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Erdgas: Eigenschaften und Einsatz

Erdgas ist ein brennbares Gas, das hauptsächlich aus hochentzündlichem Methan besteht. Weitere Bestandteile sind je nach Gasart Ethan, Propan, Butan und Ethen. Erdgas wird insbesondere zur Heizung und als Wärmelieferant in Gebäuden und Fabriken genutzt. Durch die geringen Verunreinigungen verbrennt Erdgas generell gegenüber anderen fossilen Brennstoffen sauberer. Trotzdem verursachen Förderung, Transport und Verarbeitung eine signifikante Freisetzung von Treibhausgasen.

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Zusammensetzung und Herstellung von Erdgas

Natürliches (rohes) Erdgas ist ein kohlenwasserstoff­haltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fundstätte beträchtlich schwankt. Der Hauptbestandteil ist meist Methan. Dessen Anteil liegt in vielen Erdgaslagerstätten zwischen 75 und 99 Mol-%. Rohgas enthält häufig auch größere Anteile an Ethan (1 % bis 15 %), Propan (1 % bis 10 %), Butan, Ethen und Pentane.

Ein solches Gasgemisch wird nasses Erdgas genannt. Dieser Ausdruck meint damit jedoch nicht den vorhandenen Wasserdampfanteil, sondern die unter Druck leicht verflüssigbaren gasförmigen Kohlenwasserstoffe, die im Englischen auch Natural Gas Liquids (NGL) genannt werden. Rohgas mit einem sehr niedrigen Methan-Anteil (z. B. 30 %) wird Magergas genannt.

Erdgas hat von allen fossilen Energieträgern den höchsten Wasserstoffanteil und den niedrigsten Anteil an Kohlenstoff. Deshalb entsteht bei der Verbrennung von Erdgas – bezogen auf den spezifischen Brennstoffeinsatz – im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen am wenigsten CO2. (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)
Erdgas hat von allen fossilen Energieträgern den höchsten Wasserstoffanteil und den niedrigsten Anteil an Kohlenstoff. Deshalb entsteht bei der Verbrennung von Erdgas – bezogen auf den spezifischen Brennstoffeinsatz – im Vergleich zu anderen fossilen Brennstoffen am wenigsten CO2. (Grafik: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V.)

Weitere Nebenbestandteile von Rohgas können je nach Lagerstätte Schwefelwasserstoff (häufig zwischen 0 % und 35 %), der durch Entschwefelung des Erdgases entfernt wird, Stickstoff (häufig zwischen 0 % und 15 %, in Extremfällen bis zu 70 %), Kohlenstoffdioxid (häufig zwischen 0 % und 10 %) und Wasserdampf sein. Rohgas mit einem bedeutenden Schwefelwasserstoff-Gehalt wird Sauergas genannt. Zudem kann es einen erheblichen Gehalt an stark riechenden organischen Schwefelverbindungen enthalten.

Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser müssen mit Verfahren wie der Gaswäsche zunächst abgetrennt werden, da sie zum Teil giftig sind, zu Umweltschadstoffen (beispielsweise Schwefeldioxid) verbrennen, korrosiv wirken oder zu Hydratbildung neigen.

Erdgase, die bis zu 7 % Helium enthalten, sind von besonderer Bedeutung, da sie zur Heliumgewinnung genutzt werden können. Neben den genannten Gasen kann Rohgas auch etwas elementaren Schwefel (einige Gramm pro Kubikmeter) und Quecksilber (wenige Milligramm pro Kubikmeter) enthalten. Auch diese Stoffe müssen zuvor abgetrennt werden, da sie Schäden an der Fördereinrichtung hervorrufen.

Eigenschaften und Anforderungen an Erdags

Erdgas ist ein brennbares, farb- und in der Regel geruchloses Gas mit einer Zündtemperatur von rund 600 °C. Es besitzt eine geringere Dichte als Luft. Zur vollständigen Verbrennung von 1 Kubikmeter Erdgas werden ungefähr 10 Kubikmeter Luft benötigt. Bei der Verbrennung entstehen als Reaktionsprodukte im Wesentlichen Wasser und Kohlenstoffdioxid. Daneben können noch geringe Mengen Stickoxide, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid und Staub entstehen.

Um eventuelle Leitungslecks olfaktorisch wahrnehmen zu können, wird aufbereitetes Erdgas vor der Einspeisung ins Netz mit einem Duftstoff versehen. Bei dieser Odorierung werden vorrangig Thioether (beispielsweise Tetrahydrothiophen) oder Alkanthiole (etwa Ethylmercaptan und tertiäres Butylmercaptan) in sehr geringen Mengen zugesetzt. Diese Duftstoffe, und nicht die im Rohgas enthaltenen Verbindungen, sind für den klassischen Gasgeruch verantwortlich.

