Kurs:Rohstoffe III: Kohlenwasserstoffe/ThemaD

Nutzung von Erdgas, Erdöl und Kohle

Mit besonderem Bezug auf die Jahre seit 2000

Artikel von Alex B., Sarah K., André-Sebastian S., Nina W.

Kohle

Kohle ist schon seit Urzeiten ein wichtiger Brenn- und Energiestoff. Die Kohle ist günstig, global verteilt und in großen Mengen vorhanden. In Deutschland wird nach wie vor ein Großteil des Stroms in Kohlekraftwerken erzeugt.

Problematisch ist, dass selbst die neuesten Kohlekraftwerke einen hohen CO2-Ausstoß verursachen. Dieser ist mehr als doppelt so hoch wie die Menge an CO2, die von gasbefeuerten Anlagen ausgestoßen wird^[1]. Des Weiteren ist das Hochfahren eines Kohlekraftwerkes ein enorm energieschlingender Prozess. Aus diesem Grund werden viele Kohlekraftwerke nicht abgeschaltet, auch wenn sie nicht mit voller Leistung benötigt werden. Obwohl das Eneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Jahre 2000 verabschiedet wurde, wurde weiterhin von den großen Stromkonzernen Kohlekraftwerke gebaut^[2]. Aufgrund sinkender Nachfrage fossiler Kraftwerke und der Vorrang von Ökostrom im Stromnetz bringen diese Kohlekraftwerke wenig Gewinn.

Energieerzeugung

Kohle wird fast ausschließlich als Brennstoff zur Stromerzeugung genutzt. Dabei erhitzt die Kohle das Wasser, welches kondensiert. Der Dampf treibt die Turbinen an und über ein Generator wird Strom erzeugt. In Deutschland wurden 2009 22 % des Primärenergiebedarfs und 43 % des Strombedarfs durch Kohle gedeckt. 2003 waren es 24,4 % für Primärenergie und 40,1 % für Elektroenergie. Global liegt der Primärbedarf bei 30 %. Die Tendenz des Primärbedarfs ist steigend. Kohle ist nach Erdöl der wichtigste Energierohstoff der Welt. Bei der Stromerzeugung ist Kohle der wichtigste Energielieferant, dabei wird der Großteil der Energieerzeugung aus der Steinkohle gewonnen. Die gewonnene Energie kann dann in Haushalten und der Industrie verwendet werden^[3].

Stoffliche Nutzung

Ein wesentlich kleinerer Anteil der Kohle wird zerlegt. Dabei werden unter anderem Harnstoffe, Ammoniak, Montanwachse, Essigsäure, aliphatische und aromatische Kohlenstoffe freigesetzt. Diese können dann z.B. in Düngemitteln oder Kunststoffen eingesetzt werden. Häufig wird die Kohle auch zur Weiterverarbeitung zu Ölen genutzt, welche dann als Schmierstoffe verwendet werden.

Koks

Koks wird zur Feuerung in Hochöfen und Gießereien verwendet. Weiterhin kann Koks zur Wärmeerzeugung im Haushalt verwendet werden. Auch wird Kohle als Kokskohle zur Reduktion von Erzen in Hochöfen eingesetzt. Hierfür wird etwa 14 % der geförderten Kohle (2007) benutzt. Koks wird auch zur Gewinnung von Teer, Benzol und Ammoniak benutzt. Teer wiederum kann dann zur Einarbeitung in Arzneimittel, Farben, Süßstoffe, Duft und Riechstoffe verwendet werden^[4].

Steinkohlenteer

Steinkohlenteer ist ein Nebenprodukt bei der Koksgewinnung aus Steinkohle. Es wird aus den Gasen gewonnen, die bei der Kokerei freigesetzt werden. Dabei handelt es sich meistens um aromatische Kohlenwasserstoffe. Steinkohlenteer wird in Holzschutzmittel und Dachpappen eingesetzt. Im medizinischen Bereich wird die Substanz in geringen Mengen bei Behandlungen von z.B. Schuppenflechte oder Neurodermitis eingesetzt. Aufgrund der hohen Viskosität findet man Steinkohlenteer in Seifenspiritus.

Ruß

Bei der unvollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen Ruße. 95 % der Ruße werden als Füllstoffe für die Gummiindustrie verwendet. Die Produkte in denen der Ruß eingebaut wird sind z.B. Reifen und Förderbänder. Auch die Elektroindustrie greift auf Ruße zurück. Sie werden für die Herstellung von Elektrodenmaterial und Zink-Kohle-Batterien verwendet, diese befinden sich ebenfalls in Druckfarben und Lacken^[5].

