Erdöl, auch Rohöl, natürlich vorkommende ölige, bituminöse Flüssigkeit, die aus verschiedenen organischen Stoffen besteht. Erdöl wird als Brennstoff und als Rohstoff für die chemische Industrie verwendet. Viele Produkte werden aus Erdöl hergestellt. Den modernen Industriestaaten dient es zur Gewinnung von Treibstoff. Außerdem verwendet man Erdöl und Folgeprodukte beispielsweise zur Herstellung von Arzneimitteln und Dünger, Nahrungsmitteln, Kunststoffen, Baustoffen, Farben und Textilien sowie zur Stromerzeugung.
Studien von verschiedenen Institutionen zufolge, werden wahrscheinlich Mitte des 21. Jahrhunderts die Erdölresourcen erschöpft sein (siehe Weltenergieversorgung).
Kennzeichen
Erdöle bestehen chemisch zum großen Teil aus Kohlenwasserstoffen. Daneben enthalten sie auch einige Anteile an schwefel-, stickstoff- und sauerstoffhaltigen Verbindungen. Der Schwefelanteil liegt zwischen circa 0,1 und 5 Prozent. Erdöl setzt sich aus flüssigen und festeren Bestandteilen zusammen. Kleine Mengen gasförmiger Verbindungen sind gewöhnlich im Öl aufgelöst. Bei größeren Gasmengen kommt Erdöl zusammen mit Erdgas in der Lagerstätte vor.
Im Rohöl findet man drei Hauptbestandteile: Alkane (Paraffine), Cycloalkane (die man traditionell auch als Naphthene bezeichnet) und Aromaten. Die paraffinischen Rohöle bestehen aus Verbindungen, bei denen die Zahl der Wasserstoffatome immer um zwei höher ist als die doppelte Zahl der Kohlenstoffatome. Bei den Cycloalkanen bestehen die Moleküle aus doppelt so vielen Wasserstoffatomen wie Kohlenstoffatomen. Die Aromaten sind zyclische Verbindungen mit einer besonderen, stabilen Elektronenanordnung im Molekül. Zu ihnen zählen eine ganze Reihe von Verbindungen (z. B. Benzene, Phenole, Anthracene)..
Entstehung
Erdöl entstand vorwiegend aus der Zersetzung von Kleinstlebewesen und Kleinpflanzen maritimen Ursprungs. Diese Reste vermischten sich mit dem feinen Sand und Schlamm, der sich am Meeresbecken ablagerte. Diese Ablagerungen bildeten das Ausgangssediment für die Entstehung von Erdöl. Die Sedimente wuchsen und sanken durch ihr Eigengewicht in den Meeresboden. Mit der Ablagerung von immer mehr Sedimenten nahm der Druck auf die unteren Schichten um ein Vielfaches zu. Die Temperatur stieg schätzungsweise auf 100 bis 200 °C an. Der mit organischem Material angereicherte Schlamm und Sand erhärtete sich zu Ölschiefer und Sandstein. Aus den Karbonatablagerungen und Muschelschalen bildete sich Kalkstein, aus den Resten der abgestorbenen Organismen entstanden Rohöl und Erdgas.
Die Suche nach Erdöl
Um Erdöl in unterirdischen Lagern zu finden, müssen die Geologen nach Sedimentbecken suchen, in denen mit organischem Material angereicherter Schieferton so lange lagerte, bis sich Erdöl bildete. Außerdem muß es möglich sein, daß das Erdöl in poröse Gesteine aufgestiegen ist, die größere Erdölmengen speichern können. Das Vorkommen von Rohöl in der Erdkruste hängt von diesen beiden Voraussetzungen und von einer Zeitspanne von zehn bis hundert Millionen Jahren ab. Geologen und Geophysiker verfügen über zahlreiche Hilfsmittel, um potentielle Bohrgebiete ausfindig zu machen. So ermöglicht die Kartierung von anstehendem Sedimentgestein eine Interpretation der darunterliegenden Schichten. Als Ergänzung kann man weitere Informationen durch Bohrungen in die Kruste und die Entnahme von Proben aus den vorgefundenen Gesteinsschichten gewinnen. Außerdem zeigen immer komplexere seismische Verfahren – die Reflexion und Brechung von Schallwellen, die sich durch die Erde fortpflanzen – Einzelheiten des Aufbaues und der Beziehungen zwischen den verschiedenen unterirdischen Schichten. Letztendlich ist jedoch die Bohrung der einzige Weg, um das Vorhandensein von Öl unter der Erde nachzuweisen. Die meisten ölhaltigen Gesteinsfelder der Welt entdeckte man, weil Erdöl an die Oberfläche gesickert war.
