Що таке викопне паливо, яке ми не можемо масово виробляти?

Оскільки паливо складається з різних ланцюгів молекул, моє запитання полягає в тому, що є причиною того, що ми не можемо створити однакову структуру молекули і бути в змозі відтворити ту саму структуру в лабораторії, щоб нам не довелося закінчуватися?

Я розумію, що є багато іншого до цього, і це не так просто, як мені здається, але саме тому я запитую: які проблеми в тому, щоб зробити щось подібне? Чи не можемо ми зробити одну структуру?

Як бічна примітка, чи мають паливні молекули кисню вже всередині ланцюга чи вони не отримують ці молекули до змішування кисню за допомогою клапанів?

Нафта, яка виходить з землі, - це суміш вуглеводневих сполук, що є залишками родовищ водоростей та мікроскопічних тварин, які також називаються фітопланктоном та зоопланктоном.

Вчені вже створили синтетичне викопне паливо.

Зусилля

1 . В даний час в Сан-Дієго, Каліфорнія, компанія, яка називається Synthetic Genomics і Exxon Mobil, використовує водорості для виготовлення нафти, намагається 300 мільйонів доларів (насправді набагато більше). Ліпіди, форми жиру, в водоростях є основним компонентом сирої нафти.

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

Біотехнологічна компанія Сан-Дієго на чолі з піонером з геноміки Дж. Крейгом Вентером уклала угоду з Exxon Mobil, яка могла б передбачити понад 300 мільйонів доларів фінансування на розробку біопалива з водоростей.

Вентер, найбільш відомий своєю роллю в послідовності геному людини, заявив вчора, що його компанія Synthetic Genomics планує місцевий тепличний і випробувальний комплекс для вивчення тисяч штамів водоростей з усього світу.

Кінцева мета полягає у розробці водоростей, які б використовували енергію від сонця для перетворення вуглекислого газу в олії та вуглеводні у великих кількостях - подвиг, який би був надмірно дорогим природним водоростям.

На даний момент вищезгаданий проект провалився і повернувся до креслярської дошки.

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

Ці зусилля, схоже, не зламали код для дешевих палив водоростей. У новій угоді між компаніями Exxon відправляє Synthetic Genomics назад в лабораторію, щоб зайнятись більш базовими науками. Зараз він зосередиться на своїй теменній технології - синтетичній геноміці, відносно новій науці, яка передбачає внесення великих змін у геноми, навіть до того, щоб будувати цілі нові. Мета залишається тією ж: "виробити штами, які швидко розмножуються, виробляти високу частку ліпідів та ефективно протистояти екологічним та експлуатаційним умовам".

2 . Chevron спільно намагається з компанією Catchlight Energy використовувати водорості як сировину для отримання нафти. Chevron також співпрацює з Weyerhaueser Co, однією з найбільших світових компаній з лісопродукції, яка починає використовувати деревні відходи. Лігноцелюлоза, яка міститься в деревині, також є складовою нафти.

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

Корпорація Chevron (NYSE: CVX) та Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) сьогодні оголосили лист про наміри (LOI) про спільну оцінку доцільності комерціалізації виробництва біопалива з джерел на основі целюлози.

Компанії зосереджуватимуться на дослідженні та розробці технології, яка може перетворити деревне волокно та інші непродовольчі джерела целюлози в економне, чистого спалювання біопалива для автомобілів та вантажних автомобілів. Варіанти сировини включають широкий спектр матеріалів із існуючої лісо-млинної системи Вейєрхейзера та целюлозних культур, посаджених на керованих лісовими насадженнями Вейєрхаузером.

У природі єдиною причиною, коли потрібні мільйони років, щоб ці органічні матеріали перейшли на нафту та природний газ, - це те, що потрібно стільки часу, щоб її поховати на глибину, де температура і тиск є досить високими, щоб перетворити ці матеріали на нафту .

Насправді часу, необхідного для перетворення їх з водоростей на олію, може бути менше кількох сотень років, і це знову ж таки через повільну зміну температури та тиску в геологічних умовах.

Нафта виробляється і знаходиться в осадових відкладах у віці 1000 років, тому її не потребують мільйони років. У промислових умовах це все можна зробити за лічені години чи дні.

