חלופות נסיעת מבחן: חלק 1 - תעשיית הגז
בשנות ה -70 וילהלם מייבאך התנסה בעיצובים שונים של מנועי בעירה פנימית, שינה מנגנונים וחשב על סגסוגות המתאימות ביותר לייצור חלקים בודדים. לעתים קרובות הוא תוהה אילו מהחומרים הדליקים הידועים אז היו המתאימים ביותר לשימוש במנועי חום.
בשנות ה -70 וילהלם מייבאך התנסה בעיצובים שונים של מנועי בעירה פנימית, שינה מנגנונים וחשב על סגסוגות המתאימות ביותר לייצור חלקים בודדים. לעתים קרובות הוא תוהה אילו מהחומרים הדליקים הידועים אז היו המתאימים ביותר לשימוש במנועי חום.
בשנת 1875, כשהיה עובד ב-Gasmotorenfabrik Deutz, החליט וילהלם מייבאך לבדוק האם הוא יכול להפעיל מנוע גז על דלק נוזלי - ליתר דיוק, על בנזין. עלה בדעתו לבדוק מה יקרה אם יסגור את ברז הגז ובמקום זאת יניח פיסת בד ספוגה בבנזין מול סעפת היניקה. המנוע אינו מפסיק, אלא ממשיך לעבוד עד שהוא "שואב" את כל הנוזל מהרקמה. כך נולד הרעיון של ה"קרבורטור" המאולתר הראשון, ולאחר יצירת המכונית, הבנזין הפך לדלק העיקרי עבורו.
אני מספר את הסיפור הזה כדי להזכיר לך שלפני בנזין היה אלטרנטיבה לדלק, המנועים הראשונים השתמשו בגז כדלק. ואז היה מדובר בשימוש בגז (תאורה) לתאורה, שהושג בשיטות שאינן ידועות כיום, אלא בעיבוד פחם. המנוע, שהומצא על ידי אייזק דה ריבאק השוויצרי, מנוע האתילן לנואר הראשון "שאוב באופן טבעי" (לא דחוס) מאז 1862, והיחידה הארבע פעימות הקלאסית שנוצרה על ידי אוטו מעט מאוחר יותר, פועלת על דלק.
כאן יש להזכיר את ההבדל בין גז טבעי לגז נוזלי. גז טבעי מכיל 70 עד 98% מתאן, כאשר השאר הם גזים אורגניים ואי-אורגניים גבוהים יותר כמו אתאן, פרופאן ובוטאן, פחמן חד חמצני ואחרים. נפט מכיל גם גזים בפרופורציות שונות, אך גזים אלה משתחררים באמצעות זיקוק חלקי או מופקים בתהליכים צדדיים מסוימים בבתי זיקוק. שדות גז שונים מאוד - גז טהור או "יבש" (כלומר, מכילים בעיקר מתאן) ו"רטובים" (המכילים מתאן, אתאן, פרופאן, כמה גזים כבדים יותר, ואפילו "בנזין" - נוזל קל, שברים בעלי ערך רב) . גם סוגי השמנים שונים, וריכוז הגזים בהם יכול להיות נמוך או גבוה יותר. שדות משולבים לרוב - גז עולה מעל הנפט ופועל כ"מכסה גז". הרכב ה"כובע" ושדה הנפט הראשי כולל את החומרים שהוזכרו לעיל, ושברים שונים, באופן פיגורטיבי, "זורמים" זה לזה. המתאן המשמש כדלק לרכב "מגיע" מגז טבעי, ותערובת הפרופאן-בוטאן המוכרת לנו מגיעה גם משדות גז טבעי וגם משדות נפט. כ-6% מהגז הטבעי בעולם מופק ממרבצי פחם, שלרוב מלווים במרבצי גז.
