Alternatives d'essai routier : PARTIE 1 - Industrie du gaz

Dans les années 70, Wilhelm Maybach a expérimenté diverses conceptions de moteurs à combustion interne, modifié les mécanismes et pensé aux alliages les plus appropriés pour la production de pièces individuelles. Il se demande souvent laquelle des substances combustibles alors connues serait la plus appropriée pour une utilisation dans les moteurs thermiques.

Dans les années 70, Wilhelm Maybach a expérimenté diverses conceptions de moteurs à combustion interne, modifié les mécanismes et pensé aux alliages les plus appropriés pour la production de pièces individuelles. Il se demande souvent laquelle des substances combustibles alors connues serait la plus appropriée pour une utilisation dans les moteurs thermiques.

En 1875, alors qu'il était employé de la Gasmotorenfabrik Deutz, Wilhelm Maybach décida de tester s'il pouvait faire fonctionner un moteur à essence avec du carburant liquide - plus précisément avec de l'essence. Il lui vint à l'esprit de vérifier ce qui se passerait s'il fermait le robinet de gaz et plaçait à la place un morceau de tissu imbibé d'essence devant le collecteur d'admission. Le moteur ne s'arrête pas, mais continue de fonctionner jusqu'à ce qu'il "aspire" tout le liquide du tissu. C'est ainsi qu'est née l'idée du premier "carburateur" improvisé, et après la création de la voiture, l'essence en est devenue le principal carburant.

Je raconte cette histoire pour vous rappeler qu'avant l'apparition de l'essence comme alternative au carburant, les premiers moteurs utilisaient le gaz comme carburant. Il s'agissait ensuite de l'utilisation du gaz (d'éclairage) pour l'éclairage, obtenu par des méthodes inconnues aujourd'hui, mais par le traitement du charbon. Le moteur, inventé par le Suisse Isaac de Rivak, le premier moteur Ethylène Lenoir de qualité industrielle «à aspiration naturelle» (non compressé) depuis 1862, et le classique quatre temps créé par Otto un peu plus tard, fonctionnent au gaz.

Ici, il est nécessaire de mentionner la différence entre le gaz naturel et le gaz de pétrole liquéfié. Le gaz naturel contient de 70 à 98 % de méthane, le reste étant constitué de gaz organiques et inorganiques supérieurs tels que l'éthane, le propane et le butane, le monoxyde de carbone et autres. Le pétrole contient également des gaz dans des proportions variables, mais ces gaz sont libérés par distillation fractionnée ou sont produits par certains processus secondaires dans les raffineries. Les gisements de gaz sont très différents - gaz pur ou "sec" (c'est-à-dire contenant principalement du méthane) et "humide" (contenant du méthane, de l'éthane, du propane, d'autres gaz plus lourds et même de l'"essence" - liquide léger, fractions très précieuses) . Les types d'huiles sont également différents et la concentration de gaz qu'elles contiennent peut être inférieure ou supérieure. Les champs sont souvent combinés - le gaz s'élève au-dessus du pétrole et agit comme un "bouchon de gaz". La composition du «bouchon» et du champ pétrolifère principal comprend les substances mentionnées ci-dessus, et diverses fractions, au sens figuré, «coulent» les unes dans les autres. Le méthane utilisé comme carburant pour les véhicules "provient" du gaz naturel, et le mélange propane-butane que nous connaissons provient à la fois des gisements de gaz naturel et des gisements de pétrole. Environ 6 % du gaz naturel mondial est produit à partir de gisements de charbon, souvent accompagnés de gisements de gaz.

Le propane-butane fait son apparition de manière un peu paradoxale. En 1911, un client américain indigné d'une compagnie pétrolière chargea son ami, le célèbre chimiste Dr. Snelling, de découvrir les raisons de cet événement mystérieux. La raison de l'indignation du client est qu'il est surpris d'apprendre que la moitié du réservoir de la station-service vient d'être rempli. Ford Elle a disparu par des moyens inconnus lors d'un court voyage à sa maison. Le réservoir ne sort pas de nulle part ... Après de nombreuses expériences, le Dr Snelling a découvert que la raison du mystère était la teneur élevée en gaz propane et butane dans le carburant, et peu de temps après, il a développé les premières méthodes pratiques de distillation. eux. C'est à cause de ces avancées fondamentales que le Dr Snelling est maintenant considéré comme le « père » de l'industrie.

