Výhra zemního plynu Jackpot

Ve srovnání s ropou je zemní plyn tak bohatý, že je to ohromující. Prokázané zásoby ropy jsou dobré pro další asi jeden bilion barelů. Při dnešním tempu spotřeby vydrží asi 40 let. Přidejte zásoby ropy, o kterých se předpokládá, že existují, ale stále nejsou objeveny, a časová osa se natáhne na nějakých 160 let.

Známé zásoby zemního plynu, který se skládá převážně z jednoduchého uhlovodíkového metanu, vydrží při dnešní spotřebě asi 50 let. Odhady pravděpodobných, ale dosud neobjevených zdrojů plynu prodlužují tuto projekci na zhruba 200 let. Ale když se přidá zemní plyn, o kterém se předpokládá, že leží hluboko pod oceánem v hydrátech metanu, potenciál je ohromující. Hydráty, ledové krystaly, které zachycují molekuly metanu, se tvoří pod hloubkou 300 metrů v důsledku bakterií produkujících metan. Velmi málo se ví o tom, kolik plynu je v těchto krystalech uzavřeno nebo jak ho dostat ven, ale nejlepší odhady jsou, že zásoby by mohly, i když se míra spotřeby zemního plynu zdvojnásobí v příštích několika desetiletích, vydržet desítky tisíc let. .

Tento příběh byl součástí našeho vydání z ledna 2002

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Ať děláte aritmetiku jakkoli, je tam spousta zemního plynu. K jeho atraktivitě jako paliva budoucnosti přispívá i to, že metan spaluje mnohem čistěji než ropa. Je tu ale velký problém: zemní plyn je nestálý a jeho přeprava je drahá. Jednou z krás ropy je to, že ji můžete vylít potrubím, naložit na tankery nebo čluny a bezpečně přepravit do celého světa. Zemní plyn je naproti tomu nejčastěji expedován jako kapalina, která musí být udržována na teplotě -130 C nebo při tlaku desítek atmosfér. Může být také přepravován jako plyn v potrubích, ale protože plyn musí být udržován stlačený, je to nákladný návrh: jeden odhad je, že potrubí, které dostane plyn z Aljašky do Dolní 48, by stálo přibližně 15 až 20 miliard USD. postavit.

Zahoďte skutečnost, že mnoho velkých zásob se nachází na odlehlých místech, jako je Aljaška North Slope nebo Sibiř, a výsledkem je, že velká část světového zemního plynu je nyní komerčně bezcenná. Z [zemního plynu], o kterém všichni souhlasí, že tam je, více než polovina nemá absolutně žádnou tržní [hodnotu], říká Mark Agee, prezident Syntroleum, energetické firmy z Tulsy, OK. V žádném případě. Je to v místech, jako je severozápadní šelf Austrálie, Papua Nová Guinea, západní pobřeží Afriky, severní svah Aljašky. Opravdu odlehlá místa bez připraveného trhu v blízkosti.

Pro chemického inženýra je řešení tohoto problému, alespoň teoreticky, relativně jednoduché. Pokud byste dokázali chemicky přeměnit tento nebezpečný plyn na kapalný uhlovodík, jako je syntetický olej nebo dokonce benzín, mohl by být snadno a levně přepravován při pokojové teplotě a normálním tlaku. Tato syntetická paliva by mohla proudit přímo do stávajících ropovodů nebo být umístěna na palubu tankerů směřujících na trh. Po dalším zdokonalení by mohly být dokonce distribuovány prostřednictvím stávající sítě čerpacích stanic. Jako další výhoda, protože výchozím materiálem je zemní plyn s prakticky nulovým obsahem síry, výsledná paliva by také neobsahovala síru a aromatické znečišťující látky, které znečišťují jiné ropné produkty. Jinými slovy, měli byste snadno dostupný zdroj paliva, který je potenciálně mnohem levnější a čistší než ropa.

Některé z největších světových ropných společností nyní investují miliardy dolarů do výstavby rafinerií, které využívají technologii plyn-to-kapalina k přeměně metanu na ultračistou naftu a benzín. Pomocí vysokotlakých a vysokoteplotních rafinérských procesů tyto nové závody, které se staví v místech, jako je Bintulu v Malajsii, přemění zemní plyn na kapalné produkty, které se snadno dodávají na trh a pravděpodobně cenově konkurují ropným produktům.

