Erdgas: Entstehung, Nutzung und Umweltfolgen

Ein Stoffgemisch enthält mehrere Stoffe. Deshalb hat Erdgas keine überall gleiche Zusammensetzung. Je nach Fundort können neben Methan auch Ethan, Propan, Butan und Pentan sowie Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Helium und Wasserdampf vorkommen.

Methan hat die Formel \ce{CH4}: Ein Methanmolekül enthält ein Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatome. Kohlenwasserstoffe bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Methan ist der kleinste Kohlenwasserstoff. Es ist auch das kleinste Alkan: Alkane sind Kohlenwasserstoffe, in deren Molekülen alle Atome nur durch Einfachbindungen verbunden sind.

Natürliches Erdgas ist farblos und im Regelfall geruchlos. Damit undichte Leitungen bemerkt werden können, setzt man stark riechende Stoffe zu. Dieser Vorgang heißt Odorierung.

Bei den Gasqualitäten unterscheidet man H-Gas und L-Gas. H-Gas enthält etwa 87 bis 99 Prozent Methan und besitzt einen hohen Energiegehalt. L-Gas enthält ungefähr 80 bis 87 Prozent Methan und hat einen niedrigeren Energiegehalt. Für dieselbe Energiemenge wird daher mehr L-Gas benötigt.

Die Bezeichnungen trocken und nass meinen etwas anderes: Nasses Erdgas enthält größere Anteile leicht verflüssigbarer Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan oder Pentan. „Nass“ bedeutet hier nicht einfach „wasserreich“.

Am Anfang stehen abgestorbene Lebewesen, zum Beispiel Plankton und Algen im Meer oder Pflanzenreste aus Sümpfen. Sie sinken auf den Grund und werden von Sand, Ton und weiteren Ablagerungen bedeckt. Unter Sauerstoffmangel wird das organische Material nicht vollständig zersetzt. Mit zunehmender Überlagerung gelangt es tiefer in die Erdkruste. Druck und Temperatur steigen. Über sehr lange Zeit wandeln chemische, biologische und physikalische Prozesse das Material in kleine gasförmige Kohlenwasserstoffe um, vor allem in Methan.

Typische Angaben ordnen die Erdgasbildung häufig Temperaturen von etwa 120 bis 180 Grad Celsius und Tiefen von ungefähr 4.000 bis 6.000 Metern zu. Das sind typische Bereiche, keine ausnahmslosen Grenzwerte.

Das entstandene Gas bleibt nicht immer am Entstehungsort. Es kann durch permeables, also durchlässiges, Gestein nach oben wandern. Diese Bewegung heißt Migration. Trifft das Gas auf eine undurchlässige Deckschicht, kann es sich darunter in den Poren eines Speichergesteins sammeln. So entsteht eine konventionelle Lagerstätte. Bleibt das Gas dagegen im dichten Entstehungsgestein gebunden, spricht man von einer unkonventionellen Lagerstätte.

Konventionelle Lagerstätten werden durch Bohrungen erschlossen. Der Druck in der Lagerstätte kann das Gas durch die Gesteinsporen zur Bohrung und weiter an die Oberfläche treiben.

Bei unkonventionellen Vorkommen kann Fracking eingesetzt werden: Eine Bohrung führt in die gasführende Schicht, im Gestein werden Risse erzeugt und eine Flüssigkeit aus Wasser, Stützmitteln (zum Beispiel Sand, der die Risse offen hält) und weiteren Chemikalien wird eingepresst. Dadurch kann Gas zur Bohrung strömen. Das Verfahren ist umstritten, weil ein Teil der Flüssigkeit im Gestein bleibt und langfristige Umweltwirkungen zu berücksichtigen sind.

Gefördertes Erdgas ist noch nicht direkt für das Leitungsnetz geeignet. Unerwünschte Bestandteile müssen entfernt werden. Besonders Wasser ist problematisch: Es kann Eis oder feste Hydrate bilden und Leitungen sowie Ventile und andere Bauteile beeinträchtigen. Hydrate sind eisähnliche Feststoffe aus Wasser, in denen Gasteilchen eingeschlossen sind.

Zur Trocknung kann Wasser durch Abkühlen teilweise kondensiert werden. Flüssige Glykol-Verbindungen können Wasser aufnehmen, und Molekularsiebe können Restwasser an ihrer Oberfläche festhalten. Diese Verfahren bereiten das Gas für Transport und weitere Verarbeitung auf.

Der Transport erfolgt überwiegend durch Rohrleitungen. Für andere Transportwege lässt sich das Volumen verkleinern. CNG ist komprimiertes Erdgas in Druckbehältern. LNG ist durch starke Kühlung verflüssigtes Erdgas.

Untergrundspeicher gleichen Bedarfsschwankungen aus. Dafür können zum Beispiel erschöpfte Lagerstätten oder künstlich geschaffene Hohlräume in unterirdischen Salzschichten genutzt werden.

Erdgas wird energetisch genutzt, wenn seine Verbrennung Energie bereitstellt. Beispiele sind Heizen, Kochen, Warmwasserbereitung, Stromerzeugung und der Einsatz als Fahrzeugkraftstoff. Schnell startende Gaskraftwerke können kurzfristige Schwankungen im Stromsystem ausgleichen.

Erdgas kann außerdem stofflich genutzt werden. Dann dient es als Ausgangsstoff für chemische Produkte, statt nur verbrannt zu werden, zum Beispiel für die Herstellung von Ethin, Ruß und weiteren chemischen Stoffen. Bei der energetischen Nutzung steht die frei werdende Energie im Mittelpunkt. Bei der stofflichen Nutzung werden Bestandteile des Erdgases in neue Stoffe überführt. Für eine Bewertung brauchst du deshalb mehrere Kriterien: Zweck, benötigte Stoffe, Energiebedarf, Emissionen und Endlichkeit des Rohstoffs.

Erdgas ist fossil und bildet sich viel langsamer neu, als Menschen es verbrauchen. Es ist deshalb in menschlichen Zeiträumen endlich. Bei der Verbrennung entstehen Emissionen. Auch Förderung, Aufbereitung und Transport können die Umwelt belasten, etwa durch undichte Anlagen oder das Abfackeln, also Verbrennen, von Gas, das bei der Förderung mit austritt. Erdgas ist daher nicht emissionsfrei, auch wenn seine Verbrennung gegenüber anderen fossilen Brennstoffen weniger Schadstoffe freisetzen kann.

Natürliches Erdgas ist im Regelfall geruchlos und brennbar. Die Odorierung hilft, Lecks zu bemerken. Ein wahrgenommener Gasgeruch ist deshalb ein Warnsignal und darf nicht ignoriert werden.