Stöchiometrie, LNG, LPG & Erdgas: Chemie und Energie

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Stöchiometrie: Grundlagen chemischer Berechnungen

In der Chemie ist die Stöchiometrie die Berechnung der quantitativen Beziehungen zwischen den Edukten und Produkten während einer chemischen Reaktion. Diese Beziehungen können von der Atomtheorie abgeleitet werden, obwohl sie historisch ohne Bezug auf die Zusammensetzung der Materie dargelegt wurden, basierend auf verschiedenen Gesetzen und Prinzipien.

Der erste, der die Grundsätze der Stöchiometrie festlegte, war Jeremias Benjamin Richter (1762-1807) im Jahre 1792. Er schrieb:

Die Stöchiometrie ist die Wissenschaft, die die quantitativen Verhältnisse oder Massenverhältnisse misst, in denen chemische Elemente beteiligt sind.

Stöchiometrische Verhältnisse und Bedingungen

Wenn die Reaktionspartner einer Reaktion in Mengen proportional zu ihren stöchiometrischen Koeffizienten vorliegen, spricht man davon, dass:

  • Die Mischung stöchiometrisch ist;
  • Die Reagenzien in stöchiometrischen Verhältnissen vorliegen;
  • Die Umsetzung unter stöchiometrischen Bedingungen erfolgt.

Diese drei Begriffe haben die gleiche Bedeutung.

Unter diesen Bedingungen sind, wenn die Reaktion beendet ist, alle Reagenzien verbraucht, was die stöchiometrischen Mengen der betreffenden Produkte ergibt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das limitierende Reagenz, das in geringerem Anteil vorhanden ist, zur Grundlage aller Berechnungen.

Beispiel zur Stöchiometrie

Wie viel Sauerstoff ist erforderlich, um mit 100 Gramm Kohlenstoff zu reagieren und Kohlendioxid zu produzieren?

  • Atommasse von Sauerstoff = 15,9994
  • Atommasse von Kohlenstoff = 12,0107

Die Reaktion ist:

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Um ein Molekül Kohlendioxid zu bilden, benötigen wir ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome, oder, was dasselbe ist, ein Mol Kohlenstoff und zwei Mol Sauerstoff.

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Auflösen nach x:

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Durchgeführte Operationen:

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Flüssigerdgas (LNG): Transport und Nutzung

Verflüssigtes Erdgas (LNG) ist Erdgas, das verarbeitet wurde, um in flüssiger Form transportiert werden zu können. Es ist die beste Alternative für Reserven an abgelegenen Orten, wo es unwirtschaftlich wäre, das Gas direkt per Pipeline oder zum Stromerzeugungsmarkt zu transportieren. Erdgas wird als Flüssigkeit bei Atmosphärendruck und -161 °C transportiert, wobei die Verflüssigung das Volumen des Gases um das 600-fache reduziert.

Gründe für die Verflüssigung von Erdgas

Erdgas wird in der Regel mittels Pipelines transportiert, aber für lange Strecken ist es wirtschaftlicher, Schiffe zu benutzen. Der Transport erfordert eine Verflüssigung, da Erdgas bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck ein erhebliches Volumen einnimmt. Der Verflüssigungsprozess reduziert das Volumen von Erdgas um über das 600-fache seines ursprünglichen Volumens. Etwa die Hälfte der bekannten fossilen Energiereserven sind heute Erdgasfelder. Sie werden häufig in Regionen mit geringer Nachfrage nach Erdgas gefunden. Verflüssigtes Erdgas kann jedoch sicher mit Schiffen zum Zielmarkt transportiert werden, ähnlich wie Rohöl.

Umweltauswirkungen von LNG

LNG hat aufgrund seines hohen Wasserstoffgehalts die geringsten Umweltauswirkungen aller fossilen Kraftstoffe. LNG-Leckagen verflüchtigen sich in die Luft und verschmutzen weder Boden noch Wasser. Als Kraftstoff für Fahrzeuge reduziert es die Emissionen von Stickoxiden (NOx) um 70 % und erzeugt keine Schwefelverbindungen oder Partikel. Für die Stromerzeugung sind Schwefeldioxid (SO2)-Emissionen praktisch ausgeschlossen und die CO2-Emissionen um 40 % reduziert.

Alle Produktions- und Transportsysteme sowie die Aufbereitungsanlagen sind darauf ausgelegt, Leckagen und die Entstehung von Bränden zu verhindern. Dies gilt auch für LNG-Anlagen, die Übertragung per Schiff und die Wiederverdampfung (oder Wiedervergasung) von LNG. Es gibt einige bauliche Unterschiede bei den Gasanlagen, aber ökologische Erwägungen, Sicherheit und Gesundheit sind die gleichen oder strenger. Die größten Risiken sind die niedrigen Temperaturen (Kryo-Risiko) und die Brennbarkeit.

