Alternatywne jazdy próbne: CZĘŚĆ 1 — Przemysł gazowy
W latach 70-tych Wilhelm Maybach eksperymentował z różnymi konstrukcjami silników spalinowych, zmieniał mechanizmy i zastanawiał się nad najodpowiedniejszymi stopami do produkcji poszczególnych części. Często się zastanawia, która ze znanych wówczas substancji palnych byłaby najbardziej odpowiednia do zastosowania w silnikach cieplnych.
W latach 70-tych Wilhelm Maybach eksperymentował z różnymi konstrukcjami silników spalinowych, zmieniał mechanizmy i zastanawiał się nad najodpowiedniejszymi stopami do produkcji poszczególnych części. Często się zastanawia, która ze znanych wówczas substancji palnych byłaby najbardziej odpowiednia do zastosowania w silnikach cieplnych.
W 1875 roku, będąc pracownikiem Gasmotorenfabrik Deutz, Wilhelm Maybach postanowił sprawdzić, czy potrafi uruchomić silnik gazowy na paliwie płynnym, a dokładniej na benzynie. Przyszło mu do głowy, żeby sprawdzić, co by się stało, gdyby zakręcił kurek gazu i zamiast tego położył kawałek materiału nasączonego benzyną przed kolektorem dolotowym. Silnik nie zatrzymuje się, ale kontynuuje pracę, dopóki nie „zasysa” całego płynu z tkanki. Tak narodził się pomysł pierwszego zaimprowizowanego „gaźnika”, a po stworzeniu samochodu benzyna stała się dla niego głównym paliwem.
Opowiadam tę historię, aby przypomnieć, że zanim benzyna pojawiła się jako alternatywa dla paliwa, pierwsze silniki wykorzystywały gaz jako paliwo. Wtedy chodziło o wykorzystanie do oświetlenia (rozpalającego) gazu, pozyskiwanego nieznanymi dziś metodami, ale z przeróbki węgla. Silnik, wynaleziony przez Szwajcara Isaaca de Rivaka, pierwszy „wolnossący” (nieskompresowany) silnik klasy przemysłowej Ethylene Lenoir od 1862 roku, oraz klasyczny czterosuwowy silnik stworzony przez Otto nieco później, działają na gaz.
W tym miejscu należy wspomnieć o różnicy między gazem ziemnym a gazem płynnym. Gaz ziemny zawiera od 70 do 98% metanu, a resztę stanowią wyższe gazy organiczne i nieorganiczne, takie jak etan, propan i butan, tlenek węgla i inne. Ropa naftowa zawiera również gazy w różnych proporcjach, ale te gazy są uwalniane podczas destylacji frakcyjnej lub są wytwarzane w niektórych procesach ubocznych w rafineriach. Złoża gazowe są bardzo różne – czysty gaz lub „suchy” (czyli zawierający głównie metan) i „mokry” (zawierający metan, etan, propan, niektóre inne cięższe gazy, a nawet „benzynę” – lekką ciecz, bardzo wartościowe frakcje) . Rodzaje olejów są również różne, a stężenie gazów w nich może być niższe lub wyższe. Pola są często łączone – gaz unosi się nad ropą i działa jak „korek gazowy”. Skład „czapki” i głównego pola naftowego obejmuje wymienione powyżej substancje, a różne frakcje, mówiąc obrazowo, „przepływają” do siebie. Metan używany jako paliwo samochodowe „pochodzi” z gazu ziemnego, a znana nam mieszanka propan-butan pochodzi zarówno z pól gazu ziemnego, jak i pól naftowych. Około 6% światowego gazu ziemnego wydobywa się ze złóż węgla, którym często towarzyszą złoża gazu.
Propan-butan pojawia się na scenie w nieco paradoksalny sposób. W 1911 roku oburzony amerykański klient koncernu naftowego polecił swojemu przyjacielowi, słynnemu chemikowi dr Snellingowi, poznać przyczyny tajemniczego zdarzenia. Powodem oburzenia klienta jest to, że z zaskoczeniem dowiaduje się, że połowa zbiornika stacji paliw została właśnie napełniona. Ford Zniknęła w nieznany sposób podczas krótkiej wycieczki do jego domu. Zbiornik nie wypływa znikąd... Po wielu eksperymentach dr Snelling odkrył, że przyczyną zagadki była wysoka zawartość gazu propanu i butanu w paliwie, a niedługo potem opracował pierwsze praktyczne metody destylacji im. To właśnie z powodu tych fundamentalnych postępów dr Snelling jest obecnie uważany za „ojca” branży.
