Cosa c'è nei combustibili fossili che non possiamo produrre in serie?

Dal momento che il carburante è costituito da catene di molecole diverse, la mia domanda è: qual è il motivo per cui non possiamo creare la stessa struttura molecolare ed essere in grado di riprodurre la stessa struttura in un laboratorio, quindi non dobbiamo esaurire?

Capisco che c'è molto di più in questo e non è così semplice come sembra, ma è per questo che chiedo: quali sono le sfide nel fare qualcosa del genere? Non possiamo creare la stessa struttura?

Inoltre, come nota a margine, i carburanti hanno già molecole di ossigeno all'interno della catena o non ricevono queste molecole fino alla miscelazione dell'ossigeno tramite valvole?

L'olio che esce dal terreno è una miscela di composti idrocarburici che sono i resti di depositi di alghe e animali microscopici, chiamati anche fitoplancton e zooplancton.

Gli scienziati hanno già creato combustibili fossili sintetici.

Gli sforzi

1 . Attualmente c'è uno sforzo di $ 300 milioni di dollari (in realtà molto più grande) a San Diego, in California, da una società chiamata Synthetic Genomics ed Exxon Mobil per usare le alghe per produrre petrolio. I lipidi, una forma di grasso, nelle alghe sono un componente importante del petrolio greggio.

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

Una società di biotecnologie di San Diego guidata dal pioniere della genomica J. Craig Venter ha siglato un accordo con Exxon Mobil che potrebbe includere oltre 300 milioni di dollari in finanziamenti per lo sviluppo di biocarburanti dalle alghe.

Venter, noto soprattutto per il suo ruolo nel sequenziamento del genoma umano, ha dichiarato ieri che la sua società Synthetic Genomics sta progettando una serra locale e una struttura di test per studiare migliaia di ceppi di alghe da tutto il mondo.

L'obiettivo finale è quello di progettare alghe che utilizzino l'energia del sole per convertire l'anidride carbonica in oli e idrocarburi in grandi quantità - un'impresa che sarebbe proibitivamente costosa con le alghe presenti in natura.

A partire da ora il progetto di cui sopra è fallito ed è tornato al tavolo da disegno.

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

Questi sforzi non sembrano aver violato il codice per i carburanti a basso costo di alghe. In un nuovo accordo tra le società, Exxon sta rimandando Synthetic Genomics al laboratorio per fare più scienza di base. Si concentrerà ora sulla sua omonima tecnologia: la genomica sintetica, una scienza relativamente nuova che prevede di apportare grandi cambiamenti ai genomi, fino al punto di costruirne di nuovi. L'obiettivo rimane lo stesso: "sviluppare ceppi che si riproducono rapidamente, producano un'alta percentuale di lipidi e resistano efficacemente alle condizioni ambientali e operative".

2 . Chevron ha uno sforzo congiunto con una società chiamata Catchlight Energy per utilizzare le alghe come materia prima per produrre petrolio. Chevron ha anche stretto una partnership con Weyerhaueser Co, una delle più grandi aziende al mondo di prodotti forestali per iniziare a utilizzare i rifiuti di legno. La ligno-cellulosa trovata nel legno è anche un componente del petrolio.

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

Chevron Corporation (NYSE: CVX) e Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) hanno annunciato oggi una lettera di intenti (LOI) per valutare congiuntamente la fattibilità della commercializzazione della produzione di biocarburanti da fonti a base di cellulosa.

Le aziende si concentreranno sulla ricerca e lo sviluppo di tecnologie in grado di trasformare la fibra di legno e altre fonti di cellulosa non alimentari in biocarburanti economici e a combustione pulita per auto e camion. Le opzioni di materie prime comprendono una vasta gamma di materiali provenienti dal sistema forestale e mulino esistente di Weyerhaeuser e da colture cellulosiche piantate nelle piantagioni forestali gestite da Weyerhaeuser.

