Große Chemie: Flüssigerdgas

May 13, 2023

Das Thema Energie ist für uns ein zentrales Thema, seit die ersten unserer Vorfahren von den Bäumen herunterkamen und nach etwas Essbarem suchten, das sie nicht fressen würde. Aber in einer Welt, in der der ewige Kampf um Energie auf einen Fingerdruck am Lichtschalter oder Thermostat beschränkt ist, sehen viele von uns dank geopolitischer Kräfte dem Zorn des Winters mit einer völlig anderen Einstellung gegenüber um warm zu bleiben.

Das Problem liegt nicht unbedingt darin, dass wir nicht genug Energie haben, sondern vielmehr darin, dass das, was wir haben, weder gleichmäßig verteilt noch leicht zu beschaffen ist. Energie vom Ort ihrer Erzeugung dorthin zu transportieren, wo sie benötigt wird, ist selten eine einfache Angelegenheit und stellt oft erhebliche und interessante technische Herausforderungen dar. Dies gilt insbesondere für Energiequellen, die nicht viel Leistung auf kleinem Raum bieten, wie etwa Erdgas. Es über einen Kontinent zu bringen, ist schon eine Herausforderung genug; Es ist eine ganz andere Sache, es über einen Ozean zu transportieren, und hier kommt Flüssigerdgas (LNG) ins Spiel.

Bevor wir uns mit der Herstellung von LNG befassen, sollten wir uns zunächst fragen, warum wir LNG überhaupt brauchen. Schließlich verfügen wir über eine unglaublich komplexe, kontinentale Pipeline-Infrastruktur, die für den Massentransport von Erdgas über große Entfernungen optimiert ist. Warum sollte man sich die Mühe machen, den ganzen Aufwand und die Kosten für die Verflüssigung von Erdgas auf sich zu nehmen?

Mit einem Wort: Ozeane. Diese riesigen Pipelinenetze enden praktisch an der Wasseroberfläche, und obwohl es sicherlich einige unterseeische Erdgaspipelines gibt, haben uns die jüngsten Ereignisse gezeigt, wie anfällig diese sein können. Daher ist der Transport von Erdgas auf dem Seeweg zu einem notwendigen Mittel geworden, um Energie von Punkt A nach Punkt B zu transportieren. Und um dies effizient zu tun, muss man sein Volumen drastisch reduzieren. Die Umwandlung von Erdgas in eine Flüssigkeit bewirkt genau das: Es erhöht seine Dichte um das 600-fache und macht den Transport in großen Mengen möglich.

Der Ausgangsstoff für Flüssigerdgas ist natürlich Erdgas. Wir haben bereits ziemlich viel über den Prozess der Gewinnung und Verteilung von Erdgas berichtet, aber kurz gesagt: Erdgas ist eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen wie Methan und Ethan, die beim Zerfall antiker Biomasse in geologischen Formationen entsteht. Zusammen mit flüssigen Kohlenwasserstoffen und Schadstoffen wie Stickstoff, Kohlendioxid, schwefelhaltigen Verbindungen und Wasserdampf sammelt sich das Gas in unterirdischen Lagerstätten an, die durch Bohrungen erschlossen werden.

Roherdgas wird unter seinem natürlichen Druck oder mit Hilfe riesiger Kompressoren über Pipelines zu Anlagen transportiert, die das Gas reinigen. Besonders wichtig ist die Rückgewinnung von Schwefel und Helium, beides wertvolle chemische Elemente, aus dem Rohgas, aber es ist auch wichtig, minderwertige Verunreinigungen wie Wasser und CO2 aus dem Erdgas zu entfernen, da beide später zu Gefrierproblemen führen können. Wasser wird durch Durchblasen des Roherdgases durch Triethylenglykol (TEG), eine extrem hygroskopische Lösung, entfernt, während CO2 mithilfe eines Aminwäschers entfernt wird, der das saure Rohgas stickstoffhaltigen Aminlösungen wie Diethylamin (DEA) aussetzt, die adsorbiert werden das CO2. Nach einer weiteren Reinigung, bei der alle verbleibenden schwereren Kohlenwasserstoffe und Verunreinigungen wie Quecksilber entfernt werden, die sich nicht verhalten, wenn sie Aluminium und Edelstahl ausgesetzt werden, besteht der Erdgas-Ausgangsstoff zu etwa 85 % bis 90 % aus Methan (CH4), der Rest ist eine Mischung daraus Ethan (C2H6), Propan (C3H8) und Butan (C4H10).