Dużo wcześniej, około 3000 lat temu, pasterze odkryli „płonące źródło” na górze Paranas w Grecji. Później na tym „świętym” miejscu zbudowano świątynię z płonącymi kolumnami, a wyrocznia Delphius odmawiała swoje modlitwy przed majestatycznym kolosem, wywołując w ludziach poczucie pojednania, strachu i podziwu. Dziś część tego romansu przepadła, ponieważ wiemy, że źródłem płomienia jest metan (CH4) wypływający ze szczelin w skałach związanych z głębinami pól gazowych. Podobne pożary występują w wielu miejscach w Iraku, Iranie i Azerbejdżanie u wybrzeży Morza Kaspijskiego, które również płoną od wieków i od dawna są znane jako „wieczne płomienie Persji”.
Wiele lat później Chińczycy również używali gazów z pól, ale w bardzo pragmatycznym celu – do ogrzewania dużych kotłów wodą morską i wydobywania z niej soli. W 1785 roku Brytyjczycy stworzyli metodę wytwarzania metanu z węgla (który wykorzystano w pierwszych silnikach spalinowych), a na początku XX wieku niemieccy chemicy Kekule i Stradonitz opatentowali proces wytwarzania z niego cięższego paliwa ciekłego.
W 1881 roku William Hart wykonał pierwszy odwiert gazowy w amerykańskim mieście Fredonia. Hart przez długi czas obserwował bąbelki unoszące się na powierzchnię wody w pobliskiej zatoce i postanowił wykopać dół pod planowane złoże gazowe. Na głębokości dziewięciu metrów pod powierzchnią dotarł do żyły, z której tryskał gaz, którą później schwytał, a jego nowo utworzona Fredonia Gas Light Company stała się pionierem w branży gazowej. Jednak mimo przełomu Harta gaz oświetleniowy używany w XIX wieku wydobywany był głównie z węgla metodą opisaną powyżej - głównie ze względu na brak możliwości rozwoju technologii transportu gazu ziemnego ze złóż.
Jednak pierwsza komercyjna produkcja ropy naftowej była już wtedy faktem. Ich historia zaczęła się w USA w 1859 roku, a pomysł polegał na wykorzystaniu wydobytej ropy do destylacji nafty do oświetlenia i olejów do silników parowych. Już wtedy ludzie mieli do czynienia z niszczycielską mocą gazu ziemnego, sprężonego przez tysiące lat w trzewiach ziemi. Pionierzy z grupy Edwina Drake'a prawie zginęli podczas pierwszego zaimprowizowanego wiercenia w pobliżu Titusville w Pensylwanii, kiedy z wyłomu wyciekł gaz, wybuchł gigantyczny pożar, który pochłonął cały sprzęt. Obecnie eksploatacji złóż ropy i gazu towarzyszy system specjalnych środków blokujących swobodny przepływ gazów palnych, ale pożary i wybuchy nie należą do rzadkości. Jednak ten sam gaz jest w wielu przypadkach wykorzystywany jako swego rodzaju „pompa” wypychająca ropę na powierzchnię, a kiedy jej ciśnienie spada, nafciarze zaczynają szukać i stosować inne metody wydobywania „czarnego złota”.
Świat gazów węglowodorowych
W 1885 roku, cztery lata po pierwszym odwiercie gazowym Williama Harta, inny Amerykanin, Robert Bunsen, wynalazł urządzenie, które później stało się znane jako „palnik Bunsena”. Wynalazek służy dozowaniu i wymieszaniu gazu i powietrza w odpowiedniej proporcji, którą następnie można wykorzystać do bezpiecznego spalania – to właśnie ten palnik jest dziś podstawą nowoczesnych dysz tlenowych do pieców i urządzeń grzewczych. Wynalazek Bunsena otworzył nowe możliwości wykorzystania gazu ziemnego, ale chociaż pierwszy gazociąg powstał już w 1891 roku, to błękitne paliwo nie nabrało znaczenia handlowego aż do II wojny światowej.