Bien plus tôt, il y a environ 3000 4 ans, les bergers ont découvert une «source flamboyante» sur le mont Paranas en Grèce. Plus tard, un temple aux colonnes enflammées a été construit sur ce lieu «sacré», et l'oracle Delphius a récité ses prières devant le majestueux colosse, faisant ressentir aux gens un sentiment de réconciliation, de peur et d'admiration. Aujourd'hui, une partie de cette romance est perdue parce que nous savons que la source de la flamme est le méthane (CHXNUMX) qui s'écoule des fissures dans les roches associées aux profondeurs des champs de gaz. Il y a des incendies similaires dans de nombreux endroits en Irak, en Iran et en Azerbaïdjan au large de la mer Caspienne, qui brûlent également depuis des siècles et sont connus depuis longtemps comme les «flammes éternelles de la Perse».

De nombreuses années plus tard, les Chinois ont également utilisé les gaz des champs, mais dans un but très pragmatique - chauffer de grandes chaudières avec de l'eau de mer et en extraire le sel. En 1785, les Britanniques ont créé une méthode pour produire du méthane à partir du charbon (qui était utilisé dans les premiers moteurs à combustion interne), et au début du XXe siècle, les chimistes allemands Kekule et Stradonitz ont breveté un procédé pour produire du carburant liquide plus lourd à partir de celui-ci.

En 1881, William Hart a foré le premier puits de gaz dans la ville américaine de Fredonia. Hart a longtemps regardé les bulles remonter à la surface de l'eau dans une baie voisine et a décidé de creuser un trou du sol jusqu'au gisement de gaz proposé. À une profondeur de neuf mètres sous la surface, il atteignit une veine d'où jaillit du gaz, qu'il captura plus tard, et sa nouvelle Fredonia Gas Light Company devint un pionnier dans le secteur du gaz. Cependant, malgré la percée de Hart, le gaz d'éclairage utilisé au XNUMXème siècle a été extrait principalement du charbon par la méthode décrite ci-dessus - principalement en raison du manque de potentiel de développement de technologies pour transporter le gaz naturel des champs.

Cependant, la première production commerciale de pétrole était déjà un fait à l'époque. Leur histoire a commencé aux États-Unis en 1859, et l'idée était d'utiliser l'huile extraite pour distiller du kérosène pour l'éclairage et des huiles pour les moteurs à vapeur. Même alors, les gens étaient confrontés au pouvoir destructeur du gaz naturel, comprimé depuis des milliers d'années dans les entrailles de la terre. Les pionniers du groupe d'Edwin Drake ont failli mourir lors du premier forage impromptu près de Titusville, en Pennsylvanie, lorsque du gaz s'est échappé de la brèche, un incendie géant s'est déclaré, emportant tout le matériel. Aujourd'hui, l'exploitation des gisements de pétrole et de gaz s'accompagne d'un système de mesures spéciales pour bloquer la libre circulation des gaz combustibles, mais les incendies et les explosions ne sont pas rares. Cependant, le même gaz est dans de nombreux cas utilisé comme une sorte de "pompe" qui pousse le pétrole à la surface, et lorsque sa pression baisse, les pétroliers commencent à rechercher et à utiliser d'autres méthodes pour extraire "l'or noir".

Le monde des gaz d'hydrocarbures

En 1885, quatre ans après le premier forage de gaz de William Hart, un autre Américain, Robert Bunsen, inventa un appareil qui devint plus tard connu sous le nom de " brûleur Bunsen ". L'invention sert à doser et à mélanger le gaz et l'air dans une proportion appropriée, qui peut ensuite être utilisée pour une combustion sûre - c'est ce brûleur qui est aujourd'hui à la base des buses à oxygène modernes pour les poêles et les appareils de chauffage. L'invention de Bunsen a ouvert de nouvelles possibilités d'utilisation du gaz naturel, mais bien que le premier gazoduc ait été construit dès 1891, le carburant bleu n'a pas acquis d'importance commerciale avant la Seconde Guerre mondiale.

