Methan Ratgeber
1. Geschichtliche Fakten rund um Methan Gas
2. Physikalische und chemische Eigenschaften von Methangas
3. Irdische Vorkommen von Methan
4. Bildung von Methan durch Fäulnisprozesse
8. Biologie und Umweltauswirkungen von Methangas
Methan
Methan ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Es ist ein farb- und geruchloses sowie brennbares Gas mit der Summenformel CH4 und von der Struktur her der einfachste Vertreter aus der Gruppe der Kohlenwasserstoff. Andere Bezeichnungen für die Substanz sind Erdgas, Methylwasserstoff, Carban und Sumpfgas.
In Erd- und Biogas bildet Methan den Hauptbestandteil, zudem ist es ein bedeutender Teil von Holzgas. Die industrielle und auch die demografische Entwicklung in der Neuzeit haben dazu geführt, dass Methan Gas nach Kohlenstoffdioxid (CO2) den zweiten Platz unter den Treibhausgasen einnimmt, für deren Ausstoß der Mensch verantwortlich ist.
Es ist in der Atmosphäre mengenmäßig in geringerem Maße vorhanden als CO2, von den Auswirkungen her aber etwa 20- bis 30-mal stärker. Methan wird als Bestandteil von Erdgas aber nicht nur aus endlichen unterirdischen Lagern gefördert, sondern entsteht auf Grund biologischer wie geologischer Prozesse immer wieder neu. Der Mensch nutzt es zur Wärmeerzeugung und Energiegewinnung, aber auch als Grundprodukt für zahlreiche organische Verbindungen.
Der folgende Beitrag versteht sich als Methan Ratgeber, in dem die wichtigsten Eigenschaften und Fakten dieser chemischen Verbindung beschrieben werden.
Geschichtliche Fakten rund um Methan Gas
Das Phänomen Methan ist bereits seit rund 4.000 Jahren bekannt. Als Teil von austretendem Erdgas speist es Flammen, die als „Ewige Feuer“ bezeichnet werden. Solche Feuer schlagen sich in der Berichterstattung und in Aufzeichnungen nieder, die über lange Zeiträume hinweg verfasst wurden. Häufig treten sie in Gebieten auf, unter denen Erdöl gelagert ist, und die tektonischen Verwerfungen ausgesetzt sind.
Bei einem „Ewigen Feuer“ im irakischen Baba Gurgur könnte es sich zum Beispiel um den Feuerofen handeln, der im Buch Daniel in der Bibel beschrieben wird. In diesen warf der damalige Herrscher Nebukadnezar einige von Daniels Begleitern zur Strafe dafür, dass sie die Anbetung einer goldenen Statue verweigert hatten.
Der Apollo-Tempel im griechischen Delphi, wo sich das berühmte, gleichnamige Orakel befand, wurde ca. um 1000 v. Chr. über solch einer ewigen Flamme erbaut. Es gibt Vermutungen, wonach die Wahrsagungen der dort amtierenden Priesterinnen durch das Einatmen von Methan, Ethan und Ethen, allesamt schwach narkotisch wirkende Gase, beeinflusst wurden.
In China nutzte man Erdgas bereits im 4. Jahrhundert v. Chr. für das Eindampfen von Salzsole. Aus den entsprechenden Bohrlöchern traten teilweise Sole und Methan gleichzeitig aus. Aus „trockenen“ Bohrlöchern wurde das Gas mit Pipelines aus Bambusrohren zu den Orten der Soleverarbeitung herangeleitet.
Die Struktur von Methan war bis ins 17. Jahrhundert unbekannt. Man kannte es im Mittelalter allerdings als Teil von Fäulnisgasen und wusste auch im Bergbau schon früh um die Gefahr von Schlagwettern, die bei der Entzündung einer Gasmixtur aus Methan, Kohlenmonoxid und Luft auftraten.
Die ersten genaueren Forschungen zu Methan unternahm in den 1660er Jahren der Engländer Thomas Shirley, etwas mehr als ein Jahrhundert später der Italiener Alessandro Volta. Um 1800 herum wurden Versuche gestartet, eine Mischung aus Methan Gas, Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoffmonoxid für die Straßenbeleuchtung in Städten zu nutzen.
