Proovisõidu alternatiivid: OSA 1 – Gaasitööstus
70-ndatel katsetas Wilhelm Maybach mitmesuguste sisepõlemismootorite konstruktsioonidega, muutis mehhanisme ja mõtles üksikute osade tootmiseks kõige sobivamate sulamite kohta. Ta mõtleb sageli, millised tollal teadaolevatest põlevatest ainetest oleks kõige sobivamad soojamootorites kasutamiseks.
70-ndatel katsetas Wilhelm Maybach mitmesuguste sisepõlemismootorite konstruktsioonidega, muutis mehhanisme ja mõtles üksikute osade tootmiseks kõige sobivamate sulamite kohta. Ta mõtleb sageli, millised tollal teadaolevatest põlevatest ainetest oleks kõige sobivamad soojamootorites kasutamiseks.
1875. aastal, kui ta oli Gasmotorenfabrik Deutzi töötaja, otsustas Wilhelm Maybach katsetada, kas ta suudab vedelkütusel – täpsemalt bensiinil – töötada gaasimootoriga. Tal tekkis pähe kontrollida, mis juhtuks, kui ta gaasikraani sulgeks ja selle asemel sisselaskekollektori ette asetaks bensiiniga leotatud riidetüki. Mootor ei seisku, vaid jätkab tööd, kuni "imeb" koest kogu vedeliku. Nii sündiski idee esimesest improviseeritud "karburaatorist" ja pärast auto loomist sai selle peamiseks kütuseks bensiin.
Räägin selle loo meelde tuletamaks, et enne bensiini ilmumist kütusele alternatiivina kasutasid esimesed mootorid kütusena gaasi. Siis oli tegemist valgustusgaasi (valgustus) kasutamisega, mis saadi tänapäeval mitte tuntud meetoditega, vaid söe töötlemisega. Šveitslase Isaac de Rivaki leiutatud mootor, esimene "vabalthingav" (tihendamata) tööstusliku kvaliteediga etüleen-Lenoiri mootor alates aastast 1862, ja Otto poolt veidi hiljem loodud klassikaline neljataktiline seade töötavad gaasil.
Siinkohal tuleb mainida maagaasi ja vedelgaasi erinevust. Maagaas sisaldab 70–98% metaani, ülejäänud on kõrgemad orgaanilised ja anorgaanilised gaasid nagu etaan, propaan ja butaan, süsinikoksiid jt. Nafta sisaldab ka erinevas vahekorras gaase, kuid need gaasid eralduvad fraktsioneeriva destilleerimise teel või toodetakse rafineerimistehastes mõne kõrvalprotsessi käigus. Gaasiväljad on väga erinevad - puhas gaas või "kuiv" (see tähendab, et sisaldab peamiselt metaani) ja "märg" (sisaldab metaani, etaani, propaani, mõnda muud raskemat gaasi ja isegi "bensiini" - kerge vedelik, väga väärtuslikud fraktsioonid) . Ka õlide tüübid on erinevad ning gaaside kontsentratsioon neis võib olla kas väiksem või suurem. Tihti on väljad kombineeritud – gaas tõuseb naftast kõrgemale ja toimib "gaasikorkina". “Korki” ja peamise naftavälja koostis sisaldab ülalmainitud aineid ning erinevad fraktsioonid “voolavad” piltlikult öeldes üksteise sisse. Sõidukite kütusena kasutatav metaan "tuleb" maagaasist ja meile tuntud propaani-butaani segu nii maagaasi- kui naftaväljadelt. Umbes 6% maailma maagaasist toodetakse söemaardlatest, millega sageli kaasnevad gaasimaardlad.
Propaan-butaan ilmub stseenile mõnevõrra paradoksaalselt. 1911. aastal andis üks naftafirma nördinud ameeriklasest klient oma sõbrale, kuulsale keemikule dr Snellingile ülesandeks välja selgitada salapärase sündmuse põhjused. Kliendi pahameele põhjus on see, et klient saab üllatusega teada, et pool tankla paagist on äsja täidetud. Ford Ta kadus teadmata viisil lühikese reisi ajal tema majja. Paak ei voola tühjalt kohalt ... Pärast paljusid katseid avastas dr Snelling, et saladuse põhjuseks oli propaani- ja butaangaaside kõrge sisaldus kütuses ning varsti pärast seda töötas ta välja esimesed praktilised destilleerimismeetodid. neid. Just nende fundamentaalsete edusammude tõttu peetakse dr Snellingit nüüd tööstuse "isaks".
