Erdöl und Erdgas

Das schwarze Gold der Erde - so wird der wertvolle Rohstoff Erdöl häufig bezeichnet - ist einer der bedeutendsten Rohstoffe der Welt. Zusammen mit dem Erdgase zählt es zu den fossilen Energieträgern.

Sicherlich hast du dir schonmal die Frage gestellt wie Erdöl und Erdgas entstanden sind und wozu wir diese überhaupt nutzen.

Die Entstehung von Erdöl und Erdgas

Der Ursprung von Erdöl und Erdgas ist auf viele Millionen Jahre zurückzuverfolgen. Dabei sind diese Rohstoffe auf ganz natürliche Weise entstanden und somit biologischen Ursprungs. Besonders Erdöl wird sehr vielseitig verwendet. Als Kraftstoff, Heizmaterial oder Grundlage der Kunststoffproduktion.

Kleine Lebewesen aus dem Meer sind Ursprungsmaterial für die Entstehung von Erdöl und Erdgas. Das Plankton, welches vor Jahrmillionen gestorben ist, lagerte sich auf dem Grund des Meeres ab. Im Laufe der Zeit wurden die Überreste mit Sand und anderem Geröll durch Erosion überlagert. Durch den luftdichten Verschluss der Biomasse konnten Mikroorganismen diese zu einem Faulschlamm verwandeln. Immer mehr Sedimentschichten lagerten sich auf dem Faulschlamm ab, wodurch dieser tiefer sank. Durch den erhöhten Druck und die steigende Temperatur fand eine Umwandlung des organischen Materials in Kerogene statt.

Das Kerogen, welches als Vorprodukt für die Entstehung von Erdöl und Erdgas bezeichnet wird, besteht aus Kohlenstoff und Wasser. Durch die Einwirkung von Druck und Temperatur spaltet sich das Gemisch in gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe auf. Die Kohlenwasserstoffe steigen anschließend durch die Gesteinsschichten nach oben und lagern sich unterhalb einer undurchlässigen Erdschicht ab. Dort ist nun eine Lagerstätte entstanden, an der sowohl Erdöl, als auch Erdgas gefördert werden kann.

Die Zusammensetzung des Erdöls ist abhängig vom Herkunftsort. Grundsätzlich setzt sich das Gemisch jedoch aus folgenden Kohlenwasserstoffen zusammen:

1. verschiedene kettenförmige Kohlenwasserstoffe
2. Cycloalkane
3. Aromaten

Die Erdöl und Erdgas Vorkommen

Erdöl und Erdgas kommen häufig an den gleichen Orten vor. Wie du bereits im Abschnitt über die Entstehung lernen konntest, befinden sich beide Rohstoffe unterhalb der obersten Erdschicht. Der Nahe Osten sowie Länder der arabischen Halbinsel, dazu zählen Saudi-Arabien, Irak, Iran, Kuwait, zählen zu den Hauptfördergebieten für Erdöl und Erdgas. Auch im Golf von Mexiko wird Öl durch die USA, Venezuela und Mexiko befördert.

Russland bildet in Europa das Land mit dem größten Erdölvorkommen besonders im Kaukasus und Sibirien. Auch die Nordsee bildet ein weiteres großes europäisches Fördergebiet in dem Großbritannien, Norwegen, die Niederlande und Deutschland Erdöl über Ölplattformen transportieren.

Verwendung von Erdöl und Erdgas

Erdgas wird hauptsächlich als Heizmittel verwendet. Auch zum Betreiben von haushaltsüblichen Herden und Backöfen kann Erdgas verwendet werden. In Gaskraftwerken wird das Erdgas außerdem zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt. Durch Kraft-Wärme-Kopplung kann die im Erdgas enthaltene Energie bis zu 90 Prozent ausgenutzt werden. Erdgas ist zudem ein wichtiger Rohstoff für Prozesse der chemischen Industrie. Eingesetzt wird es dort für die Herstellung von Wasserstoff oder Synthesegas.