In natura, l'unica ragione per cui ci vogliono milioni di anni prima che questi materiali organici si trasformino in petrolio e gas naturale è che ci vuole così tanto tempo per essere sepolto a una profondità dove la temperatura e la pressione sono abbastanza alte da convertire questi materiali in petrolio .

In realtà, il tempo necessario per convertire queste alghe in petrolio può essere inferiore a qualche centinaio di anni, e ciò è dovuto al lento cambiamento di temperatura e pressione in un ambiente geologico.

L'olio è stato generato e trovato in depositi sedimentari di appena 1000 anni, quindi non richiede milioni di anni. In un ambiente industriale tutto ciò può essere fatto in poche ore o giorni.

Sfida

In laboratorio, il materiale organico può essere riscaldato (~ 320 ° C) in un'atmosfera inerte con acqua sotto pressione (~ 150 atm) per simulare i processi naturali che richiedono milioni di anni ma richiedono solo pochi giorni in laboratorio. Ciò è dovuto alla semplice termodinamica, migliaia di anni a 100 ° C o pochi giorni a 320 ° C offrono prodotti simili.

Questa tecnica viene utilizzata per analizzare se le rocce immature, se fossero state sepolte più profondamente, potrebbero produrre petrolio greggio. Quindi può essere utilizzato come strumento per la ricerca di riserve di petrolio.

Non è economicamente fattibile farlo su larga scala poiché tanta energia deve essere messa nel sistema.

Cosa secondaria

Per quanto riguarda questo punto,

La composizione chimica della benzina contiene ossigeno come benzina miscelata con etanolo o benzina miscelata con metanolo ma non può comportarsi come ossigeno. Quindi ha bisogno di ossigeno dall'esterno, vale a dire l'aria. Quando questi due componenti vengono accesi, brucia e rilascia energia. Chimica di base.

Ecco la reazione che avviene all'interno di un cilindro durante la corsa di combustione.

2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O

Spero che sia di aiuto!

Quello che c'è nel combustibile fossile che non possiamo riprodurre è l'energia.

Produciamo combustibili fossili sintetici in una forma o nell'altra per circa due secoli: gas di città (un sostituto del metano), benzina sintetica , biodiesel e così via. Ad eccezione del biodiesel, tuttavia, tutti questi impiegano molta energia per essere prodotti, mentre i combustibili fossili possono essere semplicemente pompati fuori dal terreno.

Per questo motivo, i sintetici sono stati utilizzati solo quando i combustibili fossili naturali non erano disponibili. Il gas di città veniva utilizzato prima della scoperta dei giacimenti petroliferi del Mare del Nord e dello sviluppo di tecniche per il trasporto di gas naturale, mentre la benzina sintetica era utilizzata dalla Germania durante la seconda guerra mondiale, quando non aveva accesso alla versione naturale.

Gli attuali sforzi per produrre carburanti sintetici sono incentrati sull'uso di piante o alghe, in modo da poter utilizzare l'energia libera del sole.

Le altre risposte sono giuste, tecnicamente. Come si suol dire, quello che c'è dentro è energia , o idrocarburi , o come vuoi chiamarli. Roba da bruciare. Sfortunatamente, le prime due leggi della termodinamica ci dicono che mettere artificialmente l'energia in una sostanza richiederebbe più energia di quella che usciresti, quindi non potrebbe essere redditizio [che, a parte, è il motivo per cui le celle a combustibile a idrogeno sono solo batterie, non fonti di energia].

Ma le piante mettono energia nelle cose per noi, dal sole, gratuitamente, naturalmente . Quindi le persone li hanno trasformati in biocarburanti.

Ma la maggior parte di noi non gestisce le nostre auto con i biocarburanti. Quindi questo non risponde davvero alla domanda implicita , vero? Cioè, perché lo stiamo ancora ottenendo da terra?

Quello che manca è il volume .

