Kraftstoffe und Heizstoffe

Heute im Chemieunterricht: | Erdöl und Kohle als Energieträger. Heizwerte. Autobenzin. Dieselkraftstoffe. Heizöle. Gasförmige Brennstoffe.

Erweiterte Suche


90. Kraftstoffe und Heizstoffe

Erdöl und Kohle als Energieträger

Eine unbedingte Voraussetzung für die wirtschaftliche Entwicklung einer Gesellschaft ist eine ausreichende Energieversorgung. Die wichtigsten Energiequellen sind Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Wasserkraft, sowie Wind- Kernenergie. Einige Energieträger früherer Jahrhunderte, wie beispielsweise Holz und Torf, haben heute keine nennenswerte Bedeutung mehr. Diese von der Natur unmittelbar zur Verfügung gestellten Energiequellen nennt man Primär- oder Rohenergieträger. Aus diesen werden durch Umwandlung Sekundäre Energieträger  erzeugt, um letztendlich als Nutz- oder Endenergie (Wärme, Bewegung, Licht) bei Bedarf zur Verfügung zu stehen. Zu den Sekundärenergieträgern zählen Koks, Briketts, Benzin, Heizöl, Strom und Gas.


 
Primärenergieträger sind die in der Natur vorkommenden Energielieferanten
 
Sekundärenergieträger sind die technisch aufbereiteten Energieträger
 
Heizwert ist die Wärme, die bei der vollständigen Verbrennung von 1kg festem bzw. 1m3 flüssigem Brennstoff entsteht
Vergleich verschiedener Energieträger
Bild 1 Vergleich verschiedener Energieträger.
1 Steinkohleneinheit (SKE) = 29330 kJ = 29,33 MJ

Die Grafik in Bild 1 zeigt, dass Erdölprodukte die höchsten Heizwerte erzeugen. Unter Heizwert versteht man die Wärme, die bei der vollständigen Verbrennung einer bestimmten Menge (1 kg oder 1 m3) eines Brennstoffes entsteht. Angegeben wird der Heizwert in Kilojoule pro Kilogramm, Gramm oder Tonne. Als Vergleich zieht man in der Technik gelegentlich noch die Steinkohleeinheit ( = SKE) heran.


Motorenbenzin

Benzin für Motoren ist ein komplexes Gemisch aus über 100verschiedenen, überwiegend leichten Kohlenwasserstoffen, deren Siedebereich zwischen dem von Butan und Kerosin/Petroleumliegt. Motorenbenzin wird hauptsächlich aus veredelten Komponenten aus der Erdölraffination hergestellt und als Kraftstoff eingesetzt. Die ursprünglich im Erdöl vorhandenen gesättigten n-Alkane werden durch Reformieren teilweise in cyclische oder verzweigte Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Diese sind besser für Benzine geeignet, da sie sich nicht vorzeitig im Benzin-Luft-Gemisch entzünden. Als Bestimmungsgröße der späteren Entzündung wird international der Begriff » Klopffestigkeit « verwendet. Ein Motor »klopft«, wenn das Benzin-Luft-Gemisch vor der normalen Zündung schlagartig verbrennt, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. Eine höhere Klopffestigkeit ermöglicht eine größere Verdichtung des Benzin-Luft-Gemisches, wodurch die Leistung des Motors steigt.


 
Kannst du den Begriff »Verbrennungsmotor« erklären?
 
Wo werden Vergaserkraftstoffe gebraucht? Gibt es dafür auch andere Bezeichnungen?
 
Benzin ist ein Gemisch von Alkanen mit 5 - 12 Kohlenstoffatomen (Tabelle Kapitel 88)

Eine Maßzahl für die Klopffestigkeit ist die Oktanzahl (OZ). Ziemlich willkürlich hat man hundertprozentigem n-Heptan (C7H6) die Oktanzahl 0 gegeben und hundertprozentigem 2,2,4-Trimethylpentan (Isooctan) verpasste man die Oktanzahl 100. Handelsübliches Normalbenzin hat eine Oktanzahl von 91, Super von 95 und und Super Plus von 98. Ein Kraftstoff mit OZ 90 entspricht also in der Klopffestigkeit einem Gemisch aus 90% (Vol. ) Isooctan und 10% (Vol. ) n-Heptan.


Historische Zapfsäulen
So haben einmal die Zapfsäulen an den Tankstellen ausgesehen.

Die Klopffestigkeit und damit die Oktanzahl kann neben dem Anteil entsprechender Kohlenwasserstoffe (Benzol: Oltanzahl 111) auch durch Zusatz von Chemikalien erhöht werden (Antiklopfmittel). Am bekanntesten war das Einbringen von Bleiverbindungen in das Benzin. 1 Liter Benzin enthielt (seit 1976) 0,15 g Bleitetraethyl. Der Bleigehalt der Luft wurde dadurch »auf ein gesundheitlich unbedenkliches Maß reduziert«, wie ein Umweltbericht der Bundesregierung aus dem Jahr 1976 zu berichten weiß. Das Benzinbleigesetz begrenzte seit 1971 die Zusätze von Blei in Ottokraftstoffen in der Bundesrepublik Deutschland. 1978 folgte dann eine europäische Regelung zur Begrenzung des Bleigehalts in Kraftstoffen. Im Februar 1988 schließlich wurde verbleites Normalbenzin komplett verboten.


