Alternative Probefahrten: TEIL 1 – Gasindustrie

In den 70er Jahren experimentierte Wilhelm Maybach mit verschiedenen Konstruktionen von Verbrennungsmotoren, veränderte Mechanismen und dachte über die am besten geeigneten Legierungen für die Herstellung von Einzelteilen nach. Er fragt sich oft, welche der damals bekannten brennbaren Substanzen für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen am besten geeignet sind.

In den 70er Jahren experimentierte Wilhelm Maybach mit verschiedenen Konstruktionen von Verbrennungsmotoren, veränderte Mechanismen und dachte über die am besten geeigneten Legierungen für die Herstellung von Einzelteilen nach. Er fragt sich oft, welche der damals bekannten brennbaren Substanzen für den Einsatz in Wärmekraftmaschinen am besten geeignet sind.

Als Mitarbeiter der Gasmotorenfabrik Deutz entschloss sich Wilhelm Maybach 1875 zu testen, ob er einen Gasmotor mit flüssigem Kraftstoff – genauer gesagt mit Benzin – betreiben könne. Ihm kam der Gedanke, zu prüfen, was passieren würde, wenn er den Gashahn schloss und stattdessen ein benzingetränktes Tuch vor den Ansaugkrümmer legte. Der Motor stoppt nicht, sondern arbeitet weiter, bis er die gesamte Flüssigkeit aus dem Gewebe „gesaugt“ hat. So entstand die Idee des ersten improvisierten "Vergasers", und nach der Entstehung des Autos wurde Benzin zum Hauptbrennstoff dafür.

Ich erzähle diese Geschichte, um Sie daran zu erinnern, dass die ersten Motoren Benzin als Kraftstoff verwendeten, bevor Benzin als Alternative zu Kraftstoff erschien. Dann ging es um die Verwendung von (Beleuchtungs-) Gas zur Beleuchtung, die mit heute nicht bekannten Methoden, aber durch Verarbeitung von Kohle gewonnen wurde. Der von dem Schweizer Isaac de Rivak erfundene Motor, der erste (unkomprimierte) Ethylen-Lenoir-Motor in Industriequalität (unkomprimiert) seit 1862, und das wenig später von Otto entwickelte klassische Viertakt-Aggregat werden mit Gas betrieben.

Hier ist der Unterschied zwischen Erdgas und Flüssiggas zu erwähnen. Erdgas enthält 70 bis 98 % Methan, der Rest sind höhere organische und anorganische Gase wie Ethan, Propan und Butan, Kohlenmonoxid und andere. Öl enthält auch Gase in unterschiedlichen Anteilen, aber diese Gase werden durch fraktionierte Destillation freigesetzt oder durch einige Nebenprozesse in Raffinerien erzeugt. Gasfelder sind sehr unterschiedlich - reines Gas oder "trocken" (d. h. hauptsächlich Methan enthaltend) und "nass" (mit Methan, Ethan, Propan, einigen anderen schwereren Gasen und sogar "Benzin" - leichte Flüssigkeit, sehr wertvolle Fraktionen) . Die Arten von Ölen sind ebenfalls unterschiedlich, und die Konzentration von Gasen in ihnen kann entweder niedriger oder höher sein. Felder werden oft kombiniert - Gas steigt über Öl und fungiert als "Tankdeckel". Die Zusammensetzung der „Kappe“ und des Hauptölfelds umfasst die oben genannten Substanzen, und verschiedene Fraktionen „fließen“ bildlich gesprochen ineinander. Das als Kraftstoff verwendete Methan „kommt“ aus Erdgas, und das uns bekannte Propan-Butan-Gemisch stammt sowohl aus Erdgasfeldern als auch aus Ölfeldern. Etwa 6 % des weltweiten Erdgases wird aus Kohlevorkommen gefördert, die häufig von Gasvorkommen begleitet werden.