Öl aus Kohle

Steinkohle eignet sich auch zur Gewinnung von unkonventionellem Erdöl. Dazu wird das Vefahren der Kohleverflüssigung verwendet, um aus der Kohle flüssige Brenn - und Kraftstoffe zu erzeugen^[6]. Diese Produkte können unter Umständen eine hohe Qualität haben. Obwohl Kohle derzeit sehr preiswert erhältlich ist, ist momentan die Gewinnung von Öl mittels Kohleverflüssigung nicht wirtschaftlich.

Erdöl

Vor allem Erdöl ist in der Neuzeit ein vielseits gefragter Rohstoff. Nicht nur die bekanntesten Nutzen wie zum Beispiel als Brennstoff oder Treibstoff basieren auf Erdöl, sondern auch viele andere Alltagsgegenstände. Von der Straße über Kunststoffe bis hin zur Kerze, in allem ist Erdöl enthalten.

Raffination

Die Grundlage von allen Erdölprodukten ist die Raffination. In einer Erdölraffinerie werden die verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen getrennt und teilweise zerlegt. Mehr als 500 chemische Verbindungen sind in Rohöl enthalten, die alle für verschiedene Zwecke genutzt werden können^[7]. Das Rohöl wird dazu in zwei Phasen destilliert. Zuerst unter normalem Atmosphärendruck, der vollkommen ausreicht, kurzkettige Verbindungen zu trennen. Die Rückstände aus längeren Kohlenwasserstoffketten, den "schwereren" Verbindungen, werden unter Vakuum erneut destilliert. Besonders wichtig ist die Entschwefelung, die für alle Raffinationsprodukte vollzogen werden muss. Schwefel ist in Anteilen von bis zu 3% in Rohöl und somit auch den einzelnen Verbindungen enthalten^[8]. Schwefel kann beim Verbrennen der Kohlenwasserstoffe freigesetzt werden und zu Schwefelwasserstoff reagieren, was nicht nur umwelt- sondern auch gesundheitsschädlich ist. Folgende Produkte sind die bedeutendsten für den Menschen:

Kunststoffe

In den vergangenen Jahren ist die Produktion an Kunststoffen stark angestiegen. Erdöl wird nach wie vor viel für die Kunststoffindustrie benötigt. Neuere Entwicklungen wie Polyvenylchlorid (PVC) oder Ploytetrafluorethylen (Teflon) gerieten erst in der jüngeren Vergangenheit in den Fokus. Für die Produktion von Kunststoffen werden vor allem kurzkettige Alkane, aber auch einige Aromaten und Alkene verwendet, die sich besonders gut für die Polymerisation eignen. Bedenkt man, wie viel Kunststoffe im Alltag benutzt werden erscheint es umso wichtiger, dass diese kurzen Verbindungen durch Cracken auch aus langkettigen KW hergestellt werden können.

Treibstoffe

Aus Rohbenzin, welches Siedetemperaturen zwischen 35°C und 170°C besitzt wird durch Veredelung Autobenzin hergestellt. Dies ist natürlich ebenfalls ein enorm wichtiges Produkt der Raffinationskette. Auch die schwereren Produkte der Raffination unter Atmosphärendruck können noch Ausgangsstoffe für Treibstoffe sein. Petroleum (170°C bis 250°C) ist nicht nur Brennmittel für Petroleumlampen, dessen Gebrauch heute jedoch stark zurückgegeangen ist, sondern auch ein Treibstoff. Auch Kerosin ist ein Treibstoff, der heute hauptsächlich als Treibstoff für Flugzeuge benötigt wird. In geringen Mengen wird Kerosin auch für portable Heizkörper als Brennstoff verwendet. Besonders im Norden Japan kommen diese im Winter in größeren Mengen zum Einsatz.

Die "Mitteldestilate" sind die schwersten destillierbaren Verbindungen unter Atmosphärendruck. Sie sieden bei Temperaturen zwischen 250°C und 370°C. Sie werden durch die Veredlung zu Dieseltreibstoff und leichtem Heizöl weiterverarbeitet.

