Wstęp
Paliwa kopalne tworzą: gazy ziemne, ropa naftowa, węgiel kamienny.
Paliwa kopalne powstałe w wyniku procesów, które miały miejsce wiele milionów lat temu. Aktualnie istnieje teoria, że ropa naftowa mogła powstać na skutek działania bardzo wysokiego ciśnienia oraz temperatury na martwe szczątki zwierzęce oraz roślinne. Głoszone jest także nieorganiczna teoria powstawania ropy naftowej. W myśl tej teorii ropa powstała na skutek reakcji chemicznych mających miejsce pod skorupą ziemską. Teoria ta jest znacznie mniej wiarygodna niż poprzednia. Zgodnie z pierwszą, bardziej prawdopodobną teorią, ropę naftową tworzą złoża chemiczne, które powstały z drobnych szczątków organicznych zwierzęcych oraz roślinnych. Organizmy te żyły w morzach wiele milionów lat temu. Gdy umarły, to upadły na dno zbiornika, a tam zostały częściowo rozłożone przez bakterie. Szczątki organiczne zostały przykryte przez gliny, a te w wyniku działania wysokiego ciśnienia, w trakcie wielu milionów lat uległy przekształceniu w skałę nazywana łupkiem. Wysoka temperatura oraz ciśnienie spowodowały proces przekształcenia szczątków w gaz ziemny oraz ropę naftową (głównym składnikiem był metan). Wysokie ciśnienie stopniowo wypychało ropę oraz gaz ze skał i przez przepuszczalne warstwy skalne kierowały się ku górze. Największe ilości gazu oraz ropy zostały zablokowane pod nieprzepuszczalnymi warstwami w tzw. pułapkach.
Pochodzenie ropy naftowej
Istnieją rożne teorie odnośnie pochodzenia ropy naftowej. Część badaczy uważa, że ropa powstała ze związków nieorganicznych w czasie reakcji zachodzących w jądrze Ziemi. Liczniejsza grupa badaczy głosi jednak inna hipotezę odnośnie pochodzenia ropy naftowej. W myśl tej teorii reakcje, które miały miejsce kilka milionów lat temu, złoża środkowej oraz północnej części Morza Północnego powstały z bakterii oraz glonów. Organizmy te w jurze (około 200 milionów lat temu) występowały na dnie morza pod iłem oraz mułem. W taki sposób przykryta materia organiczna, w skład której wchodziły tłuszcze, białka, bakterie odpowiedzialne za przemianę materii organicznej, ulegała rozkładowi i przechodziła w ropę naftową, na skutek bardzo wysokiego ciśnienia oraz temperatury.
W takich warunkach muł oraz ił został zamieniony w skalę litą. Gaz ziemny oraz ropa naftowa jest obecna tylko w osadowych skałach (piaskowce). Ich szczeliny oraz pory są nasycone gazem i ropa naftową. Do powstania złoża gazu ziemnego oraz ropy naftowej niezbędna jest warstwa skały nieprzepuszczalnej, która przykrywa skałę przepuszczalną. Tylko wówczas ropa naftowa jest gromadzona w tzw. pułapkach.
Chemiczny skład ropy naftowej
Ropa naftowa to mieszanka węglowodorów. Ropa naftowa nie ulega rozpuszczeniu w wodzie. To ciemnobrunatna ciecz o charakterystycznym zapachu. Jej gęstość wynosi 0,79-0,96 g/cm3. Może także przyjmować barwę jasną i lekko opalizującą Węglowodory stałe oraz gazowe są rozpuszczone w węglowodorach o konsystencji ciekłej. Obok węglowodorów w skład ropy naftowej mogą wchodzić związki organiczne, które zawierają siarkę, tlen oraz azot. Ropę naftowa ze względu na ilość siarki możemy podzielić na: wysokosiarkową (ilość siarki przekraczająca 0,1%) oraz niskosiarkową (ilość siarki większa niż 0,5%). Ilość siarki może wynieść więcej niż 6%. Pierwiastki, głównie niemetale, tworzą ropę naftową. W jej skład wchodzą także różne związki chemiczne oraz kilka niemetali. Ogólnie w ropie naftowej możemy znaleźć około 600 związków. Nie jest to ostateczna ilość, gdyż uważa się, że w skład ropy może wchodzić nawet kilka tysięcy związków chemicznych.