Propan-Butan tritt auf etwas paradoxe Weise auf. 1911 beauftragte ein empörter amerikanischer Kunde einer Ölgesellschaft seinen Freund, den berühmten Chemiker Dr. Snelling, die Gründe für das mysteriöse Ereignis herauszufinden. Grund für die Empörung des Kunden ist, dass der Kunde zu seiner Überraschung erfährt, dass gerade der Tank der Tankstelle halb gefüllt ist. Ford Sie verschwand auf einem kurzen Ausflug zu seinem Haus auf unbekannte Weise. Der Tank fließt nicht aus dem Nichts ... Nach vielen Versuchen entdeckte Dr. Snelling, dass der Grund für das Rätsel der hohe Gehalt an Propan- und Butangasen im Kraftstoff war, und entwickelte bald darauf die ersten praktischen Destillationsmethoden Sie. Aufgrund dieser grundlegenden Fortschritte gilt Dr. Snelling heute als „Vater“ der Branche.

Viel früher, vor etwa 3000 Jahren, entdeckten Hirten eine "brennende Quelle" auf dem Berg Paranas in Griechenland. Später wurde an diesem "heiligen" Ort ein Tempel mit brennenden Säulen errichtet, und das Orakel Delphius rezitierte seine Gebete vor dem majestätischen Koloss, wodurch die Menschen ein Gefühl der Versöhnung, Angst und Bewunderung verspürten. Heute geht ein Teil dieser Romantik verloren, weil wir wissen, dass die Quelle der Flamme Methan (CH4) ist, das aus Rissen in Gesteinen fließt, die mit den Tiefen der Gasfelder verbunden sind. An vielen Orten im Irak, im Iran und in Aserbaidschan vor der Küste des Kaspischen Meeres gibt es ähnliche Brände, die ebenfalls seit Jahrhunderten brennen und seit langem als "Ewige Flammen Persiens" bekannt sind.

Viele Jahre später nutzten die Chinesen auch Gase aus den Feldern, aber mit einem sehr pragmatischen Zweck - um große Kessel mit Meerwasser zu beheizen und daraus Salz zu gewinnen. 1785 entwickelten die Briten ein Verfahren zur Herstellung von Methan aus Kohle (das in den ersten Verbrennungsmotoren verwendet wurde), und Anfang des XNUMX. Jahrhunderts patentierten die deutschen Chemiker Kekule und Stradonitz ein Verfahren zur Herstellung von schwererem flüssigem Kraftstoff daraus.

1881 bohrte William Hart die erste Gasquelle in der amerikanischen Stadt Fredonia. Hart beobachtete lange, wie die Blasen in einer nahe gelegenen Bucht an die Wasseroberfläche stiegen, und beschloss, ein Loch vom Boden bis zum geplanten Gasfeld zu graben. In einer Tiefe von neun Metern unter der Oberfläche erreichte er eine Ader, aus der Gas strömte, das er später eroberte, und seine neu gegründete Fredonia Gas Light Company wurde zu einem Pionier im Gasgeschäft. Trotz des Durchbruchs von Hart wurde das im XNUMX. Jahrhundert verwendete Leuchtgas jedoch nach dem oben beschriebenen Verfahren hauptsächlich aus Kohle gewonnen - hauptsächlich aufgrund des fehlenden Potenzials für die Entwicklung von Technologien zum Transport von Erdgas aus Feldern.

Die erste kommerzielle Ölförderung gab es jedoch schon damals. Ihre Geschichte begann 1859 in den USA mit der Idee, aus dem geförderten Öl Kerosin für die Beleuchtung und Öle für Dampfmaschinen zu destillieren. Schon damals waren die Menschen mit der zerstörerischen Kraft des Erdgases konfrontiert, das Jahrtausende lang im Erdinneren komprimiert wurde. Die Pioniere der Gruppe von Edwin Drake wären während der ersten improvisierten Bohrung in der Nähe von Titusville, Pennsylvania, fast gestorben, als Gas aus der Lücke austrat und ein riesiges Feuer ausbrach, das die gesamte Ausrüstung mit sich fortriss. Heutzutage wird die Ausbeutung von Öl- und Gasfeldern von einem System spezieller Maßnahmen begleitet, um den freien Fluss von brennbarem Gas zu blockieren, aber Brände und Explosionen sind keine Seltenheit. Dasselbe Gas wird jedoch in vielen Fällen als eine Art „Pumpe“ verwendet, die Öl an die Oberfläche drückt, und wenn sein Druck sinkt, beginnen Ölmänner, nach anderen Methoden zu suchen und sie anzuwenden, um „schwarzes Gold“ zu extrahieren.

