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Eigenschaften:
- Naturprodukt aus vielen verschiedenen Stoffen
- hat keine einheitlichen Eigenschaften
- gelbe bis fast schwarze viskose Flüssigkeiten, die gelb bis grünblau fluoreszieren und im Licht bei Sauerstoffzutritt nachdunkeln
- Geruch ist stark abhängig von Zusammensetzung
- kann von angenehm aromatisch bis extrem unangenehm riechen (knoblauchartig)
- Dichte variiert zw. 0,65 bis 1,02 (Rohöle) aber meist zw. 0,82 und 0,94
- Siedepunkte liegen etwa zw. 30°C und 350°C
- ist wasserunlöslich
- mit Ether, Toluol u. Chloroform dagegen in jedem Verhältnis mischbar
- zeigt zudem eine hohe Kapillarität
- bestehen aus etwa 80-95% Kohlenstoff, 10-14% Wasserstoff, 1,5% Sauerstoff, 0,1-3% Schwefel + Spuren von Stickstoff, Chlor, Iod, Natrium und Kalium
- Hauptbestandteile sind Kohlenstoff u. Wasserstoff, dabei handelt es sich hauptsächlich um Kohlenwasserstoffe: - geradkettige und verzweigte Alkane (von C5H12 bis C30H62)
- Cycloalkane (Cyclopentan, - hexan, - heptan
- Aromaten
Vorkommen:
- kommt weitgehend in den Sedimenten (Sand-, Kalk-, u. Tongestein) der Erdkruste vor, die aus Meeresablagerungen entstanden sind
- in Tiefen- und Ergussgesteinen (Granit, Lava u. Tuff) sind Ölvorkommen sehr selten
Cracken:
- verschiedene Crackverfahren werden in der Technik angewandt
- beim thermischen Cracken werden hochsiedenen Fraktionen (z.B. schweres Heizöl) unter Druck auf etwa 450-500°C erhitzt
- hohe Temperaturen führen dazu, dass große Moleküle in starke Schwingungen geraten -> C-C-Bindungen brechen auf
- beim katal. Cracken, dass bei 500°C im Katalysator erfolgt -> bessere Qualität erreicht
- es werden gasförmige gesättigte u. ungesättigte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoff gewonnen (katal. Cracken)
Entstehung:
- Erdölreserven, die heute unseren Alltag entscheidend mitgestalten, entstanden
vor 20 bis 350 Millionen Jahren in den flachen Sedimentbecken urzeitlicher Meere
- ältesten bekannten Erdölvorkommen sind rund 500 Millionen alt
- die jüngsten nur gerade 4000 Jahre alt
- obersten, vom Sonnenlicht durchfluteten Wasserschichten der Weltmeere waren damals wie heute von mikroskopisch kleinen Tieren und Pflanzen,
dem Plankton, bevölkert
- nach Tod sanken diese Lebewesen in die Tiefe
- meisten von ihnen verwesten nach und nach
- Teil gelangte jedoch bis auf den Meeresgrund
- bildete dort zusammen mit abgesunkenen Sedimenten eine Schicht aus Tiefseeschlamm
- Komplexes Gemisch:
- in sauerstoffarmer Umgebung des Meeresgrunds konnten die Planktonreste nicht
mehr abgebaut werden
- stimmten die Umweltbedingungen, verwandelte sich der Tiefseeschlamm in Jahrtausende dauernden chemischen und biologischen Prozessen in komplexes Gemisch aus verschiedensten Kohlenwasserstoffen -> das Erdöl
- Umwandlung nur möglich bei Temperaturen von etwa 65°C bis 120°C und einem hohen Druck
- Gestein als Speicher:
- Mineralien des Tiefseeschlamms verfestigten sich dabei zu einer Gesteinsschicht in deren Poren die Umwandlung des Planktons in Erdöl stattfinden konnte
- Erdöl wird daher immer im Gestein gespeichert vorgefunden
- niemals in Form von freien unterirdischen Ölseen
Vorkommen:
- günstigsten geologischen Bedingungen für die Bildung von Erdöl herrschten vor Jahrmillionen im heutigen Mittleren Osten
- zwei Drittel der heute bekannten Erdölreserven liegen in der Region der arabischen Halbinsel
- Saudi-Arabien allein verfügt mit Erdölreserven von rund 36 Milliarden Tonnen über rund einen Viertel der weltweiten Vorräte
