Turning complex mixtures into usable products
Petroleum and the Environment, Part 16/24
Geschrieben von E. Allison und B. Mandler für AGI, 2018
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Einführung
Rohöl und Erdgas sind komplexe chemische Gemische, die für den direkten Gebrauch in der Regel nicht geeignet sind. Durch Ölraffination und Gasverarbeitung werden diese Gemische in eine breite Palette von Kraftstoffen und anderen Produkten umgewandelt, wobei geringwertige und umweltschädliche Bestandteile entfernt werden.
Raffination und Verarbeitung haben sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Umwelt: Obwohl sie schädliche Schadstoffe entfernen und sauberere Brennstoffe erzeugen, können die Vorgänge in Raffinerien und Verarbeitungsanlagen schädliche Schadstoffe in die Umwelt freisetzen und die lokale Luft- und Wasserqualität beeinträchtigen.
Bei der Rohöldestillation kondensieren verschiedene Brennstoffarten und werden bei unterschiedlichen Temperaturen extrahiert. Bildnachweis: Wikimedia Commons Benutzer Psarianos und Theresa Knott.1
Ölraffination
Rohöl ist eine Mischung aus vielen verschiedenen Kohlenwasserstoffmolekülen unterschiedlicher Größe. Kleinere Moleküle verdampfen bei niedrigeren Temperaturen, so dass Rohöl destilliert werden kann, um die verschiedenen Kohlenwasserstoffe zu trennen. Bei der Destillation wird das Rohöl verdampft, und der heiße Dampf steigt in einer Säule nach oben und kühlt dabei ab. Da die verschiedenen Kohlenwasserstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen, kondensieren sie an verschiedenen Stellen der Säule in flüssiger Form und trennen das Rohöl in verschiedene Komponenten, die dann weiterverarbeitet werden können, um sie für ihre endgültige Verwendung zu optimieren.
Benzin und Diesel sind die lukrativsten Produkte, die aus Rohöl gewonnen werden, weshalb Raffinerien eine Reihe von Techniken einsetzen, um die Produktion dieser Kraftstoffe zu maximieren. Dazu gehören Cracken (Aufspaltung größerer Moleküle in kleinere Moleküle2), Hydrotreating (Ersetzen von Verunreinigungen wie Schwefel durch Wasserstoff zur Verbesserung der Kraftstoffqualität3), Reforming (Umwandlung kleinerer Moleküle in Benzin2), Alkylierung (Einsatz einer Säure zur Herstellung von hochoktanigem Benzin aus kleineren Molekülen4) und Blending (Vermischen verschiedener Flüssigkeiten zur Herstellung einheitlicher Produkte, die den gesetzlichen Normen entsprechen5). In der Mischungsphase wird auch Ethanol aus industriellen Ethanolanlagen dem Benzin beigemischt, um den Oktangehalt zu erhöhen, die Kohlenmonoxidemissionen zu verringern und die Anforderungen des Renewable Fuel Standard zu erfüllen.6
Produkte der Ölraffination
Die verschiedenen Rohöle haben unterschiedliche Zusammensetzungen und enthalten unterschiedliche Mischungen von Kohlenwasserstoffen und unterschiedliche Mengen an Schwefel und anderen Verunreinigungen. Die Anteile der verschiedenen raffinierten Produkte variieren je nach Art des zu raffinierenden Öls, der Nachfrage nach verschiedenen Produkten und den Vorschriften, die diese Nachfrage beeinflussen. Etwa 80-85 % des gesamten Rohöls wird zu Benzin, Diesel oder Düsentreibstoff verarbeitet. Der Rest wird zur Herstellung von Flüssiggas, petrochemischen Rohstoffen und einer Vielzahl anderer Produkte verwendet.7 Im Jahr 2016 produzierten 141 US-Raffinerien im Tagesdurchschnitt 9,3 Millionen Barrel Benzin, 3,7 Millionen Barrel schwefelarmen Diesel und 1,6 Millionen Barrel Flugzeugtreibstoff.8
Ölraffinerien (offene Quadrate) und Gasverarbeitungsanlagen (blau) in den Vereinigten Staaten, Stand: Februar 2018. Nicht abgebildet: zwei Raffinerien auf Hawaii und fünf in Alaska. Bildnachweis: U.S. Energy Information Administration.17
Erdgasverarbeitung
Im Jahr 2017 förderten die Vereinigten Staaten 33 Billionen Kubikfuß Erdgas.9 Ein kleiner Teil davon wurde im Feldbetrieb verwendet, in unterirdische Lagerstätten zurückgeführt, entlüftet oder abgefackelt; der Rest wurde von 550 Gasverarbeitungsanlagen zu 27 Billionen Kubikfuß Erdgas in Pipelinequalität verarbeitet.10,11 Gas in Pipeline-Qualität muss strenge Standards für Energiegehalt und Reinheit12 für den privaten, gewerblichen und industriellen Gebrauch, einschließlich Erdgaskraftwerken, erfüllen.
