Industriegas wird üblicherweise anhand seiner großen Produktionsmenge und großindustrieller Anwendung definiert. Industriegas ist einer der größten Motoren der weltweiten chemischen Industrie. Ohne die Prozessgase wären viele Produkte und Anwendungen undenkbar. Ohne Ethylen und Chlor würde Plastik in seiner heutigen Form nicht existieren.
Aus Stickstoff und Wasserstoff wird Ammoniak gewonnen und damit die Basis für die gesamte Düngemittelindustrie der weltweiten Landwirtschaft. Schutzgase wie Argon und Helium schützen Herstellungsprozesse in der Halbleiterproduktion und dienen damit der Produktion von Smartphones, Computern und anderen technischen Geräten.
Die Themen im Überblick
Industriegase: unsichtbare Begleiter des Alltags
Der stetig wachsende Markt für Industriegase hat seinen Ursprung in der Anfangszeit der industriellen Revolution. Seit dem 18. Jahrhundert ist Industriegas der Katalysator für wirtschaftliches Wachstum und technologische Entwicklung.
Die Erfindung und Nutzbarmachung verschiedener Industriegase ermöglicht es der Menschheit, enorme Fortschritte in Branchen wie der Elektro-, Metall- und Lebensmittelindustrie zu erzielen.
Sie kennen Gas vielleicht nur von Ihrer Heizkostenabrechnung oder der LPG-Zapfsäule an der Tankstelle, doch Industriegase und deren Verwendung bestimmen unseren Alltag maßgeblich:
Ohne Schutzgase wären viele Produktionsprozesse in der Halbleiterindustrie nicht möglich und manche Schweißverfahren nicht realisierbar. Ohne Stickstoff wäre die Produktion von Düngemitteln nicht möglich. Die Elektroindustrie ist auf Industriegase wie Wasserstoff, Helium und Argon angewiesen.
Das – besonders von Deutschen – geliebte Mineralwasser mit Kohlensäure wäre ohne den Zusatz von Kohlendioxid nicht erhältlich.
Seit der Entdeckung der ersten Industriegase haben sich die Industrie und Technologie rasant weiterentwickelt und ihre Anwender stellen immer höhere Anforderungen an die Bereitstellung, den Transport, die Reinheit und Lagerung von Industriegasen.
Industriegase und ihre historische Bedeutung
Das bei der Fermentierung entstehende Kohlendioxid ist seit der Antike bekannt. Bereits 500 v. Chr. gab es chinesische Kulturen, die sich Erdgas mittels Pipelines aus Bambus zunutze machten.
Mit Beginn der industriellen Revolution in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts begann ein Systemwechsel. Wo zuvor noch Lehnsherren regierten, nahmen Großindustrielle ihren Platz ein. Vasallen wurden zu Arbeitern und die zunehmende Urbanisierung ganzer Landstriche erforderten ein völlig neues Konzept des Zusammenlebens.
Technologischer Fortschritt war zugleich der Grund für diese sozialen Veränderungen, als auch notwendig, um sie voranzutreiben.
Einige Industriegase waren bereits früh bekannt, doch ihren Durchbruch als wichtiger Bestandteil der Entwicklungsgeschichte der Menschheit begann erst zu Zeiten der industriellen Revolution.
Die Abkehr von der Alchemie und das Aufkommen der Chemie ermöglichte die gezielte Identifizierung von Gasen:
- Kohlendioxid (1754)
- Wasserstoff (1766)
- Stickstoff (1772)
- Lachgas (1772)
- Sauerstoff (1773)
- Ammoniak (1774)
- Chlor (1774)
- Methan (1776)
- Schwefelwasserstoff (1777)
- Kohlenmonoxid (1800)
- Chlorwasserstoff (1810)
- Acetylen (1836)
- Helium (1868)
- Fluor (1886)
- Argon (1894)
- Neon, Krypton und Xenon (1898)
- Radon (1899)
Stetiger Wandel der Gesellschaft und die Anpassung an die Anforderungen der Industrie führten dazu, dass sich ein großer Markt für Industriegase entwickelte, der noch heute stetig wächst.
Industriegas: Produktionsmengen in Deutschland & weltweit
Die bedeutendsten Industriegase lassen sich in die drei Gruppen “atmosphärische Gase”, “Prozessgase” und “Edelgase” unterteilen.
