Alternative testne vožnje: 1. DEL – Plinska industrija
V 70. letih je Wilhelm Maybach eksperimentiral z različnimi izvedbami motorjev z notranjim zgorevanjem, spreminjal mehanizme in razmišljal o najprimernejših zlitinah za izdelavo posameznih delov. Pogosto se vpraša, katera od takrat znanih gorljivih snovi bi bila najprimernejša za uporabo v toplotnih strojih.
V 70. letih je Wilhelm Maybach eksperimentiral z različnimi izvedbami motorjev z notranjim zgorevanjem, spreminjal mehanizme in razmišljal o najprimernejših zlitinah za izdelavo posameznih delov. Pogosto se vpraša, katera od takrat znanih gorljivih snovi bi bila najprimernejša za uporabo v toplotnih strojih.
Leta 1875, ko je bil zaposlen v Gasmotorenfabrik Deutz, se je Wilhelm Maybach odločil preizkusiti, ali lahko poganja plinski motor na tekoče gorivo – natančneje, na bencin. Prišlo mu je na misel, da bi preveril, kaj bi se zgodilo, če bi zaprl plinsko pipo in namesto tega pred sesalni kolektor položil kos blaga, namočeno v bencin. Motor se ne ustavi, ampak deluje naprej, dokler ne “posrka” vse tekočine iz tkiva. Tako se je rodila ideja o prvem improviziranem "uplinjaču", po nastanku avtomobila pa je bencin postal glavno gorivo zanj.
To zgodbo pripovedujem, da vas spomnim, da preden so se bencin pojavili kot alternativa gorivu, so prvi motorji kot gorivo uporabljali plin. Potem je šlo za uporabo (razsvetljave) plina za razsvetljavo, pridobljenega po danes neznanih metodah, ampak s predelavo premoga. Motor, ki ga je izumil Švicar Isaac de Rivak, prvi "naravnost" (nestisnjen) industrijski motor iz etilena Lenoirja od leta 1862 in klasična štiritaktna enota, ki jo je malo kasneje ustvaril Otto, delujeta na plin.
Pri tem je treba omeniti razliko med zemeljskim plinom in utekočinjenim naftnim plinom. Zemeljski plin vsebuje od 70 do 98 % metana, ostalo pa so višji organski in anorganski plini, kot so etan, propan in butan, ogljikov monoksid in drugi. Nafta vsebuje tudi pline v različnih razmerjih, vendar se ti plini sproščajo s frakcijsko destilacijo ali pa nastanejo v nekaterih stranskih procesih v rafinerijah. Plinska polja so zelo različna - čisti plin ali "suh" (to je, ki vsebuje predvsem metan) in "moker" (vsebuje metan, etan, propan, nekatere druge težje pline in celo "bencin" - lahka tekočina, zelo dragocene frakcije) . Tudi vrste olj so različne, koncentracija plinov v njih pa je lahko manjša ali višja. Polja so pogosto kombinirana – plin se dviga nad nafto in deluje kot "plinska kapa". Sestava "pokrovčka" in glavnega naftnega polja vključuje zgoraj omenjene snovi, različne frakcije pa se, figurativno rečeno, "prelivajo" druga v drugo. Metan, ki se uporablja kot gorivo za vozila, "prihaja" iz zemeljskega plina, mešanica propana in butana, ki jo poznamo, pa prihaja tako iz polj zemeljskega plina kot iz naftnih polj. Približno 6 % svetovnega zemeljskega plina se proizvede iz nahajališč premoga, ki jih pogosto spremljajo nahajališča plina.
Propan-butan se na sceni pojavlja nekoliko paradoksalno. Leta 1911 je ogorčeni ameriški naročnik naftne družbe svojemu prijatelju, slavnemu kemiku dr. Snellingu naročil, naj ugotovi razloge za skrivnostni dogodek. Razlog za ogorčenje kupca je, da kupec preseneti, ko ugotovi, da je bila polovica rezervoarja za polnjenje polna. Ford Ona je neznano izginila med kratkim potovanjem do njegove hiše. Rezervoar ne priteče od nikoder ... Po številnih poskusih je dr. Snelling odkril, da je razlog za skrivnost visoka vsebnost plinov propana in butana v gorivu, in kmalu za tem je razvil prve praktične metode destilacije njim. Zaradi teh temeljnih napredkov dr. Snelling danes velja za "očeta" industrije.