- Verteilung:
o Nordamerika - 6,4 (in 1000 Mio. Tonnen [2003])
o Europa & Eurasien -13,3
o Lateinamerika -14,1
o Ferner Osten - 5,2
o Afrika -10,3
o Mittlerer Osten - 93,4
- konventionelle und nichtkonventionelle Reserven:
- Erdölreserven werden in zwei Gruppen aufgeteilt
- als konventionelle Reserven bezeichnet man jene Vorkommen, die mit heutiger Technik in großem Maßstab wirtschaftlich nutzbar sind
- dazu zählt die Mehrheit der Lagerstätten im Mittleren Osten
- in nichtkonventionellen Öllagerstätten ist das Erdöl zähflüssig oder fest im Gestein gebunden und lässt sich nur mit großem Aufwand gewinnen
- vor allem amerikanischer Kontinent verfügt über riesige nichtkonventionelle Ölreserven in Form von Teersand, Ölschiefer und Schweröl
Abbau:
- Reflexionsseismik:
- weitaus wichtigste Methode bei der Suche nach Öl ist heute die Reflexionsseismik
- dabei macht man sich die Tatsache zunutze, dass Erschütterungswellen sich je nach der Beschaffenheit des Untergrundes mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen und an den Grenzflächen zwischen verschiedenen Gesteinsschichten genau wie Schall- oder Lichtwellen gebeugt oder reflektiert werden
- bei seismischen Untersuchungen werden zahlreiche Erschütterungen in Form von winzigen künstlichen Erdbeben ausgelöst
- abgelenkten und zurückgeworfenen Erschütterungswellen werden von hochempfindlichen Messgeräten, so genannten Geophonen, registriert
- Daten werden von leistungsfähigen Computern verarbeitet und liefern ein aussagekräftiges dreidimensionales Bild des geologischen Untergrundes
- Versuchsbohrungen:
- moderne geologische Untersuchungsmethoden haben die Chancen, bei der Suche nach neuen Öllagerstätten fündig zu werden
- in letzten 50 Jahren ständig verbessert
- doch erst Versuchsbohrung zeigt, ob eine so entdeckte «verdächtige» Gesteinsformation tatsächlich Erdöl enthält
- ist Probebohrung erfolgreich, müssen Größe, Qualität und Ergiebigkeit der neu entdeckten Lagerstätte untersucht werden
- erst wenn feststeht, dass die Ausbeutung des Vorkommens kommerziell lohnend ist, werden die ersten Produktionsbohrungen angelegt
Bohrtechnik:
- meisten Bohrungen werden senkrecht in die Tiefe getrieben
- häufigstes angewendetes Verfahren - Rotary-Verfahren
- Bohrmeissel wird über ein drehendes Bohrgestänge angetrieben
- mit zunehmender Tiefe wird die Bohrung jeweils mit Futterrohren ausgekleidet und damit stabilisiert
- um Ausbruch einer unter Druck stehenden Lagerstätte zu verhindern, wird die
- Bohrung mit einer selbsttätigen Abschlussvorrichtung (Blow-out-preventer) versehen
- vom Meissel zertrümmertes Gestein, das sog. Bohrklein, wird mittels einer Spülflüssigkeit abtransportiert
- Flüssigkeit übernimmt dabei gleichzeitig die Aufgabe,
- die Bohrwerkzeuge kontinuierlich zu schmieren, zu kühlen und durch ihren Druck Wassereintritte in die Bohrung sowie Ölaustritte aus der Lagerstätte zu verhindern
- austretende Spülflüssigkeit wird vom Bohrklein gereinigt und wieder zurück in das
- Bohrloch gepumpt
- mit schrägen oder abgeknickten Bohrungen lassen sich auch schwer zugängliche
- Erdölvorkommen erreichen
- On- und Offshore:
- großer Teil der konventionellen Erdölvorkommen liegt nicht auf dem Festland
- («onshore»), sondern «offshore» unter den flachen Meeren der Kontinentalschelfe
- z.B. in der Nordsee oder im Golf von Mexiko
