Prof. Dr. Christoph Weber. Fossile Energieträger: Mineralöl-, Gas- und Kohlewirtschaft

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1 Fossile Energieträger: Mineralöl-, Gas- und Kohlewirtschaft Ziele der Vorlesung Überblick über die Wertschöpfungsstufen bei den fossilen ET erhalten Spezifika der fossilen ET und deren Implikationen für Märkte und Preisbildung analysieren Relevante Entscheidungsprobleme bei fossilen ET detailliert betrachten Ausgewählte Methoden zur Beschreibung und Lösung von Entscheidungsproblemen verstehen 2 1

2 Gliederung 1 Grundlagen 2 Exploration, Erschließung und Produktion von Öl und Gas Wichtige technische und ökonomische Aspekte Fallstudie: Verwendung von Realoptionsansätzen zur Bewertung von Explorationsprojekten 3 Transport von Gas und Öl Internationaler Rohstofftransport Modelle für den Betrieb von Gasnetzen Fallstudie: LNG und Wettbewerb im Gasmarkt 4 Preisbildung auf den internationalen Öl- und Gasmärkten 5 Verarbeitung von Mineralöl Wichtige technische und ökonomische Aspekte Fallstudie: flüssige Kraftstoffe Alternativen auf der Basis von Gas, Kohle, Biomasse 6 Vertrieb und Absatzmärkte Wichtige technische und ökonomische Aspekte Preisbildung auf Endkundenmärkten 7 Strategisches Management Vertikale Integration in der Energieindustrie Fallstudie: Strategisches Management bei den Öl-Majors 3 Kapitel 1: Grundlagen 1.1 Energievorräte, Energiequellen, Definition fossile Energieträger 1.2Kohlenwasserstoffe und Typen fossiler Energieträger 1.3 Wertschöpfungsstufen in der Mineralöl-, Gas- und Kohlewirtschaft 4 2

3 Ziele des Kapitels Klärung der wichtigsten Begriffe und Definitionen Teilbereiche der Wertschöpfungskette der fossilen ET und darauf aufbauende Gliederung der Vorlesung erläutern Charakteristika der Energieträger Mineralöl und Gas darstellen Darstellung der Wertschöpfungskette der Energieträger Mineralöl und Gas Begriffliche Abgrenzungen Energievorräte Können unterteilt werden in: geologische Vorräte (Bestandsressourcen) Haben sich in geologischen Zeiträumen (Millionen von Jahren) gebildet, Bsp.: Erdöl, Kohle, Gas, Uran etc. Bestandsressourcen können weiter unterteilt werden: fossile bzw. biogene Energievorräte (biologischen Ursprungs) mineralische Energievorräte (mineralischen Ursprungs) rezente Vorräte (rezente Ressourcen) Energievorräte, die in gegenwärtigen Zeiten durch biologische oder geophysikalische Prozesse gebildet werden (z. B. Energieinhalt der Biomasse, die potentielle Energie des Wassers eines natürlichen Stausees). Werden durch eine Regenerationsfunktion beschrieben. Regenerationszeitraum von einigen Generationen als Abgrenzungskriterium. 6 3

4 1.1 Begriffliche Abgrenzungen Energiequellen Energiequellen liefern Energieströme (Energieflüsse) über einen sehr langen Zeitraum Diese Energieströme werden durch einen natürlichen, autonomen Prozess aus einem physikalischen Vorrat kontinuierlich gebildet und sind technisch nicht steuerbar. Theoretisch ist auch der Zeitraum, in dem Energiequellen verfügbar sind, begrenzt (Lebensdauer des Sonnensystems) Die Energieströme sind in ihrer Leistung, also der Energie pro Zeit, begrenzt. Weitere Unterscheidung in: Fluktuierende Energiequellen (z. B. Sonne, Wind) Stationäre Energiequellen (z. B. Geothermie) Begriffliche Abgrenzungen Überblick Energievorräte und Energiequellen Energievorräte geologische rezente Energiequellen Kohle Biomasse solare Strahlung Erdöl Meereswärme Wind Erdgas Wasser (gespeichert) Wellen Uran Wasser (Laufwasser) Meeresströmung Gezeiten Geothermie erschöpfbare E. Erneuerbare Energien Erneuerbare Energien umfassen sowohl Energiequellen als auch rezente Energievorräte, d. h. Energievorräte, die sich in überschaubaren Zeiträumen regenerieren 8 4

