VERFLÜSSIGTES ERDGAS - NEUE ENERGIE FÜR SCHIFF UND LKW? - SHELL LNG -STUDIE
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SHELL LNG -STUDIE VERFLÜSSIGTES ERDGAS – NEUE ENERGIE FÜR SCHIFF UND LKW? Fakten, Trends und Perspektiven
EINLEITUNG 4
SHELL LNG -STUDIE
VERFLÜSSIGTES ERDGAS – NEUE ENERGIE FÜR SCHIFF UND LKW? TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN
Fakten, Trends und Perspektiven
Erdgas und Substitute • Erdgasverflüssigung • Physikalische Eigenschaften •
1
LNG-Speicherung • Chemische Eigenschaften • Kraftstoffstandards
6
Shell Deutschland
Dr. Jörg Adolf (Projektleitung) Prof. Dr. Barbara Lenz ERDGASWIRTSCHAFT
Dr. Christoph Balzer Dipl.-Ing. Andreas Lischke Energienachfrage, Erdgas und LNG • Gasressourcen und Gasangebot •
2
Alternative Gasressourcen • Erdgashandel und LNG • Erdgas- und LNG-Preise
Dr. Max Kofod Dipl.-Volksw. Gunnar Knitschky
16
www.shell.de www.dlr.de
LNG
SUPPLY CHAIN, LOGISITK UND RETAIL-INFRASTRUKTUR
Prof. Dr.-Ing. Friedrich Wirz Versorgungskette • Erdgasverflüssigung • LNG-Carrier •
3
Regasification • Retail-Infrastruktur
Märtha-Luise Wendland, B.Sc.
22
www.tuhh.de/asm
KURZFASSUNG
Seit Mitte der 1960er Jahre wird Erdgas in Form von Liquefied Natural Gas (LNG) über die Weltmeere transportiert. LNG IN DER SCHIFFFAHRT
In jüngerer Zeit wächst das Interesse an LNG im Verkehrsbereich, insbesondere als neuer Kraftstoff für die Schifffahrt und Schiffsbestand • Schiffsantriebe • Emissionen
schwere Lkw. Es stellt sich die Frage, welche Rolle LNG als Endenergie im Verkehrsbereich zukünftig einnehmen kann und
welchen Beitrag es zu Fragen der Energie-, Klima- und Umweltpolitik zu leisten vermag.
Shell ist seit Jahrzehnten führend in der globalen LNG-Wirtschaft. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Verkehrsforschung
4 32
am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau an der Technischen Universität
Hamburg hat Shell eine neue Energieträger-Studie erstellt, die sich mit dem aktuellen Stand und den langfristigen Perspek-
tiven von LNG befasst, insbesondere als neue Energie für die Schifffahrt und für den Straßengüterfernverkehr mit schweren
Lkw.
LNG IM STRASSENVERKEHR
S. PEPPER
LOGISTICS
Lkw-Bestand • Lkw-Erdgasmotoren • Emissionen
Die Shell LNG-Studie erläutert zunächst die Herstellung von LNG aus Erdgas durch Verflüssigung und seine technischen
Eigenschaften. Anschließend werden als Grundlage für die LNG-Bereitstellung die Vorkommen von Erdgas einschließlich
alternativer Gasressourcen, Angebot, Nachfrage sowie Handel mit Erdgas und LNG analysiert. 5 46
Es folgt eine Darstellung der LNG-Versorgungskette: zum einen die bisherige großindustrielle Erzeugung, Transport und
Rückvergasung von LNG, zum anderen die neue Small-Scale-Versorgung für mobile Anwendungen auf Schiffen und in
schweren Lkw. Daran anschließend werden die Potenziale für die Anwendung von LNG in Schifffahrt und schweren Lkw
beschrieben. Hierzu werden Schiffsflotten bzw. Fahrzeugbestand sowie motorische Anwendungen untersucht und Vorteile PRO-LNG-SZENARIEN FÜR SCHIFFE UND LKW
bei den Emissionen im Vergleich zu Dieselantrieben dargestellt.
Methodik • Rahmenbedingungen • Verkehrsprognosen •
6
Abschließend werden mit Hilfe von Szenariotechnik im Rahmen eines ambitionierten Pro-LNG-Szenarios für die globale Szenario für die Seeschifffahrt • Szenario für schwere Lkw in der EU
Seeschifffahrt und für den EU-Straßengüterfernverkehr mögliche LNG-Einphasungspfade entwickelt. Dabei werden die 58
differenziellen Auswirkungen von LNG-Schiffen und im Fernverkehr eingesetzten schweren LNG-Lkw auf Kraftstoffver-
brauch und Treibhausgasemissionen dieser Verkehrsträger ermittelt.
ZUSAMMENFASSUNG & POLICY ASKS 76
4 5
SHELL LNG-STUDIE
EINLEITUNG
In den vergangenen Jahren hat Shell eine Reihe von Szenario-Studien zu wichtigen Energiefragen erstellt: zum einen Studien für die Gedruckte Exemplare
Verbrauchssektoren Verkehr und Hauswärme, zum anderen Studien über den Stand und die Perspektiven einzelner Energieträger und der Shell Studien
können Sie per
Kraftstoffe – zuletzt Wasserstoff und Power-to-Liquids, nun verflüssigtes Erdgas (LNG). Der Energieträger verflüssigtes Erdgas wird
e-mail bestellen.
zwar schon länger großindustriell genutzt. In den letzten Jahren weckt LNG jedoch als neue Energie für Endanwendungen zunehmend Schreiben Sie an:
Interesse in der Energiewirtschaft und darüber hinaus. shellpresse@shell.com
Shell ist seit den 1960er Jahren führend in der globalen LNG-Wirtschaft und betreibt ein eigenes Geschäftsfeld (Shell Integrated Gas),
welches sich mit der Produktion, dem Transport und der Vermarktung von LNG befasst. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Verkehrsfor-
schung im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau der Technischen Universität Hamburg
hat Shell eine neue Energieträger-Studie zum Thema LNG erstellt.
Die Studie befasst sich mit dem aktuellen Stand der LNG-Herstellung, der Rolle von LNG in der globalen Energiewirtschaft sowie der
Bereitstellung von LNG. Sie untersucht im Besonderen die langfristigen Perspektiven neuer Endnutzer-Anwendungen von LNG im
2018 Shell PtL-Studie 2017 Shell Wasserstoff-Studie 2016 Shell Nutzfahrzeug-Studie 2014 Shell Pkw-Szenarien
Verkehrsbereich, namentlich in der Schifffahrt sowie im Straßengüterfernverkehr mit schweren Lkw.
NEUE ENERGIE LNG Verfügbarkeit von LNG, aber auch wegen welche Rolle nimmt LNG in der globalen können, werden zuerst jeweils weltweit fah- AUTOREN UND QUELLEN Ing. Friedrich Wirz; er wurde hierbei von
Technische Verfahren zur Verflüssigung von seiner Umweltvorteile wächst das Interesse Erdgaswirtschaft ein? Im Sinne einer immer rende Schiffsflotten bzw. der europäische Märtha-Luise Wendland, B.Sc. unterstützt.
Bei der Erstellung der Shell LNG-Studie hat
Gasen zu Flüssigkeiten sind seit über 100 am Einsatz als Endprodukt auf der Endver- emissionsärmeren globalen Energiewirt- Lkw-Bestand auf LNG-Eignung hin unter- Weiterhin trugen folgende Autoren der
Shell eng mit dem Institut für Verkehrsfor-
Jahren bekannt. Sie sind Stand der Technik braucherstufe. Als Small-Scale-Technologie schaft müssen hierbei perspektivisch auch sucht. Ferner wird der technische Stand Shell zur wissenschaftlichen Bearbeitung
schung am Deutschen Zentrum für Luft- und
bei der Bereitstellung technischer Gase. im Verkehrsbereich ist LNG jedoch noch alternative Gasressourcen mit einbezogen von motorischen LNG-Anwendungen für der Studie bei: Dr. Max Kofod für
Raumfahrt und der Arbeitsgruppe Schiffs-
Die Verflüssigung von Erdgas zu tiefkaltem eine weitgehend neue Energie. LNG-Tech- werden. Schiff und Lkw betrachtet, bevor schließlich technisch-wissenschaftliche Fragen von
maschinenbau der Technischen Universität
Liquefied Natural Gas sowie Transport und nik ist zwar technisch reif und erprobt, bei Vorteile bei den Emissionen der jeweiligen Lkw-Antrieben und Lkw-Emissionen sowie
Die LNG-Versorgungskette bestand bisher Hamburg zusammengearbeitet.
