Erdöl: Von der Exploration bis zur Raffination

Was ist Erdöl?

Erdöl ist eine zähe Flüssigkeit, deren Farbe von Dunkelbraun bis Schwarz mit grünen Reflexen reicht. Es besitzt einen charakteristischen Geruch und schwimmt auf Wasser. Die chemischen Hauptbestandteile sind Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff. Zudem enthält es kleinere Mengen an Schwefel, Stickstoff und Metallen wie Vanadium (V), Nickel (Ni), Aluminium (Al), Eisen (Fe), Kupfer (Cu), Natrium (Na), Calcium (Ca) und Uran (U).

Die Zusammensetzung des Öls

Die Komponenten des Erdöls umfassen:

• Aromatische Verbindungen: n-C5-C44 Alkane, verzweigte Alkane und Cycloalkane.
• Gesättigte Ringe: Einfache und kondensierte Ringsysteme.
• Asphalt: Verbindungen, die Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Schwefel (S) enthalten.

Wichtige Derivate aus der Erdöldestillation

Ersatzbrennstoffe

• Benzin (93, 95, 97 Oktan)
• Flugbenzin (100/130)
• Kerosin für den Hausgebrauch

Petrochemische Derivate

• Ethylen und Polyethylen
• LDPE (Low Density Polyethylen)
• Propylen und Polypropylen
• Polypropylen mit hoher Dichte

Industrielle Derivate

• Testbenzin (White Spirit)
• Mineralisches Terpentin
• Industrielles Xylol
• Lösungsmittel (Solvent 4, Solvent 10)

Was ist eine Raffinerie?

Eine Raffinerie ist eine industrielle Anlage, in der Rohöl durch verschiedene Prozesse in nutzbare Produkte umgewandelt wird. Dies umfasst die fraktionierte Destillation sowie verschiedene chemische Behandlungen:

• Reinigung: Entfernung von Verunreinigungen mit Wasser.
• Entsalzung: Trennung durch Destillation basierend auf Siedepunkten.
• Raffination: Umwandlungsreaktionen zur Änderung molekularer Strukturen.
• Mischen: Zusammenführen von Komponenten für kommerzielle Eigenschaften.

Die Stadien werden oft unterteilt in: Roh (Raw), Entsalzt (Desal), Raffiniert, Reformiert und Gemischt.

Methoden der Erdölexploration (Prospektion)

Die Prospektion dient dem Auffinden unterirdischer Ölvorkommen. Geologen suchen nach Sedimentbecken mit organisch reichen Schiefern, in denen sich über lange Zeiträume Öl bilden konnte.

Oberflächen-Prospektionsmethoden

• Gravimetrie: Bestimmung von Schwereanomalien aufgrund von Dichteabweichungen im Untergrund.
• Magnetik: Erkennung von Anomalien im Erdmagnetfeld durch ferromagnetische, diamagnetische oder paramagnetische Minerale.
• Seismik: Erfassung und Interpretation von künstlich erzeugten Druckwellen (Explosionen), um die Tiefenstruktur des Bodens zu analysieren.

Verfahren zur Erdölgewinnung

Bohrverfahren

• Schlagbohren: Ein schweres Schneidwerkzeug wird wiederholt angehoben und fallengelassen, um den Boden zu zertrümmern.
• Rotationsbohren: Ein rotierender Bohrtisch treibt ein Stahlrohr (Bohrgestänge) an. Am Ende befindet sich ein Meißel (ggf. mit Industriediamanten), der sich in den Fels frisst.

Extraktionsmethoden

• Primärverfahren: Nutzung des natürlichen Drucks (z. B. durch Methangas).
• Gas- oder Wasserlift: Pumpverfahren, wenn der natürliche Druck nicht ausreicht (gewinnt ca. 50 % des Öls).

• Sekundärförderung: Injektion von Wasser oder Gas in parallele Bohrungen, um den Druck im Reservoir aufrechtzuerhalten.

Klassifizierung nach dem API-Standard

Die globale Industrie klassifiziert flüssige Kohlenwasserstoffe nach der API-Schwere (American Petroleum Institute), welche die Qualität des Öls unterscheidet.

Eigenschaften verschiedener Kraftstoffe

• Naphtha: Sehr flüchtig, leicht entzündlich, Hauptbrennstoff für Verbrennungsmotoren (Heizwert: 11.000 cal/kg).
• Kerosin: Weniger flüchtig als Benzin, genutzt für Heizungen und Turbinenstrahltriebwerke (Heizwert: 10.500 cal/kg).
• Gasöl: Schwerer und weniger flüchtig, genutzt für Industrieöfen und Metallurgie (Heizwert: 10.250 cal/kg).
• Diesel: Nebenprodukt aus schwereren Ölen, brennt langsamer, ideal für Dieselmotoren (Heizwert: 11.000 cal/kg).
• Heizöl: Schweres Nebenprodukt, brennt nur schwer (Heizwert: 10.000 cal/kg).

Prozesse der Reformation

Reformationsprozesse dienen der Qualitätsverbesserung und werden in drei Gruppen unterteilt:

• Einfache Destillation: Trennung ohne strukturelle Veränderungen.
• Thermisches Cracken: Aufbrechen langer aliphatischer Ketten in kürzere oder zyklische Strukturen.
• Alkylierung und katalytisches Cracken: Umwandlung von Spaltprodukten in hochoktaniges Benzin durch Erhöhung der Verzweigungen.

Physikalische und chemische Grundbegriffe

• Brandfördernd: Stoffe, die Sauerstoff für eine Verbrennung liefern.
• Brennbar: Stoffe, die sich entzünden können.
• Verbrennung: Rasche Oxidation unter Freisetzung von Wärme.
• Detonation: Explosion mit einer extrem schnellen Druckwelle und verheerenden Auswirkungen.
• Flammpunkt: Niedrigste Temperatur, bei der eine Flüssigkeit brennbare Dämpfe abgibt.
• Zündtemperatur: Mindesttemperatur für eine selbsterhaltende Verbrennung ohne externe Energiequelle.
• Stockpunkt: Temperatur, bei der Öl aufhört zu fließen (fest wird).
• Taupunkt: Temperatur, bei der Wasserdampf zu kondensieren beginnt.
• Siedepunkt: Temperatur, bei der der Dampfdruck der Flüssigkeit dem atmosphärischen Druck entspricht.
• Oktanzahl: Maß für die Klopffestigkeit von Benzin.
• Cetanzahl: Maß für die Zündwilligkeit von Dieselkraftstoff.
• Viskosität: Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit.

Definitionen chemischer und physikalischer Begriffe

• Chemischer Prozess: Umwandlung von Ausgangsstoffen in Endprodukte.
• Atom: Kleinste Einheit eines chemischen Elements.
• Molekül: Stabile Gruppe von Atomen, die durch chemische Bindungen verbunden sind.
• Oxidation: Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff.

• Physikalische Phänomene: Beobachtbare und messbare natürliche Ereignisse.
• Zustandsformen: Fest, flüssig, gasförmig.
• Wärmeleitfähigkeit: Fähigkeit eines Materials, Wärme zu übertragen.
• Dichte: Verhältnis zwischen Masse und Volumen.
• Kohäsion: Zusammenhalt der Materie auf molekularer Ebene.