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Technisches und "Geschichtliches" zu fossilen Brennstoffen


Bereits in erdgeschichtlicher Vorzeit lebten in den Meeren und Seen wie auch noch heute ungeheure Mengen von Kleinorganismen, Bakterien und Algen, die man zusammenfassend als Plankton bezeichnet. Nach dem Absterben sank dieses Plankton von den oberen Wasserschichten auf den Boden der Gewässer und vermischte sich dort mit den durch Flüsse eingetragenen Ablagerungen aus Sand, Ton und Kalk zu organischen Schlämmen. Erfolgte diese Einbettung der organischen Materie so rasch, daß die Sauerstoffzufuhr und damit die natürliche Zersetzung unterbunden wurden, war das Ausgangsmaterial für die Öl- und Gasbildung, das sogenannte Muttergestein geschaffen.

spacer.gif (52 Byte)Im Verlauf der Erdgeschichte lagerten sich auf den Muttergesteinen weitere Sedimentschichten ab, was zu Absenkungen von mehreren tausend Metern führte. Begleitet waren diese Absenkungen von zum Teil enormen Verdichtungen und Erwärmungen der Muttergesteinsschichten. Temperaturen von 100°C und auch weit darüber konnten hier erreicht werden, da zum Erdinnern die Temperatur um etwa 3°C pro 100m zunimmt. Vor allem diese Temperatureinwirkung über Jahrmillionen hinweg, löste komplizierte chemische Umwandlungsprozesse in den Muttergesteinen aus. Bei Temperaturen von circa 60 bis 120°C bildete sich Erdöl. War Erdöl wiederum Temperaturen über 150°C ausgesetzt, entstand durch sogenanntes Cracken (Aufspalten der langkettigen Moleküle des Erdöls in die wichtigsten Komponenten Methan, Äthan, Propan und Butan) Erdgas. Erdgas aus gekracktem Erdöl oder aus Muttergesteinen mit überwiegend tierischen, organischen Bestandteilen zeichnet sich durch höhere Gehalte an Äthan, Propan und Butan aus, man spricht dann von „nassen Erdgasen“.

Der weitaus größere Teil des Erdgases bildete sich aus Muttergesteinen mit sehr hohen Anteilen pflanzlicher, organischer Materie. Der natürlich ablaufende Verkokungsprozeß ließ über das Torf-, Braunkohle-, Steinkohle- und Anthrazitstadium letztendlich trockenes Erdgas mit mehr als 90% Methan entstehen. Neben kleineren Mengen Äthan, Propan und Butan enthält Erdgas fast immer Kohlendioxid und Stickstoff. Die günstigsten Temperaturen für den thermokatalytischen Prozeß der Gasbildung lagen dabei zwischen 120°-200°C. Ein großer Anteil des heute gefundenen und geförderten Erdgases ist allerdings bakteriellen Ursprungs. Die Umwandlung des organischen Materials in den Muttergesteinen erfolgte in diesem speziellen Falle durch Bakterien direkt in Erdgas mit circa 99% Methangehalt. Im Gegensatz zur thermokatalytischen Erdgasbildung in Tiefen von mehr als 4000m, war die bakterielle Erdgasbildung nicht an eine Temperaturzunahme durch Absenkung in größere Erdtiefen gebunden, sondern bereits in weitaus geringen Tiefen möglich.

spacer.gif (52 Byte)Wie Öl und Gas in die Falle gingen

Öl und Gas werden heute, mit Ausnahme des bakteriell entstandenen Erdgases, aus anderen als den ursprünglichen Muttergesteinen gefördert. Sie müssen folglich im Verlauf der Erdgeschichte aus den Muttergesteinen in die Förderhorizonte, die sogenannten Träger- oder Speichergesteine eingewandert sein, ein Vorgang, der von Geologen als Migration bezeichnet wird. Treibende Kräfte dieser Migration waren vor allem die unterschiedlichen spezifischen Gewichte von Öl und Gas (deutlich unter 1g/cm3) und Wasser (1g/cm3), das die vorhandenen Gesteinsporen ausfüllt. Aufgrund der Dichteunterschiede stiegen die Kohlenwasserstoffe durch den wassergefüllten Porenraum oder aus geöffneten Gesteinsspalten, sogenannten Klüften nach oben. Es gab dann verschiedene Möglichkeiten der weiteren Entwicklung:

