Alternative za probnu vožnju: 1. DIO – Industrija plina

70-ih godina Wilhelm Maybach eksperimentirao je s različitim dizajnom motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, promijenio mehanizme i razmišljao o najprikladnijim legurama za proizvodnju pojedinih dijelova. Često se pita koja bi od tada poznatih zapaljivih tvari bila najprikladnija za upotrebu u toplotnim strojevima.

70-ih godina Wilhelm Maybach eksperimentirao je s različitim dizajnom motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, promijenio mehanizme i razmišljao o najprikladnijim legurama za proizvodnju pojedinih dijelova. Često se pita koja bi od tada poznatih zapaljivih tvari bila najprikladnija za upotrebu u toplotnim strojevima.

Godine 1875., kada je bio zaposlenik Gasmotorenfabrik Deutz, Wilhelm Maybach je odlučio da testira da li može da pokreće gasni motor na tečno gorivo – tačnije, na benzin. Palo mu je na pamet da provjeri šta će se dogoditi ako zatvori ventil za gas i umjesto toga stavi komad tkanine natopljen benzinom ispred usisne grane. Motor se ne zaustavlja, već nastavlja da radi sve dok ne “isiše” svu tečnost iz tkiva. Tako se rodila ideja o prvom improviziranom "karburatoru", a nakon stvaranja automobila, benzin je postao glavno gorivo za njega.

Ovu priču pričam da bih vas podsjetio da su se prije nego što se benzin pojavio kao alternativa gorivu, prvi motori koristili plin kao gorivo. Tada se radilo o upotrebi (rasvjetnog) plina za osvjetljenje, dobivenog danas nepoznatim metodama, već preradom uglja. Motor, koji je izumio Švicarac Isaac de Rivac, prvi "prirodno usisani" (nekomprimovani) industrijski motor od etilen-lenoira od 1862. godine i klasična četverotaktna jedinica koju je Otto stvorio nešto kasnije, rade na plin.

Ovdje je potrebno spomenuti razliku između prirodnog plina i ukapljenog naftnog plina. Prirodni plin sadrži 70 do 98% metana, a ostatak su viši organski i neorganski plinovi kao što su etan, propan i butan, ugljični monoksid i drugi. Nafta također sadrži plinove u različitim omjerima, ali se ti plinovi oslobađaju frakcijskom destilacijom ili se proizvode nekim sporednim procesima u rafinerijama. Plinska polja su vrlo različita - čisti plin ili "suha" (odnosno koja sadrži uglavnom metan) i "mokra" (sadrži metan, etan, propan, neke druge teže plinove, pa čak i "benzin" - laka tekućina, vrlo vrijedne frakcije) . Vrste ulja su također različite, a koncentracija plinova u njima može biti niža ili veća. Polja se često kombinuju – gas se uzdiže iznad nafte i deluje kao „gasna kapa“. Sastav "kapa" i glavnog naftnog polja uključuje gore navedene tvari, a različite frakcije, slikovito rečeno, "prelijevaju" jedna u drugu. Metan koji se koristi kao gorivo za vozila "dolazi" iz prirodnog plina, a mješavina propan-butana koju poznajemo dolazi i iz polja prirodnog plina i iz naftnih polja. Oko 6% svjetskog prirodnog plina proizvodi se iz ležišta uglja, koja su često praćena nalazištima plina.

Propan-butan se pojavljuje na sceni na pomalo paradoksalan način. Ogorčeni američki klijent naftne kompanije 1911. godine naložio je svom prijatelju, čuvenom hemičaru dr. Snellingu, da otkrije razloge misterioznog događaja. Razlog ljutnje kupca je taj što je kupac iznenađen kad sazna da je polovica spremnika punionice upravo napunjena. Ford Ona je nestala nepoznatim putem tokom kratkog putovanja do njegove kuće. Rezervoar ne teče niotkuda ... Nakon mnogih eksperimenata, dr Snelling je otkrio da je razlog misterije visok sadržaj plinova propana i butana u gorivu, a ubrzo nakon toga razvio je prve praktične metode destilacije njih. Zbog ovih temeljnih pomaka dr. Snelling se sada smatra "ocem" industrije.

