Gamtinių dujų aukso puodo pasiekimas

Palyginti su nafta, gamtinių dujų yra tiek daug, kad tai stulbina. Įrodytos naftos atsargos yra tinkamos dar vienam trilijonui barelių. Pagal dabartinį vartojimo tempą jie tarnaus apie 40 metų. Pridėkite naftos atsargas, kurios, kaip manoma, yra, bet vis dar neatrastos, ir laiko juosta tęsiasi apie 160 metų.

Žinomos gamtinių dujų atsargos, kurias daugiausia sudaro paprastas angliavandenilis metanas, užteks maždaug 50 metų pagal dabartinį suvartojimo lygį. Tikėtinų, bet dar neatrastų dujų išteklių įvertinimai išplečia šią prognozę iki maždaug 200 metų. Tačiau pridėjus gamtines dujas, kurios, kaip manoma, slypi giliai po vandenynu metano hidratuose, potencialas yra neįtikėtinas. Hidratai, ledo kristalai, kurie sulaiko metano molekules, susidaro žemiau 300 metrų gylyje dėl metaną gaminančių bakterijų. Labai mažai žinoma apie tai, kiek dujų išpilstoma į šiuos kristalus arba kaip jas ištraukti, tačiau geriausiai spėjama, kad atsargos gali trukti dešimtis tūkstančių metų, net jei gamtinių dujų suvartojimo lygis per ateinančius kelis dešimtmečius padvigubės. .

Ši istorija buvo mūsų 2002 m. sausio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Kad ir kaip atliktumėte aritmetiką, ten yra daug gamtinių dujų. Prie jo, kaip ateities kuro, patrauklumo prisideda tai, kad metanas degs daug švariau nei nafta. Tačiau yra didelė problema: gamtinės dujos yra nepastovios ir brangios transportuoti. Viena iš naftos grožybių yra ta, kad galite ją išpilti vamzdžiais, pakrauti į tanklaivius ar baržas ir saugiai gabenti aplink pasaulį. Gamtinės dujos, atvirkščiai, dažniausiai gabenamos kaip skystis, kurio temperatūra turi būti -130 C arba dešimčių atmosferų slėgis. Jas taip pat galima gabenti kaip dujas vamzdynais, bet kadangi dujos turi būti suspaustos, tai brangus pasiūlymas: vienas iš apskaičiavimų rodo, kad dujotiekis iš Aliaskos į Žemutinį 48 kainuotų apie 15–20 mlrd. statyti.

Atsižvelkite į tai, kad daugelis didelių atsargų yra atokiose vietose, tokiose kaip Aliaskos šiaurinis šlaitas ar Sibiras, ir rezultatas yra toks, kad didžioji pasaulio gamtinių dujų dalis dabar yra komerciškai bevertė. Daugiau nei pusė [gamtinių dujų], dėl kurių visi sutinka, neturi jokios rinkos [vertės], sako Markas Agee, energetikos įmonės „Syntroleum“, Talsoje, OK, prezidentas. Jokiu. Tai yra tokiose vietose kaip Australijos šiaurės vakarų šelfas, Papua Naujoji Gvinėja, vakarinė Afrikos pakrantė, Aliaskos šiaurinis šlaitas. Tikrai atokios vietos, kur šalia nėra paruošto turgaus.

Chemijos inžinieriui šios keblios problemos sprendimas, bent jau teoriškai, yra gana paprastas. Jei galėtumėte chemiškai paversti šias pavojingas dujas skystu angliavandeniliu, pavyzdžiui, sintetinę alyvą ar net benziną, jas būtų galima lengvai ir pigiai transportuoti kambario temperatūroje ir normaliu slėgiu. Šis sintetinis kuras galėtų tekėti tiesiai į esamus naftotiekius arba būti patalpintas į rinkai skirtus tanklaivius. Po tolesnio tobulinimo jie netgi galėtų būti platinami per esamą degalinių tinklą. Kaip papildomas sandoris, kadangi pradinė medžiaga yra beveik nulinės sieros gamtinės dujos, gaunamas kuras taip pat neturėtų sieros ir aromatinių teršalų, kurie kenkia kitiems naftos produktams. Kitaip tariant, jūs turėtumėte lengvai prieinamą kuro šaltinį, kuris gali būti daug pigesnis ir švaresnis nei nafta.

Kai kurios didžiausių pasaulio naftos kompanijų dabar investuoja milijardus dolerių, kad statytų naftos perdirbimo gamyklas, kuriose naudojama dujų pavertimo skysčiu technologija metanui paversti itin švariu dyzelinu ir benzinu. Naudojant aukšto slėgio, aukštos temperatūros naftos perdirbimo procesus, šios naujos gamyklos, kurios statomos tokiose vietose kaip Bintulu, Malaizija, pavers gamtines dujas skystais produktais, kurie lengvai pristatomi į rinką ir, tikėtina, bus konkurencingi naftos produktams.