Cento anni fa, c'era abbastanza melassa prodotta in una vasca di una fabbrica a Boston per creare un'onda di marea abbastanza grande da uccidere 21 persone:

Immagina quanto incredibilmente più sciroppo di mais ci debba essere al giorno d'oggi, ora che è nel dare di matto tutto .

Qualcosa di simile è accaduto all'incirca nello stesso periodo, con il London Beer Flood che ha fatto affogare otto persone e ha distrutto due case.

Immagina quanto più dobbiamo bere al giorno d'oggi! Importi inimmaginabili. Aggiungi a quella birra, tutto il tè, la soda, l'acqua in bottiglia, il latte, ecc.

Ora immagina per un momento che queste sostanze non siano state fatte quasi interamente di acqua. Che erano fatti solo del loro sciroppo concentrato, ma nello stesso volume. Sarebbe possibile produrne qualcuno artificialmente, in quel volume? No. Siamo già ai limiti della nostra produzione.

Anche con annacquamento, diamo un'occhiata ai prezzi. Marzo 2016, prezzi medi negli Stati Uniti per un gallone di:

$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.

Tutte queste cose, anche annacquate di circa il 90%, anche con me che scelgo i prezzi più bassi che potrei trovare in una rapida ricerca, sono più costose del nostro carburante.

Eppure, la produzione di benzina li fa impallidire completamente , persino tutti sommati.

Immagine XKCD obbligatoria:

[[Nota a margine: una pozzanghera delle dimensioni di questi tubi, profonda circa 1 mm, è quanto in media ogni persona consuma ogni giorno.]]

Il volume è la salsa segreta. Il volume è il motivo per cui il petrolio / benzina è l'unico liquido diverso dall'acqua che viene convogliato in tutto il paese anziché trasportato su camion. E il volume è il motivo per cui non possiamo produrre artificialmente carburante per auto.

E mentre si stanno compiendo sforzi, questi finiranno per essere utilizzati principalmente nelle centrali elettriche, nei generatori, nel carburante delle compagnie aeree e nel riscaldamento domestico, poiché le auto elettriche renderanno obsoleto il motore a combustione interna tra qualche anno.

Loro possono

Hanno messo insieme varie catene polimeriche in laboratorio e persino i loro idrocarburi. L'Università della California Berkeley lo sta facendo ora. Non si tratta davvero di farlo. È il costo per farlo. Al momento non è economicamente fattibile essere competitivi nel mercato attuale. Gli altri metodi per estrarre i dinosauri morti da terra sono solo più economici.

Ecco un link dove UC Berkeley ha usato i batteri E. Coli per aiutare a produrre un sostituto della benzina .

Tuttavia, essere entusiasti dei biocarburanti potrebbe essere fuori luogo. Il chimico vincitore del premio Nobel Paul Crutzen ha pubblicato la scoperta secondo cui le emissioni di protossido di azoto prodotte durante la produzione di biocarburanti hanno contribuito a contribuire maggiormente al riscaldamento globale rispetto alle attuali soluzioni di carburante.

Quindi, prima di essere tutti entusiasti dei carburanti prodotti in laboratorio da rifiuti biologici, dovremo trovare un processo migliore per convertire la materia biologica o cercare altrove la soluzione.

Attualmente, ci sono biocarburanti che stanno entrando nel mercato e si stanno mescolando con il nostro carburante standard. Uno di questi, l'etanolo, è derivato dal mais. La conseguenza non intenzionale di ciò è che i coltivatori di mais nell'America centrale e meridionale stanno vendendo il loro mais ai produttori di carburanti e hanno aumentato il prezzo del mais a tal punto che le persone stanno morendo di fame perché la loro base di carboidrati su cui fanno affidamento come fonte di cibo è più prezioso nel serbatoio del gas di un'auto. Quindi, c'è quello.