Ein Ölfeld kann aus mehr als einer Lagerstätte bestehen, d. h., aus mehr als einer einzigen, durchgehenden, begrenzten Ansammlung von Öl. Es kann sogar vorkommen, daß mehrere Lagerstätten übereinander liegen und durch Schieferton und undurchlässige Gesteinsschichten voneinander getrennt sind. Solche Lagerstätten können von ein paar Hektar bis zu etlichen Quadratkilometern groß und von ein paar bis zu einigen hundert oder noch mehr Metern mächtig sein. Den überwiegenden Teil des Erdöles hat man bis jetzt in relativ wenigen, großen Lagerstätten gefunden und gefördert. In den USA z. B. stammt die Hälfte der Produktionsleistung und der Reserven aus 60 von schätzungsweise 10 000 Ölfeldern.
Primärförderung
Die meisten Bohrungen in den USA werden mit dem Rotary-Verfahren niedergebracht. Dieses Verfahren meldete 1844 R. Beart in Großbritannien zum Patent an. Bei Rotary-Bohrverfahren hängt der Gestängestrang (miteinander verbundene Rohre) am Bohrturm. Der Strang ist mit dem Drehtisch am Bohrturmboden verbunden und wird gedreht. Der Bohrmeißel am Ende des Stranges hat im allgemeinen drei konische Räder mit gehärteten Zahnspitzen. Das Bohrklein wird mit Hilfe einer pumpengetriebenen Spülanlage kontinuierlich an die Oberfläche gefördert.
Das Erdöl in der Falle steht unter Druck, dem sogenannten Lagerstättendruck. Meist sind im Rohöl beträchtliche Erdgasmengen gelöst. Beim Öffnen der Falle dehnt sich das freiwerdende Gas sofort aus und treibt zusammen mit dem Lagerstättendruck das Erdöl in das Bohrloch. In manchen Fällen ist der Druck groß genug, um das Öl an die Erdoberfläche zu fördern (eruptive Förderung). Häufig muß das Öl bereits zu Beginn an die Oberfläche gepumpt werden. Andere Verfahrensweisen sind das Einpressen von Erdgas (Gaslift) oder Wasser.
Schließlich sinkt die Rohölmenge so weit ab und die Kosten für die Förderung steigen so stark an, daß der Betrieb des Bohrloches mehr kostet, als mit dem Verkauf des Rohöles eingenommen wird. Die Wirtschaftlichkeitsgrenze des Bohrloches ist erreicht, das Bohrloch wird stillgelegt.
Off-shore-Bohrung
Ölfelder unter dem Meeresspiegel werden mit Hilfe sogenannter Off-shore Bohrungen mit schwimmenden oder am Meeresboden feststehenden Bohrinseln erschlossen. Die Bohranlagen werden auf einer Plattform in Gewässern mit Tiefen bis zu mehreren hundert Metern installiert, betrieben und instandgehalten. Die Plattform kann auf dem Wasser schwimmen oder auf Füßen im Meeresboden verankert werden, so daß sie Wellen, Wind und – in arktischen Gebieten – Eisschollen standhalten kann.