Das saubere, trockene Erdgas steht dann zur Verflüssigung bereit. Wie die meisten Gase kondensiert Erdgas zu einer Flüssigkeit, wenn seine Temperatur unter seinen Siedepunkt fällt, der für Methan bei -161,5 °C liegt. Um LNG herzustellen, ist daher ein kryogener Prozess im industriellen Maßstab erforderlich. Heutzutage wird das meiste LNG mit einem Verfahren namens C3MR hergestellt, bei dem es sich um ein progressives Zweikreis-Kühlsystem handelt. „C3“ bezieht sich auf Propan, eine Verbindung mit drei Kohlenstoffatomen, die als Kältemittel im Vorkühlkreislauf verwendet wird. Jede Hälfte des Zyklus ist im Wesentlichen die gleiche wie in jedem Kühlschrank, wenn auch in der Größenordnung sehr unterschiedlich. In der Vorkühlstufe wird flüssiges Propan durch ein Expansionsventil geleitet, was zu einem Phasenwechsel und einem plötzlichen Temperaturabfall führt. Das abgekühlte Propan entzieht dem Erdgas über einen Wärmetauscher Wärme, das Propan wird mit einem dreistufigen Kompressor komprimiert und die Wärme wird über einen Kondensator abgeführt, sodass der Kreislauf von vorne beginnen kann.

Nach der Vorkühlung ist das Erdgas etwa -33 °C – kalt, aber nicht kalt genug. Das abgekühlte Gas gelangt nun in den „MR“- oder „Mischkältemittel“-Kreislauf, wobei eine Mischung aus Propan, Pentan, Methan und Ethylen verwendet wird. Auch hier ist der Wärmekreislauf bekannt, aber die Größenordnung ist noch gewaltiger: Die in einigen MR-Schleifen verwendeten Rohrschlangenwärmetauscher können in ihrem Inneren Tausende von Kilometern aufgerollter Rohre mit einer Wärmeaustauschfläche von 40.000 Quadratmetern aufweisen. Es gibt auch Plattenwärmetauscher, bei denen mehrere Lagen gewellter Rippen zwischen flachen Aluminiumplatten angeordnet sind. Plattenwärmetauscher werden in mit Isolierung gefüllten Gehäusen, sogenannten Coldboxen, installiert. Beide Arten von Wärmetauschern werden normalerweise in parallelen Baugruppen, sogenannten Zügen, eingesetzt, um einen enormen Durchsatz und Redundanz zu erreichen.

Nach der MR-Schleife ist das Erdgas auf etwa -160 °C gesunken und ist nun eine farblose, geruchlose und ungiftige Flüssigkeit. Der Energieaufwand, um diesen Punkt zu erreichen, war beträchtlich – etwa 13 Kilowatt, um eine einzige Tonne LNG zu erzeugen. Im Jahr 2021 lag die weltweite Verflüssigungskapazität bei über 450 Millionen Tonnen pro Jahr, weitere Kapazitäten befinden sich noch im Bau.

Aber diese ganze Produktion bedeutet nichts, wenn das gesamte LNG nicht irgendwo untergebracht werden kann. Die kryogene Natur von LNG bringt bestimmte technische Herausforderungen mit sich. LNG ist zwar nicht so kalt wie flüssiger Stickstoff oder Sauerstoff, kann aber dennoch zu Stahlversprödung führen. Aus diesem Grund werden für LNG-Rohrleitungen und -Tanks spezielle Edelstahllegierungen verwendet. Auch Lagertanks, die zur vorübergehenden Speicherung von LNG zwischen Produktion und Versand dienen, müssen sorgfältig konstruiert werden. Diese Tanks sind oft teilweise oder sogar vollständig unterirdisch gebaut; Während der Untergrund eine Isolierung bietet, die die Wärmeübertragung in das LNG verringert, kann die Kälte das Grundwasser gefrieren und zu Frostbildung unter den Tanks führen. Lagertanks müssen auch ein gewisses Abdampfen des LNG ermöglichen, wobei das entstehende Erdgas entweder aufgefangen und über reguläre Vertriebskanäle verkauft oder zum Anfang des Prozesses zurückgeleitet und erneut verflüssigt wird.

LNG von einem Ort zum anderen zu befördern, ist die Aufgabe spezialisierter LNG-Tanker, riesiger Schiffe, die speziell dafür gebaut sind, so viel LNG wie möglich sicher und effizient zu transportieren. Obwohl die Schiffsdesigns unterschiedlich sind, verwenden die meisten der rund 550 Schiffe der LNG-Flotte sogenannte „Moss-Tanks“, riesige Kugeln, die über das Deck ragen. Die meisten Schiffe verfügen über vier oder fünf dieser stark isolierten Tanks; Auch wenn ihre Kugelform im Hinblick auf die Ausnutzung des gesamten Volumens des Schiffsrumpfs nicht besonders effizient ist, eliminiert sie doch die Gefahr des Schwappens der Ladung. Neuere „prismatische“ LNG-Tanker werden entwickelt, deren Ladetanks den Rumpfraum vollständiger ausfüllen. Die Tanks sind mit einer isolierten Membran ausgekleidet, die entweder aus hochnickelhaltigem Edelstahl oder der Invar-Legierung besteht und die thermische Ausdehnung und Kontraktion reduziert. Die größten Tanker können über 250.000 Kubikmeter LNG aufnehmen.

