Erdgas

Hintergrund

Erdgas ist ein Gemisch aus brennbaren Gasen, das im Untergrund durch die Zersetzung organischer Stoffe in Pflanzen und Tieren entsteht. Es wird normalerweise in Gebieten gefunden, in denen Öl vorhanden ist, obwohl es mehrere große unterirdische Erdgaslagerstätten gibt, in denen wenig oder kein Öl vorhanden ist. Erdgas wird häufig zum Heizen und Kochen sowie für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen verwendet.

Verlauf

Erdgas war dem frühen Menschen in Form von Sickerwasser aus Gesteinen und Quellen bekannt. Manchmal führten Blitze oder andere Zündquellen dazu, dass diese Gasaustritte verbrennen, was zu Feuergeschichten aus dem Boden führte. Um 900 v. Chr. Erdgas wurde aus Bohrlöchern in China gefördert. Das Gas wurde verbrannt und die Hitze wurde verwendet, um Meerwasser zu verdampfen, um Salz herzustellen. Bis zum ersten Jahrhundert hatten die Chinesen fortschrittlichere Techniken zum Erschließen unterirdischer Erdgaslagerstätten entwickelt, die es ihnen ermöglichten, Brunnen bis zu einer Tiefe von 4.800 Fuß (1.460 m) in weichem Boden zu bohren. Sie verwendeten Metallbohrer, die durch Abschnitte ausgehöhlter Bambusrohre gesteckt wurden, um das Gas zu erreichen und an die Oberfläche zu bringen.

Auch die Römer wussten von Erdgas, und Julius Caesar soll in der Nähe von Grenoble, Frankreich, Zeuge einer „brennenden Quelle“ gewesen sein. Religiöse Tempel wurden im frühen Russland an Orten errichtet, an denen brennendes Erdgas „ewige Flammen“ bildete.

In den Vereinigten Staaten erfolgte die erste absichtliche Verwendung von Erdgas im Jahr 1821, als William Hart ein Bohrloch bohrte, um eine flache Gastasche am Ufer des Canadaway Creek in der Nähe von Fredonia, New York, zu erschließen. Er leitete das Gas durch ausgehöhlte Baumstämme zu einem nahe gelegenen Gebäude, wo er es zur Beleuchtung verbrannte. 1865 wurde die Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company das erste Erdgasunternehmen in den Vereinigten Staaten. Die erste Ferngaspipeline führte 1872 25 Meilen (40 km) von einem Gasfeld nach Rochester, New York. Auch sie verwendete ausgehöhlte Baumstämme für Rohre. Die Entwicklung des Bunsenbrenners durch Robert Bunsen im Jahr 1885 führte zu einem Interesse an der Verwendung von Erdgas als Quelle zum Heizen und Kochen sowie für die Beleuchtung. Im Jahr 1891 wurde im Zentrum von Indiana eine Hochdruckgaslagerstätte angezapft und eine 192 km lange Pipeline gebaut, um das Gas nach Chicago, Illinois, zu bringen.

Trotz dieser frühen Bemühungen beschränkte das Fehlen eines guten Verteilungssystems für Erdgas seine Verwendung auf lokale Gebiete, in denen das Gas gefunden wurde. Das meiste Gas, das bei Ölbohrungen in entlegeneren Gebieten an die Oberfläche kam, wurde einfach in die Atmosphäre abgelassen oder in riesigen Fackeln verbrannt, die die Ölfelder Tag und Nacht beleuchteten. In den 1910er Jahren erkannten Ölfirmen, dass diese Praxis ihnen potenzielle Gewinne kostete, und sie starteten ein aggressives Programm zur Installation von Gaspipelines zu großen Ballungsgebieten in den Vereinigten Staaten. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg hatte dieses Pipeline-Programm genügend Städte erreicht, um Erdgas zu einer attraktiven Alternative zu Strom und Kohle zu machen.

Im Jahr 2000 gab es in den Vereinigten Staaten über 600 Erdgasverarbeitungsanlagen, die mit mehr als 300.000 Meilen (480.000 km) Haupttransportpipelines verbunden waren. Weltweit gibt es auch bedeutende Erdgasvorkommen in der ehemaligen Sowjetunion, Kanada, China und den arabischen Golfstaaten des Nahen Ostens.

Rohstoffe

Roherdgas setzt sich aus mehreren Gasen zusammen. Der Hauptbestandteil ist Methan. Andere Komponenten umfassen Ethan, Propan, Butan und viele andere brennbare Kohlenwasserstoffe. Rohes Erdgas kann auch Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Helium enthalten.

Während der Verarbeitung können viele dieser Komponenten entfernt werden. Einige – wie Ethan, Propan, Butan, Schwefelwasserstoff und Helium – können teilweise oder vollständig entfernt werden, um verarbeitet und als separate Waren verkauft zu werden. Andere Bestandteile wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Stickstoff können entfernt werden, um die Qualität des Erdgases zu verbessern oder das Gas über weite Entfernungen durch Pipelines leichter transportieren zu können.