Handel mit LNG haben sich in den letzten möglichen Anwendern besteht aber noch LNG-Antriebstechnik untersucht werden. Dr. Christoph Balzer für die Erstellung
vor allem aus großindustrieller Erzeugung,
50 Jahren zu einem wichtigen Versorgungs- keine hinlängliche Erfahrung im Umgang. Das Institut für Verkehrsforschung bearbeitet energieträgerspezifischer Treibhausgas-
Transport und Rückvergasung von LNG. Um Entfaltung und Impact neuer Energie-
zweig der globalen Energiewirtschaft, vor ein breites Spektrum von Verkehrswissen- faktoren.
Für die direkte Anwendung bei Endnutzern, Technologien darstellen zu können,
allem aber der Gaswirtschaft entwickelt. FORSCHUNGSZIELE & LEITFRAGEN etwa für mobile Anwendungen auf Schiffen
schaftlichen Fragestellungen; es besitzt
bedienen sich Shell Studien der Szenario- Die schiffsstatistische Analyse stützt sich
Die aktuelle Shell LNG-Studie mit dem unter anderem ein institutseigenes Lkw-Flot-
Weltweit werden heute (2017) rund 323 und in schweren Lkw, ist jedoch eine neue technik. Im Rahmen quantitativer Szenario-
tenmodell zur Abschätzung künftiger im Besonderen auf Schiffsdaten von
Titel „Verflüssigtes Erdgas – Neue Energie kleinteiligere Infrastruktur erforderlich. Wie prognosen werden zum einen für die
Mrd. m3 oder 230 Mio. Tonnen LNG Entwicklungen alternativer Antriebstechno- (UNCTAD 2017), (UNCTADstat 2018)
für Schiff und Lkw?“ knüpft an die vorhe- sieht die bisherige LNG-Versorgungskette globale Seeschifffahrt, zum anderen für
gehandelt und transportiert. Seit 2000 (mit logien bei Nutzfahrzeugen. Die Arbeits- sowie (SEA 2017), die fahrzeugstatistische
rigen Shell Energieträger-Studien an. Ein und wie die neue kleinteiligere Infrastruktur den EU-Straßengüterfernverkehr mögliche
umgerechnet 136 Mrd. m3 LNG) hat sich gruppe Schiffsmaschinenbau zielt mit ihrer Analyse auf Fahrzeugdaten von (ACEA
wichtiges Ziel der Shell LNG-Studie ist es aus? Und wo steht der Ausbau der LNG-Einphasungspfade ermittelt. Abschlie-
der internationale LNG-Handel mehr als Forschung darauf ab, die Effizienz von 2017, 2018) sowie (Eurostat 2018a-d).
wiederum, Fakten, Trends und Perspektiven LNG-Small-Scale-Infrastruktur heute? ßend werden die differenziellen Auswirkun-
verdoppelt. Nahezu alle Energieszenarien Schiffsantrieben sowie des Gesamtsystems Die Treibhausgasbilanzierung erfolgte
für diesen neuen Energieträger in kompak- gen von LNG-Schiffen und LNG-Lkw auf
und -prognosen gehen davon aus, dass Des Weiteren müssen neue Technologien „Schiff” zu steigern. mit Hilfe von energieträgerspezifischen
ter Form anzubieten. den Kraftstoffverbrauch und die Treibhaus-
Erdgas und noch mehr verflüssigtes Erdgas für die direkte Anwendung von LNG Treibhausgasfaktoren, die anhand von
im globalen Energiemix an Bedeutung An erster Stelle steht eine verständliche entwickelt und in die entsprechenden Nut- gasemissionen dieser beiden Verkehrsträger Die Projektleitung und Koordination der
(JEC 2013, 2014a-d) erstellt und weiteren
gewinnen werden (etwa IEA 2018c). Um Aufbereitung von Informationen zur Her- zermärkte eingebracht werden. Wichtige in einem Pro-LNG-Szenario ermittelt. Shell LNG-Studie auf Seiten von Shell
Quellen aktualisiert wurden.
die wachsende globale Nachfrage nach stellung von LNG aus Erdgas sowie seiner potenzielle Anwendungsfelder für LNG als Deutschland lag bei Dr. Jörg Adolf, auf
Obgleich LNG-Anwendungstechnologien
Erdgas in den kommenden Jahrzehnten zu charakteristischen technischen Eigenschaf- Endenergie sind die Schifffahrt, und hier Seiten des DLR bei Diplom-Ingenieur Außerdem wurde bei der Erstellung der
in den vergangenen Jahren signifikante
befriedigen, wird weltweit mehr LNG zur ten: Wie, mit welchen Prozessen wird LNG im Besonderen die Seeschifffahrt, sowie Andreas Lischke. Die Arbeit entstand unter Shell LNG-Studie eine Reihe von Experten,
Fortschritte gemacht haben, steht LNG
Verfügung stehen. hergestellt? Und welches sind im Hinblick die schweren Lkw, die hauptsächlich im der wissenschaftlichen Leitung von Profes- Entscheidungsträgern und Stakeholdern
noch am Anfang eines breiteren kommer-
auf seine Verwendung als Energieträger Straßengüterfernverkehr eingesetzt werden. sor Dr. Barbara Lenz. Fahrzeugstatistische befragt, denen Shell an dieser Stelle
Bislang ist LNG hauptsächlich Transportme- ziellen Einsatzes beim Endnutzer. Abschlie-
kennzeichnende Eigenschaften? Analysen und Trendprojektionen erfolgten wiederum seinen Dank ausspricht. Eine
dium für den internationalen Erdgashandel. Schwerpunkt der Shell LNG-Studie ist ent- ßend wird daher überlegt, mit welchen
durch Diplom-Volkswirt Gunnar Knitschky. Auswahl relevanter Daten und Quellen
Angekommen am Zielort wird es meist Grundlage für die Bereitstellung von LNG sprechend die Untersuchung der Anwen- flankierenden Politik-Maßnahmen LNG zu
befindet sich am Ende der Studie.
rückvergast und in Erdgaspipelinenetze sind ausreichende Erdgasvorkommen bzw. dungspotenziale von LNG in der Schifffahrt einem wichtigen Baustein in der Energie- Der Einsatz von LNG in Schiffen einschließ-
eingespeist oder zur Stromerzeugung ein entsprechendes Erdgasangebot. Aber und bei schweren Lkw. Um Potenziale für versorgung von Schiff und Lkw entwickelt lich der Erstellung von LNG-Szenarien für
eingesetzt. Aufgrund der immer besseren wie groß ist dieses Erdgasangebot? Und mobile LNG-Anwendungen abschätzen zu werden kann. die Schifffahrt erfolgten durch Professor Dr.-
6 7
1 gungen wie Siloxane. Damit Biogas
in das Erdgasnetz eingespeist
oder durch Endanwender
genutzt werden kann,
wird es gereinigt und
auf Netzqualität mit
hohem Methangehalt
aufbereitet – daher
mobilen Bereich ist dies unpraktisch. Eine
Möglichkeit, die Dichte und damit auch die
Energiedichte des Energieträger Erdgas zu
erhöhen, ist die Verdichtung (Kompression)
des Erdgases. Dies wird bei sogenannten
CNG-Fahrzeugen genutzt. Eine andere
Option der „Verdichtung“ besteht in der
Verflüssigung durch Tiefkühlung.
zunächst in technischen Anlagen gereinigt
und aufbereitet. Hierbei passiert das
Feedgas eine Messstelle, wo auch sein
Druck kontrolliert/eingestellt wird. Der erste
Schritt der Gasreinigung und Aufbereitung
besteht in der Entfernung von Wasser,
Schmutz/Partikeln und Gaskondensaten.
Gaskondensate sind langkettige Kohlen-
TECHNISCHE auch Biomethan
genannt (FNR
Unabhängig davon woher das Methan
am Ende stammt, aus fossilem Erdgas, aus
wasserstoffe, die im LNG unerwünscht sind.
Sodann werden die sauren und korrosiven
EIGENSCHAFTEN
2010). Gase Schwefelwasserstoff (H2S) und
Biogas/Biomethan, aus Bio-SNG oder aus
Kohlendioxid (CO2) sowie Wasser (H2O),
Bio-SNG (Syn- Power-to-Gas - es kann verflüssigt werden.
Stickstoff (N) und weitere Verunreinigungen
VON LNG thetic Natural
Gas) auf der
Basis von Bio-
Beim Biomethan spricht man dann von
Bio-LNG, beim Bio-SNG vom syntheti-
schen LNG, beim PtG vom PtG-LNG. Im
mit unterschiedlichen Verfahren entfernt.