Der englische Chemiker Humphry Davy erkannte im Jahr 1812 nach einem schweren Grubenunglück in der Felling Mine in England, dass das im Untertagebau gefürchtete Grubengas zum größten Teil aus Methan bestand. Die Katastrophe mit 92 Toten führte in der Folge zur Entwicklung der sogenannten Davy-Lampe mit einem speziellen Sieb, das als eine Art Flammensperre wirkte und so eine Entzündung des Gases verhinderte.
Die erste Erdgasquelle wurde 1821 durch den Amerikaner William Hart in den USA entdeckt. Das Gas kam lokal für Beleuchtungen zum Einsatz. Später gründete Hart die erste US-Erdgasgesellschaft. Eine künstliche Herstellung von Methan gelang im Jahr 1856 dem französischen Chemiker Marcelin Berthelot aus den beiden Substanzen Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdisulfid.
In den Anfängen der Erdölförderung wurde das gleichzeitig zu Tage tretende Erdgas mit seinem Hauptanteil Methan an den Köpfen der Bohrlöcher noch nutzlos abgefackelt. Eine der ersten größeren Pipelines mit einer Länge von 193 Kilometern entstand 1891, und leitete Erdgas von Bohrstellen in Indiana nach Chicago. Allerdings gab es zu der Zeit des Ausbaus von Pipelinenetzen in den 1930er Jahren noch Probleme mit Methanhydrat, das sich in den Röhren aus Methan und Wasser bildete und so zu Verstopfungen führte.
Die Nutzung von Erdgas bzw. Methan, wie wir sie heute in der Industrie und in privaten Haushalten kennen, wurde erst nach dem Zweiten Weltkrieg durch technische Weiterentwicklungen und Fortschritte beim Pipelinebau ermöglicht. Durch den steilen Anstieg des weltweiten Energiebedarfs wurde Methan immer wichtiger für die globale Versorgung mit Primärenergie.
Physikalische und chemische Eigenschaften von Methangas
Das farb- und geruchlose, brennbare Methan hat eine kleinere Dichte als Luft, sodass es in freigesetzter Form in die oberen Schichten der Atmosphäre aufsteigt. Sein Schmelzpunkt liegt bei
-182,6 °C, der Siedepunkt bei -161,7 °C. Wird es entzündet, brennt es mit einer bläulichen Flamme und ohne Rußbildung ab.
Unter normalen Umständen zerfällt Methan in der Luft, also unter der Einwirkung von Sauerstoff, in CO2 und Wasser. Bei dieser chemischen Reaktion zwischen einem Methanmolekül und zwei Sauerstoffmokülen entstehen ein CO2– und zwei Wassermoleküle. Die Halbwertszeit dieses Prozesses ist mit geschätzten 14 Jahren jedoch relativ lang.
In Wasser ist Methan auf Grund seine unpolaren Merkmale nahezu unlöslich. Gleiches gilt für Aceton. Gut löslich ist es hingegen in Ethylakohol, Benzol und Diethylether. Wird Methangas in einer ausreichend mit Sauerstoff angereicherten Umgebung entzündet, verbrennt es zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Zusammen mit Luft bildet es bei einer Volumenkonzentration von 5 % bis 15 % ein explosives Gemisch. Solche Gemische aus Methan und Luft sind in Verbindung mit Kohlestaub bei Bergleuten in Steinkohlegruben sehr gefürchtet. Auch Gemische aus Methan, reinem Sauerstoff und Chlor können zu heftigen Detonationen führen. Bei einer Oxidation, also der Reaktion mit Sauerstoff, werden die einzelnen Moleküle vollständig auseinandergerissen. Im Zuge einer Chlorierung hingegen bilden sich Methylchlorid, Chloroform sowie Dichlor- und Tetrachlormethan. Zudem leiten sich von Methan weitere Methylverbindungen ab, darunter Methanol, Methylhalogenide und längerkettige Alkane.
Irdische Vorkommen von Methan
Es gibt auf der Erde vielfältige Vorkommen von Methan. Es entsteht z. B. durch pflanzliche Fäulnisprozesse, unter anderem in Mooren und Sümpfen ständig neu. Weiterhin ist es mit 85 % bis 98 % der Hauptbestandteil von Erdgas und überwiegt auch in den Grubengasen, die in Steinkohlenbergwerken eingeschlossen sind. In tieferen Erdschichten kann Methan unter hohen Temperaturen und hohem Druck entstehen. Eine Freisetzung dieser Quellen erfolgt in der Regel bei vulkanischen Aktivitäten rund um den Globus.
