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Erdölraffinerie

Erdöl ist hauptsächlich ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe. Es wird zunächst als nur grob gereinigtes Rohöl gewonnen und dann mit Tankern oder Pipelines zu Erdölraffinerien transportiert. Dort wird es mit diversen Methoden zu einer Palette von Erdölprodukten wie z. B. Benzin, Dieselkraftstoff, Heizöl, Flüssiggas, Schmierölen, Bitumen und Petrolkoks verarbeitet. Allerdings werden zum Beispiel Kraftstoffe in der Raffinerie meist noch nicht in der endgültigen Zusammensetzung produziert. Vielmehr entstehen dort diverse Rohprodukte (Blends), die von den Kraftstoffanbietern in sogenannten Blending-Stationen dann geeignet abgemischt werden, um die gewünschten Eigenschaften der verkauften Kraftstoffe zu erzielen.

Die Raffinerien werden meist in der Nähe großer Verbrauchszentren betrieben. Die größten Transportdistanzen entstehen also für das Rohöl (welches in der Regel entweder per Schiff oder durch eine Pipeline angeliefert wird), während die Endprodukte nur über kürzere Strecken transportiert werden. Dies ist wirtschaftlich günstiger als der Transport vieler verschiedener Produkte über große Entfernungen. Für die Verbraucherländer kann es dabei auch günstig sein, dass ein größerer Teil der Wertschöpfung bei ihnen anfällt – wobei die Gewinne allerdings nicht unbedingt auch dort versteuert werden.

Raffineriestandorte in der Nähe großer Anlagen der chemischen Industrie sind günstig, weil eine Vielzahl von Zwischenprodukten, die diese Industrie benötigt, dann direkt geliefert werden kann. (Es hat sich eine so enge Verflechtung von Raffinerien und gewissen Chemiebetrieben ergeben, dass man von der Petrochemie spricht.) Auch die Nutzung von Abwärme kann erleichtert werden, wenn andere Industriebetriebe in nächster Nähe stehen.

Viele Erdölraffinerien werden von großen Erdölkonzernen betrieben (oft auch von mehreren gemeinschaftlich), andere von Gesellschaften im Besitz von Ölförderländern oder von unabhängigen Gesellschaften.

Technische Verfahrensschritte in Raffinerien

Entsalzung

Das Rohöl muss zunächst von Salzen befreit werden, die sonst diverse Anlagenteile angreifen könnten und auch in den Endprodukten unerwünscht wären. Die Entsalzung erfolgt dadurch, dass aus Rohöl und Wasser eine Emulsion hergestellt wird, wobei sich die Salze im Wasser lösen. (Die Löslichkeit von Salzen ist in Wasser viel höher als in Öl.) Schließlich wird die Emulsion durch Anlegen eines elektrischen Feldes wieder getrennt. Das salzige Abwasser, das auch mit gewissen Mengen von Erdölbestandteilen verunreinigt ist, gelangt in eine spezielle Kläranlage.

Destillation

Die Destillation des Rohöls ist der zentrale Verfahrensschritt und wird als Primärverarbeitung bezeichnet. Hier geht es darum, das Rohöl in mehrere Fraktionen aufzutrennen: leichte Fraktionen, die vorwiegend aus kleineren Molekülen bestehen und niedrige Verdampfungstemperaturen aufweisen, und schwerere mit entsprechend höheren Verdampfungstemperaturen.

Das entsalzte Rohöl wird zunächst in einem Röhrenofen auf z. B. 400 °C erhitzt und dann in den unteren Teil einer Dutzende von Metern hohen Rektifikationskolonne eingeleitet. Dort kann sich auch ein Sumpfverdampfer befinden, d. h. ein Wärmeübertrager, der z. B. mit Hochdruckdampf beschickt wird und die Verdampfung des Rohöls antreibt. Die Kolonne enthält mehrere Abteile, die durch horizontale Wände voneinander getrennt sind. Überströmöffnungen erlauben, dass leichtere Anteile in die höheren Abteile strömen, und ein Ablauf dient der Abfuhr flüssiger Produkte aus jedem Abteil. Die Temperatur nimmt nach oben hin stetig ab. Man erhält z. B. die folgenden Fraktionen:

• Die leichtesten Anteile des Rohöls gelangen bis in das oberste Abteil und bleiben dort immer noch gasförmig. Diese Kopffraktion dient der Herstellung von Flüssiggas.
• Der flüssige Ablauf vom obersten Abteil (Leichtbenzin) dient zur Herstellung von Benzin.
• Darunter erhält man Kerosin, welches bereits höhere Siedetemperaturen aufweist.
• Die nächste Fraktion dient der Herstellung von leichtem Heizöl und Dieselkraftstoff.
• Danach kommen Schweröle, die z. B. als Schiffsdiesel verwendet werden.
• Im untersten Teil verbleibt ein Rückstand, der trotz der hohen Temperatur nicht verdampft.