C'est pendant la guerre que des méthodes de découpe et de soudage suffisamment fiables ont été créées, ce qui a permis de construire des gazoducs métalliques sûrs. Des milliers de kilomètres d'entre eux ont été construits en Amérique après la guerre, et le pipeline de la Libye à l'Italie a été construit dans les années 60. D'importants gisements de gaz naturel ont également été découverts aux Pays-Bas. Ces deux faits expliquent la meilleure infrastructure d'utilisation du gaz naturel comprimé (GNC) et du gaz de pétrole liquéfié (GPL) comme carburant automobile dans ces deux pays. L'énorme importance stratégique que le gaz naturel commence à acquérir est confirmée par le fait suivant - lorsque Reagan a décidé de détruire «l'empire du mal» dans les années 80, il a opposé son veto à la fourniture d'équipements de haute technologie pour la construction d'un gazoduc à partir du URSS en Europe. Pour compenser les besoins européens, la construction d'un gazoduc du secteur norvégien de la mer du Nord vers l'Europe continentale s'accélère, et l'URSS pend. À l'époque, les exportations de gaz étaient la principale source de devises fortes pour l'Union soviétique, et les graves pénuries résultant des mesures Reagan ont rapidement conduit aux événements historiques bien connus du début des années 90.

Aujourd'hui, la Russie démocratique est un important fournisseur de gaz naturel pour les besoins énergétiques de l'Allemagne et un acteur mondial majeur dans ce domaine. L'importance du gaz naturel a commencé à croître après les deux crises pétrolières des années 70, et c'est aujourd'hui l'une des principales ressources énergétiques d'importance géostratégique. Actuellement, le gaz naturel est le combustible le moins cher pour le chauffage, est utilisé comme matière première dans l'industrie chimique, pour la production d'électricité, pour les appareils électroménagers, et son "cousin" le propane peut même être trouvé dans des bouteilles de déodorant comme déodorant. remplacer les composés fluorés qui appauvrissent la couche d'ozone. La consommation de gaz naturel ne cesse de croître et le réseau de gazoducs s'allonge. Quant aux infrastructures construites jusqu'à présent pour l'utilisation de ce carburant dans les voitures, tout est loin derrière.

Nous vous avons déjà parlé des décisions étranges que les Japonais ont prises dans la production de carburant indispensable et rare pendant la Seconde Guerre mondiale, et avons également mentionné le programme de production d'essence synthétique en Allemagne. Cependant, on sait peu de choses sur le fait que pendant les années de guerre maigre en Allemagne, il y avait de vraies voitures roulant au ... bois! Dans ce cas, il ne s'agit pas d'un retour à la bonne vieille machine à vapeur, mais aux moteurs à combustion interne, conçus à l'origine pour fonctionner à l'essence. En fait, l'idée n'est pas très compliquée, mais nécessite l'utilisation d'un système générateur de gaz encombrant, lourd et dangereux. Le charbon, le charbon de bois ou simplement le bois est placé dans une centrale électrique spéciale et peu complexe. Au fond, ils brûlent en l'absence d'oxygène, et dans des conditions de température et d'humidité élevées, un gaz se dégage contenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et du méthane. Il est ensuite refroidi, nettoyé et alimenté par un ventilateur dans les collecteurs d'admission du moteur pour être utilisé comme carburant. Bien sûr, les conducteurs de ces machines remplissaient les fonctions complexes et difficiles des pompiers - la chaudière devait être chargée et nettoyée périodiquement, et les machines à fumer ressemblaient vraiment un peu à des locomotives à vapeur.

Aujourd'hui, l'exploration gazière nécessite certaines des technologies les plus sophistiquées au monde, et l'extraction du gaz naturel et du pétrole est l'un des plus grands défis auxquels sont confrontées la science et la technologie. Ce fait est particulièrement vrai aux États-Unis, où de plus en plus de méthodes non conventionnelles sont utilisées pour "aspirer" le gaz laissé dans les champs anciens ou abandonnés, ainsi que pour extraire le gaz dit "étanche". Selon les scientifiques, il faudra désormais deux fois plus de forage pour produire du gaz au niveau technologique de 1985. L'efficacité des méthodes est fortement augmentée et le poids des équipements a été réduit de 75 %. Des programmes informatiques de plus en plus sophistiqués sont utilisés pour analyser les données des gravimètres, des technologies sismiques et des satellites laser, à partir desquels des cartes informatisées en trois dimensions des réservoirs sont créées. Des images dites 4D ont également été créées, grâce auxquelles il est possible de visualiser les formes et les mouvements des dépôts dans le temps. Cependant, il reste des installations à la pointe de la technologie pour la production de gaz naturel offshore - seulement une fraction du progrès humain dans ce domaine - des systèmes de positionnement global pour le forage, le forage ultra-profond, les pipelines du fond de l'océan et les systèmes de dégagement liquéfiés. monoxyde de carbone et sable.

