Koeajovaihtoehdot: OSA 1 - Kaasuteollisuus
70-luvulla Wilhelm Maybach kokeili erilaisia polttomoottoreiden malleja, muutti mekanismeja ja ajatteli sopivimpia seoksia yksittäisten osien valmistamiseksi. Hän miettii usein, mitkä silloin tunnetuista palavista aineista sopivat parhaiten käytettäväksi lämpökoneissa.
70-luvulla Wilhelm Maybach kokeili erilaisia polttomoottoreiden malleja, muutti mekanismeja ja ajatteli sopivimpia seoksia yksittäisten osien valmistamiseksi. Hän miettii usein, mitkä silloin tunnetuista palavista aineista sopivat parhaiten käytettäväksi lämpökoneissa.
Vuonna 1875, kun hän oli Gasmotorenfabrik Deutzin työntekijä, Wilhelm Maybach päätti testata, voisiko hän käyttää kaasumoottoria nestemäisellä polttoaineella - tarkemmin sanottuna bensiinillä. Hänestä tuli mieleen tarkistaa, mitä tapahtuisi, jos hän sulkeisi kaasuhanan ja laittaisi sen sijaan imusarjan eteen bensiiniin kostutetun kankaan. Moottori ei pysähdy, vaan jatkaa toimintaansa, kunnes se "imee" kaiken nesteen kudoksesta. Näin syntyi idea ensimmäisestä improvisoidusta "kaasuttimesta", ja auton luomisen jälkeen bensiinistä tuli sen pääpolttoaine.
Kerron tämän tarinan muistuttaakseni teitä siitä, että ennen kuin bensiini ilmestyi vaihtoehtona polttoaineelle, ensimmäiset moottorit käyttivät polttoaineena kaasua. Sitten kyse oli (valaistus) kaasun käytöstä valaistukseen, joka saatiin menetelmillä, joita ei tunneta tänään, mutta käsittelemällä hiiltä. Sveitsiläisen Isaac de Rivakin keksimä moottori, ensimmäinen "vapaasti hengittävä" (pakkaamaton) teollisuusluokan etyleeni-Lenoir-moottori vuodesta 1862 lähtien, ja klassinen nelitahtinen yksikkö, jonka Otto loi vähän myöhemmin, käy kaasulla.
Tässä on mainittava ero maakaasun ja nestekaasun välillä. Maakaasu sisältää 70–98 % metaania, loput ovat korkeampia orgaanisia ja epäorgaanisia kaasuja, kuten etaania, propaania ja butaania, hiilimonoksidia ja muita. Öljy sisältää myös kaasuja vaihtelevissa suhteissa, mutta näitä kaasuja vapautuu jakotislauksen kautta tai niitä tuotetaan joissakin jalostamoiden sivuprosesseissa. Kaasukentät ovat hyvin erilaisia - puhdas kaasu tai "kuiva" (eli sisältää pääasiassa metaania) ja "märkä" (sisältää metaania, etaania, propaania, joitain muita raskaampia kaasuja ja jopa "bensiini" - kevyt neste, erittäin arvokkaita fraktioita) . Myös öljytyypit ovat erilaisia, ja kaasujen pitoisuus niissä voi olla joko pienempi tai suurempi. Kentät yhdistetään usein - kaasu nousee öljyn yläpuolelle ja toimii "kaasukorkina". "Korkin" ja pääöljykentän koostumus sisältää edellä mainitut aineet, ja erilaiset fraktiot "virtaavat" kuvaannollisesti sanottuna toisiinsa. Ajoneuvojen polttoaineena käytetty metaani "tulee" maakaasusta, ja tuntemamme propaani-butaaniseos tulee sekä maakaasukentiltä että öljykentiltä. Noin 6 % maailman maakaasusta tuotetaan kivihiiliesiintymistä, joihin liittyy usein kaasuesiintymiä.
