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Erdöl: Entstehung, Destillation und Cracken
Erdöl ist kein einzelner Stoff, sondern ein komplexes Gemisch. In einer Raffinerie werden Stoffgruppen zunächst nach ihren Siedebereichen getrennt. Anschließend können lange Kohlenwasserstoffmoleküle beim Cracken in kürzere umgewandelt werden. So entstehen Treibstoffe, Brennstoffe und Ausgangsstoffe für chemische Produkte.
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Was Erdöl zu einem Stoffgemisch macht
Rohöl ist unbehandeltes, gefördertes Erdöl. Es besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen. Das sind Stoffe, deren Moleküle nur Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthalten. Die Moleküle unterscheiden sich unter anderem in Kettenlänge und Aufbau. Außerdem enthält Rohöl kleinere Anteile an Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen, Wasser, Verunreinigungen und teils Metallen.
Stoffgemisch
Ein Stoffgemisch enthält mehrere Stoffe. Deshalb besitzt Erdöl keine einzige chemische Formel und keinen einzelnen Siedepunkt.
Je nach Herkunft kann Rohöl gelblich bis schwarz, dünnflüssig bis sehr zäh sein. Viskosität bezeichnet die Zähflüssigkeit: Eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität fließt schwerer als eine mit niedriger Viskosität.
Benzin ist ebenso wenig ein Reinstoff wie Rohöl. Es ist eine Fraktion beziehungsweise ein weiterverarbeitetes Gemisch aus mehreren Stoffen mit ähnlichem Siedeverhalten. Die Bezeichnung nennt also eine Produktgruppe, keine einzelne Molekülart.
Wie Erdöl und Lagerstätten entstehen
Das meiste geförderte Erdöl geht auf abgestorbene Biomasse zurück, vor allem auf Algen. Seine Bildung dauert Millionen Jahre. Deshalb ist Erdöl im menschlichen Zeitmaßstab nicht erneuerbar.
- Organisches Material sinkt mit mineralischen Teilchen zum Meeresboden.
- In sauerstoffarmem Wasser wird es nicht vollständig zersetzt. Organikreicher Faulschlamm entsteht.
- Weitere Sedimente bedecken das Material. Druck und Temperatur steigen.
- Die organische Substanz wird zunächst zu Kerogen, einem festen organischen Material im Muttergestein.
- Bei weiterer Erwärmung entstehen daraus flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe.
- Diese beweglichen Stoffe wandern aus dem Muttergestein in poröses Speichergestein.
- Undurchlässiges Deckgestein und eine geologische Falle können die Wanderung stoppen. So bildet sich eine Lagerstätte.
In einer typischen Lagerstätte liegt wegen der unterschiedlichen Dichten oben eine Gaskappe, darunter Erdöl und darunter überwiegend Lagerstättenwasser.
Nicht das feste Kerogen wandert als fertiges Erdöl. Erst die daraus gebildeten mobilen Kohlenwasserstoffe verlassen das Muttergestein.
Wie die fraktionierte Destillation trennt
Rohölbestandteile sind gut ineinander löslich. Eine einfache Trennung nach Dichte eignet sich deshalb schlecht. In der Raffinerie nutzt man stattdessen die unterschiedlichen Siedebereiche.
- Das Rohöl wird in einem Ofen auf ungefähr $380\,^\circ\mathrm{C}$ erhitzt. Viele Bestandteile verdampfen; sehr schwere Bestandteile bleiben zurück.
- Die Dämpfe strömen in eine Destillationskolonne. Unten ist es heißer, nach oben wird es kühler.
- Stoffe mit höherem Siedebereich kondensieren schon weiter unten.
- Stoffe mit niedrigerem Siedebereich bleiben länger gasförmig, steigen höher und kondensieren erst in kühleren Bereichen.
- Die kondensierten Stoffgruppen werden auf verschiedenen Höhen abgezogen.
Fraktion
Eine Fraktion ist eine abgetrennte Stoffgruppe mit einem bestimmten Siedebereich. Sie ist gewöhnlich selbst ein Stoffgemisch und kein Reinstoff.
Von oben nach unten findet man vereinfacht Gase und leicht siedende Fraktionen, dann Benzinbestandteile, Kerosin, Mitteldestillate wie Diesel und schließlich schwere Öle und Rückstände. Die genauen Siedebereiche hängen vom Rohöl und vom Raffinerieverfahren ab.
Ein Bestandteil mit niedrigem Siedebereich steigt als Dampf weit nach oben. Erst dort ist die Kolonne kühl genug, damit er kondensiert. Ein schwerflüchtiger Bestandteil kondensiert dagegen schon im heißeren unteren Bereich. Entscheidend ist also das Siedeverhalten, nicht allein die Dichte.
Schwerflüchtige Stoffe lassen sich anschließend unter vermindertem Druck trennen. Bei dieser Vakuumdestillation sinken ihre Siedetemperaturen. Dadurch können sie verdampfen, ohne so stark erhitzt zu werden. Bitumen bleibt als besonders schwerer Rückstand.
