Synthetic Natural Gas

Definition und Bedeutung

Synthetic Natural Gas beziehungsweise Substitute Natural Gas (SNG) ist ein künstlich erzeugter Ersatz für Erdgas. Es besteht zum großen Teil aus Methan und kann auf Basis von Kohle, besonders Braunkohle, Biomasse, Propan beziehungsweise Butan oder heute auch Wasserstoff hergestellt werden. Bei Kohle, Biomasse und Wasserstoff spielt Synthesegas als Zwischenprodukt eine wichtige Rolle. Damit SNG in ein Erdgasnetz eingespeist und mit vorhandenen Anlagen genutzt werden kann, müssen seine Zusammensetzung und seine Eigenschaften den Vorgaben für Erdgas möglichst weitgehend entsprechen.

Biogas aus NaWaRo-Biogasanlagen zählt nicht zu den synthetischen Naturgasen, weil es durch einen natürlichen biologischen Prozess entsteht. Aufbereitetes Biomethan kann jedoch ebenso wie SNG als Erdgassubstitut verwendet werden, wenn es Erdgas weitestgehend entspricht.

SNG ist vor allem für drei Aufgaben bedeutsam: Es kann Erdgas durch andere Rohstoffe ersetzen, als Ersatz- oder Backup-Versorgung für Betriebe dienen und Energie aus Wind- und Solaranlagen in chemischer Form für die Speicherung im Erdgasnetz nutzbar machen.

Entwicklung der Herstellung

Verfahren zur Herstellung von SNG aus Kohle wurden bereits 1902 entwickelt. Während der Ölkrise in den 1970er Jahren brachte man sie zur Industriereife. Hintergrund war die Sorge, dass die erreichbaren Erdgasquellen nicht dauerhaft ausreichen könnten, um die Industrienationen zu versorgen. Erdgas bildete damals einen Hauptteil der Rohstoffversorgung für die Energieerzeugung und sollte durch günstig verfügbare Kohle ersetzt werden.

1984 nahm das Great Plains Synfuels Plant in North Dakota die Produktion auf Braunkohlebasis auf. Seine anfängliche Tagesproduktion betrug 3,9 Mio. m³ SNG. Heute wird das Gas dort in 14 parallelen Vergasern mit einer thermischen Leistung von jeweils 150 MW produziert und anschließend methanisiert. Die gesamte Jahresproduktion liegt bei etwa 15 TWh. Wegen hoher Investitionskosten und neu entdeckter Erdgasquellen entstanden keine weiteren Anlagen dieser Art.

Die Herstellung von SNG durch Holzvergasung befindet sich überwiegend noch in Entwicklung und Erprobung. Im Zusammenhang mit Liefereinschränkungen während des Russisch-Ukrainischen Kriegs und einer drohenden Erdgasmangellage wurde außerdem der Ersatz von Erdgas durch Propan-Luft- oder Propan-Butan-Luft-Gemische auf breiter Basis umgesetzt. Solche Mischsysteme können ein Gas mit fast ähnlichen Eigenschaften wie Erdgas erzeugen. Es lässt sich in bestehende Werks-Erdgas-Netze einspeisen, ohne die vorhandene Ausrüstung verändern zu müssen.

Herstellung aus Kohle und Biomasse

Bei der Herstellung aus Braunkohle dient eine Kohlevergasung, bei Biomasse eine Biomassevergasung zur Erzeugung von Synthesegas. Dieses Gas wird zunächst von Partikeln, Kohlendioxidanteilen sowie Schwefel- und Chlorverbindungen gereinigt. Danach folgt die Methanisierung, also die Umwandlung der Synthesegasbestandteile zu Methan. Das Verfahren folgt im weitesten Sinne der Fischer-Tropsch-Synthese.

Die Methanisierung ist exotherm, setzt also Wärme frei. Sie läuft in Gegenwart eines geeigneten Katalysators bei 300 bis 450 °C und einem Druck von ein bis fünf bar ab. Dabei gelten unter anderem folgende Reaktionen:

CO + 3 H₂ ⇌ CH₄ + H₂O; ΔH = −217 kJ/mol

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂; ΔH = −40,9 kJ/mol

Das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid kann beim Eintritt in die Methanisierungsphase stark schwanken. Dadurch besteht über das Boudouard-Gleichgewicht die Gefahr, dass sich Kohlenstoff bildet. Ein erhöhter Wasserdampfgehalt wirkt dieser Kohlenstoffbildung entgegen. Das erzeugte Gasgemisch kann bis zu 50 % Kohlendioxid enthalten. Für die Verwendung als SNG muss es daher weiter aufbereitet werden, wobei Wasserstoff und Kohlendioxid abgetrennt werden.

