Dannelse og anvendelse

Presentasjon om: "Dannelse og anvendelse"— Utskrift av presentasjonen:

1 Dannelse og anvendelse
Fossilt brensel. Dannelse og anvendelse Bakgrunnsstoff – historisk: Olje har vært kjent i mange år. Noen plasser har olje piplet opp til overflaten og blitt til asfalt og bek. Dette har siden oldtiden blitt brukt som veidekke og tettemiddel mot vann. Allerede for år siden ble Babylons gater asfaltert. Ifølge Bibelen ble Noas ark tettet med bek. Boring etter olje har også pågått lenge. I Kina boret man etter olje for over år siden. Men oljealderen startet for alvor da amerikanerne begynte å hente opp olje og gass fra borehull i jorda i 1860 årene. Rundt 1900 – tallet begynte oljeletingen til havs, og offshorevirksomheten startet. (Olje har vært benyttet til ulike, kjente formål i rundt 5000 år. Som byggemateriale, fugemasse, mørtel, lampeolje, salve og lim i India, Pakistan, Persia, Midtøsten, Hellas og i områdene rundt Kaspihavet. ) kilder: (Fiskum/Steineger, 2006), Naturgass er ble også oppdaget og benyttet for lenge siden. Kinesiske bønder lærte seg å bruke naturgass til matlaging og håndarbeid som trengte sterk varme allerede for år siden. I Europa var det et funn i 1959 i Nederland som skapte grunnlaget for den veksten gass har hatt som energikilde i Europa. Kull. Den eldste dypgruven som har vært i kontinuerlig drift i Storbritannia er Tower Colliery i nordlige del av South Wales Valleys i South Wales coalfield. Dette kullbruddet ble startet i 1805 og ved slutten av 1900-tallet ble det kjøpt av gruvearbeiderne for å unngå stengning. Tower Colliery ble stengt 25. januar Fram til 1880-tallet ble kullet driftet ut for hand med hakke og spade. Etter det begynte man å bruke maskiner. Første kullgruvedrift i USA begynte i 1748 i Midlothian, Virginia, nær Richmond. Kilde:

2 Etter forarbeidet og dagen i dag er målet at dere skal kunne:
forklare hva fossilt brensel er forklare hva hydrokarboner er gi en kort beskrivelse av hvordan råolje og naturgass er blitt dannet beskrive hvordan sandstein ser ut og hva som er spesielt med denne i olje- og gass-sammenheng gi eksempler på hvor forekomster av disse råstoffene finnes beskrive likhetene mellom strømproduserende kullkraftverk og vannkraftverk I tillegg til at dere skal kunne forklare og beskrive vil vi også at dere har fått kjennskap til: stirlingmotoren og hvordan denne virker

3 Hydrokarboner Hydrokarboner er organisk-kjemiske forbindelser som inneholder karbon og hydrogen. De kan settes sammen på mange forskjellige måter og molekylsammensetningen avgjør hvilke produkter vi får. Råolje og naturgass består hovedsakelig av hydrokarboner. Ha med kulepinnemodell av et par ulike hydrokarboner. F.eks. metan og pentan Noe bakgrunnstoff: Molekylformelen viser hvilke atomer som bygger opp molekylet Elektronprikkmodellen viser bare elektronene i det ytterste elektronskallet til atomene. Elektronene som tenkes å tilhøre C-atomet, er her tegnet røde, mens de for H-atomet er tegnet svarte. H-atomet har ett elektron i sitt eneste og ytterste elektronskall. Siden dette skallet er fullt når det inneholder to elektroner, danner H-atomet alltid en binding med et annet atom. Strukturformelen viser hvilken hvilke atomer som er bundet til hverandre i molekylet. Kulepinnemodellen viser hvordan atomene er plassert i forhold til hverandre i rommet. Kilde: Eureka! Naturfag for ungdomstrinnet. S. 45. Illustrasjon: Eureka! Naturfag for ungdomstrinnet.

