Erdgas ist ein fossiler Brennstoff. Wie andere fossile Brennstoffe wie Kohle und Öl bildet sich Erdgas aus Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen, die vor Millionen von Jahren gelebt haben.
Es gibt verschiedene Theorien zur Erklärung, wie fossile Brennstoffe entstehen. Die am weitesten verbreitete Theorie besagt, dass sie sich unterirdisch und unter intensiven Bedingungen bilden. Während sich Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen zersetzen, werden sie allmählich von Erdschichten, Sedimenten und manchmal auch Gestein bedeckt. Im Laufe der Jahrmillionen wird die organische Materie verdichtet. Während sich die organische Materie tiefer in die Erdkruste bewegt, trifft sie auf immer höhere Temperaturen.
Die Kombination aus Kompression und hoher Temperatur führt dazu, dass die Kohlenstoffbindungen in der organischen Materie aufbrechen. Dieser molekulare Zerfall erzeugt thermogenes Methan – Erdgas. Methan, die wahrscheinlich häufigste organische Verbindung auf der Erde, besteht aus Kohlenstoff und Wasserstoff (CH4).
Erdgasvorkommen finden sich oft in der Nähe von Erdölvorkommen. Erdgasvorkommen nahe der Erdoberfläche werden in der Regel von nahe gelegenen Ölvorkommen in den Schatten gestellt. Tiefere Lagerstätten, die bei höheren Temperaturen und unter höherem Druck entstanden sind, enthalten mehr Erdgas als Öl. Die tiefsten Lagerstätten können aus reinem Erdgas bestehen.
Erdgas muss jedoch nicht tief unter der Erde entstehen. Es kann auch von winzigen Mikroorganismen, den sogenannten Methanogenen, gebildet werden. Methanogene leben im Darm von Tieren (einschließlich Menschen) und in sauerstoffarmen Gebieten nahe der Erdoberfläche. Mülldeponien zum Beispiel sind voll mit verrottendem Material, das von Methanogenen in eine Art von Methan abgebaut wird, das biogenes Methan genannt wird. Der Prozess, bei dem Methanogene Erdgas (Methan) erzeugen, wird Methanogenese genannt.
Obwohl das meiste biogene Methan in die Atmosphäre entweicht, gibt es neue Technologien, um diese potenzielle Energiequelle einzudämmen und zu nutzen.
Thermogenes Methan – also Erdgas, das tief unter der Erdoberfläche entsteht – kann ebenfalls in die Atmosphäre entweichen. Ein Teil des Gases ist in der Lage, durch durchlässiges Material wie poröses Gestein aufzusteigen und sich schließlich in der Atmosphäre zu verflüchtigen.
Das meiste thermogene Methan, das zur Oberfläche aufsteigt, trifft jedoch auf geologische Formationen, die zu undurchlässig sind, als dass es entweichen könnte. Diese Gesteinsformationen werden als Sedimentbecken bezeichnet.
Sedimentäre Becken schließen riesige Erdgasreserven ein. Um Zugang zu diesen Erdgasvorkommen zu erhalten, muss ein Loch (manchmal auch Bohrung genannt) durch das Gestein gebohrt werden, damit das Gas entweichen und geerntet werden kann.
Sedimentäre Becken, die reich an Erdgas sind, finden sich überall auf der Welt. Die Wüsten Saudi-Arabiens, die feuchten Tropen Venezuelas und die eisige Arktis des US-Bundesstaates Alaska sind allesamt Quellen von Erdgas. In den Vereinigten Staaten außerhalb Alaskas befinden sich die Vorkommen vor allem in den Staaten, die an den Golf von Mexiko grenzen, einschließlich Texas und Louisiana. In jüngster Zeit haben die nördlichen Bundesstaaten North Dakota, South Dakota und Montana bedeutende Bohreinrichtungen in Sedimentbecken entwickelt.
Arten von Erdgas
Erdgas, das wirtschaftlich zu fördern und leicht zugänglich ist, gilt als „konventionell“. Konventionelles Gas ist in durchlässigem Material unter undurchlässigem Gestein eingeschlossen.
Erdgas, das in anderen geologischen Gegebenheiten gefunden wird, ist nicht immer so einfach oder praktisch zu fördern. Dieses Gas wird als „unkonventionell“ bezeichnet. Es werden immer wieder neue Technologien und Verfahren entwickelt, um dieses unkonventionelle Gas besser zugänglich und wirtschaftlich nutzbar zu machen. Im Laufe der Zeit kann Gas, das als „unkonventionell“ galt, zu konventionellem Gas werden.
