Testkörningsalternativ: DEL 1 - Gasindustri
På 70-talet experimenterade Wilhelm Maybach med olika konstruktioner av förbränningsmotorer, ändrade mekanismer och funderade på de mest lämpliga legeringarna för produktion av enskilda delar. Han undrar ofta vilka av de då kända brännbara ämnena som är mest lämpliga för användning i värmemotorer.
På 70-talet experimenterade Wilhelm Maybach med olika konstruktioner av förbränningsmotorer, ändrade mekanismer och funderade på de mest lämpliga legeringarna för produktion av enskilda delar. Han undrar ofta vilka av de då kända brännbara ämnena som är mest lämpliga för användning i värmemotorer.
1875, när han var anställd på Gasmotorenfabrik Deutz, bestämde sig Wilhelm Maybach för att testa om han kunde köra en gasmotor på flytande bränsle - närmare bestämt på bensin. Det gick för honom att kolla vad som skulle hända om han stängde gaskranen och istället lade en tygbit indränkt i bensin framför insugningsröret. Motorn stannar inte utan fortsätter att arbeta tills den "suger" all vätska från vävnaden. Så här föddes idén om den första improviserade "förgasaren", och efter skapandet av bilen blev bensin huvudbränslet för den.
Jag berättar den här historien för att påminna dig om att innan bensin dök upp som ett alternativ till bränsle använde de första motorerna gas som bränsle. Då handlade det om användning av (belysning) gas för belysning, erhållen med metoder som inte är kända idag, men genom bearbetning av kol. Motorn, uppfunnen av schweizaren Isaac de Rivak, den första "naturligt sugade" (okomprimerade) etylen Lenoir-motorn i industriell kvalitet sedan 1862, och den klassiska fyrtaktsenheten skapad av Otto lite senare, drivs på gas.
Här är det nödvändigt att nämna skillnaden mellan naturgas och flytande petroleumgas. Naturgas innehåller 70 till 98 % metan, medan resten är högre organiska och oorganiska gaser som etan, propan och butan, kolmonoxid och andra. Olja innehåller också gaser i varierande proportioner, men dessa gaser frigörs genom fraktionerad destillation eller produceras av vissa sidoprocesser i raffinaderier. Gasfält är väldigt olika - ren gas eller "torr" (det vill säga innehåller huvudsakligen metan) och "våta" (innehåller metan, etan, propan, några andra tyngre gaser och till och med "bensin" - lätt vätska, mycket värdefulla fraktioner) . Oljorna är också olika och koncentrationen av gaser i dem kan antingen vara lägre eller högre. Fält kombineras ofta - gas stiger över olja och fungerar som ett "gaslock". Sammansättningen av "locket" och huvudoljefältet inkluderar de ovan nämnda ämnena, och olika fraktioner, bildligt talat, "flyter" in i varandra. Metanet som används som fordonsbränsle "kommer" från naturgas och den propan-butanblandning vi känner till kommer från både naturgasfält och oljefält. Cirka 6 % av världens naturgas produceras från kolfyndigheter, som ofta åtföljs av gasfyndigheter.
Propan-butan dyker upp på scenen på ett något paradoxalt sätt. År 1911 instruerade en upprörd amerikansk kund hos ett oljebolag sin vän, den berömda kemisten Dr Snelling, att ta reda på orsakerna till den mystiska händelsen. Anledningen till kundens upprörelse är att kunden är förvånad över att få veta att hälften av tankstationens tank just har fyllts. Ford Hon försvann med okända medel under en kort resa till hans hus. Tanken flyter inte ut ur ingenstans ... Efter många experiment upptäckte Dr Snelling att orsaken till mysteriet var det höga innehållet av propan och butangaser i bränslet, och strax därefter utvecklade han de första praktiska metoderna för destillering dem. Det är på grund av dessa grundläggande framsteg som Dr Snelling nu betraktas som "pappa" för branschen.
Mycket tidigare, för cirka 3000 år sedan, upptäckte herdar en "flammande källa" på Mount Paranas i Grekland. Senare byggdes ett tempel med flammande pelare på denna "heliga" plats, och oraklet Delphius reciterade sina böner framför den majestätiska kolossen, vilket fick människor att känna en känsla av försoning, rädsla och beundran. Idag går en del av den romantiken förlorad eftersom vi vet att källan till lågan är metan (CH4) som strömmar från sprickor i stenar som är förknippade med gasfältens djup. Det finns liknande bränder på många ställen i Irak, Iran och Azerbajdzjan utanför Kaspiska havet, som också har bränt i århundraden och länge varit kända som "Persiens eviga flammor."