Auf den Böden der Meere und Ozeane gibt es Vorkommen von festem Methanhydrat. Sie entstehen, wenn das Gas am Meeresgrund austritt und durch den immensen Wasserdruck und die niedrigen Temperaturen komprimiert wird. Es gibt zwar bereits erste Versuche einer Förderung, aber diese sind nicht ungefährlich. Manche Experten befürchten bei einem großvolumigen Abbau, dass die Kontinentalabhänge, die zum großen Teil aus Methaneis bestehen, instabil werden und abrutschen könnten. Weltweit werden die Meeresvorkommen derzeit auf 500 bis 3.000 Gt geschätzt (Gt = Gigatonne = 1.000.000.000 Tonnen). Die bekannten Kohlereserven betragen im Vergleich dazu 900 Gt.
Die Gewinnung und Nutzung von Methanhydrat könnte einige Energieprobleme lösen. Aber erstens gibt es noch keine Technologie, um es aus dem Meer zu fördern. Und zweitens würde bei der Bergung derart viel Methan in die Atmosphäre gelangen, dass es dort als Treibhausgas zu einer noch stärkeren Erwärmung und weiterer Freisetzung von Methan beitrüge. Es gibt weiterhin Befürchtungen, dass durch den Klimawandel und der damit einhergehenden Erwärmung der Meere das Methanhydrat schmilzt, verdampft und auf diese Weise in die Atmosphäre dringt.
Bildung von Methan durch Fäulnisprozesse
Mikroorganismen tragen zu einem bedeutenden Teil zur Neubildung von Methan Gas bei. Dies geschieht, wenn organische Stoffe unter Luftabschluss faulen. In Sümpfen, Mooren und auf dem Grund stark verschmutzter Gewässer bildet sich dann das sogenannte Sumpfgas, eine Mischung aus Methan und CO2. Biogas setzt sich ebenfalls überwiegend aus Methan (rund 60 %) und CO2 (rund 35 %) zusammen. Die restlichen 5 % sind Wasser-, Stick- und Schwefelwasserstoff.
Bei den für die biologische Methanbildung verantwortlichen Mikroorganismen handelt es sich um Methanogene, speziellen Arten von Achaeen. Diese reduzieren einfache organische Verbindungen wie Methanol oder CO2 zu Methan, um Energie für sich zu gewinnen. Der Prozess wird als Methanogenese bezeichnet.
Mittlerweile sind rund 70 % aller mikrobiell erzeugten Methanemissionen auf der Erde – jährlich schätzungsweise etwa 500 Millionen Tonnen – auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen, beispielsweise durch Anbau und Tierhaltung in der Landwirtschaft. Allein der Beitrag der Rinderhaltung ist für 39 % dieser Emissionen verantwortlich, der Nassreisanbau für 17 %.
Außerirdische Vorkommen
Methan gibt es nicht nur auf der Erde, sondern es wurde auch auf anderen Planeten und Monden innerhalb unseres Sonnensystems nachgewiesen. Dazu zählen der Mars, Saturn, Jupiter, Neptun, Uranus sowie der Zwergplanet Pluto, außerdem die Saturnmonde Titan und Enceladus. Darüber hinaus kommt Methan auch außerhalb des Sonnensystems vor.
Die Atmosphäre des Mars enthält Methan in einem Umfang von etwa 10,5 ppb. Auch von Methaneruptionen auf dem roten Planeten wurde berichtet. In der Regel kann sich das Gas nicht in der Atmosphäre halten. Anzeichen für die Herkunft von Meteoriten gibt es nicht. Deshalb wird davon ausgegangen, dass es auf dem Mars neu gebildet wurde, was ein Anzeichen von Leben dort sein könnte. Als weitere Ursache kommt ein vulkanischer Ursprung in Frage, allerdings gibt es hierfür noch keine Belege.