Das dabei entstehende aufbereitete Erdgas enthält hauptsächlich Methan und Ethan, ein „typisches“ Erdgas gibt es jedoch nicht. Dem verarbeiteten Gas können bestimmte andere Komponenten zugesetzt werden, um ihm besondere Eigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel wird eine Chemikalie namens Mercaptan hinzugefügt, um dem Gas einen unverwechselbaren Geruch zu verleihen, der vor einem Leck warnt.

Der Herstellungsprozess

Die Verfahren zur Gewinnung, Verarbeitung, Beförderung, Speicherung und Verteilung von Erdgas hängen von der Lage und Zusammensetzung des Rohgases sowie der Lage und Anwendung des Gases durch die Endverbraucher ab. Hier ist eine typische Abfolge von Vorgängen, die verwendet werden, um Erdgas zum Heizen und Kochen zu Hause zu produzieren.

Extrahieren

• 1 Einige unterirdische Erdgaslagerstätten stehen unter einem ausreichenden Innendruck, sodass das Gas ohne zusätzliche Hilfe durch das Bohrloch nach oben fließen und die Erdoberfläche erreichen kann. Die meisten Bohrlöcher benötigen jedoch eine Pumpe, um das Gas (und Öl, falls vorhanden) an die Oberfläche zu bringen. Die gebräuchlichste Pumpe hat eine lange Stange, die tief im Bohrloch an einem Kolben befestigt ist. Der Stab wird von einem Balken, der auf einer vertikalen Stütze langsam auf und ab schaukelt, abwechselnd nach oben gezogen und zurück in das Bohrloch geworfen. Diese Konfiguration wird oft als Pferdekopfpumpe bezeichnet, da die Form des Zugmechanismus am Ende des Schaukelbalkens einem Pferdekopf ähnelt.
• 2 Wenn das Roherdgas die Oberfläche erreicht, wird es von eventuell vorhandenem Öl getrennt und zu einer zentralen Gasaufbereitungsanlage in der Nähe geleitet. Mehrere hundert Brunnen können alle in dieselbe Pflanze speisen.

Verarbeitung

• 3 Ungefähr 75 % des Roherdgases in den Vereinigten Staaten stammen aus unterirdischen Lagerstätten, in denen wenig oder kein Öl vorhanden ist. Dieses Gas ist einfacher zu verarbeiten als Gas aus Ölquellen. Unabhängig von der Quelle enthält das meiste Roherdgas Schmutz, Sand und Wasserdampf, die vor der Weiterverarbeitung entfernt werden müssen, um eine Kontamination und Korrosion der Geräte und Rohrleitungen zu verhindern. Schmutz und Sand werden mit Filtern oder Fallen in der Nähe des Brunnens entfernt. Der Wasserdampf wird gewöhnlich entfernt, indem das Gas durch einen mit Körnern eines festen Trockenmittels, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Silicagel, gefüllten Turm oder durch ein flüssiges Trockenmittel, wie beispielsweise Glykol, geleitet wird. Nach der Reinigung und Trocknung kann das Rohgas weiterverarbeitet oder direkt an eine Kompressorstation geleitet und in eine Haupttransportleitung gepumpt werden.
• 4 Wenn das Roherdgas eine große Menge schwererer Kohlenwasserstoffgase wie Propan und Butan enthält, werden diese Materialien entfernt und separat verkauft. Die gebräuchlichste Methode besteht darin, das Rohgas durch einen hohen, geschlossenen Turm zu leiten, der ein kaltes Absorptionsöl, ähnlich wie Kerosin, enthält. Wenn das Gas mit dem kalten Öl in Kontakt kommt, kondensieren die schwereren Kohlenwasserstoffgase zu Flüssigkeiten und werden im Öl eingeschlossen. Die leichteren Kohlenwasserstoffgase, wie Methan und Ethan, kondensieren nicht zu Flüssigkeit und strömen oben aus dem Turm heraus. Etwa 85 % des Propans und fast das gesamte Butan und schwerere Kohlenwasserstoffe werden auf diese Weise abgefangen. Das Absorptionsöl wird dann destilliert, um die eingeschlossenen Kohlenwasserstoffe zu entfernen, die in einem Fraktionierungsturm in einzelne Komponenten getrennt werden.
• 5 Zu diesem Zeitpunkt enthält das Erdgas Methan, Ethan und eine kleine Menge Propan, die nicht eingeschlossen wurde. Es kann auch unterschiedliche Mengen an Kohlendioxid enthalten, Ein Diagramm, das die Produktion von Erdgas aus unterirdischen Quellen bis hin zum Haushaltsverbrauch darstellt. Schwefelwasserstoff, Stickstoff und andere Materialien. Ein Teil des Ethans wird manchmal entfernt, um als Rohstoff in verschiedenen chemischen Prozessen verwendet zu werden. Um dies zu erreichen, wird der Wasserdampf im Gas mit einer von mehreren Methoden weiter reduziert, und das Gas wird dann wiederholten Kompressions- und Expansionszyklen unterzogen, um das Ethan abzukühlen und als Flüssigkeit einzufangen.
• 6 Manches Erdgas enthält einen hohen Anteil an Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Diese Chemikalien können mit dem restlichen Wasserdampf im Gas zu einer Säure reagieren, die Korrosion verursachen kann. Sie werden entfernt, indem das Gas nach oben durch einen Turm geleitet wird, während ein Sprühnebel aus Wasser gemischt mit einem Lösungsmittel, wie Monoethanolamin, oben eingespritzt wird. Das Lösungsmittel reagiert mit den Chemikalien und die Lösung wird zur weiteren Verarbeitung vom Boden des Turms abgelassen.
• 7 Manches Erdgas enthält auch einen hohen Stickstoffanteil. Da Stickstoff nicht verbrennt, reduziert er den Heizwert des Erdgases. Nachdem Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff entfernt wurden, durchläuft das Gas einen Niedertemperatur-Destillationsprozess, um den Stickstoff zu verflüssigen und abzutrennen. Zusammen werden die Prozesse in den Schritten 6 und 7 manchmal als "Aufwertung" des Gases bezeichnet, weil das Erdgas jetzt sauberer ist und heißer verbrennt.
• 8 Wenn Heliumgas aufgefangen werden soll, geschieht dies, nachdem der Stickstoff entfernt wurde. Dabei handelt es sich um einen aufwendigen Destillations- und Reinigungsprozess, um das Helium von anderen Gasen zu isolieren. Erdgas ist die wichtigste Quelle für industrielles Helium in den Vereinigten Staaten.