Mnogo ranije, prije oko 3000 godina, pastiri su otkrili "plameni izvor" na planini Paranas u Grčkoj. Kasnije je na ovom "svetom" mjestu sagrađen hram sa zapaljenim stupovima, a proročište Delfij čitao je svoje molitve pred veličanstvenim kolosom, izazivajući kod ljudi osjećaj pomirenja, straha i divljenja. Danas se dio te romantike gubi jer znamo da je izvor plamena metan (CH4) koji teče iz pukotina u stijenama povezanim s dubinama plinskih polja. Sličnih požara ima na mnogim mjestima u Iraku, Iranu i Azerbejdžanu u blizini obala Kaspijskog mora, koji takođe gore vijekovima i odavno su poznati kao "Vječni plamen Perzije".

Mnogo godina kasnije, Kinezi su takođe koristili gasove sa polja, ali sa vrlo pragmatičnom svrhom - da zagreju velike kotlove morskom vodom i iz nje izvuku so. Britanci su 1785. godine stvorili metodu za proizvodnju metana iz uglja (koji se koristio u prvim motorima sa unutrašnjim sagorevanjem), a početkom dvadesetog veka, nemački hemičari Kekule i Stradonitz patentirali su postupak za proizvodnju težeg tečnog goriva iz njega.

Godine 1881. William Hart je izbušio prvu plinsku bušotinu u američkom gradu Fredoniji. Hart je dugo posmatrao mehuriće koji se dižu na površinu vode u obližnjem zalivu i odlučio da iskopa rupu od zemlje do predloženog gasnog polja. Na dubini od devet metara ispod površine, stigao je do vene iz koje je šikljao gas, koju je kasnije zarobio, a njegova novoformirana kompanija Fredonia Gas Light Company postala je pionir u poslovanju sa gasom. Međutim, uprkos Hartovom prodoru, gas za osvetljenje koji se koristio u XNUMX. veku vađen je uglavnom iz uglja gore opisanom metodom - uglavnom zbog nedostatka potencijala za razvoj tehnologija za transport prirodnog gasa sa polja.

Međutim, prva komercijalna proizvodnja nafte je već tada bila činjenica. Njihova povijest je započela u SAD-u 1859. godine, a ideja je bila da se ekstrahirano ulje koristi za destilaciju kerozina za rasvjetu i ulja za parne mašine. Čak i tada, ljudi su bili suočeni sa razornom snagom prirodnog gasa, kompresovanog hiljadama godina u utrobi zemlje. Pioniri grupe Edvina Drejka zamalo su poginuli tokom prvog improvizovanog bušenja u blizini Titusvila u Pensilvaniji, kada je gas iscurio iz proboja, izbio je džinovski požar koji je odneo svu opremu. Danas eksploataciju naftnih i gasnih polja prati i sistem posebnih mjera za blokiranje slobodnog protoka zapaljivog gasa, ali požari i eksplozije nisu rijetkost. Međutim, isti se plin u mnogim slučajevima koristi kao svojevrsna “pumpa” koja gura naftu na površinu, a kada joj tlak padne, naftaši počinju tražiti i koristiti druge metode za vađenje “crnog zlata”.

Svijet ugljikovodičnih plinova

Godine 1885, četiri godine nakon prvog bušenja plina Williama Harta, drugi Amerikanac, Robert Bunsen, izumio je uređaj koji je kasnije postao poznat kao "Bunsenov gorionik". Izum služi za doziranje i miješanje plina i zraka u odgovarajućem omjeru, koji se potom mogu koristiti za sigurno sagorijevanje - upravo je ovaj gorionik danas osnova modernih mlaznica kisika za peći i uređaje za grijanje. Bunsenov izum otvorio je nove mogućnosti za korištenje prirodnog plina, ali iako je prvi plinovod izgrađen još 1891. godine, plavo gorivo nije dobilo komercijalni značaj sve do Drugog svjetskog rata.

