Den Erdgas-Jackpot knacken

Im Vergleich zu Öl ist Erdgas so reichlich vorhanden, dass es atemberaubend ist. Bewährte Erdölreserven sind gut für eine weitere Billion Barrel oder so. Bei heutigem Verbrauch halten sie etwa 40 Jahre. Fügen Sie Ölreserven hinzu, von denen angenommen wird, dass sie existieren, aber noch unentdeckt sind, und die Zeitachse erstreckt sich über etwa 160 Jahre.

Die bekannten Erdgasreserven, die hauptsächlich aus dem einfachen Kohlenwasserstoff Methan bestehen, reichen bei heutigem Verbrauch für etwa 50 Jahre. Schätzungen wahrscheinlicher, aber noch unentdeckter Gasvorkommen verlängern diese Projektion auf etwa 200 Jahre. Aber wenn das Erdgas, von dem angenommen wird, dass es in Methanhydraten tief unter dem Ozean verborgen liegt, hinzukommt, ist das Potenzial unglaublich. Hydrate, Eiskristalle, die Methanmoleküle einfangen, bilden sich unterhalb einer Tiefe von 300 Metern durch methanproduzierende Bakterien. Es ist nur sehr wenig darüber bekannt, wie viel Gas in diesen Kristallen abgefüllt ist oder wie man es herausbekommt, aber die besten Vermutungen sind, dass die Reserven selbst bei einer Verdoppelung des Erdgasverbrauchs in den nächsten Jahrzehnten Zehntausende von Jahren halten könnten .

Über Öl hinwegkommen

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2002



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Wie auch immer Sie rechnen, es gibt eine Menge Erdgas da draußen. Zu seiner Attraktivität als Kraftstoff der Zukunft trägt auch bei, dass Methan weitaus sauberer verbrennt als Öl. Aber es gibt ein großes Problem: Erdgas ist volatil und teuer im Transport. Eine der Schönheiten von Öl ist, dass Sie es in Rohre gießen, auf Tanker oder Lastkähne laden und sicher um die Welt verschiffen können. Im Gegensatz dazu wird Erdgas meistens als Flüssigkeit transportiert, die auf einer Temperatur von -130 °C oder einem Druck von mehreren zehn Atmosphären gehalten werden muss. Es kann auch als Gas in Pipelines transportiert werden, aber da das Gas komprimiert gehalten werden muss, ist dies ein teures Unterfangen: Schätzungen zufolge würde eine Pipeline, um Gas aus Alaska in die Lower 48 zu transportieren, etwa 15 bis 20 Milliarden US-Dollar kosten bauen.

Hinzu kommt die Tatsache, dass sich viele große Reserven an abgelegenen Orten wie Alaskas North Slope oder Sibirien befinden, und das Ergebnis ist, dass ein Großteil des weltweiten Erdgases jetzt kommerziell wertlos ist. Von dem [Erdgas], von dem sich alle einig sind, hat mehr als die Hälfte absolut keinen Marktwert, sagt Mark Agee, Präsident von Syntroleum, einem Energieunternehmen in Tulsa, OK. Überhaupt keine. Es befindet sich an Orten wie dem Nordwestschelf von Australien, Papua-Neuguinea, der Westküste Afrikas, dem Nordhang von Alaska. Wirklich abgelegene Orte ohne einen fertigen Markt in der Nähe.

Für einen Chemieingenieur ist die Lösung dieses Dilemmas zumindest theoretisch relativ einfach. Wenn man dieses gefährliche Gas chemisch in einen flüssigen Kohlenwasserstoff umwandeln könnte, wie synthetisches Öl oder sogar Benzin, könnte es bei Raumtemperatur und Normaldruck einfach und kostengünstig transportiert werden. Diese synthetischen Kraftstoffe könnten direkt in bestehende Ölpipelines fließen oder an Bord von Tankschiffen gebracht werden, die für den Markt bestimmt sind. Nach weiterer Verfeinerung könnten sie sogar über das bestehende Tankstellennetz vertrieben werden. Da das Ausgangsmaterial praktisch schwefelfreies Erdgas ist, wären die resultierenden Kraftstoffe außerdem frei von Schwefel und aromatischen Schadstoffen, die andere Erdölprodukte verunreinigen. Mit anderen Worten, Sie hätten eine leicht verfügbare Kraftstoffquelle, die möglicherweise weitaus billiger und sauberer als Öl ist.

Einige der größten Ölkonzerne der Welt investieren jetzt Milliarden von Dollar in den Bau von Raffinerien, die Gas-to-Liquid-Technologie verwenden, um Methan in hochreinen Diesel- und Benzinkraftstoff umzuwandeln. Mithilfe von Hochdruck- und Hochtemperatur-Raffinerieprozessen werden diese neuen Anlagen, die an Orten wie Bintulu, Malaysia, gebaut werden, Erdgas in flüssige Produkte verwandeln, die leicht auf den Markt gebracht werden können und wahrscheinlich mit Erdölprodukten wettbewerbsfähig sind.

