Erdgas

Was Erdgas ist

Erdgas ist ein brennbares, natürlich entstandenes Gasgemisch aus unterirdischen Lagerstätten. Es ist ein fossiler Energieträger und besteht meist überwiegend aus energiereichem Methan (CH₄). Rohes Erdgas muss oft aufbereitet werden: Giftige, korrosive, nicht brennbare oder chemisch inerte Bestandteile werden entfernt und Methan wird angereichert. Mit „Erdgas“ ist technisch meist methanreiches Gas in Endverbraucherqualität gemeint.

Der Methananteil vieler Lagerstätten liegt bei 75 bis 99 Mol-%. Rohgas mit 1 bis 15 % Ethan, 1 bis 10 % Propan sowie weiteren leicht verflüssigbaren Kohlenwasserstoffen heißt nasses Erdgas; diese Stoffe werden Natural Gas Liquids (NGL) genannt und sind nicht mit LNG zu verwechseln. „Nass“ kann auch einen hohen Wasserdampfanteil bezeichnen. Rohgas mit sehr niedrigem Methananteil, etwa 30 %, heißt Magergas. Weitere Bestandteile können Schwefelwasserstoff (häufig 0 bis 35 %), Stickstoff (0 bis 15 %, extrem bis 70 %), Kohlenstoffdioxid, organische Schwefelverbindungen, Edelgase, Sand, Ton, elementarer Schwefel und Quecksilber sein. Rohgas mit viel Schwefelwasserstoff heißt Sauergas. Ein Heliumanteil bis 7 % ist besonders wertvoll, weil Erdgas eine Hauptquelle für Helium ist.

Erdgas ist farb- und meist geruchlos, leichter als Luft und hat eine Zündtemperatur von rund 600 °C. Für die vollständige Verbrennung von 1 m³ Erdgas braucht man ungefähr 10 m³ Luft. Dabei entstehen vor allem Wasser und Kohlenstoffdioxid; geringe Mengen Stickoxide, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid und Staub sind möglich. Damit Lecks auffallen, wird Netzgas odoriert, also mit sehr kleinen Mengen stark riechender Stoffe wie Tetrahydrothiophen oder Mercaptanen versehen.

Nach DVGW G260 gehört Erdgas zur Gasfamilie 2, den methanreichen Gasen. H-Gas hat wegen eines höheren Kohlenwasserstoff- und niedrigeren Inertgasanteils einen höheren Wobbe-Index und damit höheren Energiegehalt als L-Gas. Der Brennwert Hₛ reicht von 8,2 kWh/m³ (30 MJ/m³) bei L-Gas bis 11,1 kWh/m³ (40 MJ/m³) bei H-Gas; der Heizwert Hᵢ liegt jeweils etwa 10 % darunter.

Entstehung, Lagerstätten und Vorräte

Erdgas und Erdöl entstehen häufig durch ähnliche geologische Prozesse und kommen daher oft gemeinsam vor. Abgestorbene marine Kleinstlebewesen, vor allem einzellige Algen, wurden unter Sauerstoffausschluss zunächst zu Faulschlamm (Sapropel). Durch Absinken in tiefere Bereiche der Erdkruste wirkten über Millionen Jahre hoher Druck und vor allem hohe Temperaturen auf die organische Substanz ein und bildeten Erdgas. Wirtschaftliche Mengen können auch durch mikrobielle Zersetzung organischer Sedimente direkt am Entstehungsort entstehen, etwa im Voralpenland Oberösterreichs und Oberbayerns sowie im Wiener Becken. Diese Lagerstätten sind mit nur 20 Millionen Jahren geologisch jung. Helium im Erdgas stammt aus radioaktivem Alpha-Zerfall in Gesteinen des Grundgebirges.

Bei konventionellen Lagerstätten liegt Gas in porösem und durchlässigem Speichergestein, etwa Sandstein oder Massenkalk, unter einer undurchlässigen Deckschicht. Eine Erdgasfalle verhindert, dass das Gas nach oben oder seitlich entweicht; Beispiele sind fossile Riffkörper oder Salzstockflanken. Häufig liegt das leichtere Gas über Erdöl und heißt dann assoziiertes Erdgas. Reines, nicht-assoziiertes Erdgas ist ebenfalls relativ häufig.