Vakuumgasöl

Vakuumgasöl ist kein fertiges Produkt aus der Raffinerie. Aber es ist ein vielfältig einsetzbarer KW. Vakuumgasöl ist der leichtflüchtigste Bestandteil der Vakuumdestillation. Direkt wird es vor allem für die Herstellung von Tensiden (Wirkstoffe in Waschmitteln) eingesetzt. Der meiste Teil fließt jedoch in die Crackanlage. Durch Cracking entstehen Alkylate, die zur Verbesserung von Benzin dienen. Alkylat erhöht die Oktanzahl im Benzin^[9]. Durch das Cracken von Vakuumgasöl entstehen aber auch reine Benzine, Mitteldestilate sowie Propylen, welches ebenfalls zur Kunststoffherstellung genutzt wird.

Weißöl

Weißöle sind ein Nebenprodukt bei der Gewinnung von Paraffinen. Diese entstehen während der Vakuumdestillation aus Schmierölschnitten, sie können aber auch aus Braunkohle, bituminösen Schiefern und Torfkohlen hergestellt werden. Bei diesen Prozessen entstehen Paraffinöle, welche weiter zu Weißöl raffiniert werden. Weißöle finden großen Einsatz in der Industrie, da sie kristallklar, geruchs- und geschmacksneutral sind. Zum Beispiel werden sie in der Pharma- und Kosmetikindustrie als Trägermedium für feste und halbfeste Bestandteile, als Trennmittel für die Herstellung von Kapseln und Tabletten oder auch als Grundlage für Salben genutzt. In der Textilindustrie wird Weißöl unter anderem für die Herstellung von Kunstfasern verwendet.

Wachsdestillate

Wachsdestillate sind das Hauptprodukt der Vakuumdestillation. Nicht nur für Kerzen wird dieses Wachs eingesetzt, sondern hauptsächlich für Schmieröle. Motorenöl ist eines der bekanntesten Produkte. Ein Teil der Wachsdestillate wird in der Crackanlage weiterverarbeitet.

Heizöl und Teer

Die schwersten Rückstände des Rohöls werden auch bei der Vakuumdestillation nicht getrennt. Dieser Rückstand ist sehr zähflüssig und kann zu schwerem Heizöl oder Bitumen (Teer) weiterverarbeitet werden. Gerade Teer ist für den Straßenbau heutzutage unabdingbar und auch die Tabakindustrie verwendet Teer in geringen Mengen. Die Rückstände können auch im "Coker"^[10] weiterverarbeitet werden. Ähnlich wie die Crackanlage dient der Coker der Zerlegung der KW in kürzerkettigere Verbindungen. Typische Produkte sind erneut Benzine aber auch Petrolkoks, welches bei der Aluminiumerzeugung zum Einsatz kommt.

Erdgas

Erdgas ist ein Gasgemisch, welches überwiegend aus Methan besteht. Die Nutzung von Erdgas setzte erst im letzten Jahrhundert intensiv ein. Erdgas wird in vier Bereichen eingesetzt. Im Haushalt, im Gewerbe und der Industrie, zur Energieerzeugung und im Verkehr. Überwiegend wird Erdgas als Brennstoff in Kraftwerken, für die Beheizung von Gebäuden und in der Industrie verwendet. Im Gegensatz dazu wird im Verkehr Erdgas nur zu einem geringen Anteil verwendet.

Haushalt

Kochen

Zu den frühsten Nutzungen von Gas zählt das Kochen. Auch wenn heute die Nutzung von Gasherden zurückgeht, so werden in zahlreichen Küchen Gasherde verwendet. Dazu zählen vor allem die Profi-Küchen. Die Nutzung von Gas zum Kochen bietet zahlreiche Vorteile, wie die sofort verfügbare Hitze ohne langes Vorheizen, keine Energieverluste durch Restwärme und die gute Regulierung der Hitze.

Heizen und Warmwasserbereitung

Zum Beheizen von Gebäuden gibt es zahlreiche Möglichkeiten der Nutzung. Neben Erdgas kann auch Erdöl oder Holzpellets zum Heizen verwendet werden. Im Vergleich zum Erdöl ist Erdgas die günstigere Variante zum beheizen der Räume. Seit 2007 ist das Gas günstiger als das Öl. Zusätzlich ist das Heizen mit Erdgas eine der umweltfreundlichsten Wärmeerzeugungen. Das Wasser im Heizkreislauf wird dabei durch die Gasflamme erhitzt und kann dann die Räume im Haus wärmen^[11].