Flüssiggas (LPG): Eigenschaften und Anwendungen

Flüssiggas (LPG) ist ein kondensierbares Gasgemisch, das in Erdgas oder Öl gelöst ist. Die Komponenten von LPG sind zwar bei Raumtemperatur und normalem Druck Gase, lassen sich aber leicht verflüssigen, daher der Name. In der Praxis kann man sagen, dass LPG eine Mischung aus Propan und Butan ist.

Propan und Butan sind in Erdöl und Erdgas enthalten; ein Teil wird auch bei der Raffination von Erdöl gewonnen, hauptsächlich als Nebenprodukt beim katalytischen Fluid-Cracking (FCC, für seine Abkürzung im Englischen: Fluid Catalytic Cracking).

Verwendung von Flüssiggas (LPG)

Die wichtigsten Anwendungen von Flüssiggas sind:

  • Gewinnung von Olefinen, die für die Herstellung zahlreicher Produkte, einschließlich der meisten Kunststoffe, verwendet werden.
  • Kraftstoff für Fahrzeuge
  • Kraftstoff in Raffinerien.
  • Heizenergie (über Flaschen oder Versorgungsnetze).

Erdgas (NG): Eine vielseitige Energiequelle

Erdgas ist eine nicht erneuerbare Energiequelle, die aus einem Gasgemisch besteht und häufig in Ölfeldern gefunden wird, entweder als nicht-assoziiertes (eigenständiges) Gas oder in Verbindung mit Öl- oder Kohlelagerstätten. Obwohl seine Zusammensetzung je nach Förderort variiert, besteht es hauptsächlich aus Methan, das oft in Mengen von über 90 oder 95 % vorkommt (z. B. nicht-assoziiertes Gas aus dem Westen und der Seezunge in der Nordsee), und enthält in der Regel andere Gase wie Stickstoff, CO2, H2S, Mercaptane und Helium. Ein Beispiel für Gas mit hohem Verunreinigungsgrad ist nicht-assoziiertes Gas aus Kapuni (NZ) mit bis zu 49 % CO2. Als zusätzliche Quellen für diese natürliche Ressource werden Methanhydratvorkommen untersucht, die Schätzungen zufolge weitaus größere Energiereserven darstellen könnten als die aktuellen Erdgasvorkommen.

Es kann auch durch Zersetzungsprozesse organischer Ablagerungen (Müll, Pflanzen – Grubengas) gewonnen werden, beispielsweise in städtischen Kläranlagen oder Müllverarbeitungsbetrieben. Das so gewonnene Gas wird als Biogas bezeichnet.

CO2-Emissionen im Vergleich zu anderen Gasen

Erdgas produziert weniger CO2 als andere Brennstoffe wie Öl und insbesondere Kohle. Es ist zudem ein sauber und effizient verbrennender Kraftstoff.

Der Grund für die geringe CO2-Produktion ist, dass der Hauptbestandteil Methan vier Wasserstoffatome und ein Kohlenstoffatom enthält, was zur Produktion von zwei Wassermolekülen pro CO2-Molekül führt, während langkettige Kohlenwasserstoffe (flüssig) nur ein Wassermolekül pro CO2-Molekül liefern (man beachte, dass die Bildungswärme von Wasser sehr hoch ist).

Als zusätzlicher Vorteil ist es ein vielseitiger Brennstoff, der in der Stromerzeugung effizienter als in Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GuD) oder Brennstoffzellen eingesetzt werden kann, und die Umstellung ist im Vergleich zu anderen Brennstoffen einfacher. Allerdings ist sein Energiegehalt pro Volumeneinheit im Vergleich zu anderen Brennstoffen gering.

Erdgasflüssigkeiten (NGL) und LNG-Produktion

Die Erdgasflüssigkeiten (NGL), bestehend aus Ethan, Propan, Butan und anderen schweren Kohlenwasserstoff-Komponenten, werden auf dem inländischen Markt als Brennstoff und Rohstoff (einschließlich der Petrochemie) verwendet.

Um Erdgas zu verflüssigen, wird das behandelte Gas auf etwa -161 °C gekühlt, die Temperatur, bei der Methan – der Hauptbestandteil – flüssig wird. Der Verflüssigungsprozess durch Kühlung ist vergleichbar mit der Kompression gängiger Kältemittel, um kalte Flüssigkeiten wie Propan, Ethan/Ethylen, Methan, Stickstoff oder deren Gemische zu erzeugen, die dann als Wärmetauscher mit dem Erdgasstrom verdampfen. So wird Erdgas bis zum Verflüssigungspunkt abgekühlt. Sobald das Gas verflüssigt wurde, wird es einem Joule-Thomson-Expansionsprozess oder einer Arbeitsentnahme unterzogen, damit es bei atmosphärischem Druck gelagert werden kann. Das produzierte LNG wird in speziellen Tanks gelagert und anschließend auf spezielle Transporttanker umgeladen.

