Тест драйв альтернативи: ЧАСТИНА 1 - Газова промисловість

У 70-х роках Вільгельм Майбах експериментував з різними конструкціями двигунів внутрішнього згоряння, міняв механізми і думав про сплави, найбільш придатних для виробництва окремих деталей. Він часто задається питанням, яке з відомих тоді горючих речовин було б найбільш підходящим для використання в теплових двигунах.

У 70-х роках Вільгельм Майбах експериментував з різними конструкціями двигунів внутрішнього згоряння, міняв механізми і думав про сплави, найбільш придатних для виробництва окремих деталей. Він часто задається питанням, яке з відомих тоді горючих речовин було б найбільш підходящим для використання в теплових двигунах.

У 1875 році, коли він був співробітником Gasmotorenfabrik Deutz, Вільгельм Майбах вирішив перевірити, чи може він запустити газовий двигун на рідкому паливі – точніше на бензині. Йому спало на думку перевірити, що станеться, якщо він закриє газовий кран і натомість покладе шматок тканини, просочений бензином, перед впускним колектором. Двигун не зупиняється, а продовжує працювати доти, доки не «висмоктить» всю рідину з тканини. Так народилася ідея першого імпровізованого "карбюратора", а після створення автомобіля основним паливом для нього став бензин.

Я розповідаю цю історію, щоб нагадати вам, що до того, як бензин з'явився в якості альтернативи палива, перші двигуни використовували газ як паливо. Тоді мова йшла про використання (освітлювального) газу для освітлення, одержуваного невідомими сьогодні методами, а при переробці вугілля. Двигун, винайдений швейцарцем Ісааком де Ривак, перший «атмосферне» (працює без стиснення) двигун промислового значення ЕТИЛЕНУ Ленуара з 1862 року, а також класичний чотиритактний агрегат, створений Отто дещо пізніше, працюють на газі.

Тут необхідно згадати різницю між природним газом та зрідженим вуглеводневим газом. Природний газ містить від 70 до 98% метану, а решта – це вищі органічні та неорганічні гази, такі як етан, пропан та бутан, окис вуглецю та інші. Нафта містить гази в різних пропорціях, але ці гази виділяються шляхом фракційної перегонки або виробляються деякими побічними процесами на нафтопереробних заводах. Газові родовища дуже різні - чистий газ або "сухий" (тобто містить в основному метан) і "вологий" (містить метан, етан, пропан, деякі інші більш важкі гази і навіть "бензин" - легку рідину. дуже цінні фракції). Типи масел теж різні, і концентрація газів у них може бути як нижчою, так і вищою. Родовища часто поєднують – газ піднімається над нафтою та виступає «газовою шапкою». До складу «шапки» та основного родовища нафти входять згадані вище речовини, а різні фракції, образно кажучи, «перетікають» одна в одну. Метан, що використовується як автомобільне паливо, «надходить» з природного газу, а відома нам суміш пропан-бутану надходить як з родовищ природного газу, так і з нафтових родовищ. Близько 6% світового газу видобувається з вугільних родовищ, які часто супроводжуються газовими родовищами.

Пропан-бутан з'являється на сцені трохи парадоксальним чином. У 1911 році обурений американський клієнт нафтової компанії доручив своєму другові, відомому хіміку доктору Снеллінг, з'ясувати причини загадкового події. Причина обурення замовника полягає в тому, що замовник здивований, дізнавшись, як тільки що була заповнена половина бака АЗС. Ford Вона невідомим чином зникла під час короткої поїздки до нього додому. При цьому бак не тече нізвідки ... Після безлічі експериментів доктор Снеллінг виявив, що причиною загадки є високий вміст газів пропану і бутану в складі палива, що заправляється, і незабаром після цього розробив перші практичні методи їх дистиляції. Саме через цих фундаментальних досягнень доктора Снеллінг тепер вважають «батьком» цієї індустрії.

Набагато раніше, близько 3000 років тому, пастухи виявили «палаючий джерело» на горі Паранас в Греції. Пізніше на цьому «священному» місці був побудований храм з палаючими колонами, і оракул Дельфій читав свої молитви перед величним колосом, викликаючи у людей почуття примирення, страху і захоплення. Сьогодні частина цієї романтики загублена, тому що ми знаємо, що джерелом полум'я є метан (CH4), що випливає з тріщин в породах, пов'язаних з глибинами газових полів. Подібні пожежі є в багатьох місцях в Іраку, Ірані і Азербайджані біля узбережжя Каспійського моря, які також горять століттями і давно відомі як «Вічні вогні Персії».

Через багато років китайці також використовували гази з полів, але з дуже прагматичною метою – топити великі казани морською водою та витягати з неї сіль. У 1785 році британці створили метод виробництва метану з вугілля (саме він використовувався в перших двигунах внутрішнього згоряння), а на початку ХХ століття німецькі хіміки Кекуле і Страдоніц запатентували процес виробництва з нього більш важкого рідкого палива.