Wie bei herkömmlichen Anlagen ist der Bohrturm grundsätzlich eine Vorrichtung zum Aufhängen und Drehen des Gestängerohres, an dessen Ende der Bohrmeißel angebracht ist. Zusätzliche Rohrlängen werden an den Strang angefügt, je weiter der Meißel in die Erdkruste eindringt. Die Kraft zum Schneiden der Erde liefert im wesentlichen das Eigengewicht des Gestängerohres. Damit das Schneidematerial leichter entfernt werden kann, werden ständig Bohrspülmittel nach unten durch das Gestängerohr, aus den Düsen des Bohrmeißels und dann über den Raum zwischen Rohr und Bohrung an die Oberfläche geleitet (der Meißeldurchmesser ist um einiges größer als der Rohrdurchmesser). Genaue Bohrungen wurden auf diese Weise erfolgreich bis in Tiefen von mehr als 6,4 Kilometer unter dem Meeresspiegel durchgeführt. Die Off-shore-Bohrung hat zur Entwicklung einer beträchtlichen zusätzlichen Erdölreserve geführt – in den USA beispielsweise circa fünf Prozent der Gesamtreserven.
Erdölverarbeitung
Nach der Förderung wird das Erdöl mit Chemikalien und Wärme behandelt, um Wasser und Feststoffe zu entfernen und das Erdgas abzutrennen. Das Öl wird dann in Tanks oder Kavernen gelagert und später mit Tankwagen, Kesselwagen der Bahn, Tankschiffen oder durch Pipelines zu einer Raffinerie transportiert. Große Ölfelder sind in der Regel direkt an große Transportpipelines angeschlossen.
Das Grundwerkzeug für die Erdölverarbeitung ist die Destillieranlage. Rohöl beginnt bei einer Temperatur zu sieden, die etwas unter der Siedetemperatur von Wasser liegt. Kohlenwasserstoffe mit dem niedrigsten Molekulargewicht sieden bei den niedrigsten Temperaturen, während für immer größere Moleküle immer höhere Temperaturen erforderlich sind. Die erste Fraktion, die aus Rohöl destilliert wird, ist das Rohbenzin bestehend aus Leichtbenzin und Schwerbenzin. Häufig findet man auch die Bezeichnung Naphtha für Rohbenzin oder Fraktionen daraus. Dem Rohbenzin folgen die Mitteldestillate Petroleum und Gasöl.
Der Rückstand im Kessel besteht in erster Linie aus schwerem Heizöl. Dieser wird der Vakuumdestillation unterworfen. Dabei gewinnt man sogenanntes Vakuumgasöl und Wachsdestillat. Als Vakuumrückstand verbleibt Bitumen. Der Destillation schließen sich spezielle Raffinationsverfahren an. Ende des 19. Jahrhunderts betrachtete man die Benzin- und Naphtha-Fraktionen als Abfallprodukte, da es für sie kaum Verwendungsmöglichkeiten gab. Die Nachfrage nach Petroleum begann ebenfalls nachzulassen, da immer mehr Strom erzeugt und elektrische Beleuchtung verwendet wurde. Mit der Einführung des Automobils stieg die Nachfrage nach Benzin und damit auch der Bedarf nach Rohöl jedoch plötzlich an.
Thermisches Kracken
Um den Ertrag an Benzin und leichterem Heizöl zu erhöhen, wurde das thermische Kracken erfunden. Bei diesem Verfahren erhitzt man die schwereren Bestandteile des Rohöles unterschiedlich hohen Druckes auf höhere Temperaturen. Dadurch werden die großen Kohlenwasserstoffmoleküle in kleinere Moleküle gespalten. Als man begann nach diesem Verfahren zu arbeiten, war der Wirkungsgrad noch begrenzt, denn bei den angewandten hohen Temperaturen und Drücken lagerten sich große Mengen Koks in den Reaktoren ab. Deshalb entwickelte man ein Verkokungsverfahren, bei dem die Flüssigkeiten wieder in Umlauf gebracht wurden. Dieses Verfahren war viel länger in Gebrauch und führte zu einer wesentlich geringeren Koksbildung. Zahlreiche Raffinerien übernahmen das thermische Kracken innerhalb kurzer Zeit.
