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Flüssigerdgas

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Akronym: LNG = liquefied natural gas, GNL = gaz naturel liquéfié

Definition: Erdgas, welches durch Tiefkühlen verflüssigt wurde, um in dieser kompakteren Form gespeichert oder transportiert zu werden

Englisch: liquefied natural gas

Kategorie: Energieträger

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.12.2010; letzte Änderung: 09.08.2016

Erdgas in gasförmiger Form ist ein Energieträger mit einer geringen volumetrischen Energiedichte. Für die Lagerung und den Transport vor allem in Tankern ist es vorteilhaft, die Dichte massiv zu erhöhen, indem man das Erdgas durch Abkühlen auf ca. −162 °C verflüssigt, also in Flüssigerdgas (LNG = liquefied natural gas) umwandelt. In dieser Form ist die Dichte rund 600 mal höher als in gasförmiger Form bei Raumtemperatur und Normaldruck. Jedoch müssen Flüssigerdgas-Behälter gut wärmegedämmt (isoliert) werden, da jede Zufuhr von Wärme zur Verdampfung führt, also zur Abgabe gasförmigen Erdgases (boil-off) und (wenn der Behälter verschlossen wäre) zu einem Anstieg des Drucks. Ein LNG-Tank gibt trotz Wärmedämmung stetig eine gewisse Menge Erdgas ab, die entweder direkt verbraucht werden kann (z. B. zum Antrieb eines LNG-Tankers) oder durch Rückverflüssigung wieder dem Tank zugeführt werden muss.

Im Wesentlichen entspricht die chemische Zusammensetzung des Flüssiggases dem des Erdgases, d. h. es liegt hauptsächlich Methan vor. Jedoch werden oft andere Kohlenwasserstoffe wie Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und Butan (C4H10), die im Pipelinegas in der Regel kaum vorkommen, dem Flüssigerdgas zugemischt, wenn sie bei der Aufbereitung anfallen und anders schlecht nutzbar sind. Dies trifft z. B. bei der Gewinnung von Schiefergas oft zu.

Ist die Energiedichte von LNG nun höher oder niedriger als die von Heizöl? Es kommt darauf an, ob man das Gewicht oder das Volumen betrachtet.

Die Dichte von Flüssigerdgas liegt bei ca. 450 kg/m3. Zusammen mit dem Heizwert von 50 MJ/kg von Methan (dem Hauptbestandteil) ergibt sich eine volumetrische Energiedichte von ca. 22 MJ/l – deutlich geringer als z. B. ca. 36 MJ/l bei leichtem Heizöl, das eine wesentlich höhere Dichte aufweist. Die gravimetrische Energiedichte von Flüssigerdgas liegt mit 50 MJ/kg allerdings deutlich über dem Wert von 42,6 MJ/kg bei Heizöl.

Vorsicht: die Bezeichnung Flüssiggas ist missverständlich!

Flüssigerdgas darf nicht verwechselt werden mit Flüssiggas, welches hauptsächlich aus dem schwereren Propan und Butan (und nicht aus Methan) besteht. Leider wird aber oft der Begriff Flüssiggas verwendet, wenn eigentlich Flüssigerdgas gemeint ist.

Vergleich mit komprimiertem Erdgas

Als Alternative zur Verflüssigung kann die Dichte von Erdgas auch erhöht werden, indem man das Gas bei Zimmertemperatur stark komprimiert – beispielsweise auf einen Druck von 20 bis 25 MPa (= 200 bis 250 bar). Man erhält damit sogenanntes CNG = compressed natural gas. In diesem Fall benötigt man einen Behälter, der dem großen Druck standhalten kann; andererseits braucht man dann keine Wärmedämmung des Gastanks, um das Eindringen von Wärme zu reduzieren. Die durch Kompression erreichte Dichte ist wesentlich geringer als die Dichte, die durch Verflüssigung möglich ist. Ein Vorteil ist, dass der Energieaufwand für die Kompression deutlich geringer ist als der für die Verflüssigung.

Energieaufwand für die Verflüssigung

Die Verflüssigung des Gases z. B. in einem LNG-Terminal (siehe unten) verbraucht erhebliche Mengen von Energie – rund 10 bis 25 % des Heizwerts des Erdgases. Dies liegt daran, dass das Gas für die Verflüssigung sehr tief abgekühlt werden muss und dass ihm die Kondensationswärme entzogen werden muss. Die dafür nötigen Kältemaschinen können mit einem Teil des Gases betrieben werden oder auch mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz.