Il petrolio da terra è un mix di molecole diverse, ma hanno in comune il fatto che sono state create con l'energia del sole. Quindi, sapendo che aspetto hanno le molecole, possiamo assemblare gli ingredienti nelle apparecchiature di laboratorio appropriate, aggiungere calore (energia) e produrre la nostra benzina. Tuttavia, il costo energetico di tale operazione (a causa delle leggi della termodinamica) supera l'energia contenuta nel prodotto, rendendo così il processo una perdita netta di energia. Ecco perché non produciamo il nostro combustibile fossile.

È esattamente la stessa ragione per cui i "generatori di idrogeno" commercializzati come componente aggiuntivo delle automobili anni fa per migliorare il chilometraggio, non possono farlo. L'energia richiesta dall'impianto elettrico delle auto, per quanto piccola, supera sempre l'energia prodotta, anche più piccola.

E per aggiungere la beffa al danno, l'energia rilasciata quando combiniamo l'ossigeno con il nostro petrolio si traduce in una riorganizzazione dei diversi elementi nelle molecole. Uno dei sottoprodotti è l'anidride carbonica. Neanche a noi piace, anche se alla fine le piante, alla luce del sole, lo trasformeranno in un prodotto a base di carbonio che possiamo poi bruciare di nuovo, se lo scegliamo.

La ricerca di energia "rinnovabile" è quindi una ricerca per trovare qualcosa che catturi rapidamente l'energia del sole (in un solo giorno) e la immagazzini in modo da consentirne l'estrazione in modo controllato. Chiediamo petrolio "durante la notte". Le fotocellule e le turbine funzionano bene - quando funzionano - non sempre quando abbiamo bisogno dell'energia.

Ora hai la foto. Non possiamo produrre carburante - nemmeno l'ambito idrogeno - senza spendere più energia di quella che produrremo.

Niente.

Tutto nei combustibili fossili attualmente in uso può essere prodotto in serie.

Costerebbe semplicemente più che pomparlo da terra.

I combustibili fossili sono semplicemente un modo economico, ma inefficiente, per immagazzinare energia.

Se il mondo avesse fonti di energia economiche ed efficienti, probabilmente non sprecherebbe alcuno sforzo per immagazzinare quell'energia come prodotti petrolchimici. Avremmo veicoli direttamente alimentati elettricamente o qualcosa di più efficiente come le celle a combustibile a idrogeno.

Quindi alla fine, la risposta alla tua domanda è ... Denaro.

Mentre ci sono alcune grandi risposte, la risposta più semplice basata sulla chimica è che è quasi impossibile formare in modo efficiente legami carbonio-carbonio diversi dai sistemi biologici. Siamo in grado di produrre H ₂ per elettrolisi dell'acqua e possiamo abbattere (crack) idrocarburi biologici o carbonio polimerico (carbone) per rendere più utili i biocarburanti preesistenti, ma finora la fotosintesi non può essere battuta per spostare il carbonio dal CO ₂ per alimentare.

Ci sono alcune buone risposte qui alla domanda fuori tema. Alcune persone si riferiscono a problemi di "costo", altri a problemi di "energia". Fai attenzione però: queste sono davvero le stesse cose. Devi fare un po 'di contabilità di base per determinare se l'azienda è redditizia. La contabilità di base è il bilancio "energia in entrata" - "energia in uscita". Se stai producendo un idrocarburo in laboratorio, ci sarà sempre una perdita, a causa del principio di conservazione dell'energia e del fatto sfortunato che non possiamo realizzare un dispositivo efficiente al 100%. Non andrai mai in pareggio.

Potrebbero esserci modi più efficienti di immagazzinare e fornire la fonte di energia del tuo laboratorio rispetto a una catena di idrocarburi.

Tieni presente che utilizziamo prodotti petrolchimici (composti del carbonio estratti o rilasciati dal terreno) per due scopi nettamente diversi: combustibile e materie prime per la fabbricazione di ogni sorta di cose. Per rimuovere la nostra dipendenza dai prodotti petrolchimici, dovremmo affrontare entrambi gli usi.