Einige Forscher glauben jedoch, eine viel bessere Idee zu haben. Die in den neuen Werken eingesetzten Verfahren basieren auf einer Chemie aus den frühen 1920er Jahren und sind kostspielig und ineffizient. Eine kleine Gruppe von Chemikern und Chemieingenieuren arbeitet daran, Katalysatoren zu entdecken – Materialien, die chemische Reaktionen beschleunigen, aber selbst nicht im Prozess verbraucht werden – für die direkte Umwandlung von Erdgas in flüssige Brennstoffe bei niedrigen Temperaturen und Drücken. Wenn diese Katalysatoren funktionieren – und das ist immer noch ein Riese wenn -sie werden billige und einfache Raffinerieprozesse ermöglichen, die die riesigen unerschlossenen Erdgasreserven freisetzen könnten. Tatsächlich würden sie Experten zwingen, ihre Berechnungen der weltweiten Energieversorgung zu überarbeiten. Plötzlich könnten die unerschlossenen Methanvorkommen in Sibirien und Nordkanada für die Welt genauso wichtig sein wie die riesigen Ölfelder Saudi-Arabiens.

Schwarze Vergangenheit

Die Idee, flüssige synthetische Kraftstoffe herzustellen, ist nicht neu. 1923 entdeckten zwei deutsche Kohleforscher, Franz Fischer und Hans Tropsch, einen Weg, die reichhaltigen Kohlevorkommen des Ruhrgebiets in synthetisches Öl umzuwandeln. Fischer und Tropsch wussten, dass sie beim Erhitzen eines Kohlenhaufens ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff produzieren würden. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sie synthetischen Kraftstoff herstellen könnten, indem sie dieses Gas über Metallkatalysatoren leiten. Während des Zweiten Weltkriegs produzierte die Bundesregierung im Fischer-Tropsch-Verfahren aus den reichlich vorhandenen Kohlevorkommen des Landes rund 600.000 Barrel militärischen Brennstoff pro Jahr.

Nach dem Krieg rissen alliierte Geheimdienste die deutschen Werke auseinander, um herauszufinden, wie sie funktionierten, und von 1948 bis 1953 wurde in Brownsville, TX, ein kleines Fischer-Tropsch-Werk betrieben. In den 1950er Jahren befand sich die südafrikanische Regierung wie das Naziregime mit wenig oder keinem Zugang zu Erdöl; es wandte sich dem Fischer-Tropsch-Verfahren zu und baute mehrere Anlagen, um Kohle aus den umfangreichen Vorkommen des Landes in synthetische Kraftstoffe umzuwandeln.

Und dort wäre die Technologie möglicherweise geblieben, zum größten Teil auf Länder beschränkt, die nach Öl hungern, abgesehen von der heutigen wachsenden Versuchung, die riesigen Reserven an abgelegenem, billigem Erdgas anzuzapfen. Methan kann wie Kohle verwendet werden, um eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff herzustellen; bis auf das ausgangsmaterial funktioniert die brennstoffsynthese genauso wie bei kohle. Exxon Mobil, Shell und Sasol aus Südafrika sind alle an großen Projekten zur Umwandlung von Erdgas in Flüssiggas beteiligt. Insgesamt planen die großen Ölkonzerne, fast 10 Milliarden US-Dollar für Gas-to-Liquid-Kapazitäten in zukünftigen Anlagen auszugeben.

Einer der kleineren, aggressiveren Spieler ist Tulsas Syntroleum. Wie die großen Ölkonzerne setzt Syntroleum auf die Fischer-Tropsch-Umwandlung, um gestrandetes Erdgas in leicht zu transportierende ultrareine flüssige Kohlenwasserstoffe umzuwandeln. Dank verbesserter Katalysatoren und Reaktordesigns seien flüssige Kohlenwasserstoffe aus Methan heute auf dem Markt äußerst wettbewerbsfähig gegenüber Öl. Die synthetischen Kraftstoffe, die wir herstellen können, sind zu 100 Prozent mit herkömmlichen Produkten kompatibel, sagt Mark Agee, Präsident von Syntroleum. Bei Erdgas liegen die Rohstoffkosten [in Barrel Öläquivalent] zwischen null und 10 US-Dollar pro Barrel, verglichen mit Erdöl bei 20 US-Dollar. An der Westküste Afrikas wurde uns Gas zu einem Nickel pro tausend Kubikfuß oder 50 Cent pro Barrel angeboten.

Perfekter Katalysator

Aber das Fischer-Tropsch-Verfahren ist von Natur aus ineffizient und teuer – und aus der Sicht eines Chemikers von Natur aus ungeschickt. Der Prozess erfordert Temperaturen von etwa 800 bis 900 °C, die durch die Verbrennung eines Teils des umgewandelten Gases erreicht werden. Die Technologie ist auch relativ unselektiv und produziert eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffmolekülen, von denen einige nutzlos sind. Was im Grunde falsch ist, ist, dass es sich um eine Technologie aus den 1940er Jahren handelt, sagt Roy Periana, ein Chemiker an der University of Southern California. Es verwendet rohe Gewalt und hohe Temperaturen, um die Umwandlungen zu erreichen.

Geben Sie jedem organischen Chemiker einen Bleistift und einen Block Papier, und er oder sie könnte schnell einen einfachen, eleganteren Weg zu flüssigen Kohlenwasserstoffen entwerfen. Erdgas besteht größtenteils aus Methan; Um es in Methanol, eine leicht zu transportierende Flüssigkeit, umzuwandeln, genügt es, dem Methanmolekül ein Sauerstoffatom hinzuzufügen. Es gibt jedoch einige große Probleme, diese Direktsynthesetheorie in die chemische Realität umzusetzen. Der Katalysator muss die engen Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen im Methan aufbrechen, damit der Sauerstoff reagieren kann. Und hier wird es wirklich knifflig – die Reaktion muss jedem Methanmolekül ein einzelnes Sauerstoffatom hinzufügen; lassen Sie es weiterlaufen und fügen Sie ein zusätzliches Sauerstoffatom hinzu, und Sie erzeugen wertloses Kohlendioxid.

Der Trick kann im Labor gestrickt werden, aber vorhandene Katalysatoren sind nicht effizient genug, um die erforderlichen Ausbeuten zu erzielen, um mit Öl zu konkurrieren. Periana beispielsweise jagt seit mehr als einem Jahrzehnt den perfekten Katalysator. Mitte der 1990er Jahre arbeitete Periana bei einem kleinen kalifornischen Unternehmen namens Catalytica, wo er ein Team leitete, das an neuen Katalysatoren für diese direkte Umwandlung arbeitete. Bei Catalytica haben wir zwei Systeme entdeckt, sagt er. Einer war ein Quecksilberkatalysator, der in einem Schritt bei 180 Grad 40 Prozent Ausbeute ergab. Das andere war ein Platinsystem, das bei 220 Grad 70 Prozent Ausbeute lieferte. An diesem Punkt begannen die Leute zu sagen, dass dies vielleicht wirklich möglich sei. Aber diese vielversprechenden Anfänge kollidierten mit einigen unveränderlichen Fakten der grundlegenden Chemie. Die direkte Umwandlung von Methan war zwar aus chemischer Sicht beeindruckend, aber dennoch nicht wirtschaftlich. Wenn man einen solchen Rohstoffprozess ersetzen will, sagt Periana, muss man wirklich einen revolutionären Prozess haben. Marginale Verbesserungen werden es nicht tun.

Trotz der Hindernisse in der Chemie bleibt Periana optimistisch. Wir haben einige Hinweise und verknüpfen diese mit dem Wissen darüber, wie frühere Systeme funktioniert haben. Und im Moment ist es fair zu sagen, dass dies ein Rennen ist. Die Grundlagen sind gelegt, es kommt darauf an, wer zuerst da ist, sagt er. Die Frage, die jetzt alle beschäftigt, ist, wer wann den richtigen Katalysator findet und welcher. Es ist nicht einmal eine Frage, ob.’

Rätsel der Natur

23 und ich Testkit

Sogar große Ölkonzerne, die indirekt in die Umwandlung von Methan in flüssige Kraftstoffe investieren, finanzieren die Forschung zur direkten Umwandlung. Im vergangenen Jahr hat BP der University of California, Berkeley und dem Caltech für die Erforschung der Methanumwandlung jeweils eine Million US-Dollar pro Jahr für jeweils 10 Jahre zugesprochen, wobei ein Teil des Zuschusses für die direkte Umwandlung vorgesehen ist. Die Suche nach Katalysatoren sei eine Kombination aus Kunst und Wissenschaft, sagt Alex Bell, Chemieingenieur in Berkeley. Ich kann mich jetzt nicht hinsetzen und sagen, dass es einen Algorithmus gibt, um einen Katalysator für eine bestimmte Reaktion zu finden. Sie bauen auf bisherigem Wissen darüber auf, was funktioniert und versuchen, es mit Kenntnissen der grundlegenden Chemie zu verbessern. Vieles davon versucht, Muster zu etablieren und strategische Überlegungen zu den chemischen Prinzipien anzustellen, die Methan zu zielgerichteten Produkten führen.

Und niemand erwartet morgen einen Durchbruch. Enrique Iglesia, ein weiterer Chemieingenieur aus Berkeley, der am BP-Programm beteiligt ist, arbeitet seit fast 20 Jahren an der Methanumwandlung. Wir träumen von der direkten Methanumwandlung, aber die Natur steht im Weg, sagt er. Methan hat eine der stärksten Bindungen, die wir kennen, und seine Reaktionsprodukte haben normalerweise schwächere Bindungen. Es ist schwer, bei den gewünschten Produkten Halt zu machen, also ist dies eine harte Chemie.

Nur wenige mögen vermuten, dass die Lösung der Energieprobleme der Welt aus dem esoterischen Gebiet der Katalysewissenschaft kommen wird. Aber da die riesigen, unerschlossenen Erdgasreserven die Fantasie der Chemiker beflügeln, geht die Suche nach dem perfekten Katalysator weiter. Harte Chemie, aber wenn sie gelingt, wird sie die Energieberechnungen der Welt verändern.

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