Propaani-butaani esiintyy näyttämöllä hieman paradoksaalisesti. Vuonna 1911 öljy -yhtiön raivoissaan oleva amerikkalainen asiakas kehotti ystäväänsä, kuuluisaa kemistiä tohtori Snellingia selvittämään salaperäisen tapahtuman syyt. Syy asiakkaan närkästykseen on, että asiakas yllättyneenä huomaa, että puolet huoltoaseman säiliöstä on juuri täytetty. Ford Hän katosi tuntemattomilla tavoilla lyhyen matkan aikana hänen kotiinsa. Säiliö ei virtaa tyhjästä ... Useiden kokeilujen jälkeen tohtori Snelling havaitsi, että mysteerin syy oli polttoaineessa oleva korkea propaani- ja butaanikaasupitoisuus, ja pian sen jälkeen hän kehitti ensimmäiset käytännön tislausmenetelmät niitä. Näiden perustavanlaatuisten edistysaskeleiden vuoksi tohtori Snellingia pidetään nyt alan "isänä".
Paljon aikaisemmin, noin 3000 vuotta sitten, paimenet löysivät "liekehtivän lähteen" Paranas-vuorelta Kreikasta. Myöhemmin tälle "pyhälle" paikalle rakennettiin temppeli, jossa oli syttyviä pylväitä, ja oraakkeli Delphius luki rukouksensa majesteettisen kolossan edessä ja sai ihmiset tuntemaan sovinnon, pelon ja ihailun tunteen. Nykyään osa tästä romanssista menetetään, koska tiedämme, että liekin lähde on metaania (CH4), joka virtaa kaasukenttien syvyyteen liittyvien kivien halkeamista. Kaspianmeren rannikolla Irakissa, Iranissa ja Azerbaidžanissa on samankaltaisia tulipaloja, jotka ovat myös palaneet vuosisatojen ajan ja jotka tunnetaan pitkään nimellä "Persian ikuiset liekit".
Monia vuosia myöhemmin kiinalaiset käyttivät myös pelloilta peräisin olevia kaasuja, mutta erittäin käytännöllisellä tarkoituksella - lämmittää suuria kattiloita merivedellä ja poistaa suolaa siitä. Vuonna 1785 britit loivat menetelmän metaanin tuottamiseksi hiilestä (jota käytettiin ensimmäisissä polttomoottoreissa), ja XNUMX-luvun alussa saksalaiset kemistit Kekule ja Stradonitz patentoivat menetelmän raskaamman nestemäisen polttoaineen valmistamiseksi siitä.
Vuonna 1881 William Hart porasi ensimmäisen kaasukaivon amerikkalaiseen Fredonian kaupunkiin. Hart katseli pitkään läheisen lahden veden pintaan nousevia kuplia ja päätti kaivaa maasta reiän suunniteltuun kaasukenttään. Yhdeksän metrin syvyydessä pinnan alla hän saavutti suonen, josta kaasua purkautui ulos ja jonka hän myöhemmin vangitsi, ja hänen vastikään perustetusta Fredonia Gas Light Companysta tuli kaasualan edelläkävijä. Hartin läpimurrosta huolimatta XNUMX-luvulla käytetty valaistuskaasu uutettiin pääosin kivihiilestä edellä kuvatulla menetelmällä - lähinnä siksi, että kentiltä ei ollut mahdollista kehittää teknologioita maakaasun kuljettamiseen.
Ensimmäinen kaupallinen öljyntuotanto oli kuitenkin jo silloin tosiasia. Niiden historia alkoi Yhdysvalloissa vuonna 1859, ja ideana oli käyttää uutettua öljyä tislaamaan kerosiinia valaistukseen ja öljyjä höyrykoneisiin. Jo tuolloin ihmiset kohtasivat maakaasun tuhoavan voiman, joka oli puristettu tuhansia vuosia maan suolistossa. Edwin Draken ryhmän pioneerit melkein kuolivat ensimmäisessä improvisoidussa kairauksessa lähellä Titusvilleä Pennsylvaniassa, kun kaasua vuoti murtamisesta, syttyi jättiläinen tulipalo, joka vei pois kaikki laitteet. Nykyään öljy- ja kaasukenttien hyödyntämiseen liittyy erityistoimenpiteiden järjestelmä palavan kaasun vapaan virtauksen estämiseksi, mutta tulipalot ja räjähdykset eivät ole harvinaisia. Samaa kaasua käytetään kuitenkin monissa tapauksissa eräänlaisena "pumppuna", joka työntää öljyä pintaan, ja kun sen paine putoaa, öljymiehet alkavat etsiä ja käyttää muita menetelmiä "mustan kullan" talteenottamiseksi.