Während des folgenden Precoolings wer-
masse stammt aus Unterschied zu fossilem LNG können die den Kohlenwasserstoffe mit fünf oder mehr
der Vergasung von anderen alternativen Varianten einen höhe- Kohlenstoffatomen, daher auch „Pentanes
Liquefied Natural Gas (LNG) ist ein Produkt aus Erdgas. LNG Biomasse und wird ren Methananteil enthalten (EU-COM/ plus“ (C5+) genannt, abgetrennt. Während
ist kein natürlich vorkommender Energieträger, sondern wird ebenso wie Biogas DGM 2014, 2018). hohe Stickstoff- und CO2-Gehalte den
durch technische Verfahren aus Erdgas hergestellt. LNG besitzt gereinigt und auf Energiegehalt des Gases senken, haben
spezifische Eigenschaften, vor allem ist es eine tiefkalte Flüssigkeit. fossile Erdgasqualität die Brenngase Ethan, Propan sowie Butan
1.2 ERDGASVERFLÜSSIGUNG
Es teilt jedoch vom Aggregatzustand unabhängige Eigenschaften mit aufbereitet. kaum Einfluss auf den Energiegehalt von
Die Erdgasverflüssigung (Liquefaction) LNG, da ihr Heiz- oder Brennwert nahe
seinem Ausgangsstoff Erdgas und dessen Hauptbestandteil Methan.
Eine weitere Möglichkeit bezeichnet den Prozess der Tiefkühlung demjenigen von Methan liegt (EIA 2006;
Im Folgenden werden die technischen Eigenschaften von LNG dargestellt. Erdgaskraftstoff-Substitute von Erdgas. Hierbei kommt es zu einem GIIGNL 2009; Camron 2018).
Dazu wird zunächst der Ausgangsstoff von LNG – Erdgas und mögliche herzustellen ist Power-to-Gas Phasenübergang bei dem sich der Aggre-
Substitute – sowie dessen Zusammensetzung betrachtet. Dann wird der technische gatzustand ändert; aus dem gasförmigen Am Ende der Erdgasaufbereitung steht ein
(PtG). Hierbei wird zunächst mit Hilfe
Prozess der Erdgasverflüssigung beleuchtet, der aus Erdgas LNG macht. Anschließend Erdgas wird eine Flüssigkeit. Ein wichtiges Gas, welches hauptsächlich nur noch aus
eines Elektrolyseurs und von Strom (Power)
werden die wichtigsten physikalischen und chemischen verbrennungsrelevanten Eigenschaften Ziel der Erdgasaufbereitung und seiner Methan besteht. Methan ist ein gesättigter
aus Wasser (H2O) Wasserstoff (H2)
von LNG erläutert. Verflüssigung ist es, ein Produkt (LNG) mit Kohlenwasserstoff (Alkan) mit einem
gewonnen. Der Wasserstoff kann zusam-
konsistenten technischen Produkteigen- Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffato-
Zuletzt wird der Stand der Standardisierung von LNG als Kraftstoff für Lkw und Schiffe sowie die men mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid
schaften hervorzubringen und es besser men (CH4). Die vier Wasserstoffatome sind
LNG-Sicherheit erörtert. Ergänzend erfolgen zwei Exkurse zu Standardisierung und Marktentwicklung sowie mit Hilfe eines Katalysators zu einem
dabei in Form eines Tetraeders angeordnet,
synthetischen Erdgas umgesetzt werden. transportierbar zu machen. Hierfür sind
der heutigen Standardtreibstoffe für Lkw und Schiffe. so dass ein maximaler Abstand zwischen
mehrstufige Be- und Verarbeitungsprozesse
Gasförmiges Erdgas oder seine Substitute den bindenden Elektronenpaaren vorliegt.
1.1 ERDGAS UND SUBSTITUTE Erdgas ist der gesättigte Kohlenwasserstoff Russland kommendes H-Gas einen sehr erforderlich.
haben eine geringe Dichte, deutlich Der Tetraederwinkel ist hierbei jener Winkel
LNG wird durch technische Verfahren aus Methan (CH4). Nebenbestandteile von hohen Methangehalt. Auf der anderen
geringer als diejenige von Flüssigkeiten. Bevor das Rohgas (Feedgas) einer Ver- (109,5°), welcher den Kohlenstoff mit zwei
Erdgas (Natural Gas) hergestellt. Erdgas Erdgas sind höhere Kohlenwasserstoffe Seite enthält L-Gas aus Deutschland mehr
Für Anwendungen insbesondere im flüssigungsanlage zugeführt wird, wird es Wasserstoffatomen verbindet.
selbst ist ein gasförmiger Stoff; denn bei wie Ethan, Propan und Butan und andere Stickstoff.
Raumtemperatur (20 °C) und normalem unbrennbare Bestandteile wie Stickstoff,
Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasser, Spuren Erneuerbare Alternativen zu fossilem
Luftdruck (1013 hPA) ist Erdgas weder ein Erdgas sind Biomethan, synthetisches 1 ZUSAMMENSETZUNG VON ERDGAS UND LNG
Feststoff noch eine Flüssigkeit (Wiegleb von Edelgasen sowie Schwefelbestandteile
(DVGW 2013). Erdgas aus Biomasse (Bio-SNG) oder syn-
2016). 100 %
thetisches Power-to-Gas (PtG). Biomethan
Als fossiler Energieträger ist Erdgas ein Aufgrund der unterschiedlichen Zusammen- stammt aus der Vergärung von Biomasse
90 %
Stoffgemisch, welches sich vor langer Zeit setzung kann auch das im Gasnetz trans- zu Biogas. Biogas weist in Abhängigkeit Andere
FNR 2010, IGU 2012, DVGW 2013,
aus organischen Materialien gebildet hat. portierte – und somit schon aufbereitete von der Art der verwendeten Biomasse 80 % Stickstoff
Die Zusammensetzung von Erdgas kann – Erdgas technisch relevante Unterschiede (Substrate) deutliche Schwankungen in der Buthan+
je nach Fundstätte (und Aufbereitung) aufweisen. In Europa wird zwischen den Zusammensetzung auf. Der Methangehalt 70 %
EU-COM/DGM 2014
CO2
erheblich schwanken. So hat Erdgas, das beiden Erdgasqualitäten High Calorific variiert zwischen 50 bis 75 %. Biogas
60 % Propan
als Nebenprodukt bei der Erdölförderung Gas (H-Gas) und Low Calorific Gas besitzt einen hohen CO2-Anteil (25 bis
Ethan
anfällt, eine deutlich andere Zusammenset- (L-Gas) unterschieden. H-Gas weist einen 45 %), höhere Wasseranteile (2 bis 7 %), 50 % Methan
zung als Gas, das aus einem Erdgasfeld höheren Methananteil und einen höheren Schwefelwasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff H-Gas H-Gas L-Gas Biogas LNG LNG LNG LNG Bio-LNG
stammt. Hauptbestandteil (> 85 %) von Energiegehalt als L-Gas auf. So besitzt aus und weitere Bestandteile und Verunreini- Russland Nordsee Deutschland Algerien Katar Nigeria Norwegen
8 350º 9
als Mittel 450 kg/m3 angegeben. Damit Diesel 190º
2 PROZESS-SCHRITTE DER ERDGASVERFLÜSSIGUNG sich der Abkühlkurve von Erdgas durch
Erdgas- kontinuierliche Wärmeabgabe (Enthal- ist LNG weniger als halb so schwer wie
Lagerung
förderung pieänderung) besser anzupassen. Dabei Schweröl (970 kg/m3) und etwas weniger
Wasser 100º
gilt: Je geringer die Fläche zwischen als halb so schwer wie Dieselkraftstoff (832
den Abkühlkurven der Kühlmittel und von kg/m3) oder synthetischer Fischer-Tropsch-
Methan, desto effizienter der Kühlprozess. Diesel aus Erdgas, auch Gas-to-Liquids
40º
Rohgas Aufgrund ihrer Effizienzvorteile dominie- (GTL) genannt (780 kg/m3). Pentan
ren bei Erdgasverflüssigungsanlagen 30º
Verdampfendes kaltes LNG kann sich am
mehrstufige Kühlprozesse mit gemischten
Boden oder in geschlossenen Räumen 4 SIEDEPUNKTE 20º
Kühlmitteln.
eine Zeit lang halten. Es verflüchtigt sich
10º
Messstelle Die Erdgasverflüssigung ist ein energieauf- bei Erwärmung bzw. unter Umgebungsbe-
Druckkontrolle wändiger Prozess. Auf der anderen Seite dingungen jedoch rasch. Dabei wird die 0
Vorreinigung Entfernung von Dehydrierung Stickstoff- Vorkühlung und Kryogener Butan
Abspaltung von CO2 und H2S Extraktion Fraktionierung Wärmetauscher wird – anders als bei Pipelinegas – nur umgebende Luft abgekühlt und die in der
-10º
Kondensaten Abkühlung sehr wenig Energie für den Transport von Luft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert zu
LNG über lange Distanzen benötigt. Im Wasserdampf. Wenn LNG im bzw. auf -20º
besonderen auf längeren Versorgungsrou- dem Wasser austritt, schwimmt es oben,
-30º
Weitere Bestandteile des aufbereiteten Erd- 100 Jahren von Carl von Linde entwickelt ten (ab ca. 7.000 km) ist LNG energetisch bis es sich verflüchtigt hat. Durch dieses
3 ABKÜHLKURVEN VERSCHIEDENER günstiger als der Pipelinetransport (JEC Verhalten kann es keine Bodenverunreini- -40º
gases sind kleine Mengen von Kohlenwas- (Linde-Verfahren) – zunächst 1895 die
VERFLÜSSIGUNGSPROZESSE 2014a). Gleichwohl wird ständig an
Propan
serstoffen mit 2, 3 und 4 Kohlenstoffatomen. Luftverflüssigung und etwas später, 1902, gungen durch LNG geben.