פרופאן-בוטאן מופיע על המקום בצורה קצת פרדוקסלית. בשנת 1911, לקוח אמריקאי זועם של חברת נפט הורה לחברו, הכימאי המפורסם ד"ר סנלינג, לברר את הסיבות לאירוע המסתורי. הסיבה לזעמו של הלקוח היא שהלקוח מופתע לגלות שחצי מהמיכל של תחנת הדלק התמלא זה עתה. פורד היא נעלמה באמצעים לא ידועים במהלך נסיעה קצרה לביתו. המיכל אינו זורם משום מקום ... לאחר ניסויים רבים גילה ד"ר סנלינג כי הסיבה לתעלומה היא התכולה הגבוהה של גזי פרופאן ובוטאן בדלק, וזמן קצר לאחר מכן פיתח את שיטות הזיקוק המעשיות הראשונות. אוֹתָם. בגלל ההתקדמות הבסיסית הזו דוקטור סנלינג נחשב כיום ל"אב "של התעשייה.
הרבה יותר מוקדם, לפני כ -3000 שנה, גילו הרועים "מעיין בוער" על הר פאראנה ביוון. מאוחר יותר נבנה על המקום ה"קדוש "הזה מקדש עם עמודים בוערים, והאורקל דלפיוס דקלם את תפילותיו מול הקולוס המלכותי וגרם לאנשים לחוש פיוס, פחד והערצה. כיום חלק מהרומנטיקה ההיא אבודה מכיוון שאנו יודעים שמקור הלהבה הוא מתאן (CH4) הזורם מסדקים בסלעים הקשורים לעומק שדות הגז. ישנן שריפות דומות במקומות רבים בעירק, איראן ואזרבייג'ן מול חופי הים הכספי, אשר בוערות גם זה מאות שנים וכונתן זה מכבר "הלהבות הנצחיות של פרס".
שנים רבות לאחר מכן, הסינים השתמשו גם בגזים מהשדות, אך במטרה מאוד פרגמטית - לחמם דוודים גדולים במי ים ולהפיק מהם מלח. ב-1785 יצרו הבריטים שיטה להפקת מתאן מפחם (ששימש במנועי הבעירה הפנימית הראשונים), ובתחילת המאה העשרים רשמו הכימאים הגרמנים Kekule וסטרדוניץ על תהליך להפקת דלק נוזלי כבד יותר ממנו.
בשנת 1881, וויליאם הארט קדח את באר הגז הראשונה בעיר פרדוניה האמריקאית. הארט צפה זמן רב בבועות העולות אל פני המים במפרץ סמוך והחליט לחפור בור מהאדמה אל שדה הגז המוצע. בעומק של תשעה מטרים מתחת לפני השטח, הוא הגיע לווריד שממנו נשפך גז, שאותו תפס מאוחר יותר, וחברת האורות הגז החדשה שלו פרדוניה הפכה לחלוצה בעסקי הגז. אולם למרות פריצת הדרך של הארט, גז התאורה בו השתמשו במאה ה-XNUMX הופק בעיקר מפחם בשיטה שתוארה לעיל – בעיקר בשל היעדר פוטנציאל לפיתוח טכנולוגיות להובלת גז טבעי משדות.
עם זאת, הפקת הנפט המסחרית הראשונה הייתה כבר אז עובדה. ההיסטוריה שלהם החלה בארה"ב בשנת 1859, והרעיון היה להשתמש בשמן המופק כדי לזקק נפט לתאורה ושמנים למנועי קיטור. כבר אז, אנשים עמדו בפני כוח ההרס של הגז הטבעי, דחוס במשך אלפי שנים בבטן האדמה. חלוצי הקבוצה של אדווין דרייק כמעט מתו במהלך הקידוח המאולתר הראשון ליד טיטוסוויל, פנסילבניה, כאשר גז דלף מהפרצה, פרצה שריפה ענקית, שסחבה את כל הציוד. כיום, ניצול שדות נפט וגז מלווה במערכת של אמצעים מיוחדים לחסימת זרימה חופשית של גז דליק, אך שריפות ופיצוצים אינם נדירים. עם זאת, אותו גז משמש במקרים רבים כמעין "משאבה" הדוחפת את הנפט אל פני השטח, וכשהלחץ שלו יורד, אנשי הנפט מתחילים לחפש ולהשתמש בשיטות אחרות להפקת "זהב שחור".