Palju varem, umbes 3000 aastat tagasi, avastasid karjased Kreekas Paranase mäelt "leegitseva allika". Hiljem ehitati sellele "pühale" paigale leegitsevate sammastega tempel ja oraakel Delphius luges oma palved majesteetliku kolossi ees, põhjustades inimestes lepitust, hirmu ja imetlust. Tänapäeval on osa sellest romantikast kadunud, kuna teame, et leegi allikaks on gaasiväljade sügavusega seotud kivimipragudest voolav metaan (CH4). Kaspia mere ranniku lähedal on Iraagis, Iraanis ja Aserbaidžaanis mitmel pool sarnaseid tulekahjusid, mis on samuti põlenud sajandeid ja mida on pikka aega tuntud kui "Pärsia igavesed leegid".
Aastaid hiljem kasutasid hiinlased ka põldudelt pärit gaase, kuid seda väga pragmaatilise eesmärgiga - suurte katelde kütmiseks mereveega ja sellest soola ammutamiseks. 1785. aastal lõid britid meetodi kivisöest metaani tootmiseks (mida kasutati esimestes sisepõlemismootorites) ning kahekümnenda sajandi alguses patenteerisid Saksa keemikud Kekule ja Stradonitz protsessi sellest raskema vedelkütuse tootmiseks.
1881. aastal puuris William Hart Ameerika linna Fredonia esimese gaasikaevu. Hart jälgis lähedalasuvas lahes pikka aega veepinnale kerkivaid mullikesi ja otsustas kavandatavale gaasiväljale maapinnast augu kaevata. Üheksa meetri sügavusel maapinnast jõudis ta veeni, millest purskas välja gaas, mille ta hiljem kinni püüdis ning tema vastloodud Fredonia Gas Light Companyst sai gaasiäri pioneer. Vaatamata Harti läbimurdele saadi aga XNUMX. sajandil kasutatud valgustusgaas ülalkirjeldatud meetodil peamiselt kivisöest – seda peamiselt seetõttu, et puudus potentsiaal maagaasi põldudelt transportimise tehnoloogiate arendamiseks.
Esimene kaubanduslik õlitootmine oli aga juba siis tõsiasi. Nende ajalugu sai alguse USA-s 1859. aastal ja idee oli kasutada ekstraheeritud õlist petrooleumi destilleerimiseks valgustuseks ja õlisid aurumasinate jaoks. Juba siis seisid inimesed silmitsi maagaasi hävitava jõuga, mis oli tuhandeid aastaid maa sisikonnas kokku surutud. Edwin Drake'i grupi pioneerid said peaaegu surma Pennsylvanias Titusville'i lähistel toimunud esimesel eksprompt-puurimisel, kui purunemisest lekkis gaas, puhkes hiiglaslik tulekahju, mis viis minema kogu varustuse. Tänapäeval kaasneb nafta- ja gaasiväljade ekspluateerimisega erimeetmete süsteem põlevgaasi vaba liikumise tõkestamiseks, kuid tulekahjud ja plahvatused pole haruldased. Sama gaasi kasutatakse aga paljudel juhtudel omamoodi “pumbana”, mis nafta pinnale surub ja selle rõhu langedes hakkavad naftamehed “musta kulla” ammutamiseks muid meetodeid otsima ja kasutama.
Süsivesinikgaaside maailm
1885. aastal, neli aastat pärast William Harti esimest gaasipuurimist, leiutas teine ameeriklane Robert Bunsen seadme, mida hiljem hakati nimetama "Bunseni põletiks". Leiutise eesmärk on doseerida ja segada sobivas vahekorras gaas ja õhk, mida saab seejärel kasutada ohutuks põlemiseks – just see põleti on tänapäeval kaasaegsete ahjude ja kütteseadmete hapnikuotsikute aluseks. Bunseni leiutis avas uusi võimalusi maagaasi kasutamiseks, kuid kuigi esimene gaasitoru ehitati juba 1891. aastal, omandas sinine kütus kaubandusliku tähtsuse alles II maailmasõjani.
