Bei der Gewinnung von Erdgas und Erdöl werden große Mengen an methanreichen Begleit- und Restgasen abgefackelt. Kürzlich veröffentlichte Schätzungen gehen von weltweit ca. 10.000 Fackeln und einer Abgasmenge von 144 Mrd. m³ im Jahr 2021 aus, mit deutlicher Zunahme gegenüber den Vorjahren.
Dies entspricht etwa 1/3 des Erdgasverbrauchs der EU bzw. den Emissionen von 200 Millionen Fahrzeugen.
Pro m³ Fackelgas entstehen ca. 2,8 kg CO₂-Äquivalent bzw. eine Gesamtemission von ca. 400 Mio. Tonnen CO₂-Äquivalent. Dies unterstellt eine 98 %-ige Verbrennung durch die Fackel, die in den seltensten Fällen erreicht wird.
Grafik 1 (siehe PDF-Dokument)
Den weitaus größten Anteil haben Russland, Iran, Irak, Algerien, Nigeria, Venezuela und die USA. Sie tragen zu 40 % zur Ölproduktion, aber zu 65 % zur Menge des abgefackelten Gases bei.
Nach den 2022 unterbrochenen russischen Gaslieferungen Richtung Europa dürften die in Russland abgefackelten Erdgasmengen aktuell deutlich über der in Abbildung 2 dargestellten Menge liegen.
Grafik 2 (siehe PDF-Dokument)
Die weltweite Verteilung von Fackeln in Zusammenhang mit der Förderung von Erdgas und Erdöl zeigt:
Grafik 3 (siehe PDF-Dokument)
Der Wert des weltweit abgefackelten Gases, bezogen auf den durchschnittlichen Gaspreis im Jahr 2018, beträgt ca. 16 Mrd. US-$, laut einer Studie der IEA für 2021 sogar 55 Mrd. US-$ (bei einem Gaspreis von 10 $/MMBtU).
Methanemissionen
Nachdem die Klimawirkung von Methan 86× bzw. langfristig 28× größer ist als die von CO₂ („GWP20“ bzw. „GWP100“), tragen die unverbrannten Anteile der Fackelgase und die vielen unkontrollierten und nicht in Betrieb befindlichen Fackeln erheblich zu den Klimagasemissionen bei.
Seit Jahrzehnten wird auf Basis einer in den 1980er-Jahren entstandenen Studie der amerikanischen EPA angenommen, dass in den Fackeln 98 % der zugeführten Kohlenwasserstoffe verbrannt werden. Weltweit wird geschätzt, dass von den jährlich ca. 400 Mio. Tonnen Gesamtemissionen (als CO₂-Äqv.) mindestens 39 Mio. Tonnen Methan („Methanslip“) mit entsprechend hoher Klimawirkung zuzuordnen sind.
Umfangreiche Analysen in den Jahren 2020 und 2021 über drei Erdöl- bzw. Gasfelder in den USA ergaben jedoch Wirkungsgrade von durchschnittlich nur ca. 95 % für in Betrieb befindliche Fackeln und wegen vieler abgestellter Fackeln einen Gesamtwirkungsgrad von nur 91 %, was ein Vielfaches an Methanemissionen bedeutet, als für einen Wirkungsgrad von 98 % unterstellt wurde.
Grafik 4 (siehe PDF-Dokument)
Die Lieferunterbrechungen von russischem Erdgas im Zusammenhang mit dem Ukrainekrieg lassen vermuten, dass zeitweise große Mengen Methan unkontrolliert und unvollständig abgefackelt wurden. Schätzungen auf der Basis von Satellitenaufnahmen gehen von über 4·10³ m³ pro Tag aus. Dies entspricht einer täglichen Emission von 2.900 Tonnen Methan und 250.000 Tonnen CO₂-Äquivalent („GWP20“).
Grafik 5 (siehe PDF-Dokument)
Senkung der Emissionen der Restgas-Fackeln
Würden internationale Vorgaben und Vereinbarungen zur Absenkung der Netto-Emissionen von Klimagasen auf null im Jahr 2050 umgesetzt, müsste das Abfackeln von Kohlenwasserstoffen, mit Ausnahme von Störfällen, bis 2030 um 90 % vermindert werden.
Den größten Beitrag soll die 2015 gestartete ZRF-Initiative („zero-routine-flaring“) der Weltbank leisten. Der World Bank’s Global Gas Flaring Reduction Partnership (GGFR) haben sich Staaten und Unternehmen angeschlossen, die nach jetzigem Stand für ca. 60 % der abgefackelten Gase stehen.
Am weitesten fortgeschritten ist Norwegen mit einem Wirkungsgrad der Fackeln von fast 99 % und einem Regelwerk, das seit Einführung vor ca. 30 Jahren eine Verminderung der Fackelemissionen von 80 % bewirkt hat.
In den USA ist das Abfackeln von Begleitgasen in einigen Staaten, u. a. in Colorado, New Mexico und Alaska, inzwischen verboten.
Aus Sicht der IEA könnten für Europa unterausgelastete Pipelines aus Nordafrika genutzt werden, um bis zu 15 Mrd. m³/Jahr Begleitgase aus Öl- und Gasfeldern aufzunehmen, die derzeit abgefackelt werden. Ein zusätzliches Potential von 10 Mrd. m³/Jahr wird im Bereich der LNG-Versorgungskette gesehen, insgesamt ca. 7 % des europäischen Erdgasverbrauchs im Jahr 2021.
