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Kohlenwasserstoffe als Energieträger

Skript
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Einführung

Kohlenwasserstoffe: Kohlenwasserstoffe als Energieträger
Abb. 1: Nicht nur Pflanzenreste und Plankton, sondern auch die Überreste von Tieren wurden über Millionen Jahre zu Öl.
Vor vielen Millionen Jahren entstanden in den Meeren riesige Mengen Plankton. Das feuchte Klima förderte das starke Wachstum von Farnpflanzen. Bevor du dich jetzt wunderst, ob du vielleicht das falsche Skript angeklickt hast, lass dir sagen: Du bist hier richtig in der Chemie beim Thema Kohlenwasserstoffe und Energieträger. Was dir wie der Anfang eines prähistorischen Bioskripts vorkommt ist der Beginn der Geschichte des Erdöls.
Denn alles was lebt muss auch irgendwann einmal sterben. So auch der Plankton und die Farnpflanzen. Die toten Lebewesen sanken auf den Grund des Meeres und wurden dort von Mikroorganismen abgebaut.
Üblicherweise würden die sterblichen Überreste zu Kohlenstoffdioxid abgebaut werden, jedoch war das am Meeresgrund unter Ausschluss von Sauerstoff nicht möglich.
Es bildete sich stattdessen Torf. Mit der Zeit verlagerten Erdbewegunden diese Schichten immer tiefer hinab und bedeckten sie mit Sand und Ton. Der Druck wurde immer größer und im Laufe der Jahre bildete sich aus den ehemaligen Pflanzen und Plankton Erdöl, Erdgas und Kohle. Vor ca. 12.000 Jahren entdeckte die Menschheit dann das lange vergrabene Erdöl und begannen es zu nutzen.

Fossile Brennstoffe

Heutzutage sind die sogenannten fossilen Brennstoffe immer noch einer der wichtigsten Energieliferanten. Wir fahren mit Benzin, das wir aus Erdöl gewinnen, wir betreiben unsere Gasgrills mit Erdgas oder bauen Kohlekraftwerke.
Wieso aber heißen diese Brennstoffe eigentlich „fossil“? Der Begriff fossil kommt vom lateinischen fossilis für „ausgegraben“. Fossile Brennstoffe sind also ausgegrabene Brennstoffe, die lange unter der Erde verborgen lagen.

Erdölförderung

Kohlenwasserstoffe: Kohlenwasserstoffe als Energieträger
Abb. 2: Mit solchen Pumpen wird Öl zu Tage gefördert.
Stößt man dabei auf Öl, dann kann die Erdölförderung beginnen. Ettliche Pumpen werden gebaut, die das Öl zu Tage fördern. Durch den hohen Druck in den tiefen Schichten lässt sich das Öl anfangs sehr leicht fördern. Je mehr Öl gefördert wird, desto stärker sinkt der Druck und die Förderung wird schwieriger. Später wird das Öl mit Wasser aus den Poren gespült. Doch irgendwann erreicht man auch mit dieser Methode die Grenzen des Möglichen. Das Erdöl kann also nie komplett gefördert werden.
Kohlenwasserstoffe: Kohlenwasserstoffe als Energieträger
Abb. 3: So verläuft Fracking. Wasser wird in eine Bohrung gepumpt und sprengt den Grund auf. Die darin enthaltenen Gase werden mit dem Wasser nach oben gespült.
Eine Methode der Förderung, die in den letzten Jahren immer mehr zum Gesprächsthema wurde, ist das Fracking. Dieses Verfahren wird dazu verwendet, um Öl aus schwer zugänglichen Lagerstätten zu gewinnen. Sogenanntes tight oil oder tight gas ist Öl bzw. Gas, das in Gesteinsschichten lagert, die weniger porös und durchlässig sind. Eine herkömmliche Ölförderung wäre hier nicht ergiebig.
Beim Fracking wird eine Öffnung gebohrt, die bis zur Lagerstätte hinab reicht und dann in eine horizontale Bohrung übergeht. Wasser, das mit verschiedenen anderen Chemikalien versetzt wurde, das sogenannte Fracfluid, wird dann in die Bohrung gepumpt. Durch den hohen Druck, den das Wasser erzeugt, wird die Gesteinsschicht quasi aufgesprengt und das Gas und Öl fließt zusammen mit dem Wasser zurück an die Oberfläche.
Fracking ist mittlerweile in verruf geraten, da es auch das Grundwasser mit Erdgas verunreinigen kann.
Was das für Folgen haben kann, haben z.B. einige amerikanische Bürger an der Ostküste gezeigt. In Videos lassen sie Wasser aus ihrem Wasserhahn laufen und nähern sich dem Wasserhahn mit einem Feuerzeug. Innerhalb kürzester Zeit steht das Wasser in Flammen und das alles wegen dem Erdgas, das durch schlecht geplantes Fracking in das Grundwasser kam. Viele dieser Bürger trinken mittlerweile kein Wasser mehr aus dem Wasserhahn, da das Erdgas schwerwiegende gesundheitliche Folgen haben kann.

