Alternative probne vožnje: 1. DIO - Plinska industrija
U 70-ima je Wilhelm Maybach eksperimentirao s različitim izvedbama motora s unutarnjim izgaranjem, mijenjao mehanizme i razmišljao o najprikladnijim legurama za proizvodnju pojedinih dijelova. Često se pita koja bi od tada poznatih gorivih tvari bila najprikladnija za upotrebu u toplinskim strojevima.
U 70-ima je Wilhelm Maybach eksperimentirao s različitim izvedbama motora s unutarnjim izgaranjem, mijenjao mehanizme i razmišljao o najprikladnijim legurama za proizvodnju pojedinih dijelova. Često se pita koja bi od tada poznatih gorivih tvari bila najprikladnija za upotrebu u toplinskim strojevima.
Godine 1875., dok je bio zaposlenik Gasmotorenfabrik Deutz, Wilhelm Maybach odlučio je testirati može li pokrenuti plinski motor na tekuće gorivo – točnije, na benzin. Palo mu je na pamet da provjeri što će se dogoditi ako zatvori slavinu za plin i umjesto toga ispred usisne grane stavi krpu namočenu u benzin. Motor se ne zaustavlja, već radi dok ne “isiše” svu tekućinu iz tkiva. Tako se rodila ideja o prvom improviziranom "karburatoru", a nakon nastanka automobila, benzin je postao glavno gorivo za njega.
Ovu priču pričam da bih vas podsjetio da su se benzini prije nego što se pojavio kao alternativa gorivu kao gorivo koristili plin. Tada se radilo o upotrebi (rasvjetnog) plina za osvjetljenje, dobivenog danas nepoznatim metodama, već preradom ugljena. Motor, koji je izumio Švicarac Isaac de Rivak, prvi "prirodno usisani" (nekomprimirani) 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 i ukapljenog naftnog plina. Prirodni plin sadrži 70 do 98% metana, a ostatak čine viši organski i anorganski plinovi kao što su etan, propan i butan, ugljikov monoksid i drugi. Nafta također sadrži plinove u različitim omjerima, ali ti se plinovi oslobađaju frakcijskom destilacijom ili se proizvode nekim sporednim procesima u rafinerijama. Plinska polja su vrlo različita - čisti plin ili "suhi" (to jest, sadrži uglavnom metan) i "mokri" (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 manja ili veća. Polja su često kombinirana - plin se uzdiže iznad nafte i djeluje kao "plinska kapa". U sastav “kape” i glavnog naftnog polja ulaze gore navedene tvari, a razne frakcije, slikovito rečeno, “prelijevaju” se 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 naslaga ugljena, uz koje često idu i naslage plina.
Propan-butan se na sceni pojavljuje na pomalo paradoksalan način. 1911. ogorčeni američki klijent naftne kompanije uputio je svog prijatelja, poznatog kemičara dr. Snellinga 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 tijekom kratkog putovanja do njegove kuće. Spremnik ne teče niotkuda ... Nakon mnogih pokusa, 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 destiliranja ih. Zbog ovih temeljnih pomaka dr. Snelling se sada smatra "ocem" industrije.
Mnogo ranije, prije otprilike 3000 godina, pastiri su otkrili "plameni izvor" na planini Paranas u Grčkoj. Kasnije je na ovom "svetom" mjestu sagrađen hram s plamenim 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 također stoljećima gore i dugo su poznati kao "Vječni plamen Perzije".
Mnogo godina kasnije i Kinezi su koristili plinove iz polja, ali s vrlo pragmatičnom svrhom – grijati velike kotlove morskom vodom i iz nje vaditi sol. Godine 1785. Britanci su stvorili metodu za proizvodnju metana iz ugljena (koji je korišten u prvim motorima s unutarnjim izgaranjem), a početkom dvadesetog stoljeća njemački kemičari Kekule i Stradonitz patentirali su postupak za proizvodnju težeg tekućeg goriva iz njega.
Godine 1881. William Hart izbušio je prvu plinsku bušotinu u američkom gradu Fredonia. Hart je dugo promatrao mjehuriće koji su se dizali na površinu vode u obližnjem zaljevu i odlučio iskopati rupu od zemlje do predloženog plinskog polja. Na dubini od devet metara ispod površine došao je do vene iz koje je izvirao plin, koju je kasnije uhvatio, a njegova novoosnovana Fredonia Gas Light Company postala je pionir u plinskom poslu. Međutim, usprkos Hartovom otkriću, plin za rasvjetu koji se koristio u XNUMX. stoljeću bio je ekstrahiran uglavnom iz ugljena gore opisanom metodom - uglavnom zbog nedostatka potencijala za razvoj tehnologija za transport prirodnog plina iz polja.