Węglowodory, które stanowią 98% wszystkich składników ropy naftowej wykazują duże zróżnicowanie. Może to być metan lub związki zawierające ponad 100 atomów węgla tworzących łańcuch węglowodorowy w cząsteczce. Węglowodory dzielimy na 3 grupy:
- Kwasy naftenowe
Łańcuchy węglowe tych związków nie są proste, tylko tworzą pierścienie cykliczne. Ma miejsce zależność: im większa jest ilość atomów węgla w cząsteczce, tym gęstość substancji ma większą wartość.
- Parafiny
Są to związki węglowodorowe charakteryzujące się różną długością łańcuchów węglowych. Do tego typu związków mogą należeć alkany. W zależności od czasu powstania ropy naftowej oraz od pochodzenia alkany mogą stanowić 30-80% wszystkich składników wchodzących w jej skład. Węglowodory zawierające więcej niż 17 atomów węgla to ciała stałe, węglowodory zawierające od 6-16 atomów węgla to ciecze, zaś węglowodory zawierające mniej niż 5 atomów węgla to gazy. Maksymalna ilość atomów węgla w cząsteczkach tych związków może wynosić 40.
- Związki nienasycone
To grupa węglowodorów wchodzących w skład ropy naftowej, która posiada nienasycone wiązania pomiędzy atomami węgla. Nie wszystkie atomy węgla wchodzące w skład tych związków łączą się z innymi atomami za pomocą jednego wiązania. Warte do zapamiętania jest to, że ropa naftowa nie zawiera Albinów oraz alkenów.
Ropa naftowa może także zawierać szkodliwe składniki. Niepożądanymi związkami wchodzącymi w skład ropy naftowej są te które zawierają chlor oraz siarkę. Związki te mogą spowodować korozje sprzęty używanego w rafineriach, dlatego też zaraz po wydobyciu ropy naftowej surowiec ten musi ulec odsiarczeniu oraz odwodnieniu. Surowce pokrewne ropie naftowej to: gaz ziemny oraz bitumen (lepka, gęsta substancja-asfalt).
Występowanie złóż ropy naftowej
Złoża gazu ziemnego oraz ropy są obecne na każdym kontynencie. Występują w szelfach kontynentalnych, na dnie morza oraz blisko brzegu. Bywa także i tak, że ropa może ulec wyciekowi na powierzchnie. Powstaje wówczas gęsta, oleista substancja, która nazywamy naturalnym asfaltem. Nad ropą naftową może tworzyć się warstwa zawierająca gaz ziemny.
Aktualnie wiele złóż gazu ziemnego oraz ropy naftowej jest już wykorzystywanych, ale wiele czeka wciąż na odkrycie.
900 milionów lat temu (proterozoik) powstało najstarsze złoże ropy naftowej. 250-400 milionów lat mają największe złoża ropy naftowej. Ropa naftowa gromadzona w rezerwach może starczyć na około 40 lat, jeżeli wydobycie będzie takie same jak w 1988r. Obliczenia nie zostały wykonane na podstawie prawdopodobnych zasobach ropy naftowej oraz aktualnie stosowanych technologii eksploatacji. Brane pod uwagę są także wartości średniego globalnego wydobycia w określonym roku. Jeżeli są stosowane inne technologie, to wyniki mogą ulec zmianie.
Odkrycie w 1969r. ropy naftowej na dnie Morza Północnego doprowadziło do tego, że Wielka Brytania, która dotychczas importowała ropę stała się jednym z głównych jej producentów. W 1990r. Wielka Brytania na 9 miejscu biorąc pod uwagę kraje eksploatujące złoża ropy naftowej na dnie mórz. I tak Wielka Brytania z państwa nastawionego na import ropy naftowej stałą się jednym z głównych krajów importujących ten surowiec.