Hiilivetykaasujen maailma
Vuonna 1885, neljä vuotta William Hartin ensimmäisen kaasuporauksen jälkeen, toinen amerikkalainen, Robert Bunsen, keksi laitteen, joka myöhemmin tunnettiin nimellä "Bunsen-poltin". Keksintö palvelee kaasun ja ilman annostelua ja sekoittamista sopivassa suhteessa, jota voidaan sitten käyttää turvalliseen palamiseen - juuri tämä poltin on nykyään nykyaikaisten uunien ja lämmityslaitteiden happisuuttimien perusta. Bunsenin keksintö avasi uusia mahdollisuuksia maakaasun käytölle, mutta vaikka ensimmäinen kaasuputki rakennettiin jo vuonna 1891, sininen polttoaine saavutti kaupallisen merkityksen vasta toisessa maailmansodassa.
Juuri sodan aikana luotiin riittävän luotettavia leikkaus- ja hitsausmenetelmiä, jotka mahdollistivat turvallisten metallikaasuputkien rakentamisen. Niitä rakennettiin Amerikassa sodan jälkeen tuhansia kilometrejä, ja putki Libyasta Italiaan rakennettiin 60-luvulla. Myös Alankomaista on löydetty suuria maakaasuesiintymiä. Nämä kaksi tosiasiaa selittävät paremman infrastruktuurin paineistetun maakaasun (CNG) ja nestekaasun (LPG) käyttämiseksi ajoneuvojen polttoaineena näissä kahdessa maassa. Maakaasun valtavan strategisen merkityksen vahvistaa seuraava tosiasia - kun Reagan päätti tuhota "pahan imperiumin" 80-luvulla, hän vetosi korkean teknologian laitteiden toimittamiseen kaasuputken rakentamiseen. Neuvostoliitto Eurooppaan. Eurooppalaisten tarpeiden kompensoimiseksi kaasuputken rakentaminen Norjan sektorilta Pohjanmerellä Manner-Eurooppaan kiihtyy, ja Neuvostoliitto roikkuu. Kaasunvienti oli tuolloin Neuvostoliiton pääasiallinen kovan valuutan lähde, ja Reaganin toimenpiteiden aiheuttamat vakavat pulat johtivat pian 90-luvun alun tunnettuihin historiallisiin tapahtumiin.
Nykyään demokraattinen Venäjä on merkittävä maakaasun toimittaja Saksan energiatarpeisiin ja merkittävä globaali toimija tällä alalla. Maakaasun merkitys alkoi kasvaa 70-luvun kahden öljykriisin jälkeen, ja nykyään se on yksi geostrategisesti tärkeimmistä energialähteistä. Tällä hetkellä maakaasu on halvin polttoaine lämmitykseen, sitä käytetään raaka-aineena kemianteollisuudessa, sähköntuotannossa, kodinkoneissa ja sen "serkkua" propaania löytyy jopa deodoranttipulloista deodoranttina. otsonikerrosta heikentävien fluoriyhdisteiden korvike. Maakaasun kulutus kasvaa jatkuvasti ja kaasuputkiverkosto pidentyy. Mitä tulee infrastruktuuriin, joka on tähän mennessä rakennettu tämän polttoaineen käyttöä varten autoissa, kaikki on kaukana jäljessä.