Just sõja ajal loodi piisavalt töökindlad lõikamis- ja keevitusmeetodid, mis võimaldasid ehitada ohutuid metallist gaasitorusid. Neid ehitati pärast sõda Ameerikas tuhandeid kilomeetreid ja 60ndatel ehitati torujuhe Liibüast Itaaliasse. Suured maagaasi leiukohad on avastatud ka Hollandis. Need kaks fakti selgitavad paremat infrastruktuuri surumaagaasi (CNG) ja veeldatud naftagaasi (LPG) kasutamiseks sõidukikütusena nendes kahes riigis. Tohutut strateegilist tähtsust, mida maagaas hakkab omandama, kinnitab järgmine fakt – kui Reagan otsustas 80ndatel hävitada "kurjuse impeeriumi", pani ta veto kõrgtehnoloogiliste seadmete tarnimisele gaasitoru ehitamiseks NSVL Euroopasse. Euroopa vajaduste kompenseerimiseks kiireneb gaasijuhtme ehitamine Põhjamere Norra sektorist Mandri-Euroopasse ja NSVL ripub. Tol ajal oli gaasieksport Nõukogude Liidu jaoks peamine kõva valuuta allikas ning Reagani meetmetest tulenev tõsine defitsiit viis peagi 90. aastate alguse tuntud ajaloosündmusteni.
Tänapäeval on demokraatlik Venemaa Saksamaa energiavajaduste rahuldamiseks peamine maagaasi tarnija ja selles valdkonnas oluline globaalne tegija. Maagaasi tähtsus hakkas kasvama pärast kahte 70. aastate naftakriisi ning tänapäeval on see üks peamisi geostrateegilise tähtsusega energiaressursse. Praegu on maagaas odavaim küttekütus, seda kasutatakse lähteainena keemiatööstuses, elektritootmisel, kodumasinate valmistamisel ning selle "tädipoega" propaani võib isegi deodorandipudelitest leida. osoonikihti kahandavate fluoriühendite asendaja. Maagaasi tarbimine kasvab pidevalt ja gaasitrasside võrk pikeneb. Mis puutub seni ehitatud taristusse selle kütuse kasutamiseks autodes, siis kõik jääb kaugele maha.
Oleme teile juba rääkinud kummalistest otsustest, mida jaapanlased Teise maailmasõja ajal väga vajaliku ja nappi kütuse tootmisel tegid, ning mainisime ka sünteetilise bensiini tootmise programmi Saksamaal. Vähe teatakse aga tõsiasjast, et lahjadel sõja-aastatel Saksamaal sõitsid päris ehtsad ... puiduga autod! Antud juhul pole tegemist vana hea aurumasina naasmisega, vaid sisepõlemismootoritega, mis olid algselt mõeldud bensiiniga töötama. Tegelikult pole idee väga keeruline, vaid eeldab mahuka, raske ja ohtliku gaasigeneraatorisüsteemi kasutamist. Süsi, süsi või lihtsalt puit asetatakse spetsiaalsesse ja mitte väga keerukasse elektrijaama. Selle põhjas põlevad nad hapniku puudumisel ning kõrge temperatuuri ja niiskuse tingimustes eraldub gaas, mis sisaldab süsinikmonooksiidi, vesinikku ja metaani. Seejärel jahutatakse, puhastatakse ja juhitakse ventilaatori abil mootori sisselaskekollektoritesse kütusena kasutamiseks. Loomulikult täitsid nende masinate juhid tuletõrjujate keerulisi ja raskeid ülesandeid - katelt tuli perioodiliselt laadida ja puhastada ning suitsumasinad nägid tõesti veidi välja nagu auruvedurid.
Tänapäeval nõuavad gaasiuuringud üht maailma kõige keerukamat tehnoloogiat ning maagaasi ja nafta ammutamine on teaduse ja tehnoloogia üks suurimaid väljakutseid. See tõsiasi kehtib eriti USA-s, kus vanadele või mahajäetud põldudele jäänud gaasi "imemiseks" ja ka nn "tiheda" gaasi ammutamiseks kasutatakse üha enam ebatavalisi meetodeid. Teadlaste sõnul kulub 1985. aastal tehnoloogia tasemel gaasi tootmiseks nüüd kaks korda rohkem puurimist. Meetodite efektiivsus on oluliselt suurenenud ja seadmete kaal on vähenenud 75%. Gravimeetrite, seismiliste tehnoloogiate ja lasersatelliitide andmete analüüsimiseks kasutatakse järjest keerukamaid arvutiprogramme, millest luuakse veehoidlate kolmemõõtmelised arvutipõhised kaardid. Samuti on loodud nn 4D-kujutised, tänu millele on võimalik visualiseerida lademete vorme ja liikumisi ajas. Avamere maagaasi tootmiseks jäävad aga alles nüüdisaegsed rajatised – see on vaid murdosa inimkonna edusammudest selles valdkonnas – globaalsed positsioneerimissüsteemid puurimiseks, ülisügavad puurimised, ookeanipõhja torujuhtmed ja veeldatud kliirensisüsteemid. süsinikmonooksiid ja liiv.