Alkylierung und katalytisches Kracken
Zwei weitere grundlegende Verfahren, die Alkylierung und das katalytische Kracken, wurden in den dreißiger Jahren eingeführt und führten zu einem noch höheren Ertrag an Benzin pro Faß Erdöl. Bei der Alkylierung werden kleine Moleküle, die beim thermischen Kracken entstanden, mit Hilfe eines Katalysators wieder zusammengesetzt. Dadurch kommt es zur Bildung von verzweigten Molekülen im Siedebereich des Benzins, die wertvolle Eigenschaften – z. B. höhere Klopffestigkeit – haben, wie man sie für Treibstoffe für Hochleistungsmotoren z. B. in modernen Verkehrsflugzeugen benötigt.
Beim katalytischen Kracken wird das Rohöl mit Hilfe eines fein verteilten Katalysators gespalten. Dadurch lassen sich zahlreiche verschiedene Kohlenwasserstoffe erzeugen, die dann durch weitere Veredelung wie beispielsweise Alkylierung, Isomerisierung und katalytisches Reformieren Motorenkraftstoffe mit einer höheren Klopffestigkeit und Spezialchemikalien liefern. Die Herstellung dieser Chemikalien hat zur Entstehung der gigantischen petrochemischen Industrie geführt, die u. a. Alkohole, Waschmittel, Kunstgummi, Glycerin, Dünger, Schwefel, Lösungsmittel und die Rohstoffe für Arzneimittel, Nylon, Kunststoffe, Farben, Polyester, Lebensmittelzusatzstoffe, Sprengstoffe, Farbstoffe und Dämmstoffe herstellt.
Erdölprodukte- Ottokraftstoffe
Für den Einsatz in hochverdichtenden Motoren benötigt man Benzin, das gleichmäßig und vollständig verbrennt, um das für den Motor äußerst schädliche Klopfen zu verhindern. Als Klopfen bezeichnet man die Geräusche, die durch vorzeitige Zündung eines Teiles des Gemisches im Brennraum entstehen. Die Klopffestigkeit eines Benzins steht in direktem Zusammenhang mit seiner Effizienz und wird durch die Octanzahl ausgedrückt. Dies ist eine Kennzahl, die die Leistung eines Treibstoffes im Vergleich zur Leistung eines Standardtreibstoffes beschreibt, der vorgegebene Prozentsätze an Isooctan und Heptan enthält. Die Octanzahl des Treibstoffes ist so hoch wie der Prozentsatz an Isooctan im Standardtreibstoff mit gleicher Leistung. Je höher die Octanzahl, desto klopffester ist der Treibstoff. In Deutschland und Österreich liegen die Octanzahlen für bleifreies Normalbenzin bei mindestens 91,0 ROZ (Research-Octan-Zahl) bzw. 82,8 MOZ (Motor-Octan-Zahl), für bleifreies Superbenzin bei 95,0 ROZ bzw. 85,0 MOZ und für verbleites Superbenzin bei 98,0 ROZ bzw. 88,0 MOZ. Durch Cracken gewonnenes Benzin ist klopfsicherer als direkt destilliertes Benzin. Jedes Benzin kann durch die Zugabe von Substanzen wie Bleitetraethyl oder
Bleitetramethyl verbessert werden. Aufgrund der starken Umweltbelastung durch Bleiemissionen suchte man verstärkt nach neuen Wegen, die Klopffestigkeit von Benzin zu verbessern
Erdgas
Die Zusammensetzung
Erdgas, die „Sonnenwärme aus der Erde“, ist ein Gemisch, das hauptsächlich aus Methan, Stickstoff, einem geringen Anteil anderer Kohlenwasserstoffe (Ethan, Propan, Butan und Methan) und Spuren von Helium besteht. Aus dem unsichtbaren und von Natur aus geruchlosen Gas wird hauptsächlich Wärme gewonnen.