Mnogo prej, pred približno 3000 leti, so pastirji na gori Paranas v Grčiji odkrili "goreči izvir". Kasneje je bil na tem "svetem" kraju zgrajen tempelj z gorečimi stebri in preročišče Delphius je pred mogočnim kolosom recitiral svoje molitve, zaradi česar so ljudje čutili spravo, strah in občudovanje. Danes se nekaj te romantike izgubi, ker vemo, da je vir plamena metan (CH4), ki teče iz razpok v kamninah, povezanih z globinami plinskih polj. Podobni požari so marsikje v Iraku, Iranu in Azerbajdžanu ob obali Kaspijskega morja, ki so prav tako goreli stoletja in so že dolgo znani kot "Perzijski večni plameni".
Mnogo let kasneje so tudi Kitajci uporabljali pline iz polj, vendar z zelo pragmatičnim namenom – za ogrevanje velikih kotlov z morsko vodo in pridobivanje soli iz nje. Leta 1785 so Britanci ustvarili metodo za pridobivanje metana iz premoga (ki je bil uporabljen v prvih motorjih z notranjim izgorevanjem), v začetku dvajsetega stoletja pa sta nemška kemika Kekule in Stradonitz patentirala postopek za proizvodnjo težjega tekočega goriva iz njega.
Leta 1881 je William Hart v ameriškem mestu Fredonia izvrtal prvo plinsko vrtino. Hart je dolgo opazoval mehurčke, ki so se dvigali na gladino vode v bližnjem zalivu, in se odločil, da iz tal izkoplje luknjo do predlaganega plinskega polja. Na globini devetih metrov pod površjem je dosegel žilo, iz katere je bruhal plin, ki jo je kasneje ujel, in njegovo novoustanovljeno podjetje Fredonia Gas Light Company je postalo pionir v plinskem poslu. Toda kljub Hartovemu preboju so plin za razsvetljavo, ki so ga uporabljali v XNUMX. stoletju, pridobivali predvsem iz premoga po zgoraj opisani metodi – predvsem zaradi pomanjkanja potenciala za razvoj tehnologij za transport zemeljskega plina z polj.
Vendar je bila prva komercialna proizvodnja nafte že takrat dejstvo. Njihova zgodovina se je začela v ZDA leta 1859, ideja pa je bila, da bi pridobljeno olje uporabili za destilacijo kerozina za razsvetljavo in olja za parne stroje. Že takrat so se ljudje soočili z uničujočo močjo zemeljskega plina, ki se je tisočletja stiskal v nedrih zemlje. Pionirji skupine Edwina Drakea so med prvim improviziranim vrtanjem blizu Titusvilla v Pensilvaniji skoraj umrli, ko je iz preboja uhajal plin, izbruhnil je velikanski požar, ki je odnesel vso opremo. Danes izkoriščanje naftnih in plinskih polj spremlja sistem posebnih ukrepov za blokiranje prostega pretoka gorljivih plinov, vendar požari in eksplozije niso redki. Vendar se isti plin v mnogih primerih uporablja kot nekakšna »črpalka«, ki potiska nafto na površje, in ko njen pritisk pade, začnejo naftaši iskati in uporabljati druge metode pridobivanja »črnega zlata«.
Svet ogljikovodikovih plinov
Leta 1885, štiri leta po prvem plinskem vrtanju Williama Harta, je še en Američan, Robert Bunsen, izumil napravo, ki je kasneje postala znana kot "Bunsenov gorilnik". Izum služi za doziranje in mešanje plina in zraka v ustreznem razmerju, ki se nato uporablja za varno zgorevanje – prav ta gorilnik je danes osnova sodobnih kisikovih šob za peči in kurilna telesa. Bunsenov izum je odprl nove možnosti za uporabo zemeljskega plina, a čeprav je bil prvi plinovod zgrajen že leta 1891, je modro gorivo dobilo komercialni pomen šele v drugi svetovni vojni.
