Kann Erdgas Teil eines Tiefs sein?

Mitte der 2010er-Jahre wurde allgemein gesagt, dass Erdgas ein Brückenbrennstoff in eine kohlenstofffreie Zukunft sein würde, in der Solar-, Wind- und andere erneuerbare Technologien unsere gesamte Energie liefern, ohne dass Kohlendioxidemissionen entstehen, die den Klimawandel verschlimmern. Aber wenn Erdgas wirklich eine Brücke ist, dann ist es nicht Teil des langfristigen Plans. Und wenn wir die Brücke tatsächlich bauen, werden wir wahrscheinlich darauf bleiben.

Der Erdgasverbrauch in den USA ist in den letzten 15 Jahren um ein Drittel gestiegen. Gas macht 32 Prozent des gesamten Energieverbrauchs aus und ist mittlerweile landesweit die größte Stromquelle und verdrängt Kohlekraftwerke weitgehend. Erdgas – vor allem Methan – verbrennt viel sauberer als Kohle und dient als Ersatz für variable Wind- und Solarparks. Das klingt vielversprechend, nur dass bei der Verbrennung von Erdgas immer noch CO2 entsteht. Methan aus Brunnen und Pipelines kann in die Atmosphäre gelangen und die globale Erwärmung verstärken. Und sobald das letzte Kohlekraftwerk geschlossen wird, werden Erdgaskraftwerke zu den schmutzigsten Stromquellen.

Um den CO2-Ausstoß zu reduzieren, muss die Gesellschaft ihre Energiesysteme so schnell wie möglich dekarbonisieren. Der Bau weiterer Wind- und Solarparks ist relativ kostengünstig und schnell und beschleunigt die Abschaltung von Kohlekraftwerken. Doch die Nutzung der besten Standorte – windgepeitschte Ebenen und sonnenverwöhnte Wüsten – erfordert ein stark ausgeweitetes Übertragungsnetz, um die Elektronen zu Großstädten und Produktionskomplexen zu transportieren. Diese Drähte und Masten bergen Gefahren durch Stürme, Überschwemmungen und Brände, die alle aufgrund des Klimawandels zunehmen, und eine Gemeinde nach der anderen kämpft routinemäßig gegen Expansionspläne: „Nicht in meinem Hinterhof.“

Die Erdgasinfrastruktur, die fast ausschließlich unter der Erde liegt, ist weitaus weniger anfällig für Unterbrechungen. In den USA gibt es etwa drei Millionen Meilen Erdgaspipelines, die unter fast jeder größeren Stadt in den angrenzenden 48 Bundesstaaten verlaufen. Zusammen mit allen Kompressoren, Tanks und Speicherkavernen ist die Infrastruktur mehrere Billionen Dollar wert. Die Kraftwerke selbst bringen weitere Hunderte Milliarden Dollar mit sich. Die fast 70 Millionen Haushalte, die mit Erdgas versorgt werden, verfügen über Öfen, Warmwasserbereiter und Kochfelder im Wert von mindestens weiteren 100 Milliarden US-Dollar. Multiplizieren Sie alle versunkenen Investitionen für die ganze Welt mit etwa fünf. Außerdem ist Gas stärker als jede andere Energiequelle mit anderen Bereichen der Gesellschaft verknüpft – Verkehr, Gebäude (zum Heizen und Kochen) und Industrie (zur Wärmeerzeugung und als Ausgangsstoff für Chemikalien), was seinen Ersatz erschwert.

Ein Austausch dieser Infrastruktur vor dem Ende ihrer natürlichen Lebensdauer würde auch finanzielle Verluste für die derzeitigen Eigentümer mit sich bringen, die sich wehren werden. Die Ersatztechnologie könnte Steuerzahler, Tarifzahler und Hausbesitzer kosten, die ebenfalls zurückhalten werden. Und mehr Strom deckt nicht ohne weiteres den Bedarf an flüssigen Brennstoffen, die in Lastkraftwagen, Schiffen und Flugzeugen verbrannt werden, oder an intensiver Hitze in industriellen Gießereien, Brennereien und Raffinerien, die Metalle, Zement, Glas, Kerosin und Chemikalien herstellen. Die Energiedichte flüssiger Brennstoffe ist schwer zu erreichen.