Gewerbe und Industrie

Viele Gewerbe wie Bäckereien oder Lackierereien sind auf die Wärmeversorgung durch das Gas angewiesen. Dabei kann es sich um Warmwasserbereitung handeln, aber auch um Produktions- oder Raumwärme. Ebenfalls ist das Gas auch beim Klimatisieren und Kühlen hilfreich. Erdgas findet vor allem in der Industrie Anwendung, bei der Wärme benötigt wird um technische Umwandlungsprozesse zu ermöglichen. Dazu zählt eine schnelle Bereitstellung von Wärme, eine präzise Regulierung und das konstante Halten von Temperaturen. Auch in energiesparenden Produktionsanlagen und umweltbewussten Industriezweigen wird mit Erdgas gearbeitet. So ist der Einsatz von Erdgas z.B. beim Betrieb von Textilmaschinen, bei der Befeuerung von Gaskesselanlagen und in Brennöfen zu finden^[12].

Energieerzeugung

So wie Erdgas in einzelnen Haushalten zur Wärmeproduktion genutzt wird, so wird es auch in Fernheizkraftwerken und Heizwerken verwendet. Auch wird Erdgas für die Stromerzeugung in Kraftwerken genutzt. Dabei erzeugen Gaskraftwerke Strom aus der Wärme von Erdgas durch Gasturbienen oder Dampfkraftwerken, welche Gas befeuert sind^[13].

Verkehr

In der heutigen Zeit bei steigenden Ölpreisen wird auch im Verkehrssektor umgedacht. Neben Elekto-Autos bieten Compressed Natural Gas-betriebene Autos eine mögliche Alternative zu benzinbetriebenen Autos. In Unternehmen wie Taxi-Betriebe, aber auch Nutzfahrzeuge und im öffentlichen Dienst werden gasbetriebene Fahrzeuge immer öfter eingesetzt. Weltweit sind mehr als 7 Millionen Fahrzeuge dieser Art unterwegs und die Tendenz steigt. Der Vorteil an diesen Fahrzeugen ist der geringere CO2 und CO Ausstoß. Also nicht nur eine günstige Alternative zum Diesel oder Benzin Motor, sondern auch eine umweltfreundliche Alternative^[14].

Verwendung einiger Kohlenwasserstoffe

Aromaten

Aus Erdöl und Kohle werden in Raffinerien und Kokereien Aromaten gewonnen. Zu finden sind diese in etwa 30 % aller Kunststoffe, zu 60 % in synthetisch hergestellten Kautschukprodukten und in 70 % aller Chemiefasern. Ebenfalls werden sie als Lösungsmittel eingesetzt, wie z.B. in Farben, Lacken und Klebstoffen. Damit sind Aromaten ein wichtiger und verbreiteter chemischer Rohstoff.

Halogenkohlenwasserstoffe

Halogenkohlenwasserstoffe werden in der chemischen Industrie viel verwendet. Dabei sind sie sowohl Zwischen- als auch Endprodukte. Sie finden Verwendung als Lösungsmittel, Weichmacher, Flammschutz-, Feuerlösch-, Kälte- und Treibmittel sowie Schädlings- und Unkrautbekämpfungsmittel.

Formaldehyde

Formaldehyde finden in der Chemie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Aufgrund ihrer guten Wassermischbarkeit werden diese in Lackprodukten eingesetzt. Sie verbessern in den Lacken die Streichfähigkeit und den Verlauf. Auch zu finden sind diese in Farben, Textilien, Kosmetika, Reinigungsmitteln, Dämmstoffe und verleimten Holzwerkstoffen.

polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe

Dieses Produkt, welches in Erdöl natürlich vorkommt wird in Bitumen- und Steinkohlenteer-Produkten eingesetzt. Verwendet wird Steinkohlenteer z.B. für Holzschutz und Dachpappen, aber auch als Ausgangsmaterial zur Herstellung von chemischen Substanzen. In geringen Mengen findet man diesen Stoff auch in Arzneimitteln. Bitumen-Produkte sind unter anderem Lacke, Emulsionen und Vergussmassen^[15].

Nutzung in Zahlen (Deutschland)

Bruttostromerzeugung in Deutschland 2012
Kohle	45 %
Mineralöl	1,5 %
Erdgas	11,3 %

Rohstoffbasis der dt. chemischen Industrie 2011^[16]
Kohle	2 %
Erdgas	14 %
Erdöl	71 %

Verbrauch in Haushalten in %	2011	2012
Erdgas	17,7	18,8
Erdöl	39,9	39,9

Verbrauch in der Industrie in %	2011	2012
Erdgas	21,1	21,6
Erdöl	16,6	16,8

Verbrauch für Dienstleistungen in %	2011	2012
Erdgas	15,1	16,4
Erdöl	28,5	29^[17]