Õli rafineerimine kvaliteetse bensiini saamiseks on palju keerulisem ülesanne kui gaaside rafineerimine. Teisest küljest on gaasi transport meritsi palju kulukam ja keerulisem. LPG tankerid on disainilt üsna keerukad, kuid LNG-tankerid on vapustav looming. Butaan veeldub -2 kraadi juures, propaan aga -42 kraadi juures ehk suhteliselt madalal rõhul. Metaani veeldamiseks kulub aga -165 kraadi! Sellest tulenevalt vajab LPG tankerite ehitus lihtsamaid kompressorjaamu kui maagaasil ja mahuteid, mis on projekteeritud taluma mitte eriti kõrget 20-25 baarist rõhku. Seevastu veeldatud maagaasi tankerid on varustatud pideva jahutussüsteemide ja üliisolatsiooniga mahutitega – tegelikult on need kolossid maailma suurimad krüogeensed külmikud. Osa gaasist õnnestub aga nendest paigaldistest "lahkuda", kuid teine süsteem püüab selle kohe kinni ja söödab laeva mootorisilindritesse.
Eeltoodud põhjustel on täiesti arusaadav, et juba 1927. aastal võimaldas tehnoloogia esimestel propaan-butaanimahutitel ellu jääda. See on Hollandi-Inglise Shelli töö, mis tol ajal oli juba hiiglaslik ettevõte. Tema ülemus Kessler on edasijõudnud mees ja eksperimenteerija, kes on juba ammu unistanud kasutada kuidagi ära tohutut gaasikogust, mis seni on atmosfääri lekkinud või naftatöötlemistehastes maha põlenud. Tema ideel ja initsiatiivil loodi esimene 4700 tonnise kandevõimega avamerelaev, mis transpordib tekitankide kohal eksootilise välimusega ja muljetavaldavate mõõtmetega süsivesinikgaase.
Gaasiettevõtte Constock International Methane Limited tellimusel ehitatud esimese Methane Pioneeri metaanikandja ehitamiseks kulub aga veel kolmkümmend kaks aastat. Shell, millel on juba stabiilne infrastruktuur vedelgaasi tootmiseks ja turustamiseks, ostis selle ettevõtte ja peagi ehitati veel kaks tohutut tankerit - Shell asus veeldatud maagaasi äri arendama. Kui Inglismaale kuuluva Conway saare, kuhu ettevõte metaanihoidlaid ehitab, elanikud mõistavad, mida tegelikult ladustatakse ja nende saarele transporditakse, on nad šokis ja hirmul, arvates (ja õigustatult), et laevad on lihtsalt hiiglaslikud pommid. Siis oli ohutuse probleem tõesti aktuaalne, kuid tänapäeval on veeldatud metaani veoks kasutatavad tankerid üliturvalised ja mitte ainult ühed ohutumaid, vaid ka keskkonnasõbralikumaid merelaevu – keskkonnale võrreldamatult ohutumad kui naftatankerid. Tankeripargi suurim klient on Jaapan, millel pole praktiliselt mingeid kohalikke energiaallikaid ning saarele gaasitrasside ehitamine on väga raske ettevõtmine. Jaapanis on ka suurim gaasisõidukite "park". Peamised veeldatud maagaasi (LNG) tarnijad on tänapäeval USA, Omaan ja Kanada, Katar.
Viimasel ajal on maagaasist vedelate süsivesinike tootmine muutunud üha populaarsemaks. Tegemist on peamiselt metaanist sünteesitud ülipuhta diislikütusega ja see tööstusharu areneb tulevikus eeldatavasti kiirendatud tempos. Näiteks Bushi energiapoliitika nõuab kohalike energiaallikate kasutamist ja Alaskal on suured maagaasivarud. Neid protsesse stimuleerivad suhteliselt kõrged naftahinnad, mis loovad eeldused kallite tehnoloogiate arendamiseks – GTL (Gas-to-Liquids) on vaid üks neist.
