Öl ist ein fossiler Brennstoff organischen Ursprungs, der aufgrund seines Heizwertes in vielen Anwendungen zum Einsatz kommt. Da es sich um eine begrenzte Ressource handelt, gilt es als nicht erneuerbare Energiequelle.
Erdöl wird ähnlich wie Kohle durch physikalische und chemische Prozesse unter hohen Temperaturen und hohem Druck gebildet. Die Überreste von toten Tieren und Pflanzen, die in Öl umgewandelt werden, werden auf dem Grund der Ozeane oder Sümpfe abgelagert, was den Prozess beschleunigt. Im Gegensatz zu Kohle, die Millionen von Jahren braucht, um sich zu bilden, braucht Rohöl nur eine Million Jahre, um sich zu bilden.
Der Ursprung des Öls geht auf uralte versteinerte organische Materialien wie Zooplankton, Algen und andere Elemente pflanzlichen Ursprungs zurück. Große Mengen dieser Überreste wurden auf dem Meeres- oder Seeboden abgelagert, wo sie schneller von stehendem Wasser (Wasser ohne gelösten Sauerstoff) oder Sedimenten wie Schlamm und Schlick bedeckt wurden, als sie aerob abgebaut werden konnten.
Als sich andere Schichten auf dem Meeres- oder Seeboden ansiedelten, baute sich in den tief liegenden Regionen intensive Hitze und Druck auf. Zunächst verwandelte es sich in ein wachsartiges Material, das als Kerogen bekannt ist. Später wurde es durch einen Prozess, der als Katagenese bekannt ist, mit mehr Hitze in flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe umgewandelt.
Die Zusammensetzung von Erdöl variiert je nach Lagerstätte, aus der es gewonnen wird, da es sich um eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen mit anderen sauerstoff- und stickstoffhaltigen Verbindungen und organischen Verbindungen mit anderen chemischen Elementen handelt.
Die Geschichte des Öls und seiner Verwendung beginnt in den Städten Mesopotamiens, die mit Asphalt handelten. Die ersten modernen Brunnen wurden jedoch erst 1859 gebaut, als die Ära des „schwarzen Goldes“ begann.
Der Ölbildungsprozess wird in folgende Phasen unterteilt:
1. Anaerobe Zersetzung
In Abwesenheit von reichlich Sauerstoff wurden aerobe Bakterien daran gehindert, organische Verbindungen zu verrotten, nachdem sie unter einer Sediment- oder Wasserschicht begraben wurden. Einige anaerobe Bakterien waren jedoch in der Lage, Sulfate und Nitrate zu reduzieren.
Aufgrund solcher anaerober Bakterien wurde es zunächst hauptsächlich durch Hydrolyse getrennt: Polysaccharide und Proteine wurden zu Zuckern bzw. einfachen Aminosäuren hydrolysiert. Diese wurden durch die Enzyme der Bakterien beschleunigt anaerob oxidiert.
Die Monosaccharide wiederum zerfallen schließlich zu CO2 und Methan.
2. Kerogenbildung
Einige phenolische Verbindungen, die aus früheren Reaktionen hergestellt wurden, wirkten als Bakterizide. Somit hörte die Wirkung der anaeroben Bakterien etwa 10 m unter dem Wasser oder Sediment auf. Die Mischung in dieser Tiefe enthielt Fulvinsäuren, nicht umgesetzte und teilweise verwandte Fette und Wachse, leicht modifiziertes Lignin, Harze und andere Kohlenwasserstoffe.
Als sich immer mehr Schichten organischer Materie auf dem Meeresboden ablagerten, baute sich in den tief liegenden Regionen intensive Hitze und Druck auf.
Infolgedessen begannen sich die Verbindungen zu Kerogen zu verbinden.
3 Umwandlung von Kerogen in fossile Brennstoffe
Die Kerogenbildung setzte sich bis in eine Tiefe von etwa 1 km von der Erdoberfläche fort. An diesem Punkt können Temperaturen um die 50 Grad Celsius erreicht werden.
Die Kerogenbildung stellt einen Zwischenpunkt zwischen organischem Material und fossilen Brennstoffen dar. Das heißt, das Kerogen kann Sauerstoff ausgesetzt werden und somit verloren gehen oder tiefer in der Erdkruste vergraben werden. Die physikalischen Bedingungen in den tiefsten Schichten ermöglichen die Umwandlung in fossile Brennstoffe wie Öl oder Erdgas.
Letzteres geschah über Katagenese, bei der die Reaktionen hauptsächlich radikale Umlagerungen von Kerogen waren. Diese Reaktionen dauerten Tausende bis Millionen von Jahren und es waren keine externen Reagenzien beteiligt.
Aufgrund der radikalischen Natur dieser Reaktionen reagierte Kerogen und führte zu zwei Klassen von Produkten: solche mit einem niedrigen Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Kohlenstoffatomen (H/C) und solche mit einem hohen H/C-Verhältnis.
Da die Katagenese durch externe Reaktanten abgeschaltet wurde, hing die resultierende Zusammensetzung des Brennstoffgemisches von der Zusammensetzung des Kerogens durch die Reaktionsstöchiometrie ab.
Die Katagenese war pyrolytisch, obwohl sie bei relativ niedrigen Temperaturen von 60 bis mehreren hundert Kelvin stattfand. Aufgrund der langen Reaktionszeiten war eine Pyrolyse möglich.