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

Нефть в том виде, в каком она выходит из-под земли, представляет собой смесь углеводородных соединений, представляющих собой остатки отложений водорослей и микроскопических животных, также называемых фитопланктоном и зоопланктоном.

Ученые уже создали синтетические ископаемые виды топлива.

Усилия

1 . В настоящее время в Сан-Диего, штат Калифорния, компания Synthetic Genomics и Exxon Mobil вложила 300 миллионов долларов (на самом деле намного больше) в производство масла из водорослей. Липиды, форма жира, в водорослях являются основным компонентом сырой нефти.

Выдержка из: 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, которая может включать финансирование разработки биотоплива из водорослей на сумму более 300 миллионов долларов.

Вентер, наиболее известный своей ролью в секвенировании генома человека, вчера заявил, что его компания Synthetic Genomics планирует создать местную теплицу и испытательный центр 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 — подвиг, который был бы чрезмерно дорогим для природных водорослей.

На данный момент вышеупомянутый проект потерпел неудачу и вернулся к чертежной доске.

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

Эти усилия, похоже, не помогли взломать код дешевого топлива из водорослей. Согласно новому соглашению между компаниями, Exxon отправляет Synthetic Genomics обратно в лабораторию для проведения дополнительных фундаментальных исследований. Теперь она сосредоточится на одноименной технологии — синтетической геномике, относительно новой науке, которая предполагает внесение значительных изменений в геномы, вплоть до создания совершенно новых. Цель остается прежней: «разработать штаммы, которые быстро размножаются, производят большое количество липидов и эффективно противостоят условиям окружающей среды и эксплуатации».

2 . Chevron сотрудничает с компанией Catchlight Energy по использованию водорослей в качестве сырья для производства нефти. Chevron также сотрудничает с Weyerhaueser Co, одной из крупнейших в мире компаний по производству лесных товаров, 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=

Chevron Corporation (NYSE: CVX) и Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) сегодня объявили о подписании письма о намерениях (LOI) для совместной оценки возможности коммерциализации производства биотоплива из источников на основе целлюлозы.

Компании сосредоточатся на исследованиях и разработке технологий, которые могут превратить древесное волокно и другие непищевые источники целлюлозы в экономичное биотопливо с чистым сгоранием для легковых и грузовых автомобилей. Варианты исходного сырья включают в себя широкий спектр материалов из существующей лесной и мельничной системы Weyerhaeuser, а также целлюлозные культуры, выращиваемые на управляемых лесных плантациях Weyerhaeuser.

В природе единственная причина, по которой эти органические материалы превращаются в нефть и природный газ, требуются миллионы лет, заключается в том, что столько же времени требуется для того, чтобы они были погребены на такой глубине, где температура и давление достаточно высоки, чтобы преобразовать эти материалы в нефть. .

На самом деле время, необходимое для превращения их из водорослей в нефть, может составлять менее нескольких сотен лет, и это опять-таки из-за медленных изменений температуры и давления в геологических условиях.

Нефть образовалась и была обнаружена в осадочных отложениях возрастом 1000 лет, поэтому для ее добычи не требуются миллионы лет. В промышленных условиях все это можно сделать за несколько часов или дней.

Вызов

В лаборатории органический материал можно нагреть (~320°С) в инертной атмосфере с водой под давлением (~150 атм), чтобы смоделировать естественные процессы, которые занимают миллионы лет, но в лаборатории занимают всего несколько дней. Это связано с простой термодинамикой, тысячи лет при 100°С или несколько дней при 320°С дают аналогичные продукты.

Этот метод используется для анализа того, могут ли незрелые породы, если бы они были захоронены более глубоко, давать сырую нефть. Так что его можно использовать как инструмент для поиска нефтяных залежей.

Экономически невыгодно делать это в больших масштабах, поскольку в систему необходимо вкладывать так много энергии.

