Erdgas: Von der Förderung bis zur Verteilung – umfassender Überblick

Hintergrund

Erdgas ist ein Gemisch brennbarer Kohlenwasserstoffe, entstanden durch thermische Zersetzung organischer Materie tief unter der Erde. Es wird oft zusammen mit Erdöl gefunden, aber große Reservoire existieren auch ohne Öl. Seine saubere, effiziente Verbrennung macht es zum Eckpfeiler für Heizung, Kochen und eine breite Palette industrieller Prozesse.

Geschichte

Erdgas fasziniert Menschen seit Jahrtausenden. Frühe Zivilisationen beobachteten leuchtende Austritte aus Felsen und Quellen, die manchmal von Blitzen entzündet wurden und Legenden von „Feuer aus der Erde“ hervorriefen. Um 900 v. Chr. förderten chinesische Ingenieure Gas aus Brunnen, nutzten es zur Meerwasserdampfung für Salzproduktion. Im ersten Jahrhundert n. Chr. hatten sie fortschrittliche Bohrtechniken entwickelt, erreichten Tiefen von 1.460 m (4.800 ft) mit bambusverstärkten Metallbohrern.

Auch Römer kannten Erdgas; Julius Cäsar soll eine „brennende Quelle“ bei Grenoble, Frankreich gesehen haben. Im frühen Russland wurden Tempel um ewige Flammen gebaut, gespeist von Erdgasaustritten.

In den USA bohrte William Hart 1821 den ersten gezielten Gasbrunnen am Canadaway Creek, New York, nutzte ausgehöhlte Baumstämme zur Gasleitung für Beleuchtung. Die Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company wurde 1865 die erste US-Gasgesellschaft. Eine 40 km (25 Meilen) Pipeline von einem Gasfeld nach Rochester folgte 1872, ebenfalls mit ausgehöhlten Stämmen. Der Bunsenbrenner (1885) befeuerte Interesse an Gas für Heizung und Kochen. 1891 speiste ein Hochdruckvorkommen in Zentralindiana eine 192 km (120 Meilen) Pipeline nach Chicago.

Frühe Bemühungen waren durch unzureichende Verteilnetze limitiert, sodass Gas ein lokales Gut blieb. In den 1910ern erkannten Ölgesellschaften den finanziellen Verlust durch Abfackeln und begannen, Pipelines zu Großstädten zu verlegen. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg entstand ein landesweites Netz, das Erdgas zu einer wettbewerbsfähigen Alternative zu Strom und Kohle machte.

Heute betreibt die USA über 600 Aufbereitungsanlagen und 480.000 km (300.000 Meilen) Haupttransportpipelines. Bedeutende Reserven existieren auch in der ehemaligen Sowjetunion, Kanada, China und dem Arabischen Golf.

Rohmaterialien

Rohes Erdgas besteht primär aus Methan, begleitet von Ethan, Propan, Butan und anderen Kohlenwasserstoffen. Es kann auch Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Spuren von Helium enthalten.

Bei der Aufbereitung werden viele Bestandteile entfernt oder zur Separation für den Verkauf isoliert. Ethan, Propan, Butan, Schwefelwasserstoff und Helium werden oft abgetrennt; Wasserdampf, CO₂ und Stickstoff werden entfernt, um Qualität und Transport zu verbessern.

Das resultierende Produkt besteht hauptsächlich aus Methan und Ethan, mit Zusätzen wie Mercaptan zur Geruchserkennung.

Der Fertigungsprozess

Förderung

• 1 Manche Reservoire besitzen ausreichend Druck, damit Gas natürlich an die Oberfläche strömt; die meisten Brunnen benötigen Pumpen. Die gängigste Pumpe hat eine lange Stange, die an einen Kolben angeschlossen ist, angetrieben von einem Schaukelläufer – ein Design, oft als Pferdekopf-Pumpe bezeichnet.
• 2 An der Oberfläche wird Gas von Öl (falls vorhanden) getrennt und zu einer zentralen Aufbereitungsanlage geleitet. Hunderte Brunnen können eine einzelne Anlage speisen.