Le raffinage du pétrole pour produire de l'essence de haute qualité est une tâche beaucoup plus complexe que le raffinage des gaz. En revanche, le transport du gaz par voie maritime est beaucoup plus coûteux et complexe. Les méthaniers sont de conception assez complexe, mais les méthaniers sont une création étonnante. Le butane se liquéfie à -2 degrés, tandis que le propane se liquéfie à -42 degrés ou à une pression relativement basse. Or, il faut -165 degrés pour liquéfier le méthane ! Par conséquent, la construction de navires-citernes de GPL nécessite des stations de compression plus simples que pour le gaz naturel et des réservoirs conçus pour résister à des pressions pas particulièrement élevées de 20 à 25 bars. En revanche, les transporteurs de gaz naturel liquéfié sont équipés de systèmes de refroidissement continu et de réservoirs super isolés - en fait, ces colosses sont les plus grands réfrigérateurs cryogéniques du monde. Cependant, une partie du gaz parvient à "sortir" de ces installations, mais un autre système le capte immédiatement et l'injecte dans les cylindres des moteurs du navire.

Pour les raisons ci-dessus, il est tout à fait compréhensible que déjà en 1927, la technologie ait permis aux premiers réservoirs de propane-butane de survivre. C'est le travail de la Shell hollandaise-anglaise, qui à l'époque était déjà une entreprise géante. Son patron Kessler est un homme avancé et un expérimentateur qui a longtemps rêvé d'utiliser d'une manière ou d'une autre l'énorme quantité de gaz qui s'est jusqu'à présent échappée à l'atmosphère ou brûlée dans les raffineries de pétrole. Sur son idée et son initiative, le premier navire offshore d'une capacité de charge de 4700 XNUMX tonnes a été créé pour transporter des gaz d'hydrocarbures aux dimensions exotiques et impressionnantes au-dessus des réservoirs de pont.

Cependant, il faudra encore trente-deux ans pour construire le premier méthanier Methane Pioneer, construit sur ordre de la compagnie gazière Constock International Methane Limited. Shell, qui dispose déjà d'une infrastructure stable pour la production et la distribution de GPL, a acheté cette société et, très rapidement, deux autres énormes pétroliers ont été construits - Shell a commencé à développer le secteur du gaz naturel liquéfié. Lorsque les habitants de l'île anglaise de Conway, où l'entreprise construit des installations de stockage de méthane, réalisent ce qui est réellement stocké et transporté sur leur île, ils sont choqués et effrayés, pensant (à juste titre) que les navires ne sont que des bombes géantes. À l'époque, le problème de la sécurité était vraiment pertinent, mais aujourd'hui, les pétroliers pour le transport de méthane liquéfié sont extrêmement sûrs et sont non seulement l'un des plus sûrs, mais aussi l'un des navires de mer les plus respectueux de l'environnement - incomparablement plus sûr pour l'environnement que les pétroliers. Le plus gros client de la flotte de pétroliers est le Japon, qui n'a pratiquement pas de sources d'énergie locales, et la construction de gazoducs vers l'île est une entreprise très difficile. Le Japon possède également le plus grand "parc" de véhicules à essence. Les principaux fournisseurs de gaz naturel liquéfié (GNL) sont aujourd'hui les États-Unis, Oman et le Qatar, Canada.

Récemment, l'activité de production d'hydrocarbures liquides à partir de gaz naturel est devenue de plus en plus populaire. Il s'agit principalement de carburant diesel ultra-propre synthétisé à partir de méthane, et cette industrie devrait se développer à un rythme accéléré à l'avenir. Par exemple, la politique énergétique de Bush exige l'utilisation de sources d'énergie locales, et l'Alaska possède d'importants gisements de gaz naturel. Ces processus sont stimulés par des prix du pétrole relativement élevés, qui créent des conditions préalables au développement de technologies coûteuses - GTL (Gas-to-Liquids) n'est que l'une d'entre elles.

