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Im Laufe der Menschheitsgeschichte gingen Verbesserungen der Lebensqualität oft mit nachteiligen Nebenwirkungen einher. Die Mundgesundheit machte beispielsweise große Fortschritte durch die Fluoridierung von Wasser. Gleichzeitig gibt es Hinweise darauf, dass zu viel Fluorid zur Schwächung von Knochen und Bändern beiträgt und psychische Pathologien verschlimmern könnte. Die wissenschaftliche Forschung reagiert auf solche Probleme, indem sie nach Wegen sucht, die Vorteile zu erhalten und gleichzeitig die Nebenwirkungen zu mindern. Diese Art von Untersuchung findet im gesamten Spektrum der Natur- und angewandten Wissenschaften statt. Ein ausgezeichnetes Nebenprodukt solcher Entdeckungen ist der Einsatz des Abfackelns bei der Gewinnung und Verarbeitung von Brennstoffen.
Wenn Erdöl, Erdgas oder andere Energiequellen gewonnen und raffiniert werden, entstehen Begleitgase, die die Brennstoffproduktion in Bezug auf Sicherheit und Effizienz nicht unbedingt fördern – und sogar behindern können. Abfackeln bezieht sich einfach auf das Verbrennen von Gas, das für die Entwicklung der Energiequelle überflüssig ist. Unter Verwendung eines Kamins oder Auslegers, durch den das Fackelgas strömt, leiten Techniker die unerwünschten Verbindungen zur Spitze, wo sie mit der Luft reagieren. Diese Reaktion ist vielen bekannt, die eine Flamme auf einem Turm in Ölfeldern oder Brennstoffverarbeitungsanlagen sehen.
Das Abfackeln von Öl und Gas wird zum Wohle der Gesundheit und Sicherheit der Arbeiter durchgeführt. Eine eklatante Gefahr, die durch das Abfackeln beseitigt wird, ist der gefährliche Druckaufbau in Rohren und Tanks. Ein solches Ereignis könnte zu einer Explosion führen. Ein weiterer Nutznießer des Abfackelns ist die Atmosphäre: Die Verbrennung an der Fackelspitze setzt Wasserdampf und Kohlendioxid (CO₂) frei, neutralisiert aber auch die Auswirkungen von Schwefeldioxid und anderen flüchtigen organischen Verbindungen. Laut der US-Umweltschutzbehörde (EPA) "gelten Methanemissionsreduktionen von 2.000 Mcf (Millionen Kubikfuß) pro Jahr für eine einzelne Fackel mit einem einzelnen Zünder."
Gasfackelsysteme beginnen mit einem Einlassstrom zur Regulierung des Drucks von ankommendem Erdgas oder Rohöl. Der Strom gelangt zu einem Abscheidebehälter, wo sich Flüssigkeit und Dampf trennen. Von dort strömt das Gas zu einem Flammenrückschlags-Abscheidebehälter. Es gibt jedoch eine Schutzmaßnahme für diesen Übergang: Der Druck muss innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen, bevor sich der Flammenrückschlags-Abscheidebehälter öffnet. Spülgas wird in den Behälter gepumpt, um alle Reste brennbarer Gase auszustoßen. Auf diese Weise verhindert das System, dass die Flamme auf dem Fackelkamin nach unten schlägt und Schaden anrichtet. Erst dann kann das Gas in den Gasfackelkamin eintreten.
Abfackeln und Entlüften werden oft miteinander verwechselt. Tatsächlich ist Entlüften die regulierte Freisetzung von Gasen in die Atmosphäre während der Produktionsphase des Energiegewinnungsprozesses. Beim Entlüften findet keine Verbrennung statt, während Abfackeln das kontrollierte Verbrennen von Gasen sowohl während der Produktions- als auch der Verarbeitungsphase ist.
Obwohl das Abfackeln die Atmosphäre scheinbar vor toxischen und flüchtigen organischen Verbindungen schützt, ist es dennoch für die Freisetzung von CO₂ und Methan (CH₄) verantwortlich. Dass diese Verbindungen maßgeblich zur globalen Erwärmung beitragen, ist gut belegt. Tatsächlich konzentrieren sich unzählige öffentliche und private Studien allein auf CH₄-Emissionen: Einige Schätzungen von gezielten Erdgasförderanlagen erreichen 10 Prozent des Gesamtausstoßes. Doch CH₄ ist nicht die einzige Folge des Abfackelns von Erdgas. Eine weitere Komponente dieser Verbrennung ist der sogenannte Black Carbon, d.h. feine Partikel-Luftverschmutzung. Der Laie kennt es als Ruß. Das Ergebnis unvollständiger Verbrennung von Öl, Erdgas oder Holz, neben anderen Brennstoffquellen. Während Black Carbon eine kurze Lebensdauer als atmosphärische Bedrohung hat, kann es in dieser kurzen Zeit viel Schaden anrichten. Es ist bekannt, dass es einen nachteiligen Einfluss auf Pflanzen, Böden und die Kryosphäre, d.h. Eis und Schnee, sowie auf die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden hat. Eine selbst geringfügige Reduzierung von Black Carbon zeigt, dass diese Probleme gemindert werden können.
Die Suche nach Abhilfemaßnahmen für die negativen Nebenwirkungen des Abfackelns ist eine kontinuierliche Aufgabe. Im Falle von Erdgas ist das Abfackeln keine dringende Notwendigkeit, wenn ein direkter Pipeline-Zugang besteht, über den das Gas zur Reinigung zu einer Aufbereitungsanlage transportiert werden könnte. Ohne diese Infrastruktur gibt es jedenfalls andere Technologien, die auf die Rückgewinnung von Fackelgas hindeuten. In Taiwan beispielsweise sind Kompressoren jetzt – gesetzlich vorgeschrieben – an Raffinerie-Fackelsystemen angebracht, so dass das Abgas zu einer Bodenfackel geleitet wird, die während der Verbrennung vollständig geschlossen ist. Nur wenn das Verarbeitungsvolumen einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, kann die Fackelkonstruktion überschüssiges Abgas aufnehmen. Dieses Fackelgasrückgewinnungssystem bietet eine umweltfreundlichere Alternative.