4 Naturgass: fargeløs brennbar gass som er dannet ved nedbrytning av organisk materiale kan finnes i porøse bergarter under havbunnen sammen med råolje eksempler på naturgass: metan (CH4), etan (C2H6), propan (C3H8), butan(C4H10) Alle disse er hydrokarboner Bilde: Propan, C3H8 Naturgass er også hydrokarboner. De består av hydrogen og karbon og kan finnes sammen med råolje i sedimentære bergarter (bergarter som er blitt dannet ved avleiring eller utfelling i vann eller luft) i jordskorpa, her i Norge under havbunnen i Nordsjøen. De er hydrokarboner som også kan inneholde ulik mengde av andre gasser som for eksempel nitrogen, karbondioksid og hydrogensulfid. Kilde: Nils H. Lundberg/Norvald Nesse/Jan Hagland/ Store norske leksikon

5 Råolje: Utseende og sammensetning varierer etter hvor oljen er hentet
opp fra Hydrokarbonene i råolje er tyngre og større enn i naturgass. Den er en flytende blanding av hydrokarboner og den kan finnes sammen med naturgass i reservoarer under havbunnen. Råoljen har en veldig sammensatt blanding av et stort antall kjemiske forbindelser og sammensetningen vil variere fra felt til felt. Vise ulike oljeprøver til elevene. Utenom de rene hydrokarbonene inneholder råolje også forbindelser hvor bl.a. svovel, nitrogen, oksygen, vanadium og nikkel inngår. Kilde: Nils H. Lundberg, Store norske leksikon

6 Har vi kullgruver i Norge?
fast materiale med høyt energiinnhold dannet enten naturlig eller kunstig fra ulike typer organisk materiale den beste kvaliteten på kullet befinner seg ofte flere hundre meter under bakken Kull er et fast, svart eller brunsvart materiale med høyt innhold av karbon. Kull har også et høyt energiinnhold og blir derfor brukt som energikilde i kullfyrte strømproduserende kraftverk. Kull er dannet enten naturlig eller kunstig fra organisk materiale. Brunkull og steinkull er eksempler på naturlig dannet kull. De er dannet av torv og plantemateriale. Trekull derimot er eksempel på et kull som kan lages ved kraftig oppvarming av ved, og består kjemisk av rent karbon. Brun- og steinkull består av organiske stoffer hvor det er mest av grunnstoffet karbon, men i tillegg finnes gjerne oksygen og hydrogen, og små mengder nitrogen og svovel. Kilde: Svein B. Manum, Store norske leksikon Har vi kullgruver i Norge?

7 Olje og gass blir dannet:
Newton-lærer (NL) bruker animasjonen 3. olje og gass blir dannet sammen med et ”snakkekonsept” (se manus eller nede på denne siden). Parallelt sender NL rundt sandstein slik at elevene får kjenne på denne bergarten. I tillegg har vi en demoprøve med både sandstein og kildebergart som vi bruker sammen med animasjonen. Elevene kjenner på kildebergarten. ‐ For 100‐600 millioner år siden var det masse plante‐ og dyreplankton i havet. (Plankton er en fellesbetegnelse for alger, larver og mange andre smådyr som driver fritt med vannmassene). ‐ Etter hvert som disse organismene døde sank de ned på havbunnen. Der ble de dekket av lag med sand og leire som elvene førte med seg ut i havet. Gjennom millioner av år ble lagene opptil flere tusen meter tykke. ‐ Det høye trykket fra de øverste lagene gjorde at de nederste lagene med sand og leire ble presset sammen til bergarter. Jo lenger nedover i lagene en kommer, desto høyere er både trykket og temperaturen. ‐ Under disse lagene var det ikke noe oksygen, og det førte til at det organiske materialet som lå der ikke råtnet. Trykket, temperaturen og mangelen på oksygen gjordet at materialet ble omdannet til olje og gass. Rester av planter og dyr som levde for millioner av år siden kaller vi for fossilt materiale. Kull, olje og gass er fossilt materiale. ‐ Gjennom mange, mange år gjør bevegelser i jordskorpa at den endrer seg. Noen steder skyves fjellkjeder opp, andre steder synker områder ned i havet. Disse bevegelsene gjør at olje og gass blir presset gjennom sedimentære bergarter. Sedimentære bergarter er fulle av små hull som olje og gass kommer gjennom. Tette bergarter fungerer som et tak. Slik blir olje og gass fanget i lommer i fjellet. Dette kaller vi oljefeller. Det hender at oljen og gassen ikke blir stoppet av tette bergarter, og da kan de bli presset helt opp til jordoverflata. ‐ (Fiskum/Steineger, 2006)