Temperatur -50º
Für die LNG-Hauptherkunftsländer Europas die Luftzerlegung. Verflüssigungsprozesse Komponenten und Verfahren für eine
0º Der Phasenübergang einer Flüssigkeit in
(Katar, Algerien, Nigeria und Norwegen) machen sich den Joule-Thomson-Effekt Erdgas
effizientere Erdgasverflüssigung gearbeitet. Schwefel-
wasserstoff
-60º
die Gasphase wird vom Siedepunkt eines
liegt der Methangehalt durchweg bei 90 %. realer Gase zunutze. Wird ein verdichtetes Kaskadenprozess
-40º
C3-MR-Prozess
Für die Verflüssigung benötigt wird Stoffes bestimmt. Bei Methan liegt der -70º
Insgesamt ist die Reinheit von LNG meist Gas entspannt, ändert sich seine Tempera- insbesondere Strom, der oftmals aus Siedepunkt sehr tief. Wird Methan bei CO2
höher und die Variation der LNG-Zusam- tur. Der Joule-Thomson-Koeffizient gibt die -80º -80º
dem verfügbaren Erdgas selbst in atmosphärischen Bedingungen (Druck von
mensetzung kleiner als bei Pipeline-Gas. Richtung der Temperaturänderung an und speziellen Kraftwerken produziert wird. Ethan
-120º 1 bar) auf unter -161 °C gekühlt, konden- -90º
hängt von der Anfangstemperatur ab. Der tatsächliche Energieaufwand für die siert es und geht von der gasförmigen in
Auf die Reinigung und Aufbereitung folgt -100º
-160º Verflüssigung hängt unter anderem von der die flüssige Phase über. Nur wenige Gase
die Verflüssigung mittels Wärmeabgabe Ein positiver Joule-Thomson-Koeffizient führt
Zusammensetzung des Feedgases, der weisen noch niedrigere Siedepunkte als -110º
des aufbereiteten Erdgases an ein bei Entspannung zu einer Abkühlung des 20 40 60 80 100 eingesetzten Verflüssigungsverfahren sowie Methan auf – darunter Wasserstoff und
Kühlmittel. An das Precooling mit Hilfe von Gases. Voraussetzung für eine Abkühlung Enthalpieänderung % -120º
der Umgebungstemperaturen ab. Für die Stickstoff. Diese tiefkalten Gaskondensate
Propan (bei bis zu -35 °C) schließt sich die ist, dass die Anfangstemperatur kleiner ist
Verflüssigung von einem Megajoule (MJ) werden auch als kryogene Flüssigkeiten -130º
Tiefkühlung im Hauptwärmetauscher (Main als die Inversionstemperatur. Die Inversions- Kühlmittel müssen kalt genug werden, um Erdgas werden etwa 0,08 MJ Energie bezeichnet, weil sie zu speziellen Kühlzwe-
Cryogenic Heat Exchanger) an. temperatur liegt ungefähr 6,75 mal über -140º
am Ende das gasförmige Erdgas verflüs- aufgewendet – das entspricht mit anderen cken eingesetzt werden können.
der kritischen Temperatur eines Gases (in sigen zu können. Wichtige Kühlmittel sind Worten etwa 8 % des produzierten LNG
Das technische Verfahren zur Verflüssigung -150º
Kelvin). Propan (zum Vorkühlen), Ethylen, Methan (JEC 2014a; IEA 2018c). Das beschriebene Stoffverhalten gilt für
von Gasen wurde bereits vor mehr als
selbst und Stickstoff. Mixed Refrigerants Normaldruckbedingungen. Das Bild wird Methan
-160º
Da sich durch Verdichtung eines Gases
weisen keinen Siedepunkt, sondern einen komplexer, wenn man Druckänderungen
seine Temperatur erhöht, ist eine Vorküh- -170º
Siedeverlauf auf.
1.3 PHYSIKALISCHE mit einbezieht. Das Verhalten der Stoffe
lung des komprimierten Gases durch das EIGENSCHAFTEN
The Linde Group
wird hierzu anhand von Druck-Tempe- Sauerstoff
-180º
gekühlte Gas erforderlich. Wird das vorge- Einfache, weniger komplexe Kühlprozesse Die Massendichte ist ein wichtiger Parame- ratur-Phasendiagrammen aufgezeigt
kühlte verdichtete Gas wieder entspannt, -190º
wie der Stickstoff-Expander-Prozess haben ter bei der Betrachtung von Energieträgern. (Mortimer/Müller 2010). Stickstoff
lässt sich seine Temperatur weiter senken. den Vorteil geringer Investition und einfa- Sie beschreibt die Masse pro Volume- -200º
Wendet man dieses Verfahren in mehreren cher Handhabung. Aufgrund der Siede- Ein Phasenübergang Gas-Flüssigkeit oder
neinheit – also zum Beispiel Kilogramm
Schritten an, können sehr tiefe Temperatu- temperaturen bei den jeweiligen Drücken umgekehrt findet am Siedepunkt statt und -210º
pro Kubikmeter (kg/m3). Die Dichte eines
ren erreicht werden (Wiegleb 2016). ergeben sich für Einkomponenten-Kühlmittel ist durch eine plötzliche Veränderung der
Gases hängt von den Druck- und Tempera- -220º
jedoch stufenförmige Abkühlkurven. Dichte gekennzeichnet. Der normale Siede-
turverhältnissen ab.
Erdgas-Verflüssigungsprozesse lassen sich punkt von Methan liegt bei -161,5 °C -230º
durch die Zahl der Prozessstufen und das Abbildung 3 zeigt die Abkühlkurven für Das Gas Methan als Hauptbestandteil von und 1,013 bar. Für jedes Gas gibt es
-240º
Kühlmittel charakterisieren (Uhlig/Wohlge- aufbereitetes Erdgas, einen kaskadierten LNG ist unter Standardbedingungen mit eine Temperatur, bei der das Gas durch
mut 2012). Im Hinblick auf die Kühlmittel Kühlprozess mit Einkomponentenmitteln 0,7 kg/m3 leichter als Luft (ca. 1 kg/m3) Erhöhen des Drucks nicht mehr verflüssigt -250º
Wasserstoff
wird dabei zwischen einfachen (single sowie den mehrstufigen C3-MR-Prozess und verflüchtigt sich im Freien rasch. Für werden kann bzw. kein Übergang von der
-260º
component) und gemischten Kühlmitteln (Uhlig/Wohlgemuth 2012). Kühlprozesse LNG wird je nach Zusammensetzung eine gasförmigen in die flüssige Phase mehr
Carl von Linde 1925 (mixed refrigerants) unterschieden. Die mit gemischten Kühlmitteln schaffen es, Dichte von 430 bis 470 kg/m3 sowie stattfindet (überkritischer Zustand). Diese Absoluter Nullpunkt
-270º
-273,15° = 0K
10 11
Temperatur wird kritische Temperatur in der Flüssigphase an. Betroffen sind deutlich höher als beim Dieselkraftstoff mit Motorenhersteller eine möglichst enge
5 METHAN-PHASENDIAGRAM
genannt; für Methan liegt die kritische vor allem kleinere Tanks, wie sie etwa in 0,6 bis 6,5 %. Die Flammentemperatur von WI-Bandbreite von +/-2 % an (EUROMOT
Druck in bar
Temperatur bei -82,6 °C. 1.000
Lkw verwendet werden. In der Folge von Erdgas bzw. LNG ist hoch; es verbrennt 2011). Das EU LNG Blue Corridors Projekt
LNG-Ageing kann hier die Kraftstoffqualität schneller und erzeugt dabei mehr Wärme kam für den unteren Wobbe Index zu
Ebenso kann ein Gas bei genügend hohem Überkritischer beeinträchtigt werden. In Großtanks kann als Flüssigkraftstoffe (GIIGNL 2015). einer Empfehlung von 44,7 bis 49 MJ/ m3
Druck durch Absenken der Temperatur Bereich CNG
100 Flüssig (EU-COM/DGM 2014, 2017a). Das
es zudem durch das Boil-off oder durch
nicht mehr verflüssigt werden. Dieser Druck Für die technische Auslegung von Brennern
Kritischer Punkt LNG-Nachfüllung und die Schichtung von Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann jedoch auch
wird kritischer Druck genannt; für Methan in Heizungsanlagen und von Motoren
10 LNG-Komponenten (Rollover) zu erhöhtem durch Motorsteuerung angepasst werden.
beträgt er 46 bar. Kritische Temperatur und LNG Gesättigtes LNG ist der Wobbe-Index (WI) ein wichtiger
Druck kommen (EU-COM/DGM 2017b).
