AG4 7.1 Fossiele brandstoffen

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4

Fossiele brandstoffen

Paragraaf 7.1 

Leerdoelen

• Beschrijf hoe fossiele brandstoffen voor de energieproductie worden gewonnen.  
• Weet hoe de aardolie-industrie destillatie toepast om aardolieproducten op basis van hun kookpunt te scheiden. 
• Herken begrippen voor processen in de olieraffinage. 

Fossiele brandstoffen

Fossiele brandstoffen zijn brandstoffen die miljoenen jaren geleden zijn ontstaan uit planten- en dierenresten. 

Voorbeelden van fossiele brandstoffen zijn: Steenkool, bruinkool, aardolie en aardgas.

Fossiele brandstoffen

Links op het plaatje is geïllustreerd hoe fossiele brandstoffen na miljoenen jaren van warmte en druk ontstaan.

Steenkool

Steenkool ontstaat wanneer dikke lagen plantaardig materiaal uit moerasgebieden door waterspiegelstijging bedekt raken met lagen klei en zand.

Door een verhoogde druk, neemt de temperatuur toe. Hierdoor treedt thermolyse op.  Veen en turf is het eerste stadium dat bruikbaar is als brandstof. 

Verschil tussen turf en veen

Veen is wat in de grond zit, dit wordt de grond uitgehaald en gedroogd. Gedroogd veen noemen we turf. Turf werd vroeger als brandstof gebruikt.

Veen

Turf

Bruinkool

Bruinkool ontstaat wanneer turf langer is blootgesteld aan de hoge druk en temperaturen. 

Bruinkool

Bruinkool wordt na turf eerst gevormd en uit bruinkool ontstaat steenkool.

Van veen tot steenkool

Steenkool

Van veen tot steenkool

Steenkool zit het diepst in de grond, het kan wel tot op een diepte van 1 km zitten. 

Tot de jaren 70 van de vorige eeuw,

werd steenkool gewonnen

in Zuid-Limburg. 

Steenkolen mijn in Valkenburg

Steenkool zit diep onder de grond. Er werden mijnen gegraven (Limburg).

Wat zijn voordelen van fossiele brandstoffen? Meerdere antwoorden kunnen goed zijn.

1. ze zijn vrij goedkoop te winnen
2. ze raken niet op
3. ze zijn makkelijk te vervoeren
4. de verbranding zorgt niet voor luchtverontreiniging

Fossiele brandstoffen bestaan uit koolstofatomen (C) en waterstofatomen (H).

1. Waar
2. Niet waar

De meest gebruikte fossiele brandstoffen zijn steenkool, aardgas en aardolie.
Is het gebruik van fossiele brandstoffen
CO₂-neutraal?

1. nee, omdat ze niet bijdragen aan een beter milieu
2. nee, omdat ze bijdragen aan klimaatverandering
3. ja, omdat ze bijdragen aan een beter milieu
4. ja, omdat ze bijdragen aan klimaatverandering

Aardgas

Aardgas is een bijproduct van de vorming van steenkool of aardolie en bestaat voornamelijk uit methaan. 

Voordelen aardgas t.o.v. aardolie en steenkool

• Aardgas bevat minder schadelijke stoffen. 
• Er komt bij verbranding minder CO2 vrij. 

Fracking

Fracking is de winning van gas door een vloeistofinjectie in de steenlaag. Door de vloeistof ontstaan er scheurtjes in de bodem en hierdoor komt het ingesloten gas vrij. 

Fracking

Fracking is een omstreden manier van gaswinning want de vloeistof kan de grond vervuilen en er kunnen bodemdaling en aardschokken ontstaan. 

Synthesegas

Synthesegas is een belangrijk tussenproduct in de chemische industrie. Dit gas is nodig voor bijvoorbeeld de productie van kunstmest. 

Aardgas is een grondstof voor synthesegas. Aardgas reageert bij hoge temperatuur met waterdamp. 

CH4 (g) + H2O (g) -> CO (g) + 3 H2 (g)

Aardolie

Ook aardolie is een product van thermolyse van organische resten onder hoge druk en temperatuur. Aardolie ontstaat uit organische resten op de oceaanbodem, die door hogere en temperatuur in kortere koolwaterstoffen uiteenvallen. Hier door ontstaat een vloeibaar mengsel van koolwaterstoffen. 

Aardolie hoopt zich op 

onder een laag ondoordringbaar 

gesteente. 

In het Nederlandse deel van de Noordzee wordt nog steeds aardolie ontdekt

•  Soms moet er wel kilometers diep geboord worden om de olie te bereiken. 
  
• Als ze daar zijn gekomen, is het opletten geblazen.
• Het kan zijn dat de olie onder hoge druk opgesloten zit. 

• Olie kan zodoende vaak op eigenkracht naar boven worden gestuwd. Als dat niet gaat worden er ook pompen gebruikt, de zogenaamde ja-knikkers.
  

Aardolie heeft ten opzichte van aardgas en steenkool een aantal voordelen. Welke zijn juist?

1. Aardolie is net als aardgas door pijpleidingen te vervoeren.
2. Aardolie raakt niet op.
3. Het gebruik van aardolie is minder schadelijk voor het milieu.
4. De energie-inhoud is groot genoeg om aardolie rendabel per schip over lange afstanden te vervoeren.

Ruwe olie

Aardolie is een complex mengsel; duizenden verschillende stoffen.