Es gibt verschiedene Verfahren der Verflüssigung. Im klassischen Kaskaden-Zyklus wird das Erdgas in drei aufeinanderfolgenden Kühlzyklen abgekühlt, die mit Propan, Ethan und schließlich mit Methan arbeiten. Ein etwas vereinfachtes Verfahren, dass nur eine Vorkühlstufe und einen weiteren Zyklus benötigt, ist etwas energieaufwendiger. Die Abwärme der Kältemaschinen wird in der Regel nutzlos an Meerwasser abgegeben.

Es sollte möglich sein, zukünftig verbesserte Verfahren zu entwickeln, die etwas weniger als 10 % der Energie des Gases für die Verflüssigung benötigen.

Transport von Flüssigerdgas

Der Transport von Flüssigerdgas mit Schiffen ist viel flexibler als bei Verwendung von Pipelines.

Der genannte hohe Energieaufwand wird immer häufiger in Kauf genommen, da sich LNG insbesondere mit großen Spezialtankern gut über lange Strecken transportieren lässt, so dass der Transport nicht mehr an Pipelines gebunden ist. Die nötige Infrastruktur ist aufwendig, kann aber schneller als lange Pipelines realisiert werden und erlaubt eine flexiblere Reaktion auf Lieferengpässe z. B. durch politische Krisen. Auf diese Weise wird eine höhere Versorgungssicherheit erreicht.

Der typische Transportweg beginnt mit einer Pipeline, die Erdgas unter hohem Druck in gasförmiger Form zu einer speziellen Hafenanlage (einem LNG-Terminal) bringt. Dort erfolgt die Verflüssigung und die Beladung der Flüssiggastanker (LNG-Tanker). Diese fahren zu ihren Zielorten und entladen das Flüssigerdgas an anderen LNG-Terminals, wo das Erdgas meist wieder in gasförmiger Form in ein Pipeline-Netz eingespeist wird.

Gas kann auch direkt an einer Förderplattform verflüssigt werden.

Eine Alternative zu diesem Ansatz ist es, die Verflüssigung des Gases direkt an der Förderanlage vorzunehmen, beispielsweise auf einem Spezialschiff nahe einer Gasförderplattform. Dies ist insbesondere für die Gasförderung in abgelegenen Regionen interessant, wo der Abtransport mit einer Pipeline schwer realisierbar ist.

Im Folgenden werden einige Details der Transportkette näher beschrieben.

Verflüssigung

Die Verflüssigung des Gases benötigt man große Kältemaschinen, die oft mit Gasturbinen betrieben werden, die einen Teil des Gases verbrennen. Der Energieaufwand ist erheblich (siehe oben).

Transport in Tankern

Ein großer LNG-Tanker transportiert eine enorme Menge von Energie in der Größenordnung von einigen Petajoule; das entspricht mehreren Prozent des Jahresbedarfs der Schweiz an Erdgas.

Meist wird das Flüssigerdgas dann mit sehr großen Tankern über große Strecken (oft tausende von Kilometern) transportiert, die oft einen Teil des Gases für den eigenen Antrieb nutzen. Die Kapazitäten solcher Tanker liegen oft über 100 000 m3, teils sogar über 250 000 m3 (also über 100 000 Tonnen). Es gibt allerdings auch viel kleinere LNG-Tanker mit Kapazitäten von z. B. einigen hundert Tonnen für die Binnenschifffahrt und für Küstenfahrten, etwa von großen Häfen zu kleineren Häfen.

Unterschiedliche LNG-Tanks kommen in Tankern zum Einsatz. Vor allem kleinere Schiffe enthalten meist mehrere kugelförmige Tanks mit einer mehrere Zentimeter dicken Wandung aus Aluminium, die hintereinander im Schiff eingebaut sind. Sie sind schon von außen leicht zu erkennen. Größere moderne Tanker enthalten dagegen vermehrt riesige Membrantanks, die das verfügbare Volumen besser ausnutzen, weil kaum Lücken zwischen einzelnen Tanks verbleiben, und auch viel weniger schwer sind. In beiden Fällen müssen die Tanks mit einer effektiven Wärmedämmung (Kälteisolierung) versehen werden, damit nicht zu viel Wärme von außen eindringt, was nämlich zur Verdampfung von Gas beiträgt. Eine doppelte Schiffshülle bietet Platz für Ballasttanks, die für Fahrten des entladenen Schiffs mit Ballastwasser gefüllt werden müssen. Lecks, die sicherheitstechnisch sehr problematisch wären, werden mit aufwändigen Sicherheitsmaßnahmen verhindert.