Někteří výzkumníci se ale domnívají, že mají mnohem lepší nápad. Procesy používané v nových závodech jsou založeny na chemii, která sahá až do počátku 20. let 20. století a jsou nákladné a neefektivní. Malá skupina chemiků a chemických inženýrů pracuje na objevu katalyzátorů – materiálů, které urychlují chemické reakce, ale samy se v procesu nespotřebovávají – pro přímou přeměnu zemního plynu na kapalná paliva při nízkých teplotách a tlacích. Pokud tyto katalyzátory fungují – a to je stále gigant -li -umožní levné, jednoduché rafinérské procesy, které by mohly uvolnit obrovské nevyužité zásoby zemního plynu. Ve skutečnosti by donutili odborníky, aby přepracovali své výpočty světových dodávek energie. Najednou by nevyužité zdroje metanu na Sibiři a v severní Kanadě mohly být pro svět stejně důležité jako rozsáhlá ropná pole v Saúdské Arábii.

Černá minulost

Myšlenka výroby kapalných syntetických paliv není nová. V roce 1923 dva němečtí uhelní badatelé, Franz Fischer a Hans Tropsch, objevili způsob, jak přeměnit bohaté zásoby uhlí v údolí Porúří na syntetickou ropu. Fischer a Tropsch věděli, že když zahřejí hromadu uhlí, vytvoří směs oxidu uhelnatého a vodíku. Vědci zjistili, že průchodem tohoto plynu přes kovové katalyzátory mohou vyrobit syntetické palivo. Během druhé světové války německá vláda použila Fischer-Tropschův proces k výrobě přibližně 600 000 barelů vojenského paliva ročně z bohatých uhelných ložisek v zemi.

Po válce spojenecké zpravodajské agentury roztrhaly německé závody, aby zjistily, jak fungují, a v letech 1948 až 1953 byla v Brownsville v Texasu provozována malá továrna Fischer-Tropsch. V 50. letech se jihoafrická vláda ocitla jako nacistický režim s malým nebo žádným přístupem k ropě; přešla na Fischer-Tropschův proces a postavila několik závodů na přeměnu uhlí z rozsáhlých ložisek v zemi na syntetická paliva.

A tam mohla technologie zůstat, omezená z větší části na národy hladovějící po ropě, s výjimkou dnešního rostoucího pokušení těžit z obrovských zásob vzdáleného, ​​levného zemního plynu. Metan, stejně jako uhlí, lze použít k výrobě směsi oxidu uhelnatého a vodíku; až na výchozí materiál funguje proces syntézy paliva úplně stejně jako u uhlí. Exxon Mobil, Shell a jihoafrický Sasol jsou zapojeny do velkých projektů přeměny zemního plynu na kapalný. Sečteno a podtrženo, velké ropné společnosti plánují utratit téměř 10 miliard dolarů za kapacitu přeměny plynu na kapalinu v budoucích závodech.

Jedním z menších agresivnějších hráčů je Tulsa’s Syntroleum. Stejně jako velké ropné koncerny i Syntroleum spoléhá na přeměnu Fischer-Tropsch, aby přeměnila uvízlý zemní plyn na snadno přepravitelné ultračisté kapalné uhlovodíky. Díky vylepšeným katalyzátorům a konstrukci reaktoru jsou nyní kapalné uhlovodíky vyrobené z metanu na trhu extrémně konkurenceschopné s ropou. Syntetická paliva, která dokážeme vyrobit, jsou stoprocentně kompatibilní s konvenčními produkty, říká prezident Syntroleum Mark Agee. U zemního plynu jsou náklady na suroviny [v barelech ekvivalentu ropy] kdekoli od nuly do 10 dolarů za barel, ve srovnání s ropou za 20 dolarů. Na západním pobřeží Afriky nám nabídli plyn za nikl za tisíc krychlových stop, neboli 50 centů za barel.

Perfektní katalyzátor

Ale Fischer-Tropschův proces je ze své podstaty neefektivní a drahý – a z pohledu chemika je ve své podstatě neohrabaný. Proces vyžaduje teploty kolem 800 až 900 oC, kterých je dosaženo spálením části plynu, který se přeměňuje. Technologie je také relativně neselektivní, produkuje velké množství uhlovodíkových molekul, z nichž některé jsou zbytečné. V zásadě je špatné, že jde o technologii ze 40. let, říká Roy Periana, chemik z University of Southern California. K dosažení konverzí používá hrubou sílu a vysoké teploty.

