Zum Hauptinhalt springen

Tieferes Eintauchen

Programm zur Verringerung von Methan aus Öl und Gas

Arbeitsbereich: Vermeidung von Methanverschmutzung

Im Vergleich zu anderen Lösungen für den Klimawandel ist die Methanreduzierung im Öl- und Gassektor relativ kostengünstig. Einige Maßnahmen sparen sogar Geld, wenn man die zusätzlichen Einnahmen aus dem Verkauf von Gas, das sonst in die Luft freigesetzt würde, mit einrechnet. Die Internationale Energieagentur schätzt, dass mit der heutigen Technologie weltweit eine 75-prozentige Verringerung des Methanausstoßes im Öl- und Gassektor möglich ist, und dass eine 50-prozentige Verringerung ohne Nettokosten möglich ist. Eine Reduzierung um nur 50 % hätte die gleichen langfristigen Auswirkungen auf das Klima wie die Schließung aller Kohlekraftwerke in China. Viele nationale und subnationale Regierungen haben bereits strenge Vorschriften für Öl- und Gasmethan erlassen, die eine Verringerung einiger oder aller dieser Quellen vorschreiben. Einige der schärfsten aktuellen Vorschriften finden sich in Kanada, Colorado, Kalifornien und Mexiko.

Die größten Minderungsmöglichkeiten bieten natürlich die größten Emittenten. Auf diesen Seiten werden einige dieser großen Minderungsmöglichkeiten beschrieben. Was ist die Quelle - welche Rolle spielen die Geräte oder Prozesse, die Gas emittieren, in der Öl- und Gasindustrie und warum emittieren sie? Wie können sie gereinigt werden? Welche anderen Gerichtsbarkeiten haben Programme und Vorschriften eingeführt, um die einzelnen Quellen zu reinigen?


Die oben genannten Quellen sind zusammen für 75 % der Methanemissionen aus der Öl- und Gasindustrie in den USA verantwortlich. Und es gibt eine Vielzahl von Technologien und Praktiken, um die Emissionen aus diesen Quellen deutlich zu reduzieren.

Lecks und unsachgemäße Entlüftung

Ein großer Teil der Emissionen aus der Öl- und Gasindustrie ist auf Leckagen zurückzuführen - eine weit gefasste Kategorie, die das umfasst, was wir üblicherweise als "Leck" bezeichnen (d. h. Gas, das an einer defekten Dichtung vorbei, durch einen Riss oder korrodiertes Material an einem Behälter usw. entweicht), aber auch andere unsachgemäße Vorgänge und "Fehler" wie z. B. festsitzende Ventile, offen gelassene Luken, unbeleuchtete Fackeln und andere Probleme vor Ort, die zu Emissionen führen.

Während das US-Emissionsinventar der EPA schätzt, dass die Öl- und Gasindustrie jährlich 3 Millionen Tonnen Methan entweichen lässt (37 % der Industrieemissionen), hat eine Vielzahl unabhängiger, von Fachleuten begutachteter Untersuchungen gezeigt, dass diese Zahl viel zu niedrig ist. In einer 2018 in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie analysierten 24 Wissenschaftler von 16 Universitäten und Institutionen Methanmessungen vor Ort an über 400 Bohrlöchern und anderen Anlagen in der Gasindustrie sowie flugzeuggestützte Studien in mehreren Erdöl- und Erdgasförderbecken; diese Becken machen über 30 % der Erdgasförderung in den USA aus. Die Analyse ergab, dass die landesweiten Methanemissionen der Öl- und Gasindustrie tatsächlich 60 % höher sind als von der EPA geschätzt, und dass die "fehlenden Emissionen" größtenteils auf Lecks und unsachgemäße Entlüftung zurückzuführen sind. Dies bedeutet, dass eine enorme Menge an Methan - 7,1 Millionen Tonnen - durch Lecks und unsachgemäße Entlüftung entsteht. Kurzfristig heizt das Methan aus diesen Lecks unser Klima so stark auf wie 160 Kohlekraftwerke.

Lecks sind weit verbreitet, und es gibt keine einzige Ursache für diese Lecks. Thermische oder mechanische Belastungen können Dichtungen beschädigen, ebenso wie menschliches Versagen (z. B. unsachgemäße Installation, Bedienung oder Wartung), während der normale Betrieb und die Witterungseinflüsse die Anlagen im Laufe der Zeit abnutzen können. In allen Öl- und Gasanlagen treten irgendwann Leckagen auf; werden sie nicht rechtzeitig behoben, ist dies eine verschwenderische und schädliche Praxis, die zu eindeutig vermeidbaren Emissionen führt. Die größte Quelle dieser Emissionen sind sehr große, aber seltene "Superemittenten", die durch unsachgemäßen Betrieb entstehen (klemmendes Ventil, offen gelassene Luke oder unbeleuchtete Fackel). Die Forschung hat gezeigt, dass Superemittenten nicht vorhergesagt werden können und an jedem Standort auftreten können.