No već tada je bila činjenica prva komercijalna proizvodnja ulja. Njihova povijest započela je u SAD-u 1859. godine, a ideja je bila da se dobivena nafta iskoristi za destilaciju kerozina za rasvjetu i ulja za parne strojeve. Ljudi su se već tada suočili s razornom moći prirodnog plina, tisućama godina stlačenog u utrobi zemlje. Pioniri grupe Edwina Drakea gotovo su umrli tijekom prvog improviziranog bušenja u blizini Titusvillea u Pennsylvaniji, kada je iz pukotine iscurio plin, izbio je golemi požar koji je odnio svu opremu. Danas je eksploatacija naftnih i plinskih polja popraćena sustavom posebnih mjera za sprječavanje slobodnog protoka zapaljivog plina, ali požari i eksplozije nisu rijetkost. No, 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 plinskog bušenja Williama Harta, još jedan Amerikanac, Robert Bunsen, izumio je uređaj koji je kasnije postao poznat kao "Bunsenov plamenik". Izum služi za doziranje i miješanje plina i zraka u odgovarajućem omjeru, koji se potom može koristiti za sigurno izgaranje - upravo je taj plamenik danas osnova modernih kisikovih mlaznica za peći i grijaće uređaje. Bunsenov izum otvorio je nove mogućnosti korištenja prirodnog plina, no iako je prvi plinovod izgrađen još 1891. godine, plavo gorivo nije dobilo komercijalnu važnost sve do Drugog svjetskog rata.
Tijekom rata stvorene su dovoljno pouzdane metode rezanja i zavarivanja, što je omogućilo izgradnju sigurnih metalnih plinovoda. Tisuće kilometara ih je izgrađeno u Americi nakon rata, a naftovod od Libije do Italije izgrađen je 60-ih godina. U Nizozemskoj su također otkrivena velika nalazišta prirodnog plina. Ove dvije činjenice objašnjavaju bolju infrastrukturu za korištenje stlačenog prirodnog plina (CNG) i ukapljenog naftnog plina (LPG) kao goriva za vozila u ove dvije zemlje. Ogromnu stratešku važnost koju prirodni plin počinje dobivati potvrđuje i sljedeća činjenica - kada je Reagan 80-ih godina prošlog stoljeća odlučio uništiti "Carstvo zla", stavio je veto na isporuku visokotehnološke opreme za izgradnju plinovoda od SSSR u Europu. Kako bi se nadoknadile europske potrebe, ubrzava se izgradnja plinovoda od norveškog sektora Sjevernog mora do kopnene Europe, a SSSR visi. U to je vrijeme izvoz plina bio glavni izvor čvrste valute za Sovjetski Savez, a velike nestašice proizašle iz Reaganovih mjera ubrzo su dovele do dobro poznatih povijesnih događaja s početka 90-ih.
Danas je demokratska Rusija glavni dobavljač prirodnog plina za energetske potrebe Njemačke i veliki globalni igrač na ovom području. Važnost prirodnog plina počela je rasti nakon dviju naftnih kriza 70-ih godina prošlog stoljeća, a danas je jedan od glavnih energetskih izvora od geostrateške važnosti. Prirodni plin trenutno je najjeftinije gorivo za grijanje, koristi se kao sirovina u kemijskoj industriji, za proizvodnju električne energije, za kućanske aparate, a njegov "rođak" propan nalazi se čak iu bočicama dezodoransa kao dezodorans. zamjena za spojeve fluora koji oštećuju ozonski omotač. Potrošnja prirodnog plina stalno raste, a plinovodna mreža sve duža. Što se tiče do sada izgrađene infrastrukture za korištenje ovog goriva u automobilima, sve je daleko u zaostatku.
Već smo vam govorili o čudnim odlukama koje su Japanci donijeli u proizvodnji prijeko potrebnog i deficitarnog goriva tijekom Drugog svjetskog rata, a spomenuli smo i program proizvodnje sintetičkog benzina u Njemačkoj. Međutim, malo je poznata činjenica da su u teškim ratnim godinama u Njemačkoj postojali sasvim pravi automobili na ... drvo! U ovom slučaju ne radi se o povratku starom dobrom parnom stroju, već motorima s unutarnjim izgaranjem, izvorno dizajniranim za rad na benzin. Zapravo, ideja nije jako komplicirana, ali zahtijeva korištenje glomaznog, teškog i opasnog sustava generatora plina. Ugalj, drveni ugljen ili samo drvo stavlja se u posebnu i ne baš složenu elektranu. Na njegovom dnu izgaraju u nedostatku kisika, a u uvjetima visoke temperature i vlage oslobađa se plin koji sadrži ugljični monoksid, vodik i metan. Zatim se hladi, čisti i dovodi pomoću ventilatora u usisne grane motora za korištenje kao gorivo. Naravno, vozači ovih strojeva obavljali su složene i teške funkcije vatrogasaca - kotao je trebalo povremeno puniti i čistiti, a strojevi za dimljenje doista su malo podsjećali na parne lokomotive.