kritischer Druck kennzeichnen den kritischen Cold LNG Parameter. Er berechnet sich aus dem Ein weiterer wichtiger Parameter für den
Punkt (KP) eines Stoffes, der für Methan bei 1 LNG Gasförmig
Um vor allem das LNG-Ageing zu volumetrischen Heizwert H und der energetischen und ökonomischen Wert
-82,6 °C und 46 bar liegt. vermeiden, sind LNG-Verdampfung und Quadratwurzel aus dem Dichteverhältnis eines Energieträgers ist sein nutzbarer
Tripelpunkt Verdampfungsverluste durch effektive der Brennstoffdichte zur Dichte der Luft: Energiegehalt; dieser wird für Ver-
0,1
Der Schmelzpunkt ist nur geringfügig vom W=H√((Dichte Brennstoff)/(Dichte Luft)). brennungsmotoren als unterer Heizwert
-260 -220 -180 -140 -100 -60 -20 20 Tankisolierung sowie intensive Nutzung von
Druck abhängig und liegt für Methan (für Temperatur °C Das Dichteverhältnis wird als spezifische bezeichnet.
LNG-Fahrzeugen möglichst zu vermeiden.
den Übergang von Feststoff zu Flüssigkeit) Dichte bezeichnet und hat keine Einheit.
Weiterhin gibt es von verschiedenen Bezogen auf den gravimetrischen Heizwert
bei -182,5 °C. Unter den Bedingungen höhere Energiedichte. Bei „Saturated LNG“ spiel auf 10 bar im Fahrzeugtank - erlaubt Daher hat der Wobbe-Index die gleiche
Anbietern Programme, die in Abhängigkeit (Megajoule pro Kilogramm) besitzt Erdgas
des Tripelpunktes TP (-182,5 °C; 0,43 bar) weisen Gas- und Flüssigphase dieselbe eine etwas höhere Speichertemperatur. Einheit wie der volumetrische Heizwert H
von LNG-Spezifikation, Boil-off-Rate und und damit auch LNG einen höheren
stehen alle drei Phasen Feststoff, Flüssigkeit Temperatur
Druck (bar) auf; bei einem Druck von 8 bis (GJ/m³).
Boil-off-Zusammensetzung die Methanzahl Energiegehalt als Dieselkraftstoff. Für
und Gas miteinander im Gleichgewicht. 1000
10 bar ist zwar eine höhere Temperatur Tiefkalte Flüssiggase müssen in gut isolierten
Überkritischer Tanks gespeichert werden, um einen
von LNG vorausberechnen. Der Wobbe-Index verhält sich umgekehrt reines Methan liegt dieser bei 50 MJ/kg
von etwa -130 °C möglich, aber auch Bereich
Abbildung 5 zeigt Methan im P-T-Phasen- Druckanstieg möglichst gering zu halten. Weitere Optionen sind das Nachfüllen proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis und für Erdgas (im EU-Mix) bei etwa 45
eine aufwändigere druckstabile
100 Flüssig Tank- CNG
diagramm. Von Interesse hier sind jedoch (air-to-fuel ratio). Gasförmige Kraftstoffe mit MJ/kg, während Dieselkraftstoff lediglich
die Punkt Wenn Wärme von außen in den Spei-
technik erforderlich. Von Relevanz istKritischer des LNG-Tanks mit kaltem LNG oder die
vor allem die Gasphase und die Flüssig- chertank eindringt, verdampft ein Teil der Wiederverflüssigung (Reliquefaction) von gleichem Wobbe-Index können in Motoren 43 MJ/ kg erreicht. Die Schiffstreibstoffe
Unterscheidung von Cold und Saturated
phase sowie der überkritische (fluider) 10
LNG Gesättiges LNG Flüssigkeit. Entlässt man diese verdampfte Boil-off-Gas. Eine zusätzliche erneuerbare mit dem gleichen Massenverhältnis Luft zu Marinegasöl bzw. Destillate liegen nahe
LNG für den motorischen Einsatz bzw. die
Zustand von Methan rechts oberhalb Cold LNG Menge aus dem Tank spricht man auch Alternative ist biogenes LNG (LBG): Der
Motorsteuerung von Lkw.
des Kritischen Punktes KP. Die Strecke TP 1 LNG Gasförmig von Boil-off-Gas (BOG). Für Großtanks Ageing-Prozess findet hier nicht statt, weil 6 ENERGIEDICHTE VON LKW- UND SCHIFFSKRAFTSTOFFEN
bis KP ist die Dampfdruckkurve; sie stellt Wenn Methan nicht verflüssigt, sondern werden Boil-off-Raten von 0,1 % pro Tag biogenes LNG neben Methan nur geringe
alle Druck-Temperatur-Verhältnisse dar, 50 Energiedichte in MJ/l
bei normalen Druck- und Temperaturbe- angenommen, für schlecht isolierte kleinere Anteile Stickstoff und Sauerstoff und keine
0,1
an denen sich Flüssig- und Gasphase von dingungen komprimiert wird, erhält man
-260 -220 -180 -140 -100 -60 -20 LNG-Tanks
20 werden 1 % pro Tag angenom- schwereren Kohlenwasserstoffe enthält. HFO
40
Methan im Gleichgewicht befinden. Wenn ein überkritisches Fluid (oben rechts). Das Temperaturmen (°C) (EU-COM/DGM 2017b). Diesel
Methan bei atmosphärischen Bedingungen Volumen von Methan bei Umgebungstem- Shell GTL
1.5 CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN
JEC 2014c; eigene Berechnungen
30
(1,035 bar) auf unter -161 °C gekühlt peratur und -druck verringert sich, wenn es Durch die Verdunstung entsteht zunächst
Verdunstungskälte. Das Boil-off-Gas wird Die Zündtemperatur ist die Temperatur, auf
wird, kondensiert es und geht von der gas- mit 200 bar komprimiert wird, von 1563 20
die man einen Stoff erhitzen muss, damit LNG
förmigen in die flüssige Phase über. Dieser l/ kg auf etwa 6,25 l/kg. Bei Compressed daher zur Kühlung der restlichen Flüssigkeit
genutzt. Weil die Tankisolierung sehr er sich bei Anwesenheit von Sauerstoff
Phasenübergang führt zu einer plötzlichen Natural Gas (CNG) wird also eine 10
effektiv ist, werden nur die relativ geringen selbst entzündet. Die Zündtemperatur
Verkleinerung des Volumens von rund Verkleinerung des Volumens um den CNG
Boil-off-Mengen benötigt, um die Tempera- von Methan ist vergleichsweise hoch; sie
550 l/kg auf 2,4 l/kg – dies entspricht Faktor 250 erreicht. Wird der Druck auf 0 Erdgas
tur zu halten. liegt bei etwa 550 °C und damit rund
einer Verkleinerung um den Faktor 230. gasförmiges Methan auf 350 bar erhöht, 0 10 20 30 40 50 60
doppelt so hoch wie zum Beispiel beim
Flüssiges Methan hat bei 1 bar sogar ein hat es ein Volumen von etwa 4,4 l/kg. Die Energiedichte in MJ/kg
Da LNG ein Stoffgemisch ist, verändert sich Dieselkraftstoff. Wenn der Anteil höherer
um den Faktor 600 kleineres Volumen als Eigenschaften idealer Gase gelten hier
aufgrund des unterschiedlichen Siedever- Alkane im LNG-Treibstoff zunimmt (etwa Brennstoff verbrannt werden und ergeben beim Diesel; Schweröl mit einer Dichte
bei Umgebungstemperatur und -druck. nicht mehr; denn das Volumen des Gases
haltens der einzelnen LNG-Komponenten durch Verdampfung), sinkt allerdings die die gleiche Leistung. Verändert sich die von etwa einem Kilogramm pro Liter ist
lässt sich durch Erhöhung des Drucks nicht
In der Industriepraxis wird LNG mit unter- die Zusammensetzung der Flüssigphase. Zündtemperatur. Gaszusammensetzung, etwa durch höhere schwerer und bringt es nur auf 40,5 MJ/kg
mehr im selben Maße verkleinern.
schiedlichen Drücken eingesetzt. Bei etwas Komponenten mit niedrigem Siedepunkt Propan/Butan-Anteile im Erdgas, ändert (JEC 2014c). Paraffinischer EN 15940-Die-
wie Stickstoff und Methan verdampfen Unterhalb der Zündtemperatur kann ein
höherem Druck kann das Temperaturniveau sich der Wobbe-Index und damit auch das sel aus Erdgas (Gas-to-Liquids) ist etwas
1.4 LNG-SPEICHERUNG Gas/Luftgemisch nur mittels Zündquelle wie
für die LNG-Speicherung entsprechend zuerst, schwerere Kohlenwasserstoffe wie Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Da das jeweilige leichter als Dieselkraftstoff und erreicht mit
Die physikalischen Eigenschaften von Ethan, Propan, Butan später. offene Flamme, Zündkerze, Funken oder
der Dampfdruckkurve angehoben werden. Gemisch eine andere Dichte hätte, würde 44 MJ/kg folglich auch eine etwas höhere
Erdgas bestimmen auch das Speicherver- elektrostatische Aufladung entflammt wer-
Hierbei werden verschiedene LNG-Sorten durch den Motor eine andere Gasmenge Energiedichte als Dieselkraftstoff.
halten von verflüssigtem Erdgas. LNG wird Bei längerer Aufbewahrung kann sich die den. Solange LNG sich in geschlossenen
eingesetzt: strömen und sich dadurch eine andere
als siedendes Kryogen (tiefkalte Flüssigkeit) Zusammensetzung der LNG-Flüssigphase Behältern ohne Sauerstoffzufuhr befindet, ist Bei der volumetrischen Energiedichte
Leistung ergeben (Richards 2014).
