mini|Kugelgasbehälter
Erdgas ist ein brennbares, natürlich entstandenes Gasgemisch, das in unterirdischen Lagerstätten vorkommt. Es tritt häufig zusammen mit Erdöl auf, da es auf ähnliche Weise entsteht. Erdgas besteht meist überwiegend aus dem energiereichen Methan (CH4), die genaue Zusammensetzung ist aber von der Lagerstätte abhängig.
Mitunter ist eine Aufbereitung des Rohgases nötig, um giftige, korrosive, chemisch inerte oder nicht brennbare Bestandteile abzusondern bzw. um Methan anzureichern. Wenn allgemein oder in technischem Zusammenhang von „Erdgas“ gesprochen wird, ist zumeist sehr methanreiches Erdgas in Endverbraucherqualität gemeint.
Erdgas ist ein fossiler Energieträger. Es dient hauptsächlich der Gebäudeheizung,Livia Beier, Christian Bantle (Red.): Wie heizt Deutschland? BDEW-Studie zum Heizungsmarkt. Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V., Berlin 2015 ( 3,3 MB). als Wärmelieferant für thermische Prozesse in Gewerbe und Industrie (z. B. in Großbäckereien, Glaswerken, Ziegeleien, Zementwerken und in der Montan- und Schwerindustriefür einige Beispiele in Österreich siehe Ute Kutschera und 32 weitere Autoren: Medienübergreifende Umweltkontrolle in ausgewählten Gebieten. Monographien, M-168. Umweltbundesamt, Wien 2004 (PDF 19 MB).), zur Stromerzeugung und als Treibstoff für Schiffe und Kraftfahrzeuge., Pressetext der EVN AG vom 18. Dezember 2006. Hinzu treten mengenmäßig bedeutsame Anwendungen als Reaktionspartner in chemischen Prozessen, wo ebenfalls sein Energiegehalt genutzt wird. Diese sind beispielsweise die Ammoniaksynthese im Haber-Bosch-Verfahren (Stickstoffdüngemittel), die Erzreduktion oder die Herstellung von Wasserstoff.
Eigenschaften mini|hochkant=0.6|Strukturformel von Methan
Allgemeines Natürliches (rohes) Erdgas ist ein kohlenwasserstoffhaltiges Gasgemisch, dessen chemische Zusammensetzung je nach Fundstätte beträchtlich schwankt,Natural Gas Composition and Specifications. John A. Dutton e-Education Institute, PennState College of Earth and Mineral Sciences (abgerufen am 31. März 2018)Overview of Natural Gas – Background. naturalgas.org (abgerufen am 31. März 2018) begründet durch die jeweils herrschenden Bedingungen während Bildung, Migration und Verweilen in der Lagerstätte.Kulke: Der Energieträger Erdgas. 1994 (siehe Literatur), S. 42 ff.
Der Hauptbestandteil ist meist Methan. Dessen Anteil liegt in vielen Erdgaslagerstätten zwischen 75 und 99 Mol-%. Rohgas mit erhöhten Anteilen an Ethan (1 % bis 15 %), Propan (1 % bis 10 %), Butan, Ethen und Pentanen wird nasses Erdgas genannt, was sich auf diese unter Druck leicht verflüssigbaren gasförmigen Kohlenwasserstoffe bezieht, die im Englischen auch Natural Gas Liquids (NGL – nicht zu verwechseln mit LNG, Liquefied Natural Gas) genannt werden. Die Bezeichnung nasses Erdgas wird aber auch für Rohgas mit einem relativ hohen Wasserdampfanteil verwendet (trockenes Erdgas hat einen generell niedrigen Anteil an leicht kondensierbaren Gasen, seien es NGL oder Wasserdampf). Rohgas mit einem sehr niedrigen Methan-Anteil (z. B. 30 %) wird Magergas genannt.
Weitere Nebenbestandteile von Rohgas können sein: Schwefelwasserstoff (häufig zwischen 0 % und 35 %S. Ueberhorst: Energieträger Erdgas. 1994, S. 50.), Stickstoff (häufig zwischen 0 % und 15 %, in Extremfällen bis zu 70 %) und Kohlenstoffdioxid (häufig zwischen 0 % und 10 %). Rohgas mit einem bedeutenden Schwefelwasserstoff-Gehalt wird Sauergas genannt. Zudem kann es einen erheblichen Gehalt an stark riechenden organischen Schwefelverbindungen (Alkanthiole, Carbonylsulfid) aufweisen.Alberto de Angelis: Natural gas removal of hydrogen sulphide and mercaptans. Applied Catalysis B: Environmental. Bd. 113–114, 2012, S. 37–42, doi:10.1016/j.apcatb.2011.11.026 Ferner enthält rohes Erdgas Edelgase. Rohgas, das bis zu 7 % Helium enthält, ist von großem Wert und Hauptquelle der Heliumgewinnung.
Schwefelwasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser müssen mit Verfahren wie der Gaswäsche (u. a. speziell der Entschwefelung) zunächst abgetrennt werden, da sie zum Teil giftig sind, zu Umweltschadstoffen (beispielsweise Schwefeldioxid) verbrennen, korrosiv wirken oder stärker als Methan zu Hydratbildung neigen.. Auf einer Offshore-Förderplattform können dabei täglich bis zu 28.000 Tonnen an Nebenbestandteilen anfallen.
Neben den genannten Gasen kann Rohgas auch feste Bestandteile wie Sandkörner oder Tonpartikel des Lagerstättengesteins sowie etwas elementaren Schwefel (einige Gramm pro Kubikmeter) und Quecksilber (wenige Milligramm pro Kubikmeter) enthalten.Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 5. Auflage, Vol. A17, S. 74 ff. Auch diese Stoffe müssen zuvor abgetrennt werden, da sie giftig sind oder Schäden an Förder- und Transportanlagen hervorrufen.
Physikalisch-technische Eigenschaften 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 riechen zu können, wird aufbereitetes Erdgas vor der Einspeisung ins Netz mit einem Duftstoff versehen. Bei dieser Odorierung werden vorrangig Thioether (beispielsweise Tetrahydrothiophen, THT) oder Alkanthiole (etwa Ethylmercaptan und tertiäres Butylmercaptan) in geringsten Mengen zugesetzt. Diese Duftstoffe, und nicht die Hauptbestandteile des Erdgases, sind für den klassischen Gasgeruch ursächlich.
Aus technischer Sicht ist Erdgas ein Brenngas. Innerhalb der Brenngase wird es gemäß dem DVGW-Arbeitsblatt G260Technische Regeln – Arbeitsblatt G 260: Gasbeschaffenheit. DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V., Bonn 2000 () zur Gasfamilie 2 (methanreiche Gase) gerechnet. Diese werden nach ihrem Wobbe-Index, der ein Maß für den Energiegehalt (Energiedichte) ist und von der genauen Zusammensetzung des Gases abhängt, in zwei Typen unterschieden: H-Gas (von engl. high [calorific] gas, hoher Energiegehalt, auch Erdgas schwer genannt) hat einen höheren Anteil an Kohlenwasserstoffen und einen entsprechend geringen Inertgasanteil (bei Erdgas vor allem Stickstoff und Kohlenstoffdioxid), während L-Gas (von engl. low [calorific] gas, niedriger Energiegehalt, auch Erdgas leicht) einen höheren Inertgasanteil aufweist. In Deutschland verwendetes H-Erdgas aus den GUS-Staaten besteht aus circa 98 % Methan, 1 % weiteren Alkanen (Ethan, Propan, Butan, Pentan) und 1 % Inertgasen. H-Erdgas aus der Nordsee besteht aus circa 89 % Methan, 8 % weiteren Alkanen und 3 % Inertgasen. L-Erdgas aus den Niederlanden und NorddeutschlandStröbele, Pfaffenberger und Heuterkes (2013): Energiewirtschaft. Einführung in Energie und Politik, 3. Auflage, S. 149. besteht aus etwa 85 % Methan, 4 % weiteren Alkanen und 11 % Inertgasen. Der Brennwert Hs (früher Ho) variiert entsprechend zwischen 10 kWh/kg (36 MJ/kg) bzw. 8,2 kWh/m³ (30 MJ/m³) bei L-Gas und 14 kWh/kg (50 MJ/kg) bzw. 11,1 kWh/m³ (40 MJ/m³) bei H-Gas. Der Heizwert Hi (früher Hu) liegt jeweils etwa 10 % unter diesen Werten. Die Dichte variiert zwischen 0,700 kg/m³ (H-Gas) und 0,840 kg/m³ (L-Gas). Der Siedepunkt der kondensierten Kohlenwasserstofffraktion liegt im Allgemeinen etwas höher als der von reinem Methan (−161 °C).
Bei der Klassifikation von Prüfgasen für Gasgeräte wird nach (DIN) EN 437 Typ LL (low-low) und Typ E (Europe) unterschieden. Dabei entspricht Typ LL dem L-Gas und Typ E dem H-Gas.
Entstehung mini|hochkant=1.5|Übersicht über die anaerobe Verwertung von polymeren Substraten und Lipiden durch Mikroorganismen. Bei den meisten Erdgasvorkommen ist der überwiegende Teil des Gases jedoch durch thermische Umwandlung bereits anaerob teilweise zersetzter organischer Substanz entstanden.
