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Erdöl & Erdgas
Erdöl (Petroleum), ein hauptsächlich aus
verschiedenen Kohlenwasserstoffen bestehendes, helles bis schwarzgrünes,
dünn- bis dickflüssiges öliges Gemenge, das als Rohstoff
in natürlicher Lagerung vorkommt (Rohöl). Bestandteile: 80,4-87
% Kohlenstoff, 9,6-13,8 % Wasserstoff, 0-3 % Sauerstoff, 0-5 % Schwefel,
0-2 % Stickstoff.
Entstehung
Erdöl entstand mit größter Wahrscheinlichkeit aus tierischen
und pflanzlichen Organismen, die durch bakteriellen anaeroben ( als anaerob
bezeichnet man Lebensvorgänge, die ohne Sauerstoff ablaufen) Abbau
entstanden. Erdöl besteht aus Kohlenhydraten, Eiweißstoffen
und Fetten von winzigen Wassertieren und Wasserpflanzen, die vor Millionen
von Jahren in riesiger Anzahl flache, küstennahe Gewässer besiedelten.
Flüsse und Gewässer verfrachteten Mikroorganismen und Sanden,
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Gewinnung
Häufigstes Bohrverfahren nach Erdöl- bzw. Erdgasvorkommen
ist das Drehbohr- oder Rotaryverfahren ; Bohrtiefen bis 10 000 m. Hauptbestandteile
einer Bohranlage: Bohrturm; ein meist 40 m hohes Stahlgerüst mit Flaschenzug,
an dem das gesamte Bohrgestänge hängt; Drehtisch mit Antriebsaggregaten
(typisch). (4 000 kW) zum Antrieb von Mitnehmerstange, Bohrgestänge
(9 m lange Rohre mit Gewindeverschraubung), Schwerstange und daran befestigtem
Bohrmeißel oder Bohrkrone; Bohrlochverschlüsse (Blow-out-preventer).
Die Bohrung erfolgt stufenweise mit abnehmendem Durchmesser (30''-6'' oder
76-15 cm). Nach dem ›Ziehen‹ des gesamten Bohrgestänges wird das Bohrloch
mit Futterrohren ausgekleidet, der Ringraum auszementiert und mit der nächstkleineren
Bohrkrone weitergebohrt. Der Druck auf die Bohrkrone wird einzig von der
Schwerstange ausgeübt. Die Spülflüssigkeit kühlt
den Bohrkopf und transportiert das Bohrklein als Bohrschlamm nach oben.
Ist die Bohrung fündig (etwa jede 10. Bohrung), beginnt die Förderung.
Man unterscheidet: Primärförderung (das Erdöl quillt
infolge des hohen Lagerstättendrucks an die Erdoberfläche), Sekundärförderung
(Wasser wird durch geeignete Bohrlöcher eingepresst und drückt
das Öl nach oben; häufigste Methode), tertiäre Förderung
(eingeleiteter Heißdampf macht zähflüssiges Erdöl
so dünnflüssig, dass es nach oben gepumpt werden kann).
Die größten Vorkommen von Erdöl liegen im Mittleren
Osten, Russland und China. Um die Jahrhundertwende lag die weltweite
Förderung bei ca. 20
Millionen Tonnen pro Jahr. Bis 1970 stieg die sie auf über 2 Milliarden
Tonnen pro Jahr. Zur Zeit deckt das Erdöl zusammen mit dem Erdgas
mehr als die Hälfte des Weltenergiebedarfs.
Transport
Die meisten Erdölquellen liegen weit entfernt von den Verbraucherzentren.
Das frisch geförderte Rohöl wird an Ort und Stelle in großen
Tanks gespeichert und durch Rohrleitungen (Pipelines) zur nächsten
Erdölraffinerie zur Weiterverarbeitung oder zum nächsten Hafen
transportiert. Hochseetanker, die heute eine Transportkapazität von
bis zu 500 000 Tonnen erreichen, transportieren das Rohöl zu den Häfen
der Verbraucherländer.
Verarbeitung
Grundlegendes: Die Verarbeitung dient der Gewinnung von Treibstoffen,
Schmier- und Heizölen sowie in großem Umfang der Gewinnung von
Rohstoffen für die chem. Industrie. Die ersten Verarbeitungsschritte,
denen das geförderte E. unterworfen wird, sind Reinigungsprozesse
wie Abfiltrieren von Sand oder Schlamm, Entfernen von gelösten Gasen,
Abtrennung von Wasser und gelösten Salzen. Danach gelangt das Rohöl
zur Aufbereitung in die Raffinerie. Hier wird es allgemein zunächst
einer Destillation unter atmosphärischen Druck, der Topdestillation,
unterworfen und dabei in Fraktionen unterschiedlicher Siedebereiche zerlegt.