„Cold LNG“ befindet sich mit etwa 3 bar gespeichert. Das heißt, die Flüssigkeit wird verändern. Dieses Phänomen ist auch als es nicht entzündlich. Die Explosionsgrenzen (Megajoule pro Liter) verschieben sich die
und -150 °C nahe am normalen Siede- bei der für den betreffenden Speicherdruck Weathering oder Ageing bekannt. für Methan/Luftgemische sind mit 4,4 bis Während die Gaslieferanten für LNG Verhältnisse etwas: Pro Volumeneinheit
punkt von Methan. Seine Flüssigphase ist geltenden Siedetemperatur gespeichert. Durch das Boil-off sinkt der Methangehalt 17 % etwas weiter als für Flüssiggas (Lique- einen oberen Wobbe-Index von 49 beträgt der Energiegehalt von handels-
kälter als die Gasphase; es besitzt eine Eine moderate Druckerhöhung – zum Bei- – es reichern sich schwere Komponenten fied Petroleum oder auch Autogas) und bis 57 MJ/m3 befürworten, streben die üblichem CNG (200 bar, Normalbedin-
12 13
gungen) rund ein Viertel desjenigen von den wider, die für Ottomotoren außerge- Eine wichtige verbrennungsrelevante vereinbaren. Dies gilt im Besonderen für
Dieselkraftstoff: circa 7 MJ/l zu knapp den Schwefelanteil von LNG; denn LNG
7 EU-SPEZIFIKATION ERDGASKRAFTSTOFFE GEMÄSS EN 16732-2
wöhnlich hoch sind. Spezifikation für motorische Anwendungen
36 MJ/l. Es ist allerdings zu beachten, ist der Schwefelanteil von Treibstoffen und werden nicht wie dem Pipeline-Erdgas aus
Um die LNG-Qualität beschreiben zu kön- Inhaltsstoff EN 16732-2 Annex D
dass der Energiegehalt von CNG pro somit auch von Brenngasen. Zum Schutz Sicherheitsgründen schwefelhaltige Odo-
Verkaufseinheit (Kilogramm) etwa ein Drittel nen, wurde ein neuer Parameter eingeführt, von Bauteilen, aber auch zur Reduktion rierungsmittel beigefügt. Katalysatoren von Wasserstoff (H2) ≤ 2 % mol/mol ≤ 2 % mol/mol
über demjenigen einer Verkaufseinheit die Methanzahl. Die Methanzahl (MN) ist von verbrennungsbedingten Schwefelo- Abgasreinigungssystemen reagieren aber
eine ähnliche Maßzahl wie die Oktanzahl; Taupunkt (Wasser) ≤ -2 °C ≤ -2 °C
Dieselkraftstoff (Liter) liegt. Gleichwohl ist xidemissionen werden möglichst niedrige sehr empfindlich auf Schwefel. LNG bietet
die volumetrische Energiedichte von kompri- sie gibt Auskunft über die Klopffestigkeit von Schwefelanteile in Treibstoffen angestrebt hier als Kraftstoff einen deutlichen Vorteil. Sauerstoff (O2) ≤1 % mol/mol ≤1 % mol/mol
miertem Erdgas wegen der erforderlichen unterschiedlichen LNG-Qualitäten. Reines (EUROMOT 2017). Weiterhin ist eine höhere Methanzahl von H2S + COS ≤ 5 % mol/mol ≤ 5 % mol/mol
Dimensionierung von Tanks sowie deren Methan hat per Definition eine Methanzahl 70 und ein unterer Heizwert von 44 MJ/
von 100; Wasserstoff eine Methanzahl Kraftstoffe für den Straßenverkehr und die Schwefel ≤ 30 mg/m3 ≤ 10 mg/m3
Eigengewicht meist zu niedrig für Anwen- kg vorgesehen. Darüber hinaus befassen
von 0. Steigt der Anteil höherer Alkane wie Binnenschifffahrt sind in der EU schon lange
dungen auf Schiffen oder in schweren Lkw. sich Arbeitsgruppen des Europäische Methanzahl (MN) ≥ 65 ≥ 70
Ethan, Propan, Butan, Pentan im Erdgas, schwefelfrei (Schwefelgehalt kleiner 10
Normungskomites (CEN) und der Inter-
Verflüssigtes Erdgas erreicht etwa 60 % sinkt die Methanzahl deutlich. Zumischun- ppm). Im Vergleich zu den schwefelhaltigen Heizwert (Hu) - ≥ 44 MJ/kg
nationalen Standardisierungsorganisation
des volumetrischen Energiegehaltes von gen von Wasserstoff führen ebenfalls zu Treibstoffen für die Seeschifffahrt ist der
(ISO) mit möglichen LNG-spezifischen WIu - 41,9 – 49,0 MJ/Sm3
einem Liter Dieselkraftstoff, das heißt etwa niedrigeren Methanzahlen. Weiterhin gilt Schwefelanteil im Erdgas sehr klein. Im
Kraftstoffqualitätsnormen für den Straßen-
21 MJ/l LNG zu ca. 36 MJ/l Diesel. Interesse der Gassicherheit werden dem Silikon Si (für Biogase) ≤ 0,3 mg/m3 ≤ 0,3 mg/m3
folgender Zusammenhang: Je schwerer ein verkehr und für die Schifffahrt.
Bezogen auf die Verkaufseinheit weist der Pipeline-Erdgas für Detektierungszwecke
Gas und je höher der Wobbe-Index, desto
Kraftstoff LNG (in Kilogramm) gegenüber meist schwefelhaltige Odorierungsmittel (bis
geringer die Methanzahl.
Dieselkraftstoff (in Liter) einen höheren Ener- zu 30 ppm) hinzugefügt (Wiegleb 2016).
giegehalt von fast 40 % auf. Im Vergleich zu Fast alle LNG-Lieferungen nach Europa Verflüssigtes Erdgas enthält nur sehr wenig
Schweröl (39,7 MJ/l) ist die volumetrische weisen mindestens eine Methanzahl Schwefel von in der Regel 2 ppm.
Energiedichte von LNG nur gut halb so (MN) von 65 auf; über MN 80 schaffen
es jedoch nur 12 % der LNG-Lieferungen SCHIFFSKRAFTSTOFFE
hoch (53 %). Synthetischter GTL-Kraftstoff 1.6 LNG-KRAFTSTOFF-
notiert bei 34,3 MJ/l. (GIIGNL 2013). Dies muss bei der Moto- STANDARDS
renentwicklung berücksichtigt werden. Die In der internationalen Seeschifffahrt werden sogenannte Bunkerkraft- besteht aus Marinegasöl (Marine Gas Oil MGO). Die größten
Bislang gibt es eine ganze Reihe von
In Summe kommt LNG den Flüssigkraftstof- zuvor genannten alternativen Methanquel- stoffe verwendet. Je nach Erfassungsmethode – Top down-Ansatz Verbraucher für Bunkerkraftstoffe gibt es in Asien und Europa.
Normen für den Umgang mit LNG als
fen bei der volumetrischen Energiedichte len (Biomethan, Bio-SNG und PtG-Methan) (IEA 2018c) oder Bottom Up-Methode (IMO 2015, 2016) variieren
Stoff, aber noch keine LNG-spezifischen Zur Reduktion der Schwefeloxidemissionen wurden durch MARPOL
also deutlich näher als komprimiertes Erd- weisen hohe Methanzahlen von 100 auf. die Verbrauchsdaten für die Schifffahrt. Es wird angenommen, dass
Kraftstoffnormen. Als Kraftstoff für den Stra- Annex VI die erlaubten Schwefelgehalte von Bunkerkraftstoffen immer
gas (CNG). Allerdings werden die Vorteile aktuell pro Jahr jedoch weltweit rund 300 Mio. Tonnen Schiffsbunker
Motorenhersteller geben die zulässige ßenverkehr fällt LNG in der EU unter die im weiter reduziert. Ab 1997 wurde der Schwefelanteil von Bunkerkraft-
bei der gravimetrischen Energiedichte auch verbraucht werden.