Der Rückstand wird meist einer zweiten Destillationskolonne für die Vakuumdestillation zugeführt, die mit stark reduziertem Druck (wenn auch nicht wirklich einem Vakuum) betrieben wird. Dies erlaubt das Verdampfen auch schwererer Bestandteile. Eine stärkere Erhitzung wäre hierzu keine Alternative, da sich etliche Substanzen dann zersetzen würden.

Die hohen Destillationskolonnen und die komplexen Röhrensysteme (siehe Abbildung 1) tragen wesentlich zum äußeren Erscheinungsbild von Raffinerien bei. Auffallend sind oft auch Gasfackeln, wo unerwünschte Nebenprodukte abgefackelt werden. Allerdings wird die Abfackelung heute so weit wie möglich reduziert, und fast die gesamte Menge des Rohöls wird auf die eine oder andere Weise genutzt.

Veredelung

Fast alle Raffinerieprodukte erfahren eine weitere Veredelung, die verschiedene im Folgenden beschriebenen Aspekte haben kann:

• Diverse unerwünschte Stoffe können mit Hydrotreating eliminiert werden, also die Umsetzung unter Zugabe von Wasserstoffgas. Beispielsweise können Schwefelanteile als gasförmiger Schwefelwasserstoff (H₂S) abgetrennt werden, und Amine (Stickstoffverbindungen) werden zu Ammoniak (NH₃) umgesetzt. Alkohole werden ebenfalls abgebaut.
• Eine katalytische Reformierung erfolgt bei einer erhöhten Temperatur von z. B. 500 °C und erhöhtem Druck. Hier werden lineare Alkane in Cycloalkane und Aromaten (mit ringförmigen Molekülen) umgewandelt, und zum Teil erfolgt auch eine Isomerisierung (Umwandlung in verzweigte Moleküle). Beides erhöht die Klopffestigkeit, was für Benzin erwünscht ist. Bei niedrigeren Temperaturen läuft hauptsächlich nur die Isomerisierung ab. Bei der Reformierung anfallender Wasserstoff kann das Hydrotreating (siehe oben) verwendet werden.
• Bei erhöhter Temperatur – mit oder ohne Katalysator, und evtl. mit Zugabe von Wasserdampf oder Wasserstoff – kann das Cracken (Spalten) stattfinden, d. h. die Aufspaltung größerer Moleküle in kleinere. Dies ist beispielsweise für die schweren Rückstände der Destillation erwünscht; kleinere Moleküle sind geeignet für Kraftstoffe, weil sie nicht erst bei hohen Temperaturen eine flüssige Konsistenz ermöglichen. Ein Teil des Rückstands kann auch zu Petrolkoks werden, der z. B. der Stahlherstellung dient und auch zu Elektroden verarbeitet kann, wie sie bei der Aluminium-Elektrolyse benötigt werden. Wegen der Entstehung von Koks heißen werden Anlagen oft auch als Koker bezeichnet.
• Umgekehrt können im Rahmen der Polymerisierung leichtere Moleküle mit Hilfe von Katalysatoren zu größeren (v. a. Isoparaffinen) verbunden werden, um beispielsweise einen allzu großen Anteil von Flüssiggas zu vermeiden. Ähnliches geschieht bei der Alkylierung, einer Reaktion zwischen Olefinen und Paraffinen. Hierfür werden die Ausgangsstoffe mit Schwefelsäure oder Flusssäure vermischt, und anschließend trennt man das Gemisch wieder auf.

Je nach Beschaffenheit des Rohöls und je nach dem Bedarf für verschiedene Endprodukte werden solche Verfahren ausgewählt und miteinander kombiniert. Zur Veredelung gehört außerdem ein geeignetes Abmischen von Komponenten. Viele Produkte wie Benzin werden auch mit speziellen Zusatzstoffen (Additiven) versehen, um bestimmte Eigenschaften gezielt zu steuern. Eine variable Zusammensetzung der einzelnen Komponenten kann über variable Mischungsverhältnisse ausgeglichen werden.

Der Energieaufwand für die Rohölverarbeitung in der Raffinerie hängt erheblich davon ab, in welchem Umfang Prozesse wie Cracking, Reformierung und Alkylierung notwendig sind, um aus dem verwendeten Rohöl die Endprodukte in dem gewünschten Mengenverhältnis herzustellen. Es ist vorteilhaft, wenn die natürlicherweise (ohne aufwendige Zusatzverfahren) entstehenden Mengenverhältnisse in etwa dem Bedarf entsprechen, und wenn das Rohöl von hoher Qualität ist.