Danas istraživanje plina zahtijeva neke od najsofisticiranijih svjetskih tehnologija, a vađenje prirodnog plina i nafte jedan je od najvećih izazova s kojima se znanost i tehnologija suočavaju. Ova činjenica posebno vrijedi za SAD, gdje se sve više koriste nekonvencionalne metode za "isisavanje" plina zaostalog u starim ili napuštenim poljima, kao i za vađenje tzv. "tijesnog" plina. Prema znanstvenicima, sada će biti potrebno dvostruko više bušenja za proizvodnju plina na razini tehnologije iz 1985. godine. Učinkovitost metoda je znatno povećana, a težina opreme je smanjena za 75%. Sve sofisticiraniji računalni programi koriste se za analizu podataka iz gravimetara, seizmičkih tehnologija i laserskih satelita, iz kojih se stvaraju trodimenzionalne računalne karte ležišta. Izrađene su i takozvane 4D slike zahvaljujući kojima je moguće vizualizirati oblike i kretanje naslaga kroz vrijeme. Međutim, preostaju najsuvremeniji objekti za proizvodnju prirodnog plina u moru—samo djelić ljudskog napretka u ovom području—globalni sustavi za pozicioniranje za bušenje, ultra-duboko bušenje, cjevovodi na dnu oceana i sustavi za uklanjanje ukapljenog plina. ugljikov monoksid i pijesak.
Rafiniranje nafte za proizvodnju visokokvalitetnog benzina mnogo je složeniji zadatak od rafiniranja plinova. S druge strane, transport plina morem puno je skuplji i složeniji. UNP tankeri prilično su složenog dizajna, ali LNG brodovi su zapanjujuća kreacija. Butan se ukapljuje na -2 stupnja, dok se propan ukapljuje na -42 stupnja ili relativno niskom tlaku. Međutim, za ukapljivanje metana potrebno je -165 stupnjeva! Slijedom toga, konstrukcija LPG tankera zahtijeva jednostavnije kompresorske stanice nego za prirodni plin i spremnike koji su dizajnirani da izdrže ne osobito visoke tlakove od 20-25 bara. Nasuprot tome, tankeri za ukapljeni prirodni plin opremljeni su kontinuiranim sustavima hlađenja i superizoliranim spremnicima – zapravo, ovi su kolosi najveći kriogeni hladnjaci na svijetu. Ipak, dio plina uspije "napustiti" ove instalacije, ali ga drugi sustav odmah uhvati i ubaci u cilindre brodskog motora.
Iz navedenih razloga sasvim je razumljivo da je već 1927. tehnologija omogućila da prvi spremnici za propan-butan prežive. To je djelo nizozemsko-engleskog Shella, koji je tada već bio gigantska tvrtka. Njezin šef Kessler je napredan čovjek i eksperimentator koji je dugo sanjao da na neki način iskoristi ogromne količine plina koji je dosad iscurio u atmosferu ili izgorio u rafinerijama nafte. Na njegovu ideju i inicijativu stvoreno je prvo pučinsko plovilo nosivosti 4700 tona za prijevoz ugljikovodičnih plinova egzotičnog izgleda i impresivnih dimenzija iznad palubnih tankova.
Međutim, potrebne su još trideset i dvije godine za izgradnju prvog nosača metana Methane Pioneer, izgrađenog po narudžbi plinske tvrtke Constock International Methane Limited. Shell, koji već ima stabilnu infrastrukturu za proizvodnju i distribuciju UNP-a, kupio je ovu tvrtku, a vrlo brzo su izgrađena još dva golema tankera - Shell je počeo razvijati biznis s ukapljenim prirodnim plinom. Kada stanovnici engleskog otoka Conway, na kojem tvrtka gradi skladišta metana, shvate što se zapravo skladišti i transportira na njihov otok, šokirani su i uplašeni misleći (i to s pravom) da su brodovi samo goleme bombe. Tada je pitanje sigurnosti bilo doista aktualno, no danas su LNG brodovi iznimno sigurni i ne samo da su jedni od najsigurnijih, već i jedni od ekološki najprihvatljivijih pomorskih brodova – neusporedivo sigurniji za okoliš od naftnih tankera. Najveći kupac tankerske flote je Japan, koji praktički nema nikakvih lokalnih izvora energije, a izgradnja plinovoda do otoka vrlo je težak pothvat. Japan ima i najveći "park" vozila na plin. Glavni dobavljači ukapljenog prirodnog plina (LNG) danas su Sjedinjene Države, Oman i Katar, Kanada.
