Что такого есть в ископаемом топливе, чего мы не можем производить массово?

Мы можем наладить массовое производство синтетического топлива. Это было сделано Германией во время Второй мировой войны (хотя и из ископаемых источников). Всё, что вам нужно, — это углерод и водород.

К сожалению, углерод в природе обычно встречается в виде углекислого газа (и ископаемого топлива, но они были специально исключены из вопроса), а водород — в виде воды. Чтобы отделить водород и углерод от этих веществ, нужна энергия. Углерод и водород можно легко объединить в углеводороды в ходе химических реакций.

К счастью, на планете Земля много энергии. Есть два основных способа её получения. Первый — это прямое или косвенное использование энергии солнца. К косвенным способам относятся энергия ветра, гидроэнергия и даже возобновляемое биотопливо и (не дай бог!) ископаемое топливо. К прямым способам относятся фотоэлектрические элементы или концентрированная солнечная тепловая энергия. Прямые способы позволяют использовать на много-много порядков больше энергии, чем используется сегодня, на протяжении миллиардов лет.

Другим основным способом получения энергии является ядерный, который также является возобновляемым ресурсом. В морской воде и обычном граните содержится достаточно урана-238, чтобы мы могли поддерживать текущий уровень энергопотребления в течение миллиардов лет, пока Солнце не увеличится в размерах и не уничтожит нас.

Основная проблема — это стоимость. Оборудование для производства синтетического топлива стоит дорого, но в крайнем случае оно будет работать, как показала Германия во время Второй мировой войны. Оборудование для электролиза водорода из воды тоже недешёвое. Извлечение углекислого газа из атмосферы тоже требует затрат. Кроме того, производство энергии тоже требует затрат, но, тем не менее, стоимость солнечной энергии быстро снижается, и она может стать основным источником энергии в более чистом мире будущего.

Производство синтетического топлива — не такая уж несбыточная мечта. Сегодня компания Neste производит NExBTL, который по сути является дизельным топливом, полученным из биологических источников, и по своим характеристикам не отличается от обычного дизельного топлива и не требует никаких модификаций автомобиля. Сегодня планируется строительство биоперерабатывающего завода для производства биогаза в Финляндии. Таким образом, преобразование углерода и водорода в синтетическое топливо не является проблемой: можно производить как биодизель, так и биогаз.

Остальные проблемы заключаются в следующем:

• Стоимость энергии, которая через несколько десятилетий перестанет быть проблемой из-за стремительного снижения цен на солнечные батареи. В Германии энергия уже иногда обходится дешевле из-за крупномасштабного производства возобновляемой энергии с перебоями. Нам нужно увеличить продолжительность периодов, когда энергия обходится дешевле, за счёт установки ещё большего количества возобновляемых источников энергии с перебоями.


• Стоимость улавливания углекислого газа. Изначально он будет улавливаться из промышленных источников и источников производства электроэнергии, но в конечном счёте в чистом мире будущего его придётся отделять от воздуха, потому что источников CO₂ не будет (кроме мобильных источников, улавливание которых затруднено).


• Стоимость электролиза воды. Сегодня дешевле производить водород из природного газа, чем электролизировать его. Однако завтра ситуация может измениться, в том числе из-за снижения цен на энергоносители.


• Крупные нефтяные месторождения, которые ещё не истощились и могут использоваться для добычи нефти в течение десятилетий с минимальными предельными издержками. Цена на ископаемое топливо установится на уровне, при котором спрос и предложение будут сбалансированы. Это означает, что ископаемое топливо будет использоваться ещё очень долго, если только правительство не запретит его использование или не введёт налог на его использование.

Ещё предстоит выяснить, в какой степени необходимо синтетическое топливо. Электромобили, безусловно, доказали свою жизнеспособность, поэтому, возможно, синтетическое топливо будет использоваться в авиации, а не в автомобильном транспорте.

Здесь есть несколько хороших ответов на вопрос, не относящийся к теме. Некоторые люди говорят о проблемах, связанных с «затратами», другие — о проблемах, связанных с «энергией». Однако обратите внимание: на самом деле это одно и то же. Чтобы определить жизнеспособность бизнеса, необходимо провести базовую бухгалтерскую проверку. Самый простой бухгалтерский учёт — это баланс «энергия на входе» — «энергия на выходе». Если вы синтезируете углеводород в лаборатории, то из-за принципа сохранения энергии и того печального факта, что мы не можем создать устройство, которое было бы на 100 % эффективным, вы никогда не окупите затраты.