Aufbereitung

• 3 In den USA stammen ~75 % des Erdgases aus ölfreien Reservoiren, was die Aufbereitung vereinfacht. Rohgas enthält typischerweise Schmutz, Sand und Wasserdampf. Filter oder Abscheider entfernen Feststoffe, während Trockentürme (Aluminiumoxid, Kieselgel) oder Flüssigentrockner (Glykol) den Strom trocknen vor weiterer Behandlung oder direkter Einspeisung in Transportpipelines.
• 4 Schwerere Kohlenwasserstoffe – Propan, Butan – werden über einen Kälteabsorptions-Turm mit kerosinartigem Öl eingefangen. Das Öl kondensiert und fängt ~85 % Propan und fast alles Butan ein; leichtere Gase verlassen den Turm. Das Öl wird dann destilliert, und die Kohlenwasserstoffe in einer Fraktionierkolonne getrennt.
• 5 Der Gasstrom enthält nun Methan, Ethan, wenig Propan und Spuren CO₂, H₂S, N₂ etc. Ethan kann durch kryogene Kompressions/Expansionszyklen weiter separiert werden, und restlicher Wasserdampf wird durch zusätzliche Dehydrationsschritte reduziert.
• 6 Bei hohem CO₂- oder H₂S-Gehalt führt ein chemischer Wäscherturm Monoethanolamin ein, das mit den Säuren reagiert und dann zur Verarbeitung abgelassen wird.
• 7 Stickstoff, ein nicht brennbares Verdünnungsmittel, wird durch Tieftemperaturdestillation nach CO₂- und H₂S-Entfernung entfernt – ein 전반iger „Aufwertungs“-Prozess, der saubereres, energiereicheres Gas liefert.
• 8 Heliumrückgewinnung folgt Stickstoffentfernung durch eine komplexe kryogene Destillations- und Reinigungsschleife, was Erdgas zur primären US-Heliumquelle macht.

Transport

• 9 Das aufbereitete Gas erhält Mercaptan für Leckerkennung, dann gelangt es zu einer Verdichterstation, wo Druck auf 1.380–10.350 kPa (200–1.500 psi) erhöht wird. Unterirdische Transportpipelines – 51–107 cm (20–42 Zoll) Durchmesser – über tausende Kilometer halten das Gas in Bewegung, mit Verdichterstationen alle ~160 km (100 Meilen), um reibungsbedingten Druckverlust auszugleichen.
• 10 Nahe dem Ziel kann Gas in unterirdische Speicher (ausgeforderte Reservoire, Aquifere, Salzkavernen) eingespeist werden, um saisonale Nachfrage auszugleichen.

Verteilung

• 11 Vom Speicher wird Gas zu lokalen Verteilpipelines bei Drücken bis 6.900 kPa (1.000 psi) geleitet.
• 12 Druck wird auf unter 410 kPa (60 psi) für das Stadtnetz reduziert, dann weiter auf ~1,7 kPa (0,25 psi) vor Eintritt in einzelne Haushalte oder Betriebe.

Qualitätskontrolle

Erdgas ist hochentzündlich und kann explodieren, wenn große Mengen abrupt entzündet werden. Tödliche Unfälle resultierten aus plötzlichen Lecks und langfristiger Erstickung. Zur Risikominderung werden Odorierer (Mercaptan) zugesetzt, und leuchtend gelbes Warnband wird wenige Meter über Hochdruckpipelines vergraben. Bodenschilder warnen zusätzlich vor Pipelineverläufen.

Die Zukunft

Erdgas' niedriges Emissionsprofil macht es zu einem vielversprechenden Alternativkraftstoff für Kraftfahrzeuge; Erdgas (CNG)-Flotten sind weltweit bereits im Einsatz. Zudem stellen viele Hochtemperatur-Industrieprozesse – Stahl, Glas, Zement, Chemikalien, Aluminium, verarbeitete Lebensmittel – auf Erdgas um, um Luftverschmutzung zu senken.