Med vojno so bile ustvarjene dovolj zanesljive metode rezanja in varjenja, ki so omogočile gradnjo varnih kovinskih plinovodov. V Ameriki so jih zgradili na tisoče kilometrov po vojni, naftovod iz Libije v Italijo pa v 60. letih. Velika nahajališča zemeljskega plina so odkrili tudi na Nizozemskem. Ti dve dejstvi pojasnjujeta boljšo infrastrukturo za uporabo stisnjenega zemeljskega plina (CNG) in utekočinjenega naftnega plina (LPG) kot goriva za vozila v teh dveh državah. Ogromen strateški pomen, ki ga začenja pridobivati zemeljski plin, potrjuje naslednje dejstvo – ko se je Reagan v 80. letih odločil uničiti »Imperij zla«, je dal veto na dobavo visokotehnološke opreme za gradnjo plinovoda iz ZSSR v Evropo. Da bi nadomestili evropske potrebe, se pospešuje gradnja plinovoda iz norveškega sektorja Severnega morja v celinsko Evropo, ZSSR pa visi. Takrat je bil izvoz plina glavni vir trdne valute za Sovjetsko zvezo in resno pomanjkanje, ki je bilo posledica Reaganovih ukrepov, je kmalu pripeljalo do dobro znanih zgodovinskih dogodkov iz zgodnjih devetdesetih let.
Danes je demokratična Rusija glavni dobavitelj zemeljskega plina za energetske potrebe Nemčije in pomemben svetovni igralec na tem področju. Pomen zemeljskega plina je začel naraščati po dveh naftnih krizah v 70. letih, danes pa je eden glavnih energetskih virov geostrateškega pomena. Zemeljski plin je trenutno najcenejše gorivo za ogrevanje, uporablja se kot surovina v kemični industriji, za proizvodnjo električne energije, za gospodinjske aparate, njegovega »bratranca« propana pa najdemo celo v stekleničkah dezodorantov kot deodorant. nadomestek za fluorove spojine, ki tanjšajo ozon. Poraba zemeljskega plina nenehno narašča, plinovodno omrežje pa se daljša. Kar zadeva doslej zgrajeno infrastrukturo za uporabo tega goriva v avtomobilih, je vse daleč zadaj.
O nenavadnih odločitvah Japoncev pri proizvodnji prepotrebnega in redkega goriva med drugo svetovno vojno smo že povedali, omenili pa smo tudi program proizvodnje sintetičnega bencina v Nemčiji. Malo pa je znano dejstvo, da so v Nemčiji v letih puste vojne vozili čisto pravi avtomobili na ... les! V tem primeru ne gre za vrnitev k staremu dobremu parnemu stroju, temveč k motorjem z notranjim zgorevanjem, prvotno zasnovanim za pogon na bencin. Pravzaprav zamisel ni zelo zapletena, vendar zahteva uporabo obsežnega, težkega in nevarnega sistema generatorja plina. Premog, oglje ali samo drva vlagamo v posebno in manj zapleteno elektrarno. Na njenem dnu gorijo v odsotnosti kisika, v pogojih visoke temperature in vlažnosti pa se sprošča plin, ki vsebuje ogljikov monoksid, vodik in metan. Nato se ohladi, očisti in ventilator dovaja v sesalne kolektorje motorja za uporabo kot gorivo. Seveda so vozniki teh strojev opravljali zapletene in težke naloge gasilcev - kotel je bilo treba občasno polniti in čistiti, dimni stroji pa so bili res nekoliko podobni parnim lokomotivam.
Danes raziskovanje plina zahteva nekatere najbolj izpopolnjene tehnologije na svetu, črpanje zemeljskega plina in nafte pa je eden največjih izzivov, s katerimi se soočata znanost in tehnologija. To dejstvo še posebej velja za ZDA, kjer se uporablja vse več nekonvencionalnih metod za "sesanje" plina, ki je ostal v starih ali opuščenih poljih, kot tudi za pridobivanje tako imenovanega "tesnega" plina. Po mnenju znanstvenikov bo zdaj potrebno dvakrat več vrtanja za proizvodnjo plina na ravni tehnologije iz leta 1985. Učinkovitost metod se močno poveča, teža opreme pa se zmanjša za 75 %. Vse bolj sofisticirani računalniški programi se uporabljajo za analizo podatkov iz gravimetrov, seizmičnih tehnologij in laserskih satelitov, iz katerih se ustvarijo tridimenzionalni računalniški zemljevidi rezervoarjev. Ustvarjene so bile tudi tako imenovane 4D slike, zahvaljujoč katerim je mogoče vizualizirati oblike in premike depozitov skozi čas. Vendar ostajajo najsodobnejši objekti za proizvodnjo zemeljskega plina na morju – le del človeškega napredka na tem področju – globalni sistemi za določanje položaja za vrtanje, ultra globoko vrtanje, cevovodi na oceanskem dnu in sistemi za čiščenje utekočinjenega tekočine. ogljikov monoksid in pesek.