עולם הגזים הפחמימנים
ב-1885, ארבע שנים לאחר קידוח הגז הראשון של ויליאם הארט, המציא אמריקאי אחר, רוברט בונסן, מכשיר שנודע לימים כ"צורב בונסן". ההמצאה משמשת למינון וערבוב של גז ואוויר בפרופורציה מתאימה, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם לבעירה בטוחה - מבער זה הוא שהיום הוא הבסיס של חרירי חמצן מודרניים לכיריים ומכשירי חימום. ההמצאה של בונסן פתחה אפשרויות חדשות לשימוש בגז טבעי, אך למרות שצינור הגז הראשון נבנה כבר ב-1891, הדלק הכחול לא קיבל חשיבות מסחרית עד מלחמת העולם השנייה.
במהלך המלחמה נוצרו שיטות אמינות מספיק של חיתוך וריתוך, שאפשרו לבנות צינורות גז מתכת בטוחים. אלפי קילומטרים מהם נבנו באמריקה לאחר המלחמה, והצינור מלוב לאיטליה נבנה בשנות ה-60. גם בהולנד התגלו מרבצים גדולים של גז טבעי. שתי עובדות אלו מסבירות את התשתית הטובה יותר לשימוש בגז טבעי דחוס (CNG) ובגז נפט נוזלי (LPG) כדלק לרכב בשתי המדינות הללו. החשיבות האסטרטגית העצומה שמתחיל לרכוש הגז הטבעי מאוששת בעובדה הבאה - כשרייגן החליט להרוס את "אימפריית הרשע" בשנות ה-80, הוא הטיל וטו על אספקת ציוד היי-טק להקמת צינור גז מהעיר. ברית המועצות לאירופה. כדי לפצות על הצרכים האירופיים, מואצת בנייתו של צינור גז מהגזרה הנורבגית של הים הצפוני ליבשת אירופה, וברית המועצות נתקעת. יצוא הגז היה אז המקור העיקרי למטבע קשה עבור ברית המועצות, והמחסור החמור שנבע מצעדי רייגן הוביל עד מהרה לאירועים ההיסטוריים הידועים של תחילת שנות ה-90.
כיום, רוסיה הדמוקרטית היא ספקית מרכזית של גז טבעי לצרכי האנרגיה של גרמניה ושחקנית עולמית מרכזית בתחום זה. חשיבותו של הגז הטבעי החלה לגדול לאחר שני משברי הנפט של שנות ה-70, וכיום הוא אחד ממשאבי האנרגיה העיקריים בעלי חשיבות גיאו-אסטרטגית. נכון להיום, הגז הטבעי הוא הדלק הזול ביותר לחימום, משמש כחומר הזנה בתעשייה הכימית, לייצור חשמל, למכשירי חשמל ביתיים, וניתן למצוא פרופאן "בן דודו" שלו אפילו בבקבוקי דאודורנט בתור דאודורנט. תחליף לתרכובות פלואור מדלדלות אוזון. צריכת הגז הטבעי גדלה כל הזמן, ורשת צינורות הגז מתארכת. לגבי התשתית שנבנתה עד כה לשימוש בדלק הזה במכוניות, הכל רחוק מאחור.