Die Welt der Kohlenwasserstoffgase

1885, vier Jahre nach William Harts erster Gasbohrung, erfand ein anderer Amerikaner, Robert Bunsen, ein Gerät, das später als „Bunsenbrenner“ bekannt wurde. Die Erfindung dient dazu, Gas und Luft in einem geeigneten Verhältnis zu dosieren und zu mischen, die dann für eine sichere Verbrennung verwendet werden können - dieser Brenner ist heute die Basis moderner Sauerstoffdüsen für Herde und Heizgeräte. Bunsens Erfindung eröffnete neue Möglichkeiten für die Nutzung von Erdgas, aber obwohl die erste Gaspipeline bereits 1891 gebaut wurde, gewann blauer Kraftstoff erst im Zweiten Weltkrieg an kommerzieller Bedeutung.

Während des Krieges wurden ausreichend zuverlässige Schneid- und Schweißmethoden geschaffen, die den Bau sicherer Gasleitungen aus Metall ermöglichten. Tausende Kilometer davon wurden nach dem Krieg in Amerika gebaut, und die Pipeline von Libyen nach Italien wurde in den 60er Jahren gebaut. Auch in den Niederlanden wurden große Erdgasvorkommen entdeckt. Diese beiden Tatsachen erklären die bessere Infrastruktur zur Nutzung von komprimiertem Erdgas (CNG) und Flüssiggas (LPG) als Fahrzeugkraftstoff in diesen beiden Ländern. Die enorme strategische Bedeutung, die Erdgas zu gewinnen beginnt, wird durch folgende Tatsache bestätigt: Als Reagan in den 80er Jahren beschloss, das "Evil Empire" zu zerstören, legte er sein Veto gegen die Lieferung von Hightech-Ausrüstung für den Bau einer Gaspipeline ein UdSSR nach Europa. Um den europäischen Bedarf zu decken, beschleunigt sich der Bau einer Gaspipeline vom norwegischen Teil der Nordsee zum europäischen Festland, und die UdSSR hängt. Gasexporte waren damals die wichtigste Devisenquelle der Sowjetunion, und die durch die Reagan-Maßnahmen verursachte schwere Verknappung führte bald zu den bekannten historischen Ereignissen der frühen 90er Jahre.

Heute ist das demokratische Russland ein wichtiger Erdgaslieferant für Deutschlands Energiebedarf und ein wichtiger globaler Akteur auf diesem Gebiet. Die Bedeutung von Erdgas begann nach den beiden Ölkrisen der 70er Jahre zu wachsen und ist heute eine der wichtigsten Energieressourcen von geostrategischer Bedeutung. Erdgas ist derzeit der günstigste Brennstoff zum Heizen, wird als Rohstoff in der chemischen Industrie, zur Stromerzeugung, für Haushaltsgeräte verwendet und sein „Cousin“ Propan findet sich sogar als Deodorant in Deoflaschen wieder. Ersatz für ozonabbauende Fluorverbindungen. Der Erdgasverbrauch wächst stetig, das Gasleitungsnetz wird länger. Was die bisher aufgebaute Infrastruktur für die Verwendung dieses Kraftstoffs in Autos betrifft, ist alles weit zurück.