Erdöl kann auf verschiedene Weisen verwendet werden. Dazu wird das langkettige Kohlenwasserstoffgemisch jedoch zunächst weiterverarbeitet. Dabei entstehen kohlenstoffhaltige Gase, Benzin, Kerosin und Schweröle. Durch Verbrennung dieser Stoffe können verschiedene Energieformen erzeugt werden.

• thermische Energie
• elektrische Energie
• kinetische Energie

Erdöl Transport

Nun fragst du dich sicherlich, wie das Erdöl nun vom offenen Meer zu den Verarbeitungszentren, den Raffinerien, transportiert wird. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten - Tankschiffe und Pipelines. Die Tankschiffe übernehmen etwa 60 Prozent der Fördermenge des Öls und transportieren diese über den Wasserweg. Pipeline werden hauptsächlich auf dem Land verlegt und übernehmen daher nur etwa 40 Prozent des Transports.

Erdöl Transport durch Tanker

Tanker sind Schiffe mit einem flachen Deck, die zum Transport von flüssigen Stoffen wie beispielsweise Wasser, Kraftstoff und vor allem Erdöl eingesetzt werden. Mit Hilfe von Pumpen, die sich auf dem Schiff befinden, können die Tanks des Schiffs entleert werden. Dazu sind jedoch ebenfalls Schläuche notwendig, die durch den integrierten Kran an Bord des Tankers an Land transportiert werden können.

Öltanker sind nicht nur speziell für den Transport von Erdöl gebaut. Der Antrieb des Zweitakt-Dieselmotors erfolgt durch Schweröle, die aus dem Erdöl gewonnen werden. Das Rohöl ist vom Verladen bis zum Abladen in einem erwärmten Zustand.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile der großen Öltanker. Aufgrund des Tiefgangs können die Schiffe nur wenige Häfen anlaufen. Auch für Kanäle, wie beispielsweise der Panama- oder Suezkanal, sind die Tanker zu breit. Früher war der Rumpf lediglich aus einer Schiffshülle gefertigt, da diese jedoch anfällig für Risse ist, werden heute nur noch Tanker mit zwei Schiffshüllen gebaut.

Abb. 2: Tanker

Erdöl Transport durch Pipelines

Die Geschichte der Pipelines liegt schon viele Jahre zurück. Die erste Pipeline zum Transport von Flüssigkeiten (z.B. Erdöl) oder Gasen wie Erdgas wurde 1865 im US-Bundesstaat Pennsylvania gebaut. Pipelines sind Rohrleitungen aus Beton oder Stahl mit einem Durchmesser von bis zu 122 cm. Verlegt werden sie entweder ober- oder unterirdisch.

Damit das Erdöl auch durch die Rohre fließen kann sind Pumpen zur Beförderung angebracht. Diese erzeugen einen Druck und werden in bestimmten Abständen an der Leitung installiert. Während des Transports ist auch hier eine hohe Temperatur von ca. 60 - 80°C von Bedeutung. Die Temperatur hat Einfluss auf die Viskosität des Rohöls, die sich wiederum auf die Fließgeschwindigkeit auswirkt.

Eine besondere Variante der Pipelines sind die sogenannten Offshore-Pipelines, die am Meeresboden verlaufen. Offshore-Leitungen können zum einen zwei Landleitungen miteinander verbinden oder sogar eine Ölplattform auf dem Meer mit dem Festland. Vorteil dieser Rohrleitungen ist, dass sie weder von klimatischen Verhältnissen, noch vom Verkehr abhängig sind und so Tag und Nacht in Betrieb sind. Auch Unfälle, bei denen Öl austritt, sind im Vergleich zu Tanker deutlich geringer. Dennoch ist das Verlegen der Leitungen sehr kostspielig.

Aufbereitung von Erdöl

Nach der Förderung ist das Erdöl jedoch noch nicht nutzbar. Bereits an der Lagerstätte wird dieses entsalzen und Rohöl entsteht. Dieses Rohöl wird in drei Schritten weiterverarbeitet.

