Wie viele Eigenheimbesitzer längst wissen, hat Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, zahlreiche Vorteile: Bei der Verbrennung entstehen kaum schwermetallhaltige Schwebstoffe oder Schwefel. Doch damit nicht genug: Die sogenannten sicheren, also geologisch nachgewiesenen und schon jetzt wirtschaftlich zu fördernden Erdgasreserven schätzten Experten 1998 auf mehr als 150 Billionen Kubikmeter (das entspricht etwa dem 1600fachen des jährlichen Erdgasverbrauchs in Deutschland). Hinzu kommt aber vermutlich ein Vielfaches an noch nicht bekannten Reserven, sei es in konventionellen Erdgasfeldern, sei es in Kohleflözen oder als Methangashydrate.

Doch ein großer Teil dieser enormen Ressourcen ist von den potentiellen Verbrauchern zu weit entfernt und die Förderung damit bislang noch unwirtschaftlich. Erdgas transportieren Unternehmen meist aufwendig und teuer per Pipeline – auf diese Weise beliefert Rußland Westeuropa über 6000 Kilometer hinweg – oder in durch Kühlen verflüssigter Form bei deutlich unter minus 100 Grad Celsius (liquidified natural gas, LNG). Auch der Transport als Flüssigkeit erfordert hohe Investitionen in Anlagen und Spezialtanker, die sich erst über 20 bis 30 Jahre rechnen, und auch dann nur, sofern sehr große Gasfelder auszuschöpfen und langfristige Abnahmeverträge gegeben sind. Immerhin hat LNG heute einen Anteil von etwa fünf Prozent am internationalen Erdgashandelsvolumen; der Hauptmarkt ist Asien.

Nun gibt es noch einen anderen Weg der Verflüssigung, nämlich die Herstellung von synthetischem crude (nach crude oil für Rohöl) aus dem Gas. Mit Tankern verfrachtet und in Raffinerien zu allerlei Mineralölprodukten und Kraftstoffen aufbereitet, könnte es das natürliche crude ergänzen. Bislang aber galt: Die entsprechenden Verfahren sind aufwendig und teuer, ein Faß des synthetischen Öls kostet leicht das Drei- bis Vierfache eines Fasses Erdöl zu heutigen Preisen.

Diese Situation hat sich in den letzten Jahren deutlich geändert. Zwei Unternehmen stellen aus Erdgas bereits einen Dieselzusatz her, der im Jahre 1997 in Kalifornien dem Kraftstoff zugemischt wurde, um die hohen Umweltanforderungen zu erfüllen: Sasol in Südafrika und Shell in Malaysia (letz-tere Anlage wurde allerdings bei einem Brand im gleichen Jahr stark beschädigt, soll aber spätestens im Jahre 2000 mit höherer Kapazität wieder in Betrieb gehen).

Auch die großen Gasvorkommen im North Slope, dem nördlichsten Bereich Alaskas oberhalb des 68. Breitengrades, sollen mit Konvertieranlagen erschlossen werden. Teilweise gelangt Erdgas dort schon bei der Erdölförderung unbeabsichtigt an die Oberfläche. Nicht weniger als 120 Milliarden Kubikmeter dieses Begleitgases wurden 1997 weltweit schlicht abgefackelt; das entspricht etwa dem jährlichen Methanverbrauch von Deutschland. Aufgrund staatlicher Vorgaben wird es aber mittlerweile wieder in die Erdöllagerstätten zurückgepumpt – meist aufwendig und zu hohen Kosten; immerhin läßt sich so mitunter der unterirdische Druck erhalten und auf diese Weise die Ölförderung unterstützen. Gelänge es nun, das Methan auf wirtschaftliche Weise vor Ort in synthetisches crude zu verwandeln, ließe es sich kostengünstig über die Trans-Alaska-Pipeline transportieren. Das wäre ein nicht zu unterschätzender Vorteil für die Betreiber: Denn das Erdölfeld in der Prudhoe-Bucht erschöpft sich langsam, und die Produktion sinkt bereits um jährlich zehn Prozent – die Pipeline ist schon nicht mehr voll ausgelastet.

Auch das arabische Emirat Katar untersucht derzeit zusammen mit Sasol und Phillips sowie in einem weiteren Projekt mit Exxon die Erdgasverflüssigung; das Land verfügt über etwa ein Zehntel der weltweit bekannten Vorräte. Unterdessen plant Statoil, die größte norwegische Ölgesellschaft, zusammen mit Sasol den Bau relativ kleiner, auf Bohrinseln oder Schiffen installierten Konvertiermodule, beispielsweise für die Nordsee.