Eine Besonderheit ist der Saturnmond Titan. Er weist eine Temperatur von -180 °C und einen Atmosphärendruck von rund 1,6 bar auf, was ungefähr dem sogenannten Tripelpunkt des Methans entspricht. Aus diesem Grund kann es auf dem Titan in allen drei Aggregatzuständen vorkommen. Es gibt Methanwolken, die Methan regnen lassen, Methanflüsse und -seen, aus denen es wieder verdunstet und somit einen geschlossenen Kreislauf bildet, ähnlich wie der Wasserkreislauf hier auf der Erde. Es wird zudem angenommen, dass es auf dem Titan Eisberge gibt, die aus Methan und Ethan bestehen.
Hier ein Überblick über die jeweiligen Methananteile in der Atmosphäre einiger Planeten in parts per million (Teile pro Million):
Erde: ~ 1,8 ppm
Mars: ~ 0,0105 ppm
Jupiter: 3.000 ± 1.000 ppm
Saturn: 4.500 ± 2.000 ppm
Uranus: 20.000 – 40.000 ppm
Neptun: 15.000 ± 5.000 ppm
Gewinnung und Herstellung
Unter Laborbedingungen gibt es verschiedene Methoden, Methan künstlich herzustellen. Zum Einsatz kommen dabei hauptsächlich Aluminiumcarbid, Natriumacetat, Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenstoffdioxid.
- Aluminiumcarbid reagiert mit Wasser unter Hitze zu Aluminiumhydroxid und Methan.
- Aluminiumcarbid und Salzsäure werden zu Aluminiumchlorid und Methan.
- Natriumacetat und Natriumhydroxid ergeben unter Hitzeeinwirkung Natriumcarbonat und Methan.
- Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff werden zu Methan und Wasser.
- Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasserstoff ebenfalls zu Methan und Wasser (Sabatier-Prozess, benannt nach dem französischen Chemiker und Nobelpreisträger Paul Sabatier).
Eine besondere Bedeutung unter diesen Verfahren hat die Synthese aus Kohlenstoffmonoxid. Dabei kann das wegen seiner Giftigkeit normalerweise unerwünschte bzw. unbrauchbare CO einer sinnvollen Nutzung zugeführt werden.
Neben diesen klassischen Labormethoden wird Methan heutzutage auch als Brennstoff in Biogasanlagen und bei der Holzvergasung gewonnen.
Verwendungszwecke
Die bakterielle Zersetzung bei den Fäulnisprozessen organischer Verbindungen wird wirtschaftlich zur Erzeugung von Biogas genutzt. Als Grundlage dafür dienen organischer Müll, Gülle, Mist und Klärschlamm. Bei der schon länger angewandten Holzvergasung wird Methan durch Pyrolyse – einer thermochemischen Spaltung von organischen Verbindungen unter Ausschluss von Sauerstoff – aus Holz gewonnen. Biogas und andere Methangasgemische dienen der Wärme- und Energiegewinnung. Holzgas wurde unter anderem im Zweiten Weltkrieg für den Betrieb von Fahrzeugen genutzt.
Darüber hinaus ist Methan ein wichtiges Basisprodukt für Synthesen von Methanol, Wasserstoff, Blausäure, Ethin, Schwefelkohlenstoff sowie Methylhalogeniden. Durch seine Reaktionen mit Sauerstoff und anderen Substanzen entstehen zahlreiche Stoffe, die für die chemische Industrie von großer Bedeutung sind.
Eventuell wird Methan eine wichtige Rolle bei zukünftigen Marsmissionen spielen. Die 1998 gegründete Mars Society, eine Non-Profit-Organisation, die sich für die Erforschung des Mars und dessen Besiedlung engagiert, hat dazu ein Konzept entwickelt. Danach soll mit Hilfe des oben bereits erwähnten Sabatier-Prozesses aus dem CO2 in der Atmosphäre des Planeten Methan gewonnen und als Treibstoff für die Rückkehr zur Erde genutzt werden.
Biologie und Umweltauswirkungen von Methangas
Methan war neben Wasserdampf und Ammoniak ein wichtiger Baustein der Uratmosphäre. Es hat wohl eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung der heutigen Erdatmosphäre gespielt. Der amerikanische Chemiker und Biologe Stanley Miller hat dazu im Jahr 1953 ein berühmt gewordenes Experiment durchgeführt. In seiner Versuchsapparatur bildete er die von ihm angenommene Uratmosphäre und den Urozean der frühesten Erdzeit nach, und setzte sie elektrischen Entladungen aus, mit denen er Blitze simulierte.