Många år senare använde kineserna även gaser från fälten, men med ett mycket pragmatiskt mål – att värma upp stora pannor med havsvatten och utvinna salt ur det. 1785 skapade britterna en metod för att framställa metan från kol (som användes i de första förbränningsmotorerna), och i början av nittonhundratalet patenterade de tyska kemisterna Kekule och Stradonitz en process för att framställa tyngre flytande bränsle från det.
År 1881 borrade William Hart den första gasbrunnen i den amerikanska staden Fredonia. Hart såg bubblorna stiga upp till vattenytan i en närliggande vik under lång tid och bestämde sig för att gräva ett hål från marken till det föreslagna gasfältet. På nio meters djup under ytan nådde han en ven varifrån gas forsade ut, som han senare fångade upp, och hans nybildade Fredonia Gas Light Company blev en pionjär inom gasbranschen. Trots Harts genombrott utvanns dock belysningsgasen som användes på XNUMX-talet huvudsakligen från kol med metoden som beskrivits ovan – främst på grund av bristen på potential för att utveckla teknologier för transport av naturgas från fält.
Den första kommersiella oljeproduktionen var dock ett faktum redan då. Deras historia började i USA 1859, och tanken var att använda den utvunna oljan för att destillera fotogen för belysning och oljor för ångmaskiner. Redan då ställdes människor inför den destruktiva kraften hos naturgas, komprimerad i tusentals år i jordens tarmar. Pionjärerna i Edwin Drakes grupp dog nästan under den första improviserade borrningen nära Titusville, Pennsylvania, när gas läckte ut från genombrottet, en jättebrand utbröt, som bar bort all utrustning. Idag åtföljs exploateringen av olje- och gasfält av ett system med särskilda åtgärder för att blockera det fria flödet av brännbar gas, men bränder och explosioner är inte ovanliga. Samma gas används dock i många fall som en slags "pump" som driver olja till ytan, och när dess tryck sjunker börjar oljemännen leta efter och använda andra metoder för att utvinna "svart guld".
Världen av kolvätegaser
1885, fyra år efter William Harts första gasborrning, uppfann en annan amerikan, Robert Bunsen, en anordning som senare blev känd som "Bunsen-brännaren". Uppfinningen tjänar till att dosera och blanda gas och luft i lämplig proportion, som sedan kan användas för säker förbränning - det är denna brännare som idag är grunden för moderna syrgasmunstycken för spisar och värmeapparater. Bunsens uppfinning öppnade nya möjligheter för användningen av naturgas, men även om den första gasledningen byggdes redan 1891, fick blåbränsle inte kommersiell betydelse förrän andra världskriget.
Det var under kriget som tillräckligt tillförlitliga metoder för skärning och svetsning skapades, vilket gjorde det möjligt att bygga säkra metallgasledningar. Tusentals kilometer av dem byggdes i Amerika efter kriget, och rörledningen från Libyen till Italien byggdes på 60-talet. Stora fyndigheter av naturgas har också upptäckts i Nederländerna. Dessa två fakta förklarar den bättre infrastrukturen för att använda komprimerad naturgas (CNG) och flytande petroleumgas (LPG) som fordonsbränsle i dessa två länder. Den enorma strategiska betydelse som naturgas börjar få bekräftas av följande faktum - när Reagan bestämde sig för att förstöra "det onda imperiet" på 80-talet lade han in sitt veto mot leveransen av högteknologisk utrustning för byggandet av en gasledning från Sovjetunionen till Europa. För att kompensera för europeiska behov accelererar byggandet av en gasledning från den norska delen av Nordsjön till Europas fastland, och Sovjetunionen hänger på. På den tiden var gasexporten den främsta källan till hårdvaluta för Sovjetunionen, och de allvarliga bristerna till följd av Reaganåtgärderna ledde snart till de välkända historiska händelserna i början av 90-talet.
Idag är det demokratiska Ryssland en stor leverantör av naturgas till Tysklands energibehov och en stor global aktör på detta område. Naturgasens betydelse började växa efter de två oljekriserna på 70-talet, och idag är den en av de viktigaste energiresurserna av geostrategisk betydelse. För närvarande är naturgas det billigaste bränslet för uppvärmning, används som råvara i den kemiska industrin, för elproduktion, för hushållsapparater, och dess "kusin" propan kan till och med hittas i deodorantflaskor som en deodorant. ersätta ozonnedbrytande fluorföreningar. Förbrukningen av naturgas växer ständigt och gasledningsnätet blir längre. När det gäller den infrastruktur som hittills byggts för användning av detta bränsle i bilar, ligger allt långt efter.
