Alternativy zkušební jízdy: ČÁST 1 – Plynárenský průmysl
V 70. letech experimentoval Wilhelm Maybach s různými konstrukcemi spalovacích motorů, změnil mechanismy a přemýšlel o nejvhodnějších slitinách pro výrobu jednotlivých dílů. Často si klade otázku, které z tehdy známých hořlavých látek by byly nejvhodnější pro použití v tepelných motorech.
V 70. letech experimentoval Wilhelm Maybach s různými konstrukcemi spalovacích motorů, změnil mechanismy a přemýšlel o nejvhodnějších slitinách pro výrobu jednotlivých dílů. Často si klade otázku, které z tehdy známých hořlavých látek by byly nejvhodnější pro použití v tepelných motorech.
V roce 1875, kdy byl zaměstnancem Gasmotorenfabrik Deutz, se Wilhelm Maybach rozhodl vyzkoušet, zda dokáže provozovat plynový motor na kapalné palivo – přesněji na benzín. Napadlo ho zkontrolovat, co by se stalo, kdyby zavřel plynový kohout a místo toho položil před sací potrubí kus látky namočený v benzínu. Motor se nezastaví, ale pokračuje v práci, dokud „nenasaje“ všechnu tekutinu z tkáně. Tak se zrodila myšlenka prvního improvizovaného „karburátoru“ a po vytvoření vozu se pro něj stal hlavním palivem benzín.
Vyprávím tento příběh, abych vám připomněl, že než se benzín objevil jako alternativa k palivu, první motory používaly jako palivo plyn. Pak šlo o použití (osvětlovacího) plynu k osvětlení, získaného dnes neznámými způsoby, ale zpracováním uhlí. Motor, který vynalezl Švýcar Isaac de Rivac, je prvním „přirozeným sáním“ (nekomprimovaným) průmyslovým motorem typu Ethylene Lenoir od roku 1862 a klasickou čtyřtaktní jednotkou, kterou vytvořil Otto o něco později, na plyn.
Zde je nutné zmínit rozdíl mezi zemním plynem a zkapalněným ropným plynem. Zemní plyn obsahuje 70 až 98 % metanu, zbytek tvoří vyšší organické a anorganické plyny jako etan, propan a butan, oxid uhelnatý a další. Ropa také obsahuje plyny v různých poměrech, ale tyto plyny se uvolňují frakční destilací nebo jsou produkovány některými vedlejšími procesy v rafinériích. Plynová pole jsou velmi odlišná - čistý plyn nebo "suchý" (tj. obsahující hlavně metan) a "mokrý" (obsahující metan, etan, propan, některé další těžší plyny a dokonce i "benzín" - lehká kapalina, velmi cenné frakce) . Druhy olejů jsou také různé a koncentrace plynů v nich může být buď nižší, nebo vyšší. Pole jsou často kombinována – plyn stoupá nad ropu a funguje jako „plynový uzávěr“. Složení „čepice“ a hlavního ropného pole zahrnuje výše uvedené látky a různé frakce, obrazně řečeno, „tečou“ do sebe. Metan používaný jako palivo pro vozidla „pochází“ ze zemního plynu a nám známá směs propan-butan pochází jak z nalezišť zemního plynu, tak z ropných polí. Asi 6 % světového zemního plynu se vyrábí z uhelných ložisek, která jsou často doprovázena ložisky plynu.
Propan-butan se na scéně objevuje poněkud paradoxním způsobem. V roce 1911 pobouřený americký klient ropné společnosti pověřil svého přítele, slavného chemika doktora Snellinga, aby zjistil důvody záhadné události. Důvodem rozhořčení zákazníka je to, že je zákazník překvapen, když zjistil, že polovina nádrže čerpací stanice byla právě naplněna. Ford Zmizela neznámými prostředky během krátké cesty do jeho domu. Nádrž neteče z ničeho nic ... Po mnoha experimentech doktor Snelling zjistil, že důvodem záhady byl vysoký obsah propanových a butanových plynů v palivu, a brzy poté vyvinul první praktické metody destilace jim. Právě kvůli těmto zásadním pokrokům je nyní Dr. Snelling považován za „otce“ tohoto odvětví.