Aufgrund der Gefährlichkeit ihrer Ladung müssen LNG-Tanker unter Berücksichtigung der Sicherheit gebaut werden. Unabhängig davon, wie gut die Tankisolierung ist, kommt es während des Transports unweigerlich zu einem gewissen Verdampfen der Ladung. Viele Tanker zapfen dieses Gas ab und nutzen es als Treibstoff. Die Schiffe verfügen außerdem über umfangreiche Überwachungssysteme zur Erkennung von Lecks; Im Gegensatz zu Erdgas, das über Leitungen an Haushalte und Unternehmen geliefert wird, enthält LNG keinen Methylmercaptan-Geruchsstoff. Daher befinden sich Methansensoren in nahezu jedem Raum eines LNG-Tankers.

Sobald eine LNG-Ladung am Bestimmungsort ankommt, muss sie vor der Verwendung wieder in Gas umgewandelt werden. Der Regasifizierungsprozess ist im Grunde das Gegenteil der Verflüssigung, bei dem das LNG schonend über den Siedepunkt erhitzt wird. Da das LNG knapp unterhalb seines Siedepunkts transportiert wird, ist keine große Temperaturänderung erforderlich, um den Phasenübergang zu erzwingen. Das heißt aber nicht, dass es sich um einen einfachen Prozess handelt.

Die Regasifizierung kann entweder in Anlagen neben Hafenanlagen erfolgen, die speziell für die Unterbringung von LNG-Tankern gebaut wurden, oder sie kann durch schwimmende Speicher- und Regasifizierungseinheiten (FSRUs) erfolgen. FSRUs sehen LNG-Tankern sehr ähnlich und verfügen über viele der gleichen Geräte, darunter kugelförmige Speichertanks vom Typ Ether Moss oder prismatische Tanks. FSRUs sind außerdem mit einer Regasifizierungsanlage ausgestattet, die das LNG aus ihren Lagertanks entnimmt, es durch Wärmetauscher leitet und das abgekochte Erdgas über Unterwasserpipelines an Land leitet. Der Vorteil von FSRUs gegenüber Regasifizierungsanlagen an Land ist ihre Vielseitigkeit – es ist nicht nötig, auf günstige Gezeiten zu warten, bis ein LNG-Tanker anlegt, sodass die Entladung immer dann erfolgen kann, wenn das Schiff ankommt.

Ob an Land oder schwimmend, die Wärme für die Regasifizierung wird aus verschiedenen Quellen gewonnen. Viele Anlagen verwenden Verdampfer, die das LNG erhitzen, indem sie Luft mit Umgebungstemperatur über Wärmetauscher mit riesigen Ventilatoren blasen. Manchmal wird Meerwasser als Wärmeübertragungsmedium verwendet, wobei Wasser mit Umgebungstemperatur über die Wärmetauscherschlangen gesprüht wird. Bei niedrigeren Umgebungstemperaturen verwenden einige Regasifizierer SCVs (Submers Combustion Vaporizer), bei denen die Brenner in große Wasserwannen getaucht sind. Das Abgas der Brenner erhitzt das Wasser, das wiederum das LNG erwärmt, wenn es durch die Rohrschlangen im Tank strömt. SCVs werden im Allgemeinen mit Erdgas betrieben, das aus dem Ausgang entnommen wird.

Sobald das Erdgas wieder in der Gasphase ist, kann es in das örtliche Verteilungsnetz eingespeist werden. Pipelinebetreiber betreiben ihre Verteilungssysteme im Allgemeinen mit 30–80 bar (3.000–8.000 kPa), daher muss die Leistung der Regasifizieranlage dieser Spezifikation entsprechen. Anstatt das Ausgangsgas aus dem Regasifizierer zu komprimieren, erweist es sich als einfacher und effizienter, das LNG-Eingangsgas mithilfe von Pumpen unter Druck zu setzen. Der Pipeline-Betreiber führt im Allgemeinen Qualitätskontrolltests an einer LNG-Charge durch, bevor er sie an seine Kunden weitergibt, und fügt natürlich den erforderlichen Methylmercaptan-Geruchsstoff hinzu.

Die LNG-Lieferkette ist ziemlich komplex, aber überraschend energieeffizient. Der Großteil der Energie fließt in die Verflüssigung und den Transport, wobei nur wenig Energie benötigt wird, um die kryogene Flüssigkeit wieder in ein Gas umzuwandeln. Was die Infrastruktur angeht, gibt es davon definitiv eine Menge an beiden Enden der Lieferkette. In den meisten Fällen ist das LNG-System jedoch die effizienteste Möglichkeit, chemische Energie über große Entfernungen zu transportieren.

[Ausgewählte Bilder: LNG-Tanker vom Typ Moss, Arctic Princess. Quelle: JoachimKohlerBremen, CC BY-SA 4.0.]