Vi har redan berättat om de märkliga beslut som japanerna tog i produktionen av välbehövligt och knappt bränsle under andra världskriget, och även nämnt programmet för produktion av syntetisk bensin i Tyskland. Det är dock lite känt om det faktum att det under de magra krigsåren i Tyskland fanns ganska riktiga bilar som körde på ... trä! I det här fallet är detta inte en återgång till den gamla goda ångmaskinen, utan förbränningsmotorer, som ursprungligen konstruerades för att drivas på bensin. Faktum är att idén inte är särskilt komplicerad, utan kräver användning av ett skrymmande, tungt och farligt gasgeneratorsystem. Kol, träkol eller bara ved placeras i ett speciellt och inte särskilt komplext kraftverk. På dess botten brinner de i frånvaro av syre, och under förhållanden med hög temperatur och luftfuktighet frigörs en gas som innehåller kolmonoxid, väte och metan. Den kyls sedan, rengörs och matas av en fläkt in i motorns insugningsrör för användning som bränsle. Naturligtvis utförde förarna av dessa maskiner brandmännens komplexa och svåra funktioner - pannan var tvungen att periodvis laddas och rengöras, och rökmaskinerna såg verkligen ut lite som ånglok.
Idag kräver gasprospektering en del av världens mest sofistikerade teknik, och utvinning av naturgas och olja är en av de största utmaningarna som vetenskap och teknik står inför. Detta faktum är särskilt sant i USA, där fler och fler okonventionella metoder används för att "suga" gasen som finns kvar på gamla eller övergivna fält, samt för att utvinna den så kallade "täta" gasen. Enligt forskare kommer det nu att krävas dubbelt så mycket borrning för att producera gas på tekniknivå 1985. Metodernas effektivitet har ökat avsevärt och utrustningens vikt har minskat med 75 %. Allt mer sofistikerade datorprogram används för att analysera data från gravimetrar, seismisk teknik och lasersatelliter, från vilka tredimensionella datorkartor över reservoarer skapas. Det har också skapats så kallade 4D-bilder, tack vare vilka det är möjligt att visualisera avlagringarnas former och rörelser över tid. Men det finns toppmoderna anläggningar kvar för havsbaserad naturgasproduktion – bara en bråkdel av mänskliga framsteg på detta område – globala positioneringssystem för borrning, ultradjupa borrningar, rörledningar på havsbotten och system för flytande röjning. kolmonoxid och sand.
Att raffinera olja för att producera bensin av hög kvalitet är en mycket mer komplex uppgift än att raffinera gaser. Å andra sidan är transport av gas till sjöss mycket mer kostsamt och mer komplext. LPG-tankfartyg är ganska komplexa i design, men LNG-fartyg är en fantastisk skapelse. Butan kondenserar vid -2 grader, medan propan kondenserar vid -42 grader eller relativt lågt tryck. Det krävs dock -165 grader för att göra metan flytande! Konstruktionen av gasoltankbilar kräver därför enklare kompressorstationer än för naturgas och tankar som är konstruerade för att klara inte särskilt höga tryck på 20-25 bar. Däremot är tankfartyg för flytande naturgas utrustade med kontinuerliga kylsystem och superisolerade tankar - i själva verket är dessa kolosser världens största kryogena kylskåp. En del av gasen lyckas dock "lämna" dessa installationer, men ett annat system fångar omedelbart upp den och matar in den i fartygets motorcylindrar.
Av ovanstående skäl är det ganska förståeligt att tekniken redan 1927 tillät de första propan-butan-tankarna att överleva. Detta är det holländsk-engelska Shells verk, som vid den tiden redan var ett jätteföretag. Hennes chef Kessler är en avancerad man och en experimenterare som länge drömt om att på något sätt använda den enorma mängd gas som hittills läckt ut i atmosfären eller brunnit ner i oljeraffinaderier. På hans idé och initiativ skapades det första offshorefartyget med en lastkapacitet på 4700 XNUMX ton för att transportera kolvätegaser med exotiskt utseende och imponerande dimensioner över däckstankar.
Det krävs dock ytterligare trettiotvå år för att bygga den första Methane Pioneer-metanbäraren, byggd på order av gasföretaget Constock International Methane Limited. Shell, som redan har en stabil infrastruktur för produktion och distribution av gasol, köpte detta företag, och mycket snart byggdes ytterligare två enorma tankfartyg - Shell började utveckla verksamheten för flytande naturgas. När invånarna på den engelska ön Conway, där företaget bygger metanlagringsanläggningar, inser vad som faktiskt lagras och transporteras till deras ö, blir de chockade och rädda och tänker (och med rätta) att fartygen bara är jättebomber. Då var säkerhetsproblemet verkligen aktuellt, men idag är tankfartyg för transport av flytande metan extremt säkra och är inte bara ett av de säkraste, utan också ett av de mest miljövänliga sjöfartygen – ojämförligt säkrare för miljön än oljetankfartyg. Den största kunden av tankfartygsflottan är Japan, som praktiskt taget inte har några lokala energikällor, och byggandet av gasledningar till ön är ett mycket svårt uppdrag. Japan har också den största "parken" av gasfordon. Huvudleverantörerna av flytande naturgas (LNG) är idag USA, Oman och Qatar, Kanada.