Tačiau kai kurie tyrinėtojai mano, kad jie turi daug geresnę idėją. Naujose gamyklose naudojami procesai yra pagrįsti chemija, kilusia nuo XX a. XX amžiaus trečiojo dešimtmečio pradžios ir yra brangūs bei neefektyvūs. Nedidelė chemikų ir chemijos inžinierių grupė stengiasi atrasti katalizatorius – medžiagas, kurios pagreitina chemines reakcijas, bet pačios nėra sunaudojamos procese – skirtos tiesiogiai gamtines dujas paversti skystuoju kuru esant žemai temperatūrai ir slėgiui. Jei šie katalizatoriai veikia – ir tai vis tiek yra milžiniška jeigu - jie sudarys įmanomus pigius, paprastus naftos perdirbimo procesus, kurie galėtų atskleisti didžiules nepanaudotas gamtinių dujų atsargas. Iš tikrųjų jie priverstų ekspertus iš naujo atlikti pasaulio energijos tiekimo skaičiavimus. Staiga nepanaudoti metano ištekliai Sibire ir Kanados šiaurėje gali būti tokie pat svarbūs pasauliui, kaip ir didžiuliai Saudo Arabijos naftos telkiniai.

Juoda praeitis

Idėja gaminti skystą sintetinį kurą nėra nauja. 1923 m. du vokiečių anglių tyrinėtojai Franzas Fischeris ir Hansas Tropschas atrado būdą, kaip gausias Rūro slėnio anglies atsargas paversti sintetine nafta. Fischeris ir Tropschas žinojo, kad pašildydami anglies krūvą susidarys anglies monoksido ir vandenilio mišinys. Mokslininkai nustatė, kad leisdami šias dujas per metalinius katalizatorius, jie gali pagaminti sintetinį kurą. Antrojo pasaulinio karo metu Vokietijos vyriausybė naudojo Fišerio-Tropsch procesą, kad iš gausių šalies anglies telkinių per metus pagamintų apie 600 000 barelių karinio kuro.

Po karo sąjungininkų žvalgybos agentūros išardė Vokietijos gamyklas, kad išsiaiškintų, kaip jos veikia, ir nedidelė Fischer-Tropsch gamykla veikė Braunsvilyje, Teksaso valstijoje, 1948–1953 m. 1950-aisiais Pietų Afrikos vyriausybė atsidūrė, pvz. nacių režimas, turintis mažai arba visai neturintis prieigos prie naftos; ji kreipėsi į Fischer-Tropsch procesą ir pastatė keletą gamyklų, skirtų paversti anglį iš didelių šalies telkinių į sintetinį kurą.

Ir ten ši technologija galėjo likti, daugiausia apsiribodama naftos badaujančiomis valstybėmis, išskyrus šiandien augančią pagundą pasinaudoti didžiuliais atokių, pigių gamtinių dujų ištekliais. Metanas, kaip ir anglis, gali būti naudojamas anglies monoksido ir vandenilio mišiniui gaminti; išskyrus pradinę medžiagą, kuro sintezės procesas veikia lygiai taip pat, kaip ir anglies atveju. „Exxon Mobil“, „Shell“ ir Pietų Afrikos „Sasol“ dalyvauja dideliuose projektuose, skirtuose gamtines dujas paversti skystomis. Apskritai, didžiosios naftos kompanijos planuoja išleisti beveik 10 mlrd.

Vienas iš mažesnių, agresyvesnių žaidėjų yra „Tulsa's Syntroleum“. Kaip ir didieji naftos koncernai, „Syntroleum“ remia „Fischer-Tropsch“ konversiją, kad persunktas gamtines dujas paverstų lengvai transportuojamais itin švariais skystais angliavandeniliais. Dėl patobulintų katalizatorių ir reaktoriaus konstrukcijos, bendrovė teigia, kad skysti angliavandeniliai, pagaminti iš metano, dabar itin konkuruoja su nafta rinkoje. „Syntroleum“ prezidentas Markas Agee sako, kad mūsų gaminami sintetiniai degalai yra 100 procentų suderinami su įprastais produktais. Naudojant gamtines dujas, žaliavos kaina [naftos ekvivalento bareliais] yra nuo nulio iki 10 USD už barelį, o nafta – 20 USD. Mums buvo pasiūlytos dujos vakarinėje Afrikos pakrantėje po nikelį už tūkstantį kubinių pėdų arba 50 centų už barelį.

Tobulas katalizatorius

Tačiau Fischer-Tropsch procesas iš prigimties yra neefektyvus ir brangus, o chemiko požiūriu, iš prigimties gremėzdiškas. Procesui reikalinga maždaug 800–900 oC temperatūra, kuri pasiekiama sudeginant dalį konvertuojamų dujų. Ši technologija taip pat yra gana neselektyvi, gaminanti daugybę angliavandenilių molekulių, iš kurių kai kurios yra nenaudingos. Iš esmės negerai yra tai, kad tai 1940-ųjų technologija, sako Roy Periana, Pietų Kalifornijos universiteto chemikas. Konversijoms pasiekti naudojama brutali jėga ir aukšta temperatūra.