Glücklicherweise sind die meisten Lecks einfach zu reparieren (und die Reparatur von Lecks wird durch den Wert des Gases bezahlt, das durch die Reparatur eingespart wird). Außerdem ist das Aufspüren von Lecks mit moderner Technologie effizienter geworden. Heutzutage werden standardmäßig Spezialkameras eingesetzt, die Infrarotlicht erkennen können (man denke an Nachtsichtgeräte) und so eingestellt sind, dass sie Methan, das für unsere Augen unsichtbar ist, sichtbar machen. Sie ermöglichen es den Inspektoren, austretendes Gas direkt und in Echtzeit abzubilden, ganze Komponenten zu inspizieren (nicht nur Anschlüsse und andere Bereiche, die am ehesten undicht werden) und die genaue Quelle zu lokalisieren, was die Reparatur erleichtert. Und die Technologie verspricht, diesen Prozess in den kommenden Jahren noch effizienter (und billiger) zu machen.

Diese Technologien können zur Verringerung schädlicher Leckageemissionen eingesetzt werden, indem regelmäßige Inspektionen als Dreh- und Angelpunkt rigoroser "Leckageerkennungs- und -reparaturprogramme" (LDAR) eingesetzt werden. Diese Programme verlangen von den Betreibern, dass sie alle ihre Anlagen regelmäßig auf Lecks und unzulässige Emissionen untersuchen und alle festgestellten Lecks innerhalb einer angemessenen Frist reparieren. Kalifornien beispielsweise verlangt von den Betreibern, alle Anlagen viermal im Jahr zu überprüfen. Colorado verfolgt einen anderen Ansatz und verlangt von den Betreibern der größten Standorte monatliche Überprüfungen, während für Standorte mit geringeren potenziellen Emissionen weniger häufige Inspektionen vorgeschrieben sind.

Entlüftung pneumatischer Geräte

Gasbetriebene automatische pneumatische Anlagen nutzen die Druckenergie von Erdgas in Pipelines zur Steuerung und Betätigung von Ventilen und Pumpen. Dieser Ansatz ermöglicht es den Betreibern, Anlagen an Standorten ohne Stromanschluss zu automatisieren - was für Öl- und Gasanlagen in einigen Ländern sehr typisch ist. In diesen Ländern sind pneumatische Ausrüstungen in Öl- und Gasförder- und Kompressionsanlagen allgegenwärtig, und sie sind so konzipiert, dass sie Erdgas in die Atmosphäre ableiten.

Pneumatische Ventilsteuerungen steuern automatisch Ventile in Abhängigkeit von Faktoren wie Flüssigkeitsstand in einem Flüssigkeits-Gas-Abscheider, Druck oder Temperatur. Sie können danach klassifiziert werden, ob und wie schnell sie Erdgas entlüften oder "entlüften" und ob sie kontinuierlich oder intermittierend entlüften (in der Regel nur, wenn sie eine Funktion ausführen). Regler können entweder als High-Bleed- oder Low-Bleed-Geräte klassifiziert werden, und es hat sich gezeigt, dass die Umstellung von High-Bleed- auf Low-Bleed-Geräte in fast allen Fällen machbar und kostengünstig ist. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass als "Low-Bleed" spezifizierte Steuergeräte häufig Fehlfunktionen aufweisen und Emissionen verursachen, die weit über dem Low-Bleed-Grenzwert liegen.

Eine wirksamere Minderungsstrategie ist daher der Einsatz von "Zero-Bleed"-Reglern, die kein Erdgas ausströmen lassen, indem sie anstelle von unter Druck stehendem Erdgas mit Druckluft oder elektrischer Energie betrieben werden oder indem sie das Erdgas, das andernfalls ausströmen würde, zur weiteren Verwendung auffangen. Einige Zero-Bleed-Geräte werden mit Solarstrom betrieben, andere benötigen Strom aus dem Netz oder einen gasbetriebenen Generator vor Ort oder Druckluft, die mit einem erdgasbetriebenen Motor verdichtet wird. Durch den Ersatz erdgasbetriebener pneumatischer Steuerungen durch Zero-Bleed-Geräte lassen sich erhebliche Methanemissionsreduzierungen erzielen, auch an netzfernen Bohrstellen.

Pneumatische Pumpen nutzen den Druck von Erdgas, um die Energie zu liefern, die erforderlich ist, um Flüssigkeiten umzuwälzen und unter Druck zu setzen. Sie werden zum Beispiel eingesetzt, um flüssige Chemikalien wie Korrosionsschutzmittel in Gasleitungen einzubringen. Elektrische Pumpen, die oft mit Solarenergie betrieben werden, eliminieren Methanemissionen vollständig und sind an vielen Orten technisch machbar.