8 Olje og gass blir dannet i Nordsjøen:
Vi viser animasjonen Olje og gass blir dannet i Nordsjøen og forklarer hvorfor vi har så rike forekomster av olje og gass like utenfor kysten vår. A. For nesten 200 millioner år siden hang Norge og Grønland nesten sammen slik som illustrasjonen her viser. Det som i dag er Nordsjøen lå da her som en bukt. Figuren under viser et snitt på langs av denne bukta i ca. Nord-sør retning. B. Det kom en elv fra sør med utløp i denne bukta og denne fraktet med seg store mengder sand som ble avsatt på havbunnen. Det er dette sandlaget som senere ble til sandstein som utgjør reservoarbergarten i oljefeltet. C. Bevegelser i jordskorpa (tektoniske bevegelser) førte til at havet steg. Elva ble da trukket lenger sør som dere ser på illustrasjonen. Det er slik at når elever frakter med seg partikler og avsetter disse i utløpene er det de fineste partiklene som blir fraktet lengst. Grovere sand faller til bunnen raskere. Dermed ble det avsatt leire over sandsteinen i et område. Dette leirlaget blir senere til en leirskifer som utgjør takbergarten i oljefeltet. D. På illustrasjonen her (D) ser vi et snitt på tvers av bukta nå med retning øst-vest. Legg merke til tidsaspektet; Det dere ser her (E) skjedde ca. 50 millioner år etter det vi så på den første illustrasjonen…. E. Men i alle fall; bevegelser i jordskorpa (tektoniske bevegelser) gjør at Norge og Grønland begynner å gå fra hverandre og havbunnen begynner å sprekke opp. Dette danner et øyhav mellom Norge og Grønland som ligne øyene som er i Middelhavet i dag. Erosjon gjør at øyene blir avrundet. F. Det var varmt på denne tiden og høy konsentrasjon av CO2 noe som gjorde at det var mange plankton, alger og planterester i havet. Et tykt lag med organisk materiale blir avsatt over store deler av kontinentalsokkelen utenfor Norge, sammen med leire fra land og øyer rundt om. F. Oppsprekkinga av havbunnen har gitt små daler og groper med liten sirkulasjon. Her vil ikke det organiske materialet råtne og det blir senere sammen med leiren omdannet til en oljerik leirskifer som utgjør kildebergarten i oljefeltet. G. Havbunnen synker ned og Atlanterhavet åpner seg. Fordi dette er langt ute i havet blir leire avsatt. Dette laget blir til leirskifer som blir til ny takbergart i oljefeltet. H. Kilometer tykke sedimentære lag blir avsatt. Det organiske materialet blir da presset ned i jordskorpa og omdannet til olje og gass under høyt trykk og høy temperatur. TRYKK PÅ 4 OG VIS ANIMASJONEN SOM VISER HVORDAN OLJEN BEVEGER SEG

9 Denne illustrasjonen viser hvor stor slike reservoar kan være i virkeligheten. Se på oljebrønnhodet. De steinene dere har sett på i dag utgjør en mikroskopisk del av reservoarbergarten i et reservoar.

