Alles über Erdgas: Zusammensetzung und Eigenschaften, Gewinnung und Verwendung von Erdgas

Dank seiner hohen Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit hat Erdgas neben Erdöl eine überragende Bedeutung. Es wird häufig als Brennstoff verwendet und dient auch als wertvoller Rohstoff für die chemische Industrie.

Obwohl die Nutzung von Gas alltäglich und vertraut geworden ist, bleibt es dennoch ein in seiner Zusammensetzung komplexer und recht gefährlicher Stoff – um in den Brenner eines Gasgeräts zu gelangen, legt es einen langen und komplizierten Weg zurück.

In diesem Artikel werden wir die wichtigsten Fragen zum Erdgas behandeln – wir sprechen über seine Zusammensetzung und Eigenschaften, beschreiben die Phasen der Förderung, des Transports und der Verarbeitung von Gas sowie seine Anwendungsbereiche. Wir betrachten moderne Vorstellungen über die Entstehung von Kohlenwasserstoffvorkommen, interessante Fakten und Hypothesen.

Was ist brennbares Erdgas?

Es herrscht die Meinung, dass Gas unter der Erde in Hohlräumen lagert und leicht daraus entnommen werden kann, wozu es ausreicht, ein Bohrloch zu bohren. In Wirklichkeit ist alles jedoch viel komplizierter: Das Gas kann sich in porösem Gestein befinden, in Wasser, flüssigen Kohlenwasserstoffen oder Erdöl gelöst sein.

Um zu verstehen, warum dies geschieht, genügt es, sich daran zu erinnern, dass das Wort „Gas“ vom griechischen „Chaos“ stammt, das das Prinzip des Stoffverhaltens widerspiegelt. Im gasförmigen Zustand bewegen sich die Moleküle chaotisch und versuchen, das gesamte mögliche Volumen gleichmäßig auszufüllen. Dadurch können sie in andere Stoffe eindringen und sich darin lösen, auch in dichteren Flüssigkeiten und Mineralien. Hoher Druck und hohe Temperaturen verstärken den Diffusionsprozess erheblich. Oft liegt Erdgas in den Tiefen genau in Form eines solchen „Cocktails“ vor.

Doch zunächst sprechen wir darüber, woraus Gas besteht und was es ist – wir betrachten die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften von Erdgas.

Besonderheiten der chemischen Zusammensetzung

Das aus den Tiefen geförderte Gas, das als „Erdgas“ bezeichnet wird, ist ein Gemisch verschiedener Gase.

Nach seiner Zusammensetzung wird es in drei Gruppen von Bestandteilen unterteilt:

• brennbare – Kohlenwasserstoffe;
• nicht brennbare (Ballaststoffe) – Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff, Helium, Wasserdampf;
• schädliche Verunreinigungen – Schwefelwasserstoff und Mercaptane.

Die erste und wichtigste Gruppe besteht aus einer Reihe von Kohlenwasserstoffen der Methanreihe (Homologe) mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen. Den größten Anteil am Gemisch hat Methan (70 bis 98 %), das ein Kohlenstoffatom hat. Der Gehalt der anderen Gase (Ethan, Propan, Butan, Pentan) schwankt zwischen einigen und zehntel Prozenten.

Für Gas aus Lagerstätten ist eine hohe Methankonzentration charakteristisch. Bei Begleitgas, das aus Erdöl gewonnen wird, ist der Methananteil viel niedriger: 30 – 60 %, und der Anteil der Homologen höher: 10 – 20 %.

Neben Kohlenwasserstoffen können in der Mischung geringe Mengen nicht brennbarer Stoffe enthalten sein: Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und andere. Je nach Lagerstätte können jedoch die Anteile der Kohlenwasserstoffe sowie die Zusammensetzung anderer Gase erheblich schwanken.

Physikalische Eigenschaften des Gases

Methan CH₄ ist farb- und geruchlos, sehr brennbar. Bei Konzentrationen in der Luft über 4,5 % ist es explosionsgefährlich. Diese Eigenschaft stellt in Kombination mit dem fehlenden Geruch eine große Gefahr und ein Problem dar. Besonders in Bergwerken, da Methan von Kohle absorbiert wird.