Chemischer Hauptbestandteil von Erdgas ist Methan, ein einfaches Molekül mit vier symmetrisch um ein Kohlenstoffatom angeordneten Wasserstoffatomen (CH4). Diese räumliche Symmetrie macht es besonders stabil. Zur Umwandlung in einen flüssigen Brennstoff oder in andere hochwertige Petrochemikalien müssen deshalb zunächst die vier Kohlenwasserstoff-Bindungen zumindest teilweise aufgebrochen werden.

Herkömmlich geschieht das sozusagen mit Brachialgewalt. Beim "Dampfreformieren" mittels heißem Wasserdampf und einem Nickel-Katalysator entsteht nach der Gleichung CH4 + H2O 'CO + 3 H2 ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff – das Synthesegas. Der erforderliche Sauerstoff ist im Wasserdampf enthalten. Bei der "partiellen Oxidation" wird Sauerstoff zugegeben; die Reaktionsgleichung ist hier CH4 + 0,5 O2'CO + 2 H2 (weil das Methan dabei nicht vollständig zu Wasserdampf und Kohlendioxid verbrennt, spricht man von partieller Oxidation). Das Mischungsverhältnis im Synthesegas begünstigt bei diesem Verfahren die Weiterverarbeitung; meist nutzt man deshalb Mischformen.

Aus dem Synthesegas lassen sich nun längere Kohlenwasserstoffketten aufbauen. Das Verfahren dazu entwickelten die deutschen Chemiker Franz Fischer und Hans Tropsch im Jahre 1923 am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohleforschung; sie verflüssigten damit Kohle. Im Zweiten Weltkrieg versuchte sich Deutschland mit dieser Technik vom Rohöl unabhängig zu machen; 1944 entstanden pro Tag auf diese Weise etwa 16000 Barrel Kraftstoff.

Wie damals wird auch heute das Synthesegas über einen Katalysator auf Kobalt-, Nickel- oder Eisenbasis geleitet und so in verschiedene flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt; dabei freigesetzte Wärme dient häufig dem Antrieb der Sauerstoff-Verdichter.

Je nach Verwendungszweck wird der Prozeß bei verschiedenen Temperaturen gefahren. Zwar gilt allgemein: Wärmezufuhr beschleunigt sowohl Reaktionen, die Kohlenwasserstoffketten verlängern, als auch solche, die Ketten abbrechen lassen. Doch erstere laufen bei höheren Temperaturen im Verhältnis langsamer ab. Deshalb entsteht beispielsweise bei 330 bis 350 Grad Celsius vermehrt das relativ kurzkettige Benzin, Diesel überwiegend bei nur 180 bis 250 Grad.

Allerdings resultiert immer ein Gemisch. Destillation trennt die Fraktionen, die zum Mineralölprodukt weiterbearbeitet werden. Aus Erdgas gewonnenes Rohöl erleichtert diese Raffinierung, denn es ist praktisch schwefelfrei und enthält weniger krebserregende Bestandteile als das natürliche. Die Endprodukte sind qualitativ hochwertige Brennstoffe mit geringer Schadstoffemission.

Dieses zweistufige Verfahren – Aufbrechen des Methans und anschließende Synthese langer Moleküle – funktioniert zwar zuverlässig, der Energieaufwand ist aber vor allem im ersten Schritt recht hoch. Beim Dampfreformieren herrschen höllische Bedingungen: Methan und Wasserdampf werden auf das 30fache des normalen Luftdrucks verdichtet und zugleich auf 900 Grad erhitzt. Die Reaktion aufrecht zu halten, erfordert zusätzliche Energie. Die liefert Sauerstoff, der dann mit einem geringen Teil des Methans verbrennt und dabei zusätzliches Synthesegas bildet.

Sauerstoff aber ist teuer, denn er wird meist aus Luft durch energieaufwendiges Kühlen und Verflüssigen gewonnen. Tatsächlich liegt hierin aber die entscheidende Möglichkeit, das Synthesegas kostengünstiger herzustellen.

Die Syntroleum Company in Tulsa (US-Bundesstaat Oklahoma) hat ein Verfahren entwickelt, das Methan mit Luft statt reinem Sauerstoff reformiert. In Zusammenarbeit mit Texaco Enron und Brown & Root plant Syntroleum derzeit den Bau kommerzieller Anlagen. Das Unternehmen hofft, damit auch in einer Welt, in der ein Barrel Rohöl weniger als 20 US-Dollar kostet, mit flüssigem Erdgas konkurrenzfähig zu sein.