Виклик

У лабораторії органічний матеріал може нагріватися (~ 320 ° С) в інертній атмосфері з водою під тиском (~ 150 атм) для імітації природних процесів, які займають мільйони років, але займають у лабораторії лише лічені дні. Це пов'язано з простою термодинамікою, тисячі років при 100 С або кілька днів при 320С дають подібні продукти.

Ця методика використовується для аналізу того, чи можуть незрілі гірські породи, якщо вони були заглиблені глибше, могли виробляти сиру нафту. Тому його можна використовувати як інструмент для пошуку нафтових водойм.

Це зробити економічно не вигідним у великих масштабах, оскільки стільки енергії потрібно вкласти в систему.

Побічна річ

Щодо цього моменту,

У хімічному складі бензину є кисень, такий як бензин, змішаний з етанолом або бензин, змішаний з метанолом, але він не може вести себе як кисень. Тому йому потрібен кисень ззовні, а саме повітря. Коли ці два компоненти запалюються, він згоряє і виділяє енергію. Основна хімія.

Ось реакція, що відбувається всередині циліндра під час ходу горіння.

2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O

Сподіваюся, це допомагає!

Що у викопному паливі ми не можемо відтворити - це енергія.

Ми виробляємо синтетичні викопні види палива в тій чи іншій формі вже близько двох століть: міський газ (замінник метану), синтетичний бензин , біодизель тощо. Однак, за винятком біодизеля, все це вимагає значної енергії для виробництва, тоді як викопне паливо можна просто викачати з землі.

Через це синтетику застосовували лише тоді, коли природне викопне паливо було недоступним. Міський газ використовувався до відкриття нафтових родовищ Північного моря та розробки техніки транспортування природного газу, а синтетичний бензин використовувався Німеччиною під час Другої світової війни, коли він не мав доступу до природної версії.

Поточні зусилля з виготовлення синтетичного палива зосереджені навколо рослин або водоростей, щоб можна було використовувати вільну енергію від сонця.

Інші відповіді правильні, технічно. Як кажуть, в ньому енергія , або вуглеводні , або все, що ви хочете їх назвати. Горючий матеріал. На жаль, перші два закони термодинаміки говорять нам про те, що штучне введення енергії в речовину забирає більше енергії, ніж ви вийдете, тому це не могло бути вигідним [що, вбік, тому водневі паливні клітини просто батареї, а не джерела живлення].

Але рослини вкладають енергію в речі для нас, від сонця, безкоштовно, природно . Тож люди зробили їх біопаливом.

Але більшість з нас не керують автомобілями на біопаливі. Отже, це насправді не відповідає на питання, що мається на увазі , чи не так? Що таке, чому ми все-таки отримуємо це з землі?

Не вистачає гучності .

Сто років тому в одному чані однієї фабрики в Бостоні було виготовлено достатню кількість патоки, щоб створити припливну хвилю, достатньо велику, щоб убити 21 людину:

Уявіть собі, яким має бути неймовірно набагато більше кукурудзяного сиропу в даний час, коли він все обдурить .

Щось подібне сталося приблизно в той самий час, коли лондонська пивна повінь потопила вісім людей та знищила два будинки.

Уявіть, скільки ще ми повинні пити сьогодні! Немислимі суми. Додайте до цього пива, весь чай, газовану воду, бутильовану воду, молоко тощо.

А тепер уявіть на мить, що ці речовини були зроблені майже не з води. Щоб їх виготовляли лише з концентрованого сиропу, але в тому ж обсязі. Чи можна було б виготовити будь-яке з них штучно в тому обсязі? Ні. Ми вже про обмеження виробництва.

Навіть з поливом, давайте подивимось на ціни. Середні ціни США за галон у березні 2016 року:

$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.

Усі ці речі, навіть политі приблизно 90%, навіть зі мною вишневий вибір найдешевших цін, які я міг би знайти в швидкому пошуку, коштують дорожче, ніж наше паливо.

І все ж, виробництво бензину абсолютно карликовує їх , навіть все разом.

Обов'язкове зображення XKCD:

[[Бічна примітка: розмір цих лужок, розміром приблизно 1 мм в глибину, - скільки в середньому кожна людина використовує щодня.]]

Об'єм - секретний соус. Об'єм, чому нафта / бензин - це єдина рідина, крім води, яка по трубах потрапляє по всій країні, а не транспортується. А обсяг, тому ми не можемо виробляти автомобільне паливо штучно.