To właśnie w czasie wojny stworzono wystarczająco niezawodne metody cięcia i spawania, które umożliwiły budowę bezpiecznych gazociągów metalowych. Tysiące kilometrów ich zbudowano w Ameryce po wojnie, a rurociąg z Libii do Włoch powstał w latach 60. Duże złoża gazu ziemnego odkryto także w Holandii. Te dwa fakty wyjaśniają lepszą infrastrukturę do wykorzystania sprężonego gazu ziemnego (CNG) i gazu płynnego (LPG) jako paliwa samochodowego w tych dwóch krajach. Ogromne znaczenie strategiczne, jakie zaczyna nabierać gaz ziemny, potwierdza następujący fakt – gdy Reagan postanowił w latach 80. ZSRR do Europy. Aby zrekompensować europejskie potrzeby, przyspiesza budowa gazociągu z norweskiego sektora Morza Północnego do Europy kontynentalnej, a ZSRR wisi. W tamtym czasie eksport gazu był głównym źródłem twardej waluty dla Związku Radzieckiego, a poważne niedobory wynikające z posunięć Reagana wkrótce doprowadziły do dobrze znanych wydarzeń historycznych z początku lat 90.
Dziś demokratyczna Rosja jest głównym dostawcą gazu ziemnego na potrzeby energetyczne Niemiec i głównym światowym graczem w tej dziedzinie. Znaczenie gazu ziemnego zaczęło rosnąć po dwóch kryzysach naftowych lat 70., a dziś jest jednym z głównych surowców energetycznych o znaczeniu geostrategicznym. Obecnie gaz ziemny jest najtańszym paliwem do ogrzewania, jest wykorzystywany jako surowiec w przemyśle chemicznym, do produkcji energii elektrycznej, do urządzeń AGD, a jego „kuzyn” propan można znaleźć nawet w butelkach po dezodorantach jako dezodorant. zastępują niszczące warstwę ozonową związki fluoru. Zużycie gazu ziemnego stale rośnie, a sieć gazociągów jest coraz dłuższa. Jeśli chodzi o zbudowaną dotychczas infrastrukturę do wykorzystania tego paliwa w samochodach, to wszystko jest daleko w tyle.
Opowiadaliśmy już o dziwnych decyzjach, jakie podjęli Japończycy w produkcji bardzo potrzebnego i deficytowego paliwa podczas II wojny światowej, a także wspomnieliśmy o programie produkcji benzyny syntetycznej w Niemczech. Niewiele jednak wiadomo o tym, że w latach chudej wojny w Niemczech jeździły całkiem realne samochody na… drewnie! W tym przypadku nie jest to powrót do starego, dobrego silnika parowego, ale silników spalinowych, pierwotnie zaprojektowanych do pracy na benzynie. W rzeczywistości pomysł nie jest bardzo skomplikowany, ale wymaga zastosowania nieporęcznego, ciężkiego i niebezpiecznego układu generatora gazu. Węgiel, węgiel drzewny lub po prostu drewno umieszcza się w specjalnej i niezbyt skomplikowanej elektrowni. Na dnie palą się bez tlenu, aw warunkach wysokiej temperatury i wilgotności wydziela się gaz zawierający tlenek węgla, wodór i metan. Następnie jest chłodzony, czyszczony i podawany przez wentylator do kolektorów dolotowych silnika w celu wykorzystania jako paliwo. Oczywiście kierowcy tych maszyn pełnili złożone i trudne funkcje strażaków – kocioł trzeba było okresowo ładować i czyścić, a dymiarki naprawdę wyglądały trochę jak lokomotywy parowe.
Obecnie poszukiwanie gazu wymaga najbardziej zaawansowanych technologii na świecie, a wydobycie gazu ziemnego i ropy naftowej jest jednym z największych wyzwań stojących przed nauką i technologią. Fakt ten jest szczególnie widoczny w USA, gdzie coraz częściej stosuje się niekonwencjonalne metody „odsysania” gazu pozostawionego na starych lub opuszczonych polach, a także wydobywania tzw. gazu zamkniętego. Zdaniem naukowców wydobycie gazu na poziomie technologicznym z 1985 roku zajmie teraz dwa razy więcej wierceń. Skuteczność metod znacznie wzrosła, a waga sprzętu została zmniejszona o 75%. Coraz bardziej wyrafinowane programy komputerowe są wykorzystywane do analizy danych z grawimetrów, technologii sejsmicznych i satelitów laserowych, z których tworzone są trójwymiarowe komputerowe mapy zbiorników. Powstały także tzw. obrazy 4D, dzięki którym możliwa jest wizualizacja form i ruchów osadów w czasie. Jednak nadal istnieją najnowocześniejsze urządzenia do produkcji gazu ziemnego na morzu - tylko ułamek postępu ludzkości w tej dziedzinie - globalne systemy pozycjonowania do odwiertów, bardzo głębokich odwiertów, rurociągów na dnie oceanu i systemów skroplonego oczyszczania. tlenek węgla i piasek.