10 Her ser dere en illustrasjon på hvordan boringen kan være.
Illustrasjon: Statoil

11 Raffineri i Kalundborg, Danmark. Foto: Øyvind Hagen/Statoil.

12 Raffineri Før råolje og gass kan brukes som brensel, smøremiddel, asfalt eller råstoff i kjemisk industri, må de enkelte bestanddelene skilles ut. Dette skjer i oljeraffineriet. Olje og gass har en kjemisk sammensetning som gjør dem veldig anvendelig. Byggesteinene er karbon (C) og hydrogen (H). Enkelt sagt kan de settes sammen på mange forskjellige måter, og molekylsammensetningen avgjør hvilke produkter vi får. Før råolje og gass kan brukes som brensel, smøremiddel, asfalt eller råstoff i kjemisk industri, må de enkelte bestanddelene skilles ut, blandes og noen ganger forandres kjemisk eller fysisk. Foredlingen av råoljen foregår i raffinerier, mens gassfraksjonen fra oljeproduksjonen behandles i gassbehandlingsanlegg før den sendes ut på markedet. En del av produktene fra disse anleggene foredles videre i petrokjemiske anlegg der de blir til plast og mye, mye annet. Prosessene i destillasjonstårnet: Råoljen blir varmet opp til ca. 380 C før den blir ledet inn i destillasjonstårnet. Ved denne temperaturen er de fleste av stoffene i råoljen fordampet og i gasstilstand. Den varme blandingen blir sendt inn i bunnen av destillasjonstårnet. De stoffene som ikke er i gasstilstand, blir tatt ut som tungolje i bunnen av destillasjonstårnet. Stoffene som er i gasstilstand, stiger i destillasjonstårnet. Temperaturen avtar gradvis oppover. Jo lavere kokepunktet er, desto høyere opp i tårnet kommer stoffet før det kondenserer og blir tappet av på siden av tårnet. Råbensin tas ut ved ca. 150 C. Stoffene som blir tappet av i de ulike nivåene, er en blanding av hydrokarboner som går fra gass til væske innenfor et bestemt temperaturområde. Hver blanding kaller vi en fraksjon. Propan og butan er fortsatt i gasstilstand når de når toppen av destillasjonstårnet. Temperaturen er fremdeles for høy til at disse gassene kan kondensere. Kilde: Hannisdal, A., Hannisdal M., Haugan, J., Synnes, K., Eureka! Naturfag for ungdomstrinnet. Grunnbok. 10. s 83. Gyldendal Undervisning.

13 Fraksjon: En fraksjon består av hydrokarboner med kokepunkt innenfor et bestemt temperaturområde.
Destillasjon av råolje Flere av hydrokarbonene har nokså like kokepunkter. Derfor klarer man ikke å skille ut stoffene enkeltvis gjennom destillasjon, bare grovsortere dem i ulike fraksjoner. Hver fraksjon består av hydrokarboner med kokepunkt innenfor et bestemt temperaturområde. Ved atskillelse av blandinger, f.eks. ved fraksjonert destillasjon og krystallisasjon, kalles delene som fremkommer, fraksjoner. Fraksjonene kan bestå av rene kjemiske stoffer eller av blandinger, f.eks. karakterisert ved at de koker mellom to angitte temperaturer. Krakking: Norsk råolje inneholder mye av de lette fraksjonene og er derfor godt egnet til produksjon av drivstoff til biler. Ved destillasjon av råolje blir det likevel dannet for lite av de lette fraksjonene til å dekke etterspørselen etter bensin. Derfor bruker man krakking. Det som gjøres da er at store molekyler fra de tyngre fraksjonene brytes ned til mindre molekyler for å lage mer av de lette fraksjonene. Krakking skjer i store beholdere ved høy temperatur og ved hjelp av katalysator. (katalysator er et stoff som gjør at en reaksjon går lettere.)

