Wie und warum wird Gas verflüssigt: Herstellungstechnologie und Anwendungsbereiche von Flüssiggas

Die Technologien im Zusammenhang mit der Förderung, dem Transport und der Verarbeitung von Erdgas entwickeln sich rasant. Heute sind die Abkürzungen LNG und LPG in aller Munde. Fast täglich wird in den Nachrichten in irgendeinem Zusammenhang von Erdgas als Brennstoff gesprochen.

Aber, Sie werden zustimmen, um ein klares Verständnis des Geschehens zu haben, ist es wichtig, zunächst zu verstehen, wie Gas verflüssigt wird, warum dies geschieht und welchen Nutzen es bringt oder nicht. Es gibt viele Nuancen in dieser Frage.

Zur Verflüssigung gasförmiger Kohlenwasserstoffe werden große, hochmoderne Anlagen gebaut. Im Folgenden werden wir uns eingehend damit befassen, warum dies notwendig ist und wie es abläuft.

Warum wird Erdgas verflüssigt?

Aus dem Erdinneren wird der blaue Brennstoff als Gemisch aus Methan, Ethan, Propan, Butan, Helium, Stickstoff, Schwefelwasserstoff und anderen Gasen sowie deren verschiedenen Derivaten gefördert.

Ein Teil davon wird in der chemischen Industrie verwendet, ein Teil in Kesseln oder Turbinen zur Erzeugung von Wärme- und elektrischer Energie verbrannt. Außerdem wird ein Teil des geförderten Gases als Kraftstoff für Gasmotoren genutzt.

Berechnungen der Gasexperten zeigen, dass es bei einer Transportentfernung von 2500 km und mehr oft günstiger ist, den blauen Brennstoff in verflüssigter Form zu transportieren als per Pipeline

Der Hauptgrund für die Verflüssigung von Erdgas ist die Vereinfachung des Transports über weite Entfernungen. Wenn sich der Verbraucher und die Förderquelle für Gasbrennstoff an Land in geringer Entfernung voneinander befinden, ist es einfacher und günstiger, eine Pipeline zwischen ihnen zu verlegen. In manchen Fällen ist der Bau einer Pipeline jedoch zu teuer und aufgrund geografischer Gegebenheiten problematisch. Daher greift man auf verschiedene Technologien zur Gewinnung von LNG oder LPG in flüssiger Form zurück.

Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Transports

Nachdem das Gas verflüssigt wurde, wird es in flüssiger Form in spezielle Behälter für den Transport auf See, auf Flüssen, auf der Straße und/oder auf der Schiene gepumpt. Dabei ist die Verflüssigung technologisch ein aus energetischer Sicht sehr aufwändiger Prozess.

In verschiedenen Werken werden dafür bis zu 25 % des ursprünglichen Brennstoffvolumens benötigt. Das heißt, um die technologisch erforderliche Energie zu erzeugen, müssen bis zu 1 Tonne LNG pro drei Tonnen fertigem Produkt verbrannt werden. Aber Erdgas ist derzeit stark nachgefragt, alles amortisiert sich.

In verflüssigter Form nimmt Methan (Propan-Butan) ein 500- bis 600-mal geringeres Volumen ein als im gasförmigen Zustand.

Solange Erdgas in flüssigem Zustand vorliegt, ist es nicht brennbar und explosionssicher. Erst nach der Verdampfung während der Rückvergasung ist die entstandene Gasmischung für die Verbrennung in Kesseln und Kochfeldern geeignet. Daher muss LNG oder LPG, wenn es als Kohlenwasserstoff-Kraftstoff verwendet wird, zwangsläufig rückvergaßt werden.

Verwendung in verschiedenen Bereichen

Meistens werden die Begriffe „Flüssiggas“ und „Gasverflüssigung“ im Zusammenhang mit dem Transport von Kohlenwasserstoff-Energieträgern erwähnt. Das heißt, zuerst erfolgt die Förderung des blauen Brennstoffs, und dann seine Umwandlung in LPG oder LNG. Anschließend wird die gewonnene Flüssigkeit transportiert und danach wieder in den gasförmigen Zustand für die eine oder andere Anwendung zurückgeführt.

LPG (Flüssiggas) besteht zu 95 % und mehr aus einem Propan-Butan-Gemisch, während LNG (Flüssigerdgas) zu 85–95 % aus Methan besteht. Dies sind ähnliche und gleichzeitig grundlegend verschiedene Brennstoffarten.

LPG aus Propan-Butan wird hauptsächlich verwendet als:

• Kraftstoff für Gasmotoren;
• Brennstoff zum Befüllen von Gastanks für autonome Heizsysteme;
• Flüssigkeit zum Befüllen von Feuerzeugen und Gasflaschen mit einem Fassungsvermögen von 200 ml bis 50 l.

LNG wird in der Regel ausschließlich für den Ferntransport hergestellt. Während für die Lagerung von LPG ein Behälter ausreicht, der einem Druck von mehreren Atmosphären standhält, sind für verflüssigtes Methan spezielle kryogene Tanks erforderlich.