Побочная вещь

Что касается этого пункта,

В химическом составе бензина есть кислород, например, бензин с примесью этанола или бензин с примесью метанола, но он не может вести себя как кислород. Поэтому ему нужен кислород извне, а именно воздух. Когда эти два компонента воспламеняются, они воспламеняются и выделяют энергию. Базовая химия.

Вот реакция, происходящая внутри цилиндра во время такта сгорания.

2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O

Надеюсь это поможет!

В ископаемом топливе мы не можем воспроизвести энергию.

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, все они требуют значительных затрат энергии для производства, в то время как ископаемое топливо можно просто выкачивать из земли.

Из-за этого синтетические материалы использовались только тогда, когда природные ископаемые виды топлива были недоступны. Городской газ использовался до открытия нефтяных месторождений в Северном море и разработки методов транспортировки природного газа, в то время как синтетический бензин использовался Германией во время Второй мировой войны, когда у нее не было доступа к природной версии.

Текущие усилия по производству синтетического топлива сосредоточены вокруг использования растений или водорослей, чтобы можно было использовать бесплатную энергию солнца.

Остальные ответы правильные, технически. Как говорится, что там, то ли энергия , то ли углеводороды , то ли называйте их как хотите. Горючие вещи. К сожалению, первые два закона термодинамики говорят нам, что искусственное вложение энергии в вещество потребует больше энергии, чем вы получите, поэтому оно не может быть прибыльным [именно поэтому водородные топливные элементы просто батареи, а не источники питания].

Но растения вкладывают в вещи энергию для нас, от солнца, бесплатно, естественно . Поэтому люди превратили их в биотопливо.

Но большинство из нас не использует биотопливо в своих машинах. Так что на самом деле это не отвечает на подразумеваемый вопрос, не так ли? То есть, почему мы до сих пор получаем его из-под земли?

Чего не хватает, так это объема .

Сто лет назад в одном чане одной фабрики в Бостоне производилось достаточно патоки, чтобы создать приливную волну, достаточно большую, чтобы убить 21 человека:

Представьте, насколько невероятно много кукурузного сиропа должно быть в наши дни, теперь, когда он чертовски повсюду .

Нечто подобное произошло примерно в то же время, когда в результате лондонского пивного наводнения утонули восемь человек и были разрушены два дома.

Представьте, сколько еще мы должны выпить в наши дни! Невообразимые суммы. Добавьте к этому пиво, весь чай, газировку, воду в бутылках, молоко и т. д.

Теперь представьте на мгновение, что эти вещества не состоят почти полностью из воды. Что их делали только из их концентрированного сиропа, но в том же объеме. Можно ли произвести что- либо из этого искусственно в таком объеме? Нет. Мы уже достигли своих производственных пределов.

Даже с разбавлением, давайте посмотрим на цены. Март 2016 г., средние цены в США за галлон:

$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 разбавленные примерно на 90%, даже если я выбираю самые дешевые цены, которые я могу найти в быстром поиске, дороже, чем наше топливо.

И все же, производство бензина совершенно затмевает их , даже если все вместе взятые.

Обязательное изображение XKCD:

[[Примечание: лужа размером с эти трубы, глубиной около 1 мм — это то, сколько каждый человек в среднем выпивает каждый день.]]

Объем — это секретный соус. Именно по объему нефть/бензин является единственной жидкостью, кроме воды, которая транспортируется по стране по трубопроводу, а не перевозится грузовиками. Именно по объему мы не можем производить автомобильное топливо искусственно.

И хотя предпринимаются усилия, они в основном будут использоваться на электростанциях, генераторах, топливе для самолетов и домашнем отоплении, поскольку электромобили в любом случае сделают двигатель внутреннего сгорания устаревшим через несколько лет.

Они могут

Они соединили в лаборатории различные полимерные цепи и даже их углеводороды. Сейчас этим занимается Калифорнийский университет в Беркли. На самом деле это не вопрос того, что это делается. Это стоимость выполнения. Сейчас финансово невозможно быть конкурентоспособным на текущем рынке. Другие методы извлечения мертвых динозавров из земли просто дешевле.