Wenn es uns gelingt, Emissionen aus dem Erdgassystem zu entfernen, könnte dies Teil einer CO2-neutralen Zukunft und nicht nur eine Brücke sein. Es gibt die Technologie, den Kohlenstoff zu extrahieren oder das Gas so umzuwandeln, dass der Kohlenstoffaustritt und der Kohlenstoffgehalt im Gleichgewicht auf Null oder nahezu Null gehen.

Der erste Schritt in einem umfassenden Plan zur Dekarbonisierung der Energieinfrastruktur des Landes wäre die Verbesserung der Energieeffizienz und -einsparung, um den Verbrauch zu senken. Die zweite wäre, so viele Autos, Raumheizungen, Warmwasserbereiter und Kochfelder wie möglich mit erneuerbaren Energiequellen zu elektrifizieren. Gleichzeitig soll die undichte Gasinfrastruktur gestärkt werden. Und ersetzen Sie so viel Erdgas wie möglich durch kohlenstoffarme Alternativen wie Biogas, Wasserstoff und synthetisiertes Methan oder nutzen Sie einen Prozess namens Pyrolyse am Ende der Erdgasleitungen, um den Kohlenstoff herauszubekommen.

Befürworter sauberer Energie befürchten zu Recht, dass jede Investition in die Gasinfrastruktur einen Lock-in-Effekt erzeugt. Jedes neue Kraftwerk, jede Pipeline oder jeder neue Gasspeicher hat eine erwartete Lebensdauer von 25 bis 80 Jahren, sodass jedes Element entweder zu einer Falle für mehr Emissionen oder zu einem verlorenen Vermögenswert werden könnte. Aber wir können das Lock-in-Problem mit Drop-in-Alternativen zu Erdgas lösen: kohlenstoffarme Gase, die durch bestehende Rohre, Tanks und Kraftwerke fließen können und so die Vorteile dieser Billionen Dollar an Vermögenswerten nutzen.

Der am besten geeignete Ersatz für Erdgas ist Biomethan – Methangas, das aus biologischen Quellen hergestellt wird. Mikroben in großen Fässern, sogenannten anaeroben Fermentern, zerkauen organische Stoffe wie Ernteabfälle, Mist, Abwasser sowie Lebensmittelabfälle und anderen Müll auf Mülldeponien und produzieren dabei Methan. Biodigester, eine bereits ausgereifte Technologie, wandeln Abfallströme auf Mülldeponien und Abfallteichen neben konzentrierten Tierfütterungsbetrieben von Umweltbelastungen in wertvolle Rohstoffe um und generieren Einnahmen für Kommunen und Landwirte.

Biomethan arbeitet in Austin, Texas. Waste Management, das eine der Deponien der Stadt betreibt, sammelt Biomethan aus 128 Brunnen auf seinem Gelände und verbrennt es, um genug Strom für 4.000 bis 6.000 Haushalte zu erzeugen. Und eine der Abwasseraufbereitungsanlagen der Stadt verfügt über acht Biodigester mit jeweils zwei Millionen Gallonen Fassungsvermögen; Mikroben wandeln Abwasser in Biogas um, das die Stromgeneratoren vor Ort antreibt. Bei diesem Prozess entsteht ein festes Nebenprodukt namens Dillo Dirt, das sich wie klumpiger Kompost anfühlt und riecht. Ein städtischer Bauunternehmer verkauft es tütenweise in örtlichen Geschäften, um den Boden anzureichern.