Najzasobniejsze w ropę naftową są obecnie kraje Bliskiego Wschodu (65% światowych zasobów tego surowca). Są to kraje: Kuwejt, Iran, Irak oraz Zjednoczone Emiraty Arabskie.
25% procent wszystkich zasobów ropy naftowej jest w posiadaniu Arabii Saudyjskiej. W latach 80 jednym z czołowych producentów ropy naftowej był Związek Radziecki, który dostarczał około 18% światowego wydobycia. Były to tereny: Turkmenii, Kirgizjanu, Azerbejdżanu, Rosji, Tadżykistanu, Kazachstanu oraz Uzbekistanu.
16% globalnego wydobycia przypadało na Stany Zjednoczone oraz Kanadę.
W dużym stopniu poziom wydobycia ropy naftowej zależy od światowego popytu na ten surowiec. Recesja, która miała miejsce w latach 90 zmniejszyła zapotrzebowanie na ten surowic. Stąd wydobycie jej było mniejsze.
Arabia Saudyjska posiada około 300bln baryłek tego surowca.
Na terenie Ameryki Północnej największe złoża występują na obszarach Zatoki Meksykańskiej, na Morzu Adriatyckim, na obszarach Pacyfiku koło Los Angeles.
Na terenie Ameryki Południowej w ropę naftową zasobne są tereny: Peru, Wenezueli, Trynidadu, Brazylii oraz Kolumbii.
Na terenie Europy platformy morskie są na terenach: Norwegii, Włoch, Wielkiej Brytanii, Dani, Holandii oraz Hiszpanii.
Na obszarze Afryki największe ilości ropy naftowej występują na terenie: Ghany, Nigerii oraz Gabonu. Surowiec ten niedawno został odkryty na obszarze Kongo, Wybrzeża Kości Słoniowej oraz Egiptu.
Na kontynencie azjatyckim, obok krajów Bliskiego Wschodu, ropę naftową posiadają takie kraje jak: Indonezja, Chiny, Bruneja, Indie, Malezja oraz Japonia.
Ropa naftowa jest także w posiadaniu Nowej Zelandii oraz Australii.
Przetwarzanie ropy naftowej
Ropa naftowa na lądzie jest transportowana w cysternach i przechowywana w specjalnych do tego celu skonstruowanych zbiornikach. Ropa jest transportowana do rafinerii (zakłady przetwarzające ropę naftową).
W rafinerii produkowane są różne substancje o szerokim zastosowaniu. Wielkość rafinerii zależy od zakresu wykorzystania aktualnych zasobów. W małych rafineriach przerabia się około 0,5-1,5mln ton tego surowca rocznie. W rafineriach większych ta wartość wynosi około 5-12 mln ton. Jeżeli zapotrzebowanie jest bardzo duże, to budowane są specjalne kombinaty złożone z kilku zakładów przetwórczych.
Ze względu na profil produkcyjny rafinerie dzielimy na:
- paliwowe, w których produkowany jest olej opałowy oraz paliwa silnikowe;
- petrochemiczne, w której produkowane są węglowodory używane w syntezach chemicznych (butadien, eten, areny, propan, benzyna wysooktanowa oraz olej opałowy);
- paliwowo-opałowe, które produkują oleje smarowe oraz paliwa.
W kilku kombinatach jesteśmy w stanie otrzymać specjalne produkty (benzyna ekstrakcyjna, lakowa, oleje do sprężarek, oleje cylindrowe oraz oleje do kondensatorów i lepiki) w wyniku przeróbki frakcji naftowych.