Rohes Erdgas entsteht oft durch die gleichen geologischen Prozesse, die auch zur Entstehung von Erdöl führen. Erdöl und Erdgas kommen daher nicht selten zusammen in einer Lagerstätte vor. Dieses Erdgas entstand in geologischen Zeiträumen aus Massen von abgestorbenen und abgesunkenen marinen Kleinstlebewesen (überwiegend einzellige Algen), die zunächst unter sauerstofffreien Bedingungen am Meeresboden in einen Faulschlamm (Sapropel) umgewandelt wurden. Im Laufe von Jahrmillionen kann dieser durch Subsidenz in tiefere Regionen der oberen Erdkruste versenkt und dort hohen Drücken und vor allem hohen Temperaturen ausgesetzt werden, die für die Umwandlung der organischen Substanzen in Erdgas sorgen (siehe auch Entstehung von Erdöl). Auch Steinkohleflöze enthalten Erdgas. Dieses Gas stellt als schlagende Wetter eine große Gefahr im Kohlebergbau dar. Als Kohleflözgas wird es mittels Bohrungen aus tiefliegenden Steinkohleflözen gewonnen (siehe auch Lagerstättentypen).
Wirtschaftlich lohnende Erdgasmengen können aber auch infolge einer mikrobiellen Zersetzung organischer Sedimente an Ort und Stelle entstehen, das heißt ohne bedeutende thermische Prozesse und ohne wesentliche Migration. Gasvorkommen mit dieser Entstehungsgeschichte finden sich zum Beispiel im Voralpenland Oberösterreichs und Oberbayerns sowie im Wiener Becken. Mit einem Alter von nur 20 Millionen Jahren handelt es sich um geologisch sehr junge Lagerstätten.
Das im Erdgas enthaltene Helium entstammt radioaktivem Alpha-Zerfall von Elementen, die als Bestandteile von Mineralen in den magmatischen Gesteinen des Grundgebirges eines Sedimentbeckens enthalten sind. Das sehr mobile Helium migriert, wie die gasförmigen Kohlenwasserstoffe, im Poren- und Kluftraum der Gesteine in Richtung der Erdoberfläche und reichert sich in konventionellen Erdgaslagerstätten an.
Verwendung Geschichte als Energierohstoff
Schon im 3. Jahrhundert v. Chr. soll in der chinesischen Provinz Sichuan erstmals Erdgas aus einer Bohrung gefördert und dazu genutzt worden sein, um Salzsiedepfannen zu befeuern.Lianyong Feng, Yan Hu, Charles A. S. Hall, Jianliang Wang: The Chinese Oil Industry: History and Future. Springer, New York 2013, ISBN 978-1-4419-9409-7, S. 2 f. Die darin eingedampfte Sole wurde ebenfalls aus Bohrungen gewonnen und die Erdgasfunde waren lediglich ein Nebeneffekt der Suche nach Sole.Chi-Jen Yang, Yipei Zhou, Robert B. Jackson: China’s fuel gas sector: History, current status, and future prospects. Utilities Policy. Bd. 28, 2014, S. 12–21, doi:10.1016/j.jup.2013.11.002 (alternativer Volltextzugriff: ), S. 14 Andere Quellen nennen das 11. Jahrhundert n. Chr. als frühesten Zeitraum für die Nutzung von Erdgas als Brennstoff in den Siedesalinen von Sichuan.Hans Ulrich Vogel: The Great Well of China. Scientific American. Bd. 268, Nr. 6, 1993, S. 116–121, Ab dem 16. Jahrhundert erlaubte es der Stand der Technik Erdgas aufzufangen, das direkt aus den zunehmend tiefer hinabreichenden Solebohrungen entwich.
Im Jahr 1626 berichteten französische Missionare über „brennende Quellen“ in flachen Gewässern von Nordamerika. Eine größere industrielle Nutzung von Erdgas begann in den USA im Jahr 1825 im Ort Fredonia im Westen des Bundesstaates New York. Hier legte ein gewisser William H. Hart einen Schacht zur Erdgasgewinnung für die Beleuchtung einer Mühle und eines Wohnhauses an. Hart nutzte Erdgas auch zur Beleuchtung eines Leuchtturms am Eriesee. Er gründete im Jahr 1858 die erste Erdgasgesellschaft, die Fredonia Gas Light Company. Ab 1884 wurde Erdgas in Pittsburgh in der Glas- und Stahlindustrie verwendet. Das Gas wurde via Pipeline aus Murrysville, heute etwa 35 km östlich von Pittsburgh gelegen, in die Stadt geliefert. Damit war Pittsburgh die erste Stadt der Welt, die an eine Erdgaspipeline angeschlossen war.Natural Gas is King in Pittsburgh, American Oil and Natural Gas Historical Society, abgerufen am 27. Juli 2014.