Verwendung 2011 (Mengenstruktur in %)	Steinkohle
Strom- und Wärmeerzeugung	68
Stahlindustrie	30
Sonstige Verwendung	2

Verwendung 2011 (Mengenstruktur in %)	Braunkohle
Strom- und Wärmeerzeugung	90
Sonstige Verwendung	10

Verarbeitung 2011 (Mengenstruktur in %)	Erdöl
Diesel	30
Leichtes Heizöl	16
Ottokraftstoff	18
Flugturbinenkraftstoff	7
Schweres Heizöl	5
Flüssiggas	3
Bitumen	3
Sonstige Verwendung	18

Verwendung 2011 (Mengenstruktur in %)	Erdgas
Industrie (einschl. Kraftwerke)	47
Private Haushalte	23
Sonstige inländische Abnehmer	10
Exporte	20^[18]

Werte International

Im Vergleich zur Welt ist Deutschland nur ein kleiner Verbraucher. Vor allem Nordamerika und Asien verbrauchen eine Menge Erdöl zum Heizen. Erdgas wird hingegen aufgrund vieler Gasheizungen in Europa am meisten verbraucht.

Interessant zu erkennen ist der starke Anstieg an Emissionen in China. Auch Indien stößt in den vergangenen Jahren deutlich mehr Kohlenstoffdioxid aus als zuvor. Diese Schwellenländer besitzen noch kaum Maßnahmen der Prävention und haben vor allem noch nicht das Verantwortungsbewusstsein, die Emissionen einzudämmen, wie es beispielsweise Deutschland tut.

Handel

Kohlen(wasser)stoffe sind wichtige Handelsrohstoffe auf der Welt. Die geologischen Situationen bedingen, dass einige Nationen keine Vorräte an Kohle, Gas oder Öl besitzen und deswegen Rohstoffe importieren müssen. Öl, das "schwarze Gold" hat schon aus diesen Gründen diesen Spitznamen. Viele Staaten nutzen die KW weniger um sie zu verarbeiten sondern mehr, um mit Ihnen zu handeln. Viele Arbeitsplätze und hohe Geldsummen hängen an der Förderung, dem Transport und der Vermarktung von Kohle und Öl.

3 Punkte...

- Nordamerika verbraucht am meisten Erdöl, Russland und Afrika am wenigsten.

- Anstieg der CO2-Emissionen in China um mehr als 100% in weniger als 10 Jahren.

- Trotz Erforschung regenerativer Energien wird mehr und mehr Kohle, Öl und Gas verbrannt bzw anderweitig verarbeitet.

Quellen:

[1] ttp://www.t-online.de/wirtschaft/energie/versorgerwechsel/id_66558580/kohlenutzung-forscher-warnen-vor-gefahr-fuer-menschheit.html

[2] ttp://www.zeit.de/wirtschaft/unternehmen/2014-03/rwe-verlust-abhaengigkeit-kohle

[3] ttp://www.chemie.de/lexikon/Kohle.html

[4] ttp://www.fuerstenberg-dhg.de/index.php?id=kohle

[5] ttps://www.fh-muenster.de/fb1/downloads/personal/juestel/juestel/Kohle__Russ_und_Koks_Greving-Laubrock-Wilmer_.pdf

[6] ttp://www.energie-lexikon.info/kohleverfluessigung.html

[7] ttp://www.planet-schule.de/sf/php/mmewin.php?id=99

[8] ttp://www.planet-schule.de/sf/php/mmewin.php?id=99

[9] ttp://www.lethen.de/bilder/aspen.pdf

[10] ttp://www.umweltdatenbank.de/cms/lexikon/lexikon-c/268-coker.html

[11] ttp://www.energieverbraucher.de/de/site__285/

[12] ttp://www.steckdose.de/gas/verwendung-erdgas/

[13] ttp://www.wir-ernten-was-wir-saeen.de/gaskraftwerk

[14] ttps://www.gaswaerme.at/beg/themen/index_html?uid=2660

[15] ttp://www.enius.de/schadstoffe/aromaten.html

[16] ttp://www.nua.nrw.de/fileadmin/user_upload/NUA/Veranstaltungen/Veranstaltungsberichte/082-13_Fossile-Energien/Kohle_global_-_Brennstoff_oder_Rohstoff_vdL_final.pdf

[17] ttp://www.erdgas.ch/publikationen/statistiken-und-karten/

[18] ttps://www.destatis.de/DE/Publikationen/Thematisch/Preise/Energiepreise/EnergiepreisentwicklungPDF_5619001.pdf?__blob=publicationFile

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