Olemme jo kertoneet teille kummallisista päätöksistä, joita japanilaiset tekivät kaivatun ja niukan polttoaineen tuotannossa toisen maailmansodan aikana, ja mainitsimme myös synteettisen bensiinin tuotantoohjelman Saksassa. Kuitenkin vain vähän tiedetään tosiasiasta, että laihan sotavuosina Saksassa ajettiin aivan todellisia autoja... puulla! Tässä tapauksessa kyseessä ei ole paluu vanhaan hyvään höyrykoneeseen, vaan polttomoottoreihin, jotka on alun perin suunniteltu toimimaan bensiinillä. Itse asiassa idea ei ole kovin monimutkainen, mutta vaatii ison, raskaan ja vaarallisen kaasugeneraattorijärjestelmän käyttöä. Hiili, puuhiili tai vain puu sijoitetaan erityiseen ja ei kovin monimutkaiseen voimalaitokseen. Sen pohjassa ne palavat ilman happea, ja korkeassa lämpötilassa ja kosteudessa vapautuu kaasua, joka sisältää hiilimonoksidia, vetyä ja metaania. Sitten se jäähdytetään, puhdistetaan ja syötetään tuulettimella moottorin imusarjaan käytettäväksi polttoaineena. Tietenkin näiden koneiden kuljettajat suorittivat palomiesten monimutkaiset ja vaikeat toiminnot - kattila oli ajoittain ladattava ja puhdistettava, ja tupakointikoneet näyttivät todella vähän höyryvetureilta.
Nykyään kaasun etsintä vaatii maailman kehittyneintä teknologiaa, ja maakaasun ja öljyn talteenotto on yksi tieteen ja teknologian suurimmista haasteista. Tämä tosiasia pätee erityisesti Yhdysvalloissa, jossa käytetään yhä enemmän epätavanomaisia menetelmiä vanhoille tai hylätyille kentille jääneen kaasun "imemiseen" sekä niin sanotun "tiiviin" kaasun talteenottoon. Tiedemiesten mukaan kaasun tuottamiseen tarvitaan nyt kaksi kertaa enemmän porausta vuonna 1985. Menetelmien tehokkuus on kasvanut huomattavasti ja laitteiden painoa on vähennetty 75 %. Yhä kehittyneempiä tietokoneohjelmia käytetään analysoimaan gravimetreistä, seismisten tekniikoiden ja lasersatelliittien tietoja, joista luodaan kolmiulotteisia tietokoneistettuja karttoja altaista. On myös luotu ns. 4D-kuvia, joiden ansiosta on mahdollista visualisoida kerrostumien muotoja ja liikkeitä ajan mittaan. Huippumodernit laitteet ovat kuitenkin jäljellä offshore-maakaasun tuotantoa varten – vain murto-osa ihmisen edistymisestä tällä alueella – maailmanlaajuiset paikannusjärjestelmät porausta, erittäin syväporausta, merenpohjan putkistoja ja nesteytettyjä raivausjärjestelmiä varten. hiilimonoksidia ja hiekkaa.
Öljyn jalostaminen korkealaatuisen bensiinin valmistamiseksi on paljon monimutkaisempi tehtävä kuin kaasujen jalostus. Toisaalta kaasun kuljettaminen meritse on paljon kalliimpaa ja monimutkaisempaa. Nestekaasusäiliöalukset ovat suunnittelultaan melko monimutkaisia, mutta LNG-säiliöalukset ovat upea luomus. Butaani nesteytyy -2 asteessa, kun taas propaani nesteytyy -42 asteessa tai suhteellisen alhaisessa paineessa. Metaanin nesteyttämiseen tarvitaan kuitenkin -165 astetta! Tästä johtuen nestekaasusäiliöalusten rakentamiseen tarvitaan yksinkertaisempia kompressoriasemia kuin maakaasulle ja säiliöitä, jotka on suunniteltu kestämään ei erityisen korkeita 20-25 baarin paineita. Sen sijaan nesteytetyn maakaasun säiliöalukset on varustettu jatkuvatoimisilla jäähdytysjärjestelmillä ja supereristetyillä säiliöillä – itse asiassa nämä kolossit ovat maailman suurimpia kryogeenisiä jääkaappeja. Osa kaasusta onnistuu kuitenkin "poistumaan" näistä laitteista, mutta toinen järjestelmä vangitsee sen välittömästi ja syöttää sen laivan moottorin sylintereihin.
Edellä mainituista syistä on täysin ymmärrettävää, että jo vuonna 1927 tekniikka mahdollisti ensimmäisten propaani-butaanitankkien selviytymisen. Tämä on hollantilais-englannin Shellin työ, joka oli tuolloin jo jättiläinen yritys. Hänen pomonsa Kessler on edistynyt mies ja kokeilija, joka on pitkään haaveillut hyödyntävänsä jollain tavalla valtavaa määrää kaasua, joka on tähän mennessä vuotanut ilmakehään tai palanut öljynjalostamoissa. Hänen ideallaan ja aloitteestaan luotiin ensimmäinen offshore-alus, jonka kantavuus on 4700 XNUMX tonnia, kuljettamaan eksoottisen näköisiä ja vaikuttavia hiilivetykaasuja kansisäiliöiden yläpuolelle.