Erdgas, die „Sonnenwärme aus der Erde“, ist ein Gemisch, das hauptsächlich aus Methan, Stickstoff, einem geringen Anteil anderer Kohlenwasserstoffe (Ethan, Propan, Butan und Methan) und Spuren von Helium besteht. Aus dem unsichtbaren und von Natur aus geruchlosen Gas wird hauptsächlich Wärme gewonnen.
Die Nutzung
Hauptsächlich zur Wärmeerzeugung für Haushalte, Industrie und Gewerbe, zur Warmwasserbereitung, zum Kochen, als Treibstoff für Autos und andere Fahrzeuge und zur Stromerzeugung.
Hauptsächlich zur Wärmeerzeugung für Haushalte, Industrie und Gewerbe, zur Warmwasserbereitung, zum Kochen, als Treibstoff für Autos und andere Fahrzeuge und zur Stromerzeugung.
Die Entstehung
Erdgas kann aus Erdöl und Kohle entstehen.
Erdgas kann aus Erdöl und Kohle entstehen.
Für die Bildung aus Erdöl mußten in einer Tiefe von 2.000 bis 4.00 Meter sehr lange Zeit Temperaturen zwischen 65°C und 120°C gegeben sein. Erdgas wie Erdöl wurden dann unter dem Druck der überlagernden Schichten aus dem Gestein gepreßt. Teils bildete das Erdgas über dem Erdöl und unter undurchlässigen Schichten eine sogenannte „Gaskappe“, teils suchte es sich durch Gesteinsklüfte und Poren den Weg zur Erdoberfläche, wo es in die Luft entwich.
Ein anderer Teil des Erdgases ist über tiefliegenden Steinkohle Lagerstätten entstanden. Mit zunehmendem Druck von oben wurde das Erdgas aus dem „Muttergestein“, also dem Gestein, in dem das Erdgas sich bildete, ausgepreßt und stieg nach oben, bis es sich im sog. Speichergestein unter einer undurchlässigen Erdschicht sammelte.
Die Gewinnung und Förderung
Erdgas- wie auch Erdöllager können sich in Tiefen von mehreren hundert bis 7.000 Metern Tiefe befinden. Durch geologische Untersuchungen kann man zwar festellen, wo sich mögliches Speichergestein befindet, Sicherheit geben aber nur Bohrungen, die allerdings oft vergebens durchgeführt werden. Von zehn möglichen Erdgaslagern werden im Schnitt immerhin sechs durch Bohrungen bestätigt.
Erdgas- wie auch Erdöllager können sich in Tiefen von mehreren hundert bis 7.000 Metern Tiefe befinden. Durch geologische Untersuchungen kann man zwar festellen, wo sich mögliches Speichergestein befindet, Sicherheit geben aber nur Bohrungen, die allerdings oft vergebens durchgeführt werden. Von zehn möglichen Erdgaslagern werden im Schnitt immerhin sechs durch Bohrungen bestätigt.
Der Transport
Es reicht von der Nordsee bis zum Mittelmeer bzw. Nordafrika, vom Atlantik bis Osteuropa. Die großen Ferngasleitungen (Pipelines) sind insgesamt 25.000 km lang. Dazu kommen nationale Leitungsnetze im europäischen Verbund mit 1 Mio km. In Deutschland wurden 1995 insgesamt 11,3 Millionen Haushalte über ein mehr als 300.000 km langes Netz versorgt. Dieser enge Zusammenschluß gewährleistet langfristig eine sichere und ausreichende Versorgung.
Während das Gas über größere Entfernungen fließt entsteht Reibung an den Rohrwänden und zwischen den Gasmolekülen. Der Druck fällt ab. Durch Verdichten des Gases wird der für den Transport notwendige Druck wieder aufgebaut. Deshalb gibt es entlang der Fernleitungen im Abstand von 100 bis 200 km Verdichterstationen. In Deutschland gibt es 36 solcher Transportverdichterstationen.