Die Gase unterscheiden sich dabei in Bezug auf ihre Zusammensetzung, Eigenschaften und die Anwendungen, für die sie infrage kommen.
Atmosphärische Gase
Wie der Name vermuten lässt, sind Gase, die in unserer Atemluft vorkommen, den atmosphärischen Gasen zuzuordnen. Sie werden hauptsächlich über die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft in Luftzerlegungsanlagen gewonnen, sogenannten LZAs.
In Deutschland werden unter anderem diese Gase gewonnen (Produktionsmenge in D. 2015)
- Stickstoff
- Sauerstoff (6.580 Mio. m³)
- Argon (220 Mio. m³)
Prozessgase
Unter Prozessgasen versteht man beim Industriegas die Gase, die in chemischen Prozessen gewonnen oder verarbeitet werden. Sie lassen sich üblicherweise nicht, bzw. nur schwer aus der atmosphärischen Luft gewinnen. So ließen sich zwar Helium, Wasserstoff und Kohlendioxid auch aus der Luft gewinnen, allerdings ist ihre Konzentration dort viel zu gering, um eine wirtschaftliche Gewinnung zu ermöglichen.
Zu den meistproduzierten Industriegasen zählen:
- Ethen [Ethylen] (5,13 Mio. t)
- Helium (12.000 m³ / Welt 170 Mio. m³)
- Wasserstoff (4.480 Mio. m³)
- Ethin [Acetylen]
- Kohlendioxid
- Kohlenmonoxid
Fast alle dieser Industriegase werden als Haupt- oder Nebenprodukte bei der Weiterverarbeitung fossiler Rohstoffe in Erdölraffinerien bzw. bei der Erdgasproduktion gewonnen.
Edelgase
Edelgase sind äußerst reaktionsträge Elemente, die eine eigene Gruppe im Periodensystem bilden. Durch acht Valenzelektronen auf der äußeren Schale (nach dem Bohr’schen Atommodell) sind sie in einem energetischen Zustand, der (fast) keine Reaktion mit anderen Elementen zulässt. Sie werden zwar auch aus der Luft gewonnen, zählen allerdings im Industriegas Kontext nicht zu den atmosphärischen Gasen.
Industriell genutzt werden hier hauptsächlich:
Helium und Argon gehören ebenfalls zur Gruppe der Edelgase, sind im Sinne von Industriegasen allerdings den Prozess- und atmosphärischen Gasen zuzuordnen. Ihre Produktionsmenge übersteigt die der anderen Edelgase um ein vielfaches.
Sonderfall Ammoniak und Chlor
Chlor (3,87 Mio. t) und Ammoniak (2,88 Mio. t) sind zwar bei Raumtemperatur gasförmig, werden jedoch eher den Chemikalien als den industriellen Gasen zugeordnet.
Die industrielle Anwendung von Industriegasen
In sehr kurzer Form eine Übersicht über die Industriegas Anwendung:
- Stickstoff: Schutzgasverpackungen, Brandschutzanlagen, Kältemittel, Schutzgasschweißen
- Sauerstoff: Verabreichung an Menschen in der Medizin, Verwendung in der Metallurgie für Verbrennungs-, Oxidations- und Heizprozesse, Stahlerzeugung- und Stahlbearbeitung
- Argon: Schutzgas, Schweißgas, wärmeisolierendes Füllgas, Schutzgas in Glühlampen
- Ethen (Ethylen): Kunststoffherstellung, maßgeblich Polyethylen, Ethylenoxid und Styrol, Einsatz als Reifegas
- Ethin (Acetylen): Kunststoffherstellung, Brenngasschneiden und Brenngasschweißen
- Kohlendioxid: Kohlensäure in Getränken, Lösungsmitteln, Kühlung, Feuerlöschern
- Kohlenmonoxid: Chemische Synthese, dort hauptsächlich Herstellung von Methan, Methanol, Ameisensäure, Essigsäure, Carbonsäure, Ester, Phosgen
- Helium: Kühlmittel für supraleitende Magneten, Schutzgas, Traggas für Luftballons und Luftschiffe
- Neon: Lasermischgas, Kältetechnik, Leuchtmittel
- Krypton: Füllgas für Glühlampen, chemische Laser, Ionenantriebe
- Xenon: Füllgas für Glühlampen, Ätzgas in der Halbleiterindustrie, Ionenantriebe
Die größten Industriegashersteller nach Marktanteilen
Die Fusion von Linde und dem amerikanischen Unternehmen Praxair (seitdem Linde plc) sowie der Aufkauf von Airgas durch Air Liquide hat zur Folge, dass diese beiden Weltmarktführer und der amerikanische Konzern Air Products zusammen etwa 75 % des Weltmarktes für Gase kontrollieren.