Unkonventionelle Lagerstätten lassen sich meist nur mit erheblichem Aufwand, etwa Fracking, fördern. Kohleflözgas beziehungsweise Grubengas ist an der inneren Oberfläche von Kohle adsorbiert. Gashydrate sind eisähnliche Methanhydrate: 1 m³ Gashydrat enthält etwa 164 m³ Methangas. Sie kommen ab etwa 300 m Wassertiefe in Meeresböden sowie in Permafrostböden vor. Tight Gas befindet sich in Gesteinen, deren Porenraum und Durchlässigkeit durch geologische Veränderungen stark verringert wurden. Schiefergas liegt noch im kohlenstoffreichen Tonstein, seinem Muttergestein. Aquifergas ist in sehr tiefem Grundwasser eines Aquifers gelöst.

Die weltweiten Erdgasressourcen und -reserven werden auf 819.000 Milliarden m³ geschätzt. Davon gelten 192.000 Milliarden m³ als derzeit technisch und wirtschaftlich gewinnbare Reserven. Bei einer konstanten Weltförderung von etwa drei Billionen m³ jährlich ergäbe dies eine statische Reichweite von rund 60 Jahren. Nicht enthalten sind Aquifergas und Gashydrate; ihr Potenzial wird auf bis zu 1.800.000 Milliarden m³ geschätzt, eine kommerzielle Nutzung ist aber offen.

Die Suche beginnt mit geologischen und seismischen Untersuchungen. Bei der 3D-Seismik werden Druckwellen in den Boden gesendet und an Gesteinsschichten reflektiert; Geophone messen die Rückkehrzeiten. Ein dreidimensionales Modell hilft, mögliche Erdgasfallen zu erkennen. Probebohrungen prüfen dieses Modell. Mit 4D-Seismik lassen sich während der Förderung Veränderungen des Fluidgehalts und verbliebene Vorräte beobachten.

Förderung und Aufbereitung

Erdgas wird durch Bohrungen aus Gasfeldern oder als Nebenprodukt der Erdölförderung gewonnen. Weil es oft unter sehr hohem Druck steht, manchmal bei circa 600 bar, kann es nach dem Öffnen des Reservoirs zunächst selbstständig strömen. Mit der Zeit sinkt der Lagerstättendruck. Onshore-Bohrungen erreichen häufig 4 bis 6 km, Erkundungsbohrungen manchmal bis 10 km Tiefe. Bohrungen können auch schräg oder horizontal verlaufen. Bohrkosten können bis zu 80 % der Erschließungskosten ausmachen.

Beim Rotary-Bohrverfahren zerkleinert ein Bohrmeißel das Gestein. Bohrschlamm kühlt den Meißel, stabilisiert das Bohrloch und transportiert Bohrklein nach oben. Rohre, das Casing, sichern die Bohrung; ihr Durchmesser sinkt ungefähr von 70 cm auf 10 cm. Ein Packer dichtet oberhalb der gasführenden Schicht ab. Die ausgebaute Förderbohrung heißt Sonde. Ihr Eruptionskreuz enthält Sicherheitsabsperrschieber. Das Gas wird typischerweise bei etwa 70 bar zu Feld- und Verdichterstationen geleitet. Auch unter dem Meer wird gefördert: Offshore-Bohrungen begannen 1947 in den USA; moderne schwimmende Plattformen und Bohrschiffe erlauben Bohrungen bis 3000 m Wassertiefe.

Zur Aufbereitung müssen Wasser, höhere Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff entfernt werden. Sonst können giftige oder korrosive Stoffe, Schadstoffe bei der Verbrennung und Methanhydrate entstehen. Der Drucktaupunkt soll meist unter −8 °C liegen. Bei der Absorptionstrocknung nimmt hygroskopisches Triethylenglycol (TEG) im Gegenstrom Wasser aus dem Gas auf und wird anschließend durch Erhitzen regeneriert. Molekularsiebe adsorbieren nach einer Vortrocknung Wasserdampf in wechselnden Adsorbern; bei der Regeneration werden sie ab etwa 280 °C erhitzt. Damit ist ein Taupunkt bis −110 °C erreichbar.

Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff werden chemisch oder physikalisch, etwa mit Purisol oder Sulfinol, abgetrennt. Schwefelwasserstoff kann im Claus-Verfahren mit Sauerstoff zu Schwefel umgesetzt werden. Stickstoff und Helium lassen sich durch Tieftemperaturtrennung entfernen; dies kann mit der LNG-Herstellung verbunden werden. Bei Förderung anfallende Schlämme und Abwässer können radioaktive NORM-Stoffe enthalten, darunter Radium-226 und Polonium-210. Genannt werden spezifische Aktivitäten von 0,1 bis 15.000 Bq pro Gramm.

Nutzung, Transport und Speicherung

Erdgas wird vor allem für Gebäudeheizung, industrielle Wärmeprozesse, Stromerzeugung und als Treibstoff verwendet. Es dient außerdem als Reaktionspartner, beispielsweise für die Ammoniaksynthese im Haber-Bosch-Verfahren, die Erzreduktion und die Wasserstoffherstellung. Seine industrielle Nutzung begann in den USA 1825 in Fredonia; in Pittsburgh wurde es ab 1884 über eine Pipeline für Glas- und Stahlindustrie eingesetzt.

In Deutschland entfielen 2019 auf private Haushalte für Heizung 29,5 %, auf Industrie 24,6 % und auf Strom- und Heizkraftwerke 25,0 % des Gasverbrauchs. Gasturbinen-, GuD- und Gasmotorkraftwerke können ihre Leistung zeitnah regeln und werden unter anderem zur Deckung von Spitzenlast eingesetzt. Erdgas als Kraftstoff wird komprimiert als CNG oder tiefgekühlt verflüssigt als LNG gespeichert und getankt. Es ist nicht dasselbe wie Autogas/LPG, das überwiegend Propan und Butan enthält. HCNG ist eine Mischung aus komprimiertem Erdgas und Wasserstoff.

Der wichtigste Transportweg sind Pipelines. Fernleitungen aus Stahl haben an Land meist 600 bis 1400 mm Nenndurchmesser, etwa 75 bis 84 bar Nenndruck und liegen gewöhnlich rund einen Meter tief. Etwa alle 100 bis 150 km erhöhen Kompressorstationen den Druck. Auf 4700 km können ungefähr 10 % der Energie des Gases für das Pumpen benötigt werden. Für Haushalte wird der Überdruck schrittweise bis auf 20 mbar reduziert. LNG entsteht durch Abkühlung auf −160 °C; Q-Max-Tanker konnten 2014 über 266.000 m³ LNG transportieren. LNG-Transport ist grob ab 4000 km Landweg oder 2000 km Seeweg günstiger als Rohrtransport.

Untergrundspeicher gleichen Bedarfsschwankungen aus. Deutschland hatte 46 Untertage-Gasspeicher mit knapp 20 Milliarden m³ Arbeitsgas; Österreich verfügte über fünf Milliarden m³. Speicher sind etwa Salzkavernen, entleerte Öl- und Gaslagerstätten oder Röhrenspeicher mit 50 bis 100 bar. Erdgas wird außerdem an Börsen und OTC-Märkten gehandelt; kurzfristiger Ausgleich erfolgt über Tages- und Stundenprodukte am Spotmarkt.

Versorgung und Entwicklung in Deutschland

2017 betrug die weltweite Nettoförderung 3.680,4 Milliarden m³. Die USA förderten 734,5 Milliarden m³ oder 20,0 %, Russland 635,6 Milliarden m³ oder 17,3 %, der Iran 223,9 Milliarden m³ oder 6,1 %. Erdgas deckte etwa 24 % des weltweiten Energieverbrauchs. Die USA verbrauchten 739,5 Milliarden m³, Russland 424,8 Milliarden m³ und China 240,4 Milliarden m³.