Tokom rata stvorene su dovoljno pouzdane metode rezanja i zavarivanja, što je omogućilo izgradnju sigurnih metalnih plinovoda. Hiljade kilometara ih je izgrađeno u Americi nakon rata, a naftovod od Libije do Italije izgrađen je 60-ih godina. U Holandiji su otkrivena i velika nalazišta prirodnog gasa. Ove dvije činjenice objašnjavaju bolju infrastrukturu za korištenje komprimovanog prirodnog plina (CNG) i tečnog naftnog plina (LPG) kao goriva za vozila u ove dvije zemlje. Ogroman strateški značaj koji prirodni gas počinje da dobija potvrđuje i sledeća činjenica - kada je Regan 80-ih odlučio da uništi "Imperiju zla", stavio je veto na nabavku visokotehnološke opreme za izgradnju gasovoda iz SSSR u Evropu. Kako bi se nadoknadile evropske potrebe, ubrzava se izgradnja gasovoda od norveškog sektora Sjevernog mora do kontinentalne Evrope, a SSSR visi. U to vrijeme, izvoz plina bio je glavni izvor čvrste valute za Sovjetski Savez, a ozbiljne nestašice koje su rezultat Reaganovih mjera ubrzo su dovele do dobro poznatih istorijskih događaja ranih 90-ih.

Danas je demokratska Rusija glavni snabdjevač prirodnim plinom njemačkih energetskih potreba i glavni globalni igrač u ovoj oblasti. Značaj prirodnog plina počeo je rasti nakon dvije naftne krize 70-ih godina, te je danas jedan od glavnih energetskih resursa od geostrateškog značaja. Prirodni plin je trenutno najjeftinije gorivo za grijanje, koristi se kao sirovina u hemijskoj industriji, za proizvodnju električne energije, za kućne aparate, a njegov "rođak" propan se čak može naći u bocama dezodoransa kao dezodorans. zamjena za spojeve fluora koji oštećuju ozonski omotač. Potrošnja prirodnog gasa stalno raste, a gasovodna mreža je sve duža. Što se tiče do sada izgrađene infrastrukture za korišćenje ovog goriva u automobilima, sve je daleko iza.

Već smo vam govorili o čudnim odlukama koje su Japanci donijeli u proizvodnji prijeko potrebnog i deficitarnog goriva tokom Drugog svjetskog rata, a spomenuli smo i program proizvodnje sintetičkog benzina u Njemačkoj. Međutim, malo se zna o činjenici da je u mršavim ratnim godinama u Njemačkoj bilo sasvim pravih automobila koji su vozili po ... drvetu! U ovom slučaju ne radi se o povratku na staru dobru parnu mašinu, već na motore sa unutrašnjim sagorevanjem, prvobitno dizajnirane da rade na benzin. Zapravo, ideja nije mnogo komplikovana, ali zahteva upotrebu glomaznog, teškog i opasnog sistema generatora gasa. Ugalj, ćumur ili samo drvo se stavlja u posebnu i ne baš složenu elektranu. Na njegovom dnu izgaraju u nedostatku kiseonika, a u uslovima visoke temperature i vlage oslobađa se gas koji sadrži ugljen monoksid, vodonik i metan. Zatim se hladi, čisti i dovodi ventilatorom u usisne grane motora za upotrebu kao gorivo. Naravno, vozači ovih mašina obavljali su složene i teške funkcije vatrogasaca - kotao je morao povremeno da se puni i čisti, a mašine za pušenje zaista su pomalo ličile na parne lokomotive.

Danas je za istraživanje plina potrebna neka od najsofisticiranijih tehnologija na svijetu, a vađenje prirodnog plina i nafte jedan je od najvećih izazova s ​​kojima se susreće nauka i tehnologija. Ova činjenica je posebno istinita u SAD-u, gdje se sve više nekonvencionalnih metoda "usisava" plin koji je ostao na starim ili napuštenim poljima, kao i za vađenje takozvanog "zategnutog" plina. Prema naučnicima, sada će biti potrebno duplo više bušenja da bi se proizveo gas na nivou tehnologije iz 1985. godine. Efikasnost metoda je znatno povećana, a težina opreme je smanjena za 75%. Sve sofisticiraniji kompjuterski programi se koriste za analizu podataka sa gravimetara, seizmičkih tehnologija i laserskih satelita, od kojih se kreiraju trodimenzionalne kompjuterizovane karte rezervoara. Kreirane su i takozvane 4D slike, zahvaljujući kojima je moguće vizualizirati oblike i kretanja naslaga tokom vremena. Međutim, najmodernija postrojenja ostaju za proizvodnju prirodnog gasa na moru – samo delić ljudskog napretka u ovoj oblasti – globalni sistemi pozicioniranja za bušenje, ultra-duboko bušenje, cjevovodi na dnu okeana i sistemi za čišćenje u tečnom stanju. ugljični monoksid i pijesak.