І хоча докладаються зусилля, вони здебільшого будуть використовуватися в електростанціях, генераторах, паливі авіакомпанії та опаленні будинків, оскільки електромобілі змусять застаріти двигун внутрішнього згоряння через кілька років.

Вони можуть

Вони з'єднали в лабораторії різні полімерні ланцюги та їхні рівні вуглеводні. Університет Каліфорнії Берклі займається цим. Це насправді не питання про це. Це вартість зробити це. Зараз конкурентоспроможним на поточному ринку фінансово неможливо. Інші методи витягування мертвих динозаврів із землі просто дешевші.

Ось посилання, де UC Berkeley використовував бактерію E. Coli для створення заміни бензину .

Захоплення хвилюванням біопаливом, можливо, не вдається. Хімік Нобелівської премії Пол Крутцен опублікував висновок, що заявлені викиди оксиду азоту, створені під час виробництва біопалива, змусили їх сприяти глобальному потеплінню, ніж поточним рішенням палива.

Отже, перш ніж ми будемо захоплюватися паливом, що виробляється в лабораторії з біологічних відходів, нам доведеться знайти кращий процес для перетворення біологічної речовини або шукати рішення в іншому місці.

В даний час є біопаливо, яке випускає його на ринок і змішується з нашим стандартним паливом. Один з них, етанол, отримують із кукурудзи. Навмисне наслідком цього є те, що виробники кукурудзи в Центральній та Південній Америці продають свою кукурудзу виробникам палива і зросли на ціну кукурудзи настільки, що люди насправді голодують, оскільки їх вуглеводна база, на яку вони покладаються як джерело їжі, більше цінний в бензобаку автомобіля. Отже, ось це.

Нафта з землі - це суміш різних молекул, але спільним є те, що вони були створені енергією від сонця. Отже, знаючи, як виглядає молекула (и), ми можемо зібрати інгредієнти в належному лабораторному обладнанні, додати тепло (енергію) і вивести наш бензин. Однак енерговитрати на це (через закони термодинаміки) перевищують енергію, що міститься в продукті, тим самим роблячи процес чистою втратою енергії. Ось чому ми не виробляємо власне викопне паливо.

Це точно та сама причина, що "водневі генератори", продані як доповнення до автомобілів років тому, щоб поліпшити пробіг, не можуть цього зробити. Енергія, необхідна електричній системі автомобілів, хоч і мала, завжди перевищує вироблену енергію, навіть меншу.

І щоб додати образи до травми, енергія, яка виділяється, коли ми поєднуємо кисень з нашою нафтою, призводить до перестановки різних елементів у молекулах. Одним із побічних продуктів є вуглекислий газ. Нам це не подобається, навіть незважаючи на те, що рослини, зрештою, із сонячним світлом перетворять його на продукт на основі вуглецю, який ми можемо згоріти знову, якщо захочемо.

Пошуки "відновлюваної" енергії - це пошук того, щоб знайти якусь річ, яка швидко (за один день) захопить енергію Сонця і зберігати її таким чином, що дозволяє видобувати її контрольованим способом. Ми просимо "на ніч" олії. Фотоелементи і турбіни працюють добре - коли вони працюють - не завжди, коли нам потрібна енергія.

Тепер ви отримаєте малюнок. Ми не можемо робити паливо - навіть бажаний Водень - не витрачаючи більше енергії, ніж ми будемо виробляти.

Нічого.

Все, що використовується у викопному паливі, яке зараз використовується, може бути масово вироблене.

Це просто коштувало б більше, ніж викачати його з землі.

Викопне паливо - це лише дешевий, але неефективний спосіб накопичення енергії.

Якби світ мав дешеві, ефективні джерела енергії, він, швидше за все, не витрачав би жодних зусиль на зберігання цієї енергії як нафтохімії. У нас були безпосередньо транспортні засоби з електричним керуванням, або щось більш ефективне, як водневі паливні елементи.

Отже, врешті-решт, відповідь на ваше запитання - гроші.