Nedavno je posao proizvodnje tekućih ugljikovodika iz prirodnog plina postao sve popularniji. Riječ je uglavnom o ultra čistom dizelskom gorivu sintetiziranom iz metana, a očekuje se da će se ova industrija u budućnosti ubrzano razvijati. Na primjer, Busheva energetska politika zahtijeva korištenje lokalnih izvora energije, a Aljaska ima velika nalazišta prirodnog plina. Ti procesi su potaknuti relativno visokim cijenama nafte, što stvara preduvjete za razvoj skupih tehnologija - GTL (Gas-to-Liquids) samo je jedna od njih.
U osnovi, GTL nije nova tehnologija. Napravili su ga 20-ih njemački kemičari Franz Fischer i Hans Tropsch, spomenuti u prethodnim brojevima kao dio njihovog sintetskog programa. No, za razliku od destruktivne hidrogenacije ugljena, ovdje se odvijaju procesi spajanja lakih molekula u duže veze. Južnoafrička Republika proizvodi takvo gorivo u industrijskim razmjerima od 50-ih. Međutim, interes za njih porastao je posljednjih godina u potrazi za novim mogućnostima smanjenja štetnih emisija goriva u Sjedinjenim Državama. Velike naftne tvrtke kao što su BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol i Royal Dutch/Shell troše goleme svote na razvoj tehnologija povezanih s GTL-om, a kao rezultat tih razvoja, politički i društveni aspekti se sve više raspravljaju u lice poticaja. porezi na potrošače čistog goriva. Ta će goriva omogućiti mnogim potrošačima dizelskog goriva da ga zamijene ekološki prihvatljivijim i smanjit će troškove automobilskim tvrtkama da zadovolje nove razine štetnih emisija koje su određene zakonom. Nedavna dubinska ispitivanja pokazuju da GTL goriva smanjuju ugljični monoksid za 90%, ugljikovodike za 63% i čađu za 23% bez potrebe za filtrima dizelskih čestica. Osim toga, priroda ovog goriva s niskim udjelom sumpora omogućuje upotrebu dodatnih katalizatora koji mogu dodatno smanjiti emisije iz vozila.
Važna prednost GTL goriva je što se može izravno koristiti u dizelskim motorima bez ikakvih preinaka na jedinicama. Također se mogu miješati s gorivima koja sadrže 30 do 60 ppm sumpora. Za razliku od zemnog plina i ukapljenih naftnih plinova, nema potrebe za modificiranjem postojeće prometne infrastrukture za prijevoz tekućih goriva. Prema riječima predsjednika Rentecha Denisa Yakubsona, ova vrsta goriva idealno bi mogla nadopuniti ekološki prihvatljivi ekonomski potencijal dizelskih motora, a Shell trenutno u Kataru gradi veliko postrojenje u vrijednosti od 22,3 milijardi dolara s projektnim kapacitetom od XNUMX milijuna litara sintetičkog goriva dnevno. ... Najveći problem s tim gorivima proizlazi iz velikog ulaganja potrebnog za nova postrojenja i tipično skupog proizvodnog procesa.
Bioplin
Međutim, izvor metana nisu samo podzemne naslage. Godine 1808. Humphry Davy eksperimentirao je sa slamkom smještenom u vakuumsku retortu i proizveo bioplin koji je uglavnom sadržavao metan, ugljični dioksid, vodik i dušik. O bioplinu govori i Daniel Defoe u svom romanu o „izgubljenom otoku“. No, povijest ove ideje još je starija - 1776. stoljeća Jan Baptita Van Helmont vjerovao je da se zapaljivi plinovi mogu dobiti razgradnjom organskih tvari, a do sličnih je zaključaka došao i grof Alexander Volta (tvorac baterije). godine 1859. Prvo postrojenje za bioplin počelo je s radom u Bombayu i osnovano je iste godine kada je Edwin Drake napravio prvo uspješno bušenje nafte. Indijska tvornica prerađuje fekalije i opskrbljuje plinom za ulične svjetiljke.
Proći će puno vremena prije nego što se kemijski procesi u proizvodnji bioplina temeljito shvate i prouče. To je postalo moguće tek 30-ih godina XX. Stoljeća i rezultat je skoka u razvoju mikrobiologije. Ispada da taj proces uzrokuju anaerobne bakterije, 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 također prirodno događaju u močvarama, močvarama, neljubavim poljima, natkrivenim lagunama itd.
Suvremeni sustavi za proizvodnju bioplina postaju sve popularniji u nekim zemljama, a Švedska je vodeća u proizvodnji bioplina i 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 vrsti, najučinkovitije “rade” na temperaturama u rasponu od 40 do 60 stupnjeva. Krajnji proizvodi bioplinskih postrojenja, osim plina, sadrže i spojeve bogate amonijakom, fosforom i drugim elementima pogodnim za korištenje u poljoprivredi kao gnojiva tla.
