Grafische Darstellung von Emission bei Erdgasverbrennung.

Erdgas, LNG & Co

Ein Kubikmeter Gas in einer Thermosflasche.

 Redet man zum Beispiel von einem Kraftstoff so wird hier, entsprechend seiner Definition, ein Stoff bezeichnet der zur direkten Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine genutzt wird. Und so sei die Frage erlaubt: Verbrennt ein Gas- bzw Dual-Fuelmotor Erdgas oder LNG (Liquefied Natural Gas = verflüssigtes Erdgas)?

Erdgas ist ein Naturgas, das vor ungefähr 600 Millionen Jahren entstanden ist. Weltweit gibt es unzählige Erdgasquellen. Zurzeit sind Vorkommen bis zu einer Tiefe von rund 7.000 Metern bekannt. Ist erst mal ein Gasspeicher in der Erde angezapft, sind zur Förderung keinerlei Pumpen, wie beispielsweise bei Erdöl, nötig. Dank des hohen Drucks, der in der Lagerstätte herrscht, fließt das Erdgas in einer Gassäule, die während des Bohrvorgangs in den Speicher eingeführt wird, automatisch zu Tage.
Die Zusammensetzung von Erdgas kann variieren. Hauptbestandteil des Erdgases ist Methan (CH4), chemisch gesehen also eine organische Verbindung aus den Elementen Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H).
Erreicht das Erdgas die Erdoberfläche wird es in einer Entschwefelungsanlage gereinigt. Herausgefiltert werden Stickstoffe, Kohlendioxid, Edelgase und Wasser. Erst wenn am Ende das Gemisch zu über 90 Prozent aus Methan besteht, darf es sich Erdgas nennen.
Die für die Verwendung eines Gases im Gasmotor wichtigste Eigenschaft ist die Klopffestigkeit. Die Klopffestigkeit wird nach der Methanzahl bewertet. So hat reines Methan die Methanzahl (MZ) 100 und Wasserstoff die MZ 0. Für die Beurteilung von Gasen muß prinzipiell beachtet werden, daß für hochentwichkelte Gasmotoren, insbesondere mit Aufladung, Gase mit den höchsten Methanzahlen den sichersten Betrieb ermöglichen – und die wirtschaftlichste Gesamtlösung darstellen. Die meisten natürlichen Erdgase haben Methanzahlen zwischen 78 und 98 und sind damit ohne Einschränkungen verwendbar. Die Zumischungen, beziehungsweise Verwendungen, von Propan-Luft oder sogar Butan-Luft führen zu empfindlichen Absenkungen der Methanzahl. Muß ein Gasmotor vorübergehend dennoch mit Gasen niedrigerer Methanzahl betrieben werden, dann kann ein Weiterbetrieb eventuell durch vorheriges Absenken der Leistung zugelassen werden.

Gas ist nicht gleich Gas

Verbrennungsmotoren wurden bereits in frühesten Tagen (Nicolaus August Otto) mit Gas betrieben. Auch heute benötigen Otto- und Diesel-Motoren Vergaser beziehungsweise Einspritzdüsen, um Kraftstoff in einen gasförmigen Zustand zu bringen. Insbesondere bei Dieselmotoren sind die Motorenentwickler darauf bedacht den Dieselkraftstoff durch die Einspritzdüsen so fein zu zerstäuben und mit Verbrennungsluft zu vermischen, dass kaum noch mikrofeine Tröpfchen übrig bleiben. Denn diese feinen Tröpfchen sind eine der Ursachen von Partikelbildung (im Volksmund spricht man fälschlicherweise gern von Rußbildung). PKW’s werden hauptsächlich mit Autogas in verflüssigter Form (LPG=Liquefied Petroleum Gas) oder mit komprimiertem Erdgas (CNG=Compressed Natural Gas) betrieben. LPG besteht aus Propan und/oder Butan, CNG und LNG aus Methan. CNG wird gasförmig bei etwa 200 bar gespeichert und durch einen Hochdruckregler auf etwa 7 bar verringert. Hochdruckfeste Lagertanks sind hier notwendig (Prüfdruck etwa 300 bar).

Flüssiggas und verflüssigtes Erdgas – ein großer Unterschied.

Flüssiggas, das so genannte LPG (Liquefied Petroleum Gas), entsteht, wenn Propan oder Butan unter Druck gesetzt wird. Etwa acht Bar reichen bereits aus, um den Aggregatzustand zu wandeln.

Verflüssigtes Erdgas (LNG)

Erdgas besteht zu etwa 85 bis 95 Prozent aus Methan. Die Variation beim Methangehalt und den anderen Bestandteilen hängt sehr stark von der Fundstätte ab. So hat Erdgas, das als Nebenprodukt bei der Erdölförderung anfällt, eine deutlich andere Zusammensetzung als Gas, das aus einem Erdgasfeld stammt. Zudem kann die Zusammensetzung schwanken, wenn Erdgase aus unterschiedlichen Quellen gemischt werden.
Nach der Reinigung wird Erdgas auf minus 162 Grad Celsius heruntergekühlt. Ab dieser Temperatur verändert Methan seinen gasförmigen Zustand: es wird flüssig –
jetzt spricht man von verflüssigtem Erdgas oder LNG (Liquefied Natural Gas).
Aber warum dieser Umwandlungsprozess? Könnte man nicht die kostengünstigere Variante von Erdgas in seinem gasförmigen Zustand nutzen?
Der Effekt der Verflüssigung: Erdgas verkleinert sich auf ein Sechshundertstel seines Volumens. So schrumpfen 600 Kubikmeter Gas auf einen Kubikmeter LNG.Oder: Ein Kubikmeter Erdgas in gasförmigem Zustand passt verflüssigt in eine 1,5 Liter-Thermosflasche.
Ein Praxisbeispiel macht es noch deutlicher:
Die kürzlich modernisierte, auf Erdgasbetrieb umgebaute, RoPax-Fähre MS OSTFRIESLAND der Reederei AG EMS, verfügt nun über einen LNG-Bunkertank der eine Kapazität von 45 m
3 aufweist. Nun wird jeder LNG-Tank, aus Sicherheitsgründen, nicht bis zu seiner maximalen Kapazität gefüllt, sondern nur bis etwa 90 Prozent. Das sind etwa 40 m3 verflüssigtes Erdgas. Diese Menge LNG, durch Erwärmung, wieder in seinen gasförmigen Zustand zu versetzen entsprechen etwa 24.000 m3 Gas (40 x 600)! 24.000 m3 Erdgas in einem Behälter (Tank) unterzubringen entspricht etwa einer Tankgröße mit den Abmessungen von 80 m Länge, 40 m Breite und einer Höhe von 20 m! Die OSTFRIESLAND hat aber nur eine Länge 94 m bei einer Breite von 12 m!
Verflüssigtes Erdgas (LNG) ist also eine optimale Form große Mengen über große Distanzen zu transportieren. Im flüssigen Aggregatzustand ist LNG nicht brennbar. Das Verflüssigungsverfahren entfernt Staub, Wasser und Kohlenstoffe. LNG ist deshalb wesentlich sauberer als normales Erdgas. Liquefied Natural Gas, LNG, ist eine ungiftige Flüssigkeit, glasklar, geruchslos und leichter als Luft mit einer Zündtemperatur von rund 600
OC. Zur Verbrennung von 1 m3 Erdgas werden ungefähr 10m3 Luft benötigt. Die Energiedichte von LNG erreicht etwa 60 Prozent der Dichte von Dieselkraftstoff, weshalb die Tankkapazität, im Vergleich zu Dieseltanks, verdoppelt werden muß.
Aber:
Vor dem Gebrauch, also beim Eintritt in die Gasregelstrecke und dem Gasmischer am Motor, wird das verflüssigte Erdgas auf etwa plus 33 Grad Celsius erwärmt und damit wieder in den gasförmigen Zustand gebracht. Erst jetzt kann es vom Verbrennungsmotor in Leistung umgesetzt werden.
Die damit sehr häufig zu lesende unsachliche Beschreibung von ”mit LNG angetriebenen Motoren” ist somit vollkommen irreführend beziehungsweise sachlich falsch!
Bleibt noch die Frage zu klären: Ist CNG (Compressed Natural Gas) eine Option für die Schifffahrt?
Generell kann man sagen, dass CNG für kleine Schiffe für kurze Einsätze, z.B. Hafenfähren oder Schlepper, die nur kurzzeitig eine hohe Leistung abfordern geeignet ist. Da die Versorgung über das Erdgasnetz erfolgen kann (es ist dann nur ein Kompressor erforderlich) ist die Verfügbarkeit vorhanden.
Für CNG liegt das Reduktionsverhältnis von Gas bei Atmosphäre zu Tank bei 1:200 bis 1:300, bei LNG bei 1:600. LNG-Tanks werden bei großen Tankern mit einem Maximaldruck von ca. 300 mbar ausgeführt. Hier ist das Gewicht des Tanks sehr gering im Vergleich zur Füllung.
Bei CNG sind Flaschenbündel aus Stahl handelsüblich. Bei einem Flaschendruck von 200 bar wiegen die leeren Flaschen ungefähr das 10-fache des Inhalts. Es gibt weitere Konstruktionen (Coselle, Komposittanks), die das Verhältnis etwas verbessern könnten.

Zusammenfassung

Erdgas (LNG / CNG) sind bekannt als umweltfreundliche Kraftstoffe für die Schifffahrt weil sie die CO2-Emissionen um 20-25% reduzieren, vernachlässigbare Mengen an Partikel- und Schwefelemissionen (SOx) sowie rund 92 Prozent weniger Stickoxide (NOx) emittieren, im Vergleich zu mit Dieselkraftstoff betriebene Motoren. Auch die Treibhausgasemissionen (GHG) werden um rund 23 Prozent reduziert.