Verwendung von fossilen Brennstoffen

Fossile Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle werden in unterschiedlichsten Bereichen verwendet, hauptsächlich jedoch als Brennstoffe. Die geförderte Rohstoffe werden in einzelne Fraktionen aufgeteilt und teilweise chemisch modifiziert, um für ihre spätere Anwendung optimiert zu sein. Wie das funktioniert lernst du im nächsten Skript über die Aufbereitung von Erdöl.
Aus diesen Rohstoffen werden z.B. Brenngase wie Propan gewonnen, das in Gasgrills verwendet wird, Benzin für Autos, Kerosin für Flugzeuge oder Heizöl, das in Heizungen verwendet wird.

Nachwachsende Rohstoffe

Kohlenwasserstoffe: Kohlenwasserstoffe als Energieträger
Abb. 4: Aus dem gelbblühenden Raps wird Rapsöl und daraus Biodiesel hergestellt.
Mehr über Alkohole und Ester kannst du in unseren Skripten lernen. Wahrscheinlich kennst du die gelbblühende Rapspflanze. Im Sommer kannst du ganze Felder sehen, die voll mit dieser Pflanze sind. Aus diesen Pflanzen gewinnt man Rapsöl, das in Biodiesel weiter verarbeitet werden kann.
Eine andere Quelle für Energieträger ist der Biogasreaktor. Dabei wird Biomasse von verschiedenen Bakterienarten in mehreren Prozessen unter Ausschluss von Sauerstoff in Methan umgesetzt. Die verwendete Biomasse kann alle möglichen Quellen haben: Es kann sich z.B. um Pflanzenreste oder Dung handeln. Neben Methan entsteht in solchen Biogasreaktoren noch Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak und andere Gase. Bei Biogasreaktoren ist es vorallem wichtig sicherzustellen, dass der Reaktor auch wirklich Luftdicht ist. Methan ist ein wichtiges Treibhausgas und sollte deshalb nicht in die Atmosphäre entweichen.

CO2-Neutralität

Kohlenwasserstoffe: Kohlenwasserstoffe als Energieträger
Abb. 5: In solchen Biogasreaktoren wird Methan gewonnen.
Doch macht es einen Unterschied, aus welcher Quelle die Chemikalien kommen? Eigentlich sollten sie doch chemisch identisch sein oder gibt es einen Unterschied zwischen Erdöl-Methan und Biogas-Methan?
Zuerst muss gesagt werden, dass der Unterschied nicht auf chemischer Ebene zu finden ist. Der Aufbau der Moleküle ist vollkommen identisch. Den wichtigen Unterschied macht die Herkunft der Atome und die Auswirkungen auf unser Klima. Betrachten wir z.B. das Methan aus einem Biogasreaktor. Der Kohlenstoff, der für die Herstellung des Methans benötigt wird, stammt z.B. von den Überresten einer Pflanze. Diese wiederum hat zu ihren Lebzeiten den Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von Kohlenstoffdioxid aufgenommen. Damit hat sie der Atmosphäre 1 Kohlenstoffatom gestohlen und wenn das Biogas Methan verbrannt wird, dann kehrt dieses Kohlenstoffatom in die Atmosphäre zurück.
Kohlenwasserstoffe: Kohlenwasserstoffe als Energieträger
Abb. 6: Ein Kreislauf von CO2 dargestellt. Bei CO2-neutralen Vorgängen wird Kohlenstoff aus der Atmosphäre gebunden und wieder abgegeben. Fossile Brennstoffe führen der Atmosphäre neues CO2 zu.
Anders verhält es sich, wenn wir Methan verbrennen, das seit Millionen Jahren unter der Erde lag. Wir nehmen also ein Kohlenstoffatom von unter der Erde und wenn wir es verbrennen, dann kehrt es nicht wie beim Biogas zurück zu seinem Ursprung, also unter die Erde, sondern verbleibt als Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre.
Beim Prozess der Verbrennung von Biogas haben wir der Atmosphäre also zuerst Kohlenstoffdioxid entnommen und anschließend wieder hinzugefügt. In der Gesamtsumme haben wir also nichts verändert. Bei der Verbrennung von fossilem Methan haben wir jedoch ein Molekül Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre abgegeben, das vorher unter der Erde versiegelt lag. Wir haben also die Atmosphäre mit Kohlenstoffdioxid angereichert.
Kohlenstoffdioxid ist ein Treibhausgas. In der Atmosphäre absorbiert es Infrarotstrahlung, die eigentlich von der Erde abgegeben wurde und ins Weltall entweichen würde. Stattdessen führt diese Strahlung nun dazu, dass sich das Treibhausgas erwärmt und diese Wärme als Wärmestrahlung abgibt. Dadurch erwärmt sich auch unsere Atmosphäre.
Du siehst also, dass durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen Treibhausgase in die Atmosphäre gelangen, die vorher nicht dort waren. Dadurch wird die Klimaveränderung weiter vorangetrieben. Nachwachsende Brennstoffe haben dieses Problem nicht, da sie die Atmosphäre in der Gesamtsumme nicht weiter mit Treibhausgasen anreichern.
Bildnachweise [nach oben]
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