Хоча є кілька чудових відповідей, найпростіша відповідь на основі хімії полягає в тому, що практично неможливо ефективно формувати вуглець-вуглецеві зв’язки, окрім як з біологічними системами. Ми можемо зробити H ₂ електролізом води і можемо розбити (розламати) біологічні вуглеводні або полімерний вуглець (вугілля), щоб зробити попередньо існуюче біопаливо більш корисним, але поки фотосинтез не може бути переможений для переміщення вуглецю з СО ₂ для палива.

Тут є кілька хороших відповідей на питання поза темою. Деякі люди відносять до проблем "вартості", деякі - до проблем "енергії". Однак зверніть увагу: це справді те саме. Ви повинні провести базовий облік, щоб визначити, чи є бізнес життєздатним. Найбільш базовий облік - баланс "енергія" - "енергія". Якщо ви робите вуглеводень у лабораторії, завжди будуть втрати через принцип збереження енергії та прикрий факт, що ми не можемо зробити пристрій, який на 100% ефективніший. Ви ніколи не зламаєте навіть.

Можливо, існують більш ефективні способи зберігання та доставки джерела енергії у вашій лабораторії, ніж у вуглеводневій ланцюзі.

Майте на увазі, що ми використовуємо нафтохімічні речовини (вуглецеві сполуки, що видобуваються або вивільняються з землі) для двох чітко різних цілей: палива та сировини для виготовлення всіляких речей. Щоб усунути нашу залежність від нафтохімічних речовин, нам доведеться вирішити обидва способи використання.

Для заміни нафтохімічних речовин як джерела енергії в деяких випадках було б краще знайти інші способи накопичення та вивільнення енергії - наприклад, батареї, що перезаряджаються вітрогенераторами або сонячними масивами, наприклад. Але у більшості альтернатив викопному паливу є проблеми зі зручністю, потужністю (питома енергія по вазі або об'єму), щільністю потужності (знову ж таки вагою або об'ємом), безпекою поводження / зберігання (думаю, водень), NIMBY (думаю, що вітроелектростанції) тощо. Просто так легко заповнити бак бензином, дизелем, реактивним паливом тощо, запалити двигун і поїхати .. не кажучи вже про відносно невелику вагу і компактність. Тож, можливо, для деяких застосувань, таких як літаки, може бути доцільніше продовжувати живлення ними в поточному порядку (приймаючи всі недоліки), але врахуйте альтернативні джерела, ніж нафта - отже, біопаливо.

Щоб замінити нафтохімію як виробничу сировину, вам доведеться враховувати всі речі, які наш сучасний світ отримує з них. Пластмаси, розчинники, барвники, мастила, клеї тощо. Усі цікаві молекули, видобуті з сирої нафти (і це може бути довгий список), повинні були б вироблятися якимись іншими способами.

У будь-якому випадку ці нафтохімічні еквіваленти повинні бути вироблені у великих масштабах. Ми, як глобальна спільнота, спалюємо багато палива, просто обходячись, і ми робимо всілякі речі (також у великих масштабах) з нафти. Це зводиться до трьох великих речей:

1. З'ясуйте, як зробити наш замінник (скажімо, октан або якийсь інший вуглеводень) хімічними та / або біологічними процесами з чогось, що ми не витягали з землі (наприклад, вуглекислий газ і вода). Продовжується дослідження цього питання з цікавими результатами, які постійно з’являються.

2. Масштабуйте процеси до рівня, який відповідає попиту. З одного боку, знадобляться великі інвестиції; хто покладе гроші? Для іншого: якщо ви збираєтеся вводити вуглекислий газ і воду в процес і отримувати вуглеводні, вам доведеться додавати енергію, яка повинна десь надходити. Це може бути важливим моментом для синтезу нафтохімічних еквівалентів у будь-якому доцільному масштабі. Чи будуємо ми величезні сонячні / вітрові електростанції? Що це зробить із глобальним ландшафтом? Чи будуємо ми більше ядерних?

3. Зробіть це економічно вигідним. Люди можуть переконати сплатити невелику премію за пальне чи споживчий продукт, що не перебуває у складі нафти, але буде обмеження. Чи може непетровий процес навіть наблизитись до економіки сучасних свердловин та нафтопереробних заводів?