Biogas ist eine Art von Gas, das entsteht, wenn organisches Material ohne die Anwesenheit von Sauerstoff zersetzt wird. Dieser Prozess wird anaerobe Zersetzung genannt und findet auf Mülldeponien oder dort statt, wo organisches Material wie tierische Abfälle, Abwasser oder industrielle Nebenprodukte zersetzt werden.
Biogas ist biologisches Material, das von Pflanzen oder Tieren stammt, die lebendig oder nicht lebendig sein können. Dieses Material, wie z. B. Waldreste, kann verbrannt werden, um eine erneuerbare Energiequelle zu schaffen.
Biogas enthält weniger Methan als Erdgas, kann aber raffiniert und als Energiequelle genutzt werden.
Deep Natural Gas
Deep Natural Gas ist ein unkonventionelles Gas. Während das meiste konventionelle Gas nur wenige tausend Meter tief zu finden ist, befindet sich Tiefen-Erdgas in Lagerstätten, die mindestens 4.500 Meter unter der Erdoberfläche liegen. Das Bohren nach tiefem Erdgas ist nicht immer wirtschaftlich sinnvoll, obwohl Techniken zur Förderung entwickelt und verbessert wurden.
Schiefergas
Schiefergas ist eine weitere Art von unkonventionellen Lagerstätten. Schiefer ist ein feinkörniges, sedimentäres Gestein, das sich in Wasser nicht auflöst. Einige Wissenschaftler sagen, dass Schiefer so undurchlässig ist, dass Marmor im Vergleich dazu als „schwammig“ angesehen wird. Dicke Schichten dieses undurchlässigen Gesteins können eine Schicht aus Erdgas zwischen sich „einschließen“.
Schiefergas gilt als unkonventionelle Quelle aufgrund der schwierigen Prozesse, die notwendig sind, um es zu erschließen: Hydraulic Fracturing (auch bekannt als Fracking) und Horizontalbohrungen. Fracking ist ein Verfahren, bei dem das Gestein mit einem Hochdruck-Wasserstrahl aufgespalten und anschließend mit winzigen Sand-, Glas- oder Kieselsäurekörnern „gestützt“ wird. Dadurch kann das Gas freier aus dem Bohrloch fließen. Beim Horizontalbohren wird gerade in den Boden gebohrt und dann seitlich oder parallel zur Erdoberfläche.
Tight Gas
Tight Gas ist ein unkonventionelles Erdgas, das unterirdisch in einer undurchlässigen Gesteinsformation eingeschlossen ist, was die Förderung extrem erschwert. Die Gewinnung von Gas aus „dichten“ Gesteinsformationen erfordert in der Regel teure und schwierige Methoden, wie z. B. Fracking und Ansäuern.
Das Ansäuern ist dem Fracking ähnlich. Eine Säure (meist Salzsäure) wird in die Erdgasbohrung injiziert. Die Säure löst das dichte Gestein auf, das den Gasfluss blockiert.
Kohlenbergbau-Methan
Kohlenbergbau-Methan ist eine weitere Art von unkonventionellem Erdgas. Wie der Name schon sagt, wird Methan in Kohleflözen gefunden, die unterirdisch verlaufen. In der Vergangenheit wurde beim Kohleabbau das Erdgas absichtlich als Abfallprodukt aus der Mine in die Atmosphäre geleitet. Heute wird das Kohleflözmethan gesammelt und ist eine beliebte Energiequelle.
Gas in geopressurierten Zonen
Eine weitere Quelle für unkonventionelles Erdgas sind geopressurierte Zonen. Geopressurzonen bilden sich 3.000-7.600 Meter (10.000-25.000 Fuß) unter der Erdoberfläche.
Diese Zonen bilden sich, wenn sich Tonschichten schnell ansammeln und sich über poröserem Material wie Sand oder Schluff verdichten. Da das Erdgas aus dem komprimierten Ton herausgepresst wird, lagert es sich unter sehr hohem Druck in dem darunter liegenden Sand, Schluff oder einem anderen absorbierenden Material ab.
Geopressurzonen sind sehr schwierig abzubauen, können aber eine sehr hohe Menge an Erdgas enthalten. In den Vereinigten Staaten wurden die meisten geopressurisierten Zonen in der Golfküstenregion gefunden.
Methanhydrate
Methanhydrate sind eine weitere Art von unkonventionellem Erdgas. Methanhydrate wurden erst vor kurzem in Meeressedimenten und Permafrostgebieten der Arktis entdeckt. Methanhydrate bilden sich bei niedrigen Temperaturen (um 0°C) und unter hohem Druck. Wenn sich die Umweltbedingungen ändern, werden Methanhydrate in die Atmosphäre freigesetzt.
