Fossile brændsler/brændstoffer

Side 1

Fossile brændsler

Side 2

1

Indhold

Hvad er fossile brændstoffer kemisk set? ......................................................................................................... 2 Forbrænding af Heptan ..................................................................................................................................... 3 Hvordan og hvornår er fossile brændstoffer dannet? ...................................................................................... 3 Hvordan bruges de? .......................................................................................................................................... 5

Hvorfor er træ som opvarmning CO_{2} neutralt? ................................................................................................. 5

Nedbryderfødekæden ....................................................................................................................................... 6 Kulstoffets kredsløb ........................................................................................................................................... 6 Drivhusgasser .................................................................................................................................................... 7 Klimaproblematikken mht. fossile brændstoffer og hvad vi kan gøre .............................................................. 8

Side 3

2

Hvad er fossile brændstoffer kemisk set?

Fossile brændstoffer består af carbonhydrider, (samme som kulbrinter) som er et organisk stof der kun består af kulstof og brint. Så er der nogle kulbrinter, hvori der kun findes enkeltbindinger mellem C-atomerne, som kaldes for ”Alkaner”.

Navnene på de 10 første uforgrenede alkaner er som følger: Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan og Decan.

Alkanerne navngives efter hvor mange C-atomer de indeholder, første del af navnet, fx

”Octha” i ”Octhan” fortæller hvor mange C-atomer der er, og anden del af ”Octhan”, altså ”an”, fortæller at der kun findes enkeltbindinger mellem C-atomerne, og er dermed en alkan. Pentan har

fx 5 C-atomer, da Penta på græsk/latinsk betyder 5, og Octhan har 8 C-atomer, da Octa betyder 8

osv. Foruden det skal man tage det dobbelte af H-atomer og ligge oveni, plus 2. Formlen for en Alkan er dermed således: C H

n 2*n+2
”n” er antallet af C-atomer, og er altid minimum = 1 C-atom. Først har man fx 2 C-atomer, og

(Altid) 2 H-atomer, så ganger man de 2 H-atomer med de 2 C-atomer, og har dermed dobbelt så

mange H-atomer, til sidst ligger man så 2 til. Eks. C H + 2 = C H som er alkanen Hexan.

6 12 6 14

Navngivningen på de forgrenede alkaner er en del mere kompliceret.

Dette er et eksempel på en meget simpel forgrenede alkan:

1 2 3 4 5 6

C-C-C-C-C-C

I

C

Først og fremmest skal der Nummereres fra den side hvor den første sidekæde sidder tættest på, i dette tilfælde skal der så startes fra venstre side. Sidder der en sidekæde helt ude i enden, tæller den ikke som en sidekæde, men man skal forstille sig, at den sidder som en forlængelse af den uforgrenede C-atomkæde, altså den alm. kæde. Denne Alkan kommer til at hedde en 3-methylhexan

fordi: Der sidder 6 C-atomer på den uforgrenede kæde, 6 = hexa. Dermed er slutningen af alkanens

C-atomet sidder som sidekæde på 3. C-atom i den uforgrenede kæde, starter navnet med et 3 tal og en bindestreg, altså ”3-”. Og fordi der kun sidder ét H-atom på sidekæden, så hedder mellemnavnet Methan, men fordi der er fjernet et H-molekyle hvor C-atomet sidder, kommer det til at hedde Methyl. Dermed bliver hele navnet. 3-MethylHexan.

Side 4

3

Forbrænding af Heptan

Vi skulle se om Heptan, som er en Alkan og dermed indgår i fossile brændstoffer, kunne brænde.

Heptan er som sagt en Alkan, som har molekyleformlen C H

7 16

Først hældte vi dråber af Heptan i et cylinderglas, derefter rystede vi det. Så antændte vi det med en tændstik og så at det kunne brænde, da der opstod dug på den indvendige side af cylinderglasset. Derefter hældte vi filtreret kalkvand i og lukkede det med en prop, hvorefter vi rystede det. Her kunne vi se at der blev dannet hvidt bundfald, hvilket er et bevis på at der dannes CO under forsøget. Nedenfor er de afstemte reaktionsskemaer, som beskriver reaktionerne:

2

C H + O 🡪 7CO + 8H O

7 16 (L) 2 (G) 2 (G) 2 (L)

CO + Ca(OH) 🡪 CaCO + H O (Kuldioxid + vand 🡪 Calciumcarbonat + Vand)

2 (g) 2 (Aq) 3 (S) 2 (L)

(L) = Flydende.
(G) = Gas.
(Aq) = Opløst i vand.

Hvordan og hvornår er fossile brændstoffer dannet?

