Erdgas

Übersicht

Erdgas ist ein fossiler Brennstoff, der hauptsächlich aus Methan (CH₄) besteht, mit geringeren Anteilen an schwereren Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid, Stickstoff und Spuren von Schwefelverbindungen. Es wird aufgrund seiner hohen Energiedichte pro Masseneinheit und der im Vergleich zu Kohle oder Öl relativ sauberen Verbrennung weit verbreitet für Heizung, Stromerzeugung und industrielle Prozesse eingesetzt.

Erdgas in Pipeline-Qualität enthält typischerweise 85–98 % Methan (Volumenanteil) und hat eine relative Dichte (spezifisches Gewicht) von 0,58–0,72 bezogen auf trockene Luft. Sein unterer Heizwert (LHV) liegt je nach Zusammensetzung und Messbedingungen ungefähr bei 34–40 MJ/m³.

Ursprünglicher Glossar-Umfang

Die Quellseite trägt den Titel Erdgas-Glossar und beschreibt Erdgas als Brennstoff, der umfangreich in Wohn-, Gewerbe- und Industrieanwendungen eingesetzt wird. Sie dient primär als Glossar-/Sucheinstiegsseite und verweist die Leser auf ein externes Erdgas-Glossar der American Gas Association. Die nachfolgenden technischen Referenzabschnitte bewahren diesen Quellumfang und ergänzen den für Auslegungs- und Verbrennungsarbeiten benötigten Berechnungskontext.

Original-Quelltext beibehalten: "Engineering ToolBox - Resources, Tools and Basic Information for Engineering and Design of Technical Applications!" Originaler Glossar-Absatz beibehalten: "A natural gas glossary with search terms." Externer Glossar-Link beibehalten: American Gas Association Natural Gas Glossary.

Wichtige Formeln

Wärmefreisetzungsrate

$Q = \dot{m} \cdot LHV$

Wobei $\dot{m}$ der Massenstrom des Brennstoffs und LHV der untere Heizwert auf Massenbasis ist.

Volumetrische Wärmefreisetzung

$Q_v = \dot{V} \cdot HI_v$

Wobei $\dot{V}$ der Volumenstrom und $HI_v$ die Heizintensität pro Volumeneinheit unter Standardbedingungen ist.

Stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Verhältnis

$AF_{stoich} = \frac{m_{air}}{m_{fuel}}$

Für reines Methan beträgt das stöchiometrische Luft-Brennstoff-Verhältnis nach Masse etwa 17,2:1.

Überschussluft aus Rauchgas-Sauerstoffgehalt

$EA = \frac{O_{2,\,flue}}{21 - O_{2,\,flue}} \times 100\%$

Eine gängige Feldmethode zur Abschätzung der Überschussluft aus einer trockenen Rauchgas-Sauerstoffmessung.

Wobbe-Index

$WI = \frac{HI_v}{\sqrt{SG}}$

Gase mit gleichem Wobbe-Index können in einem Brenner ausgetauscht werden, ohne die Wärmeeintragsleistung zu ändern.

Variablen

Typische Zusammensetzung

Verbrennungseigenschaften der Hauptkomponenten

Wärmeabgaberechner

Einheitenkonverter

Wiederhergestellte Originalquellentabellen

Die folgenden Tabellen wurden von der Originalquellenseite wiederhergestellt, um die vollständigen Referenzdaten zu erhalten.

Die zwischengespeicherte Originalseite enthielt eine Such-/Navigationstabelle, da die Quelle hauptsächlich ein Glossar-/Sucheintrag ist. Der technische Inhalt dieser Tabelle ist der externe American Gas Association Glossary-Link und die Beschreibung "Ein Erdgas-Glossar mit Suchbegriffen", die beide im Abschnitt Original Glossary Scope oben erhalten sind. Nicht-technische Suchsteuerelemente sind unten aufgeführt.

Technische Hinweise

• Heizwertbasis ist wichtig. HHV (Heizwert) umfasst die latente Wärme des Wasserdampfs in den Verbrennungsprodukten; LHV (Brennwert) schließt diese aus. Kesselwirkungsgradberechnungen in Nordamerika verwenden häufig den HHV, während in der europäischen Praxis üblicherweise der LHV verwendet wird. Das Vermischen der Konventionen führt zu Wirkungsgraden über 100 % bei Brennwertkesseln.
• Feuchtigkeit und Höhe. Die angegebenen Heizwerte beziehen sich auf trockenes Gas unter Standardbedingungen (typischerweise 15 °C oder 20 °C, 1 atm). Die tatsächliche Versorgung variiert mit dem Wasserdampfgehalt, dem barometrischen Druck und der Umgebungstemperatur.
• Relative Dichte und Messung. Blenden- und Turbinenzähler sind empfindlich gegenüber der Gasdichte. Unkorrigierte Messwerte können um 5–10 % abweichen, wenn die tatsächliche relative Dichte vom angenommenen Wert abweicht.
• Luftüberschussregelung. Erdgasbrenner werden typischerweise auf 3–15 % Luftüberschuss (1–3 % O₂ im Abgas) eingestellt. Zu wenig Luftüberschuss birgt das Risiko unvollständiger Verbrennung und CO-Bildung; zu viel beeinträchtigt den Wirkungsgrad und erhöht die NOₓ-Emissionen.
• Wobbe-Index-Toleranz. Viele Brennerspezifikationen akzeptieren eine Wobbe-Index-Variation von ±5 % ohne Nachjustierung. Pipelinebetreiber überwachen diesen Parameter, um die Gerätekompatibilität über verschiedene Versorgungsquellen hinweg sicherzustellen.
• Wasserstoff-Beimischung. Die Beimischung von bis zu 10–20 % Wasserstoff (volumenbezogen) in Erdgaspipelines wird derzeit aktiv untersucht. Der geringere volumetrische Heizwert und der breitere Brennbarkeitsbereich von Wasserstoff erfordern sorgfältige Brenner- und Sicherheitsbewertungen.
• Superkompressibilität (Z-Faktor). Bei Drücken über etwa 10 bar führt das ideale Gasgesetz zu Fehlern von mehreren Prozent. Der Z-Faktor korrigiert die zwischenmolekularen Kräfte; er wird aus Zustandsgleichungen wie AGA 8 oder GERG-2008 berechnet.

Referenzen

• Engineering ToolBox — Erdgas
• NFPA 54 / ANSI Z223.1, National Fuel Gas Code
• ISO 6976, Heizwerte, Dichte, relative Dichte und Wobbe-Index