Testritalternatieven: DEEL 1 - Gasindustrie
In de jaren 70 experimenteerde Wilhelm Maybach met verschillende ontwerpen van verbrandingsmotoren, veranderde mechanismen en dacht na over de meest geschikte legeringen voor de productie van afzonderlijke onderdelen. Hij vraagt zich vaak af welke van de toen bekende brandbare stoffen het meest geschikt zouden zijn voor gebruik in warmtemotoren.
In de jaren 70 experimenteerde Wilhelm Maybach met verschillende ontwerpen van verbrandingsmotoren, veranderde mechanismen en dacht na over de meest geschikte legeringen voor de productie van afzonderlijke onderdelen. Hij vraagt zich vaak af welke van de toen bekende brandbare stoffen het meest geschikt zouden zijn voor gebruik in warmtemotoren.
In 1875, toen hij in dienst was van de Gasmotorenfabrik Deutz, besloot Wilhelm Maybach te testen of hij een gasmotor op vloeibare brandstof kon laten draaien - meer bepaald op benzine. Hij bedacht wat er zou gebeuren als hij de gaskraan dichtdraaide en in plaats daarvan een in benzine gedrenkte doek voor het inlaatspruitstuk legde. De motor stopt niet, maar blijft werken totdat hij alle vloeistof uit het weefsel "zuigt". Dit is hoe het idee van de eerste geïmproviseerde "carburateur" werd geboren, en na de creatie van de auto werd benzine de belangrijkste brandstof ervoor.
Ik vertel dit verhaal om u eraan te herinneren dat voordat benzine als alternatief voor brandstof verscheen, de eerste motoren gas als brandstof gebruikten. Toen ging het over het gebruik van (verlichtings) gas voor verlichting, verkregen door methoden die nu niet bekend zijn, maar door kolen te verwerken. De motor, uitgevonden door de Zwitser Isaac de Rivak, de eerste "natuurlijk aangezogen" (niet-gecomprimeerde) industriële Ethyleen Lenoir-motor sinds 1862, en de klassieke viertaktmotor die even later door Otto werd gemaakt, werken op gas.
Hier is het noodzakelijk om het verschil tussen aardgas en vloeibaar petroleumgas te vermelden. Aardgas bevat 70 tot 98% methaan, de rest bestaat uit hogere organische en anorganische gassen zoals ethaan, propaan en butaan, koolmonoxide en andere. Olie bevat ook gassen in wisselende verhoudingen, maar deze gassen komen vrij door gefractioneerde destillatie of worden geproduceerd door sommige nevenprocessen in raffinaderijen. Gasvelden zijn heel verschillend - puur gas of "droog" (dat wil zeggen, bevat voornamelijk methaan) en "nat" (bevat methaan, ethaan, propaan, enkele andere zwaardere gassen en zelfs "benzine" - lichte vloeistof, zeer waardevolle fracties) . De soorten oliën zijn ook verschillend en de concentratie van gassen daarin kan lager of hoger zijn. Velden worden vaak gecombineerd - gas stijgt boven olie uit en fungeert als een "gasdop". De samenstelling van de "cap" en het hoofdolieveld omvat de hierboven genoemde stoffen, en verschillende fracties "vloeien" figuurlijk in elkaar over. Het methaan dat als voertuigbrandstof wordt gebruikt, "komt" van aardgas, en het propaan-butaanmengsel dat we kennen, is afkomstig van zowel aardgasvelden als olievelden. Ongeveer 6% van het aardgas in de wereld wordt geproduceerd uit steenkoolvoorraden, die vaak gepaard gaan met gasvoorraden.
Propaan-butaan verschijnt op een enigszins paradoxale manier op het toneel. In 1911 instrueerde een woedende Amerikaanse klant van een oliemaatschappij zijn vriend, de beroemde chemicus Dr. Snelling, om de redenen voor de mysterieuze gebeurtenis te achterhalen. De reden voor de verontwaardiging van de klant is dat de klant verrast is te horen dat de tank van het tankstation zojuist voor de helft is gevuld. Ford Ze verdween op onbekende wijze tijdens een korte trip naar zijn huis. De tank stroomt niet uit het niets ... Na vele experimenten ontdekte Dr. Snelling dat de reden voor het mysterie het hoge gehalte aan propaan- en butaangassen in de brandstof was, en kort daarna ontwikkelde hij de eerste praktische methoden voor destillatie hen. Het is vanwege deze fundamentele vooruitgang dat Dr. Snelling nu wordt beschouwd als de "vader" van de industrie.