У 1881 році в американському місті Фредонія Вільям Харт пробурив першу газову свердловину. Харт довго спостерігав за бульбашками, що підіймаються на поверхню води в сусідній бухті, і вирішив вирити яму з землі до передбачуваного газового родовища. На глибині дев'яти метрів під поверхнею він досяг жили, з якої ринув газ, який він пізніше вловив, а його нещодавно створена компанія Fredonia Gas Light Company стала піонером у газовому бізнесі. Однак, незважаючи на прорив Харта, освітлювальний газ, що використовувався в XIX столітті, видобувався в основному з вугілля зазначеним вище методом – в основному через відсутність потенціалу для розвитку технологій транспортування газу з родовищ.

Однак перший промисловий видобуток нафти вже тоді був фактом. Їхня історія почалася в США в 1859 році, і ідея полягала в тому, щоб використовувати видобуту олію для дистиляції гасу для освітлення та масел для парових двигунів. Вже тоді люди зіткнулися з руйнівною силою газу, тисячі років стисненого в надрах землі. Піонери групи Едвіна Дрейка мало не загинули під час першого імпровізованого буріння недалеко від Тітусвілля, штат Пенсільванія, – стався витік газу з прориву, спалахнула гігантська пожежа, яка забрала все обладнання. Сьогодні експлуатація нафтових та газових родовищ супроводжується системою спеціальних заходів щодо блокування вільного потоку пального газу, але пожежі та вибухи не рідкість. Однак цей же газ у багатьох випадках використовується як свого роду "насос", що виштовхує нафту на поверхню, і коли його тиск падає, нафтовики починають шукати та використовувати інші методи для видобутку "чорного золота".

Світ вуглеводневих газів

У 1885 році, через чотири роки після першого буріння газом Вільяма Харта, інший американець, Роберт Бунзен, винайшов пристрій, який пізніше став відомим як «пальник Бунзена». Винахід служить для дозування та змішування газу та повітря у відповідній пропорції, яку потім можна використовувати для безпечного горіння – саме цей пальник сьогодні є основою сучасних кисневих форсунок для печей та опалювальних приладів. Винахід Бунзена відкрило нові можливості для використання природного газу, але хоча перший газопровід був побудований ще в 1891 році, блакитне паливо не набуло промислового значення до Другої світової війни.

Саме під час війни було створено досить надійні методи різання та зварювання, що дозволили будувати безпечні металеві газопроводи. Тисячі кілометрів з них було збудовано в Америці після війни, а трубопровід з Лівії до Італії було збудовано у 60-х роках. У Нідерландах також відкрито великі родовища природного газу. Ці два факти пояснюють наявність кращої інфраструктури для використання стиснутого природного газу (КПГ) та зрідженого нафтового газу (СНД) як автомобільне паливо у цих двох країнах. Величезне стратегічне значення, яке починає набувати природного газу, підтверджується наступним фактом – коли Рейган вирішив у 80-х роках зруйнувати «Імперію зла», він наклав вето на постачання високотехнологічного обладнання для будівництва газопроводу з СРСР до Європи. Щоб компенсувати європейські потреби, будівництво газопроводу з норвезького сектора Північного моря до материкової Європи пришвидшується, а СРСР «висить». На той час експорт газу був основним джерелом твердої валюти для Радянського Союзу, і гострий дефіцит, що виник у результаті заходів Рейгана, незабаром призвів до відомих історичних подій початку 90-х років.

Сьогодні демократична Росія є великим постачальником природного газу для енергетичних потреб Німеччини та великим глобальним гравцем у цій галузі. Значення природного газу почало зростати після двох нафтових криз 70-х років, і сьогодні він є одним з основних енергетичних ресурсів геостратегічної важливості. В даний час природний газ є найдешевшим паливом для опалення, використовується як сировина в хімічній промисловості, для виробництва електроенергії, для побутової техніки, а його «двоюрідний брат» – пропан можна знайти навіть у пляшках з дезодорантом як дезодорант. замінник озоноруйнівних сполук фтору. Споживання природного газу постійно зростає, а мережа газопроводів стає довшою. Що стосується інфраструктури, побудованої досі для використання цього палива в автомобілях, то далеко позаду.