Przeróbka ropy naftowej
W rafineriach ma miejsce przeróbka ropy naftowej (destylacja frakcyjna, restyfikacja). Proces ten został wprowadzony przez polskiego chemika- Ignacego Łukasiewicza. Metoda ta polegała na rozdzieleniu cieczy na kilka frakcji oraz ich oczyszczeniu. Jest to tzw. przerób płytki, który składa się z destylacji ropy naftowej, w wyniku której otrzymujemy benzynę oraz olej opałowy. Następnie zachodzi rafinacja, która polega na odsiarczaniu. Obecnie ta metoda nie jest wykorzystywana. Ropa jest przerabiana z zastosowaniem metody pogłębionej, która przetwarza olej opałowy na kilka bardzo ważnych produktów (olej napędowy, benzyna, gazy płynne, asfalt i substancje chemiczne).
Przerób płytki ropy naftowej
Wraz z wydobyciem ropy naftowej ze złoża ulega ona odwodnieniu. W wyniku tego procesu ilość wody wynosi około 0,5-1,5%. Obniża się także ilość soli. Następnie ropa ulega stabilizacji. Najlżejsze gazowe węglowodory oddzielają się, a ropę podgrzewamy do temperatury 3500C. W instalacjach rurowo wieżowych w rafinerii ogrzana ropa naftowa przepływa w wieżach destylacyjnych i następuje rozdział ropy naftowej na ciecze oraz pary. Większe i cięższe cząsteczki w wyniku wysokiej temperatury przekształcają się w lepka, gęstą ciecz i występują w dolnych częściach wieży destylacyjnej. Cząsteczki złożone z małej ilości atomów węgla, w wyniku ogrzania przekształcają się w parę, która w procesie ochładzania zamienia się w ciecz. Mamy do czynienia z procesem skraplania i przemiana w ciecz lekkich i małych cząsteczek. Część z nich przekształca się w gazy i jest jeszcze raz oczyszczana i gromadzona w butlach.
Kolejność powstałych destylatów:
- Eter naftowy.
Nazwa tej frakcji jest symboliczna, gdyż nie zawiera w swoim składzie eteru naftowego, tylko przypomina ten związek biorąc pod uwagę lotność. W skład tej mieszaniny wchodzą węglowodory pięciowęglowe oraz sześciowęglowe.
- Benzyna
Temperatura wrzenia ma wartość 35-2000C. Benzynę ze względu na przewagę któregoś ze składników węglowodorowych możemy podzielić na: benzynę zwykłą, ekstrakcyjna oraz ciężką.
Temperatura wrzenia ma wartość 150-3000C. W jej skład wchodzą związki mające w swojej budowie 10-15 atomów węgla.
- Oleje
Temperatura wrzenia ma wartość 280-3500C. Ta frakcja może wydzielać oleje napędowe, opałowe oraz ciężkie. Duże zastosowanie znalazły oleje napędowe, które są o wiele tańsze od benzyny i nie wymagają uszlachetniania.
- Mazut
Jest gęsta, ciemna substancja. Znalazła zastosowanie w produkcji asfaltu. Jako substrat jest także wykorzystywany pod postacią paliwa. Na dole wieży destylacyjnej mazut się osadza.
Po przerobie płytkim ropy naftowej mamy do czynienia z następnym procesem- krakingiem.
Kraking
Jest to kataliczny proces destylatów próżniowych. Wyniku tego procesy uzyskujemy dodatkowe ilości olejów, benzyny oraz nafty. Z rzadziej wykorzystywanych destylatów proces ten polega na rozkładzie dużych cząsteczek węglowodorów na mniejsze. Proces ten ma miejsce w zbiorniku pod wysokim ciśnieniem, w którym ogrzewana jest nafta oraz oleje ciężkie. Wysoka temperatura powoduje pękanie długich cząsteczek i powstają krótsze. Następnie cząsteczki te są kierowane do następnej wieży destylacyjnej, gdzie następuje powtórzenie procesu destylacyjnego. Przy zastosowaniu krakingu jesteśmy w stanie jesteśmy jednej tony ropy jesteśmy w stanie otrzymać 400 a nie 100 kilogramów benzyny.
Zastosowanie ropy naftowej
Ropa naftowa ma bardzo duże zastosowanie. Biorąc pod uwagę inne surowce energetyczne Wykazuje większą czystość oraz wydajność w stosunku do węgla, ale jest także łatwiejsza w transporcie niż w gaz.