Etwa ein Viertel der mehr als 2.000 US-Deponien ernten mittlerweile ihr Gas oder verarbeiten ihre Abfälle mithilfe von Biogasanlagen zu Biogas. Allerdings gleicht dies nur weniger als 1 Prozent des gesamten Erdgasverbrauchs des Landes aus. Biogas kann als direkter Ersatz für Erdgas dienen, sein relatives Volumen ist jedoch weltweit gering. Wenn ein Bauernhof, eine Mülldeponie oder eine Kläranlage das Gas nicht ohne Weiteres zur Stromerzeugung nutzen kann oder nicht an ein Gasnetz angeschlossen ist, muss das Biomethan möglicherweise verflüssigt und an einen anderen Ort transportiert werden, was die CO2-Ausbeute verringert. Dennoch ist Biomethan eine kommerziell nutzbare Technologie, die mit der Dekarbonisierung eines Teils des Gassystems beginnen kann.

Erdgas kann vollständig durch Wasserstoff ersetzt werden. Turbinen können Wasserstoff verbrennen, um Strom für das Netz zu erzeugen, und Verbrennungsmotoren können ihn in schweren Nutzfahrzeugen verbrennen. Wasserstoff in Brennstoffzellen kann Strom für Autos, Haushalte oder Büros erzeugen. Und Wasserstoff ist ein fertiger Baustein für viele Grundchemikalien. Bei der Verbrennung oder Reaktion in Brennstoffzellen entsteht kein CO2. Austretender Wasserstoff hat eine wärmende Wirkung, die nur einen Bruchteil der von Methan beträgt.

Natürlicher Wasserstoff sickert aus Becken in vielen Kratonen der Erde aus dem Boden – große Blöcke uralten Gesteins, die die zentralen Teile von Kontinenten bilden. Wissenschaftler sind seit mehr als einem Jahrhundert auf diese Sickerstellen gestoßen. Öl- und Gasunternehmen betrachten Wasserstoff jedoch als störend, wenn sie ihn neben unterirdischen Lagerstätten finden, da er Feuer fangen und Metallrohre beschädigen kann. Doch heute bohren Unternehmens- und Universitätsforscher Wasserstofftestbohrungen und starten mehrjährige Programme zur Suche nach Wasserstoff im Untergrund. Die Vorfreude ähnelt dem, was in den Anfängen des Fracking-Schieferöls herrschte: Es gibt eine riesige Ressource, wenn Ingenieure herausfinden können, wie sie sie kostengünstig und sicher nutzen können.

Wir können auch Wasserstoff herstellen. Derzeit wird der meiste Wasserstoff für die Industrie durch die Dampfreformierung von Methan erzeugt, wobei dem Methan Wärme und heißes Wasser hinzugefügt werden, um Wasserstoff und CO2 zu erzeugen. Durch Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe von Elektrizität in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, kann auch Wasserstoffgas entstehen. Beide Prozesse erfordern jedoch erhebliche Energiemengen.

Auch der Transport und die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff sind eine Herausforderung. Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff ist im Vergleich zu dichteren Gasen wie Methan oder Flüssigkeiten wie Erdöl viel Energie erforderlich, um ihn durch ein Rohr zu bewegen. Nach mehreren hundert Kilometern ist der Transport von Wasserstoff aufgrund der Ineffizienz teurer als der Wert der darin enthaltenen Energie. Und Wasserstoff kann Stahlrohrleitungen spröde machen, sofern dies nicht durch veränderte Betriebsbedingungen oder den Einsatz teurer Legierungen gemildert wird.

Eine Möglichkeit, Wasserstoff zu integrieren, besteht darin, ihn mit Methan in einer bestehenden Erdgaspipeline zu mischen. Diese Mischung dekarbonisiert einen Teil des Systems, indem ein Teil des Erdgases durch Wasserstoff ersetzt wird. Experimente in Großbritannien und Frankreich zeigen, dass eine Mischung aus 80 Prozent Methan und 20 Prozent Wasserstoff effizient in einer Erdgaspipeline transportiert werden kann. Im Rahmen einer Studie von Mitte 2018 bis März 2020 nutzte Dünkirchen, Frankreich, eine 80-20-Mischung, um 100 Haushalte und einen Krankenhauskessel zu befeuern, ohne dass neue Geräte entlang der Pipeline oder in den Gebäuden erforderlich waren.