5 1.1 Begriffliche Abgrenzungen Fossile Energieträger Fossile ET sind Gas, Öl und Kohle Durch die Zerstörung abgestorbener Pflanzen und Tiere unter Druck darüber liegender Gesteinsschichten vor Mio. Jahren entstanden Decken heute zu über 90% den Weltenergiebedarf ab Erschöpfbare Energien Kohlenwasserstoffe und fossile Energieträger Paraffine Olefine Naphthene Aromaten Erdöl/Rohöl/Mineralöl Erdgas Kohle (Stein- und Braunkohle) Hauptgruppen von Kohlenwasserstoffen Hauptgruppen von fossilen Energieträgern 10 5

6 Hauptgruppen von Kohlenwasserstoffen Paraffine Olefine Naphthene Aromaten 11 Paraffine Paraffine sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, deren C-Atome entweder in einer gerade (Normal-Paraffine) oder in einer Kette mit Verzweigungen (Iso-Paraffine) miteinander verbunden sind. Der einfachste Kohlenwasserstoff ist Methan (CH 4 ), Hauptbestandteil des Erdgases und niedrigste Kohlenwasserstoffverbindung in der Reihe der Paraffine. Paraffine Methan CH4 Ethan CH 2 6 Propan CH 3 8 (usw.) Hexan CH 6 14 Kohlenstoff Wasserstoff 12 6

7 Olefine Olefine sind im Erdöl nicht vorhanden. Sie entstehen (teilweise gewollt) erst bei verarbeitenden Prozessen wie dem Crack-Verfahren (siehe Kapitel 5.3) Die ungesättigten Olefine unterscheiden sich von den Paraffinen durch ihre Reaktionsfreudigkeit. Deshalb sind sie bevorzugte Grundstoffe für die chemische Weiterverarbeitung. Olefine Ethen CH 2 4 Propen CH 3 6 (usw.) Hexen CH Naphthene Naphthene (auch Cyclo-Paraffine genannt) sind, obwohl gesättigt, etwas reaktionsfähiger als die Paraffine. Am häufigsten sind Ringe mit fünf bis sieben Kohlenstoffatomen. Doch gibt es auch Naphtene mit zwei oder mehreren Ringen oder solche, bei denen am Ring eine oder mehrere Seitenketten hängen. Naphthene werden ebenso wie Paraffine nach der Zahl der Kohlenstoffatome benannt und jeweils durch die Vorsilbe cyclo entsprechend gekennzeichnet. Naphthenische Kohlenwasserstoffe Naphthene zeichnen sich durch Kältebeständigkeit aus. Cyclohexan CH

8 Aromaten Das chemische Grundgerüst der Aromaten ist ein besonders stabiler Ring (Benzolring) aus sechs Kohlenstoffatomen, der abwechselnd drei C-C- Doppel- und drei C-C-Einfach-Bindungen enthält (Benzolring) (eigentlich eher eine gemeinsame Elektronenwolke mit 9 Elektronen) Mit dem aromatische Ring können weitere Ringsysteme oder auch Seitenketten verbunden sein Aromaten Je nach Stellung der Seitenketten zueinander am Benzolring gibt es verschiedene Isomere Benzol CH 6 6 Die Struktur des Rings gibt den Aromaten besondere Eigenschaften (z.b. beständig gegen hohe Temperaturen und gute Klopffestigkeit in Motoren) Wegen ihrer chemischen Reaktionsfreudigkeit sind sie weit verbreitete Ausgangsstoffe für die chemische Industrie (gute Lösungsmittel). 15 Hauptgruppen der Kohlenwasserstoffe - Überblick Paraffine Olefine Methan CH4 Ethan CH 2 6 Propan CH 3 8 (usw.) Hexan CH 6 14 Ethen CH 2 4 Propen CH 3 6 (usw.) Hexen CH 6 12 Naphthene Aromaten Cyclohexan CH 6 12 Benzol CH 6 6 Kohlenstoff (C) Wasserstoff (H) 16 8