Rafiniranje nafte za proizvodnju visokokvalitetnog benzina mnogo je složeniji zadatak od rafiniranja plinova. S druge strane, transport plina morem je mnogo skuplji i složeniji. TNG tankeri su prilično složeni u dizajnu, ali LNG nosači su zadivljujuća kreacija. Butan se ukapljuje na -2 stepena, dok se propan ukapljuje na -42 stepena ili relativno niskom pritisku. Međutim, potrebno je -165 stepeni da bi se metan rastopio! Shodno tome, konstrukcija TNG cisterni zahtijeva jednostavnije kompresorske stanice nego za prirodni plin i rezervoare koji su dizajnirani da izdrže ne posebno visoke pritiske od 20-25 bara. Nasuprot tome, tankeri za tečni prirodni gas opremljeni su sistemima za kontinuirano hlađenje i superizolovanim rezervoarima - u stvari, ovi kolosi su najveći kriogeni frižideri na svetu. Međutim, dio plina uspijeva "napustiti" ove instalacije, ali ga drugi sistem odmah hvata i ubacuje u cilindre brodskog motora.

Iz gore navedenih razloga, sasvim je razumljivo da je već 1927. tehnologija omogućila da prežive prvi rezervoari za propan-butan. Ovo je djelo holandsko-engleske kompanije Shell, koja je u to vrijeme već bila gigantska kompanija. Njen šef Kessler je napredan čovjek i eksperimentator koji je dugo sanjao da na neki način iskoristi ogromnu količinu plina koja je do sada iscurila u atmosferu ili izgorjela u rafinerijama nafte. Na njegovu ideju i inicijativu stvoren je prvi morski brod nosivosti 4700 tona za transport ugljikovodičnih plinova egzotičnog izgleda i impresivnih dimenzija iznad palubnih tankova.

Međutim, potrebne su još trideset i dvije godine da se izgradi prvi Methane Pioneer nosač metana, izgrađen po narudžbi gasne kompanije Constock International Methane Limited. Shell, koji već ima stabilnu infrastrukturu za proizvodnju i distribuciju TNG-a, kupio je ovu kompaniju, a vrlo brzo su izgrađena još dva ogromna tankera - Shell je počeo da razvija posao s tečnim prirodnim gasom. Kada stanovnici engleskog ostrva Konvej, gde kompanija gradi skladišta metana, shvate šta se zapravo skladišti i transportuje na njihovo ostrvo, šokirani su i uplašeni, misleći (i to s pravom) da su brodovi samo džinovske bombe. Tada je problem sigurnosti bio zaista aktuelan, ali danas su tankeri za transport ukapljenog metana izuzetno sigurni i ne samo da su jedni od najsigurnijih, već i jedni od ekološki najprihvatljivijih morskih plovila - neuporedivo sigurniji za okoliš od naftnih tankera. Najveći kupac tankerske flote je Japan, koji praktično nema lokalne izvore energije, a izgradnja gasovoda do ostrva je veoma težak poduhvat. Japan ima i najveći "park" vozila na gas. Glavni dobavljači tečnog prirodnog gasa (LNG) danas su Sjedinjene Američke Države, Oman i Katar, Kanada.

U posljednje vrijeme posao proizvodnje tekućih ugljovodonika iz prirodnog plina postaje sve popularniji. To je uglavnom ultra čisto dizel gorivo sintetizirano iz metana, a očekuje se da će se ova industrija u budućnosti razvijati ubrzanim tempom. Na primjer, Bushova energetska politika zahtijeva korištenje lokalnih izvora energije, a Aljaska ima velika nalazišta prirodnog plina. Ovi procesi su podstaknuti relativno visokim cijenama nafte, što stvara preduslove za razvoj skupih tehnologija - GTL (Gas-to-Liquids) je samo jedan od njih.

