Alternatívy skúšobnej jazdy: ČASŤ 1 – Plynárenský priemysel
V 70. rokoch experimentoval Wilhelm Maybach s rôznymi konštrukciami spaľovacích motorov, zmenenými mechanizmami a premýšľal o najvhodnejších zliatinách na výrobu jednotlivých dielov. Často si kladie otázku, ktoré z vtedy známych horľavých látok by boli najvhodnejšie na použitie v tepelných motoroch.
V 70. rokoch experimentoval Wilhelm Maybach s rôznymi konštrukciami spaľovacích motorov, zmenenými mechanizmami a premýšľal o najvhodnejších zliatinách na výrobu jednotlivých dielov. Často si kladie otázku, ktoré z vtedy známych horľavých látok by boli najvhodnejšie na použitie v tepelných motoroch.
V roku 1875, keď bol zamestnancom Gasmotorenfabrik Deutz, sa Wilhelm Maybach rozhodol vyskúšať, či dokáže poháňať plynový motor na kvapalné palivo – presnejšie na benzín. Napadlo ho skontrolovať, čo by sa stalo, keby zavrel plynový kohút a namiesto toho položil pred sacie potrubie kus látky namočený v benzíne. Motor sa nezastaví, ale pokračuje v práci, kým „nevysaje“ všetku tekutinu z tkaniva. Takto sa zrodila myšlienka prvého improvizovaného „karburátora“ a po vytvorení automobilu sa preň stal hlavným palivom benzín.
Tento príbeh rozprávam, aby som vám pripomenul, že predtým, ako sa benzín javil ako alternatíva k palivu, prvé motory používali ako palivo plyn. Potom išlo o použitie (osvetľovacieho) plynu na osvetlenie, ktoré sa získalo dnes neznámymi metódami, ale spracovaním uhlia. Motor, ktorý vynašiel Švajčiar Isaac de Rivak, prvý „atmosférický“ (nekomprimovaný) priemyselný motor na výrobu etylénu Lenoir od roku 1862 a klasická štvortaktná jednotka, ktorú vytvoril Otom o niečo neskôr, pracuje na plyn.
Tu je potrebné spomenúť rozdiel medzi zemným plynom a skvapalneným ropným plynom. Zemný plyn obsahuje 70 až 98 % metánu, zvyšok tvoria vyššie organické a anorganické plyny ako etán, propán a bután, oxid uhoľnatý a iné. Ropa tiež obsahuje plyny v rôznych pomeroch, ale tieto plyny sa uvoľňujú frakčnou destiláciou alebo sa vyrábajú niektorými vedľajšími procesmi v rafinériách. Plynové polia sú veľmi odlišné - čistý plyn alebo "suché" (to znamená, že obsahujú hlavne metán) a "mokré" (obsahujúce metán, etán, propán, niektoré ďalšie ťažšie plyny a dokonca aj "benzín" - ľahká kvapalina, veľmi cenné frakcie) . Druhy olejov sú tiež rôzne a koncentrácia plynov v nich môže byť nižšia alebo vyššia. Polia sú často kombinované – plyn stúpa nad ropu a funguje ako „plynový uzáver“. Zloženie „čiapky“ a hlavného ropného poľa zahŕňa vyššie uvedené látky a rôzne frakcie, obrazne povedané, „tečú“ do seba. Metán používaný ako palivo pre vozidlá „pochádza“ zo zemného plynu a zmes propán-bután, ktorú poznáme, pochádza z polí zemného plynu aj ropných polí. Asi 6 % svetového zemného plynu sa vyrába z uhoľných ložísk, ktoré sú často sprevádzané ložiskami plynu.
Propán-bután sa na scéne objavuje tak trochu paradoxne. V roku 1911 pobúrený americký klient ropnej spoločnosti dal svojmu priateľovi, slávnemu chemikovi doktorovi Snellingovi pokyn, aby zistil dôvody záhadnej udalosti. Dôvodom rozhorčenia zákazníka je to, že je zákazník prekvapený, keď sa dozvedel, že polovica nádrže čerpacej stanice bola práve naplnená. Ford Zmizla neznámymi prostriedkami počas krátkej cesty do jeho domu. Nádrž netečie z ničoho nič ... Po mnohých experimentoch doktor Snelling zistil, že dôvodom záhady bol vysoký obsah propánových a butánových plynov v palive a čoskoro na to vyvinul prvé praktické metódy destilácie. ich. Vďaka týmto zásadným pokrokom je doktor Snelling v súčasnosti považovaný za „otca“ tohto odvetvia.