Põhimõtteliselt ei ole GTL uus tehnoloogia. Selle lõid 20. aastatel Saksa keemikud Franz Fischer ja Hans Tropsch, keda mainiti eelmistes numbrites oma sünteetilise programmi osana. Erinevalt kivisöe hävitavast hüdrogeenimisest toimuvad siin aga kergete molekulide liitmise protsessid pikemateks sidemeteks. Lõuna-Aafrika on sellist kütust tööstuslikus mahus tootnud alates 50. aastatest. Huvi nende vastu on aga viimastel aastatel kasvanud, otsides uusi võimalusi kahjulike kütuseheitmete vähendamiseks USA-s. Suured naftafirmad nagu BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol ja Royal Dutch/Shell kulutavad tohutuid summasid GTL-iga seotud tehnoloogiate arendamiseks ning nende arengute tulemusena arutatakse üha enam poliitilisi ja sotsiaalseid aspekte. stiimulite nägu. maksud puhta kütuse tarbijatele. Need kütused võimaldavad paljudel diislikütuse tarbijatel asendada see keskkonnasõbralikumaga ja vähendavad autoettevõtete kulusid, et saavutada uusi seadusega kehtestatud kahjulikke heitkoguseid. Hiljutised põhjalikud katsetused näitavad, et GTL-kütused vähendavad süsinikmonooksiidi 90%, süsivesinikke 63% ja tahma 23%, ilma et oleks vaja diisli tahkete osakeste filtreid. Lisaks võimaldab selle kütuse vähese väävlisisaldusega kütus kasutada täiendavaid katalüsaatoreid, mis võivad sõidukite heitgaase veelgi vähendada.
GTL-kütuse oluline eelis on see, et seda saab kasutada otse diiselmootorites ilma agregaatide muudatusteta. Neid võib segada ka 30–60 ppm väävlit sisaldavate kütustega. Erinevalt maagaasist ja veeldatud naftagaasidest ei ole vedelkütuste transportimiseks vaja olemasolevat transpordi infrastruktuuri muuta. Rentechi presidendi Denis Yakubsoni sõnul võiks seda tüüpi kütus ideaaljuhul täiendada diiselmootorite keskkonnasõbralikku majanduslikku potentsiaali ning Shell ehitab Katarisse praegu suurt 22,3 miljardi dollari suurust tehast, mille võimsus on XNUMX miljonit liitrit sünteetilist kütust päevas. ... Nende kütuste suurim probleem tuleneb suurtest investeeringutest uutesse rajatistesse ja tavaliselt kulukast tootmisprotsessist.
Biogaas
Metaani allikaks pole aga ainult maa-alused maardlad. 1808. aastal katsetas Humphry Davy vaakumretorti asetatud õlgedega ja tootis biogaasi, mis sisaldas peamiselt metaani, süsinikdioksiidi, vesinikku ja lämmastikku. Biogaasist räägib ka Daniel Defoe oma romaanis "kadunud saarest". Selle idee ajalugu on aga veelgi vanem – 1776. sajandil uskus Jan Baptita Van Helmont, et orgaaniliste ainete lagunemisel on võimalik saada põlevaid gaase ning sarnastele järeldustele jõudis ka krahv Alexander Volta (patarei looja). aastal 1859. Esimene biogaasijaam alustas tööd Bombays ja asutati samal aastal, kui Edwin Drake tegi esimese eduka naftapuurimise. India tehas töötleb väljaheiteid ja varustab gaasi tänavavalgustite jaoks.
Kulub palju aega, enne kui biogaasi tootmise keemilisi protsesse põhjalikult mõistetakse ja uuritakse. See sai võimalikuks alles XX sajandi 30. aastatel ja on hüppelise mikrobioloogia tulemus. Selgub, et selle protsessi põhjustavad anaeroobsed bakterid, mis on üks vanimaid eluvorme Maal. Nad “jahvatavad” anaeroobses keskkonnas orgaanilist ainet (aeroobne lagunemine nõuab palju hapnikku ja tekitab soojust). Sellised protsessid toimuvad looduslikult ka soodes, soodes, riisiväljadel, kaetud laguunides jne.
Kaasaegsed biogaasi tootmissüsteemid muutuvad mõnes riigis populaarsemaks ning Rootsi on nii biogaasi tootmise kui ka sellega sõitmiseks kohandatud sõidukite osas liider. Sünteesisõlmedes kasutatakse spetsiaalselt disainitud biogeneraatoreid, suhteliselt odavaid ja lihtsaid seadmeid, mis loovad sobiva keskkonna bakteritele, mis olenevalt tüübist “töötavad” kõige tõhusamalt temperatuurivahemikus 40-60 kraadi. Biogaasijaamade lõpp-produktid sisaldavad lisaks gaasile ka ammoniaagi-, fosfori- ja muude elementiderikkaid ühendeid, mis sobivad põllumajanduses mullaväetisena kasutamiseks.