Ungleichgewicht der Produkte

Trotz der Verwendung von Cracking-Verfahren, Reformierung, Alkylierung u. ä. ist es oft schwierig, alle Produkte in den gewünschten Mengen zu erhalten; beispielsweise kann an küstenfernen Standorten ein Überschuss an Schweröl entstehen, der dann u. U. nur noch verstromt werden kann. In Europa besteht das Problem, dass durch den hohen Dieselanteil der Fahrzeugflotte Dieselkraftstoff eher knapp ist, während ein Benzinüberschuss entsteht. Diese Entwicklung, auch als Dieselization bezeichnet, wurde durch die verringerte Besteuerung von Dieselkraftstoff und durch die Bioethanol-Beimischung verschärft. In der Folge muss Benzin von Europa in die USA verschifft werden, während Mitteldestillate als Ausgangsstoffe für Dieselkraftstoff und Heizöl nach Europa verschifft werden. Durch Anpassung der Verfahren in den Raffinerien kann nämlich der Dieselanteil nur begrenzt erhöht werden. Da der Importbedarf der USA weiter abnehmen dürfte, wird das Problem wohl noch zunehmen. Als Folge davon wird der Vorteil der höheren Energieeffizienz von Dieselantrieben effektiv vermindert, und es entstehen natürlich höhere Kosten.

Einfluss der Erdölqualität

Raffinerien können Rohöl unterschiedlicher Qualitäten verarbeiten, allerdings mit Einflüssen auf die Anteile der erhaltenen Produkte und den Aufwand für bestimmte Verfahrensschritte. Beispielsweise ist es hilfreich, schwefelarme Qualitäten zu verwenden, die allerdings tendenziell teurer sind. Bei Verwendung leichter Rohölsorten kann man einen höheren Anteil von Benzin erzielen, was beispielsweise in den USA aufgrund der relativ hohen Nachfrage von Benzin im Vergleich zu Dieselkraftstoff wünschenswert ist.

Ökologische Aspekte

In früheren Zeiten verursachten Erdölraffinerien massive Umweltbelastungen durch unsachgemäß entsorgte Reststoffe, unzureichend gereinigte Abwässer und schädliche Abgase. Die Technologie wurde jedoch in vielen Jahrzehnten stark optimiert, nicht zuletzt durch den Einfluss einer zunehmend strengeren Umweltgesetzgebung. So sind die meisten Erdölraffinerien inzwischen wesentlich umweltverträglicher geworden. Trotzdem verbleiben diverse Belastungen:

• Raffinerien haben einen hohen Energieverbrauch und erhebliche CO₂-Emissionen. Allerdings machen diese nur wenige Prozente der CO₂-Emissionen aus, die beim Verbrennen der erzeugten Produkte später entstehen.
• Die Abgase enthalten trotz aufwendiger Abgasreinigungsanlagen noch gewisse Mengen von Schadstoffen wie Schwefeldioxid und Stickoxide.
• Bei Lagerung und Umfüllungen können Kohlenwasserstoffe in die Luft entweichen. (Mit Gaspendelverfahren oder der Zuführung solcher Gase zu Verbrennungsanlagen lässt sich dies stark reduzieren.) Auch Geruchsbelästigungen können auftreten.
• Die Abwässer enthalten auch nach der üblichen Reinigung noch gewisse Restmengen von Erdölbestandteilen und Extraktionsmitteln. Bei Unfällen können erheblich höhere Abwasserbelastungen erfolgen.
• Der Boden des Geländes kann durch bei Störfällen auslaufende Substanzen kontaminiert werden. Auch das Grundwasser kann verunreinigt werden. Man beachte, dass in Raffinerien sehr große Mengen wassergefährdender Stoffe umgesetzt werden.
• Raffinerien haben einen erheblichen Wasserverbrauch, sowohl für Kühlwasser als auch für Prozesswasser. Das hängt aber sehr von der Anlage ab; bei alten Anlagen kann der Wasserverbrauch dutzendfach über der umgesetzten Rohölmenge liegen, während er bei neueren Anlagen u. U. nur noch grob geschätzt so hoch wie der Öldurchsatz ist.
• Abwässer und Kühltürme können erhebliche Abwärmemengen abgeben, die lokale Auswirkungen haben können.
• Je nach Transportmitteln für das Rohöl und die erzeugten Produkte kann die Umgebung mit Auswirkungen des Transports belastet werden.

Die Umweltbelastungen aus Erdölraffinerien können rechnerisch den erzeugten Produkten zugeordnet werden, auch wenn diese Zuordnung aufgrund der komplexen Verfahren nicht unbedingt eindeutig ist. So können z. B. Benzin und Dieselkraftstoffe mit zusätzlichen Umweltbelastungspunkten versehen werden.

Siehe auch: Erdöl, Kohlenwasserstoffe, Benzin, Dieselkraftstoff, Heizöl, Flüssiggas