Man erhitzt das Rohöl hierzu in Röhrenöfen auf etwa 370
ºC und leitet die entstehenden Dämpfe in eine Destillationskolonne,
aus der dann die Fraktionen unterschiedlicher Siedetemperatur in verschiedenen
Höhen der Kolonne abgezogen werden. An der Spitze der Destillationskolonne
entweichen die am leichtesten flüchtigen Erdölbestandteile als
Topgase. Danach folgt bei Temperaturen bis etwa 100 ºC das Leichtbenzin,
etwa zw. 100 und 180 ºC das Schwerbenzin, zw. 180 und 250 ºC
das Petroleum und zw. 250 und 350 ºC das Gasöl. Am Boden der
Destillationskolonne sammeln sich diejenigen Bestandteile des Erdöls
an, die erst oberhalb 350 ºC sieden. Dieser Destillations- oder Toprückstand
wird entweder direkt als schweres Heizöl verwendet oder durch thermisches
Kracken oder Vakuumdestillation zu weiteren Produkten, insbesondere zu
Schmierölen verarbeitet. Der hierbei verbleibende Rückstand kann
je nach dem eingesetzten Rohöl als Bitumen oder als Zusatz zu schwerem
Heizöl verwendet werden. Alle Destillate, einschließlich der
Topgase, müssen vor der Abgabe an den Verbraucher oder vor der weiteren
Verarbeitung einer Nachbehandlung (Raffination) unterworfen werden, um
sie den Marktanforderungen hinsichtlich Lagerstabilität, Geruch und
Farbe anzupassen, zum Teil auch um korrosiv wirkende Komponenten und Katalysatorgifte
(v. a. Schwefelverbindungen) zu entfernen.
Gewinnung hochwertiger Motorenbenzine: Da der Bedarf an Treibstoffen,
insbes. Hochwertigen Vergaserkraftstoffen (Motorenbenzinen) mit der immer
stärker zunehmenden Motorisierung sprunghaft gestiegen ist und aus
den bei der Topdestillation anfallenden Benzinfraktionen (den Straight-run-
Benzinen) nicht mehr ausreichend gedeckt werden kann, wurden mehrere Verfahren
entwickelt, durch die die Ausbeute an qualitativ hochwertigen Motorenbenzinen
gesteigert wird. Eines dieser Verfahren ist das Kracken (Cracken), d. h.
das Spalten höhermolekularer Erdölbestandteile (v. a. Gasöl,
Toprückstand, Rohöl) in niedrigermolekulare. Das thermische Kracken
ist wichtig für die Verarbeitung von hochviskosen Erdölfraktionen
(z. B. des Toprückstands), aus denen man auf diese Weise Niederviskose,
als leichte Heizöle geeignete Produkte erhält. Große Bedeutung
für die Herstellung von Motorenbenzinen hat dagegen das katalytische
Kracken (Katkracken, Catcracken); es wird meist bei niederen Drücken
(etwa 0,2 MPa = 2 bar) und
Temperaturen von etwa 550 ºC in der Dampfphase durchgeführt.
Als Katalysatoren lassen sich aktivierte natürliche Tone, synthetisch
saure Aluminiumsilicate, Magnesium- und Molybdänsilicate verwenden.
Die Reaktion wird meist im Wirbelschichtverfahren vorgenommen, wobei ein
Teil des Katalysators ständig abgezogen wird. Das dabei anfallende
Krackbenzin zeichnet sich durch eine hohe Oktanzahl aus; es enthält
viele andere niedermolekulare aromatische Verbindungen und Isoparaffine.
Ein weiteres wichtiges Verfahren zur Gewinnung von hochwertigen Motorenbenzinen
ist das Reformieren, bei dem wenig klopffeste Kohlenwasserstoffe (v. a.
Paraffine und Naphthene) durch Isomerisierungs-, Cyclisierungs- und Aromatisierungsreaktionen
in hochklopffeste Kohlenwasserstoffe (v. a. Isoparaffine, Aromaten und
Alkene) umgewandelt werden. Dadurch ist es möglich, aromatenreiche
wertvolle Flug- und Motorenbenzine ( Reformate, Reformatbenzine ) mit Oktanzahlen
zw. 90 und 100 zu gewinnen. Als Nebenprodukte treten wasserstoffreiche,
zu Synthesen geeignete Spaltgase auf. Beim Reformieren nach dem Festbettverfahren
wird ein feinkörniger, fest im Reaktor auf Trägermaterial angebrachter
Platinkatalysator verwendet (Platforming), beim Reformieren nach dem Wirbelschichtverfahren
besteht der Katalysator aus feinkörnigen Molybdän- und Aluminiumoxidteilchen
oder Gemischen aus Kobalt-, Molybdän- und Aluminiumoxid, die von unten
her vom Einsatzgut durchströmt werden (Hydroforming, Hyperforming).
Die Reaktion vollzieht sich bei Drücken zw. 1-3 MPa (10-30 bar) bei
Temperaturen von mehr als 500 ºC.
Wirtschaft
Die wirtschaftliche Ausbeute von Erdöl setzte zwar erst in der
2. Hälfte des 18. Jahrhundert ein, doch wurde Erdöl rasch zum
wichtigsten Primärenergieträger in den meisten Industrieländern.