Bereits nach einer Woche hatten sich rund 15 % des Methans in organische Verbindungen umgewandelt. Darunter befanden sich auch die in Proteinen enthaltenen Aminosäuren. Mit diesem Experiment gelang es Miller nachzuweisen, dass unter natürlichen, aber abiotischen Umständen biologisch wichtige Bausteine des Lebens entstehen können.
Methan gilt heute nach Kohlenstoffdioxid als bedeutendes Treibhausgas, wobei das Erwärmungspotenzial 20- bis 30-mal größer ist als bei CO2. Ein großes Problem in Bezug auf den Treibhauseffekt bilden die natürlichen Methanerzeuger. Pflanzen erzeugen das Gas ständig und tragen zum Methangehalt in der Atmosphäre bei. Besondere Bedeutung haben der verbreitete Nassreisanbau und die Rinderhaltung. Ein einziges Hausrind produziert jeden Tag zwischen 150 l und 250 l Methan, indem Bakterien im Rindermagen für die Zersetzung von Zellulose mitverantwortlich sind.
Sicherheitstechnische Aspekte
Methan bildet mit einem Anteil von 5 % bis 15 % im Luftvolumen explosive Gemische. Deshalb kommt es bei unbemerkten Freisetzungen von Erdgas, dessen Hauptbestandteil Methan ist, nicht selten zu Gasexplosionen mit schweren Folgen für Menschen und materielle Werte. Der Flammpunkt von -188 °C und die Zündtemperatur von 600 °C machen Methan hochentzündlich und deshalb gefährlich im Umgang.
Behälter mit dem Gas sollten deshalb immer an ausreichend belüfteten Orten aufgestellt werden, in deren Nähe es keine Zündquellen gibt. Zudem sind wirkungsvolle Maßnahmen gegen eine mögliche elektrische Aufladung zu treffen. Die Aufbewahrung und Lagerung erfolgt unter hohem Druck (etwa 150 bar in Gasflaschen) oder bei sehr tiefen Temperaturen, durch die die Dichte erhöht wird (auf Tankerschiffen bei rund -160 °C).
Methan hat keine toxische Wirkung auf den Menschen. Allerdings kann eine Aufnahme für kurze Zeit zu erhöhten Herzfrequenzen und Hyperventilation führen. Weitere Auswirkungen, ausgelöst durch gleichzeitigen Sauerstoffmangel, sind ein zu niedriger Blutdruck, Schläfrigkeit, eine leichte geistige Verwirrtheit, Gedächtnisverlust und Taubheit in den Gliedmaßen. Bleibende Schäden werden durch das Gas nicht verursacht. Falls die genannten Symptome auftreten, sollte das betroffene Gelände möglichst rasch verlassen und anschließend für eine Weile tief ein- und ausgeatmet werden. Verschwinden die Symptome nicht, sind betroffene Personen in einem Krankenhaus ärztlich zu behandeln.
Tritt flüssig und bei sehr tiefen Temperaturen gelagertes Methan schnell aus einem Druckbehälter aus, kann es bei in der Nähe befindlichen Personen zu Unterkühlungen und Erfrierungen auf der Haut kommen.
Nachweis von Methan
Die Fakten in unserem Methan Ratgeber zeigen auf, dass der Umgang mit Methan auf Grund der leichten Entzündbarkeit und der Explosionsgefahr mit Vorsicht zu erfolgen hat. Ein unbeabsichtigter Austritt von Methan aus Lagerbehältern und Produktionsanlagen muss deshalb nach Möglichkeit vermieden werden. Dafür sind ständige Messungen in den gefährdeten Bereichen erforderlich. Moderne und gängige Methoden dafür sind Messungen mit katalytischen Sensoren oder mit Infrarottechnik.
Als anerkannter Hersteller von Gaswarn- und Gasmessgeräten hält Compur Monitors für diesen Zweck stationäre wie mobile Messtechnik bereit, die eine zuverlässige und präzise Messung von Methananteilen in der Umgebungsluft erlauben. Dazu gehören die Modelle Statox 501 und Statox 503, Infratox, Micro 5 und Microclip, HRC, ARE sowie MC IR und LC IR. Alle Geräte sind unkompliziert zu kalibrieren und ermöglichen ein schnelles Erfassen und Ablesen von Methankonzentrationen.