9 Erdöl Erdöle unterscheiden sich nach ihrer Herkunft hinsichtlich Qualität, Aussehen und spezifischem Gewicht erheblich Jedoch bestehen alle Erdöle fast ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff in chemischer Verbindung 83-87% Kohlenstoff 11-15% Wasserstoff Bis zu 6% Schwefel sowie Spuren von Sauerstoff, Stickstoff und Metall Diese chemische Zusammensetzung ermöglicht theoretisch Millionen verschiedenartiger Molekülstrukturen Kohlenwasserstoffe Daher können die chemische Zusammensetzung und das Siedeverhalten der Rohöle sehr unterschiedlich sein. 17 Erdöl/Rohöl/Mineralöl Sobald das Erdöl seiner Lagerstätte entnommen und für den Transport zu den Raffinerien vorbereitet wird, wird es als Rohöl bezeichnet Mineralöl wird als Oberbegriff für Erdöl und Rohöl verwendet Die in verschiedenen Regionen geförderten Rohöle weisen bestimmte Charakteristika auf, nach denen sie als Provenienzen zusammengefasst werden Die in den Raffinerien ankommenden Rohölsorten werden dort dann zu den unterschiedlichen Mineralölprodukten in unterschiedlichen Prozessen verarbeitet. 18 9

10 Erdgas Erdgas kommt in natürlichen Lagerstätten als gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung vor Besteht im Wesentlichen aus dem brennbaren Methan (CH 4 ) sowie unterschiedliche Anteile von Ethan, Propan/Butan, Stickstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff Wird nach der Förderung unterschiedlichen Reinigungsverfahren unterworfen 19 Kohle Begriff: Kohle ist ein weltweit verbreiteter und reichlich vorhandener, aus pflanzlichen Substanzen hervorgegangener Brenn- und Rohstoff Nach dem jeweiligen Inkohlungsgrad und damit auch der Energieintensität wird dieser Energieträger in Anthrazit, bituminöse-, subbituminöse und Braunkohle. Dabei sind Anthrazitkohlen durch einen hohen Kohlenstoffgehalt bei sehr geringem Feuchtigkeitsanteil gekennzeichnet Für Braunkohle jung in erdgeschichtlicher Entwicklung gilt ein umgekehrtes Verhältnis. Der internationalen Praxis folgend werden dem Begriff Steinkohle anthrazitische, bituminöse- und erhebliche Teile der subbituminösen Kohle zugeordnet. Je nach Verwendung und Qualität der Steinkohle spricht man von Kokskohle (metallurgisch) oder Kesselkohle (thermisch)

11 1.3 Wertschöpfungsstufen in der Mineralöl-, Gas- und Kohlewirtschaft Upstream Exploration & Erschließung (Development) Extraktion Transport und Handel Verarbeitung Downstream Produktmärkte (Auswahl) Elektrizitätserzeugung Distribution Wärmemarkt Verkehr Chemie Schmiermittel Einsatzbereiche der erzeugten/veredelten Produkte unterschiedlich! 21 Wertschöpfungs- kette? Kette: bei fossilen ET eher: Exploration Entwicklung Extraktion Rohöl Erdgas Transport Verarbeitung Benzin Transport & Vertrieb... Heizöl (Schematisch und vereinfacht) Anwendungen 22 11