Nyligen har verksamheten att producera flytande kolväten från naturgas blivit allt mer populär. Detta är främst ultrarent dieselbränsle syntetiserat från metan, och denna industri förväntas utvecklas i snabbare takt i framtiden. Till exempel kräver Bushs energipolitik användning av lokala energikällor, och Alaska har stora fyndigheter av naturgas. Dessa processer stimuleras av relativt höga oljepriser, vilket skapar förutsättningar för utveckling av dyra teknologier – GTL (Gas-to-Liquids) är bara en av dem.
I grund och botten är GTL ingen ny teknik. Den skapades på 20-talet av de tyska kemisterna Franz Fischer och Hans Tropsch, som nämndes i tidigare nummer som en del av deras syntetiska program. Men i motsats till den destruktiva hydreringen av kol sker här processerna att förena lätta molekyler till längre bindningar. Sydafrika har producerat sådant bränsle i industriell skala sedan 50-talet. Intresset för dem har dock vuxit de senaste åren i jakten på nya möjligheter att minska skadliga bränsleutsläpp i USA. Stora oljebolag som BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol och Royal Dutch/Shell lägger enorma summor på att utveckla GTL-relaterade teknologier, och som ett resultat av denna utveckling diskuteras politiska och sociala aspekter alltmer i incitament. skatter på rena bränslekonsumenter. Dessa bränslen kommer att göra det möjligt för många konsumenter av dieselbränsle att ersätta det med mer miljövänliga bränslen och kommer att bidra till att minska kostnaderna för bilföretagen att uppnå nya nivåer av skadliga utsläpp enligt lag. Nyligen genomförda djuptester visar att GTL-bränslen minskar kolmonoxiden med 90 %, kolvätena med 63 % och sotet med 23 % utan behov av dieselpartikelfilter. Dessutom tillåter den lågsvavliga karaktären hos detta bränsle användning av ytterligare katalysatorer som ytterligare kan minska fordonsutsläppen.
En viktig fördel med GTL-bränsle är att det kan användas direkt i dieselmotorer utan några ändringar av enheterna. De kan också blandas med bränslen som innehåller 30 till 60 ppm svavel. Till skillnad från naturgas och flytande petroleumgaser finns det inget behov av att ändra den befintliga transportinfrastrukturen för att transportera flytande bränslen. Enligt Rentechs president Denis Yakubson skulle denna typ av bränsle idealiskt kunna komplettera den miljövänliga ekonomiska potentialen hos dieselmotorer, och Shell bygger för närvarande en stor anläggning på 22,3 miljarder dollar i Qatar med en designkapacitet på XNUMX miljoner liter syntetiskt bränsle per dag. ... Det största problemet med dessa bränslen härrör från de enorma investeringar som krävs i nya anläggningar och den typiskt dyra produktionsprocessen.
Biogas
Källan till metan är dock inte bara underjordiska fyndigheter. 1808 experimenterade Humphry Davy med halm placerad i en vakuumretort och producerade en biogas som huvudsakligen innehöll metan, koldioxid, väte och kväve. Daniel Defoe berättar också om biogas i sin roman om "den förlorade ön". Men historien om denna idé är ännu äldre - på 1776-talet trodde Jan Baptita Van Helmont att brännbara gaser kunde erhållas från nedbrytning av organiska ämnen, och greve Alexander Volta (batteriets skapare) kom också till liknande slutsatser år 1859. Den första biogasanläggningen började fungera i Bombay och etablerades samma år som Edwin Drake gjorde den första framgångsrika oljeborrningen. En indisk anläggning bearbetar avföring och levererar gas till gatlyktor.
Det kommer att ta lång tid innan de kemiska processerna vid produktion av biogas förstås och studeras grundligt. Detta blev möjligt först på 30-talet av XX-talet och är resultatet av ett steg i utvecklingen av mikrobiologin. Det visar sig att denna process orsakas av anaeroba bakterier, som är en av de äldsta livsformerna på jorden. De ”maler” organiskt material i en anaerob miljö (aerob nedbrytning kräver mycket syre och genererar värme). Sådana processer förekommer också naturligt i träsk, kärr, risfält, täckta laguner etc.
Moderna biogasproduktionssystem blir mer populära i vissa länder och Sverige är ledande inom både biogasproduktion och fordon anpassade för att köra på den. Syntesenheter använder specialdesignade biogeneratorer, relativt billiga och enkla enheter som skapar en lämplig miljö för bakterier, som, beroende på typ, "fungerar" mest effektivt vid temperaturer från 40 till 60 grader. Slutprodukterna från biogasanläggningar innehåller förutom gas också föreningar rika på ammoniak, fosfor och andra grundämnen som är lämpliga för användning inom jordbruket som jordgödsel.