כבר סיפרנו לכם על ההחלטות המוזרות שקיבלו היפנים בייצור דלק נחוץ ודל במהלך מלחמת העולם השנייה, והזכרנו גם את התוכנית לייצור בנזין סינטטי בגרמניה. עם זאת, מעט ידוע על העובדה שבשנות המלחמה הרזות בגרמניה היו מכוניות אמיתיות למדי שנוסעות על ... עץ! במקרה זה, לא מדובר בחזרה למנוע הקיטור הישן והטוב, אלא במנועי בעירה פנימית, שנועדו במקור לפעול על בנזין. למעשה, הרעיון אינו מסובך במיוחד, אך מצריך שימוש במערכת מחולל גז מגושם, כבד ומסוכן. פחם, פחם או סתם עץ מונחים בתחנת כוח מיוחדת ולא מורכבת במיוחד. בתחתיתו הם נשרפים בהיעדר חמצן, ובתנאי טמפרטורה ולחות גבוהים משתחרר גז המכיל פחמן חד חמצני, מימן ומתאן. לאחר מכן הוא מקורר, מנוקה ומוזן על ידי מאוורר לתוך סעפות היניקה של המנוע לשימוש כדלק. כמובן, נהגי המכונות הללו ביצעו את התפקידים המורכבים והקשים של הכבאים – היה צריך להטעין ולנקות את הדוד מעת לעת, ומכונות העישון באמת נראו קצת כמו קטרי קיטור.
כיום, חיפושי גז דורשים חלק מהטכנולוגיה המתוחכמת ביותר בעולם, והפקת גז טבעי ונפט היא אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני המדע והטכנולוגיה. עובדה זו נכונה במיוחד בארה"ב, שבה נעשה שימוש יותר ויותר בשיטות לא קונבנציונליות כדי "לשאת" גז שנשאר בשדות ישנים או נטושים, כמו גם להפקת מה שנקרא "הדוק". לדברי מדענים, יידרש כעת קידוח כפול כדי להפיק גז ברמת הטכנולוגיה ב-1985. יעילות השיטות גדלה מאוד, ומשקל הציוד ירד ב-75%. תוכנות מחשב מתוחכמות יותר ויותר משמשות לניתוח נתונים ממדי גרבימטר, טכנולוגיות סיסמיות ולווייני לייזר, מהם נוצרות מפות ממוחשבות תלת מימדיות של מאגרים. נוצרו גם מה שנקרא תמונות 4D, שבזכותן ניתן לדמיין את הצורות והתנועות של משקעים לאורך זמן. עם זאת, נותרו מתקנים חדישים להפקת גז טבעי ימית - רק חלק מההתקדמות האנושית בתחום זה - מערכות מיקום גלובליות לקידוח, קידוח עמוק במיוחד, צינורות קרקעית האוקיינוס ומערכות פינוי נוזלי. פחמן חד חמצני וחול.
זיקוק נפט להפקת בנזין איכותי הוא משימה הרבה יותר מורכבת מאשר זיקוק גזים. מצד שני, הובלת גז בים היא הרבה יותר יקרה ומורכבת. מיכליות גפ"מ מורכבות למדי בעיצובן, אבל מובילי LNG הם יצירה מדהימה. בוטאן מתנזל ב-2 מעלות, בעוד שפרופאן מתנזל ב-42 מעלות או בלחץ נמוך יחסית. עם זאת, נדרשות -165 מעלות כדי להזיל מתאן! כתוצאה מכך, בניית מכליות גפ"מ דורשת תחנות מדחס פשוטות יותר מאשר עבור גז טבעי ומיכלים המיועדים לעמוד בלחצים לא גבוהים במיוחד של 20-25 בר. לעומת זאת, מכליות גז נוזלי מצוידות במערכות קירור רציפות ובמכלים מבודדים במיוחד – למעשה, הקולוסים הללו הם המקררים הקריוגניים הגדולים בעולם. עם זאת, חלק מהגז מצליח "לעזוב" את המתקנים הללו, אך מערכת אחרת לוכדת אותו מיד ומזינה אותו לתוך צילינדרי המנוע של הספינה.
