Aardgas: Van Winning tot Distributie – Een Uitgebreid Overzicht

Achtergrond

Aardgas is een mengsel van brandbare koolwaterstoffen gevormd door thermische decompositie van organische stof diep ondergronds. Het wordt vaak naast olie gevonden, maar grote reservoirs bestaan waar olie afwezig is. De schone, efficiënte verbranding maakt het een hoeksteen van residentiële verwarming, koken, en een breed scala aan industriële processen.

Geschiedenis

Aardgas heeft de mensheid al millennia gefascineerd. Vroege beschavingen observeerden gloeiende uitstromingen uit rotsen en bronnen, die soms door bliksem ontbrand werden, wat tot legenden van "vuur uit de aarde" leidde. In ongeveer 900 v.Chr. gewonnen Chinese ingenieurs gas uit putten, gebruikmakend ervan om zeewater te verdampen voor zoutproductie. In de eerste eeuw n.Chr. hadden ze geavanceerde boortechnieken ontwikkeld, diepten bereikend van 4.800 ft (1.460 m) met bamboe-gekernte metalen boorbits.

De Romeinen waren zich ook van aardgas bewust; Julius Caesar zou een "brandende bron" bij Grenoble, Frankrijk, hebben gezien. In vroegrusland werden tempels gebouwd om eeuwigdurende vlammen gevoed door aardgasuitstromingen.

In de Verenigde Staten boorde William Hart de eerste opzettelijke gasput in 1821 aan Canadaway Creek, New York, gebruikmakend van uitgeholde blokken om gas te pipen voor verlichting. De Fredonia Gas, Light, and Waterworks Company werd de eerste Amerikaanse gasmaatschappij in 1865. Een 25-mi (40 km) pipeline van een gasveld naar Rochester volgde in 1872, ook met uitgeholde blokken. De Bunsenbrander (1885) stimuleerde interesse in gas voor verwarming en koken. In 1891 voedde een hoogdrukdepot in centraal Indiana een 120-mi (192 km) pipeline naar Chicago.

Vroege inspanningen werden beperkt door onvoldoende distributienetwerken, zodat gas een lokaal product bleef. In de jaren 1910 herkenden oliebedrijven het financiële verlies door gas te venten en begonnen pipelines naar grote steden te installeren. Pas na de Tweede Wereldoorlog ontstond een landelijk netwerk, wat aardgas een competitieve alternatief voor elektriciteit en kolen maakte.

Vandaag bedienen de VS meer dan 600 verwerkingsinstallaties en 300.000 mi (480.000 km) hoofdtransportpipelines. Significante reserves bestaan ook in de voormalige Sovjet-Unie, Canada, China, en de Arabische Golf.

Grondstoffen

Rauw aardgas bestaat primair uit methaan, vergezeld van ethaan, propaan, butaan, en andere koolwaterstoffen. Het kan ook waterdamp, waterstofsulfide, koolstofdioxide, stikstof, en sporen helium bevatten.

Tijdens verwerking worden veel bestanddelen verwijderd of gescheiden voor verkoop. Ethaan, propaan, butaan, waterstofsulfide, en helium worden vaak geïsoleerd; waterdamp, CO₂, en stikstof worden verwijderd om kwaliteit en transportgemak te verbeteren.

Het resulterende product bestaat hoofdzakelijk uit methaan en ethaan, met additieven zoals mercaptan toegevoegd voor lekkagedetectie.

Het Productieproces

Winnen

• 1 Sommige reservoirs bezitten voldoende druk voor gas om natuurlijk naar de oppervlakte te stromen; de meeste putten vereisen pompen. De meest voorkomende pomp heeft een lange staaf bevestigd aan een zuiger, aangedreven door een schommelbalk—een ontwerp vaak een paardenkop-pomp genoemd.
• 2 Op de oppervlakte wordt gas van olie gescheiden (indien aanwezig) en naar een centrale verwerkingsinstallatie geleid. Honderden putten kunnen een enkele faciliteit voeden.

Verwerken

• 3 In de VS komt ~75% van aardgas uit olievrije reservoirs, wat verwerking vereenvoudigt. Rauw gas bevat typisch vuil, zand, en waterdamp. Filters of vangen verwijderen vastestoffen, terwijl desiccanttorens (alumina, silicagel) of vloeibare desiccanten (glycol) de stroom drogen voor verdere behandeling of directe injectie in transportpipelines.
• 4 Zwaardere koolwaterstoffen—propaan, butaan—worden gevangen via een koude absorptietoren met kerosine-achtige olie. De olie condenseert en vangt ~85% van propaan en bijna alle butaan; de lichtere gassen verlaten de toren. De olie wordt vervolgens gedestilleerd, en de koolwaterstoffen worden gescheiden in een fractioneringskolom.
• De gasstroom bevat nu methaan, ethaan, een kleine hoeveelheid propaan, en sporen CO₂, H₂S, N₂, etc. Ethaan kan verder gescheiden worden met cryogene compressie/expansie cycli, en de overige waterdamp wordt gereduceerd door extra dehydratatiestappen.
• 6 Bij hoog CO₂ of H₂S gehalte, introduceert een chemische wastoren monoethanolamine, dat reageert met de zuren en vervolgens wordt afgevoerd voor verwerking.
• 7 Stikstof, een niet-brandbare verdunner, wordt verwijderd door laag-temperatuurdistillatie na CO₂ en H₂S verwijdering—een algeheel "opwaarderings" proces dat schonere, hogere-energie gas oplevert.
• 8 Heliumherwinning volgt stikstofverwijdering via een complexe cryogene distillatie en zuiveringslus, wat aardgas de primaire heliumbron van de VS maakt.

Transporteren

• 9 Het verwerkte gas ontvangt mercaptan voor lekkagedetectie, reist dan naar een compressorstation waar druk verhoogd wordt tot 200–1.500 psi (1.380–10.350 kPa). Ondergrondse transportpipelines—20 tot 42 inch (51–107 cm) in diameter—die duizenden mijlen beslaan, houden het gas in beweging, met compressorstations elke ~100 mi (160 km) om drukverlies door wrijving te herstellen.
• 10 Bij bestemming kan gas in ondergrondse opslag geïnjecteerd worden (uitgeputte reservoirs, aquifers, zoutkavernen) om seizoensgebonden vraag te balanceren.

Distribueren

• 11 Vanuit opslag wordt gas gerouteerd naar lokale distributiepipelines bij drukken tot 1.000 psi (6.900 kPa).
• 12 Druk wordt afgetapt onder 60 psi (410 kPa) voor het stadsnetwerk, dan verder gereduceerd tot ~0,25 psi (1,7 kPa) voordat het individuele huizen of bedrijven binnenkomt.

Kwaliteitscontrole

Aardgas is hoogst brandbaar en kan exploderen als een grote hoeveelheid abrupt ontbrand. Dodelijke incidenten zijn voorgekomen door plotselinge lekkages en langdurige verstikking. Om risico's te mitigeren, worden geurstoffen (mercaptan) toegevoegd, en helder gele waarschuwingsband wordt een paar voeten boven hoogdrukpipelines begraven. Grondniveau signalisatie waarschuwt het publiek verder voor pipelinelocaties.

De Toekomst

Aardgas's lage emissieprofiel maakt het een veelbelovende alternatieve brandstof voor motorvoertuigen; gecomprimeerd aardgas (CNG) vloot zijn al wereldwijd operationeel. Bovendien transitieëren veel hoog-hitte industriële processen—staal, glas, cement, chemicaliën, aluminium, en verwerkte voedingsmiddelen—naar aardgas om luchtverontreiniging te verminderen.