Linde plc
Linde plc schloss das Geschäftsjahr 2020 mit einem Umsatz von 24,03 Milliarden US-Dollar ab. Der Gewinn lag bei 2,21 Milliarden US-Dollar.
Die Firma beschäftigt rund 75.000 Mitarbeiter auf der ganzen Welt (Stand Dezember 2020) und Analysten gehen davon aus, dass die Linde plc einen Marktanteil von 30 % bis 32 % besitzt.
Schätzungen ergeben einen Unternehmenswert von 178 Mrd. EUR
Air Liquide
Der französische Industriegaslieferant Air Liquide beschäftigte 2021 circa 65.000 Mitarbeiter in 80 Ländern. 2020 erreichte das Unternehmen einen Umsatz von 20,48 Milliarden EUR und erwirtschaftete einen Gewinn von 2,44 Milliarden EUR.
Seit der Fusion schätzen Experten den Marktanteil von Air Liquide auf circa 30 %.
Der Wert des Unternehmens beläuft sich auf etwa 83 Mrd. EUR
Air Products
Etwas umsatzschwächer ist der amerikanische Hersteller Air Products. 2020 entsprach sein Umsatz 7,81 Milliarden EUR und sein Gewinn 1,67 Milliarden EUR. Mit 19.275 Mitarbeitern am Ende des Jahres 2020 ist er trotzdem der drittgrößte Produzent von Industriegasen.
Das Unternehmen ist ungefähr 67 Mrd. EUR wert
Das Oligopol der drei Konzerne verspricht geringen Wettbewerb und stabile Umsätze, wodurch Prognosen ein großes Potenzial für Anleger und Aktionäre in diesen Firmen sehen.
Industriegase kaufen – Lagerung und Transport
Industriegase müssen nach dem Kauf zum Kunden gelangen. Transport und Lagerung der Industriegase müssen durch technische Maßnahmen gesichert sein, um schwere Unfälle zu vermeiden. Der Transport kann sowohl in Gasflaschen als auch durch Tankwagen durchgeführt werden, die wiederum einen größeren Industriegastank am Bestimmungsort regelmäßig befüllen.
Bei größerem, regelmäßigen Bedarf gibt es die Möglichkeit, am Produktionsort entsprechende Synthesegasanlagen zu bauen. Diese produzieren vor Ort die benötigten Industriegase direkt beim Kunden. Bei sehr großem Bedarf entscheiden sich Abnehmer von Industriegasen teilweise dazu, ihren großen Bedarf durch den Bau und die Nutzung einer Pipeline zu decken. Diese Entscheidung hängt allerdings stark vom Standort des Unternehmens ab. Pipelines sind große Infrastrukturprojekte, die jahrelange Planung und Bauphasen bedingen.
Industriegase in Gasflaschen
Gasflaschen und Gasbündel sind die häufigste Form der Lagerung von Industriegasen. Die Gase in Gasflaschen stehen unter einem Druck zwischen 200 und 300 bar. Die Befüllung erfolgt mit Gasen, die sich allein durch Kompression verflüssigen lassen.
Flaschen mit Kohlenstoffdioxid und Acetylen bilden eine Ausnahme. Diese Gase liegen verflüssigt oder aber in einer Flüssigkeit gelöst vor.
Je nach verwendetem Gas bestehen Gasflaschen aus unterschiedlichen Materialien. Aluminium- und Edelstahlflaschen sind für die Lagerung von hochreinen Gasen vorgesehen (Monogase mit höchsten Reinheitsansprüchen zu Analysezwecken).
Gase für den industriellen Einsatz befinden sich meistens in Gasflaschen aus vergütetem Stahl.