Deutschland stellte die meisten westdeutschen Städte bis Anfang der 1980er Jahre von giftigem Stadtgas auf Erdgas um; in der ehemaligen DDR geschah dies überwiegend in den 1990er Jahren. Der deutsche Endenergieverbrauch lag 2020 bei 2.007,9 Petajoule beziehungsweise 57,09 Milliarden m³; dabei entspricht 1 m³ 35,169 MJ Heizwert. Zur Deckung von Spitzen und Importstörungen wurden etwa 18,6 Milliarden m³ in Untergrundspeichern gelagert. Der deutsche Förderanteil am Verbrauch fiel von 21 % im Jahr 2001 über 14 % 2011 auf 05 % 2021.

Für 2015 wurden als Übergabeländer des importierten Erdgases 34,7 % Russische Föderation, 34,1 % Norwegen, 28,8 % Niederlande und 2,5 % sonstige Länder angegeben. Diese Angaben bezeichnen nicht unbedingt die Förderländer. Nach dem russischen Überfall auf die Ukraine legte die EU-Kommission im März 2022 einen Plan vor, die Gasimporte aus Russland bis Ende 2022 um zwei Drittel zu senken und deutlich vor 2030 unabhängig von russischen fossilen Brennstoffen zu werden. L-Gas aus deutscher und niederländischer Produktion versorgte etwa 30 % des deutschen Markts; wegen rückläufiger Mengen sollen die betroffenen Netzgebiete voraussichtlich bis 2030 auf H-Gas umgestellt werden.

Die Gaspreise erreichten 2008/09 einen Höhepunkt. Der Schiefergas-Boom senkte sie danach in den USA deutlich. Ende 2015 führte ein globales Überangebot mit wachsendem LNG-Import nach Europa zu sinkenden Großhandelspreisen. Am niederländischen Referenzmarkt TTF stieg der Preis für eine im April 2022 zu liefernde MWh am 2. März 2022 auf fast 194 Euro. Am 18. August 2022 kündigte die Bundesregierung befristet eine Senkung der Mehrwertsteuer auf Erdgas von 19 auf 7 % an.

Klima, Umwelt und Sicherheit

Erdgas verbrennt wegen seiner geringen Verunreinigungen sauberer als andere fossile Brennstoffe. Durch sein höheres Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis setzt es beim Verbrennen weniger CO₂ frei als leichtes Heizöl. In Deutschland lag der Emissionsfaktor 2020 bei 55,8 t CO₂/TJ für Erdgas und bei 74,0 t CO₂/TJ für leichtes Heizöl; die Differenz betrug 24,6 %. Dennoch entstehen entlang der gesamten Kette aus Förderung, Verarbeitung, Transport und Verbrennung die Treibhausgase Methan und Kohlendioxid.

Besonders Methanleckagen aus Anlagen und Rohrleitungen können den Klimanutzen von Erdgas in Frage stellen. Die unbeabsichtigte Methanfreisetzung bildet einen großen Teil der effektiven Treibhausgasemissionen der Erdgas-Wertschöpfungs- und Lieferkette und wurde teilweise unterschätzt. Fracking bringt zusätzliche Risiken durch Chemikalien in Frackfluiden und durch gesundheitsschädliche Stoffe aus gelagertem Flowback und Lagerstättenwasser. Das Abfackeln von Erdgas als nicht nutzbarem Nebenprodukt der Erdölförderung verschlechtert ebenfalls die Klimabilanz.

Erdgas ist explosiv und kann bei unsachgemäßem Gebrauch schwere Unfälle verursachen; deshalb ist die Odorierung im Haushalt vorgeschrieben. Förderung kann zudem leichte induzierte Erdbeben auslösen, wenn Druckentlastung und Verdichtung des Speichergesteins Spannungen an Verwerfungen verändern. Im Gasfeld Groningen wurden unter anderem Beben von Mᴸ 3,5 am 8. August 2006, Mᴸ 3,6 am 16. August 2012 sowie jeweils Mᴸ 3,4 am 8. Januar 2018 und 22. Mai 2019 registriert. Ob vor allem die gesamte Fördermenge oder die Förderrate entscheidend ist, blieb unklar.