Vor der Aufbereitung besteht Erdgas hauptsächlich aus Methan, mit unterschiedlichen Anteilen anderer Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid, Stickstoff, Wasserdampf und Helium.13 Bei der Gasaufbereitung werden einige der Nicht-Methan-Komponenten des Erdgases entfernt, um:
- Verbesserung der Verbrennung und Verringerung der Korrosion durch Entfernen von Wasser
- Verhinderung der Bildung schädlicher Säuren durch Entfernen schädlicher oder korrosiver Gase – insbesondere Schwefel und CO2 -, die andernfalls mit kleinen Mengen Wasser zu Säuren reagieren könnten
- Standardisierung des Energiegehalts des Gases, um eine gleichmäßige Verbrennung in Öfen und anderen Anlagen zu gewährleisten, insbesondere durch Entfernen von nicht brennbaren Gasen wie CO2 und Stickstoff
- Gewinnung wertvoller Nebengase für andere Zwecke (z.g., andere Kohlenwasserstoffe und Helium)
Die bei der Gasverarbeitung gewonnenen Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe werden als „Erdgasflüssigkeiten“ (NGL) bezeichnet, weil sie sich bei hohem Druck oder niedriger Temperatur leichter verflüssigen als Methan. Die am häufigsten vorkommenden NGLs sind Ethan, Propan und Butan. Ethan und Propan werden in großen Mengen zu Rohstoffen für Kunststoffe weiterverarbeitet (siehe „Nicht-Brennstoffprodukte von Öl und Gas“ in dieser Reihe), während Propan und Butan zu Flüssigkeiten komprimiert werden, um eine energiereiche Quelle für Gaskraftstoff für netzunabhängige Anwendungen zu liefern.
Die wichtigsten Methoden zur Entfernung von Nicht-Methan-Komponenten aus Erdgas sind Absorptionsmittel und Kühlung. Es kann eine Vielzahl von Absorptionsmitteln verwendet werden, darunter Spezialöle (für NGL), Glykol (für Wasser), Amine (für Schwefel und CO214) und Zeolith oder Ölabsorption (für Stickstoff15). Durch die Abkühlung des Erdgases auf unterschiedliche Temperaturen können verschiedene Komponenten entfernt werden, wenn sie zu Flüssigkeiten kondensieren. Dies ist die gängigste Methode zur Stickstoffentfernung: Das Erdgas wird abgekühlt, bis sich das Methan verflüssigt, so dass das Stickstoffgas abgelassen werden kann.16 NGLs können in einem einzigen Gemisch entfernt werden, das dann auf verschiedene Temperaturen erhitzt wird, um jedes NGL der Reihe nach zu isolieren.18 Nach der Verarbeitung gilt das Gas als „trocken“ und kann über Pipelines zu den Endverbrauchern transportiert werden.
Raffination, Verarbeitung und die Umwelt
Raffination und Verarbeitung verringern die Umweltauswirkungen von aus Öl und Gas gewonnenen Brennstoffen, indem sie schädliche Schadstoffe entfernen und ihre Zuverlässigkeit bei der Verbrennung verbessern. Raffinerien und Verarbeitungsanlagen haben jedoch ihre eigenen Umweltauswirkungen und entsprechende Verfahren, um diese Auswirkungen zu minimieren. Weitere Informationen dazu finden Sie in anderen Teilen dieser Reihe: „Minderung und Regulierung von Methanemissionen“ und „Auswirkungen von Öl und Gas auf die Luftqualität“
Kohlendioxid (CO2) kommt in unterschiedlichen Anteilen im Erdgas vor und wird in Aufbereitungsanlagen entfernt, um die Qualität des Gases zu verbessern. Der größte Teil dieses CO2 wird in die Atmosphäre entlassen und macht etwa 0,4 % der gesamten Treibhausgasemissionen der USA aus (zum Vergleich: Methanlecks aus der Erdgasproduktion und -verteilung machen schätzungsweise 3 % der US-Emissionen aus).19 Eine kleine Anzahl von Gasverarbeitungsanlagen fängt das CO2 auf, das während der Verarbeitung aus dem Erdgas entfernt wird; dieses aufgefangene CO2 wird in Ölfelder eingeleitet, um die Ölförderung zu verbessern.20
1 Datei:Rohöl-Destillation-de. Wikimedia Commons Benutzer Psarianos & Theresa Knott. Reproduziert unter einer CC BY-SA 3.0 Lizenz.