Veel eerder, ongeveer 3000 jaar geleden, ontdekten herders een "vlammende bron" op de berg Paranas in Griekenland. Later werd op deze "heilige" plaats een tempel met vlammende zuilen gebouwd, en het orakel Delphius reciteerde zijn gebeden voor de majestueuze kolos, waardoor mensen een gevoel van verzoening, angst en bewondering voelden. Tegenwoordig is een deel van die romantiek verloren gegaan, omdat we weten dat de bron van de vlam methaan (CH4) is dat stroomt uit scheuren in rotsen die verband houden met de diepten van de gasvelden. Er zijn soortgelijke branden op veel plaatsen in Irak, Iran en Azerbeidzjan voor de kust van de Kaspische Zee, die ook al eeuwenlang branden en lang bekend staan als de "Eeuwige Vlammen van Perzië".
Vele jaren later gebruikten de Chinezen ook gassen uit de velden, maar met een heel pragmatisch doel: grote ketels verwarmen met zeewater en er zout uit halen. In 1785 bedachten de Britten een methode om methaan uit steenkool te produceren (dat werd gebruikt in de eerste verbrandingsmotoren), en in het begin van de twintigste eeuw patenteerden de Duitse chemici Kekule en Stradonitz een proces om er zwaardere vloeibare brandstof uit te produceren.
In 1881 boorde William Hart de eerste gasput in de Amerikaanse stad Fredonia. Hart zag de bellen lange tijd naar de oppervlakte van het water in een nabijgelegen baai stijgen en besloot een gat van de grond naar het voorgestelde gasveld te graven. Op een diepte van negen meter onder het oppervlak bereikte hij een ader waaruit gas stroomde, dat hij later opving, en zijn nieuw opgerichte Fredonia Gas Light Company werd een pionier in de gasindustrie. Ondanks de doorbraak van Hart werd het verlichtingsgas dat in de XNUMXe eeuw werd gebruikt echter voornamelijk uit steenkool gewonnen volgens de hierboven beschreven methode - voornamelijk vanwege het gebrek aan potentieel voor het ontwikkelen van technologieën voor het transporteren van aardgas uit velden.
De eerste commerciële olieproductie was toen echter al een feit. Hun geschiedenis begon in 1859 in de VS en het idee was om de gewonnen olie te gebruiken voor het destilleren van kerosine voor verlichting en oliën voor stoommachines. Toen al werd men geconfronteerd met de vernietigende kracht van aardgas, duizenden jaren samengeperst in de ingewanden van de aarde. De pioniers van de groep van Edwin Drake stierven bijna tijdens de eerste geïmproviseerde boring in de buurt van Titusville, Pennsylvania, toen er gas uit de bres lekte en er een gigantische brand uitbrak, die alle apparatuur wegvoerde. Tegenwoordig gaat de exploitatie van olie- en gasvelden gepaard met een systeem van speciale maatregelen om de vrije stroom van brandbaar gas te blokkeren, maar branden en explosies zijn niet ongewoon. Hetzelfde gas wordt echter in veel gevallen gebruikt als een soort "pomp" die olie naar de oppervlakte duwt, en wanneer de druk daalt, gaan oliemannen op zoek naar en gebruiken andere methoden om "zwart goud" te winnen.
De wereld van koolwaterstofgassen
In 1885, vier jaar na de eerste gasboring van William Hart, vond een andere Amerikaan, Robert Bunsen, een apparaat uit dat later bekend werd als de "Bunsenbrander". De uitvinding dient om gas en lucht in een geschikte verhouding te doseren en te mengen, die vervolgens kunnen worden gebruikt voor een veilige verbranding - het is deze brander die tegenwoordig de basis vormt van moderne zuurstofsproeiers voor kachels en verwarmingstoestellen. De uitvinding van Bunsen opende nieuwe mogelijkheden voor het gebruik van aardgas, maar hoewel de eerste gaspijpleiding al in 1891 werd aangelegd, kreeg blauwe brandstof pas in de Tweede Wereldoorlog commercieel belang.