Mnohem dříve, asi před 3000 lety, objevili pastýři „hořící pramen“ na hoře Paranas v Řecku. Později byl na tomto „posvátném“ místě postaven chrám s planoucími sloupy a věštec Delphius četl jeho modlitby před majestátním kolosem, což u lidí vyvolalo pocit smíření, strachu a obdivu. Dnes je část této romantiky ztracena, protože víme, že zdrojem plamene je metan (CH4) proudící z trhlin ve skalách spojených s hloubkami plynových polí. Na mnoha místech v Iráku, Íránu a Ázerbajdžánu u pobřeží Kaspického moře existují podobné požáry, které také po staletí hoří a jsou již dlouho známé jako „Věčné plameny Persie“.
O mnoho let později využívali plyny z polí i Číňané, ale s velmi pragmatickým účelem – ohřívat velké kotle mořskou vodou a získávat z ní sůl. V roce 1785 Britové vytvořili způsob výroby metanu z uhlí (který se používal u prvních spalovacích motorů) a na počátku dvacátého století si němečtí chemici Kekule a Stradonitz patentovali postup výroby těžšího kapalného paliva z něj.
V roce 1881 provedl William Hart první plynový vrt v americkém městě Fredonia. Hart dlouho pozoroval bubliny stoupající k hladině vody v nedaleké zátoce a rozhodl se vykopat ze země díru do navrhovaného plynového pole. V hloubce devíti metrů pod povrchem se dostal do žíly, ze které tryskal plyn, který později zachytil a jeho nově vzniklá Fredonia Gas Light Company se stala průkopníkem v plynárenském byznysu. Osvětlovací plyn používaný v XNUMX. století se však i přes Hartův průlom získával především z uhlí výše popsaným způsobem – především kvůli nedostatku potenciálu pro vývoj technologií pro dopravu zemního plynu z polí.
První komerční produkce ropy však byla již tehdy skutečností. Jejich historie začala v USA v roce 1859 a myšlenkou bylo využít vytěženou ropu k destilaci petroleje na svícení a olejů pro parní stroje. Už tehdy se lidé potýkali s ničivou silou zemního plynu, stlačovaného po tisíce let v útrobách země. Průkopníci skupiny Edwina Drakea málem zemřeli při prvním improvizovaném vrtání poblíž Titusville v Pensylvánii, když z průlomu unikal plyn, vypukl obří požár, který odnesl veškeré vybavení. Dnes je těžba nalezišť ropy a zemního plynu doprovázena systémem zvláštních opatření k zablokování volného toku hořlavého plynu, ale požáry a výbuchy nejsou neobvyklé. Stejný plyn se však v mnoha případech používá jako jakési „pumpy“, které vytlačují ropu na povrch, a když její tlak klesne, naftaři začnou hledat a používat jiné metody k těžbě „černého zlata“.
Svět uhlovodíkových plynů
V roce 1885, čtyři roky po prvním plynovém vrtání Williama Harta, další Američan, Robert Bunsen, vynalezl zařízení, které se později stalo známým jako „Bunsenův hořák“. Vynález slouží k dávkování a promíchávání plynu a vzduchu ve vhodném poměru, které lze následně využít k bezpečnému spalování – právě tento hořák je dnes základem moderních kyslíkových trysek pro kamna a topná zařízení. Bunsenův vynález otevřel nové možnosti využití zemního plynu, ale přestože první plynovod byl postaven již v roce 1891, modré palivo získalo komerční význam až za druhé světové války.