Bei Mischungen mit mehr als 20 Prozent Wasserstoff müssen möglicherweise Armaturen in Öfen und Öfen, wie z. B. Brennerspitzen, geändert oder ersetzt werden, da Mischgas wie reiner Wasserstoff bei unterschiedlichen Temperaturen und Geschwindigkeiten brennt. Eine weitere Überlegung ist, dass aufgrund der geringen Energiedichte von Wasserstoff eine Beimischung von 20 Volumenprozent 14 Prozent weniger Energie pro Kubikfuß liefert als Erdgas.

Eine Möglichkeit, bestimmte Kosten- und Sicherheitsherausforderungen zu umgehen, besteht darin, Wasserstoff als Teil einer anderen chemischen Form zu transportieren, mit der wir umgehen können, beispielsweise Ammoniak, das aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen besteht. Moleküle, die Wasserstoffatome enthalten, werden als Wasserstoffträger bezeichnet. Wasserstoff wird dort, wo er gefunden oder erzeugt wird, in den Trägerstoff umgewandelt, der in bestehende Pipelines eingespeist wird und entweder in dieser Form verwendet oder am Zielort wieder in Wasserstoff umgewandelt wird.

Übliche Trägerstoffe wie Ammoniak, Ameisensäure und Methanol sind bei nahezu Umgebungsbedingungen flüssig und daher leichter zu transportieren als gasförmiger Wasserstoff. Obwohl Ammoniak ätzend ist, wird es bereits weltweit als Düngemittelbestandteil transportiert und kann verbrannt werden, ohne dass CO2 entsteht. Methan könnte die effizienteste Option sein, da es vier Wasserstoffatome pro Kohlenstoffatom trägt und bereits mit vorhandenen Rohren, Kompressoren, Tanks, Turbinen und Geräten kompatibel ist.

Die Zahl der Demonstrationsprojekte nimmt rasant zu. Der finnische Industriebauer Wärtsilä baut für 2023 ein neues Schiff namens Viking Energy, das mit Ammoniak und Brennstoffzellen betrieben wird und so Treibhausgasemissionen und andere Schadstoffe vermeidet, die den maritimen Sektor belasten. Air France und der Flughafen Charles De Gaulle in Paris sind sehr an Wasserstoff als Möglichkeit zur Dekarbonisierung der Luftfahrt interessiert. Wasserstoffträger befinden sich jedoch noch in einem frühen Forschungsstadium, sodass es schwierig ist, zu sagen, wie erfolgreich sie sein könnten.

Auch Kraftwerke, die Wasserstoff verbrennen, sind in Planung. In Delta, Utah, sendet das Intermountain Power Plant – eines der größten Kohlekraftwerke der USA – Strom Hunderte Kilometer nach Los Angeles. Um den langfristigen Bedarf der Stadt an erneuerbarer und kohlenstoffarmer Energie zu decken, werden die Anlagenbesitzer im Jahr 2025 die Kohlekessel durch Turbinen ersetzen, die Wasserstoff verbrennen können. Sie werden mit einer Mischung aus 30 Prozent Wasserstoff in Erdgas beginnen und später auf 100 Prozent Wasserstoff umsteigen. Der Wasserstoff wird dort mittels Elektrolyse mit Wind- und Solarenergie erzeugt und in mehr als 100 bestehenden, unterirdischen Salzkavernen gespeichert, jede etwa so groß wie das Empire State Building.

Anstatt Erdgas zu dekarbonisieren, bevor es in die Pipeline gelangt, könnten wir den Kohlenstoff am Ende der Leitung entfernen, wo die Kunden das Gas verbrauchen. Methan beispielsweise kann am Standort des Anwenders in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten werden, der wie feiner, schwarzer Staub aussieht. Der als Methanpyrolyse bezeichnete Prozess ist effizient und eliminiert CO2-Emissionen. Jedes Kilogramm Wasserstoff, das aus pyrolysiertem Methan hergestellt wird, erzeugt drei Kilogramm festen Kohlenstoff anstelle von neun Kilogramm CO2-Gas, die bei der Verbrennung des Methans freigesetzt würden.