Kartuschen sind Einweggasbehälter, die nach dem Öffnen nicht mehr verschließbar sind. Weiterhin gibt es Gasflaschen in allen möglichen Größen. Von kleinen 1 Liter Flaschen bis hin zu 50 Liter Gasflaschen sind zahlreiche Zwischengrößen erhältlich.
Noch größere Behälter zählen als Gasfass, diese fassen, je nach Gasdichte, bis zu 650 kg Gas.
Als Beispiel: Eine 50 Liter Argon Gasflasche mit 200 bar Druck beinhaltet etwa 10,7 m³ Argon
Industriegase in Gasflaschenbündeln
Industriegas Gasflaschenbündel sind spezielle Paletten, auf denen 12 oder 15 Gasflaschen Platz finden. Diese jeweils 50 Liter fassenden Gasflaschen sind durch Rohre aus nichtrostendem Stahl miteinander verbunden.
Neben den Standardgrößen gibt es auch individuelle Lösungen nach den Wünschen des jeweiligen Kunden.
Bündel mit bis zu 200 bar verfügen über ein einzelnes Ventil. Systeme mit bis zu 300 bar können einen weiteren Anschluss besitzen, der jedoch maximal 100 bar bereitstellt.
Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass der Anwender die Gasflaschen nicht so häufig wechseln muss. Die Paletten lassen sich auch relativ einfach transportieren und tauschen.
Bei höherem Bedarf an Industriegasen sind Gasflaschenpaletten die optimale Lösung für Kunden, die sich keinen eigenen Industriegastank zulegen möchten.
Eine Faustformel besagt, dass der Einsatz von Gasbündelflaschen ab einem täglichen Gasverbrauch von mindestens 50 Litern wirtschaftlich ist.
Als Beispiel: Ein Argon Flaschenbündel mit 200 bar Druck beinhaltet etwa 128 m³ Argon
Industriegase: Lieferung an Großkunden
Es ist üblich, Großkunden mit Tankwagen und Lkw oder mit Kesselwagen über das Schienennetz zu beliefern.
Bei besonders großem Bedarf an Industriegasen ist es unwirtschaftlich einzelne Flaschen oder Flaschenbündel zu bestellen.
Einige Anwendungen wie Wärmebehandlungen in Industrieöfen oder spezielle Kühltechniken können sich keine Ausfallzeit während eines hypothetischen Wechsels der Gasflaschen leisten. Die Prozesse kämen zum Erliegen und die Produkte könnten die Qualitätsstandards nicht einhalten.
In diesen Fällen sind ein oder mehrere, fest installierte Gastanks direkt am Bestimmungsort die beste Wahl. Der ständige Nachschub der Industriegase ist gesichert und die Prozesse können ohne Unterbrechung weiterlaufen. Industriegase wie Stickstoff, Kohlendioxid und Argon werden tiefkalt verflüssigt angeliefert und in vakuumisolierten Kryotanks gelagert.
Das ermöglicht Mengen von 3.000 bis zu 80.000 Liter, in diesem Falle allerdings verflüssigt. Bei Entnahme wird das Gas wieder gasförmig, so kann man riesige Mengen bevorraten.
Als Beispiel: Ein 3000 Liter Argon Tank fasst etwa 2.500 m³ Argon
Industriegas Herstellung – Synthesegasanlagen vor Ort machen es möglich
Syntheseanlagen für Industriegase dienen der Herstellung der benötigten Industriegase direkt beim Kunden.
Sie dienen hauptsächlich der Herstellung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Wie jede Investition sind diese Anlagen sinnig, sobald ihr Nutzen die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb übersteigt. Das gilt insbesondere für Kunden mit sehr großem Bedarf an diesen Gasen.
Die Herstellung vor Ort garantiert die Unabhängigkeit von regelmäßigen Lieferungen der Industriegase mittels Lkw oder Eisenbahn. Hinzu kommt die Ersparnis der Transportkosten, welche sehr hoch ausfallen können, wenn kein Lieferant in der Nähe des Unternehmensstandortes angesiedelt ist.
Große Hersteller von Industriegasen bieten kundenspezifische Lösungen an, die eine unabhängige Versorgung mit Wasserstoff oder Kohlenmonoxid gewährleisten.