Právě během války vznikly dostatečně spolehlivé metody řezání a svařování, které umožnily postavit bezpečné kovové plynovody. V Americe jich byly po válce postaveny tisíce kilometrů, v 60. letech pak plynovod z Libye do Itálie. Velká ložiska zemního plynu byla objevena také v Nizozemsku. Tyto dvě skutečnosti vysvětlují lepší infrastrukturu pro používání stlačeného zemního plynu (CNG) a zkapalněného ropného plynu (LPG) jako paliva v těchto dvou zemích. Obrovský strategický význam, který zemní plyn začíná nabývat, potvrzuje následující skutečnost – když se Reagan v 80. letech rozhodl zničit „říši zla“, vetoval dodávku high-tech zařízení pro stavbu plynovodu z r. SSSR do Evropy. Pro kompenzaci evropských potřeb se zrychluje výstavba plynovodu z norského sektoru Severního moře do pevninské Evropy a SSSR visí. V té době byl export plynu hlavním zdrojem tvrdé měny pro Sovětský svaz a vážný nedostatek plynoucí z Reaganových opatření brzy vedl ke známým historickým událostem z počátku 90. let.
Demokratické Rusko je dnes významným dodavatelem zemního plynu pro energetické potřeby Německa a významným globálním hráčem v této oblasti. Význam zemního plynu začal růst po dvou ropných krizích v 70. letech a dnes je jedním z hlavních energetických zdrojů geostrategického významu. V současné době je zemní plyn nejlevnějším palivem pro vytápění, používá se jako surovina v chemickém průmyslu, k výrobě elektřiny, pro domácí spotřebiče a jeho „bratranec“ propan dokonce najdete v lahvičkách od deodorantů jako deodorant. náhrada za sloučeniny fluoru poškozující ozonovou vrstvu. Spotřeba zemního plynu neustále roste a síť plynovodů se prodlužuje. Co se týče dosud vybudované infrastruktury pro použití tohoto paliva v automobilech, vše je daleko pozadu.
Už jsme vám řekli o podivných rozhodnutích, která Japonci udělali při výrobě tolik potřebného a nedostatkového paliva za druhé světové války, a zmínili také program výroby syntetického benzinu v Německu. Málo se však ví o tom, že v chudých válečných letech v Německu jezdila docela skutečná auta na ... dřevo! V tomto případě se nejedná o návrat ke starému dobrému parnímu stroji, ale spalovacím motorům, původně navrženým pro pohon na benzin. Ve skutečnosti tato myšlenka není příliš složitá, ale vyžaduje použití objemného, těžkého a nebezpečného systému generátoru plynu. Uhlí, dřevěné uhlí nebo jen dřevo je umístěno ve speciální a nepříliš složité elektrárně. Na jeho dně hoří za nepřítomnosti kyslíku a v podmínkách vysoké teploty a vlhkosti se uvolňuje plyn obsahující oxid uhelnatý, vodík a metan. Poté se ochladí, vyčistí a pomocí ventilátoru přivede do sacího potrubí motoru pro použití jako palivo. Řidiči těchto strojů samozřejmě plnili složité a obtížné funkce hasičů – kotel se musel periodicky nabíjet a čistit a dýmací stroje opravdu trochu připomínaly parní lokomotivy.
Průzkum plynu dnes vyžaduje jedny z nejsofistikovanějších technologií na světě a těžba zemního plynu a ropy je jednou z největších výzev, kterým věda a technologie čelí. Tato skutečnost platí zejména v USA, kde se stále více využívají nekonvenční metody k „nasávání“ plynu ponechaného na starých nebo opuštěných polích a také k těžbě takzvaného „těsného“ plynu. Podle vědců bude nyní k výrobě plynu na úrovni technologie v roce 1985 zapotřebí dvakrát tolik vrtů. Účinnost metod se výrazně zvýšila a hmotnost zařízení se snížila o 75 %. K analýze dat z gravimetrů, seismických technologií a laserových družic se používají stále sofistikovanější počítačové programy, ze kterých se vytvářejí trojrozměrné počítačové mapy nádrží. Vznikly také tzv. 4D obrazy, díky kterým je možné vizualizovat podoby a pohyby ložisek v čase. Zůstávají však nejmodernější zařízení pro těžbu zemního plynu na moři – pouze zlomek lidského pokroku v této oblasti – globální polohovací systémy pro vrtání, ultrahluboké vrty, potrubí na mořském dně a systémy pro čištění zkapalněných kapalin. oxid uhelnatý a písek.