Ми вже розповідали вам про дивні рішення, які прийняли японці у виробництві такого необхідного та дефіцитного палива під час Другої світової війни, а також згадували програму виробництва синтетичного бензину у Німеччині. Однак мало що відомо про те, що у мізерні воєнні роки в Німеччині були цілком справжні автомобілі, що працюють на дровах! В даному випадку це не повернення до старої доброї парової машини, а двигуни внутрішнього згоряння, що спочатку розраховані на роботу на бензині. Насправді ідея не дуже складна, але потребує застосування громіздкої, важкої та небезпечної газогенераторної системи. Вугілля, деревне вугілля або просто деревина поміщаються у спеціальну та не дуже складну енергетичну установку. На його дні горять у відсутності кисню, а умовах високої температури та вологості виділяється газ, що містить окис вуглецю, водень і метан. Потім він охолоджується, очищається і за допомогою вентилятора подається у впускні колектори двигуна для використання як паливо. Звичайно, водії цих машин виконували складні та непрості функції пожежників – котел потрібно було періодично заряджати та чистити, а коптильні машини справді трохи нагадували паровози.

Сьогодні розвідка газоносних пластів вимагає створення деяких із найскладніших у світі технологій, а видобуток природного газу та нафти є однією з найсерйозніших проблем, що стоять перед наукою та технологіями. Цей факт є особливо актуальним у США, де все більше і більше нетрадиційних методів використовується для «всмоктування» газу, що залишився на старих або занедбаних родовищах, а також для видобутку так званого «щільного» газу. За оцінками вчених, тепер для видобутку газу на рівні технологій 1985 року буде потрібно вдвічі більше буріння. Ефективність методів значно збільшена, а вага обладнання знизилася на 75%. Все більш складні комп'ютерні програми використовуються для аналізу даних з гравіметрів, сейсмічних технологій та лазерних супутників, на основі яких створюються комп'ютерні тривимірні карти покладів у пластах. Також були створені так звані 4D-зображення, завдяки яким можна візуалізувати форми та рухи відкладень у часі. Однак найсучасніші об'єкти залишаються для видобутку природного газу на шельфі – лише частина людського прогресу в цій галузі – це глобальні системи позиціонування під час буріння, надглибоке буріння, трубопроводи на дні океану та системи зріджених зазорів. окис вуглецю та пісок.

Переробка нафти виробництва високоякісних бензинів – завдання значно складніша, ніж переробка газів. З іншого боку, транспортування газу морським транспортом виявляється набагато дорожчим та складнішим заняттям. Танкери для перевезення зрідженого нафтового газу досить складні по конструкції, але танкери для перевезення зрідженого природного газу є приголомшливим витвіром. Бутан зріджується при -2 градусах, а пропан - при -42 градусах або за відносно низького тиску. Однак для скраплення метану потрібно -165 градусів! Отже, для будівництва танкерів для зрідженого нафтового газу потрібні простіші компресорні станції, ніж для природного газу і резервуари, які призначені для витримування не особливо високого тиску 20-25 бар. На відміну від цього, танкери для перевезення зрідженого природного газу оснащені системами безперервного охолодження та надізольованими резервуарами – по суті ці колоси є найбільшими у світі кріогенними холодильниками. Однак частина газу встигає «піти» з цих установок, але інша система негайно вловлює його та подає у циліндри двигунів корабля.

З зазначених вище причин цілком зрозуміло, що вже 1927 року технологія дозволила вистояти першим пропан-бутановим цистернам. Це робота голландсько-англійської Shell, яка на той час уже була гігантською компанією. Її бос Кесслер – просунута людина та експериментатор, який давно мріяв якимсь чином використати величезну кількість газу, яка досі просочилася в атмосферу або згоріла на нафтопереробних заводах. З його ідеї та ініціативи було створено перше морське судно вантажопідйомністю 4700 тонн для перевезення вуглеводневих газів з екзотичними на вигляд та значними розмірами над палубними резервуарами.

Однак ще тридцять два роки потрібно, щоб збудувати перший метановоз Methane Pioneer, побудований на замовлення газової компанії Constock International Methane Limited. Shell, яка вже має стабільну інфраструктуру для виробництва та розподілу СНД, купила цю компанію, і дуже скоро було побудовано ще два величезні танкери – Shell почала розвивати бізнес зі зрідженого природного газу. Коли мешканці англійського острова Кануей, де компанія будує сховища метану, розуміють, що насправді зберігається і транспортується на їхній острів, вони шоковані та налякані, думаючи (і це правильно), що кораблі – це просто гігантські бомби. Тоді проблема безпеки була справді актуальною, але сьогодні танкери для перевезення зрідженого метану надзвичайно безпечні і є не лише одними з найбезпечніших, а й одним із найекологічніших морських суден – незрівнянно безпечнішим для навколишнього середовища, ніж нафтові танкери. Найбільшим замовником танкерного флоту є Японія, яка практично не має місцевих джерел енергії, а будівництво газопроводів на острів – дуже складний захід. Японія також має найбільший "парк" газових автомобілів. Основними постачальниками зрідженого природного газу (ЗПГ) сьогодні є США, Оман та Катар, Канада.