Bei der Destillation werden vorhandene Stoffe physikalisch getrennt. Die Molekülarten werden dabei nicht gezielt in neue Molekülarten umgebaut.
Warum Cracken mehr als Trennen ist
Die natürliche Zusammensetzung von Rohöl passt nicht genau zum Bedarf. Es fallen auch schwere, langkettige Kohlenwasserstoffe an. Beim Cracken werden lange Kohlenwasserstoffmoleküle in kürzere Moleküle gespalten.
Cracken
Cracken ist eine chemische Reaktion: Aus langkettigen Kohlenwasserstoffen entstehen kürzere Kohlenwasserstoffe mit neuen Eigenschaften.
Beim thermischen Cracken liefert eine hohe Temperatur die nötige Energie. Beim katalytischen Cracken unterstützt ein Katalysator die Reaktion. Ein Katalysator senkt die benötigte Aktivierungsenergie und wird dabei nicht dauerhaft verbraucht. Als Nebenprodukt kann kohlenstoffreicher Koks entstehen.
Destillation beantwortet die Frage: „Welche bereits vorhandenen Stoffgruppen sieden in welchem Bereich?“ Cracken beantwortet eine andere Frage: „Wie lassen sich große Kohlenwasserstoffmoleküle chemisch in kleinere umwandeln?“ Erst wird also getrennt; anschließend können ausgewählte Fraktionen gezielt verändert werden.
| Merkmal | Destillation | Cracken |
|---|---|---|
| Vorgang | physikalische Trennung | chemische Reaktion |
| Molekülarten | bleiben grundsätzlich erhalten | werden in andere Moleküle umgewandelt |
| Grundlage | unterschiedliche Siedebereiche | Spaltung langer Kohlenwasserstoffketten |
| Zweck | Fraktionen gewinnen | mehr leichte, nutzbare Kohlenwasserstoffe erzeugen |
Wie sich die Nutzung von Erdöl bewerten lässt
Raffinerieprodukte werden energetisch oder stofflich genutzt. Bei energetischer Nutzung werden etwa Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl verbrannt, um Energie bereitzustellen. Dabei entstehen unter anderem Kohlendioxid und Wasser. Das Kohlendioxid trägt zum Klimawandel bei.
Bei stofflicher Nutzung dient Erdöl als Rohstoff für Produkte, zum Beispiel Kunststoffe, Farben, Medikamente, Kosmetika, Schmierstoffe oder Bitumen. Der Kohlenstoff wird dabei zunächst Bestandteil eines Produkts und nicht sofort zur Energiegewinnung verbrannt. Stoffliche Nutzung beseitigt die Probleme jedoch nicht automatisch: Erdöl bleibt endlich, und Herstellung, Gebrauch sowie späteres Entsorgen müssen mitbedacht werden.
Für eine begründete Bewertung helfen vier Kriterien:
- Zweck: Wird Energie oder ein Werkstoff benötigt?
- Folgen: Entstehen Treibhausgase, Luftschadstoffe oder Abfälle?
- Risiken: Können Förderung und Transport Böden oder Gewässer verschmutzen?
- Endlichkeit und Alternativen: Muss gerade der nicht erneuerbare Rohstoff Erdöl eingesetzt werden?
Vergleiche Kerosin als Flugzeugtreibstoff mit Bitumen als Straßenbelag. Kerosin wird energetisch genutzt und bei der Nutzung verbrannt; sein Kohlenstoff gelangt dabei überwiegend als Kohlendioxid in die Atmosphäre. Bitumen wird stofflich genutzt und bleibt zunächst im Straßenbelag. Daraus folgt nicht, dass Bitumen folgenlos ist. Die Bewertung fällt aber anders aus, weil Zweck und unmittelbares Schicksal des Kohlenstoffs verschieden sind.
Auch Schwefelverbindungen sind wichtig. Bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe können Schwefeloxide entstehen, die zu saurem Niederschlag beitragen. Raffinerien entschwefeln Brennstoffe deshalb; der abgetrennte Schwefel kann als Rohstoff dienen.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Erdöl
- Entstehung: Biomasse, Kerogen, Migration und Lagerstätte
- Zusammensetzung: viele Kohlenwasserstoffe und weitere Bestandteile
- Destillation: physikalische Trennung nach Siedebereichen
- Cracken: chemische Umwandlung langer in kürzere Moleküle
- Produkte: Treibstoffe, Brennstoffe und chemische Rohstoffe
- Bewertung: Zweck, Folgen, Risiken, Endlichkeit und Alternativen
Abschluss-Check
Du hast das Ziel erreicht, wenn du den Weg vom Rohöl zur Fraktion erklären, Destillation und Cracken sicher unterscheiden und eine Nutzung mit mehreren Kriterien beurteilen kannst.