מהסיבות לעיל, די מובן שכבר בשנת 1927 הטכנולוגיה אפשרה למיכלי הפרופאן-בוטאן הראשונים לשרוד. זו העבודה של Shell ההולנדית-אנגלית, שבאותה תקופה כבר הייתה חברת ענק. הבוס שלה קסלר הוא אדם מתקדם ונסיין שחלם זמן רב להשתמש בדרך כלשהי בכמות העצומה של הגז שדלפה עד כה לאטמוספירה או נשרף בבתי זיקוק לנפט. על פי רעיון ויוזמתו, נוצרה כלי השיט הימי הראשון עם כושר נשיאה של 4700 טון להובלת גזי פחמימנים בעלי ממדים אקזוטיים ומרשימים מעל מיכלי הסיפון.
עם זאת, נדרשות עוד שלושים ושתיים שנים לבניית מנשא המתאן הראשון של מתאן פיוניר, שנבנה בהוראת חברת הגז Constock International Methane Limited. Shell, שכבר יש לה תשתית יציבה לייצור והפצה של גפ"מ, רכשה את החברה הזו, ומהר מאוד נבנו שתי מכליות ענק נוספות - Shell החלה לפתח את עסקי הגז הטבעי הנוזלי. כאשר תושבי האי האנגלי קונווי, שבו החברה בונה מתקני אחסון מתאן, מבינים מה בעצם מאוחסן ומועבר לאי שלהם, הם מזועזעים ומפוחדים, חושבים (ובצדק) שהספינות הן רק פצצות ענק. אז בעיית הבטיחות הייתה ממש רלוונטית, אבל כיום מכליות להובלת מתאן נוזלי הן בטוחות ביותר והן לא רק אחת מכלי הים הבטוחים, אלא גם אחת מכלי השיט הידידותיים ביותר לסביבה - בטוחות יותר לאיכות הסביבה ממכליות נפט. הלקוח הגדול ביותר של צי המכליות הוא יפן, שאין לה כמעט מקורות אנרגיה מקומיים, ובניית צינורות גז לאי היא משימה קשה מאוד. ביפן יש גם את ה"פארק" הגדול ביותר של רכבי גז. הספקיות העיקריות של גז טבעי נוזלי (LNG) כיום הן ארצות הברית, עומאן וקטאר, קנדה.
לאחרונה, העסק של הפקת פחמימנים נוזליים מגז טבעי הפך יותר ויותר פופולרי. מדובר בעיקר בסולר נקי במיוחד המסונתז מתאן, ותעשייה זו צפויה להתפתח בקצב מואץ בעתיד. לדוגמה, מדיניות האנרגיה של בוש מחייבת שימוש במקורות אנרגיה מקומיים, ולאלסקה יש מרבצים גדולים של גז טבעי. תהליכים אלו מעוררים על ידי מחירי נפט גבוהים יחסית, היוצרים תנאים מוקדמים לפיתוח טכנולוגיות יקרות - GTL (Gas-to-Liquids) הוא רק אחד מהם.
בעיקרון, GTL היא לא טכנולוגיה חדשה. הוא נוצר בשנות ה-20 על ידי הכימאים הגרמנים פרנץ פישר והנס טררופש, שהוזכרו בגיליונות קודמים כחלק מהתוכנית הסינתטית שלהם. עם זאת, בניגוד להידרוגציה ההרסנית של פחם, מתרחשים כאן תהליכי חיבור מולקולות אור לקשרים ארוכים יותר. דרום אפריקה מייצרת דלק כזה בקנה מידה תעשייתי מאז שנות ה-50. עם זאת, העניין בהם גובר בשנים האחרונות בחיפוש אחר הזדמנויות חדשות להפחתת פליטת דלקים מזיקים בארצות הברית. חברות נפט גדולות כמו BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol ו-Royal Dutch/Shell מוציאות סכומי עתק על פיתוח טכנולוגיות הקשורות ל-GTL, וכתוצאה מההתפתחויות הללו, היבטים פוליטיים וחברתיים נדונים יותר ויותר ב- פנים של תמריצים. מסים על צרכני דלק נקי. דלקים אלו יאפשרו לצרכנים רבים של סולר להחליף אותו בחומר ידידותי יותר לסביבה ויפחיתו את העלות לחברות הרכב לעמוד ברמות חדשות של פליטות מזיקות הקבועות בחוק. בדיקות מעמיקות שנערכו לאחרונה מראות שדלקי GTL מפחיתים פחמן חד חמצני ב-90%, פחמימנים ב-63% ופיח ב-23% ללא צורך במסנני חלקיקי דיזל. בנוסף, האופי הנמוך בגופרית של דלק זה מאפשר שימוש בזרזים נוספים שיכולים להפחית עוד יותר את פליטת הרכב.