Die Anforderungen an Brenngase für die öffentliche Gasversorgung (bei 0 °C und 1013,25 mbar) werden von den technischen Regeln des DVGW-Arbeitsblattes G 260 definiert. Parallel hierzu bestehen aber auch europäische Regelungen zu den Anforderungen an Prüfgase nach der Europa-Norm DIN EN 437. Nach den Brenneigenschaften erfolgt eine Unterteilung in Gasfamilien und Gruppen.

Die 1. Gasfamilie umfasst wasserstoffeiche Gase. Sie werden in Stadtgase und Ferngase unterteilt. Die 2. Gasfamilie umfasst methanreiche Gase wie Erdgase, synthetische Erdgase und deren Austauschgase. Sie sind in die Gruppen L (low) und H (high) unterteilt. Die 3. Gasfamilie schließt Flüssiggase nach DIN 51622 ein. Für Sie gelten die Technischen Regeln Flüssiggas (TRF).

In Deutschland werden in der öffentlichen Gasversorgung im Wesentlichen Erdgase aus zwei Gruppen verteilt, die nach DVGW-Arbeitsblatt G 260 in Erdgase der Gruppen "H" und "L" unterteilt werden. Diese entsprechen in etwa den europäischen Prüfgasen "E" und "LL" nach der DIN EN 437.

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung von Erdags L und H in Vol %
Bestandteile Erdgas L Erdgas H
Methan CH4 82% 93%
Ethan C2H6 3% 3%
Summe Kohlenwasserstoffe ΣCnHm 0% 2%
Kohlenstoffdioxid CO2 1% 1%
Stickstoff N2 14% 1%

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Anwendungen und Einsatzbereiche von Erdgas

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich Erdgas weltweit als drittwichtigster Primärenergieträger nach Erdöl und Kohle etabliert. Erdgas ist als Wärmelieferant in Deutschland unverzichtbar. Aus Erdgas werden sowohl Raumwärme und Warmwasser als auch Prozesswärme für den industriellen Einsatz erzeugt. Heute entfallen auf den Verbrauchssektor Wärme etwa 80 Prozent des gesamten Erdgasbedarfs, während Stromerzeugung und Verkehr knapp 20 Prozent ausmachen.

Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 1. Halbjahr 2017 (Grafik: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V.)
Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 1. Halbjahr 2017 (Grafik: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V.)

Erdgas zur Heizwärmeerzeugung

Erdgas ist der am häufigsten genutzte Brennstoff für Gasheizungen in Deutschland. Eine moderne Heizung mit Erdgas-Brennwerttechnik nutzt nicht nur die Wärmeenergie, die beim Verbrennen des Gases erzeugt wird. Sie verwertet auch die Wärme, die im Wasserdampf des Abgases enthalten ist. Bei anderen Heizkesseln geht diese ungenutzt über den Schornstein verloren. Ein Brennwertkessel ist damit der effizienteste Heizkessel für Warmwasserheizungen.

Erdgas-Brennwertgerät BBK von Brötje mit integriertem Trinkwasser-Ladespeicher. (Grafik: August Brötje GmbH)
Erdgas-Brennwertgerät BBK von Brötje mit integriertem Trinkwasser-Ladespeicher. (Grafik: August Brötje GmbH)

Erdgas zur Stromerzeugung

Erdgas wird in mehreren verschiedenen Kraftwerkstypen zur Stromerzeugung eingesetzt. Gasturbinenkraftwerke nutzen primär die mechanische Energie (Geschwindigkeit/Druck) des Verbrennungsgases über eine Turbine mit angeschlossenem Generator zur Stromerzeugung aus. Sie zeichnen sich u.a. durch ihre Schnellstartfähigkeit aus, weshalb sie oft zur Abdeckung von kurzfristigen Bedarfsspitzen („Spitzenlast-Strom“) genutzt werden. Ihr Wirkungsgrad ist jedoch eher gering. Besser ausgenutzt wird der Brennstoff Erdgas in sog. Gas- und Dampfturbinen- (GuD-) Kraftwerken (bzw. Kombikraftwerk, engl. Combined Cycle Power Plant), bei dem auch die hinter der Turbine noch vorhandene thermische Energie (Wärme) des Verbrennungsgases in einem weiteren Dampfkreislauf zur zusätzlichen Stromerzeugung genutzt wird.

Erdgas als Autokraftstoff

Aber auch außerhalb des Elektrizitätssektors ersetzt Erdgas andere Energieträger. So verursachen mit Erdgas angetriebene Autos im Durchschnitt 80 Prozent weniger Schadstoffe als Fahrzeuge mit einem Benzinmotor. Da gerade in Großstädten Kraftfahrzeuge einer der größten Umweltverschmutzer sind, sorgt die Umstellung von Autos und Bussen auf Erdgas für eine höhere Luftqualität und hilft somit die Ökologie in den Städten zu verbessern.