Fossile brændstoffer er energireserver, der har aflejret i jorden i flere millioner år. Her er organisk materiale, fx fedt, protein og kulhydrat, (Store molekyler) blevet udsat for et meget højt tryk og dermed blevet til fossile brændstoffer. De forskellige fossile brændstoffer er kul, olie, og naturgas.

Kul er som sagt flere millioner år gammelt organisk stof, som er udsat for et enormt tryk, dette er ens for både kul, olie og naturgas. Men kul er dannet på landjorden, hvor olie og naturgas er dannet på havbunden. Kul er dannet ved at der for millioner af år siden fx væltede træer eller lignende ned i fx en mose, hvor der ingen ilt (o

2

) er, og der kommer heller intet sollys ned på bunden af den. Kul er altså døde landplanter, (spagnum-mosser), der bliver dannet i fx en mose. Derefter skal disse døde landplanter kompakteres, (sammentrykkes), og efter millioner af år bliver de til kul.

Ved at se på ”kulrækken”, kan man se hvor gamle de forskellige kul er. Helt nede i bunden har man diamant, som er det hårdeste af alle råstoffer. Længere oppe kommer der grafit, som er 100 % kulstof. Derefter kommer antracitkul, som begynder at indeholde ilt, og lidt mindre kulstof, nemlig

92 %. Så kommer stenkul, brunkul og tørv, som jo længere du kommer op, indeholder mindre og

Side 5

4 mindre kulstof. I tørv er der kun 50 % kulstof, og hele 44 % oxygen. Øverst oppe har man selvfølgelig spagnum-mosser, som er det det hele startede med.

Kravene for dannelse af olie og naturgas ser lidt anderledes ud, men mange af dem er stadig ens.

Helt specifikt er kravene til dannelsen af fossile brændstoffer, som følgende: Der må ikke være ilt til stede, for er der ilt til stede bliver det organiske materiale forbrændt. Foruden det må der heller ikke komme sollys derned, da sollys starter fotosyntesen planterne. Når det handler om olie og naturgas er der flere regler, først og fremmest skal der dø nogle organiske stoffer i havet, som fx små dyr eller planter. Derefter ryger de så ned på havets bund, hvor de ikke må forbrændes, men skal blive liggende til der kommer flere og flere lag ovenpå, så der til sidst kommer et tryk højt nok til der bliver dannet olie og naturgas. Lagene hedder de sedimentære lag, eller sedimenter. Det kan være ler, silt, sand, grus osv. som bliver skyllede fra fx åer og lignende på landjorden og ud i havet, hvor de så ligger sig ovenpå det døde organiske materiale. Endvidere kræves ”olievinduet” også, som er det temperaturforhold hvorunder olie kan dannes, altså ca. 100-150 grader. For hver kilometer man kommer ned i havbunden stiger temperaturen med ca. 20 grader, dvs. der skal ca. 5 kilometer, fx sandlag, ovenpå det døde organiske materiale, før det kan blive til olie. Gassen bliver dannet længere nede i laget end olien gør, men man finder gassen højere oppe end olien, når man skal hente den op, da gassen vejer betydelig mindre end olien, og derfor kommer længere op i sandlaget, altså op imod havbunden.

For at gassen ikke bare skal forsvinde op i gennem laget og ud i havet er der nogle bjergarter der holder det tilbage. Der er 3 bjergarter, den første er kildebjergart og er her olien bliver dannet, så er der reservoirbjergarten, som er der hvor olien og gassen bliver bremset langsomt, da porøsiteten er meget lav. (Porøsiteten er den mængde hulrum der er i forhold til sandsten, altså er porøsiteten høj så er der mange luftrum (meget plads), og den er ikke særlig fast. Hvis porøsiteten er lav er der ikke mange hulrum, og den er meget fast.) Sådan en reservoirbjergart, kunne fx være kridt. Til sidst er der segl-bjergart, hvor olien og gassen bliver fuldstændig stoppet, da laget er af ler og der dermed er meget lav porøsitet, den er næsten lig med nul.

Den sidste ting der skal til for der kan blive dannet olie, er de såkaldte "oliefælder". Hulrum hvor olien kan være i. De kan opstå ved fx at kontinentalpladerne rykker sig eller skubber sig imod hinanden, og dermed bliver der dannet små hulrum, hvor olien kan aflejre.

Øvre juratid, kridttiden og tertiærtiden er meget relevante for kul og olies dannelse, når vi snakker om Danmarks aflejringshistorie. I den danske del af Nordsøen er det meste af kildebjergarten nemlig fra den Øvre Jura, dengang lå Danmark sydligere end nu, og klimaet var en

Side 6

5 del varmere. Under Triastiden og den tidlige Juratid, skete der en voldsom opsprækning i Nordsøen, under opdelingen af superkontinentet Pangæa. Under dette blev der dannet tre store gravsænkninger

(en lang sænkning af jordoverfladen eller havbunden i mellem to tektoniske plader). Dermed kunne alt det døde organiske stof, der senere skulle blive til olie, ryge ned i gravsænkningen og begynde at sedimentere. Nogle millioner år senere, længere inde i kridttiden, begyndte omdannelsen så. I Danmarks undergrund steg temperaturen med ca. 1-2 grader pr. 100 meter, og da det sedimentære lag nåede en tykkelsen af formentlig 5 kilometer, var temperaturen høj nok til oliedannelse.