Z ropy naftowej jest wytwarzana połowa energii, która jest wykorzystywana na całym świecie. Jest niezastąpionym surowcem.
Z ropy naftowej w bezpośredni sposób uzyskujemy: smary, asfalt, nafta, olej napędowy, benzyna.
Ropa naftowa jest używana w procesie produkcyjnym smarów oraz olejów silnikowych, które są używane w wielu maszynach. Dzięki ropie naftowej możliwe są procesy produkcyjne: barwników, kosmetyków, substancji wybuchowych, leków, włókien oraz nawozów sztucznych, substancji owadobójczych, atramentu, plastiku oraz syntetycznego kauczuku.
Nafta oraz benzyna jest otrzymywana z ropy w czasie destylacji frakcyjnej (rektyfikacja). W czasie ogrzewania ropa naftowa wydziela pary, które ulęgają rozdzieleniu pod względem wartości temperatury wrzenia. Następnie są skraplane do specjalnych zbiorników. Powstałe destylaty są stosowane w dalszej obróbce. W wyniku dalszych procesów możemy otrzymać różne związki chemiczne.
Ropa naftowa jest stosowana jako środek grzewczy w wielu budynkach.
Jednostka stosowaną do określenia ilości wydobywanej ropy naftowej są baryłki. 1 baryłka = 159 litrów.
W dawnych czasach ropa naftowa była stosowana jako środek pielęgnujący oraz jako substancja do pochodni, umożliwiające dłuższe palenie.
W branży militarnej ropa naftowa była stosowana jako substancja zapalająca. Uzyskiwano się ja ze szczelin skalnych, gdyż technologie wiertnicze nie były znane.
Zanieczyszczenie środowiska naturalnego ropą naftową
Ropa naftowa jest dużym zagrożeniem dla zbiorników wodnych (zwłaszcza oceanów). Obecnie nie stosujemy detergentów do usuwania szkodliwych skutków wyciek. Dzieje się tak, dlatego że szkody mogą być jeszcze większe. Zanieczyszczenie wód ropa naftową może być wywołane przez czyszczenie tankowców, katastrofy morskie (np. tankowców), awarie platform wiertniczych. W wyniku skażenia wody ropą naftową wiele gatunków ryb oraz ptaków umiera. Woda nie miesza się z woda naftową, gdyż jest cięższa od niej.
W wyniku katastrofy tankowca Torry Canyon w roku 1967 wody przybrzeżne Kornwalii zostały skażone. Wiele gatunków zwierząt oraz roślin uległo zagładzie. Do tego jeszcze doszła nieporadna i źle zorganizowana akcja ratownicza. Całkowita odnowa ekosystemu musiała trwać około 6 lat. Po jakimś czasie po katastrofie w wodach pojawiły się brunatnice, glony oraz skałoczepy.
W roku 1978 doszło do kolejnej, groźnej w skutkach, katastrofy. Rozbił się statek Amoco Cadiz na wodach przybrzeżnych w Bretanii.
W roku 1989 tankowiec Exxon Valdez uległ katastrofie na wybrzeżach Alaski. 26000 baryłek ropy naftowej dostało się do morza. Skażenie objęło obszar 1600km. Korporacja Exxon zdecydowała się na podjęcie akcji mającej na celu oczyszczenie skażonych terenów. Proces ten kosztował około 2 miliony dolarów. Brało w niej udział 11000 ludzi. Choć efekty nie były oszałamiające (20% skażonych zostało odratowanych) warto było podjąć ten wysiłek.
W czasie wojny w Zatoce Perskiej w roku 1991 miał miejsce największy wyciek ropy naftowej. Jeden kilometr sześcienny ropy naftowej skaził obszary morskie.
W roku 1993 tankowiec The Braer z 84000 tonami ropy uległ rozbiciu na południowych terenach od Szetlandów. Bardzo duża część obszarów została skażona. Wiele gatunków zwierząt poniosło śmierć (wydry, maskonury, mewy, nurzuki, foki).