Alternativ dazu arbeiten mehrere private Unternehmen sowie einige Universitäten und US-Regierungsinstitute an keramischen Membranen, die nur Sauerstoff passieren lassen – er ließe sich damit deutlich billiger gewinnen. Prototypen solcher Keramiken waren in ersten Tests bereits erfolgreich, in den kommenden zehn Jahren sollen sie serienreif werden.

Beide Ansätze erlauben, die Reformierungstemperatur um etwa 200 Grad zu senken und die Luftverflüssigung einzusparen. Die Herstellungskosten des synthetischen crudes würden damit um etwa 25 Prozent sinken, die von flüssigen Brennstoffen um 15 Prozent.

Zusammen mit Wissenschaftlern der Universität von Florida verfolgen meine kanadischen Kollegen und ich einen weiteren Ansatz: Wir versuchen mit einer keramischen Membran nicht Sauerstoff aus der Luft, sondern Wasserstoff aus dem Gasgemisch der Synthesegasherstellung zu entfernen. Das würde die partielle Oxidation des Methans beschleunigen. Der abgetrennte Wasserstoff wäre keinesfalls nutzlos, sondern könnte bei der Raffinierung des in dem Fischer-Tropsch-Verfahren gewonnenen crudes oder als Energieträger eingesetzt werden.

Auch die beim Reformieren verwendeten Katalysatoren sind Gegenstand aktueller Forschung. Beispielsweise untersuchen Wissenschaftler der Universität Oxford Metallcarbide, während meine Kollegen vom Canadian Center for Mineral and Energy Technology großporige Zeolithe prüfen. Beide Materialien scheinen die Rußbildung beim Reformieren zu reduzieren – Ruß verstopft den Reaktor und beeinträchtigt auf diese Weise mit der Zeit die Aktivität der Katalysatoren.

Optimal wäre es dabei freilich, die angestrebete Umwandlung von Erdgas in flüssige Brennstoffe lediglich in einem einzigen Schritt zu vollziehen. Damit ließen sich die Konversionskosten möglicherweise sogar um die Hälfte reduzieren.

Frühere Versuche einer solchen direkten Umwandlung mit Hilfe verschiedener Katalysatoren und einer größeren Menge an zugeführtem Sauerstoff enttäuschten: Die entstehenden Kohlenwasserstoffe reagierten schneller als das Methan selbst, so daß sie wieder verbrannten. Wird das Produkt nicht rasch aus der Reaktionszone entfernt, bleibt die Ausbeute gering. Dieses Problem läßt sich aber mittlerweile umgehen. Besonders leistungsfähige Katalysatoren ermöglichen niedrigere Prozeßtemperaturen, alternativ dazu kann man das Produkt aber auch in chemisch stabilere Verbindungen überführen.

Beide Wege beschritten Chemiker der Staatsuniversität von Pennsylvania. Sie wandelten Methan direkt in einen anderen flüssigen Energieträger – Methanol – um. Dazu mischten sie einen flüssigen Katalysator – man spricht dann von homogener Katalyse – bei Temperaturen von weniger als 100 Grad Celsius zu.

Das Unternehmen Catalytica im kalifornischen Mountain View hat mit einem ähnlichen Verfahren bereits eine Ausbeute von 70 Prozent erzielt. Mit dem verwendeten Katalysator entsteht zunächst "Methylester", in einem weiteren Schritt schließlich ein Methanol-Abkömmling. Methanol (auch unter der Bezeichnung Holzspiritus bekannt) läßt sich dann in Benzin oder einen Zusatzstoff zur Erhöhung der Oktanzahl umwandeln. Man kann es außerdem zu Wasserstoff konvertieren – um den dann beispielsweise als Kraftstoff für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieben zu nutzen. Methanol ist demnach eine geeignete Form zum Speichern und Transportieren von Energie.

Angesichts dieser Verbesserungen bin ich sicher, daß die Wirtschaftlichkeit der Verflüssigung von Erdgas deutlich zu steigern ist. Inwieweit der Rohölmarkt darauf mit sinkenden Preisen reagieren wird, läßt sich freilich derzeit noch nicht abschätzen. Doch eines steht fest: Erdgas ist weit mehr als ein umweltverträglicher Wärmelieferant.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1999, Seite 92
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