U osnovi, GTL nije nova tehnologija. Stvorili su ga 20-ih njemački hemičari Franz Fischer i Hans Tropsch, spomenuti u prethodnim brojevima kao dio njihovog sintetičkog programa. Međutim, za razliku od destruktivne hidrogenacije uglja, ovdje se odvijaju procesi spajanja lakih molekula u duže veze. Južna Afrika proizvodi takvo gorivo u industrijskim razmjerima od 50-ih. Međutim, interes za njih je porastao posljednjih godina u potrazi za novim mogućnostima za smanjenje štetnih emisija goriva u Sjedinjenim Državama. Velike naftne kompanije kao što su BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol i Royal Dutch/Shell troše ogromne sume na razvoj tehnologija povezanih s GTL-om, a kao rezultat ovog razvoja, politički i društveni aspekti se sve više raspravljaju u lice podsticaja. porezi na potrošače čistog goriva. Ova goriva će omogućiti mnogim potrošačima dizel goriva da ga zamijene ekološki prihvatljivijim i smanjit će troškove automobilskim kompanijama da ispune nove nivoe štetnih emisija određenih zakonom. Nedavna detaljna ispitivanja pokazuju da GTL goriva smanjuju ugljični monoksid za 90%, ugljovodonike za 63% i čađ za 23% bez potrebe za filterima za dizel čestice. Osim toga, priroda ovog goriva sa niskim sadržajem sumpora omogućava korištenje dodatnih katalizatora koji mogu dodatno smanjiti emisije iz vozila.

Važna prednost GTL goriva je što se može koristiti izravno u dizel motorima bez ikakvih preinaka na jedinicama. Također se mogu miješati s gorivima koja sadrže 30 do 60 ppm sumpora. Za razliku od prirodnog plina i ukapljenog naftnog plina, nema potrebe za promjenom postojeće prometne infrastrukture za prijevoz tečnih goriva. Prema riječima predsjednika Rentecha Denisa Yakubsona, ova vrsta goriva idealno bi mogla nadopuniti ekološki prihvatljiv ekonomski potencijal dizelskih motora, a Shell trenutno gradi veliko postrojenje u Kataru od 22,3 milijardi dolara, čiji je projektni kapacitet XNUMX miliona litara sintetičkog goriva dnevno. ... Najveći problem s tim gorivima proizlazi iz ogromnih investicija potrebnih za nova postrojenja i tipično skupog procesa proizvodnje.

Biogas

Međutim, izvor metana nisu samo podzemna ležišta. Godine 1808. Humphry Davy eksperimentirao je sa slamom postavljenom u vakuumsku retortu i proizveo biogas koji je uglavnom sadržavao metan, ugljični dioksid, vodik i dušik. Daniel Defoe takođe govori o biogasu u svom romanu o "izgubljenom ostrvu". Međutim, istorija ove ideje je još starija - u 1776. stoljeću Jan Baptita Van Helmont vjerovao je da se raspadom organskih tvari mogu dobiti zapaljivi plinovi, a do sličnih zaključaka došao je i grof Alexander Volta (tvorac baterije). 1859. godine. Prvo postrojenje za biogas počelo je sa radom u Bombaju i osnovano je iste godine kada je Edwin Drake proizveo prvo uspješno bušenje nafte. Indijska fabrika prerađuje fekalije i isporučuje plin za ulične svjetiljke.

Proći će puno vremena prije nego što se hemijski procesi u proizvodnji bioplina temeljito shvate i prouče. To je postalo moguće tek 30-ih godina XX vijeka i rezultat je skoka u razvoju mikrobiologije. Ispostavilo se da su ovaj proces uzrokovane anaerobnim bakterijama, koje su jedan od najstarijih oblika života na Zemlji. Oni "melju" organske tvari u anaerobnom okruženju (aerobno razlaganje zahtijeva puno kisika i stvara toplinu). Takvi se procesi prirodno javljaju i u močvarama, močvarama, neosvirenim poljima, natkrivenim lagunama itd.

Moderni sistemi za proizvodnju biogasa postaju sve popularniji u nekim zemljama, a Švedska je lider i u proizvodnji biogasa iu vozilima prilagođenim za rad na njemu. Jedinice za sintezu koriste posebno dizajnirane biogeneratore, relativno jeftine i jednostavne uređaje koji stvaraju pogodno okruženje za bakterije, koje, ovisno o svojoj vrsti, najefikasnije „rade“ na temperaturama u rasponu od 40 do 60 stepeni. Krajnji proizvodi bioplinskih postrojenja, osim plina, sadrže i spojeve bogate amonijakom, fosforom i drugim elementima pogodnim za korištenje u poljoprivredi kao gnojivo za tlo.