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

Однако быть в восторге от биотоплива может быть неуместно. Лауреат Нобелевской премии химик Пол Крутцен опубликовал вывод о том, что заявленные выбросы закиси азота, возникающие при производстве биотоплива, делают их более значительными для глобального потепления, чем текущие топливные решения.

Итак, прежде чем мы будем в восторге от лабораторного топлива из биологических отходов, нам придется найти лучший процесс для преобразования биологического материала или поискать решение в другом месте.

В настоящее время есть биотопливо, которое выходит на рынок и смешивается с нашим стандартным топливом. Один из них, этанол, получают из кукурузы. Непреднамеренным последствием этого является то, что производители кукурузы в Центральной и Южной Америке продают свою кукурузу производителям топлива и настолько подняли цены на кукурузу, что люди фактически голодают, потому что их углеводная база, на которую они полагаются как на источник пищи, больше. ценно в бензобаке автомобиля. Итак, вот что.

Нефть из земли представляет собой смесь разных молекул, но их объединяет тот факт, что они были созданы с помощью энергии солнца. Итак, зная, как выглядит молекула (молекулы), мы можем собрать ингредиенты в соответствующем лабораторном оборудовании, добавить тепло (энергию) и получить наш бензин. Однако затраты энергии на это (согласно законам термодинамики) превышают энергию, содержащуюся в продукте, что делает процесс чистой потерей энергии. Вот почему мы не производим собственное ископаемое топливо.

По той же причине «водородные генераторы», продаваемые много лет назад в качестве надстройки к автомобилям для увеличения пробега, не могут этого сделать. Энергия, требуемая от электрической системы автомобиля, какой бы малой она ни была, всегда превышает вырабатываемую энергию, даже меньшую.

И в довершение ко всему, энергия, высвобождаемая при соединении кислорода с нефтью, приводит к перераспределению различных элементов в молекулах. Одним из побочных продуктов является углекислый газ. Нам это тоже не нравится, даже несмотря на то, что растения в конечном итоге под воздействием солнечного света снова превратят его в продукт на основе углерода, который мы затем сможем снова сжечь, если захотим.

Поиск «возобновляемой» энергии — это поиск чего-то, что позволит быстро (за один день) улавливать солнечную энергию и хранить ее таким образом, чтобы ее можно было извлекать контролируемым образом. Мы просим "ночное" масло. Фотоэлементы и турбины работают хорошо — когда они работают — не всегда, когда нам нужна энергия.

Теперь вы получаете картину. Мы не можем производить топливо — даже желанный водород — не затрачивая больше энергии, чем мы можем произвести.

Ничего такого.

Все виды ископаемого топлива, используемые в настоящее время, могут быть произведены в массовом порядке.

Просто это обойдется дороже, чем выкачивать его из-под земли.

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

Если бы в мире были дешевые и эффективные источники энергии, вряд ли бы они тратили усилия на хранение этой энергии в виде нефтехимических продуктов. 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... Деньги.

Хотя есть несколько отличных ответов, самый простой ответ, основанный на химии, заключается в том, что почти невозможно эффективно формировать углерод-углеродные связи, кроме как в биологических системах. Мы можем получить H ₂ путем электролиза воды, и мы можем расщепить (расщепить) биологические углеводороды или полимерный углерод (уголь), чтобы сделать ранее существовавшее биотопливо более полезным, но пока что фотосинтез не может превзойти перенос углерода из CO. ₂ для топлива.

Здесь есть несколько хороших ответов на вопрос не по теме. Кто-то ссылается на проблемы «стоимости», кто-то на проблемы «энергии». Однако обратите внимание: на самом деле это одно и то же. Вы должны провести базовый учет, чтобы определить, является ли бизнес жизнеспособным. Самый простой учет - это баланс «энергия-вход»-«энергия-выход». Если вы производите углеводород в лаборатории, всегда будут потери из-за принципа сохранения энергии и того прискорбного факта, что мы не можем сделать устройство, которое будет на 100% эффективным. Вы никогда не будете безубыточны.