Останнім часом все більшої популярності набуває бізнес із виробництва рідких вуглеводнів із природного газу. В основному це ультрачисте дизельне паливо, яке синтезується з метану, і в майбутньому очікується, що ця галузь розвиватиметься прискореними темпами. Наприклад, енергетична політика Буша вимагає використання місцевих джерел енергії, а Алясці є великі родовища газу. Стимулятором цих процесів є досить високі ціни на нафту, які створюють передумови розвитку дорогих технологій – GTL (Gas-to-Liquids) – лише з них.

У принципі, GTL – це не нова технологія. Він був створений у 20-х роках німецькими хіміками Францем Фішером та Гансом Тропшем, згаданими у попередніх випусках як частину їхньої синтетичної програми. Однак, на відміну від деструктивного гідрування вугілля, тут відбуваються процеси з'єднання легких молекул більш довгі зв'язки. Південна Африка виробляє таке паливо у промислових кількостях з 50-х років. Однак інтерес до них останніми роками зріс у пошуках нових можливостей для зниження шкідливих викидів палива у Сполучених Штатах. Великі нафтові компанії, такі як BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol та Royal Dutch/Shell витрачають величезні суми на розробку технологій, пов'язаних з GTL, і в результаті цих подій все частіше обговорюються політичні та соціальні аспекти перед стимулами. податки на споживачів чистого палива Ці види палива дозволять багатьом споживачам дизельного палива замінити його більш екологічно чистим та дозволять знизити витрати автомобільних компаній на досягнення нових рівнів шкідливих викидів, встановлених законом. Нещодавні поглиблені випробування показують, що GTL-паливо знижує рівень окису вуглецю на 90%, вуглеводнів на 63% та сажі на 23% без необхідності використання фільтрів сажі. Крім того, природа цього палива з низьким вмістом сірки дозволяє використовувати додаткові каталізатори, які здатні ще більше знизити шкідливі викиди від автомобілів.

Важливою перевагою палива GTL є те, що його можна використовувати безпосередньо в дизельних двигунах без будь-яких модифікацій агрегатів. Їх також можна змішувати з паливом, що містить від 30 до 60 частин на мільйон сірки. На відміну від природного газу та зріджених вуглеводневих газів, немає необхідності змінювати існуючу транспортну інфраструктуру для транспортування рідкого палива. За словами президента Rentech Дениса Якубсон, паливо цього типу може ідеально доповнити економічний потенціал дизельних двигунів в напрямку екологічності, і в даний час Shell будує в Катарі великий завод вартістю п'ять мільярдів доларів з проектною потужністю 22,3 мільйона літрів синтетичного палива в день. . Найбільша проблема з цими видами палива пов'язана з необхідністю величезних інвестицій в нові об'єкти і, як правило, з дорогим процесом їх виробництва.

біогаз

Однак джерелом метану є не лише підземні родовища. В 1808 Хамфрі Деві експериментував з соломою, поміщеною у вакуумну реторту, і отримав біогаз, що містить в основному метан, діоксид вуглецю, водень і азот. Даніель Дефо також говорить про біогаз у своєму романі про «загублений острів». Проте історія цієї ідеї ще давніша – у 1776 столітті Ян Баптита Ван Гельмонт вважав, що горючі гази можуть бути отримані при розкладанні органічних речовин, і граф Олександр Вольта (творець батареї) також дійшов аналогічних висновків у 1859 році. Перша біогазова установка почала працювати в Бомбеї і була створена в тому ж XNUMX році, коли Едвін Дрейк зробив перше успішне буріння свердловин. Індійський завод переробляє фекалії та подає газ для вуличних ліхтарів.

Мине багато часу, перш ніж хімічні процеси при виробництві біогазу будуть досконально з'ясовані і вивчені. Це стало можливим тільки в 30-х роках XX століття і є результатом стрибка в розвитку мікробіології. Виявляється, цей процес викликаний анаеробними бактеріями, які є однією з найдавніших форм життя на Землі. Вони «подрібнюють» органічні речовини в анаеробної середовищі (аеробне розкладання вимагає великої кількості кисню і виділяє тепло). Такі процеси також відбуваються природним чином на болотах, болотах, рисових полях, критих лагунах і т. Д.

Сучасні системи виробництва біогазу стають все більш популярними в деяких країнах, і Швеція є лідером як у виробництві біогазу, так і у виробництві автомобілів, адаптованих до роботи з ним. В установках синтезу використовуються спеціально розроблені біогенератори – відносно недорогі та прості пристрої, які створюють сприятливе середовище для бактерій, які, залежно від їх типу, найбільш ефективно працюють при температурах в діапазоні від 40 до 60 градусів. Кінцеві продукти біогазових установок, крім газу, також містять сполуки, багаті на аміак, фосфор та інші елементи, придатні для використання в сільському господарстві як ґрунтові добрива.