Mehrere Länder haben strenge Normen zur Reduzierung der Emissionen von pneumatischen Steuerungen und Pumpen eingeführt. In Kalifornien beispielsweise müssen alle neuen pneumatischen Geräte emissionsfrei sein, und alle vorhandenen Pumpen müssen unterhalb des Schwellenwerts für niedrige Emissionen emittieren. Die Betreiber müssen die Emissionen jedes Geräts jährlich messen, um sicherzustellen, dass sie tatsächlich unter diesem Grenzwert liegen. Britisch-Kolumbien schreibt ebenfalls vor, dass alle neuen pneumatischen Geräte emissionsfrei sein müssen, und verlangt außerdem Null-Ablass-Regelungen für alle großen Verdichterstationen (> 3 MW).

Entlüftung des Verdichters

Die Dichtungen von Erdgaskompressoren sind eine bedeutende Quelle für vermeidbare Methanemissionen.

Hubkolbenkompressoren verwenden Kolben zur Verdichtung von Gas. Diese Kompressoren haben Dichtungen an den Kolbenstangen, die die Bewegung vom Motor auf die Kolben in den Hochdruckzylindern des Kompressors übertragen; diese Dichtungen werden oft als Stangenpackungen bezeichnet und sind eine große Emissionsquelle. Selbst im Neuzustand lassen die Dichtungen etwas Gas entweichen. Mit der Zeit verschleißen sie und lassen mehr Gas entweichen. Wenn sie nicht regelmäßig ausgetauscht werden, können die Emissionen sehr hoch werden: Je älter die Dichtungen sind, desto mehr Methan stoßen sie aus. Glücklicherweise lassen sich diese Methanemissionen leicht reduzieren. Erstens können durch ordnungsgemäße Wartungspraktiken - regelmäßiger Austausch der Stangenpackungen - die Emissionen minimiert werden und sollten daher vorgeschrieben werden. Ein zusätzlicher oder alternativer Ansatz besteht darin, das aus der Stangenpackung entweichende Gas aufzufangen und zu nutzen, indem es z. B. dem Kraftstoff-Luft-Gemisch für den Kompressormotor beigemischt wird. Dies kann ein besserer Ansatz sein, da ein Teil des Gases sogar aus neu installierten Stangenpackungen entweicht.

Zentrifugalkompressoren verwenden eine sich drehende Turbine, um Gas unter Druck zu setzen. Die schnell rotierende Hauptwelle des Kompressors wird im Allgemeinen mit einer von zwei Technologien abgedichtet. Nassdichtungen lassen Öl zirkulieren, um den engen Spalt zwischen der Welle und dem Gehäuse abzudichten. Dieses Öl absorbiert erhebliche Mengen des unter hohem Druck stehenden Erdgases, das vor der Rückführung aus dem Öl entfernt werden muss. Normalerweise wird das aus dem Dichtungsöl entfernte Gas entlüftet, was zu erheblichen Emissionen führt. Bei Trockendichtungen hingegen wird ein moderneres Design verwendet, um die Verwendung von Dichtungsöl zu vermeiden, was zu wesentlich geringeren Emissionen führt. Methanemissionen können kostengünstig und erheblich reduziert werden, indem Zentrifugalkompressoren auf Trockendichtungen umgestellt werden oder Gas, das aus einem nassgedichteten Kompressor entweichen würde, in das Pipelinesystem oder eine andere Verwendung umgeleitet wird.

Tankentlüftung

Lagertanks werden zur Lagerung von Öl, Kondensat und Produktionswasser aus Öl- und Gasbohrungen verwendet. Diese Bohrlöcher stehen in der Regel unter hohem Druck, aber Öl, Wasser und andere Flüssigkeiten werden normalerweise an den Bohrlöchern in Tanks gelagert, die bei oder nahe dem atmosphärischen Druck stehen. Wenn die Flüssigkeiten aus dem Hochdruckbohrloch in den Tank mit atmosphärischem Druck befördert werden, entweichen Methan und andere flüchtige Kohlenwasserstoffe, die in den Flüssigkeiten gelöst sind, in Blasenform aus der Flüssigkeit, so wie Blasen aus Limonade entstehen, wenn man den Deckel von der Flasche nimmt, wodurch der Druck in der Flasche verringert wird. Viele Tanks haben keine Kontrollen, so dass das Methan zusammen mit den anderen flüchtigen Kohlenwasserstoffen in die Atmosphäre entweicht. Diese anderen Kohlenwasserstoffe sind starke Vorläufer des regionalen Ozonsmogs und enthalten auch giftige Luftschadstoffe.