Возможно, существуют более эффективные способы хранения и доставки источника энергии для вашей лаборатории, чем углеводородная цепочка.

Имейте в виду, что мы используем нефтехимию (соединения углерода, извлекаемые или высвобождаемые из-под земли) для двух совершенно разных целей: топлива и сырья для производства всевозможных вещей. Чтобы избавиться от нашей зависимости от нефтехимии, нам пришлось бы заняться обоими видами использования.

Чтобы заменить нефтехимию в качестве источника энергии, в некоторых случаях было бы лучше найти другие способы хранения и высвобождения энергии — например, аккумуляторы, подзаряжаемые ветряными турбинами или солнечными батареями. Но у большинства альтернатив ископаемому топливу есть проблемы с удобством, мощностью (удельная энергия по весу или объему), удельной мощностью (опять же по весу или объему), безопасностью обращения/хранения (например, водород), NIMBY (например, ветряные электростанции) и т. д. Так просто заправить бак бензином, дизельным топливом, топливом для реактивных двигателей и т. д., запустить двигатель и отправиться в путь... не говоря уже об относительно небольшом весе и компактности. Так что, возможно, для некоторых приложений, таких как самолеты, может быть более целесообразно продолжать использовать их нынешним способом (принимая во внимание все недостатки), но рассмотреть альтернативные источники, а не нефть - следовательно, биотопливо.

Чтобы заменить нефтехимию в качестве производственного сырья, вам придется учитывать все то, что наш современный мир извлекает из нее. Пластмассы, растворители, красители, смазки, клеи и так далее. Все интересные молекулы, извлеченные из сырой нефти (а это может быть длинный список), должны быть получены каким-то другим способом.

В любом случае каждый из этих нефтехимических эквивалентов должен производиться в огромных масштабах. Мы, как мировое сообщество, сжигаем много топлива, просто передвигаясь, и мы делаем всевозможные вещи (в том числе в огромных масштабах) из нефти. Это сводится к трем важным вещам:

1. Выясните, как сделать наш заменитель (скажем, октан или какой-либо другой углеводород) с помощью химических и/или биологических процессов из чего-то, что мы не извлекали из земли (например, из углекислого газа и воды). Исследования в этой области продолжаются, и постоянно появляются интересные результаты.

2. Масштабируйте процессы до уровня, который соответствует спросу. Во-первых, это потребует огромных инвестиций; кто вложит деньги? Во-вторых, если вы собираетесь ввести в процесс углекислый газ и воду и получить углеводороды, вам придется добавить энергию, которая должна откуда-то поступать. Это может стать серьезным камнем преткновения для синтеза нефтехимических эквивалентов в любом достойном масштабе. Строим ли мы огромные солнечные/ветряные электростанции? Что это сделает с глобальным ландшафтом? Строим ли мы больше атомной энергии?

3. Сделать это экономически целесообразным. Людей можно убедить платить небольшую надбавку за топливо или потребительские товары, не полученные из нефти, но этому есть предел. Может ли процесс, не связанный с нефтью, хотя бы приблизиться к экономике сегодняшних скважин и нефтеперерабатывающих заводов?

Принимая во внимание настоящий вопрос: «Почему бы нам не производить топливо с нуля вместо того, чтобы выкачивать его из-под земли?», я должен сказать, что основной проблемой является энергия, точнее, сохранение энергии . Топливо НЕ является источником энергии — это механизм хранения энергии (например, батареи). Какую бы энергию мы ни получали от сжигания топлива, ее нужно сначала собрать, чтобы создать топливо. Это игра с нулевой суммой. Что отличает ископаемое топливо, так это то, что Природа провела сотни миллионов лет, собирая солнечную энергию в органические хранилища (т.е. растения) и изолируя ее в земле, чтобы мы могли ее найти.