Der Haufen Kohlenstoffstaub, der sich in einem Kollektor in einem Ofen oder Ofen ansammelt, würde etwa jeden Monat weggekarrt. Wir bezahlen bereits Mülltransporteure und kommunale Abwasseraufbereitungsanlagen für die Reinigung unserer festen und flüssigen Abfälle; Wir sollten auch für die Beseitigung der Abfälle aus unserem Gasverbrauch bezahlen. Die Kohlenstoffpfähle haben jedoch tatsächlich einen Wert, da sie als Grundbestandteil für die Herstellung von Graphit, Gummi, Beschichtungen, Batterien und Chemikalien sowie als Bodenverbesserungsmittel für die Landwirtschaft verkauft werden können.

Obwohl sich Ingenieure seit Jahrzehnten mit der Methanpyrolyse beschäftigen, haben sie sie nur in kleinen Demonstrationsprojekten eingesetzt. Um den Kohlenstoff abzutrennen, müssen einige Geräte am Ende der Leitung geändert werden, aber es müssten keine teuren Wasserstoffleitungen gebaut werden, was die Sache erheblich vereinfacht. Durch die Pyrolyse von herkömmlichem Erdgas kann das gesamte System auf nahezu CO2-freien Wert gebracht werden. Die Zugabe von Methan aus Biogasanlagen oder die Herstellung von CO2 in die Atmosphäre mithilfe erneuerbarer Elektrizität könnte das System kohlenstoffnegativ machen.

Die Vorstellung einer solchen dekarbonisierten Zukunft könnte Visionen von großen neuen Industriekomplexen oder Millionen kleinerer Geräteänderungen für Verbraucher hervorrufen. Aber das gilt auch für andere Vorschläge zur Eindämmung der Emissionen. Die Elektrifizierung aller Heizgeräte, Herde und Fahrzeuge würde einen umfassenden Technologieaustausch erfordern. Pläne, CO2 direkt aus der Luft zu gewinnen, würden Millionen großer Maschinen erfordern, um das Gas aufzufangen und zu binden – weitläufige Unternehmen, die auch viel neues Land und neuen Strom benötigen würden.

Dekarbonisiertes Gas würde es uns ermöglichen, bestehende Pipelines, Ausrüstungen und Geräte im Wert von Billionen Dollar zu nutzen und so enorme Geldsummen und Jahre an Zeit bei der Schaffung eines kohlenstofffreien Energiesystems zu sparen. Natürlich müssten wir die undichte Infrastruktur reparieren. Lecks können minimiert werden, indem pneumatische Geräte an Bohrstandorten durch elektrische Geräte ersetzt werden, die Automatisierung von Rohr- und Tankinspektionen mit Sensoren an Drohnen und Robotern verbessert wird und Vorschriften erlassen werden, die Leckagen sowie absichtliches Entlüften oder Verbrennen nicht mehr ignorieren unerwünschtes Gas. Diese Arbeiten würden Arbeitsplätze für Arbeitnehmer in der Öl- und Gasindustrie schaffen und die Energieinfrastruktur säubern, was wiederum die Umweltverschmutzung in Gemeinden in der Nähe von Energieanlagen verringern könnte.

Die Eindämmung des Klimawandels erfordert viele Lösungen. Zu erklären, wer nicht dazugehören darf, wie zum Beispiel Erdgasunternehmen, schürt nur den Widerstand gegen den Fortschritt. Da dekarbonisiertes Gas erneuerbaren Strom ergänzen kann und für Teile der Gesellschaft, die schwer zu elektrifizieren sind, ein schnellerer, billigerer und effektiverer Weg sein könnte, sollten wir Gas nicht als Option verwerfen. Wir verfügen über eine riesige Gasinfrastruktur und müssen herausfinden, was wir damit machen. Es wäre langsam, teuer und unglaublich schwierig, es zu verschrotten, aber wir könnten es stattdessen nutzen, um zur Schaffung einer kohlenstoffarmen Zukunft beizutragen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich mit dem Titel „What to Do about Natural Gas“ in Scientific American 324, 4, 30-37 (April 2021) veröffentlicht.

doi:10.1038/scientificamerican0421-30

Brennendes Erdgas . Die Herausgeber; 23. Juni 1888.

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