Fahrten auf hoher See dürfen nicht mit teilweise gefüllten Tanks durchgeführt werden, da das darin herumschwappende Flüssigerdgas eine Gefahr für die Stabilität wäre. Es ist aber zumindest bei Kugeltanks möglich, einige Tanks ganz zu füllen, andere dagegen völlig zu lehren.

Das ständig entstehende “Boil-off-Gas” muss entweder nützlich verwendet oder wieder verflüssigt werden.

Da nie ganz verhindert werden kann, dass eine gewisse Menge Wärme von außen in die sehr kalten Tanks eindringt, verdampft stetig ein Teil des Gases. Dieses “Boil-off-Gas” muss dem Tank entnommen werden, da der Druck sonst ansteigen würde, bis die Tankwandung versagt. Während der Fahrt ist dies kein Problem, da ohnehin Gas für den Betrieb der Antriebsmotoren des Schiffs und evtl. für die Stromversorgung benötigt wird. Solange ein Schiff im Hafen liegt und kaum Gas benötigt, beispielsweise während der Entladung, kann das Gas über eine Leitung der Hafenanlage abgegeben werden, um anderswo verwendet zu werden. Eine andere Möglichkeit ist die Rückverflüssigung mithilfe einer Kältemaschine. Soweit all dies nicht möglich ist, kann eine Abfackelung oder die Verbrennung in einer Brennkammer notwendig werden. (Das Abblasen von unverbranntem Gas wäre nicht nur sehr klimaschädlich, sondern ist auch wegen der Explosionsgefahr nicht akzeptabel.) Bei kleineren Schiffen (beispielsweise in der Binnenschifffahrt) kann das Boil-off-Gas pro Tag mehr als 0,1 % der Tankkapazität betragen, bei großen Schiffen dagegen deutlich weniger, da diese ein günstigeres Verhältnis von Oberfläche und Volumen aufweisen.

Der Energieverbrauch des Tankers beim Transport liegt bei moderner Antriebstechnologie in der Größenordnung von 1 bis 2 % pro 1000 km (unter Berücksichtigung der leeren Rückfahrten). Er ist ähnlich wie der Energieverbrauch für den Betrieb einer Pipeline, bei weiterer Entwicklung der Tanker evtl. etwas tiefer. Die kilometerabhängigen Transportkosten dagegen liegen weitaus tiefer als bei der Pipeline, deren Bau sehr teuer ist. Daraus wird klar, dass sich der Transport als LNG am ehesten bei großen Entfernungen von mehreren Tausend Kilometern lohnt.

Regasifizierung

Wenn Flüssigerdgas in einem Hafen an einem sogenannten LNG-Terminal angelandet wird, muss es meist in einer Verdampfungsanlage wieder in die gasförmige Form gebracht und komprimiert werden, um über Pipelines weitertransportiert werden zu können. Dieser Schritt wird als Regasifizierung bezeichnet. In manchen Fällen wird jedoch das LNG nur umgeladen, beispielsweise in Binnenschiffe oder auf spezielle Tankwagen für den Transport in der näheren Umgebung.

Es wäre energetisch günstig, die bei der Regasifizierung anfallende Kälte technisch zu nutzen.

Bei der Regasifizierung muss dem Gas die nötige Verdampfungswärme zugeführt werden. Hierfür ist allerdings keine besonders hohe Temperatur nötig, da der Siedepunkt des Gases ja sehr tief liegt. Man verwendet oft mit Meerwasser gespeiste Wärmeübertrager, nutzt also kostenlose Umweltwärme. Bei der Regasifizierung auf dem Tanker selbst wird manchmal stattdessen eine Tauchflammenverdampfung verwendet. Der Betrieb einer Verdampfungs- und Kompressionsanlage kostet relativ wenig Energie (in der Größenordnung von 1 bis 2 % des Energiegehalts des Erdgases). Effizienter wäre es freilich, die Kälte technisch zu nutzen, etwa für die Kühlung von Lagerhallen. Allerdings dürfte es oft schwierig sein, einen entsprechenden Kältebedarf in unmittelbarer Nähe des LNG-Terminals zu finden. Im Prinzip könnte die Kälte auch zur Stromerzeugung genutzt werden, etwa mit einem Organic Rankine Cycle auf der Basis von Methan.