Über die Ursachen von Gasexplosionen im Haushalt haben wir in diesem Artikel geschrieben.

Um dem Gas einen Geruch zu verleihen, um Lecks zu erkennen, werden vor dem Transport spezielle Substanzen mit unangenehmem Geruch – Odoriermittel – hinzugefügt. Meistens handelt es sich um schwefelhaltige Verbindungen – Ethanthiol oder Ethylmercaptan. Der Anteil der Beimischung wird so gewählt, dass ein Leck bei einer Gaskonzentration von 1 % wahrnehmbar ist.

Der Hauptvorteil des blauen Brennstoffs ist der hohe Heizwert von 39 MJ/kg. Dabei werden unschädliche Stoffe freigesetzt: Wasser und Kohlendioxid. Dies ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der die Verwendung von Methan im Haushalt ermöglicht.

Woher stammt das Gas im Erdinneren?

Obwohl die Menschen gelernt haben, Gas vor mehr als 200 Jahren zu nutzen, gibt es bis heute keine einheitliche Meinung darüber, woher das Gas im Erdinneren stammt.

Wichtigste Theorien zur Entstehung

Es gibt zwei Haupttheorien zu seiner Entstehung:

• mineralische Theorie, die die Gasbildung durch Entgasungsprozesse von Kohlenwasserstoffen aus tieferen und dichteren Erdschichten und deren Aufstieg in Zonen mit niedrigerem Druck erklärt;
• organische (biogene) Theorie, der zufolge Gas ein Zersetzungsprodukt von Überresten lebender Organismen unter Bedingungen erhöhten Drucks, erhöhter Temperatur und ohne Luft ist.

In einer Lagerstätte kann Gas als separate Ansammlung, als Gaskappe, als Lösung in Erdöl oder Wasser oder als Gashydrat vorliegen. Im letzteren Fall befinden sich die Vorkommen in porösen Gesteinen zwischen gasundurchlässigen Tonschichten. Meistens handelt es sich bei solchen Gesteinen um verdichteten Sandstein, Karbonate, Kalksteine.

Der Anteil konventioneller Gasfelder beträgt nur 0,8 %. Ein etwas größerer Prozentsatz entfällt auf Tiefengas, Kohlegas und Schiefergas – von 1,4 % bis 1,9 %. Die häufigsten Lagerstättentypen sind wassergelöste Gase und Hydrate – in etwa gleichen Anteilen (jeweils 46,9 %).

Da Gas leichter als Erdöl und Wasser schwerer ist, ist die Position der Fossilien in der Lagerstätte immer gleich: Gas befindet sich über dem Erdöl, und Wasser drückt von unten gegen das gesamte Erdöl- und Gasvorkommen.

Das Gas in der Lagerstätte steht unter Druck. Je tiefer die Vorkommen liegen, desto höher ist er. Im Durchschnitt beträgt der Druckanstieg pro 10 Meter 0,1 MPa. Es gibt Schichten mit anomal hohem Druck. Zum Beispiel erreicht er in den Atschimow-Ablagerungen des Urengoi-Feldes bei einer Tiefe von 3800 bis 4500 m 600 Atmosphären und mehr.

Interessante Fakten und Hypothesen

Noch vor nicht allzu langer Zeit wurde angenommen, dass die weltweiten Erdöl- und Gasreserven bereits zu Beginn des 21. Jahrhunderts erschöpft sein würden. So schrieb dies 1965 der angesehene amerikanische Geophysiker Hubbert.

Bis heute steigern viele Länder weiterhin die Förderrate von Gas. Es gibt keine tatsächlichen Anzeichen dafür, dass die Kohlenwasserstoffreserven zur Neige gehen.

Nach Ansicht des Doktors der geologisch-mineralogischen Wissenschaften W. W. Polewanow werden diese Missverständnisse dadurch verursacht, dass die Theorie der organischen Entstehung von Erdöl und Gas nach wie vor allgemein akzeptiert ist und die Köpfe der meisten Wissenschaftler beherrscht. Dabei hatte bereits D. I. Mendelejew die Theorie der anorganischen, tiefen Erdölentstehung begründet, die später von Kudrjawzew und W. R. Larin bewiesen wurde.