Wir haben Ihnen bereits von den seltsamen Entscheidungen erzählt, die die Japaner während des Zweiten Weltkriegs bei der Herstellung von dringend benötigtem und knappem Kraftstoff getroffen haben, und haben auch das Programm zur Herstellung von synthetischem Benzin in Deutschland erwähnt. Allerdings ist wenig darüber bekannt, dass es in Deutschland in den mageren Kriegsjahren durchaus echte Autos gab, die auf ... Holz fuhren! Dabei handelt es sich nicht um eine Rückkehr zur guten alten Dampfmaschine, sondern um Verbrennungsmotoren, die ursprünglich für den Betrieb mit Benzin konzipiert wurden. Tatsächlich ist die Idee nicht sehr kompliziert, erfordert aber die Verwendung eines sperrigen, schweren und gefährlichen Gasgeneratorsystems. Kohle, Holzkohle oder einfach nur Holz wird in ein spezielles und nicht sehr komplexes Kraftwerk eingebracht. An ihrer Unterseite verbrennen sie in Abwesenheit von Sauerstoff, und bei hoher Temperatur und Feuchtigkeit wird ein Gas freigesetzt, das Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Methan enthält. Es wird dann gekühlt, gereinigt und von einem Ventilator in die Ansaugkrümmer des Motors geleitet, um es als Kraftstoff zu verwenden. Natürlich erfüllten die Fahrer dieser Maschinen die komplexen und schwierigen Aufgaben von Feuerwehrleuten - der Kessel musste regelmäßig gefüllt und gereinigt werden, und die Rauchmaschinen sahen wirklich ein bisschen wie Dampflokomotiven aus.

Heutzutage erfordert die Gasexploration einige der fortschrittlichsten Technologien der Welt, und die Gewinnung von Erdgas und Öl ist eine der größten Herausforderungen für Wissenschaft und Technologie. Dies gilt insbesondere für die USA, wo immer mehr unkonventionelle Methoden zum „Absaugen“ von Gas aus alten oder aufgegebenen Feldern sowie zur Förderung von sogenanntem „Tight“-Gas eingesetzt werden. Wissenschaftlern zufolge wird es jetzt doppelt so viele Bohrungen brauchen, um Gas auf dem Stand der Technik von 1985 zu fördern. Die Effizienz der Verfahren wird stark gesteigert und das Gewicht der Geräte um 75 % reduziert. Immer ausgefeiltere Computerprogramme werden verwendet, um Daten von Gravimetern, seismischen Technologien und Lasersatelliten zu analysieren, aus denen dreidimensionale computerisierte Karten von Lagerstätten erstellt werden. Es wurden auch sogenannte 4D-Bilder erstellt, dank derer es möglich ist, die Formen und Bewegungen von Ablagerungen im Laufe der Zeit zu visualisieren. Es bleiben jedoch hochmoderne Einrichtungen für die Offshore-Erdgasförderung – nur ein Bruchteil des menschlichen Fortschritts in diesem Bereich – globale Positionierungssysteme für Bohrungen, ultratiefe Bohrungen, Pipelines auf dem Meeresboden und Flüssigräumungssysteme. Kohlenmonoxid und Sand.

Die Raffination von Öl zu hochwertigem Benzin ist eine viel komplexere Aufgabe als die Raffination von Gasen. Auf der anderen Seite ist der Transport von Gas auf dem Seeweg deutlich teurer und komplexer. LPG-Tanker sind ziemlich komplex im Design, aber LNG-Tanker sind eine atemberaubende Kreation. Butan verflüssigt sich bei -2 Grad, während Propan bei -42 Grad oder relativ niedrigem Druck verflüssigt wird. Allerdings braucht es -165 Grad, um Methan zu verflüssigen! Folglich erfordert der Bau von LPG-Tankern einfachere Kompressorstationen als für Erdgas und Tanks, die für nicht besonders hohe Drücke von 20-25 bar ausgelegt sind. Im Gegensatz dazu sind Flüssiggastanker mit kontinuierlichen Kühlsystemen und superisolierten Tanks ausgestattet – diese Kolosse sind tatsächlich die größten kryogenen Kühlanlagen der Welt. Ein Teil des Gases kann diese Anlagen jedoch „verlassen“, wird aber sofort von einem anderen System aufgefangen und in die Zylinder des Schiffsmotors geleitet.