Bevægelserne fortsatte ind i nedre kridttid, men faldt mere til ro længere inde i kridttiden.

Nordsøens reservoirbjergart var kalk og kridtaflejringer. I tertiærtiden (66-2,5 mio. år siden) var Nordsøen så næsten faldet til ro, og det lag af leraflejringer, der standsede olien for at ryge op i havet, blev dannet. Vægten af de meget tunge aflejringer øgede dannelsen af olie og gas.

Hvordan bruges de?

Vi bruger olien til vores transport midler, når det er forarbejdet og omdannet til benzin og diesel.

Formlen for forbrænding af benzin er C H + 11 O 🡪 CO + 8 H O. Olie kan også bruges til

7 16 2 2 2 opvarmning. I starten da man fandt Naturgassen, blev den bare brændt af og blev ikke rigtig udnyttet, men omkring 80érne fandt man ud af at udnytte det og bruge det til at danne varme, til opvarmning af f.eks. huse. Kul bliver brugt til at danne varme og strøm, ved afbrænding. C H +

7 16

11 O 🡪 CO + 8 H O. Denne type af forbrænding kaldes en fuldstændig forbrænding.

2 2 2

Hvorfor er træ som opvarmning CO neutralt?

2

Fotosyntese foregår i planternes grønkorn, når der kommer sollys på dem. Der produceres glukose

(C H O) og ilt, og der forbruges vand, kuldioxid og næringsstoffer. Vand og næringsstoffer

6 12 6 kommer fra rødderne op igennem stammen, imens kuldioxiden kommer ind igennem bladenes spalteåbninger. Reaktionsskemaet for fotosyntese ser dermed således ud:

6CO + 6H O 🡪 C H O + 6O

2 2 6 12 6 2

Side 7

6

Respiration foregår i mitokondrier, der findes i alle cellerne i alle levende organismer. Her spaltes glukosen, under forbrug af ilt, til kuldioxid og vand. Ved respirationsprocessen overføres energien i glukose til ATP, der kan udnyttes når planten udfører et arbejde såsom at optage næringsstoffer gennem roden. Noget af den glukose der ikke bliver brugt til respiration bruger den til sin egen vækst. Reaktionsskemaet for respiration ser således ud:

C H O + 6O 🡪 6CO + 6H O

6 12 6 2 2 2

Fotosyntesen danner ilt og glukose, under respirationen bliver glukosen så, under forbrug af ilt, omdannet til kuldioxid og vand, mens energien i glukosen bliver omdannet til ATP. Senere bliver kuldioxiden så optaget i plantens blade gennem spalteåbningerne.

Nedbryderfødekæden

Nedbryderfødekæden er en cirkulær kæde, da den går rundt i ring og ikke stopper. Et godt eksempel på en sådan fødekæde er figur 173 s. 125, i ”Biologi til tiden” Her har træet tabt bladene, hvorefter de bliver spist af konsumenter (altså nedbrydere), hvilket kan være bænkebidere, regnorme, svampe, bakterier osv. de kan fx have nogle enzymer der kan fordøje bladene. (Svampene og bakterierne står for 90 % af nedbrydningen.) Derefter kommer bladene ud via nedbrydernes ekskrementer, og er nu fyldt med næringssalt, som træet så igen kan optage op igennem dets rødder.

Fødekæden fortsætter dog, og dette er kun noget af den, for fødekæden kan også fortsætte med forskellige rovdyr, der så spiser nedbryderne. Men træernes tabte blade, vil altid komme tilbage som næringsstoffer til træet.

Kulstoffets kredsløb

Kulstoffets (Carbon) kredsløb ændres også på grund af den globale opvarmning. Det har altid været styret af de levende organismers aktivitet. Det er plantens fotosyntese der binder noget af den kuldioxid der er i atmosfæren, men ikke alt kuldioxid bliver bundet i planten, noget ryger i havet, og noget forbliver i atmosfæren. Alle de fossile brændstoffer indgår kun i kulstoffets kredsløb, fordi at mennesket graver dem op ad jorden, og tilfører miljøet dem i form af afbrænding. Fotosyntesen er den der optager CO

2 2

, men ved at vi tilfører miljøet mere CO end der kan blive optaget at planterne, vil der komme flere og flere drivhusgasser i atmosfæren.