Die Kohlenwasserstoffe erreichten die Erdoberfläche, wo das Gas und die leichteren Bestandteile des Erdöls in die Atmosphäre entwichen. Die Rückstände verblieben beispielsweise als Bitumen oberflächennah in Sanden und bildeten Öl- oder Teersande, von denen es große Vorkommen z.B. in Kanada und Venezuela gibt. Versperrte dagegen eine undurchlässige Gesteinsschicht, der sogenannte Caprock den Weg, so bildete sich unter dem höchsten Punkt eine Ansammlung von Öl oder Gas. Hier spricht man von einer Fallensituation. Öl und Gas lagerten sich in winzigen Poren im Speichergestein ab, etwa in den Hohlräumen zwischen den einzelnen Sandkörnern, ohne daß sie entweichen konnten. Wegen der unterschiedlichen Dichte befindet sich in einer Lagerstätte das Erdgas immer über dem Öl und unter dem Erdöl das Wasser. Wird Öl und Gas gefördert, füllt aufsteigendes Wasser die Poren und verhindert so ein Einbrechen der darüberliegenden Erdoberfläche.

spacer.gif (52 Byte)Was ist drin im „schwarzen Gold“ und Erdgas?

Als Rohöl bezeichnet man das flüssige Gemisch verschiedenartiger Kohlen- und Wasserstoffverbindungen, wie sie aus der Erde gewonnen werden. Abhängig von der Anzahl der Kohlenstoffatome handelt es sich dabei um leichte oder schwere Flüssigkeiten bis hin zu festen Verbindungen. Das „schwarze Gold“ enthält bezogen auf sein Gewicht 83 bis 87 Prozent Kohlenstoff, 11 bis 15 Prozent Wasserstoff, 0,1 bis 7 Prozent Schwefel, 0,06 bis 1,5 Prozent Sauerstoff und zwischen 0,1 und 0,5 Prozent Stickstoff sowie Spuren anderer Elemente. Farbe und Geruch der einzelnen Ölsorten unterscheiden sich je nach Herkunft stark. Der Geruch des Öles hängt von der Menge im Erdöl vorhandener aromatischer Verbindungen und auch von dem gelösten Schwefelwasserstoff ab. Jedes Ölvorkommen unserer Erde besitzt eine eigene, ortsspezifische Zusammensetzung; chemisch absolut identische Öle aus verschiedenen Vorkommen gibt es nicht.

Auch Erdgas ist ein Gemisch aus Kohlen- und Wasserstoffen mit nicht brennbaren Gasen, wie Kohlendioxid und Stickstoff sowie, meist geringen Anteilen von Schwefelverbindungen und sogenannten Inertgasen. Hauptbestandteil ist üblicherweise Methan mit mehr als 90%, die Anteile der höheren Kohlenwasserstoffe Äthan, Propan und Butan betragen meist weniger als 10%. Im Falle besonderer Zusammensetzung bzw. sehr hoher Temperatureinwirkung der Muttergesteine, können die Erdgase jedoch mehr als 20% Schwefelverbindungen und bis zu 100% Kohlendioxid oder Stickstoff enthalten. Diese Erdgase, deren nicht brennbare Komponenten mehr als 60% betragen, sind kaum noch entflammbar und daher als Energieträger nicht verwertbar.

