Hoofdstuk 5: Paragraaf 5-8

§5 Fossiele brandstoffen

Het ontstaan, samenstelling en gebruik van fossiele brandstoffen:

Steenkool is platgedrukte plantenresten.

Aardolie is platgedrukte micro-organismen, bestaat uit 10.000 soorten koolwaterstoffen.

Veel alkanen, ook cycloalkanen, aromaten en sporadisch alkenen. GEEN alkynen.

83% is C, 12% H en er is nog S, O en N aanwezig.

Aardgas is een bijproduct van beide (vooral steenkool).

Groningen: 82% methaan, 14% stikstof en lage percentages andere koolwaterstoffen.

Per vindplaats verschillende verbrandingswarmte. Zie BINAS: 28A / 56

Voordelen: makkelijk transport, sporadisch zwavel à weinig SO2 (g) (§6)

Stoomreforming = reactie: CH4 (g) + H2O (g) à CO (g) + 3 H2 (g)

1 Synthesegas = mengsel wat hieruit ontstaat.

2 Kunstmest door reactie: 3 H2 (g) + N2 à 2 NH3

§6 Milieuproblemen

Door verbranding van fossiele brandstoffen (koolwaterstoffen) en reacties in de natuur kunnen veel schadelijke stoffen ontstaan. Industrie is de grootste oorzaak (o.a. bio-industrie).

Bij de verbranding van steenkool en aardolie komt ook verbranding van zwavel kijken. Na reageren met zuurstof (=verbranden), wordt het zwaveloxide (SO2 (g)). In de lucht reageert dit verder met zuurstof en water tot zwavelzuur (H2SO4), wat zure regen veroorzaakt.

Tegengaan door: rookgasontzwavelingsinstallaties.

Voorkomen door: zwavelarme brandstof (aardgas).

Door een reactie tussen stikstof en zuurstof, ontstaat NO (g). Samen met NO2, NO3, N2O, etc aangeduid met NOx (zwaveloxides). Deze groep reageert met zuurstof en water uit de lucht tot HNO3. Wat ook zure regen veroorzaakt.

Deze nevenreactie kan zelfs plaatsvinden met N2 en O2 moleculen uit de lucht onder goede omstandigheden en dus niet te voorkomen.

Tegengaan door reinigen van lucht (net als zwaveloxides, zie: driewegkatalisator, 2e).

Bij onvolledige reactie ontstaat in plaats van CO2, CO & C. Koolstofmono-oxide is schadelijk doordat het de plek van O2 in het bloed inneemt. Mensen kunnen daardoor overlijden. Koolstof (=C, =roet) ook schadelijk voor gezondheid.

Tegengaan door wachten; beide reageren in de natuur met zuurstof tot CO2.

Roet voorkomen: zelfreinigend roetfilter in auto’s verplicht.

Fabrieken: uitstoot CO is minder gevaarlijk; Eerst in natuur, daarna pas bij mensen.

Voorkomen CO: driewegkatalisator (3e bij koolwaterstoffen), versneld deze processen:

1 2 CO (g) + O2 (g) à 2 CO2 (g)

2 2 CO (g) + 2 NO (g) à 2 CO2 (g) + N2 (g)

3 4 CpHq (g) + (4p + q) O2 (g) à 4p CO2 (g) + 2q H2O (g)

§7 Alternatieve brandstoffen

De koolstofkringloop is het systeem wat in de natuur koolstof laat reguleren. Voornamelijk via CO2. Ik begin deze kring bij de CO2 in de lucht. Deze wordt door bomen daaruit gehaald:

Fotosynthese (reactie; 6 CO2 + 6 H2O à C6H12O6 + 6 O2 ) kost energie (endotherm). Geleverd door de zon. Zo wordt de kernenergie van de zon, chemische energie.

Als de boom doodgaat wordt eraan gegeten en uiteindelijk in dierlijke cellen verbrand. Hierbij komt de zonne-energie weer vrij en ook weer precies dezelfde hoeveelheid CO2 (materie kan niet zomaar verdwijnen of verschijnen). De warmte hierbij gaat verloren.

… (de fotosynthesereactie gaat telkens weer door, alleen met de pijl de andere kant op.)