Вполне возможно, что существуют более эффективные способы хранения и доставки источника энергии для вашей лаборатории, чем использование углеводородной цепочки.

Если взять настоящий вопрос в значении «Почему бы нам не производить топливо с нуля, а не выкачивать его из-под земли?», то я бы сказал, что основная проблема заключается в энергии, а точнее, в сохранении энергии. Топливо — это НЕ источник энергии, а механизм её хранения (как аккумуляторы). Какую бы энергию ни получало человечество при сжигании топлива, сначала нужно собрать энергию для создания топлива. Это игра с нулевой суммой. Ископаемое топливо отличается от других видов топлива тем, что природа потратила сотни миллионов лет на то, чтобы накопить солнечную энергию в органических хранилищах (то есть в растениях) и сохранить её в земле, чтобы мы могли её найти.

И теперь мы расходуем этот ресурс в миллион раз быстрее, чем он накапливался. Мы живём взаймы, люди!

Ничего.

Все виды ископаемого топлива, которые используются в настоящее время, могут производиться массово.

Это просто обойдётся дороже, чем выкачивание нефти из-под земли.

Ископаемое топливо — это просто дешёвый, но неэффективный способ хранения энергии.

Если бы в мире были дешёвые и эффективные источники энергии, вряд ли кто-то стал бы тратить силы на хранение этой энергии в виде продуктов нефтехимии. У нас были бы автомобили с прямым электрическим приводом или что-то более эффективное, например водородные топливные элементы.

Итак, в конце концов, ответ на ваш вопрос таков... Деньги.

Несмотря на то, что есть несколько отличных ответов, самый простой ответ с точки зрения химии заключается в том, что практически невозможно эффективно образовывать углерод-углеродные связи вне биологических систем. Мы можем получить H₂ путём электролиза воды, а также расщепить (крекингнуть) биологические углеводороды или полимерный углерод (уголь), чтобы сделать уже существующее биотопливо более полезным, но пока что фотосинтез не имеет себе равных в преобразовании углерода из CO₂ в топливо.

Нефть, добываемая из-под земли, представляет собой смесь углеводородных соединений, которые являются остатками отложений водорослей и микроскопических животных, также называемых фитопланктоном и зоопланктоном.

Ученые уже создали синтетическое ископаемое топливо.

Прилагаемые усилия

1. В настоящее время в Сан-Диего, штат Калифорния, компания Synthetic Genomics совместно с Exxon Mobil работает над проектом стоимостью 300 миллионов долларов (на самом деле гораздо больше), целью которого является получение нефти из водорослей. Липиды, разновидность жиров, содержащиеся в водорослях, являются основным компонентом сырой нефти.

Отрывок из статьи: http://www.sandiegouniontribune.com/news/2009/jul/15/1n15algae001356-deal-blooms-algae-biofuel-research/?uniontrib

Биотехнологическая компания из Сан-Диего, возглавляемая пионером в области геномики Дж. Крейгом
Вентером, заключила сделку с Exxon Mobil, в рамках которой может быть выделено более
300 миллионов долларов на разработку биотоплива из водорослей.

Вентер, наиболее известный своей ролью в расшифровке генома человека, заявил
вчера, что его компания Synthetic Genomics планирует построить локальную
теплицу и испытательный полигон для изучения тысяч штаммов водорослей
со всего мира.

Конечная цель состоит в том, чтобы создать водоросли, которые будут использовать энергию
солнца для преобразования углекислого газа в масла и углеводороды в больших
количествах. При использовании
естественных водорослей это было бы непомерно дорого.

На данный момент вышеупомянутый проект провалился и отправлен на доработку.

Отрывок из статьи: https://www.technologyreview.com/s/515041/exxon-takes-algae-fuel-back-to-the-drawing-board/

Судя по всему, эти усилия не помогли найти способ получения дешёвого топлива из водорослей
. В рамках нового соглашения между компаниями Exxon возвращает
Synthetic Genomics в лабораторию для проведения дополнительных фундаментальных исследований. Теперь компания
сосредоточится на своей фирменной технологии — синтетической геномике, относительно
новой науке, которая предполагает внесение значительных изменений в геномы, вплоть до
создания совершенно новых. Цель остаётся прежней: «
вывести штаммы, которые быстро размножаются, производят большое количество
липидов и эффективно противостоят воздействию окружающей среды и эксплуатационным
условиям».