Rafiniranje nafte za proizvodnjo visokokakovostnega bencina je veliko bolj zapletena naloga kot rafiniranje plinov. Po drugi strani pa je transport plina po morju veliko dražji in zapletenejši. Tankerji za LPG so po zasnovi precej zapleteni, toda prevozniki za LNG so osupljiva stvaritev. Butan se utekočini pri -2 stopinjah, medtem ko se propan utekočini pri -42 stopinjah ali relativno nizkem tlaku. Za utekočinjenje metana pa je potrebnih -165 stopinj! Posledično konstrukcija LPG tankerjev zahteva enostavnejše kompresorske postaje kot za zemeljski plin in rezervoarje, ki so zasnovani tako, da prenesejo ne posebno visoke pritiske 20-25 barov. Nasprotno pa so tankerji za prevoz utekočinjenega zemeljskega plina opremljeni s sistemi za neprekinjeno hlajenje in superizoliranimi rezervoarji – pravzaprav so ti kolosi največji kriogeni hladilniki na svetu. Vendar pa del plina uspe "zapustiti" te instalacije, vendar ga drugi sistem takoj zajame in dovaja v valje ladijskega motorja.
Zaradi zgoraj navedenih razlogov je povsem razumljivo, da je že leta 1927 tehnologija omogočila preživetje prvih rezervoarjev za propan-butan. To je delo nizozemsko-angleškega Shella, ki je bil takrat že velikansko podjetje. Njen šef Kessler je napreden človek in eksperimentator, ki že dolgo sanja, da bi na nek način uporabil ogromno količino plina, ki je doslej ušel v ozračje ali zgorel v naftnih rafinerijah. Na njegovo idejo in pobudo je bilo ustvarjeno prvo morsko plovilo z nosilnostjo 4700 ton za prevoz ogljikovodikov z eksotičnim videzom in impresivnimi dimenzijami nad palubnimi rezervoarji.
Vendar pa je potrebnih še dvaintrideset let za gradnjo prve ladje za prevoz metana Methane Pioneer, zgrajene po naročilu plinskega podjetja Constock International Methane Limited. Shell, ki že ima stabilno infrastrukturo za proizvodnjo in distribucijo LPG, je kupil to podjetje in zelo kmalu sta bila zgrajena še dva ogromna tankerja - Shell je začel razvijati posel z utekočinjenim zemeljskim plinom. Ko prebivalci angleškega otoka Conway, kjer podjetje gradi skladišča metana, ugotovijo, kaj se pravzaprav skladišči in prevaža na njihov otok, so šokirani in prestrašeni ter mislijo (in prav je tako), da so ladje le ogromne bombe. Takrat je bil problem varnosti res aktualen, danes pa so tankerji za prevoz utekočinjenega metana izredno varni in so ne le ena najvarnejših, ampak tudi ena najbolj okolju prijaznih morskih plovil – za okolje neprimerljivo varnejša od naftnih tankerjev. Največji odjemalec tankerske flote je Japonska, ki praktično nima lokalnih energetskih virov, gradnja plinovodov do otoka pa je zelo težaven podvig. Japonska ima tudi največji "park" vozil na plin. Glavni dobavitelji utekočinjenega zemeljskega plina (LNG) so danes ZDA, Oman in Katar, Kanada.
V zadnjem času postaja pridobivanje tekočih ogljikovodikov iz zemeljskega plina vse bolj priljubljeno. Gre predvsem za ultra čisto dizelsko gorivo, sintetizirano iz metana, in ta industrija naj bi se v prihodnosti pospešeno razvijala. Na primer, Busheva energetska politika zahteva uporabo lokalnih virov energije, Aljaska pa ima velika nahajališča zemeljskega plina. Te procese spodbujajo relativno visoke cene nafte, ki ustvarjajo predpogoje za razvoj dragih tehnologij – GTL (Gas-to-Liquids) je le ena izmed njih.