Oveľa skôr, asi pred 3000 4 rokmi, objavili pastieri „horiaci prameň“ na vrchu Paranas v Grécku. Neskôr bol na tomto „posvätnom“ mieste postavený chrám s horiacimi stĺpmi a veštec Delphius predniesol svoje modlitby pred majestátnym kolosom, vďaka čomu ľudia pocítili zmierenie, strach a obdiv. Dnes sa časť tejto romantiky stráca, pretože vieme, že zdrojom plameňa je metán (CHXNUMX), ktorý prúdi z trhlín v horninách spojených s hĺbkami plynových polí. Podobné požiare sú na mnohých miestach v Iraku, Iráne a Azerbajdžane pri pobreží Kaspického mora, ktoré tiež horeli po celé storočia a boli dlho známe ako „Večné plamene Perzie“.
O mnoho rokov neskôr používali plyny z polí aj Číňania, no s veľmi pragmatickým účelom – vykurovať veľké kotly morskou vodou a získavať z nej soľ. V roku 1785 Briti vytvorili metódu výroby metánu z uhlia (ktorý sa používal v prvých spaľovacích motoroch) a začiatkom dvadsiateho storočia si nemeckí chemici Kekule a Stradonitz patentovali postup na výrobu ťažšieho kvapalného paliva z neho.
V roku 1881 William Hart vyvŕtal prvý plynový vrt v americkom meste Fredonia. Hart dlho pozoroval bubliny stúpajúce na hladinu vody v neďalekej zátoke a rozhodol sa vykopať zo zeme dieru do navrhovaného plynového poľa. V hĺbke deväť metrov pod povrchom sa dostal do žily, z ktorej vyvieral plyn, ktorý neskôr zachytil a jeho novovzniknutá spoločnosť Fredonia Gas Light Company sa stala priekopníkom v plynárenskom biznise. Napriek Hartovmu prelomu sa však svetelný plyn používaný v XNUMX. storočí získaval najmä z uhlia vyššie opísaným spôsobom - najmä kvôli nedostatku potenciálu na vývoj technológií na prepravu zemného plynu z polí.
Prvá komerčná produkcia ropy však bola už vtedy skutočnosťou. Ich história sa začala v USA v roku 1859 a myšlienkou bolo použiť vyťaženú ropu na destiláciu petroleja na osvetlenie a olejov pre parné stroje. Už vtedy ľudia čelili ničivej sile zemného plynu, stlačeného tisíce rokov v útrobách zeme. Priekopníci skupiny Edwina Drakea takmer zomreli pri prvom improvizovanom vŕtaní neďaleko Titusville v Pensylvánii, keď z prielomu unikol plyn, vypukol obrovský požiar, ktorý odniesol všetko vybavenie. Dnes je ťažba ropných a plynových polí sprevádzaná systémom špeciálnych opatrení na blokovanie voľného toku horľavého plynu, ale požiare a výbuchy nie sú nezvyčajné. Ten istý plyn sa však v mnohých prípadoch používa ako akási „pumpa“, ktorá tlačí ropu na povrch, a keď jej tlak klesne, naftári začnú hľadať a používať iné metódy na ťažbu „čierneho zlata“.
Svet uhľovodíkových plynov
V roku 1885, štyri roky po prvom plynovom vŕtaní Williama Harta, ďalší Američan, Robert Bunsen, vynašiel zariadenie, ktoré sa neskôr stalo známym ako „Bunsenov horák“. Vynález slúži na dávkovanie a miešanie plynu a vzduchu vo vhodnom pomere, ktorý je potom možné použiť na bezpečné spaľovanie - práve tento horák je dnes základom moderných kyslíkových trysiek do sporákov a vykurovacích zariadení. Bunsenov vynález otvoril nové možnosti využitia zemného plynu, no hoci prvý plynovod bol vybudovaný už v roku 1891, modré palivo nadobudlo komerčný význam až v druhej svetovej vojne.