2. Компания Chevron совместно с компанией Catchlight Energy работает над использованием водорослей в качестве сырья для производства нефти. Компания Chevron также заключила партнёрское соглашение с Weyerhaueser Co, одной из крупнейших в мире компаний по производству лесоматериалов, чтобы начать использовать древесные отходы. Лигноцеллюлоза, содержащаяся в древесине, также является компонентом нефти.

Выдержка из: http://investor.chevron.com/phoenix.zhtml?c=130102&p=irol-newsArticle&ID=984280&highlight=

Корпорация Chevron (NYSE: CVX) и компания Weyerhaeuser (NYSE: WY)
сегодня объявили о подписании соглашения о намерениях (LOI) для совместной оценки
целесообразности коммерциализации производства биотоплива из
целлюлозных источников.

Компании сосредоточатся на исследованиях и разработке технологий, которые
позволят преобразовывать древесное волокно и другие непищевые источники целлюлозы в
экономичное и экологически чистое биотопливо для легковых и грузовых автомобилей. В качестве сырья
можно использовать широкий спектр материалов из существующей
лесной и лесозаготовительной системы Weyerhaeuser, а также целлюлозные культуры, выращиваемые на
управляемых лесных плантациях Weyerhaeuser.

В природе эти органические материалы превращаются в нефть и природный газ только через миллионы лет, потому что за это время они успевают опуститься на глубину, где температура и давление достаточно высоки для преобразования этих материалов в нефть.

На самом деле процесс превращения водорослей в нефть может занимать менее нескольких сотен лет, и это опять же связано с медленным изменением температуры и давления в геологических условиях.

Нефть образуется и обнаруживается в осадочных породах, возраст которых не превышает 1000 лет, так что для этого не нужны миллионы лет. В промышленных условиях всё это можно сделать за несколько часов или дней.

Вызов

В лаборатории органический материал можно нагреть (~320 °C) в инертной атмосфере с водой под давлением (~150 атм), чтобы имитировать естественные процессы, которые в природе занимают миллионы лет, а в лаборатории — всего несколько дней. Это объясняется простыми законами термодинамики: тысячи лет при 100 °C или несколько дней при 320 °C дают одинаковые продукты.

Этот метод используется для анализа того, могли ли незрелые породы, залегавшие на большей глубине, давать сырую нефть. Таким образом, его можно использовать для поиска нефтяных месторождений.

Делать это в больших масштабах экономически нецелесообразно, поскольку в систему приходится вкладывать много энергии.

Побочная штука

Что касается этого пункта,

В химическом составе бензина есть кислород, например в бензине, смешанном с этанолом, или в бензине, смешанном с метанолом, но он не может вести себя как кислород. Поэтому ему нужен кислород извне, то есть воздух. Когда эти два компонента воспламеняются, они сгорают и выделяют энергию. Основы химии.

Вот какая реакция происходит внутри цилиндра во время такта сжатия.

2C₈H₁₈ + 25O₂ → 16CO₂ + 18H₂O

Надеюсь, это поможет!

Имейте в виду, что мы используем продукты нефтехимии (соединения углерода, добываемые или высвобождаемые из недр земли) для двух совершенно разных целей: в качестве топлива и сырья для производства всевозможных товаров. Чтобы избавиться от зависимости от продуктов нефтехимии, нам придётся пересмотреть оба способа их использования.

Чтобы заменить нефтепродукты в качестве источника энергии, в некоторых случаях было бы лучше найти другие способы хранения и высвобождения энергии — например, аккумуляторы, заряжаемые от ветряных турбин или солнечных батарей. Но у большинства альтернатив ископаемому топливу есть проблемы с удобством, энергоёмкостью (удельной энергоёмкостью по массе или объёму), удельной мощностью (опять же по массе или объёму), безопасностью обращения/хранения (например, водород), NIMBY (например, ветряные электростанции) и т. д. Так просто заправить бак бензином, дизельным топливом, авиационным керосином и т. д., завести двигатель и ехать... не говоря уже об относительно небольшом весе и компактности. Так что, возможно, для некоторых видов транспорта, например самолётов, целесообразнее продолжать использовать привычное топливо (со всеми его недостатками), но рассмотреть альтернативные источники, помимо нефти, — например, биотопливо.