Emissionseinsparungen von Erdgas gegenüber Benzin und Diesel (Grafik: Zukunft ERDGAS e.V.)
Emissionseinsparungen von Erdgas gegenüber Benzin und Diesel (Grafik: Zukunft ERDGAS e.V.)

Erdgas als Instrument zur Sektorenkopplung

Erdgas kann aber auch zukünftig eine wichtige Rolle innerhalb der Energiewende spielen. Beispielsweise als Speicher. Künftige Anwendungsmöglichkeiten werden dabei beispielsweise die Umwandlung von Gas zu synthetischen Flüssigtreibstoffen („Gas-to-Liquids“) zum Einsatz im Transportsektor sowie die Wasserstoffgewinnung zur Umwandlung in Brennstoffzellen sein.

Emissionen und Klimawirkung bei der Erdgas-Verbrennung

Bei der Verbrennung von Braunkohle wird rund doppelt so viel Kohlendioxid bezogen auf den Energiegehalt wie bei der Verbrennung von Naturgas ausgestoßen. Dies liegt daran, da Erdgas vorwiegend aus Methan und geringeren Mengen anderer Kohlenwasserstoffe besteht. Bei der Verbrennung ensteht daher ein Gemisch aus Kohlendioxid CO2 und Wasserdampf H2O, weshalb die CO2-Konzentration im Abgas geringer ist als im Fall der Kohle.

Werden die Brennstoffe zur Stromerzeugung eingesetzt, erhöhen sich die Kohlendioxidemissionen dem Kehrwert des Kraftwerkswirkungsgrads entsprechend. Wird zum Beispiel Braunkohle aus der Lausitz in einem Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 35 % verfeuert, entstehen pro Kilowattstunde elektrischer Energie dann 1,17 kg Kohlendioxid. Bei einem Erdgas-GuD-Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von 60 % sind es hingegen nur 0,33 kg Kohlendioxid.

Tabelle 2: Spezifische Kohlendioxidemissionen verschiedener Brennstoffe
Brennstoff Emissionen in kgCO2/kWh Emissionen in kgCO2/GJ
Naturgas 0,20 56,10
Flüssiggas 0,23 63,10
Raffineriegas 0,24 66,70
Benzin 0,25 69,30
Rohöl 0,26 73,30
Kerosin 0,26 71,50
Diesel 0,27 74,10
Heizöl 0,28 77,40
Steinkohle 0,34 94,60
Braunkohle 0,36 101,20
Torf 0,38 106,00
Holz* 0,39 109,60

* bei nicht-nachhaltiger Nutzung ohne Wiederaufforstung

Zu berücksichtigen ist allerdings, dass Methan CH4 als Hauptbestandteil des Erdgases selbst ein Treibhausgas ist, dessen Klima-Wirksamkeit pro Menge deutlich höher ist als die seiner Verbrennungsprodukte (CO2 und H2O). Treten daher im Zuge der Förderung, des Transports oder der Verwendung im Kraftwerk Lecks auf, aus denen Erdgas in die Atmosphäre entweichen kann, so fällt die Klima-Bilanz deutlich schlechter aus als im Falle einer ordnungsgemäßen, vollständigen Verbrennung.

Während bei der Verbrennung von Biomasse wie Holz oder auch Biogas, ebenso CO2 freigesetzt wird, so handelt es sich dabei um Kohlenstoff, der wenige Monate bis Jahre zuvor von der Pflanze im Zuge ihres Wachstums mittels Photosynthese aus der Atmosphäre aufgenommen worden war. Dieser Kohlenstoff wird bei der Verbrennung wieder in die Atmosphäre zurückgeführt, so dass sich ein kurzfristiger Kreislauf schließt. Würde die Biomasse nicht verbrannt, so würde das CO2 in den meisten Fällen dennoch auf anderem Wege (Kompostierung, Verfaulen, Gärung) freigesetzt werden.

Obwohl Erdgas auch in erdgeschichtlicher Zeit aus Pflanzenresten entstanden ist, so dass auch ihr Kohlenstoff-Anteil ursprünglich aus der Atmosphäre stammt, wurden diese Kohlenstoff-Mengen durch Ablagerung und Überdeckung mit Gesteinsschichten dauerhaft dem atmosphärischen Kreislauf entzogen. Erst durch die Verfeuerung von Erdgas gelangt das CO2 wieder in die Atmosphäre. Die Nutzung von Erdgas trägt daher ebenso wie die von Kohle und Erdöl dazu bei, den CO2-Gehalt der Atmosphäre dauerhaft wieder zu erhöhen, während die Biomasse-Verbrennung ihn kaum langfristig beeinflusst.

Weitere Informationen über Erdgas

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"Erdgas: Eigenschaften und Einsatz" wurde am 08.10.2017 das letzte Mal aktualisiert.