Rafinace ropy na výrobu vysoce kvalitního benzínu je mnohem složitější úkol než rafinace plynů. Na druhou stranu přeprava plynu po moři je mnohem nákladnější a složitější. Tankery na LPG mají poměrně složitý design, ale nosiče LNG jsou ohromující výtvor. Butan zkapalňuje při -2 stupních, zatímco propan zkapalňuje při -42 stupních nebo relativně nízkém tlaku. Ke zkapalnění metanu je však potřeba -165 stupňů! V důsledku toho vyžaduje konstrukce cisteren na LPG jednodušší kompresorové stanice než pro zemní plyn a nádrže, které jsou navrženy tak, aby vydržely nepříliš vysoké tlaky 20-25 barů. Oproti tomu tankery na zkapalněný zemní plyn jsou vybaveny průběžnými chladicími systémy a superizolovanými nádržemi – ve skutečnosti jsou tyto kolosy největšími kryogenními ledničkami na světě. Části plynu se však podaří „opustit“ tyto instalace, ale jiný systém ji okamžitě zachytí a přivede do válců lodních motorů.
Z výše uvedených důvodů je celkem pochopitelné, že již v roce 1927 umožnila technika přežít prvním propanbutanovým nádržím. Jde o dílo holandsko-anglické společnosti Shell, která byla v té době již obří firmou. Její šéf Kessler je pokročilý muž a experimentátor, který dlouho snil o tom, že nějakým způsobem využije obrovské množství plynu, které dosud uniklo do atmosféry nebo shořelo v ropných rafinériích. Z jeho nápadu a iniciativy vzniklo první pobřežní plavidlo s nosností 4700 XNUMX tun pro přepravu uhlovodíkových plynů s exoticky vyhlížejícími a působivými rozměry nad palubními nádržemi.
K vybudování prvního metanového nosiče Methane Pioneer, postaveného na objednávku plynárenské společnosti Constock International Methane Limited, je však zapotřebí dalších třicet dva let. Shell, který již má stabilní infrastrukturu pro výrobu a distribuci LPG, tuto společnost koupil a velmi brzy byly postaveny další dva obrovské tankery – Shell začal rozvíjet byznys se zkapalněným zemním plynem. Když si obyvatelé anglického ostrova Conway, kde společnost staví sklady metanu, uvědomí, co se vlastně na jejich ostrov skladuje a vozí, jsou šokováni a vyděšeni a myslí si (a oprávněně), že lodě jsou jen obří bomby. Tehdy byl problém bezpečnosti skutečně aktuální, ale dnes jsou tankery pro přepravu zkapalněného metanu extrémně bezpečné a jsou nejen jedním z nejbezpečnějších, ale také jedním z nejekologičtějších námořních plavidel – pro životní prostředí nesrovnatelně bezpečnější než ropné tankery. Největším odběratelem flotily tankerů je Japonsko, které nemá prakticky žádné místní zdroje energie a výstavba plynovodů na ostrov je velmi náročná záležitost. Japonsko má také největší „park“ vozidel na plyn. Hlavními dodavateli zkapalněného zemního plynu (LNG) jsou dnes Spojené státy americké, Omán a kanadský Katar.
V poslední době se stále více prosazuje výroba kapalných uhlovodíků ze zemního plynu. Jedná se především o ultračistou naftu syntetizovanou z metanu a očekává se, že toto odvětví se bude v budoucnu rozvíjet zrychleným tempem. Například Bushova energetická politika vyžaduje využívání místních zdrojů energie a Aljaška má velká ložiska zemního plynu. Tyto procesy jsou stimulovány poměrně vysokými cenami ropy, které vytvářejí předpoklady pro rozvoj drahých technologií – GTL (Gas-to-Liquids) je jen jednou z nich.