Dejte každému organickému chemikovi tužku a blok papíru a on nebo ona může rychle nakreslit jednoduchou a elegantnější cestu ke kapalným uhlovodíkům. Zemní plyn je z velké části metan; přeměna na metanol, snadno přenosnou kapalinu, je jednoduše záležitostí přidání atomu kyslíku k molekule metanu. Při přeměně této teorie přímé syntézy na chemickou realitu však existuje několik velkých problémů. Katalyzátor potřebuje rozbít pevné vazby uhlík-vodík v metanu, aby umožnil reakci kyslíku. A – tady je to opravdu složité – reakce potřebuje přidat jeden atom kyslíku ke každé molekule metanu; nechte to pokračovat a přidejte další atom kyslíku a vytvoříte bezcenný oxid uhličitý.

Tento trik lze vyřešit v laboratoři, ale stávající katalyzátory nejsou dostatečně účinné, aby produkovaly výtěžky potřebné pro konkurenci s ropou. Periana, například, hledá dokonalý katalyzátor již více než deset let. V polovině 90. let Periana pracoval v malé kalifornské společnosti Catalytica, kde vedl tým pracující na nových katalyzátorech pro tuto přímou konverzi. V Catalytica jsme objevili dva systémy, říká. Jedním z nich byl rtuťový katalyzátor, který poskytl 40procentní výtěžek v jednom kroku při 180 stupních. Druhým byl platinový systém, který dával 70procentní výtěžnost při 220 stupních. V tu chvíli si lidé začali říkat, že je to možná opravdu možné. Ale tyto slibné začátky narazily na některá neměnná fakta základní chemie. Zatímco přímá přeměna metanu byla působivá z hlediska chemie, stále nebyla komerčně životaschopná. Pokud se chystáte nahradit komoditní proces, jako je tento, říká Periana, musíte mít skutečně revoluční proces. Okrajová zlepšení to neudělají.

Navzdory chemickým překážkám zůstává Periana optimistická. Máme nějaké vodítka a spojujeme to se znalostí toho, jak fungovaly předchozí systémy. A právě teď je fér říci, že jde o závod. Základy jsou stanoveny a jde o to, kdo se tam dostane jako první, říká. Otázkou na každého teď je, kdo a kdy najde ten správný katalyzátor a co to bude. Není to ani otázka, jestli.'

Hádanka přírody

Dokonce i velké ropné společnosti investující do přeměny metanu na kapalná paliva nepřímými přístupy financují výzkum přímé přeměny. V loňském roce společnost BP udělila 1 milion dolarů ročně po dobu 10 let Kalifornské univerzitě, Berkeley a Caltechu na výzkum přeměny metanu, přičemž část grantu byla vyčleněna na přímou přeměnu. Hledání katalyzátoru, říká Alex Bell, chemický inženýr v Berkeley, je kombinací umění a vědy. Nemohu si teď sednout a říct, že existuje algoritmus pro nalezení katalyzátoru pro danou reakci. Stavíte na minulých znalostech toho, co funguje, a snažíte se je zlepšit znalostmi základní chemie. Většina z nich se snaží vytvořit vzorce a strategické myšlení o chemických principech, které metan přenášejí do cílených produktů.

A nikdo zítra neočekává průlom. Enrique Iglesia, další chemický inženýr z Berkeley zapojený do programu BP, pracuje na přeměně metanu téměř 20 let. Přímá přeměna metanu je něco, o čem sníme, ale příroda nám překáží, říká. Metan má jednu z nejsilnějších vazeb, jaké známe, a jeho reakční produkty mají obvykle vazby slabší. Je těžké zastavit se u požadovaných produktů, takže je to tvrdá chemie.

Málokdo by mohl tušit, že řešení světových energetických problémů vzejde z esoterické oblasti katalýzy. Ale s obrovskými nevyužitými zásobami zemního plynu, které podněcují představivost chemiků, hledání dokonalého katalyzátoru pokračuje. Tvrdá chemie, ale pokud uspěje, změní světové energetické výpočty.

skrýt