Viele Fakten sprechen jedoch gegen die organische Entstehung von Kohlenwasserstoffen.

Hier sind einige davon:

• Es wurden Lagerstätten in Tiefen bis zu 11 km in kristallinen Grundgebirgen entdeckt, wo die Existenz organischer Substanzen nicht einmal theoretisch möglich ist;
• Mit der organischen Theorie lassen sich nur 10 % der Kohlenwasserstoffreserven erklären, die restlichen 90 % sind unerklärlich;
• Die Raumsonde Cassini entdeckte im Jahr 2000 auf dem Saturnmond Titan riesige Kohlenwasserstoffvorkommen in Form von Seen, die die irdischen um mehrere Größenordnungen übertreffen.

Die von Larin aufgestellte Hypothese einer ursprünglich hydridischen Erde erklärt die Entstehung von Kohlenwasserstoffen durch die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoff in der Tiefe der Erde und die anschließende Entgasung von Methan.

Ihr zufolge gibt es keine alten Lagerstätten aus der Jurazeit. Das gesamte Erdöl und Gas könnte sich innerhalb von 1 bis 15 Tausend Jahren gebildet haben. Mit der Entnahme können sich die Reserven allmählich wieder auffüllen, was an längst erschöpften und aufgegebenen Erdölfeldern beobachtet wurde.

Wie erfolgen Förderung und Transport?

Der Prozess der Förderung von natürlichem Brenngas beginnt mit dem Bau von Bohrlöchern. Je nach Lage der gasführenden Schicht kann ihre Tiefe bis zu 7 km betragen. Während des Bohrens wird ein Rohr (Futterrohr) in das Bohrloch eingelassen. Um ein Austreten von Gas durch den Raum zwischen Rohr und Bohrlochwand zu verhindern, wird eine Zementierung vorgenommen – das Verfüllen des Spalts mit Ton oder Zement.

Nach Abschluss der Bauarbeiten wird der Bohrturm entfernt und auf den Kopf der Verrohrung wird ein Eruptionskreuz installiert. Es besteht aus einer Konstruktion von Absperrschiebern und Ventilen und dient der Gasförderung aus der Bohrung.

Die Anzahl der Bohrungen kann recht groß sein.

Dem Eruptionskreuz kommen mehrere Funktionen zu: Es hält die Förderrohre in der Bohrung in hängendem Zustand, steuert die Betriebsmodi und misst die Parameter des inneren und äußeren Teils der Bohrung.

Der gesamte Zyklus der Förderung von natürlichem Brenngas erfolgt in drei Schritten:

1. Erschließung eines Gasfeldes. Durch das Bohren entsteht ein Druckunterschied. Dadurch bewegt sich das Gas durch die Formation zu den Bohrungen.
2. Betrieb von Gasbohrungen. In dieser Phase durchläuft das Gas den Weg entlang der Verrohrung.
3. Sammlung und Vorbereitung für den Transport. Das Gas aus allen Eruptionskreuzen gelangt zu speziellen technologischen Komplexen (UKPG). Dort erfolgt die Trocknung des Gases, Reinigung von schädlichen Verunreinigungen.

Selbst geringe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff, Wasserdampf oder Feststoffpartikeln führen zu schneller Korrosion, Hydratbildung und mechanischen Schäden an der Innenfläche der Rohrleitung.

Die endgültige Vorbereitung für den Transport erfolgt in den Kopfstationen. Sie umfasst die Nachreinigung und Entfernung von Kohlenwasserstoffkondensat sowie die Kühlung des Gases zur Volumenreduzierung.

Die wichtigste Art des Gastransports über große Entfernungen ist die Ferngasleitung. Sie stellt ein System komplexer Ingenieurbauwerke dar, von den Rohrleitungen selbst bis zu den Untergrundspeichern.