Het was tijdens de oorlog dat voldoende betrouwbare snij- en lasmethoden werden gecreëerd, waardoor het mogelijk werd om veilige metalen gaspijpleidingen aan te leggen. Duizenden kilometers zijn er na de oorlog in Amerika aangelegd en in de jaren 60 is de pijpleiding van Libië naar Italië aangelegd. Ook in Nederland zijn grote voorraden aardgas ontdekt. Deze twee feiten verklaren de betere infrastructuur voor het gebruik van gecomprimeerd aardgas (CNG) en vloeibaar petroleumgas (LPG) als voertuigbrandstof in deze twee landen. Het enorme strategische belang dat aardgas begint te verwerven, wordt bevestigd door het volgende feit - toen Reagan in de jaren 80 besloot het "Evil Empire" te vernietigen, sprak hij zijn veto uit over de levering van hightech apparatuur voor de aanleg van een gaspijpleiding vanaf de USSR naar Europa. Om de Europese behoeften te compenseren, versnelt de aanleg van een gaspijpleiding van de Noorse sector van de Noordzee naar het vasteland van Europa, en de USSR hangt. In die tijd was de gasexport de belangrijkste bron van harde valuta voor de Sovjet-Unie, en de ernstige tekorten als gevolg van de maatregelen van Reagan leidden al snel tot de bekende historische gebeurtenissen van het begin van de jaren negentig.
Tegenwoordig is het democratische Rusland een belangrijke leverancier van aardgas voor de energiebehoefte van Duitsland en een belangrijke wereldspeler op dit gebied. Het belang van aardgas begon te groeien na de twee oliecrises van de jaren '70, en tegenwoordig is het een van de belangrijkste energiebronnen van geostrategisch belang. Momenteel is aardgas de goedkoopste brandstof voor verwarming, wordt het gebruikt als grondstof in de chemische industrie, voor elektriciteitsopwekking, voor huishoudelijke apparaten, en zijn "neefje" propaan is zelfs te vinden in deodorantflessen als deodorant. vervanging voor ozonafbrekende fluorverbindingen. Het verbruik van aardgas groeit voortdurend en het gasleidingnet wordt steeds langer. Wat betreft de infrastructuur die tot nu toe is gebouwd voor het gebruik van deze brandstof in auto's, loopt alles ver achter.
We hebben je al verteld over de vreemde beslissingen die de Japanners namen bij de productie van broodnodige en schaarse brandstof tijdens de Tweede Wereldoorlog, en noemden ook het programma voor de productie van synthetische benzine in Duitsland. Er is echter weinig bekend over het feit dat er in de magere oorlogsjaren in Duitsland behoorlijk echte auto's reden op ... hout! In dit geval is dit geen terugkeer naar de goede oude stoommachine, maar verbrandingsmotoren, oorspronkelijk ontworpen om op benzine te lopen. In feite is het idee niet erg ingewikkeld, maar vereist het gebruik van een omvangrijk, zwaar en gevaarlijk gasgeneratorsysteem. Kolen, houtskool of gewoon hout wordt in een bijzondere en niet erg complexe energiecentrale geplaatst. Aan de onderkant branden ze in afwezigheid van zuurstof, en bij hoge temperaturen en vochtigheid komt een gas vrij dat koolmonoxide, waterstof en methaan bevat. Het wordt vervolgens gekoeld, gereinigd en door een ventilator in de inlaatspruitstukken van de motor gevoerd om als brandstof te worden gebruikt. Natuurlijk vervulden de machinisten van deze machines de complexe en moeilijke functies van brandweerlieden - de ketel moest periodiek worden opgeladen en schoongemaakt en de rookmachines leken echt een beetje op stoomlocomotieven.
Tegenwoordig vereist gasexploratie enkele van 's werelds meest geavanceerde technologie, en de winning van aardgas en olie is een van de grootste uitdagingen voor wetenschap en technologie. Dit feit is vooral het geval in de VS, waar steeds meer onconventionele methoden worden gebruikt om gas dat is achtergebleven in oude of verlaten velden te "zuigen" en om zogenaamd "tight" gas te extraheren. Volgens wetenschappers zal er in 1985 nu twee keer zoveel geboord moeten worden om gas te produceren op technologisch niveau. De efficiëntie van de methoden is aanzienlijk verbeterd en het gewicht van de apparatuur is met 75% verminderd. Er worden steeds geavanceerdere computerprogramma's gebruikt om gegevens van gravimeters, seismische technologieën en lasersatellieten te analyseren, waaruit driedimensionale computerkaarten van reservoirs worden gemaakt. Er zijn ook zogenaamde 4D-beelden gemaakt, waardoor het mogelijk is om de vormen en bewegingen van afzettingen in de loop van de tijd te visualiseren. Er blijven echter state-of-the-art faciliteiten over voor offshore aardgasproductie - slechts een fractie van de menselijke vooruitgang op dit gebied - wereldwijde positioneringssystemen voor boren, ultradiep boren, pijpleidingen op de oceaanbodem en systemen voor het vrijmaken van vloeistoffen. koolmonoxide en zand.
