LNG - Mittelfristig der entscheidende Energieträger auf dem Weg zur CO2-Neutralität

Bis heute wird LNG fast ausschließlich aus Erdgas gewonnen, darüber hinaus werden derzeit auch andere Quellen für die LNG-Herstellung erforscht, wie z.B. Biomasse oder Strom.

Die LNG-Versorgungskette weist eine Reihe von Stufen auf, angefangen beim Erdgas, welches verflüssigt wird, bis hin zur Verwendung als Brennstoff beim Endkunden. Die ersten beiden Stufen der Produktion/Exploration von Erdgas und die sich anschließende Aufbereitung sind gleich der Erdgas-Supply-Chain, erst danach beginnt der LNG-spezifische Teil der Versorgungskette. Das gereinigte und in der gewünschten Qualität aufbereitete Erdgas wird in sog. Verflüssigungsanlagen (Liquefaction Terminals) auf -162 °C heruntergekühlt und somit in flüssigen Aggregatzustand versetzt. Dies geschieht meist in unmittelbarer Nähe zum nächsten Schritt in der Supply Chain – dem Transport des LNGs zu seinem Bestimmungsort. Dieser erfolgt zumeist auf großen Spezialschiffen, den LNG-Carriern. Am Ziel angekommen, wird das LNG meist in sog. Regasifizierungsanlagen (Regasification Terminals) über mehrere Stufen zurück in seinen gasförmigen Zustand gebracht und von da aus über Pipelines ins lokale Gasnetz eingespeist oder direkt an Industriekunden geliefert. Hier endet die herkömmliche LNG-spezifische Supply Chain.

Bei einer geringen Signalmenge kommen häufig unsere Trennstufen ISpac zum Einsatz, die über eine konventionelle Punkt-zu-Punkt-Technik realisiert werden. Bei größeren Signalmengen ist unser Remote-I/O-System IS1+ die wirtschaftlichere Lösung, denn bei dieser Technologie werden die Signalmengen über einen gemeinsamen Bus mit unterschiedlichen Protokollen wie Profibus DP, Modbus RTU und TCP, PROFINET oder EtherNet/IP gesendet. Außerdem signalisiert die verwendete Sensorik, sobald die Erdgaslagerstätte erreicht ist und die Bohrung abgeschlossen werden kann.

Das Sicherheitsventil wird nun durch ein sog. Eruptionskreuz ersetzt. Dieses nützt als Bohrlochabschluss und lässt ein definiertes Ausströmen des Erdgases während der Förderung zu. Ein verwendetes Steigrohr dient zur Gasentnahme der Förderstätte. Hierbei werden Pumpen benötigt, falls der Druck von der Erdgasförderstätte nicht ausreichend ist. In diesem Zusammenhang stellt R. STAHL je nach Leistungsklasse dimensionierte Ansteuerungssysteme zur Verfügung. Die Systeme sind in verschiedenen Steuervarianten lieferbar und können nach Kundenwunsch mit Hauptschalter, Steuertransformator, Haupt- undSteuersicherungen und Befehls- und Meldegeräten ausgestattet werden.

Erdgas aus fossilem Ursprung kommt teilweise auch als Begleitgas (Associated Gas) aus dem Boden, hierbei entweicht es als Nebenprodukt während des Erdölbohrprozesses oder bei der Entgasung (gezielte Entfernung von Gasen) von Schicht-Erdöl. Die Alternative zur Gewinnung des Erdgases ist das Abfackeln während des Förderungsprozesses, was vor dem Hintergrund des Anstiegs der globalen Treibhausemissionen und einer steigenden Nachfrage ökologisch und ökonomisch nicht mehr vertretbar ist.

Onshore- und Offshore-Projekte der konventionellen Erdgas- und (Erdöl-)förderung, die mit explosionsgeschützten Produkten und Dienstleistungen von R. STAHL ausgestattet wurden, sind beispielsweise „Zakum Build-Up Facilities“ und „Zirku Facilities Capacity Enhancement“ im Mittleren Osten, „Shah Deniz II“ in Aserbaidschan, „West Qurna 1“ im Irak, „Kashagan Full Field Development“ in Kasachstan oder „Hassi Messaoud Refinery“ in Algerien.