Aus den oben genannten Gründen ist es durchaus verständlich, dass die Technologie bereits 1927 den ersten Propan-Butan-Tanks das Überleben ermöglichte. Dies ist das Werk der niederländisch-englischen Shell, die damals bereits ein riesiges Unternehmen war. Ihr Chef Kessler ist ein fortgeschrittener Mann und ein Experimentator, der schon lange davon träumt, die riesige Menge an Gas, die bisher in die Atmosphäre entweicht oder in Ölraffinerien abbrennt, irgendwie zu nutzen. Auf seine Idee und Initiative hin entstand das erste Offshore-Schiff mit einer Tragfähigkeit von 4700 Tonnen, um Kohlenwasserstoffgase mit exotisch anmutenden und beeindruckenden Abmessungen über Deckstanks zu transportieren.

Für den Bau des ersten Methan-Pionier-Methantankers, der im Auftrag des Gasunternehmens Constock International Methane Limited gebaut wurde, sind jedoch weitere XNUMX Jahre erforderlich. Shell, das bereits über eine stabile Infrastruktur für die Produktion und den Vertrieb von LPG verfügt, kaufte dieses Unternehmen, und sehr bald wurden zwei weitere riesige Tanker gebaut - Shell begann mit der Entwicklung des Geschäfts mit verflüssigtem Erdgas. Als die Bewohner der englischen Insel Conway, auf der das Unternehmen Methanspeicher errichtet, feststellen, was tatsächlich gespeichert und auf ihre Insel transportiert wird, sind sie schockiert und verängstigt und denken (und das zu Recht), dass die Schiffe nur riesige Bomben sind. Damals war das Problem der Sicherheit wirklich relevant, aber heute sind Tanker für den Transport von verflüssigtem Methan extrem sicher und gehören nicht nur zu den sichersten, sondern auch zu den umweltfreundlichsten Seeschiffen – unvergleichlich sicherer für die Umwelt als Öltanker. Der größte Kunde der Tankerflotte ist Japan, das praktisch keine lokalen Energiequellen hat, und der Bau von Gaspipelines zur Insel ist ein sehr schwieriges Unterfangen. Japan hat auch den größten "Park" von Gasfahrzeugen. Die Hauptlieferanten von verflüssigtem Erdgas (LNG) sind heute die Vereinigten Staaten, Oman und Katar, Kanada.

In letzter Zeit ist das Geschäft der Herstellung von flüssigen Kohlenwasserstoffen aus Erdgas immer beliebter geworden. Dabei handelt es sich hauptsächlich um ultrareinen Dieselkraftstoff, der aus Methan synthetisiert wird, und es wird erwartet, dass sich diese Industrie in Zukunft mit beschleunigtem Tempo entwickeln wird. Beispielsweise erfordert Bushs Energiepolitik die Nutzung lokaler Energiequellen, und Alaska verfügt über große Erdgasvorkommen. Diese Prozesse werden durch relativ hohe Ölpreise angeregt, die Voraussetzungen für die Entwicklung teurer Technologien schaffen – GTL (Gas-to-Liquids) ist nur eine davon.

Grundsätzlich ist GTL keine neue Technologie. Es wurde in den 20er Jahren von den deutschen Chemikern Franz Fischer und Hans Tropsch entwickelt, die in früheren Ausgaben als Teil ihres Syntheseprogramms erwähnt wurden. Im Gegensatz zur zerstörerischen Hydrierung von Kohle finden hier jedoch die Prozesse statt, bei denen leichte Moleküle zu längeren Bindungen verbunden werden. Südafrika produziert seit den 50er Jahren solchen Kraftstoff im industriellen Maßstab. Das Interesse an ihnen hat jedoch in den letzten Jahren auf der Suche nach neuen Möglichkeiten zur Verringerung schädlicher Kraftstoffemissionen in den Vereinigten Staaten zugenommen. Große Ölkonzerne wie BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol und Royal Dutch/Shell geben riesige Summen für die Entwicklung von GTL-bezogenen Technologien aus, und als Folge dieser Entwicklungen werden politische und soziale Aspekte zunehmend in der diskutiert Gesicht von Anreizen. Steuern auf Verbraucher von sauberem Kraftstoff. Diese Kraftstoffe werden es vielen Verbrauchern von Dieselkraftstoff ermöglichen, ihn durch umweltfreundlichere Kraftstoffe zu ersetzen, und werden die Kosten für Autohersteller senken, um die gesetzlich vorgeschriebenen neuen Grenzwerte für schädliche Emissionen einzuhalten. Jüngste eingehende Tests zeigen, dass GTL-Kraftstoffe Kohlenmonoxid um 90 %, Kohlenwasserstoffe um 63 % und Ruß um 23 % reduzieren, ohne dass Dieselpartikelfilter erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht die schwefelarme Natur dieses Kraftstoffs die Verwendung zusätzlicher Katalysatoren, die die Fahrzeugemissionen weiter reduzieren können.