Чтобы заменить нефтехимическую продукцию в качестве сырья для производства, нужно учитывать все то, что наш современный мир получает из нее. Пластмассы, растворители, красители, смазочные материалы, клеи и так далее. Все интересные молекулы, получаемые из сырой нефти (а список может быть длинным), придется производить другими способами.

В любом случае каждый из этих нефтехимических эквивалентов должен производиться в огромных масштабах. Мы, мировое сообщество, сжигаем много топлива просто для того, чтобы передвигаться, и производим из нефти самые разные вещи (тоже в огромных масштабах). Всё сводится к трём важным вещам:

1. Выясните, как с помощью химических и/или биологических процессов получить наш заменитель (например, октан или другой углеводород) из того, что мы не добываем из недр земли (например, из углекислого газа и воды). В этой области постоянно проводятся исследования, и время от времени появляются интересные результаты.




2. Масштабируйте процессы до уровня, соответствующего спросу. Во-первых, потребуются огромные инвестиции. Кто вложит деньги? Во-вторых, если вы собираетесь использовать углекислый газ и воду для получения углеводородов, вам нужно будет добавить энергию, которая должна откуда-то поступать. Это может стать серьёзным препятствием для синтеза нефтехимических эквивалентов в сколько-нибудь значимых масштабах. Будем ли мы строить огромные солнечные и ветряные электростанции? Как это повлияет на глобальный ландшафт? Будем ли мы строить больше АЭС?




3. Сделайте его экономически выгодным. Можно убедить людей платить небольшую надбавку за топливо или потребительские товары, не связанные с нефтью, но всему есть предел. Может ли процесс, не связанный с нефтью, хотя бы приблизиться по рентабельности к современным скважинам и нефтеперерабатывающим заводам?

Нефть из земли представляет собой смесь различных молекул, но их объединяет тот факт, что они были созданы с использованием энергии солнца. Итак, зная, как выглядит молекула (молекулы), мы можем собрать ингредиенты на соответствующем лабораторном оборудовании, добавить тепло (энергию) и получить наш бензин. Однако энергетические затраты на это (из-за законов термодинамики) превышают энергию, содержащуюся в продукте, что приводит к чистым потерям энергии в процессе. Вот почему мы не производим наше собственное ископаемое топливо.

Именно по этой причине «водородные генераторы», которые много лет назад продавались как дополнительное оборудование для автомобилей, чтобы увеличить пробег, не могут этого сделать. Энергия, требуемая от электрической системы автомобиля, какой бы малой она ни была, всегда превышает вырабатываемую энергию, даже если она ещё меньше.

И в довершение всего, энергия, высвобождающаяся при соединении кислорода с нефтью, приводит к перегруппировке различных элементов в молекулах. Одним из побочных продуктов является углекислый газ. Он нам тоже не нравится, хотя растения со временем под воздействием солнечного света превращают его обратно в продукт на основе углерода, который мы затем можем снова сжечь, если захотим.

Таким образом, поиск «возобновляемой» энергии — это поиск чего-то, что будет быстро (за один день) улавливать солнечную энергию и накапливать её таким образом, чтобы её можно было извлекать контролируемым образом. Мы ищем «ночную» нефть. Фотоэлементы и турбины работают хорошо — когда они работают, а не тогда, когда нам нужна энергия.

Теперь вы понимаете. Мы не можем производить топливо — даже желанный водород — без затрат большего количества энергии, чем мы получим.

В ископаемом топливе есть то, что мы не можем воспроизвести, — это энергия.

Мы производим синтетическое ископаемое топливо в той или иной форме уже около двух столетий: городской газ (заменитель метана), синтетический бензин, биодизель и так далее. Однако, за исключением биодизеля, для производства всех этих видов топлива требуется значительное количество энергии, в то время как ископаемое топливо можно просто добывать из-под земли.

Из-за этого синтетические материалы использовались только в тех случаях, когда было недоступно природное ископаемое топливо. Городской газ использовался до открытия нефтяных месторождений в Северном море и разработки технологий транспортировки природного газа, а синтетический бензин использовался в Германии во время Второй мировой войны, когда у неё не было доступа к природному бензину.

Современные технологии производства синтетического топлива основаны на использовании растений или водорослей, что позволяет получать бесплатную энергию от солнца.