И теперь мы потребляем этот ресурс в миллион раз быстрее , чем он накапливался. Мы живем в долг, люди!

Мы можем массово производить синтетическое топливо. Это было сделано Германией во время Второй мировой войны (хотя и из ископаемых источников). Что вам нужно, так это углерод и водород.

К сожалению, углерод обычно находится в природе в виде углекислого газа (и ископаемого топлива, но они были специально исключены из вопроса) и водорода в виде воды. Чтобы отделить от них водород и углерод, вам нужна энергия. Углерод и водород можно тривиально объединить в углеводороды в химических реакциях.

К счастью, энергии на планете Земля предостаточно. Существует два основных способа получения энергии. Один из них — собирать энергию солнца прямо или косвенно. Косвенные средства включают энергию ветра, гидроэлектроэнергию и даже возобновляемое биотопливо и (не дай Бог!) ископаемое топливо. Прямое означает фотогальванику или концентрацию солнечной тепловой энергии. Прямые пути позволяют использовать на много-много порядков больше энергии, чем то, что используется сегодня в течение миллиардов лет.

Другим основным способом производства энергии является атомная энергия, которая также является обильным ресурсом. В морской воде и обычных гранитных породах содержится достаточно U-238 , чтобы мы могли поддерживать текущий уровень потребления энергии в течение миллиардов лет , пока солнце не увеличит и не уничтожит нас.

Главный вопрос - стоимость. Установки по производству синтетического топлива дороги, но в крайнем случае сработают, как показала нам Германия во время Второй мировой войны. Установки для электролиза водорода из воды также недешевы. Извлечение углекислого газа из атмосферы также требует определенных затрат. Кроме того, производство энергии также имеет свои издержки, но, тем не менее, стоимость солнечной энергии быстро снижается и может стать выбором для производства энергии в более чистом мире завтрашнего дня.

Производство синтетического топлива не такая уж и далекая мечта. Сегодня Neste производит NExBTL , который по сути представляет собой дизельное топливо, произведенное из биоресурсов, которое эквивалентно обычному дизельному топливу и не требует абсолютно никаких модификаций автомобиля. Сегодня в Финляндии планируется построить биоперерабатывающий завод по производству биобензина. Таким образом, конечно, преобразование углерода и водорода в синтетическое топливо не является проблемой: можно производить как биодизель, так и биобензин.

Оставшиеся проблемы:

• Стоимость энергии, которая не будет проблемой через несколько десятилетий из-за быстрого снижения стоимости солнечных элементов. Энергия уже иногда имеет отрицательную стоимость в Германии из-за крупномасштабного прерывистого производства возобновляемой энергии. Что нам нужно сделать, так это продлить период времени, когда энергия имеет отрицательную стоимость, установив еще больше прерывистых возобновляемых источников энергии.
• Стоимость улавливания углекислого газа. Первоначально он будет улавливаться из промышленных и энергетических источников, но со временем в чистом мире завтрашнего дня его придется отделять от воздуха, потому что источников СО ₂ не будет (кроме мобильных источников, для которых улавливание затруднено) .
• Стоимость электролиза воды. Сегодня дешевле производить водород из природного газа, чем его электролиз. Однако завтра затраты могут быть другими, отчасти из-за падения цен на энергоносители.
• Крупные нефтяные месторождения, которые не истощены и которые можно использовать для добычи нефти в течение десятилетий с минимальными предельными затратами. Цена на ископаемое масло установится на уровне, при котором спрос и предложение находятся в равновесии. Это означает, что ископаемое топливо будет использоваться в течение долгого времени, если только правительство не запретит его использование или не введет налог на его использование.

Остается выяснить, в какой степени синтетическое топливо необходимо. Электромобиль, безусловно, показал свою жизнеспособность, так что вполне возможно, что эти синтетические топлива будут использоваться в авиации, а не в автомобильном транспорте.