdgas besser verfügbar sein. Die kurzfristige Verfügbarkeit kann jedoch stärker gefährdet sein, etwa bei politischen Spannungen oder technischen Defekten.
Auch manche Verbrennungsmotoren (insbesondere Ottomotoren) lassen sich relativ einfach auf den Betrieb mit Erdgas umrüsten, erreichen allerdings häufig nicht gleich hohe Wirkungsgrade wie speziell für Erdgas optimierte Motoren. Auch in Motoren werden die Abgase tendenziell weniger umweltbelastend als bei Betrieb mit Benzin, und Erdgas ist preisgünstiger als Benzin. Bei mobilen Anwendungen (z. B. in Autos) ist aber nachteilig, dass Erdgas in schweren und voluminösen Druckbehältern transportiert werden muss, was zu höherem Fahrzeuggewicht, kleinerer Reichweite und oft auch vermindertem Stauraum führt. Außerdem sind Erdgastankstellen nicht überall anzutreffen.
Als Brennstoff für Kraftwerke konkurrenziert Erdgas vor allem Kohle, insbesondere Steinkohle im Bereich der Mittellast. Es kann aber auch in Spitzenlast-Kraftwerken mit Gasturbinen an Stelle von Kerosin verwendet werden.
Preise und Steuern
Erdgas wird vielerorts tiefer besteuert als Heizöl und Benzin, weil sein vermehrter Einsatz zum Ersatz dieser anderen Brenn- und Kraftstoffe umweltpolitisch und energiepolitisch wünschenswert ist. Jedoch steigt der Erdgaspreis langfristig etwa parallel zum Ölpreis, insbesondere weil Erdgas und Heizöl in direkter Konkurrenz stehen. Diese Ölpreisbindung ist vielfach sogar in Verträgen festgelegt. Abweichungen vom langfristigen Preisverhältnis führen an verschiedenen Orten zu Verschiebungen des Verbrauchs, etwa durch Umstellung von Gasfeuerung auf Ölbetrieb oder umgekehrt.
Erdgasvorräte
Die globalen Vorräte an Erdgas sind deutlich höher als die von Erdöl. Beim heutigen Verbrauch und vor allem mit zukünftigen Verbrauchssteigerungen dürfte eine erhebliche globale Verknappung von Erdgas trotzdem spätestens in wenigen Jahrzehnten eintreten.
Schon heute wird Erdgas in manchen Regionen spürbar knapper, etwa durch die deutlich nachlassende Produktion in der Nordsee. In Nordamerika hat die Förderung von Schiefergas die Marktlage vorläufig stark entspannt; allerdings stoßen neue Vorhaben wegen der eingetretenen Umweltbelastungen (siehe oben) zunehmend auf Widerstände in der Bevölkerung. Für Europa ist aus verschiedenen Gründen nicht zu erwarten, dass Schiefergas in großem Umfang das konventionelle Erdgas z. B. aus Russland ersetzen wird: Die Vorkommen sind schlechter untersucht und weniger günstig verteilt, das Land ist stärker besiedelt und die Umweltvorschriften sind strenger als in den USA.
Große konventionelle Gasvorräte liegen im Nahen Osten, benötigen aber zur großräumigen Nutzung umfangreiche Investitionen in weitere große Pipelines und Installationen zur Verflüssigung und dem Transport von Flüssigerdgas.
Einspeisung von Biogas
In Erdgas-Pipelines kann auch Biogas eingespeist werden, wobei meist eine vorherige Aufbereitung zum Erreichen der nötigen Qualität notwendig ist. In Zukunft dürfte sich so ein Handel von “Öko-Gas” ähnlich wie der von Ökostrom ergeben: Interessierte Verbraucher bezahlen gezielt für eingespeistes Biogas, obwohl sie materiell gesehen das gleiche Gemisch von Erd- und Biogas wie die Bezüger von “normalem” Gas beziehen. Auf diese Weise kann die Erzeugung von Biogas gefördert werden mit der Perspektive, dass längerfristig ein erheblicher Teil des Erdgases durch Biogas ersetzt wird.
Biogas ist nicht zu verwechseln mit EE-Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird ohne Verwendung biologischer Prozesse.
Literatur
| [1] | Daten zu Erdgas von Agenda 21 |
| [2] | "Das Desaster vor der Tür. Seit fast 20 Jahren strömen aus einem Bohrloch in der Nordsee große Mengen des Treibhausgases Methan", ZEIT online |
| [3] | "Schiefergas als alternativer Energierohstoff – nur eine goldrauschähnliche Euphorie?", eine Publikation des Europäischen Instituts für Klima und Energie (EIKE) |
Siehe auch: Methan, Biogas, EE-Gas, Brennstoff, Kraftstoff, Gasheizung, Brennwertkessel, Erdöl, fossile Energieträger, Versorgungssicherheit
Kategorien: Energieträger, Wärme, Kraftmaschinen und Kraftwerke