Het raffineren van olie om hoogwaardige benzine te produceren is een veel complexere taak dan het raffineren van gassen. Aan de andere kant is het vervoeren van gas over zee veel kostbaarder en complexer. LPG-tankers zijn vrij complex van ontwerp, maar LNG-tankers zijn een verbluffende creatie. Butaan wordt vloeibaar bij -2 graden, terwijl propaan vloeibaar wordt bij -42 graden of relatief lage druk. Het duurt echter -165 graden om methaan vloeibaar te maken! Bijgevolg vereist de constructie van LPG-tankers eenvoudigere compressorstations dan voor aardgas en tanks die ontworpen zijn om niet bijzonder hoge drukken van 20-25 bar te weerstaan. LPG-tankers daarentegen zijn uitgerust met continue koelsystemen en supergeïsoleerde tanks - in feite zijn deze kolossen 's werelds grootste cryogene koelkasten. Een deel van het gas slaagt er echter in om deze installaties te "verlaten", maar een ander systeem vangt het onmiddellijk op en voert het naar de motorcilinders van het schip.
Om bovenstaande redenen is het heel begrijpelijk dat de technologie het al in 1927 mogelijk maakte dat de eerste propaan-butaantanks konden overleven. Dit is het werk van het Nederlands-Engelse Shell, dat toen al een gigant was. Haar baas Kessler is een ervaren man en een experimentator die er al lang van droomt om op de een of andere manier de enorme hoeveelheid gas te gebruiken die tot nu toe in de atmosfeer is gelekt of in olieraffinaderijen is afgebrand. Op zijn idee en initiatief werd het eerste offshore-schip met een laadvermogen van 4700 ton gemaakt om koolwaterstofgassen met exotisch ogende en indrukwekkende afmetingen bovendeks te vervoeren.
Er zijn echter nog tweeëndertig jaar nodig om de eerste Methaan Pioneer methaandrager te bouwen, gebouwd in opdracht van het gasbedrijf Constock International Methane Limited. Shell, dat al een stabiele infrastructuur heeft voor de productie en distributie van LPG, kocht dit bedrijf en al snel werden er nog twee enorme tankers gebouwd - Shell begon de activiteiten op het gebied van vloeibaar aardgas te ontwikkelen. Wanneer de inwoners van het Engelse eiland Conway, waar het bedrijf methaanopslagfaciliteiten bouwt, beseffen wat er eigenlijk is opgeslagen en naar hun eiland worden getransporteerd, zijn ze geschokt en bang, denkend (en terecht) dat de schepen slechts gigantische bommen zijn. Toen was het veiligheidsprobleem echt relevant, maar tegenwoordig zijn tankers voor het transport van vloeibaar methaan extreem veilig en niet alleen een van de veiligste, maar ook een van de meest milieuvriendelijke zeeschepen - onvergelijkbaar veiliger voor het milieu dan olietankers. De grootste klant van de tankervloot is Japan, dat praktisch geen lokale energiebronnen heeft, en de aanleg van gaspijpleidingen naar het eiland is een zeer moeilijke onderneming. Japan heeft ook het grootste "park" van voertuigen op gas. De belangrijkste leveranciers van vloeibaar aardgas (LNG) zijn tegenwoordig de Verenigde Staten, Oman en Qatar, Canada.
Onlangs is de productie van vloeibare koolwaterstoffen uit aardgas steeds populairder geworden. Dit is voornamelijk ultraschone dieselbrandstof, gesynthetiseerd uit methaan, en deze industrie zal zich naar verwachting in de toekomst in een versneld tempo ontwikkelen. Het energiebeleid van Bush vereist bijvoorbeeld het gebruik van lokale energiebronnen en Alaska heeft grote aardgasvoorraden. Deze processen worden gestimuleerd door relatief hoge olieprijzen, die voorwaarden scheppen voor de ontwikkeling van dure technologieën - GTL (Gas-to-Liquids) is er slechts één van.