Kaasuyhtiö Constock International Methane Limitedin tilauksesta rakennetun Methane Pioneerin ensimmäisen metaanisäiliön rakentamiseen tarvitaan kuitenkin vielä kolmekymmentäkaksi vuotta. Shell, jolla on jo vakaa infrastruktuuri nestekaasun tuotantoon ja jakeluun, osti tämän yrityksen, ja pian rakennettiin vielä kaksi valtavaa tankkeria - Shell alkoi kehittää nesteytetyn maakaasun liiketoimintaa. Kun Englannin Conwayn saaren, jonne yritys rakentaa metaanivarastoja, asukkaat ymmärtävät, mitä todellisuudessa varastoidaan ja kuljetetaan heidän saarelleen, he ovat järkyttyneitä ja peloissaan ajattelevat (ja aivan oikein), että laivat ovat vain jättimäisiä pommeja. Silloin turvallisuusongelma oli todella ajankohtainen, mutta nykyään nesteytetyn metaanin kuljetukseen tarkoitetut säiliöalukset ovat erittäin turvallisia eivätkä ole vain yksi turvallisimmista, vaan myös yksi ympäristöystävällisimmistä merialuksista - ympäristölle verrattoman turvallisempia kuin öljytankkerit. Tankkerilaivaston suurin asiakas on Japani, jolla ei käytännössä ole paikallisia energialähteitä, ja kaasuputkien rakentaminen saarelle on erittäin vaikea hanke. Japanissa on myös suurin kaasuajoneuvojen "puisto". Tärkeimmät nesteytetyn maakaasun (LNG) toimittajat ovat nykyään Yhdysvallat, Oman ja Qatar, Kanada.
Viime aikoina nestemäisten hiilivetyjen tuotanto maakaasusta on tullut yhä suositummaksi. Tämä on pääasiassa metaanista syntetisoitua ultrapuhdasta dieselpolttoainetta, ja tämän teollisuuden odotetaan kehittyvän tulevaisuudessa kiihtyvällä vauhdilla. Esimerkiksi Bushin energiapolitiikka edellyttää paikallisten energialähteiden käyttöä, ja Alaskassa on suuria maakaasuesiintymiä. Näitä prosesseja stimuloivat suhteellisen korkeat öljyn hinnat, jotka luovat edellytykset kalliiden teknologioiden kehittämiselle - GTL (Gas-to-Liquids) on vain yksi niistä.
Pohjimmiltaan GTL ei ole uusi tekniikka. Sen loivat 20-luvulla saksalaiset kemistit Franz Fischer ja Hans Tropsch, jotka mainittiin aikaisemmissa numeroissa osana synteettistä ohjelmaansa. Toisin kuin kivihiilen tuhoava hydraus, kevyiden molekyylien yhdistämisprosessit pidemmiksi sidoksiksi tapahtuvat täällä. Etelä-Afrikka on tuottanut tällaista polttoainetta teollisessa mittakaavassa 50-luvulta lähtien. Kiinnostus niitä kohtaan on kuitenkin kasvanut viime vuosina etsiessään uusia mahdollisuuksia vähentää haitallisia polttoainepäästöjä Yhdysvalloissa. Suuret öljy-yhtiöt, kuten BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol ja Royal Dutch/Shell käyttävät valtavia summia GTL:hen liittyvien teknologioiden kehittämiseen, ja tämän kehityksen seurauksena poliittisista ja sosiaalisista näkökohdista keskustellaan yhä enemmän kannustimien edessä. puhtaan polttoaineen kuluttajien verot. Näiden polttoaineiden ansiosta monet dieselpolttoaineen kuluttajat voivat korvata sen ympäristöystävällisemmällä ja vähentävät autoyhtiöiden kustannuksia lain asettamien uusien haitallisten päästötasojen saavuttamisesta. Viimeaikaiset perusteelliset testaukset osoittavat, että GTL-polttoaineet vähentävät hiilimonoksidia 90 %, hiilivetyjä 63 % ja nokea 23 % ilman dieselhiukkassuodattimia. Lisäksi tämän polttoaineen vähärikkisyys mahdollistaa lisäkatalyyttien käytön, jotka voivat edelleen vähentää ajoneuvojen päästöjä.