Per sostituire i prodotti petrolchimici come fonte di energia, in alcuni casi sarebbe meglio trovare altri modi per immagazzinare e rilasciare energia, ad esempio le batterie ricaricate da turbine eoliche o pannelli solari. Ma la maggior parte delle alternative ai combustibili fossili ha problemi di convenienza, capacità (energia specifica in peso o volume), densità di potenza (di nuovo in peso o volume), sicurezza di gestione / stoccaggio (pensa l'idrogeno), NIMBY (pensa ai parchi eolici), ecc. È così facile riempire un serbatoio di benzina, diesel, carburante per aerei, ecc., Accendere un motore e andare ... per non parlare del peso relativamente leggero e compatto. Quindi, forse per alcune applicazioni come gli aeromobili, potrebbe essere più fattibile continuare a alimentarli nel modo attuale (accettando tutti gli svantaggi), ma prendere in considerazione fonti alternative rispetto al petrolio, quindi i biocarburanti.

Per sostituire i prodotti petrolchimici come materia prima manifatturiera, dovresti considerare tutte le cose che il nostro mondo moderno ne deriva. Materie plastiche, solventi, coloranti, lubrificanti, adesivi e così via. Tutte le molecole interessanti estratte dal petrolio greggio (e può essere una lunga lista) dovrebbero essere prodotte con altri mezzi.

In entrambi i casi, questi equivalenti petrolchimici dovrebbero essere prodotti ciascuno su vasta scala. Noi come comunità globale bruciamo molto carburante per spostarci e produciamo ogni sorta di cose (anche su vasta scala) dal petrolio. Si tratta di tre grandi cose:

1. Scopri come fare il nostro sostituto (diciamo, ottano o qualche altro idrocarburo) con processi chimici e / o biologici da qualcosa che non abbiamo estratto dal terreno (ad esempio anidride carbonica e acqua). Sono in corso ricerche in questo campo con risultati interessanti che emergono continuamente.

2. Scalare i processi a un livello che soddisfi la domanda. Per prima cosa, ci vorranno ingenti investimenti; chi verserà i soldi? Per un altro: se hai intenzione di mettere l'anidride carbonica e l'acqua in un processo e far fuoriuscire gli idrocarburi, dovrai aggiungere energia, che deve provenire da qualche parte. Questo può essere un importante punto critico per la sintesi di equivalenti petrolchimici su qualsiasi scala utile. Costruiamo vasti parchi solari / eolici? Cosa farà questo al panorama globale? Costruiamo più nucleare?

3. Renderlo economicamente valido. Le persone possono essere persuase a pagare un piccolo premio per un carburante o un prodotto di consumo non di origine petrolifera, ma ci sarà un limite. Un processo non petro può persino avvicinarsi all'economia dei pozzi e delle raffinerie di oggi?

Considerando che la vera domanda è "Perché non produciamo carburante da zero invece di pomparlo da terra?", Dovrei dire che il problema principale è l'energia, in particolare la conservazione dell'energia . I carburanti NON sono fonti di energia - sono meccanismi di accumulo di energia (come le batterie). Qualunque energia si ottenga dalla combustione del combustibile, bisogna innanzitutto raccogliere per creare il combustibile. È un gioco a somma zero. Ciò che rende diversi i combustibili fossili è che la natura ha trascorso centinaia di milioni di anni a raccogliere energia solare in un deposito organico (ad esempio piante) e sequestrarla nel terreno per farla trovare.

E ora stiamo consumando quella risorsa un milione di volte più veloce di quanto ci sia voluto per accumularsi. Viviamo in un tempo in prestito, gente!

Possiamo produrre in serie carburanti sintetici. È stato fatto dalla Germania nella seconda guerra mondiale (anche se da fonti fossili). Ciò di cui hai bisogno è carbonio e idrogeno.