Über die weltweit größten bekannten Ressourcen an Schieferöl und -gas (Shale Oil & Gas) verfügen die USA. Deshalb ist in dieser Region das Fracking (dt.: aufbrechen/aufreißen) ein weitverbreitetes Verfahren zur Erdgasförderung. In mehrere hundert bis über tausend Meter Tiefe werden Erdgas- und Erdölvorkommen beim Fracking durch eine Vertikal- und abschließend durch eine Horizontalbohrung angezapft (vgl. Abb. 1). Mithilfe einer sog. Perforationskanone werden im horizontalen Bereich der Bohrung feine Öffnungen in die Schieferschichten gesprengt (perforiert). Anschließend pumpt man mit hohem Druck einige Millionen Liter Wasser mit festem Füllstoff wie grobkörnigen Sand, verdünnt mit antibakteriell wirkenden und korrosionsschützenden Chemikalien in das Bohrloch. Infolge des hydrostatischen Drucks werden die Schieferschichten geöffnet und ein Zugang zum Erdöl- bzw. Erdgas-Fracking geschaffen. Im letzten Schritt werden ca. 40 Prozent der Fracking-Flüssigkeit wieder abgepumpt. Der andere Teil der Flüssigkeit besteht größtenteils aus Feststoffpartikeln, die die aufgesprengten feinen Kanäle im Schiefergestein während des Förderprozesses offenhalten.

Erdgas kann ebenfalls aus erneuerbarem Ursprung wie Biomasse gewonnen werden. Beispielsweise kann Bioerdgas – auch Biomethan genannt – nach einer Biogasaufbereitung (insbesondere Abtrennung von Kohlendioxid) in das Erdgasnetz eingespeist werden. Bioerdgas ist ein Bestandteil von Biogas und entsteht unter anderem durch die Vergärung von Biomasse. Die Herstellung erfolgt in Biogasanlagen, in denen biogene Abfälle und nachwachsende Rohstoffe vergoren werden.

Derzeit stammt Erdgas nahezu ausschließlich aus fossilen Erdgasvorkommen, jedoch könnte mittelfristig ein Teil des fossilen Erdgases, das basierend auf Bioenergie hergestellt wird, ersetzt werden. 

Bei den unterschiedlichen Verfahren zur Gewinnung von fossilem Erdgas benötigt man Explosionsschutzkonzepte sowohl bei dem konventionellen Verfahren (Erdgas-/Erdölförderstellen) als auch bei der unkonventionellen Fördermethode während der Förderung, Verladung, des Transports und der Verarbeitung des Rohstoffs. Aufgrund des relativ geringen Ertrags der Schieferlagerstätten müssen beim Fracking mehrere Bohrungen pro Förderstätte angebracht werden, was zu einer Vervielfachung des Bohrequipments führt. Typische explosionsgeschützte Komponenten, die hier gefragt werden, sind entsprechende Energieverteilungen, Maschinenansteuerungen, Lasttrenn- und Sicherheitsschalter, Stecker/Steckdosen sowie Automatisierungslösungen mit Steuer- und Klemmenkästen. In den Biogasanlagen liegt das Augenmerk dagegen mehr auf den explosionsgeschützten Installationsmaterialien.

Die LNG-Verflüssigung ist im Vergleich zum Transport über Pipelines eine gute Alternative, wenn das Erdgas über längere Distanzen zu transportieren ist. Im flüssigen Zustand hat LNG ein etwa 600-fach geringeres Volumen als Erdgas unter normalen atmosphärischen Bedingungen und kann dadurch effizient gelagert und transportiert werden. Bevor das Erdgas in einer Verflüssigungsanlage (Liquefaction Plant, auch als LNG Train bezeichnet) auf -162°C tiefgekühlt und somit in einen flüssigen Zustand gebracht werden kann, muss es in speziellen Aufbereitungsanlagen in eine gewünschte Erdgasqualität gebracht werden. Hierbei wird in einzelnen Prozessschritten das Roherdgas von Verunreinigungen und Schadstoffen getrennt. Die Gasaufbereitung und
-verflüssigung findet anschließend meistens in einer gemeinsamen Großanlage statt.

Prozesse zur Erdgasverflüssigung (Liquefaction Process) wurden von großen Maschinenbau-, Öl- und Gasunternehmen patentiert. Die Verfahren basieren in der Regel auf einem ein-, zwei- oder dreistufigen Kühlprozess mit reinen oder gemischten Kältemitteln. Die drei Hauptverfahrenstypen des Verflüssigungsprozesses lauten Cascade Cycle (dt.: Kaskadenkreislauf), Mixed Refrigerant (MR) Cycle
(dt.: Gemischter Kältemittel-Zyklus) und Expander Cycle (dt.: Erweiterter Kreislauf).