Propan-Luft-Systeme

SNG auf Basis von Propan und/oder Butan entsteht üblicherweise durch die Verdampfung von Flüssiggas und die anschließende Mischung mit komprimierter Luft. Zunächst überführen ein oder mehrere Warmwasser-Wärmetauscher oder elektrisch beheizte Verdampfer-Anlagen das Flüssiggas in die Gasphase. Nach der Mitteldruckregelung stellt die Gas-Luft-Mischanlage das Gemisch nach dem gewünschten Wobbe-Index oder Heizwert ein. Der Wobbe-Index ist eine Kenngröße dafür, wie austauschbar Brenngase bei der Verbrennung sind. Anschließend wird das Gasgemisch auf den Druck des Werksnetzes geregelt.

Ein typisches Propan-Luft-System umfasst eine LKW-Entladestation, eine Flüssiggas-Lageranlage, einen Gasverdampfer, eine Transferpumpe, einen Propan-Luft-Gasmischer, einen Luftkompressor und eine Systemsteuerung. Angepasste Redundanzen, also mehrfach vorhandene wichtige Komponenten, erhöhen die Ausfallsicherheit.

Prinzip und Aufbau der Mischanlage beeinflussen mehrere Eigenschaften:

• Die Genauigkeit der Gasmischung reicht von ±0,2 Vol.-% beim Einsatz von Regelventilen bis ±5,0 Vol.-% beim Einsatz eines Proportionalregelventils.

• Mit Regelventilen ist SNG in weniger als 5 Sekunden verfügbar, mit einem Proportionalregelventil erst nach mehr als 10 Minuten.

• Zur Sicherheit dienen eine Differenzdrucküberwachung, eine Überwachung durch SIL-Sauerstoff-Analyse und ein Wobbe-Indikator.

Nutzung und Gasqualität

SNG aus Braunkohle wird in den USA bereits seit langer Zeit hergestellt und in das Erdgasnetz eingespeist. Bei SNG aus Biomassevergasung ist dies bislang nicht der Fall. Es bestehen nur Demonstrationsanlagen, beispielsweise in Güssing. Dort wird das erzeugte Synthesegas hauptsächlich unmittelbar zur Wärmeerzeugung genutzt.

Das in North Dakota produzierte und für die Nutzung aufbereitete SNG besteht aus 96,3 % Methan, 0,02 % Kohlenmonoxid, 1,38 % Wasserstoff, 1,1 % Stickstoff und Argon sowie 1,2 % Kohlendioxid. Diese Zusammensetzung zeigt, dass Methan den mit Abstand größten Anteil bildet, während weitere Gase nur in kleinen Mengen enthalten sind.

Propan-Luft-Systeme werden derzeit vor allem vorsorglich als Backup-Versorgung installiert. Solange Erdgas verfügbar ist, besitzt es gegenüber solchen Ersatzsystemen Vorteile beim Preis und bei der Verfügbarkeit.

Speicherung erneuerbarer Energie

2010 veröffentlichte das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) die Idee, unregelmäßig erzeugte Wind- und Sonnenenergie mithilfe von SNG im Erdgasnetz zu speichern. Zunächst wird mit elektrischer Energie durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff wird zusammen mit CO₂ in einer Methanisierungseinheit zu SNG umgewandelt. Das Kohlendioxid kann beispielsweise aus der Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen oder aus der Aufbereitung von Biogas stammen.

Das erzeugte SNG kann anschließend in das Erdgasnetz eingespeist und dort gespeichert werden. Auf diese Weise wird elektrische Energie in einen gasförmigen chemischen Energieträger umgewandelt. 2013 ging eine Anlage mit einer Leistung von sechs Megawatt in Betrieb. Umgangssprachlich heißt das auf diese Weise erzeugte Gas „Windgas“ oder „Solargas“.