Ein wichtiger Vorteil von GTL-Kraftstoff besteht darin, dass er ohne Änderungen an den Einheiten direkt in Dieselmotoren verwendet werden kann. Sie können auch mit Kraftstoffen gemischt werden, die 30 bis 60 ppm Schwefel enthalten. Im Gegensatz zu Erdgas und Flüssiggas besteht keine Notwendigkeit, die vorhandene Verkehrsinfrastruktur für den Transport flüssiger Brennstoffe zu ändern. Laut Denis Yakubson, Präsident von Rentech, könnte diese Art von Kraftstoff das umweltfreundliche wirtschaftliche Potenzial von Dieselmotoren ideal ergänzen. Shell baut derzeit in Katar ein großes 22,3-Milliarden-Dollar-Werk mit einer Auslegungskapazität von XNUMX Millionen Litern synthetischem Kraftstoff pro Tag. ... Das größte Problem bei diesen Kraftstoffen ergibt sich aus den enormen Investitionen in neue Anlagen und dem typisch teuren Produktionsprozess.

Biogas

Die Quelle von Methan sind jedoch nicht nur unterirdische Lagerstätten. 1808 experimentierte Humphry Davy mit Stroh, das in eine Vakuumretorte gegeben wurde, und erzeugte ein Biogas, das hauptsächlich Methan, Kohlendioxid, Wasserstoff und Stickstoff enthielt. Auch Daniel Defoe spricht in seinem Roman über die „verlorene Insel“ von Biogas. Die Geschichte dieser Idee ist jedoch noch älter - im 1776. Jahrhundert glaubte Jan Baptita Van Helmont, dass brennbare Gase aus der Zersetzung organischer Substanzen gewonnen werden könnten, und auch Graf Alexander Volta (der Schöpfer der Batterie) kam zu ähnlichen Schlussfolgerungen im Jahr 1859. Die erste Biogasanlage wurde in Bombay in Betrieb genommen und im selben Jahr errichtet, in dem Edwin Drake die erste erfolgreiche Ölbohrung durchführte. Eine indische Anlage verarbeitet Fäkalien und liefert Gas für Straßenlaternen.

Es wird lange dauern, bis die chemischen Prozesse bei der Herstellung von Biogas gründlich verstanden und untersucht sind. Dies wurde erst in den 30er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts möglich und ist das Ergebnis eines Sprunges in der Entwicklung der Mikrobiologie. Es stellt sich heraus, dass dieser Prozess durch anaerobe Bakterien verursacht wird, die eine der ältesten Lebensformen auf der Erde sind. Sie „mahlen“ organische Stoffe in einer anaeroben Umgebung (aerobe Zersetzung erfordert viel Sauerstoff und erzeugt Wärme). Solche Prozesse finden natürlich auch in Sümpfen, Sümpfen, Reisfeldern, bedeckten Lagunen usw. statt.

Moderne Biogasproduktionssysteme werden in einigen Ländern immer beliebter, und Schweden ist sowohl bei der Biogasproduktion als auch bei Fahrzeugen, die dafür angepasst sind, damit zu fahren, führend. Syntheseeinheiten verwenden speziell entwickelte Biogeneratoren, relativ kostengünstige und einfache Geräte, die eine geeignete Umgebung für Bakterien schaffen, die je nach Art bei Temperaturen zwischen 40 und 60 Grad am effizientesten „arbeiten“. Die Endprodukte von Biogasanlagen enthalten neben Gas auch Verbindungen, die reich an Ammoniak, Phosphor und anderen Elementen sind, die für die Verwendung in der Landwirtschaft als Bodendünger geeignet sind.