Fondamentalement, GTL n'est pas une nouvelle technologie. Il a été créé dans les années 20 par les chimistes allemands Franz Fischer et Hans Tropsch, mentionnés dans les numéros précédents dans le cadre de leur programme de synthèse. Cependant, contrairement à l'hydrogénation destructrice du charbon, les processus de jonction de molécules légères en liaisons plus longues ont lieu ici. L'Afrique du Sud produit ce carburant à l'échelle industrielle depuis les années 50. Cependant, l'intérêt pour eux s'est accru ces dernières années à la recherche de nouvelles opportunités pour réduire les émissions nocives de carburant aux États-Unis. Les grandes compagnies pétrolières telles que BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol et Royal Dutch/Shell dépensent des sommes énormes pour développer des technologies liées au GTL, et à la suite de ces développements, les aspects politiques et sociaux sont de plus en plus discutés dans le face aux incitations. taxes sur les consommateurs de carburants propres. Ces carburants permettront à de nombreux consommateurs de carburant diesel de le remplacer par un carburant plus respectueux de l'environnement et réduiront le coût pour les constructeurs automobiles de respecter les nouveaux niveaux d'émissions nocives fixés par la loi. Des tests approfondis récents montrent que les carburants GTL réduisent le monoxyde de carbone de 90 %, les hydrocarbures de 63 % et la suie de 23 % sans avoir besoin de filtres à particules diesel. De plus, la nature à faible teneur en soufre de ce carburant permet l'utilisation de catalyseurs supplémentaires qui peuvent réduire davantage les émissions des véhicules.

Un avantage important du carburant GTL est qu'il peut être utilisé directement dans les moteurs diesel sans aucune modification des unités. Ils peuvent également être mélangés avec des carburants contenant 30 à 60 ppm de soufre. Contrairement au gaz naturel et aux gaz de pétrole liquéfiés, il n'est pas nécessaire de modifier l'infrastructure de transport existante pour transporter des carburants liquides. Selon le président de Rentech, Denis Yakubson, ce type de carburant pourrait idéalement compléter le potentiel économique écologique des moteurs diesel, et Shell construit actuellement une grande usine de 22,3 milliards de dollars au Qatar avec une capacité nominale de XNUMX millions de litres de carburant synthétique par jour. ... Le plus gros problème avec ces carburants provient de l'énorme investissement requis dans de nouvelles installations et du processus de production généralement coûteux.

Biogaz

Cependant, la source de méthane n'est pas seulement les gisements souterrains. En 1808, Humphry Davy expérimenta avec de la paille placée dans une cornue sous vide et produisit un biogaz contenant principalement du méthane, du dioxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote. Daniel Defoe parle également du biogaz dans son roman sur "l'île perdue". Cependant, l'histoire de cette idée est encore plus ancienne - au 1776ème siècle, Jan Baptita Van Helmont croyait que des gaz combustibles pouvaient être obtenus à partir de la décomposition de substances organiques, et le comte Alexander Volta (le créateur de la batterie) est également arrivé à des conclusions similaires en 1859. La première usine de biogaz a commencé à fonctionner à Bombay et a été créée la même année qu'Edwin Drake a produit le premier forage pétrolier réussi. Une usine indienne transforme les matières fécales et fournit du gaz pour les lampadaires.

Il faudra beaucoup de temps avant que les processus chimiques de production de biogaz soient bien compris et étudiés. Cela n'est devenu possible que dans les années 30 du XXe siècle et est le résultat d'un saut dans le développement de la microbiologie. Il s'avère que ce processus est causé par des bactéries anaérobies, qui sont l'une des plus anciennes formes de vie sur Terre. Ils «broient» la matière organique dans un environnement anaérobie (la décomposition aérobie nécessite beaucoup d'oxygène et génère de la chaleur). De tels processus se produisent également naturellement dans les marécages, les marais, les rizières, les lagunes couvertes, etc.

Les systèmes modernes de production de biogaz sont de plus en plus populaires dans certains pays, et la Suède est un leader à la fois dans la production de biogaz et dans les véhicules adaptés pour y fonctionner. Les unités de synthèse utilisent des biogénérateurs spécialement conçus, des dispositifs relativement peu coûteux et simples qui créent un environnement propice aux bactéries qui, selon leur type, « fonctionnent » plus efficacement à des températures allant de 40 à 60 degrés. Les produits finaux des installations de biogaz, en plus du gaz, contiennent également des composés riches en ammoniac, phosphore et autres éléments utilisables en agriculture comme engrais pour les sols.