Práve počas vojny vznikli dostatočne spoľahlivé metódy rezania a zvárania, ktoré umožnili vybudovať bezpečné kovové plynovody. V Amerike ich po vojne postavili tisíce kilometrov a v 60-tych rokoch postavili ropovod z Líbye do Talianska. Veľké ložiská zemného plynu boli objavené aj v Holandsku. Tieto dve skutočnosti vysvetľujú lepšiu infraštruktúru na používanie stlačeného zemného plynu (CNG) a skvapalneného ropného plynu (LPG) ako paliva v týchto dvoch krajinách. Obrovský strategický význam, ktorý zemný plyn začína nadobúdať, potvrdzuje aj nasledujúci fakt – keď sa Reagan v 80. rokoch rozhodol zničiť „Ríšu zla“, vetoval dodávku high-tech zariadení na výstavbu plynovodu z r. ZSSR do Európy. Na kompenzáciu európskych potrieb sa zrýchľuje výstavba plynovodu z nórskeho sektora Severného mora do kontinentálnej Európy a ZSSR visí. V tom čase bol export plynu hlavným zdrojom tvrdej meny pre Sovietsky zväz a vážny nedostatok vyplývajúci z Reaganových opatrení čoskoro viedol k známym historickým udalostiam zo začiatku 90. rokov.
Demokratické Rusko je dnes významným dodávateľom zemného plynu pre energetické potreby Nemecka a významným globálnym hráčom v tejto oblasti. Význam zemného plynu začal rásť po dvoch ropných krízach v 70. rokoch a dnes je jedným z hlavných energetických zdrojov geostrategického významu. V súčasnosti je zemný plyn najlacnejším palivom na vykurovanie, používa sa ako surovina v chemickom priemysle, na výrobu elektriny, pre domáce spotrebiče a jeho „bratranec“ propán dokonca nájdete vo fľaštičkách od dezodorantov ako dezodorant. náhrada za zlúčeniny fluóru poškodzujúce ozónovú vrstvu. Spotreba zemného plynu neustále rastie a plynovodná sieť sa predlžuje. Čo sa týka doteraz vybudovanej infraštruktúry na používanie tohto paliva v autách, všetko je ďaleko pozadu.
Už sme vám hovorili o zvláštnych rozhodnutiach, ktoré urobili Japonci pri výrobe veľmi potrebného a nedostatkového paliva počas druhej svetovej vojny a spomenuli sme aj program na výrobu syntetického benzínu v Nemecku. Málo sa však vie o tom, že v rokoch chudej vojny v Nemecku jazdili celkom reálne autá na ... drevo! V tomto prípade nejde o návrat k starému dobrému parnému stroju, ale spaľovacím motorom, pôvodne určeným na benzínový pohon. V skutočnosti táto myšlienka nie je príliš komplikovaná, ale vyžaduje použitie objemného, ťažkého a nebezpečného systému generátora plynu. Uhlie, drevené uhlie alebo len drevo je umiestnené v špeciálnej a nie príliš zložitej elektrárni. Na jeho dne horia v neprítomnosti kyslíka a v podmienkach vysokej teploty a vlhkosti sa uvoľňuje plyn obsahujúci oxid uhoľnatý, vodík a metán. Potom sa ochladí, vyčistí a pomocou ventilátora privedie do sacieho potrubia motora na použitie ako palivo. Samozrejme, rušňovodiči týchto strojov vykonávali zložité a ťažké funkcie hasičov - kotol bolo potrebné periodicky nabíjať a čistiť a dymiace stroje skutočne vyzerali trochu ako parné lokomotívy.
Dnes si prieskum plynu vyžaduje jedny z najsofistikovanejších technológií na svete a ťažba zemného plynu a ropy je jednou z najväčších výziev, ktorým veda a technika čelí. Tento fakt platí najmä v USA, kde sa čoraz viac využívajú netradičné metódy na „nasávanie“ plynu ponechaného na starých alebo opustených poliach, ako aj na ťažbu takzvaného „tesného“ plynu. Podľa vedcov bude teraz na výrobu plynu na úrovni technológie v roku 1985 potrebné dvakrát toľko vrtov. Účinnosť metód sa výrazne zvýšila a hmotnosť zariadenia sa znížila o 75%. Na analýzu údajov z gravimetrov, seizmických technológií a laserových satelitov sa používajú stále sofistikovanejšie počítačové programy, z ktorých sa vytvárajú trojrozmerné počítačové mapy nádrží. Vznikli aj takzvané 4D obrazy, vďaka ktorým je možné vizualizovať podoby a pohyby nánosov v čase. Zostávajú však najmodernejšie zariadenia na ťažbu zemného plynu na mori – len zlomok ľudského pokroku v tejto oblasti – globálne polohovacie systémy pre vŕtanie, ultra hlboké vrty, potrubia na oceánskom dne a systémy na čistenie skvapalnených vôd. oxid uhoľnatý a piesok.