- «Offshore»-Bohrungen erfolgen von schwimmenden oder am Meeresboden verankerten Bohrplattformen aus und verwenden grundsätzlich dieselben Techniken wie Bohrungen am Festland
- aufgrund der schwierigeren Umweltbedingungen - wesentlich aufwändiger und kostspieliger
- bei Suche nach neuen Ölvorkommen stoßen die Bohrequipen immer weiter in Extrembereiche vor
- heute wird in Arktis ebenso nach Erdöl gebohrt wie im tiefen Wasser des Golfs von Mexiko
Förderung mit natürlichem Druck:
- nicht alle Ölvorkommen lassen sich gleich gut nutzen
- dünnflüssiges Öl, das unter hohem Druck steht und große Mengen an gelöstem Gas enthält, steigt ohne weiteres zu tun von allein im Bohrloch auf
- in Ölfeldern des Mittleren Ostens reicht der natürliche Druck oft aus, um das Öl über Jahre hinweg ohne zusätzliche Maßnahmen an die Oberfläche sprudeln zu lassen
- Förderung mit Pumpen:
- mit der Zeit lässt der Druck in der Lagerstätte jedoch nach
- wenn Öl nicht mehr von selbst zur Oberfläche fließt, kommen so genannte Plungerpumpen zum Einsatz
- Förderung mit Gasdruck:
- viele Lagerstätten enthalten neben Erdöl auch Erdgas
- vor allem in abgelegenen Förderorten kann das Gas nicht vermarktet werden, weil nötige Infrastruktur fehlt
- man kann sich vorhandene Erdgas jedoch für Ölförderung zunutze machen
- wird es ins Gestein rund um das Förderrohr gepresst, vermischt sich das Gas mit dem im Untergrund vorhandenen Öl zu einem leichten Schaum, der ohne weitere Unterstützung im Bohrloch aufsteigt
- Förderung mit Wasserdruck:
- Lässt Druck im Inneren der Lagerstätte weiter nach, wird Wasser eingepresst
- Wasser drückt vorhandenes Öl nach oben ins Förderrohr
- Förderung mit Dampf und Chemikalien:
- durch Dampfinjektionen und unter Zugabe von Chemikalien kann die Oberflächenspannung
- des Erdöls gesenkt werden -> lässt sich leichter vom Gestein lösten
- Versiegen der Quelle:
- irgendwann versiegt die Ölquelle, auch wenn noch längst nicht alles Öl an die Oberfläche gepumpt worden ist
- in den feinsten Poren des Gesteins wird ein großer Teil des Erdöls von starken Kräften zurückgehalten
- es lassen sich selten mehr als 50% des im Gestein gespeicherten Erdöls gewinnen
- das ist jedoch schon deutlich mehr als noch vor 20 Jahren (25%)
Transport:
- Pipeline
- Seetransport
- Straßentransport
Veredelung:
- bevor aus Erdöl die riesige Produktpalette entsteht, die unseren Alltag bestimmt, muss der Rohstoff in seine Bestandteile zerlegt und weiterverarbeitet werden
- Rohöl selbst ist kein einheitliches Produkt, sondern ein komplexes Gemisch aus verschiedensten Kohlenwasserstoffen, geringen Schwefelmengen und Spuren von Sauerstoff, Stickstoff und Metallen
- Destillation in der Raffinerie:
- in Raffinerie wird Gemisch stark erhitzt und durch Destillation aufgetrennt - derselbe physikalische Prozess, mit dem zum Beispiel Schnaps aus vergorenen Früchten gewonnen wird
- bei Destillation macht man sich die unterschiedlichen Siedetemperaturen der verschiedenen im Erdöl enthaltenen Kohlenwasserstoffverbindungen zunutze
- Flüssiggas, Benzin, Petrol, Mitteldestillate (Heizöl und Diesel), Schweröl und Bitumen können auf diese Weise sauber voneinander getrennt werden
- da bei Destillation keine neuen chemischen Verbindungen hergestellt, sondern lediglich vorhandene Stoffe voneinander getrennt werden, fällt bei der Gewinnung eines bestimmten Produkts stets auch eine bestimmte Menge der anderen Produkte an
- so genannte Koppelproduktion ist ein typisches Kennzeichen für die Herstellung von Mineralölprodukten
- die atmosphärische Destillation:
