Erdöl
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.
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