Durch den Einsatz von Dampfrückgewinnungsanlagen - kleinen Kompressoren, die diese Kohlenwasserstoffdämpfe auffangen, so dass sie unter Druck gesetzt und in eine Pipeline geleitet werden können - lassen sich die Emissionen der Tanks kontrollieren und die Kohlenwasserstoffe für den Verkauf aufbewahren.

Entlüftung bei der Bohrlochkomplettierung

Methanemissionen aus hydraulisch gefrackten Öl- und Gasbohrungen können erheblich sein. Glücklicherweise gibt es für diese Quelle kostengünstige und wirksame Maßnahmen zur Abfallvermeidung. Dasselbe Konzept der emissionsreduzierten Fertigstellung (Reduced Emissions Completions, REC), das bei der Fertigstellung von Gasbohrungen angewandt wird - bei dem die Betreiber das Erdgas mit speziellen Geräten auffangen und in Pipelines leiten, anstatt es in die Luft entweichen zu lassen - kann auch auf Begleitgas angewendet werden, das bei der Fertigstellung von Ölbohrungen entsteht. RECs reduzieren die Methanemissionen sowohl von Öl- als auch von Gasbohrungen um mehr als 95 %.

Entlüftung und Abfackeln bei der Ölförderung

Die Betreiber von Ölbohrungen lassen häufig Erdgas ab und fackeln es ab. Zu dieser Verschwendung kommt es, wenn Ölproduzenten, getrieben von der Eile, Öl zu verkaufen, das Gas aus den produzierenden Ölquellen einfach entsorgen, anstatt eine Infrastruktur (z. B. Pipelines) zu bauen, um das Gas aufzufangen, sobald die Produktion beginnt. (In einigen Fällen werden nie Pipelines gebaut und das gesamte Gas, das die Bohrung während ihrer Lebensdauer produziert, wird auf diese Weise verschwendet, wie aus den Verkaufsunterlagen für einzelne Bohrungen hervorgeht, die bei den staatlichen Aufsichtsbehörden erhältlich sind). Ein erheblicher Teil dieses Gases wird abgefackelt - was Energie verschwendet und große Mengen an Kohlendioxid und anderen Schadstoffen erzeugt -, ein anderer Teil wird einfach in die Luft entsorgt oder abgeleitet. Selbst in Fällen, in denen keine Gaspipeline angeschlossen ist, gibt es eine Reihe anderer Technologien, die Betreiber einsetzen können, um das Abfackeln von Begleitgas an Ölquellen zu reduzieren.

Die Entlüftung ist sogar noch schädlicher als das Abfackeln, da Methan das Klima so stark erwärmt und flüchtige organische Verbindungen und giftige Schadstoffe unvermindert freigesetzt werden. Das Abfackeln dieses Gases sollte in jedem Fall verboten werden, da es eine absolut unnötige Quelle schädlicher Luftverschmutzung darstellt. Es gibt zahlreiche kostengünstige (und in der Regel rentable) Möglichkeiten, Erdgas aus Erdölbohrungen zu nutzen. Das Abfackeln sollte der letzte Ausweg sein: Nur in den extremsten Fällen sollte es den Erdölproduzenten erlaubt sein, Gas abzufackeln, und es sollte sich dabei ausschließlich um eine vorübergehende Maßnahme handeln. Vorschriften, die das Abfackeln von Erdgas verbieten, können die Emissionen leicht um 95 % reduzieren.

Entlüftung des Dehydrators

Dehydratoren entfernen Wasser aus dem Erdgasstrom. Wenn die Emissionen von Glykol-Dehydratoren, dem am häufigsten verwendeten Typ, nicht kontrolliert werden, stoßen die Dehydratoren große Mengen an Methan und anderen Schadstoffen aus. Dehydratoren sind auch große Quellen für flüchtige organische Verbindungen und besonders große Quellen für toxische Luftschadstoffe. Die Reinigung von Methan aus Trocknern wird auch die HAP-Emissionen verringern, was für die Luftqualität von großem Nutzen ist. Es gibt eine Reihe von Ansätzen zur Verringerung der Emissionen aus der Entlüftung von Trocknern, z. B. die Anpassung der Zirkulationsraten der Glykolflüssigkeit, die Weiterleitung des Entlüftungsgases zu einem Brenner, der zur Erwärmung des Glykols verwendet wird, so dass Methan und toxische Stoffe verbrannt werden, die Verwendung eines Kondensators, um schwerere VOC und toxische Stoffe aus dem Entlüftungsgas abzuscheiden (der kein Methan abscheidet), und die Weiterleitung der Emissionen zu einer Fackel oder Verbrennungsanlage.