Podczas wojny w Zatoce Perskiej dokonano podpalenia szybów naftowych w Kuwejcie. Doprowadziło to do największej katastrofy ekologicznej, jaka kiedykolwiek miała miejsce na Ziemi.
Benzyna stosowana do napędzania silników samochodowych powoduje skażenie powietrza. Spaliny pochodzące z samochodów składają się z tlenku azotu, tlenku węgla, ołowiu, węglowodorów. Zanieczyszczenia te są wynikiem powstałego smogu w dużych aglomeracjach miejskich (Meksyk, Los Angeles, Nowy York). Przyczyną kwaśnych deszczy jest wydzielany ze spalin samochodowych tlenek azotu. Kwaśne deszcze powodują skażenie jezior, rzek, niszczą obszary zalesione. Obecnie panuje tendencja do ograniczenia emisji spalin. Stosowana jest benzyna bezołowiowa. W wielu samochodach stosowane są specjalne katalizatory spalin, których zadaniem jest zredukowanie szkodliwych gazów emitowanych do atmosfery.
Źródła ropy naftowej
Nowe złoża ropy naftowej są nieustannie odkrywane, lecz wiadomo nie od dziś, że zasoby te ulegną wyczerpaniu. Pomimo tego zapotrzebowanie na ten surowiec wciąż wzrasta. Z przeprowadzonych badań wynika, że odkryte złoża ropy stanowią tylko 1/3 wszystkich zasobów na kuli ziemskiej. Pozostaje nam wyszukiwać i wykorzystywać te zasoby.
Wciąż rozwijająca się technika spowoduje w niedalekiej eksploatacje niedostępnych złóż.
W latach 90 w Stanach Zjednoczonych została opracowana metoda polegająca na chemicznym wypłukiwaniu. Do skał wpompowane są substancje chemiczne, które mają podobne właściwości do detergentów. Zadaniem tych substancji jest wypłukiwanie ropy z porów skalnych. Metoda ta jest dosyć kosztowna, choć trwają nieustannie próby mające na celu zlikwidować część kosztów. Stosowana jest substancja powstająca z odpadów przy produkcji papieru. W wyniku tego metoda ta stała się bardziej opłacalna i dostępna.
Źródłem ropy naftowej mogą być piaski nasiąknięte ropą (tzw. piaski bitumiczne). Eksploatowanie tego typu złóż jest bardzo kosztowne. Ropa naftowa jest także pobierana z łupków bitumicznych, które zawierają olej skalne. Ich największe złoża występują w Kanadzie w prowincji Alberta.
Nieubłaganie nadchodzący kryzys energetyczny nie zostanie rozwiązany poprzez odkrywanie nowych złóż i ich eksploatowanie. Nie ulega wątpliwości, że zasoby te kiedyś ulegną wyczerpaniu. Ten fakt skłania wszystkich do szukania innych źródeł energii. Zaistniała sytuacja zmusza także do bardziej racjonalnego gospodarowania obecnymi zasobami. Dużą nadzieje niesie ze sobą możliwość otrzymywania paliwa z płynnego węgla, który jest w stanie w niedługim czasie zastąpić ropę naftową.
Alternatywne źródła energii
- Energia wiatrów
Stosowanie tej metody nie wiąże się z żadnymi zanieczyszczeniami. Jest w łatwy sposób odnawialna. Turbiny wiernikowe (bardzo kosztowne) są ustawiane w miejscach, w których przez okres całego roku są obecne mocne oraz regularne wiatry. Wiatry te nie powinny zmieniać kierunku.
- Energia słoneczna
Przy zastosowaniu ogniw elektrycznych możliwe jest przekształcenie energii słonecznej w energie elektryczną. Wadą tego źródła energii są wysokie koszty, gdyż baterie słoneczne są bardzo drogie.
- Energia morskich pływów
Ten typ energii może być stosowany przy falach o wysokości większej niż 5 metrów. Warunkiem jest także odpowiednio ukształtowane dno. Francja może się pochwalić tego typu elektrownią.