 
Schweres Heizöl besteht aus Alkanen mit 17 und mehr Kohlenstoffatomen (Siehe Tabelle in Kapitel 77, ab C17 Feststoffe)
 
Oktanzahl (OZ) ist ein Maß für die Klopffestigkeit
N-Heptan und i-Octan, Standards für Octanzahl 0 und 100
Bild 2. n-Heptan und i-Octan, Standards für OZ = 0 und OZ = 100

Dieselkraftstoffe

 
Welche besonderen Vorzüge eines Kraftstoffes werden von den Mineralölgesellschaften häufig in der Werbung herausgestellt?
 
Antiklopfmittel sind Zusätze (z.B. Bleiverbindungen), die die Oktanzahl erhöhen
 
Dieselkraftstoff und Heizöl (leicht) sind Gemische von Alkanen mit 13 - 17 Kohlenstoffatomen

Die Hauptbestandteile des Dieselkraftstoffes sind vorwiegend Alkane, Cycloalkane und aromatische Kohlenwasserstoffe mit etwa 9 bis 22 Kohlenstoff-Atomen pro Molekülund einem Siedebereich zwischen 170 °C und 390 °C. Dieser Kraftstoff hatte vor 1995 einen sehr breiten Fraktionierbereich, weshalb die vergleichsweise vielen schweren Anteile zum Rußen des Motors führen konnten. Die verschärften Spezifikationen (Dichte, 95-%-Punkt, s. u. ) haben dieses Risiko jedoch erheblich reduziert. Beim Dieselmotor erfolgt die Zündung des Kraftstoffes durch Selbstzündung beim Einspritzen in die heiße, komprimierte Verbrennungsluft des Zylinders. Das Verfahren wurde von Rudolf Diesel entwickelt, der zu dieser Zeit bei der Maschinenfabrik Augsburg, einem der Gründungsunternehmen der späteren MAN, angestellt war.


Heizöle

Chemisch gesehen stehen sich Dieselkraftstoffe und Heizöle sehr nahe. Bis 1994 waren beide Produkte nahezu identisch, so dass damals Dieselmotoren problemlos in der Lage waren, leichtes Heizöl zu verbrennen. Der Einsatz als Kraftstoff für Fahrzeuge ist jedoch als Steuerhinterziehung strafbar. Weiterhin erlischt die Betriebserlaubnis des Kraftfahrzeugs, mit allen hieraus resultierenden rechtlichen Konsequenzen. Nach der Konsistenz unterscheidet man dünnflüssiges »Leichtes Heizöl« und dickflüssiges »Schweres Heizöl«. Heizöl Extra Leicht (HEL) ist eine Mischung aus Kerosin, verschiedenen Gasölfraktionensowie diversen Additiven (im mg/kg Bereich). Kerosin und Gasöl werden großteils durch Fraktionierung von Erdöl als Mitteldestillatfraktionen gewonnen und für die HEL-Herstellung in Hydrodesulfurierungsanlagenentschwefelt.


Begleitgas bei der Erdölraffination.

Leichtes Heizöl wird für den Betrieb von Ölheizungen in großem Umfange verwendet. In Deutschland wurden 2009 ca. 20,5 Millionen Tonnen HEL verkauft. Vom Verbrauch entfallen derzeit 60 % auf private Haushalte, 30 % auf das Gewerbe und 8 % auf die Industrie. Der Rest (2 %) dient zur Strom-, Fernwärme- und Gaserzeugung. Das Schwere Heizöl kann erst nach Vorwärmung, wodurch es dünnflüssig wird, in Anlagen der Industrie oder in Kraftwerken verbrannt werden.


Gasförmige Brennstoffe

 
Flüssiggase sind Propan und Butan. Sie können unter Druck leicht verflüssigt werden

Die Kohlenwasserstoffe Propan und Butan können leicht durch Druck verflüssigt werden. Sie kommen dann als » Flüssiggas « in den Handel, das bei Raumtemperatur unter vergleichsweise geringem Druck flüssig bleibt. Es fällt als Nebenprodukt der Erdölraffinierung und als Begleitgas bei der Förderung von Erdöl und Erdgas an und ist somit ein fossiler Energieträger. Neben der Verwendung als Haushaltgas spielen auch Anwendungen in der Industrie eine Rolle, beispielsweise findet es in Klimaanlagen als FCKW-Ersatz Verwendung.


 
Isooctan kann vollständig und unvollständig verbrennen. Wie lauten die Gleichungen?
 
Warum müssen beim Einbau von Heizöltanks Sicherheitsbestimmungen beachtet werden?
 
Erdgas besteht überwiegend aus Methan

Der wichtigste Energieträger unter den gasförmigen Kohlenwasserstoffen ist das Erdgas, das überwiegend aus Methan besteht. Durch die geringen Verunreinigungen verbrennt Erdgas generell gegenüber anderen fossilen Brennstoffen sauberer. Trotzdem tragen Förderung, Transport, Verarbeitung und Verbrennung von Erdgas zur Freisetzung der Treibhausgase Methan und Kohlenstoffdioxid bei. Gegenüber Erdöl entsteht beim Verbrennen von Erdgas um bis zu 25 % weniger Kohlenstoffdioxid. Es ist somit ein ausgesprochen umweltfreundliches Heizgas.

Verbrauch von Mineralölprodukten in Mio t in Deutschland
  1965 1970 1976
Schweres Heizöl
Leichtes Heizöl
Dieselkraftstoff
Motorenbenzin
Sonstige Produkte
26
34
11
15
14
23
38
  8
14
17
19
39
  9
16
17

Primärenergieverbrauch in Deutschland
Bild 3. Primärenergieverbrauch in Deutschland. Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen