A legtöbbünk számára az üzemanyag annyit jelent, hogy időről időre begördülünk egy benzinkútra és teletöltjük az autónk tankját benzinnel vagy gázolajjal. Esetleg morgolódunk kicsit, hogy már megint megemelték 5 forinttal a 95-ös árát. Bár tudjuk, hogy kőolajból állítják elő finomítás útján, de vajon milyen folyamatokon megy keresztül, mire a földből eljut autónk tankjáig?
Bár számos más anyagból is lehetne üzemanyagot előállítani – és sokan meg is próbálják – nagy mennyiségben jelen pillanatban mégis a kőolaj számít az egyértelmű befutónak, ezért a legnépszerűbb és legszélesebb körben alkalmazott fosszilis energiaforrás. Ugyanis kitermelése, szállítása és a feldolgozása is kifejezetten olcsónak számít. Ráadásul igen magas fűtőértékkel rendelkezik (egy liter benzin elégetésével nagyságrendileg száz liter vizet lehet felforralni), a finomítási folyamat automatizálható és sokkal egyszerűbb megbízhatóan jó minőségű üzemanyagot előállítani belőle, mint a legtöbb alapanyagból. Ám a fekete arany legnagyobb hátránya, hogy csak véges mennyiség áll belőle rendelkezésre, és mivel nem megújuló energiaforrásról beszélünk, idővel el fog fogyni, az utolsó cseppek pedig csillagászati áron fognak gazdát cserélni.
De mi is az a kőolaj?
A kőolaj (más néven ásványolaj) állagát tekintve egy sűrű, trutymószerű, fekete vagy barna színű folyadék, amely a föld alatt, anaerob (levegőtől elzárt) környezetben – növényi és állati eredetű – szerves anyagok lebomlása során keletkezik, majd a nagy nyomás és magas hőmérséklet hatására szénhidrogén-eleggyé alakul. A keletkező anyagot a nagy nyomás a rétegek között továbbpréseli, míg végül összegyűlik egy szivacsos, porózus szerkezetű rétegben, felette egy át nem eresztő réteggel, ami megakadályozza, hogy a kőolaj elszivárogjon. Ezt a geológiai képződményt nevezik kőolajcsapdának. Egy olajmező rendszerint számos ilyen csapdából áll. Általában a lelőhelyek rétegrendjének legalján víz található, efelett lebeg az olaj, a legfelső szintet, az úgynevezett gázsipkát pedig rendszerint földgáz tölti ki.
A kőolaj képződésének folyamata nagyjából egy-két millió évet vesz igénybe, és minden tényezője egyarán fontos. Ugyanis csak ott található nagy mennyiségben olaj, ahol ezek a feltételek együttesen vannak jelen. Ráadásul a rétegeknek viszonylagos nyugalomra van szükségük, hogy a folyamatok végbe menjenek. Éppen ezért a legnagyobb olajlelőhelyeknek Texas, Venezuela, a Karib-tenger, a Közel-Kelet, a Kaszpi-tenger, Közép-Ázsia, Dél-Kína, Indokína és Indonézia számítanak. Itt található a Föld kőolajkészletének 70%-a.
Mivel az olajlelőhelyek kapacitását csak megbecsülni lehet, ráadásul ezt az olajtársaságok mérik fel, így nem csoda, hogy ezeket az adatokat szigorú ipari titokként kezelik.
Ugyanakkor a tudósok szerint a kőolaj keletkezésének két lehetséges módja létezik (ám arról a mai napig sincs konszenzus, hogy melyik elmélet a helyes). Vagyis, hogy a kőolaj biogén, vagy nem biogén anyag-e, tehát, hogy egy biológiai folyamat hozta-e létre, vagy sem.
A nem biogén elmélet modern megfogalmazása Nyikolaj Kudrjavcev orosz geológustól ered, aki a kanadai athabaszkai kátrányhomok (angol: tarsand) terjedelmes olajlerakódásait megvizsgálva arra a következtetésre jutott, hogy elképzelhetetlen, hogy ilyen óriási olajlerakódás biológiai folyamatok következménye lehessen. Különben is, szénhidrogéneket Naprendszerünkben bárhol találhatunk, még üstökösökben is, ahol egyébként nincs élet.
Mindezek ellenére a mai tudományos közösség túlnyomó része azon a véleményen van, hogy a nem biogén úton keletkezett kőolaj mennyisége a biogén forrásból keletkezettnél lényegesen kisebb.
Ezt az elméletet a következő tények támasztják alá:
- A kőolaj ugyanazokat az elemeket – igaz más-más arányban – tartalmazza (például szén, hidrogén, oxigén, nitrogén, kén, foszfor), amiket a szerves vegyületek és élőlények is.
- Azonos a nyomelemek, illetve a szén izotópjainak koncentrációja.
- A kőolajban elhalt élőlények maradványait találhatjuk meg.
És természetesen létezik még az a népszerű elmélet, hogy annak idején a dinoszauruszok – mivel nem az eszükért szeretjük őket – belesétáltak a mocsárba és mivel nem tudták kihúzni magukat a trutyiból, megfulladtak. A testük lesüllyed a mocsár aljára, ahol néhány millió év alatt a halott dinoszaurusz átalakult olajjá. Aztán érkezett Jockey Ewing, jól kiszivattyúzta a föld alól a „dínó levet”, aztán a nap végén ennek örömére ledöntött egy vödör whiskey-t. Ám a tudomány mai állása szerint ez az elmélet nem állja meg a helyét, ugyanis az olaj elsősorban elhalt tengeri (növényi és állati) egysejtű élőlények, planktonok anaerob bomlásterméke.
A kőolaj fajtái
A kőolaj összetételét az a szénhidrogén határozza meg, amely a fő alkotórészét jelenti. Így beszélhetünk paraffin-, naftén-, aszfalt- és átmeneti bázisú kőolajról is. Maga a kőolaj nyers ásványi anyagnak számít, ugyanis számos különféle anyag szennyezi az összetételét a tárolókőzet maradványaitól kezdve, kéntartalmú szerves és szervetlen vegyületeken, nitrogén- és oxigéntartalmú anyagokon át, egészen a szerves fémvegyületekig. Ezért az egyes lelőhelyeken kitermelt kőolajok között komoly különbségek lehetnek a származási hely függvényében.
A világon több „benchmark”, magyarul viszonyítási alapot jelentő kőolajfajta van, az amerikai WTI (West Texas Intermediate), az európai Brent, az arab Dubai, a szingapúri Tapis, valamint nevezetes még az orosz Ural és a mexikói Isthmus.
Az egyes tételeken a kitermelés helyén kívül feltüntetik még a sűrűséget, valamint a kéntartalmat is. A sűrűséget illetően beszélhetünk könnyű (light), közepes (intermediate) és nehéz (heavy) típusokról (ezt számszerűsítve az úgynevezett API fokban adják meg), míg a kéntartalom lehet alacsony (sweet) vagy magas (sour). Ezek az információk alkotják a kitermelt kőolaj nevét, például: Dubai Intermediate Sour.
A kőolaj feldolgozása
Az olajkutakból egy úgynevezett kútfolyadékot hoznak a felszínre. Ezt előkezelik, hogy tisztábbá és szállíthatóbbá váljon. Első körben a kútfolyadékból a szeparátorban kivonják a földgázt és a mechanikai szennyeződéseket. Ezt követi a kőolaj- és földgázelőkészítő-üzem, ahol a kőolajat 120-150 Celsius fokra melegítik és a stabilizáló toronyba vezetik. Itt 0,6-0,8 MPa nyomáson kiválnak a könnyű benzinrészek, illetve a gázok, melyek a torony csúcsán keresztül a kondenzátorba érkeznek.
Míg a gázok felül távoznak a kondenzátorból, addig a benzinrészek cseppfolyós formában – gázbenzinné alakulva – lecsapódnak. Ezt később oktánszámnövelés céljából a benzinhez keverik. Végül a kőolajat átvezetik egy magas feszültségű elektromos téren, ahol a mikroszkopikus méretű vízcseppek egyesülnek és leülepednek. A stabilizációs eljárás során vízgőz is keletkezik, ami a vízben található sókkal egyesülve sósavat alkot, amit szintén eltávolítanak. Az így előkészített kőolajat szállítják aztán a finomítókba – a kitermelés helyétől függően – tartályhajókkal, uszályokkal, vasúti kocsikkal, esetleg csővezetékeken.
A finomítás
A finomítókban a kőolaj feldolgozása/finomítása nagyon leegyszerűsítve az alábbi lépésekből áll: desztilláció, kénmentesítés, konverziós és minőségjavító folyamatok, végül pedig a késztermékek előállítása keveréssel.
Desztilláció: A finomítás során a beérkező kőolajból desztillációval, azaz lepárlással különítik el az eltérő forráspontú frakciókat. Ezt úgy kell elképzelni, mint egy hatalmas pálinkafőzőt. Az első állomás az elődesztillációs üzem, ahová a kőolaj egy hőcserélősoron felmelegítve érkezik. Itt a könnyebb gázokat, a cseppfolyós propán-butánt és az alacsonyabb forráspontú benzin frakciókat választják le. Az innen kikerülő anyagot nevezik redukált kőolajnak, amelyet csőkemencéken átvezetve melegítenek tovább. Ezt követi az atmoszférikus üzemrész, ahol benzint, petróleumot és különböző minőségű gázolajakat, közös néven középdesztillátumokat nyernek ki. Ebből a részlegből a pakura (az atmoszferikus desztilláció maradéka) kerül további feldolgozásra, amit vákuum-csőkemencén keresztül szállítanak a vákuumdesztillációs üzemrészbe, s gázolajat, illetve különféle minőségű párlatokat választanak le belőle, mielőtt elérkeznénk az utolsó összetevőhöz, ami a gudron. A folyamat végén olyan termékeket kapunk, amelyek frakciók szerint elkülönülnek ugyan, de még nem felelnek meg az üzemanyagokra vonatkozó szigorú előírásoknak. Nem szabad elfelejtenünk továbbá, hogy a kőolajnak csak viszonylag kis részéből keletkezett benzin, tehát további cél az értékes anyagcsoportok arányának növelése is.