Aufbau einer Anlage zur Sammlung von Fackelgasen
Fackelgase bestehen überwiegend aus Methan, mit kleineren Anteilen an höheren Kohlenwasserstoffen und geringen Gehalten an Intergasen (Stickstoff, CO₂); eine typische Analyse zeigt Tabelle 1.
Grafik 6 (siehe PDF-Dokument)
Abbildung 6 zeigt den typischen Aufbau einer Anlage zur Sammlung und Abfackelung von Begleit- und Restgasen einer Ölförderanlage.
Grafik 7 (siehe PDF-Dokument)
Das zur Fackel geleitete Gas stammt aus der gesamten Verarbeitungskette, wie in Abbildung 6 am Beispiel einer Anlage zur Förderung von Erdöl gezeigt wird.
Der hohe Methananteil von Fackelgasen, der bis über 95 % betragen kann, spricht sowohl für eine stoffliche als auch energetische Nutzung. Dabei hängt die Wirtschaftlichkeit einer Investition von einer eventuell erforderlichen Konditionierung, der Gasmenge und auch von der Möglichkeit ab, das Gas regional zu sammeln und in größeren Einheiten zu verarbeiten.
In jedem Fall führt eine alternative Nutzung zu einer Einsparung von Rohstoffen für fossil hergestellte Produkte bzw. einer Einsparung von Energie sowie zu geringeren Emissionen des besonders wirksamen Treibhausgases Methan.
Nutzungsoptionen und -potential für Fackelgase aus der Erdöl- und Erdgasverarbeitung
On-site Nutzung:
Die Hauptzielrichtung ist die Vermeidung des Abfackelns im Sinne der GGFR-Initiative der Weltbank bis 2030. Dies erfolgt neben verfahrenstechnischen Optimierungen der Förderanlagen und der Verbesserung des Wirkungsgrads der Fackeln häufig durch On-site-Komprimierung und Rückführung der Gase in das Bohrloch. Ziel dabei ist eine Erhöhung der Fördermenge und letztlich die Speicherung der Restgase unter Vermeidung größerer Investitionen.
Energetische Nutzung (on- oder off-site):
Vor allem bei dezentraler Verwertung des Fackelgases an der jeweiligen Anlage steht die Erzeugung von elektrischer Energie, z. B. mit Gasmotoren oder -turbinen, im Vordergrund. Diese Art der Nutzung ist Stand der Technik und u. a. auch bei Biogasanlagen breit eingeführt. Typische Wirkungsgrade liegen bei 34–55 % (thermisch) und 28–47 % (elektrisch). Kombiniert werden bei einem Blockheizkraftwerk Wirkungsgrade im Bereich 85–90 % erzielt.
Der Energieinhalt des Fackelgases beträgt ca. 9 kWh/m³, der sich entsprechend in den thermischen und elektrischen Anteil aufteilt.
Nimmt man eine komplette Verstromung der in 2021 weltweit angefallenen 144 Mrd. m³ Fackelgase an, ergibt sich ein derzeit ungenutztes Potential von 400–680 TWh elektrischer Energie (zuzüglich 490–790 TWh Abwärme).
Ein großer Anteil der Fackeln befindet sich in der Nähe von Erdgas-Pipelines, was bei überschaubaren Investitionen Einspeisung der methanreichen Restgase in das Erdgasnetz nahelegt. Entsprechende Programme werden insbesondere in den USA aufgelegt.
Eine weitere Option ist die Verwendung als Compressed Natural Gas (CNG). Entsprechende Vertriebsnetze sind vor allem in den USA im Aufbau, wobei das CNG über ein „virtuelles Pipelinesystem“ (Straßentransport) verteilt wird.
Die Betankung von Fahrzeugen mit CNG erfordert eine entsprechende Infrastruktur. Beispielsweise gibt es in den USA bisher nur 2.000, in Deutschland 800 CNG-Tankstellen; der Fahrzeugmarkt ist unterentwickelt.
Grafik 8 (siehe PDF-Dokument)
In Entwicklung befinden sich dezentrale, zum Teil container-basierte Anlagen, die über Pyrolyse Wasserstoff und elementaren Kohlenstoff aus Fackelgasen erzeugen. Die Beimischung von so erzeugtem Wasserstoff soll erstmals an einem 49 MW Erdgas-Spitzenlastkraftwerk in England erprobt werden.
Weitere Nutzungsmöglichkeiten als Energieträger sind z. B. die energieintensive Produktion von Zement und Dünger.
Stoffliche Nutzung:
Auf Grund der Zusammensetzung der Fackelgase sind diese für alle geläufigen Konversionsverfahren verwendbar bzw. zumischbar, für die auch Erdgas eingesetzt wird. Schlüssel ist eine entsprechende Logistik über Pipelines oder auch virtuelle Pipelines für den Transport zu Anlagen mit entsprechender “economy-of-scale”.
Als Produkte sind über die Zwischenstufe Synthesegas u. a. Wasserstoff, Ammoniak und Methanol zu nennen. Beispielsweise würde die Jahresmenge von 144 Mrd. m³, die derzeit abgefackelt wird, einer jährlichen Methanolmenge von 150–180 Mio. Tonnen (100–120 Megamethanolanlagen à 5.000 Tonnen/Tag) entsprechen, d. h. mehr als die derzeitige weltweite Produktionskapazität von 160 Mio. Tonnen (2021).