Другие ответы верны с технической точки зрения. Как говорится, в нём содержится энергия, или углеводороды, или как там их ещё называют. То, что можно сжечь. К сожалению, первые два закона термодинамики говорят нам, что искусственное добавление энергии в вещество потребует больше энергии, чем вы получите, так что это не может быть выгодно [что, кстати, объясняет, почему водородные топливные элементы — это просто аккумуляторы, а не источники энергии].

Но растения получают энергию от солнца бесплатно, естественным образом. Поэтому люди превратили их в биотопливо.

Но большинство из нас не заправляет свои машины биотопливом. Так что это не совсем ответ на подразумеваемый вопрос, не так ли? А именно: почему мы до сих пор добываем его из земли?

Чего не хватает, так это громкости.

Сто лет назад в одном чане на одной фабрике в Бостоне производилось столько патоки, что она могла бы вызвать приливную волну, которая унесла бы жизни 21 человека.

Представьте, насколько больше кукурузного сиропа должно быть сейчас, когда он есть во всём, чёрт возьми.

Примерно в то же время произошло нечто подобное: лондонский пивной потоп унёс жизни восьми человек и разрушил два дома.

Представьте, сколько ещё мы должны выпивать в наши дни! Невообразимые объёмы. Добавьте к этому пиво, чай, газировку, бутилированную воду, молоко и т. д.

А теперь представьте на минутку, что эти вещества почти полностью состоят не из воды. Что они состоят только из концентрированного сиропа, но в том же объёме. Можно ли произвести любое из этих веществ искусственно в таком объёме? Нет. Мы уже достигли предела наших производственных возможностей.

Даже с учётом разбавления давайте посмотрим на цены. В марте 2016 года средняя цена за галлон в США составляла:

$1.96 Unleaded regular.

$2.20 Kool-Aid, Lemonade from concentrate:

$2.37 Soda (2l/$1.25 budget deal)

$3.16 Milk

$3.60 Hot Chocolate from powder (am drinking this now!)

$10.50 Homebrew beer from a kit.

Все эти вещи, даже если разбавить их водой на 90%, даже если я выберу самые дешёвые варианты, которые смогу найти за короткое время, всё равно будут стоить дороже нашего топлива.

И всё же производство бензина совершенно не идёт с ними ни в какое сравнение, даже если сложить их вместе.

Обязательное изображение XKCD:

[[Примечание: лужа размером с эти трубы и глубиной около 1 мм — это то, что в среднем расходует каждый человек за день.]]

Объём — это секретный ингредиент. Именно из-за объёма нефть/бензин — единственная жидкость, кроме воды, которая транспортируется по стране по трубопроводам, а не грузовиками. И именно из-за объёма мы не можем производить автомобильное топливо искусственным путём.

И хотя предпринимаются определённые усилия, в конечном счёте эти технологии будут использоваться в основном на электростанциях, в генераторах, для производства авиационного топлива и отопления домов, поскольку электромобили в любом случае вытеснят двигатели внутреннего сгорания через несколько лет.

Они могут

В лаборатории они соединили между собой различные полимерные цепочки и даже углеводороды. Калифорнийский университет в Беркли сейчас занимается этим. Дело не в том, что это невозможно. Дело в стоимости. На данный момент это финансово нецелесообразно, чтобы быть конкурентоспособным на текущем рынке. Другие методы извлечения мёртвых динозавров из земли просто дешевле.

Вот ссылка на статью, в которой Калифорнийский университет в Беркли использовал бактерии E. Coli для производства заменителя бензина.

Однако ажиотаж вокруг биотоплива может быть неуместным. Лауреат Нобелевской премии по химии Пол Крутцен опубликовал исследование, в котором говорится, что выбросы закиси азота, возникающие при производстве биотоплива, вносят больший вклад в глобальное потепление, чем современные виды топлива.

Итак, прежде чем мы начнём радоваться тому, что в лабораториях производят топливо из биологических отходов, нам нужно найти более эффективный способ переработки биологических материалов или поискать решение в другом месте.

В настоящее время на рынке появляются виды биотоплива, которые смешиваются с нашим стандартным топливом. Одно из них, этанол, производится из кукурузы. Непредвиденным последствием этого стало то, что фермеры, выращивающие кукурузу в Центральной и Южной Америке, продают её производителям топлива, из-за чего цена на кукурузу выросла настолько, что люди фактически голодают, потому что углеводы, которые они используют в качестве источника пищи, более ценны в баке автомобиля. Вот так вот.