spacer.gif (52 Byte)Exploration – Schatzsuche mit modernster Technologie

Da die Kohlenwasserstoffe aufgrund ihrer geringen Dichte bestrebt sind immer die höchsten Positionen in einem Trägergestein einzunehmen, gilt es diese Fallen oder Strukturen zu finden. In den meisten Fällen handelt es sich um tektonische Fallen, einfache Aufwölbungen (Antiklinalstruktur) oder Verwerfungen der Trägergesteine im Untergrund sowie um stratigraphische Fallen (hier werden die Kohlenwasserstoffe aufgrund unterschiedlicher Gesteinsausbildung festgehalten). In Norddeutschland und beispielsweise in Texas bilden die zahlreichen Salzstöcke perfekte Fallen für Öl und Gas. Für die erfolgreiche Exploration von Öl und Gas ist es also wichtig, die Strukturen der Öl- und Gasansammlungen (Lagerstätten, Felder) zu entdecken und zwar nicht erst mit der teuren Bohrung selbst, sondern vorher durch geeignete geophysikalische und chemische Verfahren zu Wasser und auf dem Lande. Sehr große Gebiete können heute mit hochauflösenden Satellitenaufnahmen erfaßt werden, die Hinweise auf geeignete Strukturen im Untergrund liefern. Ebenso können von Flugzeugen aus weiträumige Gebiete schnell und kostengünstig gravimetrisch und magnetisch untersucht werden. Hierbei macht man sich für die Gravimetrie den Dichteunterschied der Gesteine im Untergrund zunutze.

Auftretende Änderungen des Schwerefeldes der Erde (Änderung der Anziehungskraft) geben wichtige Hinweise auf Strukturen im Untergrund. Bei der gravimetrischen Vermessung heben sich Salzstöcke im Untergrund infolge der geringen Dichte des Salzes deutlich von den umgebenden Gesteinsstrukturen ab. Die unterschiedliche Magnetisierung von Gesteinen erlaubt es bei der Magnetometrie, Gesteinsgrenzen im tieferen Untergrund zu erkennen. Konnte durch die oben angeführten Untersuchungsmethoden ein Gebiet als besonders aussichtsreich für Öl- und Gasstrukturen kartiert werden, so kommt die weitaus wichtigste geophysikalische Untersuchungsmethode, die 3D-Seismik (dreidimensionale Seismik) zum Einsatz. Das physikalische Prinzip der Seismik beruht auf der Reflexion von Schallwellen.

spacer.gif (52 Byte)Durch Sprengungen oder starke Vibrationen, Mini-Erdbeben vergleichbar, werden Schallwellen an der Erdoberfläche produziert, dringen in den Untergrund ein und werden dort an Grenzflächen, d. h. an Stellen mit unterschiedlicher Dichte und Schallaufgeschwindigkeit der Gesteine, reflektiert. Flächenhaft ausgelegte Geophone, kleinen Erdbebenmeßstationen vergleichbar, erfassen diese reflektierten Schallwellen an der Erdoberfläche und zeichnen sie digital auf. Somit werden die Gesteinsschichten im Untergrund abgetastet und nach komplizierter mathematischer Bearbeitung in Großrechnern räumlich dargestellt. Neben einem dreidimensionalen Abbild des Untergrundes ist heute durch die digitale Aufzeichnung auch eine qualitative und zum Teil quantitative Auswertung des aufgezeichneten Signals (seismische Attribute) möglich.

In günstigen Fällen kann dann eine Prognose abgegeben werden, ob es sich bei der Porenraumfüllung um Öl, Gas oder Wasser handelt, und wie hoch die Porosität des Speichergesteins sein kann. Erhärten die verschiedenen Voruntersuchungen das Bild einer öl- oder gashöffigen Struktur im Untergrund, ist die Entscheidung zu treffen, ob eine teure Aufschlußbohrung, die allein den gültigen Nachweis von Öl oder Gas in der Struktur führen kann, abgeteuft werden soll.

spacer.gif (52 Byte)Immer noch eine Herausforderung für Wissenschaft und Technik: die Bohrung

Letztendliche Sicherheit, ob Rohstoffquellen im Untergrund liegen, bringt immer erst die Probebohrung, auch Aufschluß- oder Explorationsbohrung genannt. Trotz aller geophysikalischer Vorarbeit, liegt die Erfolgsquote dieser finanz- und materialaufwendigen Unternehmungen auch heute weltweit bei nur zehn Prozent. Bis zu 40 Prozent der Erschließungskosten von Offshore-Feldern und bis zu 80 Prozent auf dem Festland entfallen allein auf die Bohrungen.