- in der ersten Stufe, der atmosphärischen Destillation, wird das Rohöl erhitzt und in einen ersten Destillationsturm geleitet
- die Temperatur darf 350 °C nicht übersteigen
- sonst beginnen sich die Kohlenwasserstoffverbindungen zu zersetzen
- Mischung verdampft, steigt im Destillationsturm auf und kühlt dabei allmählich ab
- je tiefer die Siedetemperatur einer Verbindung, desto höher steigt sie, ehe sie sich wieder verflüssigt
- Zwischenböden im Innern des Destillationsturms fangen die so getrennten Verbindungen einzeln auf
- Gase durchströmen den ganzen Turm und werden zuoberst gesammelt
- Benzin, Petrol und Gasöl werden auf verschiedenen Zwischenböden aufgefangen
- die schwersten Bestandteile des Rohöls bleiben jedoch auch bei den höchsten Temperaturen flüssig und sammeln sich am Boden des Destillationsturms an
- die Vakuumdestillation:
- Rückstand wird abermals erhitzt und zur Vakuumdestillation geführt
- in diesem zweiten Destillationsturm herrscht, ein Teilvakuum
- dadurch werden die Siedetemperaturen um etwa 100 °C erniedrigt, so dass sich die Rückstände aus der atmosphärischen Destillation weiter auftrennen lassen
- doch auch im Vakuum lassen sich nicht alle Bestandteile des Rohöls verdampfen
- verbleibende Rückstände werden je nach Qualität des Rohöls als schweres Heizöl verwendet oder zu Bitumen weiterverarbeitet und im Strassenbau eingesetzt
- das Cracking:
- westlicher Lebensstil führt zu einem großen Bedarf an leichten und mittelschweren Erdölprodukten wie Benzin oder Heizöl Extra-Leicht
- Nachfrage nach schwerem Heizöl sinkt in der Schweiz mit jedem Jahr
- es lohnt also für die Raffinerien, die Ausbeute an leichten Produkten weiter zu steigern
- viele moderne Raffinerien sind zu diesem Zweck mit einem Cracker ausgerüstet
- beim Cracking werden die komplexen und schweren Kohlenwasserstoffketten aus den Destillationsrückständen in kürzere Molekülketten gespalten
- in modernen Raffinerien sind drei Verfahren anzutreffen: das thermische Cracken, das katalytische Cracken und das Hydrocracken
- die Raffination:
- auf Destillation und das Cracking folgt die eigentliche Raffination, die Veredelung der bisher gewonnenen Produkte
- dazu zählen einerseits die chemische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in höherwertige Verbindungen (Konversion) und andererseits die Entfernung unerwünschter Inhaltsstoffe (z.B. Schwefel)
- bei Reforming und Isomerisation werden bestimmte Kohlenwasserstoffmoleküle chemisch umgebaut
- verwendet werden diese Verfahren beispielsweise zur Erhöhung der Oktanzahl (und damit der Klopffestigkeit) von Benzin
- die Entschwefelung:
Entschwefelung von Brenn- und Treibstoffen dient letztlich dem Schutz von Mensch und Umwelt
Schwefelgehalt von Benzin, Diesel, Heizöl und Flugtreibstoffen wird in der Schweiz durch die Luftreinhalteverordnung (LRV) begrenzt
Schwefel ist ein natürlicher Bestandteil des Erdöls und je nach Herkunft des Rohöls in unterschiedlicher Menge vorhanden
um die stetig sinkenden Grenzwerte einzuhalten, muss er in der Raffinerie aus den Produkten entfernt werden
die Produkte werden zu diesem Zweck unter hohem Druck und hoher Temperatur mit Wasserstoff vermischt und über einen Katalysator geleitet
der dort gebildete Schwefelwasserstoff wird aufgefangen und zu reinem Schwefel umgewandelt, der als Rohstoff in der chemischen Industrie Verwendung findet
die heute in der Schweiz erhältlichen Benzin- und Dieselqualitäten sind alle praktisch schwefelfrei |