Padovanokite bet kuriam organinių medžiagų chemikui pieštuką ir popieriaus bloknotą, ir jis ar ji greitai nubrėžs paprastą, elegantiškesnį kelią iki skystųjų angliavandenilių. Gamtinės dujos daugiausia yra metanas; paverčiant jį metanoliu, lengvai transportuojamu skysčiu, tiesiog reikia pridėti deguonies atomą į metano molekulę. Tačiau yra keletas didelių problemų paverčiant šią tiesioginės sintezės teoriją chemine realybe. Katalizatorius turi nutraukti sandarius anglies ir vandenilio ryšius metane, kad deguonis galėtų reaguoti. Ir – štai kur tai tampa tikrai sudėtinga – reakcijos metu į kiekvieną metano molekulę reikia pridėti vieną deguonies atomą; leiskite jam tęstis ir pridėkite papildomą deguonies atomą ir sukursite bevertį anglies dioksidą.

Triukas gali būti atliktas laboratorijoje, tačiau esami katalizatoriai nėra pakankamai veiksmingi, kad būtų užtikrintas derlius, reikalingas konkuruoti su nafta. Pavyzdžiui, Periana jau daugiau nei dešimtmetį ieškojo tobulo katalizatoriaus. Dešimtojo dešimtmečio viduryje Periana dirbo nedidelėje Kalifornijos įmonėje Catalytica, kur vadovavo komandai, kuri dirbo su naujais šios tiesioginės konversijos katalizatoriais. „Catalytica“ atradome dvi sistemas, sako jis. Vienas iš jų buvo gyvsidabrio katalizatorius, kuris vienu žingsniu 180 laipsnių temperatūroje davė 40 proc. Kita buvo platinos sistema, kuri davė 70 procentų išeigą 220 laipsnių temperatūroje. Tuo metu žmonės pradėjo kalbėti, kad galbūt tai tikrai įmanoma. Tačiau šie daug žadantys startai prieštarauja kai kuriems nekintamiems pagrindinės chemijos faktams. Nors tiesioginis metano pavertimas buvo įspūdingas chemijos požiūriu, jis vis tiek nebuvo komerciškai perspektyvus. Jei ketinate pakeisti tokį prekių procesą, kaip šis, sako Periana, jums tikrai reikia revoliucinio proceso. Ribiniai patobulinimai to nepadės.

Nepaisant chemijos kliūčių, Periana išlieka optimistiška. Turime keletą potencialių klientų ir tai siejame su žiniomis, kaip veikė ankstesnės sistemos. Ir dabar teisinga sakyti, kad tai yra lenktynės. Pagrindai yra išdėstyti, ir svarbu, kas ten pasieks pirmas, sako jis. Dabar visiems kyla klausimas, kas ir kada suras tinkamą katalizatorių ir koks jis bus. Tai net ne klausimas, ar.

Gamtos galvosūkis

Netgi didžiosios naftos bendrovės, investuojančios į metano pavertimą skystuoju kuru, taikydamos netiesioginius metodus, finansuoja tiesioginės konversijos tyrimus. Praėjusiais metais BP skyrė po 1 milijoną dolerių per metus 10 metų Kalifornijos universitetui Berklyje ir Caltech už metano konversijos tyrimus, o dalis dotacijos buvo skirta tiesioginei konversijai. Katalizatoriaus paieška, sako Alexas Bellas, Berklio chemijos inžinierius, yra meno ir mokslo derinys. Negaliu dabar atsisėsti ir pasakyti, kad yra algoritmas, kaip rasti tam tikros reakcijos katalizatorių. Jūs kaupiate ankstesnes žinias apie tai, kas veikia, ir bandote jas patobulinti turėdami žinių apie pagrindinę chemiją. Daugeliu atvejų bandoma nustatyti modelius ir strateginį mąstymą apie cheminius principus, pagal kuriuos metanas patenka į tikslinius produktus.

O rytoj niekas nesitiki proveržio. Enrique Iglesia, kitas Berklio chemijos inžinierius, dalyvaujantis BP programoje, beveik 20 metų dirba su metano konversija. Svajojame apie tiesioginį metano konversiją, tačiau gamta tam trukdo, sako jis. Metanas turi vieną iš stipriausių mums žinomų ryšių, o jo reakcijos produktai paprastai turi silpnesnes jungtis. Sunku sustoti ties norimais produktais, todėl tai yra sunki chemija.

Tik nedaugelis gali įtarti, kad pasaulio energijos problemų sprendimas bus iš ezoterinės katalizės mokslo srities. Tačiau didžiulės, nepanaudotos gamtinių dujų atsargos kursto chemikų vaizduotę, tobulo katalizatoriaus paieška tęsiasi. Sunki chemija, bet jei pavyks, tai pakeis pasaulio energijos skaičiavimus.

paslėpti