Generell sind zwei Bohrverfahren weltweit verbreitet, das Bohren im Rotary-Verfahren und das Bohren mit Turbine. Das weitaus häufigste Verfahren ist das Rotary-Verfahren. Hier wird das Bohrgestänge der Bohranlage durch einen Drehtisch in Rotation versetzt. Die Bohrkrone, oft Meißel genannt, am unteren Ende des Bohrstranges dringt mit bis zu 200 Umdrehungen pro Minute in das Gestein vor, je nach dessen Härte nur wenige Zentimeter bis zu mehreren Metern in der Stunde. Damit das Bohrloch offen bleibt und sich das Bohrgestänge nicht verklemmen kann, wird die Bohrung abschnittsweise verrohrt. Dabei wird nach dem Teleskop-Prinzip vorgegangen. Mit weiten Rohren wird begonnen, um immer engere Rohre nachzuschieben.

spacer.gif (52 Byte)Um den Meißel zu kühlen und zu schmieren, wird durch das hohle Bohrgestänge eine Spülflüssigkeit gepumpt. Sie verhindert durch ihr Gewicht den Einsturz der Bohrung dort, wo sie noch nicht verrohrt ist und den unkontrollierten Ausbruch von Öl und Gas, falls die Bohrung auf eine Lagerstätte trifft. Außerdem schwemmt sie die abgebauten Gesteinssplitter nach oben. Um einen plötzlichen Ausbruch zu verhindern, ist am oberen Ende der Bohrung ein Blow-Out-Preventer angebracht, eine Sicherheitseinrichtung, welche die Bohrung automatisch verschließt, sobald der Druck stark ansteigt. Besondere Schwierigkeiten birgt das Offshore-Bohren, das zum Beispiel im Campos Becken vor Brasilien oder im Golf von Mexico in Wassertiefen von mehr als 1000m vorgestoßen ist. Bis zu 250m montieren Taucher die nötige Technik am Meeresboden, noch tiefer müssen Roboter diese Arbeiten übernehmen.

Das zweite Verfahren, das Bohren mit Turbine wurde vor allen in der ehemaligen Sowjetunion angewandt und erlebt heute ein Comeback bei abgelenkten Bohrungen. Bei diesem Verfahren sitzt der Antrieb des Bohrmeißels in einer Turbine direkt über dem Meißel. Die Spülungsflüssigkeit wird mit hohem Druck durch die Turbine gepreßt und versetzt so den Meißel in Drehung. Mit dem Turbinenbohren können die Bohrungen von der Senkrechten in beliebige erforderliche Richtungen abgelenkt, d. h. gezielt gerichtet ausgeführt werden. Durch Weiterentwicklung dieser Technik ist heute sogar das horizontale Bohren im Speichergestein über hunderte von Metern möglich. Hier purzeln z. Z. die Rekorde, der jüngste steht bei circa 5 km horizontaler Bohrstrecke im Speichergestein (Bohrung Al Shaheen 8, Qatar). Das Horizontalbohren stellt höchste Anforderungen an Material und Ingenieurkunst. Die Stärke dieses sehr teuren Verfahrens liegt jedoch darin, daß Öl- und Gaslagerstätten gefördert werden können, die ohne dieses Verfahren nicht, oder zumindest nicht wirtschaflich erschließbar wären.