Die Ausrüstung zur Lagerung von LNG ist hochtechnisch und nimmt viel Platz ein. Die Verwendung dieses Kraftstoffs in Personenkraftwagen ist aufgrund der hohen Kosten der Tanks unwirtschaftlich. LKWs mit LNG fahren bereits als einzelne experimentelle Modelle auf den Straßen, aber im Segment der Pkw wird dieser „flüssige“ Brennstoff wohl in naher Zukunft keine breite Anwendung finden.

Flüssigmethan als Brennstoff wird derzeit immer häufiger eingesetzt beim Betrieb von:

• Diesellokomotiven;
• Seeschiffen;
• Binnenschiffen.

Neben der Verwendung als Energieträger werden LPG und LNG auch direkt in flüssiger Form in Gas- und Erdölchemieanlagen eingesetzt. Aus ihnen werden verschiedene Kunststoffe und andere Materialien auf Kohlenwasserstoffbasis hergestellt.

Technologien zur Gewinnung von LPG und LNG

Um Methan vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zu überführen, muss es auf -163 °C abgekühlt werden. Propan-Butan verflüssigt sich dagegen bereits bei -40 °C. Entsprechend unterscheiden sich die Technologien und Kosten in beiden Fällen erheblich.

Ein Liter LNG entspricht ungefähr 1,38 Kubikmeter Roh-Erdgas (dieser Wert hängt von Temperatur und Druck ab), die Volumenreduktion beträgt etwa das 620-fache.

Für die Verflüssigung von Erdgas werden folgende Technologien verschiedener Firmen eingesetzt:

• AP-SMR (AP-X, AP-C3MR);
• Optimized Cascade;
• DMR;
• PRICO;
• MFC;
• GTL und andere

Allen liegen Komprimierungs- und/oder Wärmetauschprozesse zugrunde. Die Verflüssigungsoperation findet in der Anlage in mehreren Schritten statt, bei denen das Gas allmählich komprimiert und bis zur Temperatur des Phasenübergangs in die flüssige Phase abgekühlt wird.

Aufbereitung des Gasgemischs

Bevor mit der Verflüssigung von rohem Erdgas begonnen wird, müssen Wasser, Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefelverbindungen und andere Verunreinigungen entfernt werden. Dazu wird üblicherweise eine Adsorptionstechnologie zur Tiefenreinigung des Gasgemischs eingesetzt, indem es durch Molekularsiebe geleitet wird.

Anschließend erfolgt der zweite Schritt der Rohstoffaufbereitung, bei dem schwere Kohlenwasserstoffe entfernt werden. Im Endeffekt verbleiben im Gas nur noch Ethan und Methan (oder Propan und Butan) mit einem Verunreinigungsanteil von weniger als 5%, um diese Fraktion dann zu kühlen und zu verflüssigen.

Die primäre Aufbereitung mit der Entfernung aller unnötigen Bestandteile aus dem Erdgas erfolgt, um die Kühlanlagen vor den aggressiven Einwirkungen von Wasser, Kohlendioxid, Schwefelverbindungen usw. zu schützen.

Durch Fraktionierung lassen sich schädliche Verunreinigungen entfernen und nur das Hauptgas für die anschließende Verflüssigung isolieren. Bei einem Druck von 1 Atm beträgt die Übergangstemperatur in den flüssigen Zustand für Methan -163 °C, für Ethan -88 °C, für Propan -42 °C und für Butan -0,5 °C.

Genau diese Temperaturunterschiede erklären den Grund, warum man das in die Anlage eintretende Gas zunächst in Fraktionen trennt und erst dann verflüssigt. Es gibt keine einheitliche Verflüssigungstechnologie für alle Arten von gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen. Für jede einzelne muss eine eigene technologische Linie gebaut und angewendet werden.

Der Hauptprozess der Verflüssigung

Die Grundlage für die Umwandlung von Gas in den flüssigen Zustand bildet ein Kühlkreislauf, bei dem mit Hilfe eines Kältemittels Wärme von einem Medium mit niedriger Temperatur zu einem Medium mit höherer Temperatur übertragen wird. Dieser Prozess ist mehrstufig und erfordert leistungsstarke Kompressoren zur Ausdehnung/Kompression des Wärmeträgers sowie Wärmetauscher.

Die Komprimierungstechnologien sind hochtechnologisch, energieintensiv und kostenintensiv, jedoch ermöglichen sie, das Gas in einem Zyklus um das 5- bis 12-fache zu komprimieren.

Als Kältemittel werden in den verschiedenen Stufen der Verflüssigung eingesetzt:

• Propan;
• Methan;
• Ethan;
• Stickstoff;
• Wasser (Meerwasser und gereinigtes Wasser);
• Luft.

Zum Beispiel wird für die primäre Kühlung von Erdgas bei Nowateks Jamal-LNG kühle arktische Luft verwendet, die es ermöglicht, die Temperatur des Rohmaterials mit minimalem Aufwand sofort auf +10 °C zu senken. In den heißen Sommermonaten ist stattdessen die Verwendung von Meerwasser aus dem Nordpolarmeer vorgesehen, das unabhängig von der Jahreszeit in der Tiefe konstant 3–4 °C hat.