Rafinácia ropy na výrobu vysokokvalitného benzínu je oveľa zložitejšia úloha ako rafinácia plynov. Na druhej strane preprava plynu po mori je oveľa nákladnejšia a zložitejšia. Tankery na LPG majú pomerne zložitý dizajn, ale nosiče LNG sú úžasným výtvorom. Bután skvapalňuje pri -2 stupňoch, zatiaľ čo propán skvapalňuje pri -42 stupňoch alebo relatívne nízkom tlaku. Na skvapalnenie metánu je však potrebných -165 stupňov! V dôsledku toho si konštrukcia cisternových lodí na LPG vyžaduje jednoduchšie kompresorové stanice ako pre zemný plyn a nádrže, ktoré sú navrhnuté tak, aby odolali nie príliš vysokým tlakom 20-25 barov. Naproti tomu tankery na skvapalnený zemný plyn sú vybavené kontinuálnymi chladiacimi systémami a super izolovanými nádržami – v skutočnosti sú tieto kolosy najväčšími kryogénnymi chladničkami na svete. Časť plynu však dokáže tieto inštalácie „opustiť“, no iný systém ju okamžite zachytí a privedie do valcov lodných motorov.
Z vyššie uvedených dôvodov je celkom pochopiteľné, že už v roku 1927 umožnila technika prežiť prvým propán-butánovým nádržiam. Ide o prácu holandsko-anglickej spoločnosti Shell, ktorá bola v tom čase už gigantickou spoločnosťou. Jej šéf Kessler je pokročilý muž a experimentátor, ktorý už dlho sníval o tom, že nejakým spôsobom využije obrovské množstvo plynu, ktoré doteraz uniklo do atmosféry alebo zhorelo v ropných rafinériách. Z jeho nápadu a iniciatívy vzniklo prvé pobrežné plavidlo s nosnosťou 4700 XNUMX ton na prepravu uhľovodíkových plynov s exoticky vyzerajúcimi a pôsobivými rozmermi nad palubnými nádržami.
Na vybudovanie prvého nosiča metánu Methane Pioneer, postaveného na objednávku plynárenskej spoločnosti Constock International Methane Limited, je však potrebných ďalších tridsaťdva rokov. Shell, ktorý už má stabilnú infraštruktúru na výrobu a distribúciu LPG, túto spoločnosť kúpil a veľmi skoro boli postavené ďalšie dva obrovské tankery – Shell začal rozvíjať biznis so skvapalneným zemným plynom. Keď si obyvatelia anglického ostrova Conway, kde spoločnosť stavia sklady metánu, uvedomia, čo sa vlastne skladuje a prepravuje na ich ostrov, sú šokovaní a vystrašení, myslia si (a oprávnene), že lode sú len obrovské bomby. Vtedy bol problém bezpečnosti skutočne aktuálny, no dnes sú tankery na prepravu skvapalneného metánu mimoriadne bezpečné a sú nielen jedným z najbezpečnejších, ale aj jedným z najekologickejších námorných plavidiel – pre životné prostredie neporovnateľne bezpečnejšie ako ropné tankery. Najväčším odberateľom flotily tankerov je Japonsko, ktoré nemá prakticky žiadne miestne zdroje energie a výstavba plynovodov na ostrov je veľmi náročná záležitosť. Japonsko má tiež najväčší „park“ vozidiel na plyn. Hlavnými dodávateľmi skvapalneného zemného plynu (LNG) sú dnes Spojené štáty americké, Omán a kanadský Katar.
V poslednej dobe sa podnikanie výroby kvapalných uhľovodíkov zo zemného plynu stáva čoraz populárnejším. Ide najmä o ultračistú naftu syntetizovanú z metánu a očakáva sa, že toto odvetvie sa bude v budúcnosti rozvíjať zrýchleným tempom. Napríklad Bushova energetická politika vyžaduje využívanie miestnych zdrojov energie a Aljaška má veľké ložiská zemného plynu. Tieto procesy sú stimulované relatívne vysokými cenami ropy, ktoré vytvárajú predpoklady pre rozvoj drahých technológií – GTL (Gas-to-Liquids) je len jedným z nich.