Rafinacja ropy naftowej w celu wytworzenia wysokiej jakości benzyny jest znacznie bardziej złożonym zadaniem niż rafinacja gazów. Z drugiej strony transport gazu drogą morską jest znacznie bardziej kosztowny i złożony. Zbiornikowce LPG mają dość skomplikowaną konstrukcję, ale zbiornikowce LNG to oszałamiające dzieło. Butan skrapla się w temperaturze -2 stopni, podczas gdy propan skrapla się w temperaturze -42 stopni lub stosunkowo niskim ciśnieniu. Jednak do skroplenia metanu potrzeba -165 stopni! W związku z tym konstrukcja cystern LPG wymaga prostszych stacji kompresorowych niż w przypadku gazu ziemnego oraz zbiorników, które są zaprojektowane tak, aby wytrzymać niezbyt wysokie ciśnienia 20-25 barów. Z kolei tankowce do przewozu skroplonego gazu ziemnego są wyposażone w systemy ciągłego chłodzenia i super izolowane zbiorniki – w rzeczywistości te kolosy to największe na świecie lodówki kriogeniczne. Część gazu udaje się jednak „opuścić” te instalacje, ale inny system natychmiast go wychwytuje i podaje do cylindrów silnika statku.
Z powyższych względów jest całkiem zrozumiałe, że już w 1927 roku technologia pozwoliła na przetrwanie pierwszych zbiorników na propan-butan. To dzieło holendersko-angielskiego Shella, który w tamtym czasie był już gigantyczną firmą. Jej szef Kessler to zaawansowany człowiek i eksperymentator, który od dawna marzył o wykorzystaniu w jakiś sposób ogromnych ilości gazu, który do tej pory wyciekał do atmosfery lub spalał się w rafineriach ropy naftowej. Z jego pomysłu i inicjatywy powstał pierwszy statek typu offshore o ładowności 4700 ton do transportu gazów węglowodorowych o egzotycznie wyglądających i imponujących gabarytach zbiornikach nadpokładowych.
Potrzeba jednak kolejnych trzydziestu dwóch lat, aby zbudować pierwszy metanowiec Methane Pioneer, zbudowany na zlecenie firmy gazowniczej Constock International Methane Limited. Shell, który ma już stabilną infrastrukturę do produkcji i dystrybucji LPG, kupił tę firmę i bardzo szybko powstały dwa kolejne ogromne tankowce - Shell zaczął rozwijać biznes skroplonego gazu ziemnego. Kiedy mieszkańcy angielskiej wyspy Conway, gdzie firma buduje magazyny metanu, uświadamiają sobie, co tak naprawdę jest składowane i transportowane na ich wyspę, są zszokowani i przerażeni, myśląc (i słusznie), że statki to tylko gigantyczne bomby. Wtedy problem bezpieczeństwa był naprawdę aktualny, ale dziś tankowce do transportu skroplonego metanu są niezwykle bezpieczne i są nie tylko jednymi z najbezpieczniejszych, ale i najbardziej przyjaznych dla środowiska statków morskich – nieporównywalnie bezpieczniejszymi dla środowiska niż tankowce. Największym odbiorcą floty tankowców jest Japonia, która praktycznie nie posiada lokalnych źródeł energii, a budowa gazociągów na wyspę to bardzo trudne przedsięwzięcie. Japonia ma też największy „park” pojazdów na gaz. Głównymi dostawcami skroplonego gazu ziemnego (LNG) są obecnie Stany Zjednoczone, Oman i Katar w Kanadzie.
W ostatnim czasie coraz bardziej popularna staje się działalność polegająca na produkcji płynnych węglowodorów z gazu ziemnego. Jest to głównie ultraczysty olej napędowy syntetyzowany z metanu, aw przyszłości oczekuje się, że przemysł ten będzie się rozwijał w przyspieszonym tempie. Na przykład polityka energetyczna Busha wymaga korzystania z lokalnych źródeł energii, a Alaska ma duże złoża gazu ziemnego. Procesy te są stymulowane przez relatywnie wysokie ceny ropy naftowej, które stwarzają warunki do rozwoju kosztownych technologii – GTL (Gas-to-Liquids) jest tylko jedną z nich.