Transportieren

• 9 Mercaptan wird in das verarbeitete Erdgas injiziert, um ihm einen deutlichen Warngeruch zu verleihen, und das Gas wird zu einer Kompressorstation geleitet, wo der Druck auf etwa 200-1.500 psi (1.380-10.350 kPa) erhöht wird. Das Gas wird dann durch eine von mehreren großen unterirdischen Pipelines quer durch das Land transportiert. Diese Pipelines haben einen Durchmesser von 20 bis 42 Zoll (51 bis 107 cm). Etwa alle 160 km erhöht ein weiterer Kompressor den Gasdruck, um kleine Druckverluste durch Reibung zwischen Gas und Rohrwänden auszugleichen. Dadurch bleibt das Gas fließen.
• 10 Wenn das unter Druck stehende Erdgas die Nähe seines endgültigen Bestimmungsortes erreicht, wird es manchmal zur Speicherung in den Boden zurückgespeist. Erschöpfte unterirdische Gas- und Öllagerstätten, poröse Gesteinsschichten, die als Aquifere bekannt sind, oder unterirdische Salzkavernen können verwendet werden, um das Gas zu speichern. Dies gewährleistet eine schnelle Versorgung in den kälteren Wintermonaten.

Verteilen

• 11 Wenn Gas benötigt wird, wird es aus unterirdischen Speichern entnommen und bei Drücken bis zu 1.000 psi (6.900 kPa) durch Pipelines transportiert. Diese Pipelines bringen das Gas in die Stadt oder das Gebiet, in dem es verwendet werden soll.
• 12 Der Druck wird auf unter 60 psi (410 kPa) reduziert, und das Gas wird in unterirdischen Leitungen verteilt, die durch das gesamte Gebiet verlaufen. Bevor das Gas in jedes Haus oder Geschäft geleitet wird, wird der Druck weiter auf etwa 0,25 psi (1,7 kPa) reduziert.

Qualitätskontrolle

Erdgas brennt leicht an der Luft und kann heftig explodieren, wenn eine große Menge plötzlich entzündet wird. Ganze Gebäude wurden durch starke Explosionen, die aus Erdgaslecks resultierten, dem Erdboden gleichgemacht. In anderen Fällen sind Menschen in geschlossenen Räumen erstickt, die sich langsam mit Erdgas füllten. Da Erdgas geruchlos ist, wird dem Gas übelriechendes Mercaptan zugesetzt, sodass selbst ein kleines Leck sofort wahrnehmbar ist. Zum Schutz der unterirdischen Hochdruck-Gaspipelines wird einige Meter über der Pipeline ein leuchtend gelbes Plastikband in den Boden vergraben, um Leute zu warnen, die in der Gegend graben könnten. Auf diese Weise legen sie das Band frei, bevor sie tatsächlich auf die darunter liegende Pipeline treffen. Als zusätzliche Vorsichtsmaßnahme sind auf der gesamten Länge der Pipeline Warnschilder am Boden angebracht.

Die Zukunft

Da Erdgas sauber verbrennt, wird es als alternativer Kraftstoff für Kraftfahrzeuge in Betracht gezogen. In vielen Bereichen sind bereits Pkw und Lkw mit komprimiertem Erdgas (CNG) unterwegs. Auch Unternehmen, die industrielle Prozesse einsetzen, die hohe Temperaturen erfordern, setzen auf Erdgas statt auf andere Brennstoffe, um die Luftverschmutzung ihrer Anlagen zu reduzieren. Dazu gehören Unternehmen, die Stahl, Glas, Keramik, Zement, Papier, Chemikalien, Aluminium und verarbeitete Lebensmittel herstellen.