Side 8

7

Der findes et såkaldt ”Buffersystem”, som holder et kemiskforhold konstant. Fx holder havene CO

2 2

-mængden i atmosfæren konstant, da havet "tager" CO ud af luften og ned i vandet, hvor det bliver bundet. Når der er lavt CO

2 2

-tryk fra luften mod havet slipper vandet noget CO op i atmosfæren igen. Når der er rigtig meget CO

2 i luften, trykker det flere kulstof-molekyler ned i vandet, og dermed vil ”buffersystemet” blive ødelagt fordi der ikke bliver ved at være vandmolekyler, som kulstofmolekylerne kan binde sig til. CO bliver kun frigivet fra

2

”buffersystemet”, når der er et lavt tryk af CO

2 2 i luften, men da der er så meget CO i luften som nu til dags, vil der næsten aldrig være et lavt tryk, og så kan vandet ikke lukke CO op i atmosfæren.

2

Og dermed kan den heller ikke tage mere CO

2 2 til sig, og derfor vil al den nye CO der kommer de næste mange år, mere eller mindre, blive i atmosfæren. Og bl.a. derfor er der så meget CO i

2 atmosfæren i dag.

Drivhusgasser

Omkring 1860 begyndte meteorologerne at registrere temperaturen på kloden, temperaturen er siden dengang steget med 0,8 grader ved jordoverfladen, det varmeste år indtil videre er 2005, der slog varmerekorden fra 1998.

Drivhuseffekten opstår ved enorme udslip af kuldioxid (CO

2

) fra kul, olie og naturgas.

Drivhuseffekten sker fordi at vi mennesker tager fossile brændsler op fra undergrunden, og brænder dem af, så den flere millioner år gamle CO

2, som dyr og planter dengang har optaget til deres vækst og som er fra en anderledes atmosfære, kommer nu op i nutidens atmosfære. Atmosfæren kunne dengang tåle mere CO end den kan i dag, og derfor var der mere CO på jorden dengang, som alt

2 2 sammen bliver brændt af på stort set en gang nu.

Dette skaber en form for ”dyne” i atmosfæren.

Solstrålerne kan sagtens komme ind igennem ”dynen”, men problemet er at solstrålerne ikke kan komme ud igennem CO -laget igen. Da varmen så bliver i atmosfæren, skaber det den ”globale

2 opvarmning” af jorden. Nogle meget hårdt ramte områder er de to poler, hvor der har været en temperaturstigning på 0,5 grader siden 1975. Om sommeren er den permafrosne tundra i Alaska, Sibirien og Canada begyndt at smelte, og på længere sigt, frem mod år 2100, vil udviklingen accelerere og det vil medføre at en temperaturstigning på 4-7 grader i Arktis og 1,4 - 5,8 grader i resten af verden. Dermed vil havene stige mange centimeter, hvilket er nok til at oversvømme flere små øer og lave kystområder. Hvis udviklingen fortsætter frem mod år 2100 og den permafrosne

Side 9

8 tundra begynder at tø, vil det medføre et CO

2 udslip på flere milliarder tons, da det ligger under isen og dermed bliver frigivet. Der bliver både frigivet Methangas (CH) og kuldioxid (CO).

4 2

Klimaproblematikken mht. fossile brændstoffer og hvad vi kan gøre

Den store problematik er at jorden bliver opvarmet. Al den CO

2 der bliver sluppet ud i nutiden, vil give store konsekvenser for de kommende generationer, da vi risikerer at polerne smelter, og vil give store oversvømmelser. Derudover risikerer vi også at klimabælterne rykker sig, så landbruget visse steder skal ligges om. Der sker også store olieudslip rundt omkring i verden, som forurener jorden og alt liv herpå.

Det man kan gøre for at hjælpe til med at alt dette ikke fortsætter, er at man kan forske videre i alternative brændstoffer, som bioethanol, elbiler osv. Der er mange fordele og ulemper ved produktionen af bioethanol. En af de helt store fordele ved det er at det vil skåne miljøet og sænke CO

2 2 udslippet, da brændstofferne vil være CO

-neutrale, derved bremser vi den globale opvarmning. Derfor er det vigtigt vi tænker meget over hvad vi kan gøre for, at det bliver en realitet at brændstoffet til vores transportmidler bliver af biobrændsel.

Men der er også ulemper ved produktionen af bioethanol, da det vil kræve ekstremt meget plads at skulle dyrke de fornødne midler til at producere bioethanol, det vil kræve plads vi ikke har, og en anden ulempe er at prisen på de enkelte råvare (majs, sukkerrør, halm, tog træ) vil stige markant, da efterspørgelsen vil blive forhøjet meget, fordi der skal bruges mange flere råvare, hvis jordens nye brændstof skal være bioethanol.