Das aus den Lagerstätten entnommene Erdgas ist ein farbloses, geruchloses, ungiftiges und leichter als Luft Produkt. Es entsteht durch die Zersetzung organischer Materie in Sedimenten zwischen Gesteinsschichten und ist eine Mischung aus leichten Kohlenwasserstoffen, wobei Methan (CH4) in großen Mengen vorkommt, zusammen mit anderen Öl- und Gaskomponenten, deren Konzentration vom Standort abhängt.

Erdgasfahrzeuge (NGV): Vor- und Nachteile

Obwohl dieser Abschnitt hauptsächlich Erdgasfahrzeuge (NGV) behandelt, ist es wichtig, auch Flüssiggas (LPG), auch bekannt als Autogas, zu erwähnen. LPG besteht im Wesentlichen aus Butan und Propan und ist sowohl aus Erdgas als auch aus dem Prozess der Ölraffination in großen Mengen weltweit verfügbar, sodass es im Prinzip nicht leicht erschöpft sein wird.

Ein großer Vorteil von LPG ist, dass alle Benziner, mit einer geringfügigen Änderung, es benutzen können und danach Bi-Fuel sind, also entweder mit Benzin oder LPG betrieben werden können.

Die folgenden Vor- und Nachteile beziehen sich auf Erdgas als Kraftstoff für Fahrzeuge (NGV):

Vorteile von Erdgas als Kraftstoff

  • Kostenvorteile für den Nutzer: Aufgrund der niedrigeren Produktionskosten wird Erdgas immer billiger sein als herkömmliche Kraftstoffe. Diese Wirtschaftlichkeit ergibt sich nicht nur aus dem Preis, sondern auch aus den Einsparungen bei den Wartungskosten der Fahrzeuge, da es die Lebensdauer bestimmter Komponenten wie Zündkerzen, Auspuffanlage, Vergaser sowie der Schmierstoffe verbessert.
  • Umweltfreundlichkeit: Da Erdgas ein sauberer Brennstoff ist, verursachen die Produkte seiner Verbrennung eine geringere Umweltbelastung im Vergleich zu anderen Kraftstoffen wie Benzin und Diesel.
  • Transport und Verteilung: Die Nutzung bestehender Infrastruktur wie Gasleitungen für Industrie und Haushalte sowie bestehender Tankstellen, die zu gemischten Benzin-/Erdgas-Verkaufsstellen werden können.
  • Zuverlässigkeit der Produktlieferung: Die Lieferung von Erdgas ist wesentlich sicherer und zuverlässiger als die anderer Kraftstoffe, da der Wareneingang direkt über die Gasnetze und nicht über LKWs erfolgt. Darüber hinaus machen die Produkteigenschaften es schwer, es zu verändern.
  • Zusätzliche Deviseneinnahmen für die Nation: Durch den Export von flüssigen Kohlenwasserstoffmengen, die auf dem Inlandsmarkt freigegeben werden.

Nachteile von Erdgas als Kraftstoff

  • Gewicht/Volumen der Zylinder: Die Gas-Speicherzylinder bedeuten zusätzliches Gewicht und Raum, was zu einer Verringerung der Ladekapazität des Fahrzeugs führt. Dies ist besonders wichtig für kleine Autos. Dieser Nachteil besteht nicht für Nutzfahrzeuge (Kleinbusse, Busse, Pick-ups, LKWs usw.), da diese das Gewicht des Tanks besser tragen und auch mehr Platz für die Lagerung der Zylinder zur Verfügung haben.
  • Verlust der Beschleunigung: Aufgrund seiner Eigenschaften führt Erdgas zu einem Leistungsverlust am Fahrzeug von ca. 15 %, was sich bei Fahrzeugen mit geringem Hubraum deutlich bemerkbar macht.

Sicherheit von Erdgasfahrzeugen

Aufgrund seiner Eigenschaften ist Erdgas ein sichererer Kraftstoff als herkömmliche, da es leichter als Luft ist und sich schnell verflüchtigt, während Benzindämpfe 5-mal schwerer sind und sich daher in schlecht belüfteten, tiefer gelegenen Bereichen ansammeln können, wodurch explosionsfähige Gemische entstehen.

Der Explosionsbereich ist bei Benzin breiter als bei NGV. Die untere Explosionsgrenze ist bei NGV höher als bei Benzin, was bedeutet, dass die Bildung brennbarer Kraftstoff-Luft-Gemische bei NGV unwahrscheinlicher ist als bei Benzin. Darüber hinaus erfordert NGV eine höhere Zündtemperatur als Benzin in der Luft.

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