GTL-polttoaineen tärkeä etu on, että sitä voidaan käyttää suoraan dieselmoottoreissa ilman muutoksia yksiköihin. Ne voidaan myös sekoittaa polttoaineisiin, jotka sisältävät 30 - 60 ppm rikkiä. Toisin kuin maakaasu ja nesteytetyt öljykaasut, olemassa olevaa liikenneinfrastruktuuria ei tarvitse muuttaa nestemäisten polttoaineiden kuljettamiseksi. Rentechin presidentin Denis Yakubsonin mukaan tämäntyyppinen polttoaine voisi täydentää ihanteellisesti dieselmoottoreiden ympäristöystävällistä taloudellista potentiaalia, ja Shell rakentaa tällä hetkellä Qatariin 22,3 miljardin dollarin suurta laitosta, jonka suunnittelukapasiteetti on XNUMX miljoonaa litraa synteettistä polttoainetta päivässä. ... Suurin ongelma näiden polttoaineiden kanssa johtuu uusiin laitoksiin tarvittavista valtavista investoinneista ja tyypillisesti kalliista tuotantoprosesseista.
biokaasu
Metaanin lähde ei kuitenkaan ole vain maanalaiset esiintymät. Vuonna 1808 Humphry Davy kokeili tyhjiöretorttiin laitettua olkia ja tuotti biokaasua, joka sisälsi pääasiassa metaania, hiilidioksidia, vetyä ja typpeä. Daniel Defoe puhuu myös biokaasusta romaanissaan "kadonneesta saaresta". Tämän ajatuksen historia on kuitenkin vielä vanhempi - 1776-luvulla Jan Baptita Van Helmont uskoi, että palavia kaasuja voidaan saada orgaanisten aineiden hajoamisesta, ja myös kreivi Alexander Volta (akun luoja) tuli samanlaisiin johtopäätöksiin. vuonna 1859. Ensimmäinen biokaasulaitos aloitti toimintansa Bombayssa ja perustettiin samana vuonna, kun Edwin Drake suoritti ensimmäisen onnistuneen öljynporauksen. Intialainen tehdas käsittelee ulosteita ja toimittaa kaasua katuvalaisimiin.
Voi kestää kauan, ennen kuin kemialliset prosessit biokaasun tuotannossa ymmärretään perusteellisesti ja tutkitaan. Tämä tuli mahdolliseksi vasta XX vuosisadan 30-luvulla ja on seurausta mikrobiologian kehityksen harppauksesta. On käynyt ilmi, että tämä prosessi johtuu anaerobisista bakteereista, jotka ovat maapallon vanhimpia elämänmuotoja. Ne "jauhavat" orgaanista ainetta anaerobisessa ympäristössä (aerobinen hajoaminen vaatii paljon happea ja tuottaa lämpöä). Tällaisia prosesseja esiintyy luonnollisesti myös suoissa, suoissa, riisipelloilla, peitetyissä laguuneissa jne.
Nykyaikaiset biokaasun tuotantojärjestelmät ovat yleistymässä joissakin maissa, ja Ruotsi on johtavassa asemassa sekä biokaasun tuotannossa että siihen soveltuvissa ajoneuvoissa. Synteesiyksiköissä käytetään erityisesti suunniteltuja biogeneraattoreita, suhteellisen edullisia ja yksinkertaisia laitteita, jotka luovat sopivan ympäristön bakteereille, jotka tyypistä riippuen "toimivat" tehokkaimmin 40-60 asteen lämpötiloissa. Biokaasulaitosten lopputuotteet sisältävät kaasun lisäksi myös runsaasti ammoniakkia, fosforia ja muita maataloudessa maaperän lannoitteiksi soveltuvia alkuaineita.