Dabei wird in Jamal als endgültiges Kältemittel Stickstoff verwendet, der direkt vor Ort aus der Luft gewonnen wird. Somit liefert die Arktis alles, was für die LNG-Produktion benötigt wird – vom ursprünglichen Erdgas bis zu den im Verflüssigungsprozess verwendeten Arbeitsmedien.

Propan wird nach einem ähnlichen Schema wie Methan verflüssigt. Allerdings benötigt es wesentlich niedrigere Kühltemperaturen – minus 42 °C gegenüber minus 163 °C. Daher ist die Verflüssigung von Gas für Gastanks um ein Vielfaches günstiger, jedoch ist das so gewonnene Propan-Butan-LPG auf dem Markt weniger gefragt.

Transport und Lagerung

Praktisch die gesamte LNG-Menge wird mit großen Seetankern von einem Ufer zum anderen transportiert. Der Landtransport ist eingeschränkt, da die Temperatur des „flüssigen blauen Brennstoffs“ bei etwa -160 °C gehalten werden muss, da sonst Methan in den gasförmigen Zustand übergeht und explosionsgefährlich wird.

Für den Transport von LPG werden 5–50-Liter-Flaschen mit einem Innendruck von bis zu 1,5–2 MPa und größere Tankbehälter mit einem Druck von 5–17 MPa verwendet.

Der Druck im Behälter mit LNG liegt nahe am Atmosphärendruck. Steigt die Temperatur des flüssigen Methans jedoch über -160 °C, beginnt es sich von Flüssigkeit in Gas zu verwandeln. Dadurch steigt der Druck im Behälter, was eine ernsthafte Gefahr darstellt. Daher sind LNG-Tanker mit Anlagen zur Aufrechterhaltung niedriger Temperaturen und einer starken Isolierschicht ausgestattet.

LPG wird direkt im Gastank zu Gas regasifiziert. Die Regasifizierung von LNG erfolgt jedoch in speziellen Industrieanlagen ohne Sauerstoffzugang. Vom physikalischen Standpunkt aus verwandelt sich flüssiges Methan bei positiver Temperatur allmählich in Gas. Geschieht dies jedoch an der Luft außerhalb spezieller Bedingungen, führt dieser Prozess zu einer Explosion.

Nachdem Erdgas in Form von LNG im Werk verflüssigt wurde, wird es transportiert und anschließend in einem (diesmal Regasifizierungs-)Werk wieder in den gasförmigen Zustand für die weitere Verwendung umgewandelt.

Perspektiven des verflüssigten Wasserstoffs

Neben der direkten Verflüssigung und Nutzung in dieser Form lässt sich aus Erdgas auch ein weiterer Energieträger gewinnen – Wasserstoff. Methan ist CH₄, Propan ist C₃H₈ und Butan ist C₄H₁₀.

Die Wasserstoffkomponente ist in all diesen fossilen Brennstoffen enthalten, man muss sie nur extrahieren.

Die Hauptvorteile von Wasserstoff sind seine Umweltfreundlichkeit und weite Verbreitung in der Natur, jedoch machen die hohen Kosten für seine Verflüssigung und die Verluste durch ständige Verdunstung diese Vorteile nahezu zunichte.

Um Wasserstoff vom gasförmigen in den flüssigen Zustand zu überführen, muss er auf -253 °C abgekühlt werden. Dazu werden mehrstufige Kühlsysteme und Anlagen zur „Kompression/Expansion“ eingesetzt. Derzeit sind solche Technologien noch zu teuer, aber an ihrer Kostensenkung wird gearbeitet.

Wir empfehlen Ihnen auch, einen weiteren unserer Artikel zu lesen, in dem wir ausführlich erklärt haben, wie man einen Wasserstoffgenerator für zu Hause selbst baut. Mehr Details – folgen Sie dem Link.

Anders als LPG und LNG ist flüssiger Wasserstoff weitaus explosiver. Schon die geringste Leckage in Verbindung mit Sauerstoff ergibt ein Gas-Luft-Gemisch, das sich durch den kleinsten Funken entzündet. Und die Lagerung von flüssigem Wasserstoff ist nur in speziellen kryogenen Behältern möglich. Die Nachteile von Wasserstoff als Kraftstoff sind derzeit noch zu zahlreich.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Wie wird Flüssiggas hergestellt und warum wird es verflüssigt:

Alles über Flüssiggase:

Es gibt mehrere Technologien zur Gasverflüssigung. Für Methan gelten eigene Verfahren, für Propan-Butan andere. Dabei ist Flüssiggas (LPG) günstiger herzustellen und einfacher sowie sicherer zu transportieren und zu lagern. Die Herstellung von Methan-LNG ist ein aufwändigerer und komplexerer Prozess. Zudem erfordert seine Regasifizierung spezielle Ausrüstung. Allerdings ist Methan heute auf dem Markt gefragter, weshalb es in viel größeren Mengen verflüssigt wird.

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