Der United States Geological Survey (USGS) schätzt, dass Methanhydrate die doppelte Menge an Kohlenstoff enthalten könnten als alle Kohle, Öl und konventionelles Erdgas der Welt zusammen.
In den Sedimenten der Ozeane bilden sich Methanhydrate am Kontinentalhang, wenn Bakterien und andere Mikroorganismen auf den Meeresboden sinken und sich im Schlick zersetzen. Methan, das in den Sedimenten eingeschlossen ist, hat die Fähigkeit, die losen Sedimente zu „zementieren“ und den Kontinentalschelf stabil zu halten. Wenn das Wasser jedoch wärmer wird, brechen die Methanhydrate zusammen. Dies verursacht Unterwasser-Erdrutsche und setzt Erdgas frei.
In Permafrost-Ökosystemen bilden sich Methanhydrate, wenn Wasserkörper gefrieren und Wassermoleküle einzelne „Käfige“ um jedes Methanmolekül bilden. Das Gas, das in einem gefrorenen Wassergitter eingeschlossen ist, hat eine viel höhere Dichte als im gasförmigen Zustand. Wenn die Eiskäfige auftauen, entweicht das Methan.
Die globale Erwärmung, die derzeitige Periode des Klimawandels, beeinflusst die Freisetzung von Methanhydraten sowohl aus dem Permafrost als auch aus den Sedimentschichten der Ozeane.
In den Methanhydraten ist eine riesige Menge an potenzieller Energie gespeichert. Da es sich jedoch um so empfindliche geologische Formationen handelt – die in der Lage sind, zusammenzubrechen und die Umweltbedingungen in ihrer Umgebung zu stören – werden Methoden zu ihrer Gewinnung mit äußerster Vorsicht entwickelt.
Bohrung und Transport
Erdgas wird in normalen Kubikmetern oder Standard-Kubikfuß gemessen. Im Jahr 2009 schätzte die United States Energy Information Administration (EIA) die nachgewiesenen Erdgasreserven der Welt auf etwa 6.289 Billionen Kubikfuß (tcf).
Die meisten Reserven befinden sich im Nahen Osten, mit 2.686 tcf im Jahr 2011, was 40 Prozent der gesamten Weltreserven entspricht. Russland hat die zweithöchste Menge an nachgewiesenen Reserven, mit 1.680 tcf im Jahr 2011. Die Vereinigten Staaten verfügen über etwas mehr als 4 Prozent der weltweiten Erdgasreserven. <
Nach Angaben der EIA betrug der weltweite Gesamtverbrauch an trockenem Erdgas im Jahr 2010 112.920 Milliarden Kubikfuß (bcf). In diesem Jahr verbrauchten die Vereinigten Staaten etwas mehr als 24.000 bcf, die meisten von allen Nationen.
Erdgas wird in der Regel durch vertikale Bohrungen aus der Erdoberfläche gewonnen. Bei einer einzelnen vertikalen Bohrung ist das Bohrloch auf die Gasreserven beschränkt, auf die es stößt.
Hydraulic Fracturing, horizontales Bohren und Ansäuern sind Verfahren, mit denen die Gasmenge, auf die ein Bohrloch zugreifen kann, vergrößert und damit die Produktivität erhöht wird. Diese Verfahren können jedoch negative Folgen für die Umwelt haben.
Hydraulic Fracturing oder Fracking ist ein Verfahren, bei dem Gesteinsformationen mit Hochdruckströmen aus Wasser, Chemikalien und Sand aufgespalten werden. Der Sand stößt das Gestein auf, wodurch Gas entweichen und gespeichert oder transportiert werden kann. Allerdings werden beim Fracking riesige Mengen an Wasser benötigt, was den Grundwasserspiegel eines Gebiets radikal senken und aquatische Lebensräume negativ beeinflussen kann. Bei dem Prozess entstehen hochgiftige und häufig radioaktive Abwässer, die bei falscher Handhabung auslaufen und unterirdische Wasserquellen verseuchen können, die zum Trinken, für die Hygiene sowie für industrielle und landwirtschaftliche Zwecke genutzt werden.
Außerdem kann Fracking Mikro-Erdbeben verursachen. Die meisten dieser Erschütterungen sind viel zu klein, um an der Oberfläche spürbar zu sein, aber einige Geologen und Umweltschützer warnen, dass die Beben strukturelle Schäden an Gebäuden oder unterirdischen Netzwerken von Rohren und Kabeln verursachen können.