Zo gaat de koolstof rond de kringloop, maar moet de energie blijvend aangevuld worden. Hiervan zijn we afhankelijk van de zon.

Een tweede opslagplaats is in de aardkorst. Zie: §5, wat daar werd besproken gebeurt in honderden miljoenen jaren. Er ligt dus voor zo veel jaar aan CO2 opgeslagen. Wij maken al die energie op in een paar honderd jaar met de bijbehorende CO2. Daardoor komt er het moment waarop er meer CO2 in de lucht is dan ooit, doordat alle voorraden in een keer vrijkomen. Voordat die voorraden weer zijn aangevuld (en dus uit de lucht zijn verdwenen) zijn er weer miljoenen jaren overheen gegaan.

Er zijn alternatieven voor de ‘standaard’ fossiele brandstoffen. Die houden het evenwicht in de koolstofkringloop (zo meteen beschreven) beter in evenwicht. Het is wel zo dat voor veel methodes eerst CO2 vrijkomt door teelt, transport en conversie (omzetting chemisch bv. elektrisch) en niet voor voedsel kan worden gebruikt, netto: wel CO2 winst (meer uit lucht dan erin), maar meer honger.

Hout was vroeger dé brandstof. Alleen herbebossing deed men niet. à bossen raakten leeg. Hierdoor komt de energie in de eerste opslagplaats vrij. Dit herstelt echter binnen een eeuw als de bomen de ruimte krijgen terug te groeien.

Alternatieve brandstof: biomassa. Hiervoor moet aan energieteelt worden gedaan.

Hierbij wordt dus de eerder genoemde ruimte gebruikt ten kostte van bos of landbouwgrond. Dit hoeft echter niet; gft afval van huizen of uit het uitdunnen van bossen kan ook worden gebruikt. Dat zal alleen nooit genoeg zijn.

Van biomassa naar energie:

Vergisten – micro-organismen zetten het om in methaan (CH4) en CO2. Het CH4 kan zonder enige verdere aanpassingen aan het aardgasnet worden toegevoegd (=biogas).

Verbranden – overmaat O2 erbij en warmte à (vooral) omgezet in warmte en CO2.

Pyrolyse – geen O2 erbij à thermolyse (ontleed). De eindproducten hiervan kunnen na bewerkingen worden gebruikt als brandstof.

Vergassen – te weinig O2 erbij à CO en H2. Hoog rendement en H2 is direct brandstof (alleen heel licht ontvlambaar). Ook kan methanol (CH3OH) worden gemaakt (= alternatieve brandstof voor benzine in auto’s).

Voor deze 4 geldt: als er elektriciteit mee wordt opgewekt kan elektrolyse van water worden gebruikt voor H2. Dit kan als opslagplaats worden gezien: elektrolyse kost energie, maar de verbranding (later) van H2 levert evenveel op.

§8 de petrochemische industrie

Aardolie wordt niet gebruikt. Alleen delen ervan. Dit komt doordat aardolie bestaat uit tienduizend verschillende koolwaterstoffen, tot meer dan 30 C-atomen in een molecuul. Scheiding gebeurt door een techniek: gefractioneerde destillatie. Dat proces is wat wordt gedaan in olieraffinaderijen:

Alle aardolie komt in een kolom (verticaal dus). Onderaan is het warm en bovenin koud. Niet andersom, zodat de temperatuur geleidelijk verandert vanaf onderaf. Resultaat:

Op de bodem liggen de enorme koolwaterstoffen; deze zijn niet verdampt = residu. Dit moet regelmatig worden verwijderd (anders vult de kolom zich ermee).

Geleidelijk naar boven komen we verschillende koolwaterstoffen tegen die in kookpunt afnemen. Dit wordt veroorzaakt doordat de koolwaterstoffen onderin in de kolom komen. Ze gaan verdampen. Ze stijgen op naar koelere lucht à condenseren en dalen. à Ze komen ongeveer geordend op kookpunt. Dit leidt tot een (niet geheel regelmatige) afname van de hoeveelheid C’s in moleculen van onderaf.

De kolom wordt in stukken verdeeld met eigen kooktrajecten. Daardoor worden de koolwaterstoffen ook (ruw) gescheiden op hoeveelheid C-atomen. = aardoliefracties.