14 Noen egenskaper ved hydrokarboner
1. Hydrokarboner som brensel Alle hydrokarboner brenner når de blir antent Jo kortere kjede med C-atomer, jo lettere blir hydrokarbonet antent Forbrenningsreaksjon energi Når hydrokarbonet brenner med god tilgang til oksygen skjer det en fullstendig forbrenning. Se figuren Men dersom forbrenningen skjer med liten tilgang til oksygen skjer det en ufullstendig forbrenning. Da blir det også dannet sotpartikler (karbon) og karbonmonoksid (CO) som er en giftig gass. Vi ønsker ikke ufullstendig forbrenning både pga at det dannes giftige gasser og sot men også fordi det da avgis mye mindre energi enn ved fullstendig forbrenning. CH O CO H2O + energi Metangass + oksygengass (fra luft) karbondioksidgass + vann +

15 2. Lengden på C-kjeden gir informasjon om kokepunkt og tilstanden til stoffet
Ved kokepunktet går et stoff fra væske til gass. Jo lengre C-kjeden i molekylene er, desto høyere er kokepunktet for stoffet. Ut fra antall C-atomer i formelen for et hydrokarbon kan vi si noe om tilstanden til stoffet. Alkaner antall C-atomer Tilstand ved romtemperatur 1-4 C-atomer gass 5-17 C-atomer væske 18 eller flere C-atomer fast stoff

16 Det kan brukes ulike energikilder til å drive slike kraftverk
Strømproduserende kraftverk Det kan brukes ulike energikilder til å drive slike kraftverk Verden har et stort forbruk av elektrisk energi. Bare tenk på hva dere bruker strøm til hver dag. Vi trenger strømproduserende kraftverk for å forsyne oss med elektrisk energi. På illustrasjonen ser dere en enkel illustrasjon av et kraftverk som bruker kull som energikilde for å varme opp vann til damp. Newton-lærer demonstrerer Herons kule i forbindelse med dette emnet. Elevene får da se vanndampen drive en glasskule rundt og rundt. Vanndamp tar mer plass en vann i flytende form, noe som gjør at det blir høyere trykk. Et annet eksempel er når vi koker en kjele med vann med lokk på. Hva skjer med lokket når vannet koker? Det rører på seg og noe av dampen slipper ut. Slike dampkraftverk som dette kan bruke ulike energikilder for å varme opp vannet. Det kan være annet fossilt brensel som gass og olje. Det kan være solenergi, uran som brukes i kjernekraftverk, ved, avfall eller biobrensel. Noe av dette er fornybare energikilder andre er ikke-fornybare. Hva er fornybare? Hva er ikke-fornybare? Hva betyr det at noe er fornybart og ikke-fornybart? Hva er det som gjør at vi får elektrisk energi ut fra et slikt kraftverk? Trykket fra dampen driver turbiner som igjen driver store generatorer. Det er i generatoren det produseres elektrisk energi. Det må vurderes om elevene nå starter arbeidet med dampmaskinene, dampturbinen og stirlingmotoren. Og at de neste foilene i ppt brukes i forbindelse med oppsummeringen etter disse aktivitetene. Uansett i forkant av aktiviteten må det gis en kort innføring i hvordan de skal håndtere maskinene. Det står også en bruksanvisning på oppgaveark. HUSK vernebriller og hansker!

17 Hvilke andre typer kraftverk finnes det?
Hvilke andre typer strømproduserende kraftverk finnes det? Hva har de mye av i Danmark? Hva har vi i Norge? Jo, vindkraftverk og vannkraftverk. Det er samme prinsippene som i et dampkraftverk. Noe beveger en turbin rundt som igjen driver generatoren.

18 Verdens elektrisitetsproduksjon (2006):
Kull: % Olje: 6 % Gass: % Til sammen utgjør fossile brensler 67 % av verdens totale produksjon av elektrisitet. Vannkraft: 16 % Kjernekraft: 15 % Vindkraft: 0,5 % Resten er fra Biomasse, geotermisk, avfall… Kilde: Viser elevene status per 2006 på fordelingen av ulike energikilder i verdenssammenheng. Dette er snakk om elektrisitetsproduksjon.

19