spacer.gif (52 Byte)Rund 38 Prozent des weltweiten Primärenergiebedarfs werden derzeit über Erdöl gedeckt, in Deutschland sind es sogar 40 Prozent. Mit weitem Abstand folgen die Energieträger Steinkohle, Erdgas und Kernenergie sowie die erneuerbaren Energien. In Deutschland hat Erdgas der Kohle bereits den Rang abgelaufen. Die größte Menge des „Lebenselexiers Öl“ wird in den USA verbraucht, an zweiter Stelle stehen die GUS-Staaten, auf Platz drei und vier Japan und Deutschland. Die wichtigsten Einsatzgebiete des Rohstoffs liegen im Verkehrswesen (Benzin, Diesel, Kerosin und Motorenöle), im Bereich Gebäudeheizung und der chemischen Industrie. Etwa elf Prozent des in Deutschland benötigten Erdöls wird als Rohöl an die chemische Industrie verkauft. Zerlegt in kleine Moleküle, zum Beispiel Äthylen oder Acetylen, dient es als Ausgangsstoff für die gesamte Produktpalette der organischen Chemie. Ob Arzneimittel, Farben, Grundstoffe wie Vaseline zur Herstellung von Kosmetika, Harnstoff für Düngemittel sowie Wasch- und Putzmittel: alle beziehen ihre grundlegenden Bestandteile aus dem Erdöl.

Eine besondere Position kommt den industriellen Schmiermitteln zu. Die in den Fabrikanlagen eingesetzten Fette und Öle helfen direkt Energie zu sparen, indem sie den Materialverschleiß herabsetzen und den Reibungswiderstand der eingesetzten Maschinen verringern. Die größte Produktgruppe aber, deren Existenz wir dem Erdöl verdanken, sind die aus künstlichem Kautschuk und Kunststoff hergestellten Waren. Im Bereich hochentwickelter technischer Präzisionsteile, wie sie zum Beispiel im Flugzeugbau und der Fabrikation von elektronischen Geräten (Computer, Hifi etc.) eingesetzt werden, haben unterschiedliche Spezial-Kunststoffe die Metalle aufgrund besserer Verarbeitungseigenschaften abgelöst. Microfasern für hochwertige Sportbekleidung, welche nach außen atmet und den Träger gleichzeitig vor Umwelteinflüssen wie Regen, Kälte oder Sonne schützt, sind ein weiterer prosperierender Zweig der Kunststoffproduktion. Motorradhelme, Schaumstoffe für Matratzen und Polstermöbel, Kinderspielzeuge, Polyester-Kleidung, Schuhe, Lampenfassungen - die Liste könnte endlos fortgesetzt werden.

spacer.gif (52 Byte)Ein gutes Beispiel für die vielseitige Verwertbarkeit von Erdöl bietet auch das Auto. Wer der Meinung ist, nur in Motor und Tank seines Pkws befänden sich aus Erdöl hergestellte Substanzen, der hat weit gefehlt! Praktisch alles an diesem „Lieblingskind der modernen Gesellschaft“, das nicht aus Metall, Glas oder Wasser besteht, entstammt dem Öl: Außer Benzin und Motorenöl auch die Bremsflüssigkeit, das Kühlmittel, der Gefrierschutz, die Farbe, das Armaturenbrett, die Innenverkleidung, die Sitze und Teppiche, der Gummi der Reifen. Sogar das Verbundglas enthält einen Nachkommen des Erdöls: Polyvinylbutyral.

Alle diese Stoffe ließen sich im Prinzip auch aus Kohle herstellen, das wäre aber unwirtschaftlich. Als Ausgangsprodukt für Synthesen hat Erdöl ein viel günstigeres Verhältnis von Kohlenstoff- zu Wasserstoffatomen und es kann chemisch leichter verarbeitet werden. Erdgas wird heute fast ausschließlich zum Heizen und zur Stromerzeugung eingesetzt, mit steigender Tendenz. Der Löwenanteil des Verbrauchs entfällt in Deutschland zu 44 Prozent auf die privaten Haushalte. Mehr als jede vierte Wohnung wird mit Erdgas beheizt, aber auch zur Warmwasserbereitung und zum Kochen findet es Einsatz. Seit die Umweltschutzauflagen verschärft werden, fallen auch in der Industrie immer öfter Entscheidungen zugunsten von Erdgas, da es bei der Verbrennung weniger Kohlendioxid ausstößt als andere Energieträger. Die Anwendung des Rohstoffs in Anlagen zur Kraft-Wärme-Koppelung nimmt zu.

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