Am Endpunkt der Fernleitung befinden sich Gasverteilerstationen (GDS). Hier erfolgt die letzte Reinigung von Staub- und Flüssigkeitsverunreinigungen, die Absenkung des Drucks auf das für die Verbraucher erforderliche Niveau, dessen Stabilisierung, die Erfassung des Gasdurchflusses und die Zugabe von Odoriermittel.

Eine weitere verbreitete Art des Methantransports sind Seetransporte mit Spezialschiffen – Gastankern.

Die riesigen kugelförmigen Tanks lassen einen Gastanker nicht mit anderen Schiffstypen verwechseln. Sie sind Thermoskannen, die die konstante erforderliche Temperatur für flüssiges Methan von -163 °C aufrechterhalten.

Die Umwandlung von Gas in den flüssigen Zustand erfolgt in speziellen LNG-Anlagen. Der Prozess läuft in zwei Schritten ab: Zuerst wird Methan auf -50 °C abgekühlt, dann auf -163 °C. Dabei verringert sich sein Volumen um das 600-fache.

Verarbeitung und Anwendungsbereiche

Die hohe Brennbarkeit von Erdgas bestimmt seine Hauptanwendung. Es wird als Brennstoff in Fabriken, Werken, Kraftwerken, Heizwerken, Einrichtungen, Wohnhäusern, landwirtschaftlichen Betrieben und vielen anderen verwendet. Wir empfehlen, sich mit den Regeln der Verwendung von Gas im Haushalt vertraut zu machen.

Die Förderung und Verarbeitung von Erdöl geht stets mit der Freisetzung von Begleitgas einher. In manchen Fällen können dessen Mengen beträchtlich sein und bis zu 300 Kubikmeter pro Kubikmeter Rohöl betragen.

Es gibt jedoch zahlreiche Lagerstätten, in denen das natürliche Begleitgas nicht genutzt, sondern abgefackelt wird. Beispielsweise gehen in ganz Russland auf diese Weise bis zu 25 % des nutzbaren Rohstoffs verloren.

Ein Teil des Begleitgases gelangt zu Gasverarbeitungsanlagen. Daraus wird gereinigtes Trockengas gewonnen, das zum Heizen verwendet wird. Ein weiterer wertvoller Bestandteil ist das Gemisch aus leichten Kohlenwasserstoffen.

Das Schema zeigt einen Gesamtüberblick über den Verarbeitungsprozess des geförderten Gases. Die Bedeutung der Endprodukte für die moderne chemische Industrie ist kaum zu überschätzen.

Anschließend wird es in speziellen Anlagen in Fraktionen aufgeteilt. Dabei entstehen Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan, Isobutan, Pentan. Um das Volumen zu verringern und den Transport sowie die Lagerung zu erleichtern, werden sie verflüssigt.

Die Umrüstung von Fahrzeugen auf Gas amortisiert sich schnell und bringt eine spürbare Kostenersparnis. Der Ausbau des Tankstellennetzes für Gas trägt zur Vergrößerung des Fahrzeugbestands mit Gasanlagen bei. Davon profitieren nicht nur die Fahrer, sondern auch Fußgänger, die keine schädlichen Abgase einatmen müssen.

Propan und Butan werden zur Beheizung von Häusern mit Flaschengas oder für Autos verwendet. Der größte Teil wird jedoch zur weiteren Verarbeitung in petrochemische Produktionsanlagen weitergeleitet.

Durch Hochtemperaturerhitzung (Pyrolyse) werden aus ihnen die wichtigsten Grundstoffe für alle synthetischen Materialien gewonnen – Monomere: Ethylen, Propylen, Butadien. Unter Einwirkung von Katalysatoren verbinden sie sich zu Polymeren. Am Ende entstehen so wertvolle Materialien wie Kautschuk, PVC, Polyethylen und viele andere.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

In einem Dokumentarfilm wird verständlich und anschaulich über Gas berichtet:

Dieser Lehrfilm widmet sich dem Ferntransport von Gas:

Uns ist noch lange nicht alles über Erdgas bekannt – seine Herkunft birgt nach wie vor viele Rätsel. Es bleibt zu hoffen, dass der blaue Brennstoff wirklich ein unerschöpfliches Geschenk ist, das für uns und unsere Nachkommen ausreicht.

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