Daarom geen "gewone destillatie" waarbij 2 fracties ontstaan maar gefractioneerde destillatie.

Olieraffinage

Aardolie wordt gescheiden door gefractioneerde destillatie. Aardolie wordt gescheiden in meerdere verschillende fracties. 

Gefractioneerde destillatie

• Bekijk het filmpje over de gefractioneerde destillatie van aardolie op de volgende dia.
  
• Beantwoord daarna de vragen op de dia's die daarna volgen.
  
• Deze vragen gaan over begrippen uit het filmpje die je moet kunnen uitleggen.
  
• Maak aantekeningen in je schrift, zodat je de begrippen later kunt leren.
  

Fractie	Kooktraject	Aantal c-atomen per molecuul
gas	<20°C	1-4
benzine	20-120 °C	4-9
nafta	120-180 °C	5-12
kerosine	180-230 °C	10-16
gasolie	230-330°C	15-20
zware destillaten	330-370 °C	18-25
residu	> 370 °C	>25

De samenstelling van verschillende aardoliefracties

Kraken

De naftafractie die uit langere koolstofketens bestaat, is niet meteen geschikt als autobrandstof.

Kraken: kraken is het maken van kleinere moleculen uit grote moleculen
De nafta fractie bevat koolwaterstoffen met 5 tot 10 C-atomen .

Deze worden door een ontledingsreactie afgebroken tot kleinere

alkanen en alkenen.

Bijv. C₈H₁₈  ->  C₄H₁₀  +  C₄H₈

          octaan       butaan     buteen

Reformeren

Door reformeren (reactie met behulp van een katalysator) krijg je meer zijgroepen of aromatische verbindingen.

Deze aromatische verbindingen kunnen ook worden gebruikt als grondstof voor verfproducten, medicijnen en kunstogen.

Wat wordt bedoeld met gefractioneerde destillatie?

1. De destillatie vindt in verschillende stappen (=gefractioneerd) plaats.
2. Tijdens de destillatie worden de koolwaterstofketens in kleinere stukken gebroken en ontstaan er verschillende fracties.
3. Tijdens de destillatie wordt de aardolie gescheiden in verschillende mengsels met een vergelijkbaar kookpunt (=fractie).
4. Tijdens de destillatie wordt de aardolie gescheiden in verschillende fracties met het zelfde kookpunt.

Wat is waar?

1. Hoe lager de schotel, hoe lager het kookpunt.
2. Hoe hoger de schotel, hoe hoger het kookpunt.
3. Hoe hoger de schotel, hoe hoger het kooktraject.
4. Hoe hoger de schotel, hoe lager het kooktraject.

Hoe lager een fractie uit de destillatietoren komt, des te ...….. is de kleur van de fractie.

1. donkerder
2. lichter

In een destillatietoren wordt aardolie gescheiden in verschillende fracties.
Wat wordt bedoeld met een fractie?

1. Een fractie bestaat uit koolwaterstoffen met hetzelfde smeltpunt.
2. Een fractie bestaat uit koolwaterstoffen met een vergelijkbaar smeltpunt.
3. Een fractie bestaat uit koolwaterstoffen met hetzelfde kookpunt.
4. Een fractie bestaat uit koolwaterstoffen met een bepaald kooktraject.

In een destillatietoren bevinden zich verschillende schotels. Een mengsel dat condenseert op een schotel onderin de toren heeft een hoger/lager kooktraject dan een mengsel dat condenseert op een schotel bovenin de toren.

1. hoger
2. lager

Welke type (chemische) reactie vindt plaats bij kraken?

1. een ontledingsreactie
2. een vormingsreactie
3. een katalytische reactie
4. een verbrandingsreactie

Bij het kraken van een koolwaterstof ontstaan...

1. alleen verzadigde koolwaterstoffen
2. aromatische koolwaterstoffen
3. een mengsel van verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen
4. alleen onverzadigde koolwaterstoffen

In het filmpje worden 4 typen kraakreacties genoemd. Alleen de eerste twee moet je onthouden. Dit zijn dus......

1. thermisch kraken en katalytisch kraken
2. thermische kraken en stoomkraken
3. hydro-kraken en katalytisch kraken
4. katalytische kraken en stoomkraken

Wat is de belangrijkste reden om koolwaterstoffen te kraken?

(30 s)

1. Lange koolwaterstoffen geven meer uitstoot van koolstofdioxide.
2. De vraag naar deze koolwaterstoffen is groter.
3. Kortere koolwaterstoffen zijn eenvoudiger te transporteren.
4. Lange koolwaterstoffen zijn moeilijk op te slaan.

waar

niet waar

bij kraken knip je een groot molecuul in stukjes

In een destillatietoren komt de fractie met het hoogste kookpunt boven in

Koolstofchemie gaat over stoffen waarvan de moleculen als basis C- en H- atomen hebben

Destilleren berust op verschil in smeltpunt 

Bij reformen krijg je meer zijtakken

 aan de koolwaterstof

Aan de slag

Maak opdracht 2, 4, 5 en 7 (7.1)

Wat is de belangrijkste reden om koolwaterstoffen te kraken?

1. Lange koolwaterstofketens geven meer uitstoot van koolstofdioxide.
2. De vraag naar kortere koolwaterstofketens is groter.
3. Kortere koolwaterstofketens zijn eenvoudiger te transporteren.
4. Lange koolwaterstofketens zijn moeilijk op te slaan.