Ob solche Anlagen in Betracht kommen, entscheidet sich nach einer ausführlichen Berechnung des Gasbedarfs, der entstehenden Kosten für eine Syntheseanlage und dem Vergleich zur herkömmlichen Lieferung der benötigten Industriegase durch einen Lieferanten.
Die Vor-Ort-Erzeugung von Stickstoff und Sauerstoff ist ebenfalls eine beliebte Variante bei Kunden mit erhöhtem Bedarf an Industriegasen.
Als inertes Gas bietet Stickstoff ein breites Anwendungsfeld und ist daher in vielen Branchen der Industrie sehr gefragt.
Ein kryogenes Luftzerlegungssystem kann die Atemluft in der Atmosphäre in einem Hauptluftkompressor komprimieren und kühlen, bevor es Feuchtigkeit, Kohlendioxid und Kohlenwasserstoff trennt und abscheidet.
In einigen Fällen dienen Syntheseanlagen und Vor-Ort-Lösungen der Deckung des Grundbedarfes an Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoff und Sauerstoff. Zusätzliche Lieferungen durch Tankwagen decken einen zeitweise erhöhten Verbrauch, sodass es zu keinen Engpässen kommt.
Der Transport von Industriegasen mittels Pipeline
In Ausnahmefällen und bei großindustriellen Abnahmemengen gibt es die Belieferung auch mittels Industriegas Pipeline.
Pipelines sind große Rohrleitungssysteme, die Lieferanten über weite Strecken direkt mit dem Kunden verbinden.
Sie sind Teil der Infrastruktur eines Landes und sichern die Versorgung von Knotenpunkten.
In Deutschland, Belgien und den Niederlanden existiert die Ethylene-Pipeline ARG und die Ethylene-Pipeline Süd. Das Ziel der Pipelines war der Anschluss der riesigen Industriehäfen Rotterdam und Antwerpen, bzw. der dort angelieferten und chemisch prozessierten Produkte. Die ARG Pipeline verbindet die Petrochemie (Herstellung von chemischen Produkten aus Erdgas und Teilen des Erdöls) in Rotterdam und Antwerpen mit Zentral-Belgien, dem Süden der Niederlande und dem Ruhrgebiet sowie dem Großraum Köln.
Köln ist wiederum durch die Ethylene-Pipeline Süd mit Frankfurt und Ludwigshafen sowie mit Ingolstadt in Bayern verbunden.
Die Ethylene-Pipeline ARG ist 496 km lang, führt Gas durch ein 10 Zoll (ca. 25 cm) Rohr und arbeitet mit einem maximalen Betriebsdruck von 100 bar. Über die Pipeline lassen sich jährlich bis zu 2,5 Mio. Tonnen Ethylen transportieren.
Seit ihrer Fertigstellung 1974 nach ca. sechs Jahren Bauzeit verbindet sie rund 20 Petrolchemieunternehmen.
Die angeschlossenen Unternehmen bestehen aus Einspeisern und Abnehmern. Durch das “Open-Acess-Modell” und das “Common-Carrier-Prinzip” gelten für alle Teilnehmer die gleichen Transportkonditionen.
Prognose für den Industriegasmarkt
Aufgrund der zunehmenden Nachfrage nach Alternativen zu Öl und Kohle sowie der fortschreitenden technologischen Entwicklung, bewerten Analysten die Zukunft des Marktes für Industriegase optimistisch.
Im 3. Quartal 2021 konnte Linde plc seine Prognosen zum dritten Mal in Folge erhöhen. Der Vorstand erwartet einen Kurssprung von 30 % nach oben.
Viele Nationen setzen zukünftig auf grünen Wasserstoff. Die Idee beinhaltet, durch regenerative Energien erzeugten Wasserstoff als Speichermedium zu nutzen und ihn bei Bedarf Co2-neutral zu verbrennen oder mittels Brennstoffzelle zu nutzen.
Das genaue Wachstum des Marktes kann niemand vorhersagen. Eindeutig zu erkennen ist jedoch, dass Industriegase seit ihrer Entdeckung in der industriellen Revolution ihr volles Potenzial entwickeln konnten. Sie sind entscheidend für den Fortbestand des Wirtschaftsstandortes Deutschland und die gesamte Weltwirtschaft. Sie dienen als Hilfsstoffe und als Rohstoffe zur Weiterverarbeitung und sind daher aus keinem Industriezweig mehr wegzudenken.