Aufgrund dieser negativen Umweltauswirkungen wurde Fracking kritisiert und in einigen Gebieten verboten. In anderen Gebieten ist Fracking eine lukrative wirtschaftliche Chance und eine zuverlässige Energiequelle.
Horizontalbohrungen sind eine Möglichkeit, die Fläche eines Bohrlochs zu vergrößern, ohne mehrere teure und ökologisch sensible Bohrstellen zu schaffen. Nachdem von der Erdoberfläche aus gerade nach unten gebohrt wurde, kann die Bohrung seitlich-horizontal ausgerichtet werden. Dadurch wird die Produktivität des Bohrlochs erweitert, ohne dass mehrere Bohrstellen an der Oberfläche erforderlich sind.
Beim Ansäuern werden saure Komponenten gelöst und in das Erdgasbohrloch eingebracht, wodurch Gestein, das den Gasfluss blockieren könnte, aufgelöst wird.
Nach der Gewinnung von Erdgas wird es am häufigsten durch Pipelines transportiert, die einen Durchmesser von 2 bis 60 Zoll haben können.
Die kontinentalen Vereinigten Staaten haben mehr als 210 Pipelinesysteme, die aus 490.850 Kilometern (305.000 Meilen) an Transportpipelines bestehen, die Gas in alle 48 Bundesstaaten transportieren. Dieses System erfordert mehr als 1.400 Kompressorstationen, um sicherzustellen, dass das Gas seinen Weg fortsetzt, 400 unterirdische Speicher, 11.000 Orte, um das Gas zu liefern, und 5.000 Orte, um das Gas zu empfangen.
Erdgas kann auch auf etwa -162°C (-260°F) gekühlt und in verflüssigtes Erdgas (LNG) umgewandelt werden. In flüssiger Form nimmt Erdgas nur 1/600 des Volumens seines gasförmigen Zustandes ein. Es kann leicht gelagert und an Orte transportiert werden, an denen es keine Pipelines gibt.
LNG wird mit einem speziellen isolierten Tanker transportiert, der das LNG auf seinem Siedepunkt hält. Wenn etwas von dem LNG verdampft, wird es aus dem Lagerbereich entlüftet und zum Antrieb des Transportschiffes verwendet. Die Vereinigten Staaten importieren LNG aus anderen Ländern, darunter Trinidad und Tobago und Katar. Die USA sind jedoch dabei, ihre heimische LNG-Produktion zu erhöhen.
Verbrauch von Erdgas
Obwohl die Entwicklung von Erdgas Millionen von Jahren dauert, wurde seine Energie erst in den letzten paar tausend Jahren nutzbar gemacht. Um 500 v. Chr. machten sich chinesische Ingenieure das aus der Erde sickernde Erdgas zunutze, indem sie Bambusrohrleitungen bauten. Diese Rohre transportierten das Gas, um Wasser zu erhitzen. In den späten 1700er Jahren stellten britische Unternehmen Erdgas zur Verfügung, um Straßenlaternen und Häuser zu beleuchten.
Heute wird Erdgas auf unzählige Arten für industrielle, kommerzielle, private und Transportzwecke verwendet. Das United States Department of Energy (DOE) schätzt, dass Erdgas bis zu 68 Prozent günstiger sein kann als Strom.
In Privathaushalten ist die beliebteste Verwendung von Erdgas das Heizen und Kochen. Es wird verwendet, um Haushaltsgeräte wie Öfen, Klimaanlagen, Raumheizungen, Außenleuchten, Garagenheizungen und Wäschetrockner zu betreiben.
Erdgas wird auch in größerem Umfang verwendet. In kommerziellen Umgebungen, wie Restaurants und Einkaufszentren, ist es eine äußerst effiziente und wirtschaftliche Art, Wassererhitzer, Raumheizungen, Trockner und Herde zu betreiben.
Erdgas wird auch in industriellen Umgebungen zum Heizen, Kühlen und Kochen verwendet. Es wird aber auch in einer Vielzahl von Prozessen wie der Abfallbehandlung, der Lebensmittelverarbeitung und der Raffination von Metallen, Stein, Ton und Erdöl eingesetzt.
Erdgas kann auch als alternativer Kraftstoff für Autos, Busse, Lastwagen und andere Fahrzeuge verwendet werden. Derzeit gibt es weltweit mehr als 5 Millionen Erdgasfahrzeuge (NGV) und mehr als 150.000 in den Vereinigten Staaten.