Jeder Prozess hat unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Skalierbarkeit, Investitionskosten und Energieeffizienz. Für Kleinanlagen, die in der Nähe von kleineren Gasfeldern liegen, ist ein Einkreisprozess aufgrund seiner geringen Investitionskosten (CAPEX) vorzuziehen, auch wenn die Energieeffizienz deutlich geringer ist als bei den Expander-Cycle-Prozessen. Große LNG Trains sind immer mit Wärmetauschern zur Küste hin konzipiert. Kleinanlagen werden gewöhnlich mit Luft-Lamellenwärmetauschern realisiert.

Selbst beim effizienten MR-Design, welches am häufigsten Anwendung findet, werden hohe Energiemengen für die Kühlung des Erdgases benötigt. Die typische Leistung eines LNG Trains liegt bei etwa 28 MW pro mtpa (Millionen Tonnen LNG pro Jahr). Zusätzlich tragen andere Verbraucher in der Gasaufbereitung und
-vorverdichtung zur Erhöhung der Gesamtleistungsaufnahme bei und bringen diese auf etwa 35 bis 40 MW pro mtpa. Bei kleinen LNG-Anlagen liegt der Leistungswert weit über 50 MW für eine Kapazität von 1 mtpa.

Vom Kunden spezifizierte Betriebsmittel können mit der Modultechnik mit einzeln gekapselten Modulen vorgesehen werden. Dabei werden die elektrischen Komponenten in separat dafür gestaltete und druckfest ausgeführte Gehäuse verbaut oder sogar als integrale Lösung des Explosionsschutzes und der Produktfunktion entsprechend in einer gesamtheitlichen Konstruktion ausgeführt. Aufgrund des modularen Aufbaus der Gehäusetechnik können die Steuerungen und Energieverteilungen in beliebigen Größen ausgeführt werden, sodass auch sehr hohe Leistungen mit vielen Stromabgängen im explosionsgeschützten Bereich verfügbar sind. Ein Beispiel einer Energieverteilung kombiniert mit Ex e- und Ex d- Gehäusen ist in Abbildung 2 dargestellt. Werden die Hilfskontakte, der Leitungsschutz-, Fehlerstromschutz-, Lasttrenn- oder Sicherheitsschalter mit einem Remote-I/O-System verknüpft, können die Fehlerabgänge der Energieverteilung über das Prozessleitsystem ausgelesen und überwacht werden. Diese Funktionalität senkt die Wartungs- und Instandhaltungskosten des gesamten LNG Trains.

Die Kompressoren und Anlagen werden unter Deck installiert, wo außerhalb der Gastanks nur wenig Platz ist. Aus diesem Grund müssen die Maschinen und die zugehörigen Remote-I/O-Stationen mit I/O-Modulen und verschiedenen digitalen Anzeige- und Meldeelementen kompakt sein, der Zone 1 des Explosionsschutzes entsprechen und ausreichend robust sein, um weltweit unter widrigsten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden zu können.

Der vibrationsfeste Aufbau der Remote-I/O-Systeme IS1+ gepaart mit 12 verschiedenen Schiffszertifizierungen wie z. B. DNV GL, ABS und ClassNK machen das System einsatzfähig für den Betrieb auf Schiffen, sowohl unter Deck als auch über Deck.

Die IS1+ Stationen sind so konzipiert, dass sie in erster Linie sehr einfach an Bord zu installieren sind. Für die Kompressor-Steuerungsstationen werden robuste Edelstahlgehäuse in der Zündschutzart Erhöhte Sicherheit
"Ex e" verwendet. Das Design der Gehäuse mit schlanken Einzel-, Doppel- oder sogar Dreifachtüren ermöglicht einen einfachen Zugang, ohne dadurch die engen Durchgänge auf Schiffen zu blockieren. Durch hochwertige Dichtungsmaterialien sind die eingebauten Geräte zuverlässig vor der salzhaltigen Atmosphäre geschützt.

Nachdem das LNG den Zielort erreicht hat, wird das Erdgas in Rückvergasungsterminals (Regasification Units) wieder in gasförmigen Zustand gebracht. Werden die Regasification Units über einen langen Zeitraum an einem bestimmten Ort mit hohen Kapazitäten benötigt, folgt eine Errichtung von Onshore-Anlagen. Alternativ können Floating Storage and Regasification Units (FRSUs) eingesetzt werden. Die Offshore-Anlagen verursachen aufgrund der Größe geringere Kapitalinvestitionen und weisen eine hohe Flexibilität auf, da diese auch an eine andere Örtlichkeit gebracht werden können. Die höchsten Rückvergasungskapazitäten bestehen derzeit im asiatischen Raum, z. B. in Japan, Südkorea, China und Indien sowie in Europa, z. B. in Spanien, Frankreich, im UK und der Türkei, da beide Kontinente die größten Importeure von LNG sind.