Zasadniczo GTL nie jest nową technologią. Stworzyli go w latach dwudziestych niemieccy chemicy Franz Fischer i Hans Tropsch, wspomniani w poprzednich numerach jako część ich programu syntezy. Jednak w przeciwieństwie do destrukcyjnego uwodornienia węgla zachodzą tu procesy łączenia lekkich cząsteczek w dłuższe wiązania. Republika Południowej Afryki produkuje takie paliwo na skalę przemysłową od lat 20. XX wieku. Jednak zainteresowanie nimi wzrosło w ostatnich latach w poszukiwaniu nowych możliwości ograniczenia szkodliwych emisji paliw w Stanach Zjednoczonych. Duże koncerny naftowe, takie jak BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol i Royal Dutch/Shell, wydają ogromne sumy na rozwój technologii związanych z GTL, a w wyniku tych wydarzeń aspekty polityczne i społeczne są coraz częściej dyskutowane w oblicze bodźców. podatków od konsumentów czystego paliwa. Paliwa te umożliwią wielu konsumentom zastąpienie oleju napędowego bardziej przyjaznym dla środowiska i zmniejszą koszty ponoszone przez firmy samochodowe w celu spełnienia nowych poziomów szkodliwych emisji określonych przez prawo. Ostatnie dogłębne testy wykazały, że paliwa GTL redukują tlenek węgla o 50%, węglowodory o 90% i sadzę o 63% bez konieczności stosowania filtrów cząstek stałych. Ponadto niska zawartość siarki w tym paliwie pozwala na zastosowanie dodatkowych katalizatorów, które mogą jeszcze bardziej obniżyć emisje z pojazdów.
Ważną zaletą paliwa GTL jest to, że można je stosować bezpośrednio w silnikach wysokoprężnych bez żadnych modyfikacji jednostek. Można je również mieszać z paliwami zawierającymi od 30 do 60 ppm siarki. W przeciwieństwie do gazu ziemnego i skroplonych gazów ropopochodnych nie ma potrzeby modyfikowania istniejącej infrastruktury transportowej w celu transportu paliw płynnych. Według prezesa Rentech, Denisa Yakubsona, ten rodzaj paliwa mógłby idealnie uzupełniać przyjazny dla środowiska potencjał ekonomiczny silników wysokoprężnych, a Shell buduje obecnie w Katarze dużą fabrykę o wartości 22,3 miliardów dolarów, o projektowej wydajności XNUMX miliona litrów paliwa syntetycznego dziennie. ... Największy problem z tymi paliwami wynika z ogromnych inwestycji wymaganych w nowe obiekty i typowo kosztownego procesu produkcyjnego.
biogaz
Źródłem metanu są jednak nie tylko złoża podziemne. W 1808 roku Humphry Davy eksperymentował ze słomą umieszczoną w retorcie próżniowej i wytworzył biogaz zawierający głównie metan, dwutlenek węgla, wodór i azot. O biogazie mówi także Daniel Defoe w swojej powieści o „zaginionej wyspie”. Jednak historia tego pomysłu jest jeszcze starsza – w 1776 roku Jan Baptita Van Helmont uważał, że palne gazy można uzyskać z rozkładu substancji organicznych, a do podobnych wniosków doszedł również hrabia Aleksander Volta (twórca baterii) w 1859 roku. Pierwsza biogazownia zaczęła działać w Bombaju i powstała w tym samym roku, w którym Edwin Drake dokonał pierwszego udanego odwiertu ropy naftowej. Indyjska fabryka przetwarza odchody i dostarcza gaz do lamp ulicznych.
Upłynie dużo czasu, zanim procesy chemiczne w produkcji biogazu zostaną dokładnie poznane i zbadane. Stało się to możliwe dopiero w latach 30. XX wieku i jest wynikiem skoku w rozwoju mikrobiologii. Okazuje się, że przyczyną tego procesu są bakterie beztlenowe, które są jedną z najstarszych form życia na Ziemi. „Mielą” materię organiczną w środowisku beztlenowym (rozkład tlenowy wymaga dużej ilości tlenu i generuje ciepło). Takie procesy występują również naturalnie na bagnach, mokradłach, polach ryżowych, zadaszonych lagunach itp.
Nowoczesne systemy produkcji biogazu stają się coraz bardziej popularne w niektórych krajach, a Szwecja jest liderem zarówno w produkcji biogazu, jak i przystosowanych do niego pojazdów. Jednostki syntezy wykorzystują specjalnie zaprojektowane biogeneratory, stosunkowo niedrogie i proste urządzenia, które tworzą odpowiednie środowisko dla bakterii, które w zależności od rodzaju „najskuteczniej” „pracują” w temperaturze od 40 do 60 stopni. Produkty końcowe biogazowni oprócz gazu zawierają również związki bogate w amoniak, fosfor i inne pierwiastki nadające się do wykorzystania w rolnictwie jako nawozy doglebowe.