Na deze ruwe scheiding moeten de delen nog worden verwerkt tot bruikbare producten:

Het residu (25+ C) wordt via het HYCON-proces met toevoeging van H2 omgezet naar lichte koolwaterstoffen (nafta en gas).

Lichte (15-25 C) en zware (20-30 C) wordt afgevoerd. Onder druk en met hoge temperaturen worden de alkaan verbindingen verbroken en wordt het mengsel lichter en vloeibaar onder normalere omstandigheden.

Kerosine (9-16 C) wordt letterlijk gebruikt zoals het eruit komt voor bijv. vliegtuigen.

Nafta (4-12 C) is het belangrijkste component. Het wordt katalytisch thermisch (hoge temperatuur) gekraakt. Dat wil zeggen dat C-C bindingen worden verbroken. Wat overblijft zijn alleen losse C=C bindingen en dus veel etheen. Hiervan worden veel (plastic) producten gemaakt. Ook is methaan (C) en propeen aanwezig. Etheen wordt door een nieuwe destillatie gescheiden van de rest en vervoerd naar elders. Kraakvoorbeeld:

C6H10 à C3H4 + C3H6

Het opgesloten (aard)gas (1-4 C) is voor verwarming en autobrandstof (lpg)

Begrippen

- Alifatisch = zonder benzeenringen.

- Alkylgroep = methyl, ethyl, propyl, isopropyl, etc. (5.5 blz 109).

- Anorganische chemie = scheikunde zonder koolstofverbindingen.

- Biogas = aardgas (koolwaterstoffen in gastoestand) verkregen met duurzame techniek(en).

- Cyclisch = met een rondje van 3 of meer koolstofatomen (2 is dubbele binding).

- Destillaat = gedeelte van destillatie dat je wilt hebben, het resultaat van destillatie.

- Destillatie = scheidingsmethode waarbij onderin een mengsel wordt verwarmt. Een deel ervan verdampt en stijgt op. Daar wordt het gekoeld en gescheiden van de rest.

- Elektrolyse = techniek waardoor met elektriciteit een stof ontleedt.

- Energieteelt = landbouw, veeteelt of bosgrond gebruiken en speciale gewassen verbouwen die later worden gebruikt bij het verkrijgen van (duurzame) energie.

- Gefractioneerde destillatie = destillatiemethode die meerdere kooktrajecten onderscheid. Die gebeurt zoals in paragraaf 8 beschreven met een kolom met meerdere uitgangen.

- Homologe reeks = reeks koolwaterstoffen die elk een vast verschil hebben (+CH2 = alkaan).

- Hoofdgroep = KG die als achtervoegsel wordt gebruikt.

- Isomeer = een vorm van een molecuulformule (vb: C5 H12) met andere structuurformule.

- Karakteristieke groep = alles behalve C- en H-atomen à KG

- Katalytisch = met katalysator bij de reactie

- Kooktraject = een stof is niet zuiver, maar een mengsel. Daardoor is er geen kookpunt, maar gaat het tussen twee temperaturen (die van het eerst en laatst kokende gedeelte) waartussen de temperatuur geleidelijk toeneemt en telkens materie verdampt.

- Koolwaterstoffen = organische stoffen met alleen koolstof en waterstof erin.

- Organische verbindingen = moleculen met koolstofverbindingen.

- Primair + secundair + tertiair + quaternair koolstofatoom = zoveel aanliggende andere C’s.

- Residu = afval van een scheidingsreactie.

- Substituant = molecuul wat H-atoom om kan ruilen (vervangen) voor een KG, F, etc.

- Thermolyse = techniek waardoor met warmte een stof ontleedt.

- Verbrandingswarmte = Energie / m3 (zowel eenheid als formule!, bij 293K en 105 Pa)

- Versterkt broeikaseffect = door evenveel inval van zonlicht, maar minder weggaan van de warmte, ontstaat een broeikas op aarde. O.a. door CO2.

- Vertakt = met methyl, etc. eraan (Onvertakt is zonder, dus geen voorvoegsel; hexeen)

- Verzadigd = zonder dubbele/tripel bindingen (Onverzadigd is met, dus 2-methylhexaan).

- Zure regen: zie tekst paragraaf 6