Bei dem Rückvergasungsprozess muss dem LNG die nötige Verdampfungswärme zugeführt werden. Aufgrund des niedrigen Siedepunktes von Erdgas ist eine besonders hohe Wärmeenergie notwendig, aus wirtschaftlichen Gründen wird hier häufig Meerwasser eingesetzt. Ein Beispiel einer Pumpeneinheit, die das Meerwasser zu dem Wärmetauscher befördert, ist in Abbildung 3 dargestellt. Neben Alarmsignalgebern und Klemmenkästen wurde das Pump Skid auch mit Sicherheitsschaltern von R. STAHL ausgestattet. Die Sicherheitsschalter trennen bei Reinigung und Reparaturen die elektrische Energiezufuhr sicher von Maschinen und Anlagenteilen. Die eingebauten Lasttrennschalter haben alle ein AC3-Schaltvermögen (es können z. B. induktive Lasten wie Käfigläufermotoren geschaltet werden).

Nach dem Verdampfungsprozess wird das Gas in einer Kompressionsanlage verdichtet, bevor es in das Erdgasnetz eingespeist wird. Für Onshore- und insbesondere für Offshore-Projekte, bei denen das Anlagengewicht einen bedeutender Kostenfaktor darstellt,bietet sich die neue von R. STAHL patentierte Technologie EXpressure an. Motoransteuerungen und Energieverteilungen, die unter anderem für die Ansteuerung von Kompressoren oder die Speisung der Wärmetauscher und Verdampfungsanlagen benötigt werden, können durch diese Technologie deutlich leichter und kompakter realisiert werden. Diese Weiterentwicklung der Druckfesten Kapselung „Ex d“ leitet den Explosionsdruck in Schaltschränken und Steuerkästen sicher über Strömungskanäle ab. Dadurch kann das nach industriellen Schaltschrankabmessungen gefertigte Gehäuse und die mit Industriekomponenten ausgeführte Steuerung in der Zone 1 oder 2 positioniert werden.

Bei den Rückvergasungsanlagen erstrecken sich die explosionsgefährdeten Zonen über weite Teile der Anlage. Daher bieten sich die Lösungen von R. STAHL nicht nur für den Prozessablauf wie die Ansteuerung und Versorgung von Anlagenteilen an, sondern auch für den kompletten Funktionsablauf der Anlage. Beispielsweise können die Langfeldleuchten, Rohrleuchten, Scheinwerfer oder Handscheinwerfer von R. STAHL sämtliche Beleuchtungen von Arbeitsmitteln und Gegenständen im Innen- und Außenbereich übernehmen. Die explosionsgeschützten Sicherheitsleuchten mit Batteriebetrieb sichern hingegen die Beleuchtung im Fehlerfall. Akustische und/oder optische Alarmsignalgeber dienen der Alarmierung, Warnung oder als Hinweis einer Gerätestörung im Ex-Bereich. Die Installationstechnik wie Schalter, Klemmen-/Steuerkästen oder Steckdosen dient beispielsweise der Beleuchtung einzelner Bereiche. Die explosionsgeschützten Kamerasysteme dienen der Überwachung und die Netzwerktechnik wie WLAN Access Points zur Kommunikation innerhalb der Gesamtanlage.

Ähnlich wie bei dem Verflüssigungsprozess befinden sich die Regasification-Anlagen entweder Offshore oder Onshore in Küstennähe. Dies stellt die elektrischen Betriebsmittel aufgrund der salzhaltigen Luftfeuchte vor große Herausforderungen. Darüber hinaus ist bei den Floating-Anwendungen das maritime Anforderungsprofil zu beachten. Dabei liegt das Augenmerk bei den explosionsgeschützten Komponenten und Systemen auf seewasserresistenten Gehäusewerkstoffen, hochwertigen Dichtungsmaterialien, vibrationsfestem Design und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen. Aufgrund eines umfangreichen, mit internationalen Schiffszulassungen versehenen Produktportfolios von R. STAHL können die Produkte nicht nur unter Deck, sondern auch universell auf Deck installiert werden.