Erdöl: Entstehung, Destillation und Cracken

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.

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. Auch Benzin ist kein Reinstoff. Es ist eine Fraktion beziehungsweise ein weiterverarbeitetes Gemisch aus mehreren Stoffen mit ähnlichem Siedeverhalten. Der Name nennt also eine Produktgruppe, keine einzelne Molekülart.

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. In einer typischen Lagerstätte liegt wegen der unterschiedlichen Dichten oben eine Gaskappe, darunter Erdöl und darunter überwiegend Lagerstättenwasser.

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 °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.

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.

Schwerflüchtige Stoffe, also Stoffe, die erst bei hohen Temperaturen verdampfen, 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.

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.

Beim thermischen Cracken liefert eine hohe Temperatur die nötige Energie. Beim katalytischen Cracken unterstützt ein Katalysator die Reaktion. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie, also die Energie, die mindestens nötig ist, damit die Reaktion startet. Er 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.

Raffinerieprodukte werden energetisch oder stofflich genutzt. Bei energetischer Nutzung werden etwa Benzin, Diesel, Kerosin oder Heizöl verbrannt, um Energie bereitzustellen. Dabei entstehen unter anderem Kohlenstoffdioxid und Wasser. Das Kohlenstoffdioxid 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 von selbst: Erdöl bleibt endlich, und Herstellung, Gebrauch sowie späteres Entsorgen müssen mitbedacht werden.

Für eine begründete Bewertung helfen vier Kriterien. Beim Zweck fragst du: Wird Energie oder ein Werkstoff benötigt? Bei den Folgen: Entstehen Treibhausgase, Luftschadstoffe oder Abfälle? Bei den Risiken: Können Förderung und Transport Böden oder Gewässer verschmutzen? Bei Endlichkeit und Alternativen: Muss gerade der nicht erneuerbare Rohstoff Erdöl eingesetzt werden?

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.