Die Erdölunternehmen entwickelten sich entsprechend zu großen
Konzernen, die auch politischen Einfluss durch Einsatz ihrer wirtschaftlichen
Macht erlangten. Mit der Gründung der OPEC bzw. der OAPEC versuchten
die größten Förderländer - mit Ausnahme der USA und
der UdSSR - ein Rohstoffkartell zu errichten, um Preiserhöhungen und
auch Absprachen über die Fördermengen durchsetzen zu können.
Im Gegensatz zu Kernenergie ist Erdöl ungefährlicher.
Erdgas
Erdgas, Naturgas, das zusammen mit Erdöl entstanden ist und häufig zusammen mit Erdöl vorkommt. In einigen Lagerstätten liegen die Erdgasfelder auch getrennt vom Erdöl. Erdgas ist einer der wichtigsten Energielieferanten. Hauptbestandteil ist Methan mit einem Anteil von 80 bis 90 Prozent.
Entstehung und Vorkommen
Erdgas entstand wie Erdöl bei der Umwandlung von organischen Stoffen
vorwiegend maritimen Ursprungs, die am Meeresboden sedimentiert wurden.
Als immer mehr Material angelagert wurde, nahm der Druck auf die unteren
Schichten stark zu und die Temperatur stieg auf 100 bis 200 °C an.
Aus den Resten der abgestorbenen Organismen entstanden so Rohöl und
Erdgas, das aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen (z. B. Methan, Ethan,
Propan und Butan) sowie u. a. Kohlendioxid, Stickstoff und Schwefelwasserstoff
besteht. Neben diesen Stoffen können auch Edelgase (z. B. Helium)
enthalten sein.
Die größten Erdgasvorkommen liegen in den USA in den Bundesstaaten
Oklahoma und Kansas sowie am Golf von Mexiko in den Bundesstaaten Texas
und Louisiana. Weitere bedeutende Erdgasfelder besitzen Usbekistan sowie
Russland östlich des Ural. Kleinere Felder liegen in Kanada und der
Nordsee. Der größte Erdgaslieferant war 1996 die GUS mit einer
Förderung von rund 673 Milliarden Kubikmetern, gefolgt von den USA
mit etwa 573 Milliarden Kubikmetern sowie Kanada mit rund 164 Milliarden
Kubikmetern. Größte europäische Förderländer
sind die Niederlande (97 Milliarden Kubikmeter) und Großbritannien
(87 Milliarden Kubikmeter).
Insgesamt wurden 1996 weltweit etwa 2,255 Billionen Kubikmeter Erdgas
gefördert. In den letzten Jahren hat der Bedarf an Erdgas stetig zugenommen,
da die Rohstoffe Erdöl und Kohle in zunehmendem Maß durch Erdgas
ersetzt werden. Insgesamt schätzt die UNO den gesamten Vorrat an Erdgas
auf etwa 140 Milliarden Tonnen (1996). Legt man den derzeitigen Bedarf
und die derzeitige Fördermenge zugrunde, wären die Vorkommen
in rund 63 Jahren erschöpft.
Arten und Förderung
Erdgas lässt sich nach zwei Arten unterscheiden: trockenes und
nasses Erdgas. Trockenes Erdgas bezeichnet ein Gas, das fast nur aus Methan
besteht. Dieses Gas wird aus relativ geringer Tiefe in reinen Gaslagerstätten
gefördert und hat einen Heizwert um 35 000 Kilojoule pro Kubikmeter.
Im Gegensatz zu nassem Erdgas steht trockenes sofort zur Verwendung zur
Verfügung und muss nicht speziell gereinigt werden. Nasses Erdgas
fällt in der Regel an, wenn Erdöl aus größeren Tiefen
gefördert wird. Durch den höheren Druck werden die Kohlenwasserstoffe
in Erdöl gelöst. Wird nun das Erdöl gefördert, werden
die Kohlenwasserstoffe verdampft und wieder vom Erdgas aufgenommen. Bevor
das Erdgas genutzt werden kann, muss es deshalb gereinigt werden.
Durch diesen Vorgang wird u. a. Flüssiggas gewonnen. Treten neben
den Kohlenwasserstoffen noch andere Bestandteile (z. B. Kohlendioxid oder
Stickstoff) auf, muss das Gas vor einer Nutzung ebenfalls gereinigt werden.
Dies geschieht z. B. über die Behandlung mit verschiedenen Waschlösungen.
Nutzung
Erdgas ist einer der wichtigsten Energieträger. Nach der Förderung
zusammen mit Erdöl wird Erdgas oftmals in ehemaligen, bereits abgebauten
Gasfeldern gespeichert. Diese natürlichen Speicherräume haben
in einigen Fällen ein Fassungsvermögen von bis zu einer Milliarde
Kubikmeter. Ein Teil des Gases wird über Pipelines von den Gasfeldern
in die Industrieregionen transportiert, für Verbindungen über
die Ozeane wurden spezielle Tankschiffe konstruiert. Steigende Bedeutung
gewinnt Erdgas auch als Heizgas in privaten Haushalten.
Weitere Infos zu Erdgas findet Ihr auch bei diesem Referat.