Беручи реальний питання буде : «Чому б нам не зробити паливо з нуля , а не перекачувати його з землі?», Я повинен сказати , що питання ядро енергії - більш конкретно, збереження енергії . Паливо НЕ є джерелами енергії - це механізми накопичення енергії (як батареї). Яку б енергію не отримували від спалювання палива, потрібно спершу зібратися, щоб створити паливо. Це гра з нульовою сумою. Що відрізняє викопне паливо, це те, що природа витрачала сотні мільйонів років, збираючи сонячну енергію в органічні сховища (тобто рослини) і відстежуючи її в грунті, щоб нам знайти.

І зараз ми споживаємо цей ресурс у мільйон разів швидше, ніж потрібно для накопичення. Ми живемо в запозичений час, люди!

Ми можемо масово виробляти синтетичне паливо. Це було зроблено Німеччиною у Другій світовій війні (хоча і з викопних джерел). Вам потрібно вуглець і водень.

На жаль, вуглець, як правило, у природі у вигляді вуглекислого газу (і викопного палива, але вони були спеціально виключені у питанні) та водню у вигляді води. Для відділення водню та вуглецю від них потрібна енергія. Вуглець і водень можна тривіально об'єднати у вуглеводні в хімічних реакціях.

На щастя, енергія - це багатий ресурс на планеті Земля. Є два основні способи отримання енергії. Перший - збирати енергію сонця, прямо чи опосередковано. До непрямих засобів належать вітер, гідроенергетика та навіть відновлювані біопаливо та (не дай бог!) Викопне паливо. Прямий означає фотоелектрику або концентрує сонячну теплову енергію. Прямі способи дозволяють на багато-багато порядків більше використовувати енергію, ніж те, що використовується сьогодні, протягом мільярдів років.

Інший головний спосіб виробництва енергії - це ядерний, який також є рясним ресурсом. У морській воді та звичайній гранітній скелі достатньо U-238, щоб ми могли підтримувати нинішній рівень споживання енергії протягом мільярдів років , поки сонце не збільшить і не знищить нас.

Основне питання - вартість. Споруди з виготовлення синтетичного палива дорогі, але за рахунок дрібниці працюватимуть, як показала нам Німеччина під час Другої світової війни. Споруди для електролізу водню з води теж недешеві. Витяг вуглекислого газу з атмосфери також коштує дещо. Крім того, виробництво енергії також має свої витрати, але, однак, вартість сонячної енергії швидко зменшується і може бути вибором виробництва енергії завтра чистішого світу.

Виробляти синтетичне паливо не так вже й далеко. Сьогодні Neste виробляє NExBTL, який по суті є дизелем, виготовленим з біо-джерел, що еквівалентно звичайному дизельному палива і не вимагає абсолютно ніяких модифікацій автомобіля. Сьогодні існує план побудови біопереробного заводу для виробництва біогазину у Фінляндії. Тож, безумовно, перетворення вуглецю та водню в синтетичне паливо не є проблемою: можна отримати як біодизель, так і біогаз.

Решта питань:

• Витрати на енергію, які через кілька десятиліть не стануть проблемою через швидкі скорочення витрат сонячних батарей. Енергетика вже періодично має негативні витрати в Німеччині через масштабне переривчасте виробництво відновлюваної енергії. Що нам потрібно зробити, це збільшити тривалість часу, коли енергія має негативні витрати, встановивши ще більше переривчасті відновлювані джерела енергії.
• Вартість захоплення вуглекислого газу. Спочатку він буде захоплений з промислових та енергетичних джерел виробництва, але з часом у чистому світі завтра він повинен бути відокремлений від повітря, тому що джерел CO ₂ не буде (крім мобільних джерел, захоплення яких важко) .
• Вартість електролізу води. Сьогодні дешевше виробляти водень з природного газу, ніж електролізувати його. Однак завтра витрати можуть бути різними, частково через падіння витрат на енергоносії.
• Великі родовища нафти, які не вичерпані, і які можуть бути використані для видобутку нафти протягом десятиліть і з мінімальними граничними витратами. Ціна викопної олії буде встановлюватися на рівні, коли попит та пропозиція врівноважуються. Це означає, що викопна олія буде використовуватися протягом тривалого часу, якщо уряд не заборонить її використання або не встановить податок на його використання.

Що ще слід побачити - це те, наскільки потрібно синтетичне паливо. Електромобіль, безумовно, показав свою життєздатність, тому, можливо, саме так синтетичне паливо буде використовуватися авіацією, а не автомобільним транспортом.