יתרון חשוב של דלק GTL הוא בכך שניתן להשתמש בו ישירות במנועי דיזל ללא כל שינוי ביחידות. ניתן גם לערבב אותם עם דלקים המכילים 30 עד 60 עמודים לדקה גופרית. שלא כמו גז טבעי וגזי נפט נוזלים, אין צורך לשנות את תשתית התחבורה הקיימת להובלת דלקים נוזליים. לדברי נשיא רנטק, דניס יקובסון, סוג זה של דלק יכול להשלים באופן אידיאלי את הפוטנציאל הכלכלי ידידותי לסביבה של מנועי דיזל, ושלל בונה כיום מפעל גדול ב -22,3 מיליון דולר בקטאר עם יכולת תכנון של XNUMX מיליון ליטר דלק סינטטי ליום. ... הבעיה הגדולה ביותר בדלקים אלה נובעת מההשקעה העצומה הנדרשת במתקנים חדשים ותהליך הייצור היקר בדרך כלל.
ביוגז
עם זאת, מקור המתאן הוא לא רק מרבצים תת-קרקעיים. בשנת 1808 האמפרי דייווי ערך ניסויים בקש שהונח ברטורט ואקום ויצר ביו-גז המכיל בעיקר מתאן, פחמן דו חמצני, מימן וחנקן. דניאל דפו גם מדבר על ביוגז ברומן שלו על "האי האבוד". עם זאת, ההיסטוריה של רעיון זה עתיקה עוד יותר - במאה 1776, יאן בפטיטה ואן הלמונט האמין שניתן להשיג גזים דליקים מפירוק חומרים אורגניים, וגם הרוזן אלכסנדר וולטה (יוצר הסוללה) הגיע למסקנות דומות. בשנת 1859. מפעל הביוגז הראשון החל לפעול בבומביי והוקם באותה שנה שבה ייצר אדווין דרייק את קידוח הנפט המוצלח הראשון. מפעל הודי מעבד צואה ומספק גז לפנסי רחוב.
ייקח הרבה זמן עד שהתהליכים הכימיים בייצור ביוגז יובנו ונלמדו היטב. זה התאפשר רק בשנות השלושים של המאה העשרים והוא תוצאה של זינוק בהתפתחות המיקרוביולוגיה. מתברר שתהליך זה נגרם על ידי חיידקים אנאירוביים, שהם אחת מצורות החיים העתיקות ביותר על פני כדור הארץ. הם "טוחנים" חומר אורגני בסביבה אנאירובית (פירוק אירובי דורש הרבה חמצן ומייצר חום). תהליכים כאלה מתרחשים באופן טבעי גם בביצות, ביצות, שדות אורז, לגונות מכוסות וכו '.
מערכות מודרניות לייצור ביו-גז הופכות לפופולריות יותר במדינות מסוימות, ושבדיה מובילה הן בייצור ביוגז והן בכלי רכב המותאמים לרוץ עליה. יחידות סינתזה משתמשות בביוגנרטורים שתוכננו במיוחד, מכשירים זולים ופשוטים יחסית היוצרים סביבה מתאימה לחיידקים, אשר בהתאם לסוגם "פועלים" בצורה היעילה ביותר בטמפרטורות הנעות בין 40 ל-60 מעלות. התוצרים הסופיים של מפעלי ביו-גז מכילים בנוסף לגז גם תרכובות עשירות באמוניה, זרחן ושאר יסודות המתאימים לשימוש בחקלאות כדשני קרקע.