Methanzahl für ihre Motoren an (häufig Jahr 2017 verabschiedete Kraftstoffnorm stoffen zunächst auf 4,5 % begrenzt, von 2012 an dann auf 3,5 %.
hier durch schwerere Treibstofftanks für
MN 80 oder zumindest MN 70 (EURO- EN 16732-2 für Erdgas und Biogas. Hierin An die Schiffskraftstoffe werden üblicherweise bestimmte Anforderun- Nach einem Review der globalen Schwerölverfügbarkeit (IMO 2016)
kryogene Flüssigkeiten wieder kompensiert. werden eine ganze Reihe von Kraftstoff- gen wie Zähflüssigkeit (Viskosität), spezifische Dichte, Schwefelgehalt, hat die IMO beschlossen, den Schwefelgehalt von Schiffskraftstoffen
MOT 2017). Der Anteil motorischer
Verwendungen von Erdgas/LNG ist aller- komponenten wie Amine (aus der Amin- Zündpunkt und weitere gestellt. Der wichtigste internationale Standard ab 2020 weltweit auf nur noch 0,5 % zu senken.
Von großer Bedeutung für die motorische
wäsche, einem möglichen Prozesschritt bei für Schiffskraftstoffe ist die ISO-Norm 8217. Sie unterscheidet im
Verbrennung ist schließlich eine hohe dings (noch) gering. Dem stehen ein hoher Diese Anforderung an die Kraftstoffqualität kann entweder durch
der Herstellung von BioLNG), Wasserstoff, Besonderen zwei Kategorien von Schiffskraftstoffen: Destillate und
Klopffestigkeit. Beim Klopfen tritt im noch Aufwand für eine sekundäre LNG-Aufbe- Marinegasöl erreicht werden, durch Schweröl mit sehr geringem
Wasser (Taupunkt) oder Schwefel limitiert Rückstandskraftstoffe, die jeweils noch in sechs bis sieben weitere
unverbrannten Gas-/Luft-Gemisch Selbst- reitung (durch weiteres Entfernen höherer Schwefelanteil (Very Low Sulphur Fuel Oil VLSFO) oder entsprechende
sowie eine Mindestmethanzahl von 65 Kraftstoffqualitäten unterteilt sind.
zündung auf; es kommt zu hochfrequenten Kohlenwasserstoffe) und vergleichsweise Kraftstoffmischungen aus Gas- und Schweröl. Alternativ können
gefordert. Zudem gibt es weitere für
Gasschwingungen und hoher thermischer moderate motorische Effizienzgewinne Ein Produkt der Rohöldestillation – ähnlich wie Dieselkraftstoff – ist Abgasreinigungssysteme (Exhaust Gas Cleaning Systems EGCS), auch
Biogase relevante Restriktionen wie einen
Belastung von Bauteilen. Hierdurch kann gegenüber (GIE 2012). Marinegasöl (MGO). Bis auf die Zündtemperatur weist MGO dem Scrubber genannt, installiert werden. Diese können kurzfristig jedoch
Maximalanteil von Silikon. Heizöl vergleichbare Produkteigenschaften auf. Ein Rückstand (residual nur in einem kleinen Teil der Schiffsflotte eingebaut werden. Damit darf
die Motorleistung beeinträchtigt werden, es
Zur Ermittlung von Methanzahlen für fuel) aus der Rohölverarbeitung ist Schweröl (Heavy Fuel Oil oder ab 2020 nur ein kleiner Teil der Schiffe auch weiterhin Schweröl mit
kann zu höheren Motoremissionen kommen Darüber hinaus darf Erdgas als Kraftstoff
unterschiedliche LNG-Qualitäten werden HFO). Schweröl muss anders als MGO erhitzt werden, bevor es Schwefelanteilen über 0,5 % nutzen; die meisten Schiffe werden VLSFO
oder es können sogar Motorschäden keine weiteren Verunreinigungen enthalten,
heute Methanzahlrechner online oder genutzt werden kann. Außerdem wird auch noch Marinedieselöl einsetzen müssen (IMO 2016).
entstehen (ASUE 1992; EUROMOT 2011, die einem Einsatz in Kraftfahrzeugen
als Software angeboten. Diese arbeiten (Marine Diesel Oil MDO) angeboten; hierbei handelt es sich um
2017; DNV GL O&G 2017). entgegenstehen. Um den LNG-Motor vor Die Schifffahrt muss also Schwefelemissionen begrenzen. LNG ist des-
jedoch nach unterschiedlichen Methoden Mischungen aus HFO und MGO. Seeschiffe können sowohl Schweröl
Verschleiß zu schützen, ist für den Einsatz halb eine interessante und relevante Alternative als Schiffskraftstoff, weil
Erdgas/Methan ist klopffester als Benzin und kommen entsprechend zu unterschiedli- als auch Marinegasöl einsetzen; Binnenschiffe dürfen in der EU seit
von LNG zusätzlich noch eine maximale es gewissermaßen nur „homöopathische“ Mengen an Schwefel enthält.
und kann Oktanzahlen von bis zu 130 chen Ergebnissen. Um unnötige motorische 2011 nur noch Dieselkraftstoff verwenden.
Partikelkonzentration in Höhe von 10 mg/l 2012 wurden 8 Mio. t des globalen Bunkerkraftstoffbedarfs in Form
erreichen. Sehr klopfestes Benzin hat eine Leistungseinbußen und erhöhten Aufwand
im LNG-Kraftstoff zu beachten. Zu mehr als drei Vierteln handelt es sich bei Bunkertreibstoffen um von LNG konsumiert, in erster Linie von LNG-Carriern (LNGC); dies
Oktanzahl von ungefähr 100. LNG-Otto- der Gasaufbereitung zu vermeiden, wird
Schweröl; fast die Hälfte (46 %) der globalen Schwerölnachfrage könnte sich ändern, wenn mehr und mehr Schiffe für LNG als Kraftstoff
motoren nutzen die hohe Klopffestigkeit an intelligenten Gasmotorsteuerungen Über EN 16732-2 hinaus ist es entspre-
kommt aus der Schifffahrt. Knapp ein Viertel der Bunkerkraftstoffe ausgerüstet werden. Die IMO rechnet kurzfristig mit einem Anstieg des
von Methan; sie sind dafür optimiert. Dies (feed-foward fuel-adaptive engine control chend Anhang D der Norm möglich,
spiegelt sich in motorischen Wirkungsgra- systems) gearbeitet (DNV GL O&G 2017). freiwillig strengere Spezifikationen zu14 15
LNG
SHELL
350 Mio. Jato
8 SCHWEFELGRENZWERTE 9 BASISPROJEKTION BUNKERKRAFTSTOFFE LKW-KRAFTSTOFFE LNG 12
300 LNG 8
ULSFO
Ab 1997 4,5 % Ab 1997 4,5 % Erdgas und noch mehr LNG spielen im europäischen
39 Krafststoffmarkt EU-Kraftstoffqualitätsrichtlinie aus den Jahren 2009 und 2015 richten
IMO 2016
MGO
HFO MGO 250
Ab 2012 3,5 % 2012 Ab 2012 LNG
3,5 % bisher nur eine untergeordnete
64 Rolle. 257 Mrd. Liter oder 72 % des sich anders als bisher jedoch weniger auf die Kraftstoffinhaltsstoffe.
228 64 8
Ab 2020 0,5 % Ab 2020 0,5 % in der EU verbrauchten Kraftstoffs sind Dieselkraftstoff. Deutschland Sie zielen vielmehr ab auf den Herstellungsprozess von Kraftstoffen,
200
ist der mit Abstand größte Dieselabsatzmarkt
VLSFO in Europa, gefolgt insbesondere dessen Nachhaltigkeit.
∅ 2018 2,7 % ∅ 2018 2,7 % von Frankreich.