GTL v podstate nie je nová technológia. Vytvorili ho v 20. rokoch minulého storočia nemeckí chemici Franz Fischer a Hans Tropsch, spomínaní v predchádzajúcich číslach ako súčasť ich syntetického programu. Na rozdiel od deštruktívnej hydrogenácie uhlia tu však prebiehajú procesy spájania ľahkých molekúl do dlhších väzieb. Južná Afrika vyrába takéto palivo v priemyselnom meradle od 50. rokov minulého storočia. Záujem o ne však v posledných rokoch vzrástol pri hľadaní nových príležitostí na zníženie emisií škodlivých palív v Spojených štátoch. Veľké ropné spoločnosti, ako sú BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol a Royal Dutch/Shell vynakladajú obrovské sumy na vývoj technológií súvisiacich s GTL a v dôsledku tohto vývoja sa čoraz viac diskutuje o politických a sociálnych aspektoch. tvár stimulov. dane pre spotrebiteľov čistých palív. Tieto palivá umožnia mnohým spotrebiteľom nafty nahradiť ju ekologickejšou a znížia náklady automobiliek na splnenie nových úrovní škodlivých emisií stanovených zákonom. Nedávne hĺbkové testovanie ukazuje, že palivá GTL znižujú oxid uhoľnatý o 90 %, uhľovodíky o 63 % a sadze o 23 % bez potreby filtrov pevných častíc. Povaha tohto paliva s nízkym obsahom síry navyše umožňuje použitie dodatočných katalyzátorov, ktoré môžu ešte viac znížiť emisie vozidiel.
Dôležitou výhodou paliva GTL je, že sa môže používať priamo v naftových motoroch bez akýchkoľvek úprav jednotiek. Môžu byť tiež zmiešané s palivami obsahujúcimi 30 až 60 ppm síry. Na rozdiel od zemného plynu a skvapalnených ropných plynov nie je potrebné upravovať existujúcu dopravnú infraštruktúru na prepravu kvapalných palív. Podľa prezidenta Rentech Denisa Yakubsona by tento druh paliva mohol ideálne doplniť ekologický ekonomický potenciál naftových motorov a spoločnosť Shell v súčasnosti buduje v Katare veľký závod v hodnote 22,3 miliárd dolárov s konštrukčnou kapacitou XNUMX milióna litrov syntetického paliva denne. ... Najväčší problém s týmito palivami pramení z obrovských investícií potrebných do nových zariadení a typicky nákladného výrobného procesu.
Bioplyn
Zdrojom metánu však nie sú len podzemné ložiská. V roku 1808 Humphry Davy experimentoval so slamou umiestnenou vo vákuovej retorte a produkoval bioplyn obsahujúci hlavne metán, oxid uhličitý, vodík a dusík. O bioplyne hovorí aj Daniel Defoe vo svojom románe o „stratenom ostrove“. História tejto myšlienky je však ešte staršia – v 1776. storočí Jan Baptita Van Helmont veril, že horľavé plyny možno získať rozkladom organických látok a k podobným záverom dospel aj gróf Alexander Volta (tvorca batérie). v roku 1859. Prvá bioplynová stanica začala fungovať v Bombaji a bola založená v tom istom roku, keď Edwin Drake vyrobil prvé úspešné ropné vrty. Indický závod spracováva fekálie a dodáva plyn do pouličných lámp.
Bude trvať dlho, kým sa dôkladne pochopia a naštudujú chemické procesy pri výrobe bioplynu. Toto bolo možné až v 30. rokoch XX. Storočia a je to výsledok skoku vo vývoji mikrobiológie. Ukazuje sa, že tento proces spôsobujú anaeróbne baktérie, ktoré sú jednou z najstarších foriem života na Zemi. „Drvia“ organické látky v anaeróbnom prostredí (aeróbny rozklad vyžaduje veľa kyslíka a vytvára teplo). Takéto procesy sa prirodzene vyskytujú aj v močiaroch, močiaroch, ryžových poliach, krytých lagúnach atď.
Moderné systémy výroby bioplynu sú v niektorých krajinách čoraz populárnejšie a Švédsko je lídrom v produkcii bioplynu aj vo vozidlách prispôsobených na jeho prevádzku. Syntetické jednotky využívajú špeciálne navrhnuté biogenerátory, relatívne lacné a jednoduché zariadenia, ktoré vytvárajú vhodné prostredie pre baktérie, ktoré v závislosti od typu „pracujú“ najefektívnejšie pri teplotách od 40 do 60 stupňov. Konečné produkty bioplynových staníc okrem plynu obsahujú aj zlúčeniny bohaté na amoniak, fosfor a ďalšie prvky vhodné na použitie v poľnohospodárstve ako pôdne hnojivá.