2 Centre for Industry Education Collaboration, University of York (2014). Cracken und verwandte Raffinerieprozesse. The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). Hydrotreating in Petroleum Processing. In: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds). Handbook of Petroleum Processing. Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). Alkylierung ist eine wichtige Quelle für Oktan in Benzin. Today in Energy, February 13, 2013.
5 U.S. Environmental Protection Agency – Gasoline Standards: Gasoline Reid Vapor Pressure.
6 U.S. Energy Information Administration – Biofuels: Ethanol and Biodiesel Explained – Use of Ethanol.
7 U.S. Energy Information Administration – Oil: Crude and Petroleum Products Explained – Refining Crude Oil.
8 U.S. Energy Information Administration – Petroleum & Other Liquids: U.S. Product Supplied, Total Crude Oil and Petroleum Products.
9 U.S. Energy Information Administration – U.S. Natural Gas Gross Withdrawals.
10 U.S. Energy Information Administration – Natural Gas Annual Respondent Query System, EIA-757: Natural Gas Processing Capacity by Plant, Data through 2014.
11 U.S. Energy Information Administration – U.S. Dry Natural Gas Production.
12 North American Energy Standards Board.
13 Penn State College of Earth and Mineral Sciences, e-Education Institute – Petroleum Processing: Natural Gas Composition and Specifications.
14 Rufford, T.E. et al. (2012). The removal of CO2 and N2 from natural gas: A review of conventional and emerging process technologies. J. Pet. Sci. Eng., 94-95, 123-154.
15 Sep-Pro Systems – Nitrogen Rejection Units.
16 U.S. Energy Information Administration (2006). Natural Gas Processing: The Crucial Link between Natural Gas Production and Its Transportation to Market.
17 U.S. Energy Information Administration – U.S. Energy Mapping System.
18 U.S. Department of Energy (2017). Natural Gas Liquids Primer, with a Focus on the Appalachian Region.
19 U.S. Environmental Protection Agency (2017). Inventory of U.S. Greenhouse Gas Emissions and Sinks: 1990-2015.
20 Global CCS Institute – Projects Database: Large-scale CCS facilities.
Petroleum and the Environment
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Other parts in this series:
1. Erdöl und Umwelt: eine Einführung
2. Wasser in der Öl- und Gasindustrie
3. Induzierte Seismizität durch Öl- und Gasbetriebe
4. Wasserquellen für Hydraulic Fracturing
5. Verwendung von gefördertem Wasser
6. Grundwasserschutz bei der Öl- und Gasförderung
7. Verlassene Bohrlöcher
8. Was bestimmt den Standort eines Bohrlochs?
9. Landnutzung in der Öl- und Gasindustrie
10. Das Pinedale-Gasfeld, Wyoming
11. Schweröl
12. Öl und Gas in der Arktis der USA
13. Offshore-Öl und -Gas
14. Unfälle in Öl- und Erdgasfeldern
15. Transport von Öl, Gas und raffinierten Produkten
16. Ölraffination und Gasverarbeitung
17. Nicht-Brennstoffprodukte aus Öl und Gas
18. Auswirkungen von Öl und Gas auf die Luftqualität
19. Methanemissionen in der Öl- und Gasindustrie
20. Minderung und Regulierung von Methanemissionen
21. Regulierung des Öl- und Gasbetriebs
22. Gesundheit und Sicherheit bei der Öl- und Gasförderung
23. Unterirdische Daten in der Erdöl- und Erdgasindustrie
24. Geowissenschaftler in der Erdöl- und Umweltindustrie
Begriffsglossar
Aktualisiert am: 2018-06-01
Petroleum and the Environment, Part 16/24
Aufgeschrieben von E. Allison und B. Mandler für AGI, 2018