V bistvu GTL ni nova tehnologija. V dvajsetih letih 20. stoletja sta ga ustvarila nemška kemika Franz Fischer in Hans Tropsch, omenjena v prejšnjih številkah kot del svojega sintetičnega programa. Vendar v nasprotju z uničujočim hidrogeniranjem premoga tu potekajo procesi spajanja lahkih molekul v daljše vezi. Južna Afrika proizvaja takšno gorivo v industrijskem obsegu že od petdesetih let prejšnjega stoletja. Zanimanje zanje pa se je v zadnjih letih povečalo zaradi iskanja novih priložnosti za zmanjšanje škodljivih izpustov goriva v ZDA. Večje naftne družbe, kot so BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol in Royal Dutch/Shell, namenjajo ogromne vsote za razvoj tehnologij, povezanih z GTL, in kot posledica tega razvoja se v političnih in družbenih vidikih vedno bolj razpravlja obraz spodbud. davki na potrošnike čistega goriva. Ta goriva bodo številnim porabnikom dizelskega goriva omogočila, da ga zamenjajo z okolju prijaznejšim, avtomobilskim podjetjem pa bodo zmanjšala stroške za doseganje novih ravni škodljivih emisij, ki jih določa zakon. Nedavno poglobljeno testiranje kaže, da goriva GTL zmanjšajo ogljikov monoksid za 50 %, ogljikovodike za 90 % in saje za 63 % brez potrebe po dizelskih filtrih za delce. Poleg tega narava tega goriva z nizko vsebnostjo žvepla omogoča uporabo dodatnih katalizatorjev, ki lahko dodatno zmanjšajo emisije vozil.
Pomembna prednost goriva GTL je, da se lahko uporablja neposredno v dizelskih motorjih brez kakršnih koli sprememb na enotah. Mešajo se lahko tudi z gorivi, ki vsebujejo 30 do 60 ppm žvepla. Za razliko od zemeljskega plina in utekočinjenega naftnega plina obstoječe prometne infrastrukture ni treba spreminjati za prevoz tekočih goriv. Po besedah predsednika Rentecha Denisa Yakubsona bi lahko ta vrsta goriva v idealnem primeru dopolnila okolju prijazen gospodarski potencial dizelskih motorjev, Shell pa trenutno v Katarju gradi velik obrat v višini 22,3 milijard dolarjev s projektno zmogljivostjo XNUMX milijona litrov sintetičnega goriva na dan . ... Največja težava teh goriv izhaja iz velike naložbe v nove objekte in tipično dragega proizvodnega procesa.
Bioplin
Vendar pa vir metana niso samo podzemna nahajališča. Leta 1808 je Humphry Davy eksperimentiral s slamico v vakuumski retorti in proizvedel bioplin, ki je vseboval predvsem metan, ogljikov dioksid, vodik in dušik. O bioplinu govori tudi Daniel Defoe v svojem romanu o »izgubljenem otoku«. Vendar je zgodovina te ideje še starejša – leta 1776 je Jan Baptita Van Helmont verjel, da je mogoče z razgradnjo organskih snovi pridobiti gorljive pline, do podobnih ugotovitev pa je prišel tudi grof Alexander Volta (ustvarjalec baterije). leta 1859. Prva bioplinarna je začela delovati v Bombaju in je bila ustanovljena istega leta, ko je Edwin Drake izvedel prvo uspešno vrtanje nafte. Indijska tovarna predeluje fekalije in dobavlja plin za ulične svetilke.
Dolgo bo trajalo, preden bodo kemijski procesi pri proizvodnji bioplina temeljito razumljeni in preučeni. To je postalo mogoče šele v tridesetih letih 30. stoletja in je rezultat preskoka v razvoju mikrobiologije. Izkazalo se je, da ta proces povzročajo anaerobne bakterije, ki so ena najstarejših oblik življenja na Zemlji. Organske snovi "meljejo" v anaerobnem okolju (aerobna razgradnja zahteva veliko kisika in ustvarja toploto). Takšni procesi se naravno pojavljajo tudi na močvirjih, močvirjih, neoluščenih poljih, pokritih lagunah itd.
Sodobni sistemi za proizvodnjo bioplina v nekaterih državah postajajo vse bolj priljubljeni, Švedska pa je vodilna v proizvodnji bioplina in vozilih, ki so prilagojena za uporabo z njim. Sintezne enote uporabljajo posebej zasnovane biogeneratorje, razmeroma poceni in enostavne naprave, ki ustvarjajo primerno okolje za bakterije, ki glede na vrsto najbolj učinkovito »delujejo« pri temperaturah od 40 do 60 stopinj. Končni produkti bioplinarn vsebujejo poleg plina tudi spojine, bogate z amoniakom, fosforjem in drugimi elementi, primernimi za uporabo v kmetijstvu kot gnojila za tla.