Einsatz in Deutschland und anderswo

Der deutsche Erdgasbedarf könnte zukünftig zu einem größeren Teil als heute in Form von LNG gedeckt werden.

Deutschland bezieht Erdgas bisher zum größten Teil über Pipelines z. B. aus Norwegen, Holland und Russland. Bisher sind in den Häfen keine ausreichenden Kapazitäten von Flüssigerdgas-Terminals vorhanden, um einen wesentlichen Teil des Erdgases alternativ als Flüssigerdgas beziehen zu können. Da dieses ohnehin in der Regel teurer ist, bestand bisher kein Anlass, eine solche recht teure Infrastruktur in größerem Umfang aufzubauen. Allerdings wird inzwischen intensiver darüber nachgedacht, um von Erdgaslieferungen aus Russland weniger abhängig zu sein. In begrenztem Maße wäre es auch möglich, Erdgas zu beziehen, welches als Flüssigerdgas in holländischen und belgischen Nordsee-Häfen (v. a. Rotterdam und Zeebrügge) entladen und von dort aus über herkömmliche Pipelines nach Deutschland geliefert wird.

Länder, die von den Gasproduzenten sehr weit entfernt sind (beispielsweise Japan), haben kaum die Möglichkeit, Erdgas über Pipelines zu beziehen. Sie importieren deswegen viele Erdgas in Form von Flüssigerdgas.

Ebenso können etliche Produzentenländer Erdgas praktisch nur in Form von Flüssigerdgas exportieren. Ein Beispiel hierfür ist Nigeria. Die größten Kapazitäten für die Verflüssigung von Erdgas befinden sich jedoch im Nahen Osten; der weltweit größte LNG-Produzent ist Katar. Vor allem der Export nach Asien geschieht praktisch nur in Form von LNG.

Einsatz als Kraftstoff

Flüssigerdgas wird schon heute für den Antrieb von LNG-Tankern von einigen Handelsschiffen und Kreuzfahrtschiffen eingesetzt. Zukünftig könnte es auch vermehrt dem Antrieb anderer Schiffe dienen anstelle des sehr umweltbelastenden Schweröls. Damit könnten die Klimaschädlichkeit und der Ausstoß von giftigen Schadstoffen durch Schiffe massiv reduziert werden.

Für diese Umstellung müssen viele Häfen mit entsprechenden Flüssigerdgas-Bunkern ausgestattet werden. Diese könnten direkt mit LNG-Tankern beliefert werden. In norddeutschen Häfen wird diese Infrastruktur bereits aufgebaut.

Auch Flugzeuge könnten zukünftig vielleicht mit LNG anstelle von Kerosin betrieben werden.

Zukünftig ist es auch denkbar, LNG für den Antrieb von großen Flugzeugen zu nutzen. Ein wesentlicher Vorteil von Jet-LNG wäre die höhere gravimetrische Energiedichte des LNG im Vergleich zu Kerosin; die Tanks könnten also leichter sein, was wiederum Kraftstoff spart oder die Transportkapazität erhöht. Hinzu kämen deutliche Vorteile bei der Abgasqualität.

Die Verwendung von Flüssigerdgas ist nicht unbedingt weniger klimaschädlich – kein Gas darf unverbrannt entweichen.

Während die Abgase bei Verwendung von Flüssigerdgas sehr viel sauberer werden als mit Schweröl, besteht die Gefahr einer starken Klimaschädlichkeit im Falle, dass nennenswerte Mengen von Gas unverbrannt in die Atmosphäre entweichen. Hierbei ist einerseits an Lecks zu denken, die beispielsweise beim Umfüllen des Gases auf Schiffe auftreten könnten, und andererseits an den Methanschlupf von Motoren. Diese Problematik muss also sorgfältig überwacht werden, um tatsächlich einen Klimavorteil durch Flüssiggas erzielen zu können.

Verwendung zur Speicherung

LNG ist im Prinzip auch eine Option, um Erdgas in kompakter Form speichern zu können. Ein Druckspeicher ist hierfür nicht nötig, jedoch eine effektive Wärmedämmung. Wegen des hohen Energieaufwands für die Verflüssigung und des insgesamt hohen technischen Aufwands dürfte die Speicherung von Erdgas mit konventionellen Verfahren – etwa in unterirdischen Kavernen oder Poren speichern – meist vorteilhafter sein.

Siehe auch: Erdgas, Flüssiggas, Energieträger, Gaskondensat, Schweröl, Kohlenwasserstoffe
sowie andere Artikel in der Kategorie Energieträger

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