Kénmentesítés: A kén az egyes desztillációs termékekben különböző arányban van jelen, ezért a különféle anyagcsoportoknál eltérő módszereket alkalmaznak a kén kivonására. Az egyik legkorszerűbb eljárás a hidrogénező típusú technológia. A kénmentesítés eredményeképpen tíz milliomodrész alá csökken a termékek kéntartalma, ami egy tonnára vetítve tíz grammot jelent. Erre azért van szükség, mert a benzin elégetése során (többek között) kén-dioxid és kén-trioxid is keletkezik. Mindkét gáz mérgező, ezért a finomítás során a kőolaj kéntartalmát igyekeznek a lehető legminimálisabbra csökkenteni.
Oktánszám
Az oktánszám a motorbenzinek nyomástűrésére, illetve öngyulladására vonatkozó mérőszám, ami egy nemzetközileg egységes érték. Az oktánszám annak az izooktán és n-heptán keveréknek az izooktán-tartalma térfogatszázalékban, melynek nyomástűrése megegyezik a vizsgált benzinével. Az izooktán kompressziótűrése jó, ezért oktánszámát száznak fogadják el. Ross kompressziótűrése miatt az n-heptán oktánszámát nullának tekintik.
Tehát például a 95-ös benzin kompressziótűrése megegyezik a 95 térfogatszázalék izooktánt és 5 térfogatszázalék n-heptánt tartalmazó keverék nyomástűrésével.
Vannak olyan anyagok, amelyek kompressziótűrése jobb az izooktánénál, ilyen például a metán, a benzol vagy a toluol. Így ezen anyagok adalékként történő használatával előfordulhatnak száz feletti oktánszámú üzemanyagok is.
Minőségjavítás
Mindemellett az is érdekes, hogy miként növelik a benzinfrakció részarányát és javítják a benzin minőségét. A konverziós és minőségjavító műveletek lényege, hogy az átalakító folyamatok során megváltozik a molekulák szerkezete, vagyis a magas szénatomszámú vegyületek keverékéből értékesebb, alacsony szénatomszámú frakciók jönnek létre. Szintén fontos művelet a krakkolás (crack melynek során növelhető a benzinhozam, valamint biztosíthatók a szabványokban meghatározott szigorú minőségi követelmények.
Késztermékek előállítása keveréssel
Végül a különböző félkész termékekből és keverőkomponensekből állítják elő az üzemanyagot, amit a benzinkutakon az autónkba tankolhatunk. Ezt a folyamatot csúcstechnológiájú, számítógép által vezérelt keverőberendezések végzik.
Szabványok
A benzin európai szabványa (ami megegyezik a magyar szabvánnyal) 14 paraméterre tartalmaz előírást (kísérleti oktánszám, motorikus oktánszám, ólomtartalom, sűrűség, kéntartalom, oxidációs stabilitás, gyantatartalom, rézlemez korrózió, szín, olefintartalom, aromástartalom, benzoltartalom, oxigéntartalom és oxigenát-tartalom).
A gázolaj esetében 16 előírt paraméter van (cetánszám, cetánindex, sűrűség, poliaromás szénhidrogén-tartalom, kéntartalom, lobbanáspont, desztillációs maradék, hamutartalom, víztartalom, összes szennyezés, rézlemez korrózió, oxidációs stabilitás, kenőképesség, viszkozitás, desztilláció és zsírsav metilészter-tartalom).
Ám az üzemanyagok jóval összetettebbek és több paraméterrel rendelkeznek, mint a fent említett 14 és 16, melyek a szabványok alapját képezik. Ezrét fordulhat elő, hogy az egyes olajtársaságok kútjain tankolt üzemanyagok között gyakran érezhető különbség van, ami vagy a teljesítményben, vagy a fogyasztásban mutatkozik meg.
Azt nem lehet tudni, hogy jelenleg mennyi kitermelhető kőolaj lapul még a föld mélyén, illetve, hogy a jelenleg aktív olajmezők kapacitása hány évre elegendő. Egyrészt, mert az olajtársaságok ezeket az információkat hétpecsétes titokként őrzik, másrészt, mert figyelembevéve az autóipart jelenleg uraló trendeket, mire elfogyna az utolsó csepp olaj is, már mindenki elektromos autókkal fog furikázni. Esetleg rátalálnak egy olyan megújuló energiaforrásra, ami minden eddig ismert megoldásnál jobban és gazdaságosabban hasznosítható üzemanyaggként. De ez a jövő zenéje…