GTL v zásadě není nová technologie. Vytvořili jej ve dvacátých letech minulého století němečtí chemici Franz Fischer a Hans Tropsch, zmínění v předchozích číslech jako součást jejich syntetického programu. Na rozdíl od destruktivní hydrogenace uhlí zde však probíhají procesy spojování lehkých molekul do delších vazeb. Jižní Afrika vyrábí takové palivo v průmyslovém měřítku od 20. let 50. století. Zájem o ně však v posledních letech vzrostl při hledání nových příležitostí ke snížení emisí škodlivých paliv ve Spojených státech. Velké ropné společnosti jako BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol a Royal Dutch/Shell utrácejí obrovské částky na vývoj technologií souvisejících s GTL a v důsledku tohoto vývoje se v USA stále častěji diskutuje o politických a sociálních aspektech. tvář pobídek. daně pro spotřebitele čistých paliv. Tato paliva umožní mnoha spotřebitelům nafty nahradit je ekologičtějšími a sníží náklady automobilek na splnění nových úrovní škodlivých emisí stanovených zákonem. Nedávné hloubkové testy ukazují, že paliva GTL snižují oxid uhelnatý o 90 %, uhlovodíky o 63 % a saze o 23 %, aniž by bylo nutné používat filtr pevných částic. Povaha tohoto paliva s nízkým obsahem síry navíc umožňuje použití dalších katalyzátorů, které mohou dále snížit emise vozidel.
Důležitou výhodou paliva GTL je, že může být použito přímo v naftových motorech bez jakýchkoli úprav jednotek. Mohou být také smíchány s palivy obsahujícími 30 až 60 ppm síry. Na rozdíl od zemního plynu a zkapalněných ropných plynů není nutné měnit stávající dopravní infrastrukturu pro přepravu kapalných paliv. Podle prezidenta Rentech Denise Yakubsona by tento typ paliva mohl ideálně doplnit ekologický ekonomický potenciál dieselových motorů a společnost Shell v současné době staví v Kataru velkou továrnu v hodnotě 22,3 miliard dolarů s konstrukční kapacitou XNUMX milionu litrů syntetického paliva denně. ... Největší problém s těmito palivy pochází z obrovských investic vyžadovaných do nových zařízení a typicky nákladného výrobního procesu.
Bioplyn
Zdrojem metanu však nejsou pouze podzemní ložiska. V roce 1808 Humphry Davy experimentoval se slámou umístěnou ve vakuové retortě a produkoval bioplyn obsahující hlavně metan, oxid uhličitý, vodík a dusík. O bioplynu hovoří i Daniel Defoe ve svém románu o „ztraceném ostrově“. Historie této myšlenky je však ještě starší – v 1776. století se Jan Baptita Van Helmont domníval, že rozkladem organických látek lze získat hořlavé plyny a k podobným závěrům došel i hrabě Alexander Volta (tvůrce baterie). v roce 1859. První bioplynová stanice začala fungovat v Bombaji a byla založena ve stejném roce, kdy Edwin Drake provedl první úspěšnou těžbu ropy. Indický závod zpracovává fekálie a dodává plyn pro pouliční lampy.
Bude trvat dlouho, než budou důkladně pochopeny a studovány chemické procesy při výrobě bioplynu. To bylo možné až ve 30. letech XNUMX. století a je to výsledek skoku ve vývoji mikrobiologie. Ukazuje se, že tento proces je způsoben anaerobními bakteriemi, které jsou jednou z nejstarších forem života na Zemi. „Rozmělňují“ organickou hmotu v anaerobním prostředí (aerobní rozklad vyžaduje hodně kyslíku a vytváří teplo). Takové procesy se také přirozeně vyskytují v bažinách, močálech, rýžových polích, krytých lagunách atd.
Moderní systémy výroby bioplynu jsou v některých zemích stále populárnější a Švédsko je lídrem jak v produkci bioplynu, tak ve vozidlech přizpůsobených k jeho provozu. Syntetické jednotky využívají speciálně navržené biogenerátory, relativně levná a jednoduchá zařízení, která vytvářejí vhodné prostředí pro bakterie, které podle svého typu „pracují“ nejefektivněji při teplotách od 40 do 60 stupňů. Konečné produkty bioplynových stanic kromě plynu obsahují také sloučeniny bohaté na amoniak, fosfor a další prvky vhodné pro použití v zemědělství jako půdní hnojiva.