Sfortunatamente, il carbonio è tipicamente nella natura sotto forma di anidride carbonica (e combustibili fossili, ma sono stati specificamente esclusi nella domanda) e idrogeno sotto forma di acqua. Per separare idrogeno e carbonio da questi, hai bisogno di energia. Il carbonio e l'idrogeno possono essere banalmente combinati in idrocarburi in reazioni chimiche.

Fortunatamente, l'energia è una risorsa abbondante sul pianeta Terra. Esistono due modi principali per produrre energia. Uno è quello di raccogliere l'energia del sole, direttamente o indirettamente. I mezzi indiretti includono l'eolico, l'energia idroelettrica e persino i biocarburanti rinnovabili e (dio non voglia!) I combustibili fossili. Diretto significa fotovoltaico o concentrazione di energia solare termica. Le modalità dirette consentono a molti ordini di grandezza un maggiore consumo di energia rispetto a quello che viene utilizzato oggi, per miliardi di anni.

L'altro modo principale per produrre energia è il nucleare, che è anche una risorsa abbondante. C'è abbastanza U-238 nell'acqua di mare e nella normale roccia granitica che possiamo sostenere gli attuali livelli di utilizzo di energia per miliardi di anni , fino a quando il sole non si allargherà e ci distruggerà.

Il problema principale è il costo. Le strutture per la produzione di carburanti sintetici sono costose, ma funzioneranno in un attimo, come ci ha mostrato la Germania durante la seconda guerra mondiale. Le strutture per elettrolizzare l'idrogeno dall'acqua non sono neanche economiche. Anche l'estrazione di biossido di carbonio dall'atmosfera ha un costo. Inoltre, anche la produzione di energia ha i suoi costi, ma il costo del solare si sta rapidamente riducendo e potrebbe essere la scelta di produzione energetica del mondo più pulito di domani.

Non è un sogno così lontano produrre carburanti sintetici. Oggi, Neste produce NExBTL che è essenzialmente diesel prodotto da fonti biologiche che è equivalente al diesel normale e non richiede assolutamente alcuna modifica dell'auto. Oggi esiste un piano per costruire una bioraffineria per produrre biogas in Finlandia. Quindi, sicuramente la conversione di carbonio e idrogeno in carburanti sintetici non è il problema: è possibile produrre sia biodiesel che biogas.

I restanti problemi sono:

• Costo dell'energia, che sarà un problema tra pochi decenni a causa della rapida riduzione dei costi delle celle solari. L'energia ha già occasionalmente un costo negativo in Germania a causa della produzione intermittente su larga scala di energia rinnovabile. Quello che dobbiamo fare è estendere la durata del tempo in cui l'energia ha un costo negativo installando fonti rinnovabili ancora più intermittenti.
• Costo per catturare l'anidride carbonica. Inizialmente, sarà catturato da fonti industriali e di produzione di energia, ma alla fine, nel mondo pulito di domani, dovrà essere separato dall'aria, perché non ci saranno fonti di CO ₂ (tranne le fonti mobili, per le quali la cattura è difficile) .
• Costo dell'elettrolisi dell'acqua. Oggi è più economico produrre idrogeno dal gas naturale che elettrolizzare. Tuttavia, domani, i costi potrebbero essere diversi, in parte a causa della caduta dei costi energetici.
• I grandi giacimenti petroliferi che non sono stati esauriti e che possono essere utilizzati per produrre petrolio per decenni a un costo marginale minimo. Il prezzo del petrolio fossile si stabilizzerà al livello in cui la domanda e l'offerta sono in equilibrio. Ciò significa che il petrolio fossile verrà utilizzato per molto tempo, a meno che il governo non ne proibisca l'uso o imponga una tassa sul suo utilizzo.

Ciò che resta da vedere è in che misura sono necessari i carburanti sintetici. L'auto elettrica ha sicuramente dimostrato la sua fattibilità, quindi è possibile che questi carburanti sintetici vengano utilizzati dall'aviazione, non dal trasporto su strada.