150 233der Dieselabsatz in den
In den meisten Ländern hat
Unter anderem sieht die bestehende Kraftstoffqualitätsrichtlinie vor,
IGU 2017; IMO 2016
vergangenen Jahren noch zugelegt. In Summe liegt der Dieselabsatz
dass die Inverkehrbringer von Kraftstoffen bis 2020 6 % Treibhaus-
2020 HSFO VLSFO ULSFO
IGU 2017; IMO 2016
ECA ab 2015 0,1 % LNG 100heute mehr als 10 Mrd. Liter über dem von 2010 (EEA
in der EU
IMO 2016
36 233 39 12 HFO gaseinsparungen auf die in Verkehr gebrachten Kraftstoffe erzielen
ECA ab 2015 0,1 %
2018). 228
Diesel für 50 müssen. Während Anforderungen an kraftstoffspezifische Treibhaus-
0,001 % 50 100 150 200 250 300 Mio. t
Pkw und Lkw Diesel für Der Anteil des Straßengüterverkehrs amHSFODieselkonsum schwankt in gaseinsparungen auch weiterhin gelten sollen, wird die Treibhausgas-
0,001 % 36
Pkw und Lkw den einzelnen Ländern, je nach Größe und Fahrleistung der Lkw- quote durch eine erneuerbare Energien-Quote für den Verkehrssektor
2012 2020
Flotte. In Deutschland fragt der Straßengüterverkehr schätzungsweise ersetzt, und zwar in Höhe von 14 % auf den Endenergieverbrauch im
rund die Hälfte des Dieselkraftstoffes nach (BMVI 2018). Rund 80 % Verkehr bis 2030 (Council 2018).
maritimen LNG-Konsums auf etwa 12 Mio. t LNG (IMO 2016). Es Schwefelanteil von 0,1 % (Ultra Low Sulphur Fuel Oil ULSFO) oder
der Dieselnachfrage aller Nutzfahrzeuge werden in Deutschland von
gibt aber weitere regulatorische Entwicklungen, die den Einsatz von Schweröl in Kombination mit Scrubbern oder emissionsarmes LNG Flüssige Ersatz- oder Ergänzungstreibstoffe sind zum einen paraf-
schweren Lkw und Sattelzugmaschinen verursacht (Shell 2016).
LNG als Schiffskraftstoff begünstigen. In so genannten Emissions- eingesetzt werden. In ECAs wäre LNG als Schiffskraftstoff noch mehr finische Kraftstoffe gemäß EN-Norm 15940; hierunter fällt zum
schutzgebieten (Emission Control Areas oder ECA) wie Nord- und eine relevante emissionsarme Alternative. Einheitliche europäische Anforderungen an Kraftstoffe wurden einen synthetischer45,1
Fischer-Tropsch-Kraftstoff auf Erdgasbasis, auch
40,8
Ostsee darf seit 2015 nur noch Schiffskraftstoff mit ultraniedrigem zunächst von der EU-Kraftstoffqualitätsrichtlinie 70/1998/EG Gas-to-Liquids (GTL) genannt, zum anderen Biokraftstoffe. So hat sich
spezifiziert, die zuletzt durch EU-Richtlinie 1513/2015/EU überarbei-
30 30,2 EU-weit im Dieselsegment ein Mischkraftstoff von 93 % fossilem Diesel
26,6
tet wurde (EP/Council 2015a). Weitere Mindestanforderungen wie und 7 % Biodiesel (B7) nahezu vollständig durchgesetzt.
Cetanzahl, Dichte, Polyaromaten- und15,9 Schwefelgehalt, Flammpunkt
Zusätzlich zum Diesel benötigen moderne Euro VI-Diesel-Lkw für die
und andere werden von der8EU-Dieselkraftstoffnorm EN 590 definiert.
SICHERHEIT 6,7 Abgasnachbehandlung mittels selektiver katalytischer Reduktion (SCR)
2,7
Im Laufe der Jahre ist die Dieselkraftstoffspezifikation deutlich eine wässrige Harnstofflösung (Aqueous Urea Solution AUS oder als
Seit rund 50 Jahren wird LNG sicher über die Weltmeere transpor- dung von nicht kältefesten Materialien führen. Als Prävention sollte Schweiz Niederlande Österreich Polen Spanien Italien
verschärft worden. Beispielsweise wird heute in der EU fast nur noch UK Frankreich auch
Markenname Deutschland
AdBlue®); dabei handelt es sich nicht um ein Kraft-
EV 2017; EEA 2018. Letzte verfügbare Zahl für Niederlande 2014
tiert. LNG-Carrier ausgenommen, hat LNG als Kraftstoff bisher nur beim Umgang mit LNG eine entsprechende Schutzkleidung getragen schwefelfreier Dieselkraftstoff vermarktet. Die jüngsten Revisionen der stoffadditiv, sondern um ein Betriebsmittel für die Abgasreinigung.
eine geringe Verbreitung. Über seine Gefahreigenschaften und eine werden. Anlagen- und Bauteile, welche in Kontakt mit LNG kommen,
sachgemäße Behandlung ist bei potenziellen Anwendern sowie in der sollten für tiefkalte Temperaturen geeignet sein. 10 EUROPÄISCHE DIESELKRAFTSTOFFMÄRKTE
45,1
2016, in Mrd. Liter 40,8
breiteren Öffentlichkeit daher vielfach noch wenig bekannt. Vielfach
Zum anderen besteht LNG aus Erdgas bzw. hauptsächlich aus
stellt sich daher die Frage: wie sicher ist LNG? Und, was ist für einen
Methan. Dieses ist zwar nur bei hohen Temperaturen selbst entzünd- 30 30,2
sicheren Umgang mit LNG zu beachten? 26,6
lich. Bei der Verdampfung entsteht jedoch ein extrem entzündliches
Um Mensch und Umwelt beim Umgang mit chemischen Substanzen und explosives Gas: Erdgas (Kategorie 1). 15,9
vor nachteiligen Auswirkungen zu schützen, unterliegen alle Chemi- 8
Ein zweites sicherheitsrelevantes Merkmal von verdampfendem LNG 6,7
kalien vor dem Inverkehrbringen grundsätzlich der Einstufungs- und 2,7
ist seine sehr hohe Entzündlichkeit – Gefahrenhinweis H220.
Kennzeichnungspflicht. Nach EU CLP-Verordnung EG/1272/2008 Schweiz Niederlande Österreich Polen Spanien Italien UK Frankreich Deutschland
(Classification, Labelling and Packaging) wird zwischen physi- EV 2017; EEA 2018. Letzte verfügbare Zahl für Niederlande 2014
kalischen Gefahren, Gesundheitsgefahren und Umweltgefahren
unterschieden.
Die Art der Gefahr wird durch Gefahrenklassen beschrieben. Zur
Im Vergleich zu Benzin (1,4 – 7,6 %) und Dieselkraftstoff (0,6 – 7,5 %) geschlossenen Räumen, bei guter Be- und Entlüftung. Zudem können
Visualisierung von Gefahren gibt das global harmonisierte Einstu-
sind die Zündgrenzen von Methan-Luft-Gemischen etwa doppelt so Gassensoren die Sicherheit erhöhen.
fungs- und Kennzeichnungssystem GHS standardisierte Piktogramme
weit und reichen von 4,4 bis 16,5 %. Allerdings ist Methan erst bei
vor. Sicherheitsrelevante Informationen zu Stoffen und Gemischen Es gibt eine Vielzahl von internationalen Codes und Standards, vor
höheren Gemisch-Konzentrationen entzündlich.
einschließlich Maßnahmen zu Prävention, Reaktion, Lagerung und allem ISO-Normen, für die sichere Handhabung und Speicherung
Entsorgung werden in so genannten Sicherheitsdatenblättern (Safety Um Methan zu verbrennen, bedarf es eines Oxidationsmittels (Luft/ von LNG in LNG-Anlagen sowie auf LNG-Schiffen. Grundsätzliche
Data Sheets) zusammengefasst (UBA 2013; Shell 2018). Sauerstoff) sowie einer Zündquelle. Für die sichere Handhabung von Gesundheits- und Sicherheitsthemen der LNG-Industrie behandelt ISO
verdampfendem LNG folgt hieraus: LNG muss in geschlossenen, das 16903:2015 (Petroleum and natural gas industries -- Characteristics
LNG selbst ist eine geruchs- und farblose, nicht korrosive, nicht
heißt dichten Systemen/Tanks ohne Luft/Sauerstoffzufuhr gespeichert of LNG, influencing the design, and material selection). Standards
entflammbare und nicht toxische Flüssigkeit. Im Vergleich zu Benzin
und transportiert werden. Verwendete kryogene Drucktanks sollten für LNG-Infrastruktur und LNG-Anwendungen im Retail-Bereich sind
und Diesel ist LNG zunächst weniger gefährlich.
hohe Sicherheitsreserven aufweisen und mit Entlastungsventilen oft jüngeren Datums und/oder befinden sich noch in der weiteren
Doch LNG ist ein tiefkalt (kryogen) verflüssigtes Gas - Gefahren- ausgestattet sein. Zündquellen sind zu vermeiden. Da Methan leichter Entwicklung. So befasst sich die umfangreiche ISO 16924:2016
hinweis H281. Bei ungeschützter Exposition kann es bei Kontakt als Luft ist, entweicht es rasch nach oben. Methan ist folglich wie alle (Natural gas fuelling stations -- LNG stations for fuelling vehicles) mit
Kälteverbrennungen verursachen. Außerdem kann es zur Versprö- anderen Gase auch entweder im Freien zu lagern oder, wenn in dem sicheren Tankstellendesign (GIIGNL 2015).Sie können auch lesen