Kortom, GTL is geen nieuwe technologie. Het werd in de jaren 20 gemaakt door de Duitse chemici Franz Fischer en Hans Tropsch, die in eerdere nummers werden genoemd als onderdeel van hun synthetisch programma. In tegenstelling tot de destructieve hydrogenering van steenkool vinden hier echter de processen plaats waarbij lichte moleculen worden samengevoegd tot langere bindingen. Zuid-Afrika produceert sinds de jaren vijftig dergelijke brandstof op industriële schaal. De belangstelling voor hen is de afgelopen jaren echter toegenomen op zoek naar nieuwe mogelijkheden om schadelijke brandstofemissies in de Verenigde Staten te verminderen. Grote oliemaatschappijen als BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol en Royal Dutch/Shell geven enorme bedragen uit aan de ontwikkeling van GTL-gerelateerde technologieën en als gevolg van deze ontwikkelingen komen politieke en maatschappelijke aspecten steeds vaker ter sprake in de gezicht van prikkels. belastingen op consumenten van schone brandstof. Deze brandstoffen zullen veel consumenten van diesel in staat stellen deze te vervangen door milieuvriendelijkere brandstoffen en zullen de kosten voor autobedrijven verlagen om te voldoen aan nieuwe wettelijk vastgestelde niveaus van schadelijke emissies. Recente diepgaande tests tonen aan dat GTL-brandstoffen koolmonoxide met 50% verminderen, koolwaterstoffen met 90% en roet met 63% zonder dat er roetfilters nodig zijn. Bovendien maakt het zwavelarme karakter van deze brandstof het gebruik van extra katalysatoren mogelijk die de voertuigemissies verder kunnen verminderen.
Een belangrijk voordeel van GTL-brandstof is dat deze direct in dieselmotoren kan worden gebruikt zonder aanpassingen aan de units. Ze kunnen ook worden gemengd met brandstoffen die 30 tot 60 ppm zwavel bevatten. In tegenstelling tot aardgas en vloeibare petroleumgassen, is het niet nodig om de bestaande transportinfrastructuur aan te passen om vloeibare brandstoffen te vervoeren. Volgens Rentech-president Denis Yakubson zou dit type brandstof een ideale aanvulling kunnen zijn op het milieuvriendelijke economische potentieel van dieselmotoren, en Shell bouwt momenteel een grote fabriek van $ 22,3 miljard in Qatar met een ontwerpcapaciteit van XNUMX miljoen liter synthetische brandstof per dag. ... Het grootste probleem met deze brandstoffen komt voort uit de enorme investeringen die nodig zijn in nieuwe faciliteiten en het doorgaans dure productieproces.
Biogas
De bron van methaan zijn echter niet alleen ondergrondse afzettingen. In 1808 experimenteerde Humphry Davy met stro dat in een vacuümretort was geplaatst en produceerde een biogas dat voornamelijk methaan, koolstofdioxide, waterstof en stikstof bevatte. Daniel Defoe heeft het ook over biogas in zijn roman over het "verloren eiland". De geschiedenis van dit idee is echter nog ouder - in de 1776e eeuw geloofde Jan Baptita Van Helmont dat brandbare gassen konden worden verkregen uit de ontbinding van organische stoffen, en graaf Alexander Volta (de maker van de batterij) kwam ook tot soortgelijke conclusies in 1859. De eerste biogasinstallatie begon in Bombay en werd opgericht in hetzelfde jaar dat Edwin Drake de eerste succesvolle olieboringen produceerde. Een Indiase fabriek verwerkt uitwerpselen en levert gas voor straatlantaarns.
Het zal lang duren voordat de chemische processen bij de productie van biogas grondig begrepen en bestudeerd zijn. Dit werd pas mogelijk in de jaren 30 van de twintigste eeuw en is het resultaat van een sprong in de ontwikkeling van de microbiologie. Het blijkt dat dit proces wordt veroorzaakt door anaërobe bacteriën, een van de oudste levensvormen op aarde. Ze "malen" organisch materiaal in een anaerobe omgeving (aërobe afbraak vereist veel zuurstof en genereert warmte). Dergelijke processen komen ook van nature voor in moerassen, moerassen, rijstvelden, overdekte lagunes, enz.
Moderne biogasproductiesystemen worden in sommige landen steeds populairder, en Zweden is toonaangevend op het gebied van zowel de productie van biogas als voertuigen die erop zijn aangepast. Synthese-eenheden maken gebruik van speciaal ontworpen biogeneratoren, relatief goedkope en eenvoudige apparaten die een geschikte omgeving creëren voor bacteriën, die, afhankelijk van hun type, het meest efficiënt "werken" bij temperaturen van 40 tot 60 graden. De eindproducten van biogasinstallaties bevatten naast gas ook verbindingen die rijk zijn aan ammoniak, fosfor en andere elementen die geschikt zijn voor gebruik in de landbouw als bodembemesting.