Biogas, manchmal als erneuerbares Erdgas bezeichnet, ist Methan, das aus organischem Material gewonnen wird. Als Substrat in der Biogasproduktion bezeichnet, umfasst das organische Material die gesamte Bandbreite – verrottendes Laub und Tierkadaver; Lebensmittelabfälle und Kompost; Wildtierkot und Gülle; Abwasser und Klärschlamm, um nur einige Beispiele zu nennen. Wenn solchen Substanzen Sauerstoff entzogen wird, findet eine anaerobe Vergärung statt, bei der das Material über mehrere Stufen hinweg chemisch von Bakterien zersetzt wird. Wenn die endgültigen Reaktionen stattfinden, werden sowohl CH₄ als auch CO₂ aus dem Substrat freigesetzt. Die Technologie anaerober Fermenter ermöglicht es heute, Substrat in großen Mengen zu verarbeiten und das Biogas für die Verwendung als Fahrzeugkraftstoff und zur Umwandlung in Elektrizität zu erfassen und zu reinigen.
Abhängig von der Art des organischen Materials, das als Substrat dient, kann es zunächst zu einer homogeneren Textur zerkleinert werden. Von diesem Punkt an gelangt das Substrat in den Fermenterbehälter, wo es oft auf über 100 Grad Fahrenheit erhitzt wird. Wenn diese Fermentationsperiode – 20 Tage oder mehr – abgeschlossen ist, beträgt der Methananteil der Gasmenge zwischen 40 und 70 Prozent. Der Rest ist hauptsächlich CO₂ und einige Spuren von Verunreinigungen. Viele Methoden stehen zur Verfügung, um das CH₄ abzutrennen, darunter Absorption, Adsorption und Membranfiltration. Der Substratrest, jetzt als Gärrest bezeichnet, dient als potenter Dünger für landwirtschaftliche Kulturen.
Zu den Verbindungen, die die Biogasleistung beeinträchtigen oder anderweitig die Gesundheit und Effizienz gefährden, gehören: Wasserdampf; Schwefelwasserstoff; Halogenverbindungen; Ammoniak; Siloxane; flüchtige organische Verbindungen. Feinstaub, ähnlich wie Black Carbon, kann auch in Rohbiogas vorhanden sein. Solche Verunreinigungen hemmen nicht nur die Kraftstoffeffizienz, sondern können auch korrosive Schäden an Behältern und Leitungen verursachen, durch die das Biogas transportiert wird.
Gängige Entfernungsmethoden haben ihre Wirksamkeit bei der Reinigung von Methan zur Energienutzung gezeigt. • Absorption – Eine Möglichkeit zur Aufwertung besteht darin, das Biogas durch eine Säule mit Natriumhydroxid (NaOH)-Lösung zu leiten, die die Verunreinigungen absorbiert, während das CH₄ hindurchströmt. • Adsorption – Dies beinhaltet den Kontakt des Biogases mit einer festen Oberfläche aus Eisenoxid, Aktivkohle, Silicagel und/oder anderen Verbindungen, die dazu führen, dass die unerwünschten Gasmoleküle an der Oberfläche haften bleiben. • Membranen – Es werden poröse Materialien verwendet, durch die die unreinen Gasmoleküle hindurchtreten, während Methanmoleküle zurückgehalten werden.
Oft ist die Biomasse in Kläranlagen oder Deponien reich an kontaminierenden gasförmigen Verbindungen. Einige dieser Anlagen entscheiden sich für ein Biogasabfackelsystem. Deponiegas wird häufig in einer geschlossenen Biogasfackel verbrannt. Das Abfackeln kann konstant oder intermittierend erfolgen. Ersteres reduziert die Menge an Methan, die in die Atmosphäre freigesetzt wird, während letzteres den Zustand der Energieumwandlungsanlagen berücksichtigt. Es ist anzumerken, dass Biogas kohlenstoffneutral ist, so dass jede CO₂-Emission nicht als zusätzliches Treibhausgas zählt. Die Nutzung von Biogas zur Energiegewinnung begrenzt per Definition das Volumen des in der Atmosphäre aufsteigenden Methans, ob abgefackelt wird oder nicht. Daher verursacht das Abfackeln beim Verbrennen von Biogas weniger Umweltprobleme als bei Erdgas aus geologischen Lagerstätten. Es versteht sich von selbst, dass das geschlossene Abfackeln noch umweltfreundlicher ist. Ob abgefackelt oder eine andere Technik zur Eliminierung der schädlichen Gase angewendet wird, hängt oft vom Substrat ab, das das Biogas erzeugt.
Energieexperten nutzen das Abfackeln, um Abgase bei der Produktion und Raffination von Erdgas und Erdöl zu verbrennen. Während das Entlüften diese Gase direkt in die Atmosphäre abgibt, setzt das Abfackeln, d.h. das Verbrennen der Gase, weniger frei und zerstört mehr. Es gibt jedoch ökologische Nachteile im Zusammenhang mit Fackelrückgewinnungssystemen. Methan, ein primäres Treibhausgas, wird immer noch aus dem Fackelkamin emittiert. Darüber hinaus ist Black Carbon-Partikel auch eine Folge des Abfackelns. Biogas wird in einigen Fällen ebenfalls abgefackelt. Die unerwünschten Folgen des Abfackelns von fossilen Brennstoffen werden bei Biogas etwas gemildert.
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