1. Fraktionierte Destillation
2. Weiterverarbeitung durch Cracken oder Veredelung
3. Verfahren der Petrochemie, wie beispielsweise Pyrolyse

Der erste Schritt ist die fraktionierte Destillation, bei der das Rohöl in mehreren Destillationsschritten in einzelne kohlenstoffhaltige Produkte getrennt werden kann. Darauf folgt der Vorgang des Crackens, wobei der hochsiedende Rückstand in kurzkettige Kohlenstoffmoleküle gespalten werden kann. Die Petrochemie hat zum Ziel Alkene oder Aromaten zu gewinnen, die zur Herstellung von Kunststoffen oder Synthesefasern benötigt werden.

Im Folgenden erhältst du einen kurzen Überblick zu den Verarbeitungsmöglichkeiten von Erdöl.

Fraktionierte Destillation

Die Verarbeitung des Rohöls im Rahmen der fraktionierten Destillation findet in einer Erdölraffinerie statt. Diese besteht aus einem Röhrenofen und häufig zwei Destillationskolonnen. In der ersten Kolonne herrscht ein Normaldruck und in der zweiten Kolonne wird ein Unterdruck erzeugt, das Vakuum.

Das Rohöl wird zunächst auf etwas über 300°C erhitzt, so dass ein Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit in die Fraktionierkolonne eingeleitet werden kann. Hochsiedende Produkte des Ausgangsgemischs sammeln sich am unteren Boden der Kolonne und werden in der zweiten Kolonne weiterverarbeitet.

Innerhalb einer Fraktionierkolonne befinden sich mehrere Böden, die sogenannte Glocken besitzen. Der aufsteigende Dampf des erhitzten Ausgangsgemischs kondensiert an diesen Glocken und auf dem jeweiligen Boden entsteht ein Flüssigkeitsgemisch. Dieses Gemisch verdampft zum Teil wieder. Lediglich die Kohlenstoffprodukte, die bei der dortigen Temperatur sieden, werden aus dem Dampf getrennt. Mit zunehmender Höhe der Kolonne sinkt die Temperatur. Zu den Produkten der fraktionierten Destillation zählen:

Vakuumdestillation

Da der Anteil von Benzin durch die Destillation unter Normaldruck nur etwa 20 Prozent beträgt, wird durch einen zweiten Destillationsschritt, der Vakuumdestillation, der Ertrag an Benzin erhöht. Das Vakuum agiert dabei als ein Katalysator, da in der Vakuumdestillation der hochsiedende Rückstand aus der vorherigen Verarbeitung aufgetrennt wird.

Durch das erzeugte Vakuum siedet der Rückstand bereits bei geringeren Temperaturen. Deshalb handelt es sich um ein besonders schonendes Trennverfahren, denn bei weiterer Erhöhung der Temperatur würden sich die Stoffe zersetzen.

Cracken

Das sogenannte Cracken ist ein Verfahren zur Spaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in kurzkettige Moleküle. Das Stoffgemisch wird dazu auf eine Temperatur von über 400°C erhitzt, so dass durch eine endotherme Reaktion die Kohlenstoffverbindungen gespalten werden. Häufig handelt es sich bei dem Ausgangsstoff um den Rückstand, der bei der fraktionierten Destillation entstanden ist. Die Verarbeitung des Rückstands kann auf unterschiedliche weisen ablaufen:

• thermisch ohne Katalysator
• mit Hilfe eines Katalysators
• durch Zusatz von Wasserstoff

Ziel aller Verfahren des Cracken ist die Herstellung hochwertiger Benzine und anderer Kraftstoffe, da die Nachfrage dieser Produkte sehr hoch ist. Beim Fluid Catalytic Cracking (FCC) handelt es sich um das wichtigste Crackverfahren. Dabei wird zunächst der Rückstand im Röhrenofen erhitzt und anschließend unter Zufuhr eines Katalysators in den Reaktor geleitet.

Im Reaktor findet der Crackingprozess statt, bei dem als unerwünschtes Nebenprodukt Koks entsteht. Das Koks lagert sich am Katalysator an, wodurch dieser deaktiviert wird. Während die Crackprodukte in einer Fraktionierkolonne erneut getrennt werden, wird der Katalysator in einen Regenerator geleitet. Dort wird unter Zufuhr von Luft das Koks vom Katalysator getrennt, so dass dieser reaktiviert werden kann.