Obwohl NGVs anfangs mehr kosten als gasbetriebene Fahrzeuge, sind sie billiger zu betanken und sind die am saubersten laufenden Fahrzeuge der Welt. Benzin- und dieselbetriebene Fahrzeuge stoßen schädliche und giftige Substanzen wie Arsen, Nickel und Stickoxide aus. Im Gegensatz dazu stoßen Erdgasfahrzeuge zwar winzige Mengen an Propan oder Butan aus, geben aber 70 Prozent weniger Kohlenmonoxid an die Atmosphäre ab.
Mit der neuen Technologie der Brennstoffzellen wird die Energie aus Erdgas auch zur Stromerzeugung genutzt. Anstatt Erdgas zur Energiegewinnung zu verbrennen, erzeugen Brennstoffzellen Strom durch elektrochemische Reaktionen. Diese Reaktionen erzeugen Wasser, Wärme und Strom ohne weitere Nebenprodukte oder Emissionen. Wissenschaftler forschen noch an dieser Methode der Stromerzeugung, um sie kostengünstig für elektrische Produkte einsetzen zu können.
Erdgas und die Umwelt
Erdgas muss normalerweise aufbereitet werden, bevor es genutzt werden kann. Wenn es gefördert wird, kann Erdgas neben Methan eine Vielzahl von Elementen und Verbindungen enthalten. Wasser, Ethan, Butan, Propan, Pentane, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und gelegentlich auch Helium und Stickstoff können in einer Erdgasbohrung vorhanden sein. Für die energetische Nutzung wird das Methan aufbereitet und von den anderen Komponenten getrennt. Das Gas, das in unseren Häusern zur Energiegewinnung verwendet wird, ist fast reines Methan.
Wie andere fossile Brennstoffe kann Erdgas zur Energiegewinnung verbrannt werden. Tatsächlich ist es der am saubersten verbrennende Brennstoff, das heißt, es setzt nur sehr wenige Nebenprodukte frei.
Wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden, können sie verschiedene Elemente, Verbindungen und feste Partikel freisetzen (oder emittieren). Kohle und Öl sind fossile Brennstoffe mit sehr komplexen molekularen Formationen und enthalten einen hohen Anteil an Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel. Wenn sie verbrannt werden, setzen sie große Mengen an schädlichen Emissionen frei, darunter Stickoxide, Schwefeldioxid und Partikel, die in die Atmosphäre driften und zur Luftverschmutzung beitragen.
Im Gegensatz dazu hat das Methan in Erdgas einen einfachen molekularen Aufbau: CH4. Wenn es verbrannt wird, entstehen nur Kohlendioxid und Wasserdampf. Kohlendioxid und Wasserdampf werden zusammen mit anderen Gasen wie Ozon und Distickstoffoxid als Treibhausgase bezeichnet. Die steigenden Mengen an Treibhausgasen in der Atmosphäre werden mit der globalen Erwärmung in Verbindung gebracht und könnten katastrophale Folgen für die Umwelt haben.
Obwohl die Verbrennung von Erdgas immer noch Treibhausgase freisetzt, emittiert es fast 30 Prozent weniger CO2 als Erdöl und 45 Prozent weniger CO2 als Kohle.
Sicherheit
Wie bei jeder Förderaktivität kann es bei der Bohrung nach Erdgas zu Lecks kommen. Wenn der Bohrer auf eine unerwartete Hochdrucktasche mit Erdgas stößt oder das Bohrloch beschädigt wird oder bricht, kann das Leck sofort gefährlich sein.
Da sich Erdgas so schnell in die Luft verflüchtigt, verursacht es nicht immer eine Explosion oder einen Brand. Die Lecks sind jedoch eine Gefahr für die Umwelt, da sie auch Schlamm und Öl in die Umgebung leiten.
Wurde bei der Erweiterung einer Bohrung Hydraulic Fracturing eingesetzt, können die Chemikalien aus diesem Prozess lokale aquatische Lebensräume und Trinkwasser mit hochradioaktiven Stoffen kontaminieren. Das unkontrolliert in die Luft freigesetzte Methan kann auch Menschen dazu zwingen, das Gebiet vorübergehend zu evakuieren.
Lecks können auch langsam über die Zeit auftreten. Bis in die 1950er Jahre war Gusseisen eine beliebte Wahl für Verteilungsleitungen, aber es lässt eine hohe Menge an Erdgas entweichen. Die Gussrohre werden nach jahrelangen Frost-Tau-Zyklen, starkem Oberleitungsverkehr und Belastungen durch den sich natürlich verschiebenden Boden undicht. Methanlecks aus diesen Verteilungsleitungen machen mehr als 30 Prozent der Methanemissionen im US-Erdgasverteilungssektor aus. Heutzutage werden Pipelines aus einer Vielzahl von Metallen und Kunststoffen hergestellt, um Leckagen zu reduzieren.