Что в ископаемом топливе мы не можем массово производить?

Поскольку топливо состоит из цепочек различных молекул, мой вопрос в том, что является причиной, по которой мы не можем создать одну и ту же структуру молекулы и быть в состоянии воспроизвести одну и ту же структуру в лаборатории, поэтому нам не нужно заканчиваться?

Я понимаю, что есть еще кое-что, и это не так просто, как мне кажется, но вот почему я спрашиваю: какие проблемы возникают при выполнении чего-то подобного? Разве мы не можем сделать ту же структуру?

Также в качестве примечания: есть ли в топливе молекулы кислорода, уже находящиеся внутри цепи, или они не получают эти молекулы до смешивания кислорода с помощью клапанов?

Нефть, которая выходит из 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.

Усилия

1 . В настоящее время в Сан-Диего, штат Калифорния, предпринимаются усилия на сумму 300 миллионов долларов США (Synthetic Genomics и Exxon Mobil) по использованию водорослей для производства масла. 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 во главе с 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 секвенировании генома человека, заявил вчера, 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 превращения углекислого газа в масла и углеводороды в больших количествах - подвиг, который будет чрезмерно дорогостоящим для встречающихся в природе 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 взломали код для дешевого топлива для водорослей. В новом соглашении между компаниями Exxon отправляет Synthetic Genomics обратно в лабораторию, чтобы заняться более фундаментальной наукой. Теперь он сосредоточится на своей одноименной технологии - синтетической геномике, относительно новой науке, которая предполагает внесение значительных изменений в геномы, вплоть до создания совершенно новых. Цель остается неизменной: «разработать штаммы, которые быстро размножаются, производят большое количество липидов и эффективно противостоят условиям окружающей среды и эксплуатации».

2 . Chevron совместно с компанией Catchlight Energy совместно использует водоросли в качестве сырья для производства нефти. Chevron также сотрудничает с Weyerhaueser Co, одной из крупнейших в мире компаний по производству лесных товаров, которая начала использовать древесные отходы. Лигно-целлюлоза, содержащаяся в древесине, также является компонентом нефти.

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

Сегодня Chevron Corporation (NYSE: CVX) и Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) объявили о намерении (LOI) совместно оценить возможность коммерциализации производства биотоплива из целлюлозных источников.

Компании сосредоточатся на исследованиях и разработке технологий, которые могут преобразовать древесное волокно и другие непищевые источники целлюлозы в экономичное, экологически чистое биотопливо для легковых и грузовых автомобилей. Варианты сырья включают широкий спектр материалов из существующей лесной и мельничной системы Weyerhaeuser и целлюлозные культуры, посаженные на управляемых лесных плантациях Weyerhaeuser.

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

В действительности, время, необходимое для превращения их из водорослей в нефть, может составлять менее нескольких сотен лет, и это опять-таки из-за медленного изменения температуры и давления в геологических условиях.

Нефть была добыта и обнаружена в осадочных отложениях всего в 1000 лет, поэтому она не требует миллионов лет. В промышленных условиях все это можно сделать за считанные часы или дни.

Вызов

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

Этот метод используется для анализа того, могут ли незрелые породы, если они были погребены глубже, производить сырую нефть. Поэтому его можно использовать как инструмент для поиска нефтяных пластов.

Экономически невыгодно делать это в больших масштабах, так как столько энергии должно быть вложено в систему.

Боковая вещь

Что касается этого момента,

Химический состав бензина содержит кислород, такой как бензин с этанолом или бензин с метанолом, но он не может вести себя как кислород. Поэтому ему необходим кислород снаружи, а именно воздух. Когда эти два компонента воспламеняются, он сгорает и выделяет энергию. Основная 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 в течение двух столетий: городской газ (заменитель метана), синтетический бензин , биодизель и так далее. Однако, за исключением биодизеля, все это требует значительной энергии для производства, в то время как ископаемое топливо можно просто выкачать из земли.

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

В настоящее время усилия по созданию синтетического топлива сосредоточены вокруг использования растений или водорослей, чтобы можно было использовать свободную энергию солнца.

Другие ответы правильны, технически. Как говорится, в этом есть энергия , или углеводороды , или как вы хотите их называть. Горючие вещи. К сожалению, первые два закона термодинамики говорят нам, что искусственное вложение энергии в вещество потребовало бы больше энергии, чем вы получили бы, поэтому это не могло бы быть прибыльным [что, кроме того, почему водородные топливные элементы просто батареи, а не источники питания.

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

Но большинство из нас не используют наши автомобили на биотопливе. Так что это действительно не отвечает на подразумеваемый вопрос, не так ли? Что, почему мы все еще получаем это с земли?

Чего не хватает, так это объема .

Сто лет назад в одном чане одного завода в Бостоне было произведено достаточно патоки, чтобы создать приливную волну, достаточно большую, чтобы убить 21 человека:

Представьте себе, как невероятно больше кукурузного сиропа должно быть в наши дни, теперь, когда он все испугался .

Нечто подобное произошло примерно в то же время: Лондонский Пивной Потоп утопил восемь человек и разрушил два дома.

Представьте, сколько еще мы должны пить в наши дни! Невообразимые суммы. Добавьте к этому пиву весь чай, газированную воду, воду в бутылках, молоко и т. Д.

Теперь представьте на мгновение, что эти вещества не были сделаны почти полностью из воды. Чтобы они были сделаны только из их концентрированного сиропа, но в том же объеме. Будет ли возможно произвести что- либо из этого искусственно в этом объеме? Нет, мы уже достигли пределов производства.

Даже с поливом, давайте посмотрим на цены. Март 2016, 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 сниженные примерно на 90%, даже при том, что я выбираю вишню по самым дешевым ценам, которые я мог найти при быстром поиске, дороже нашего топлива.

И тем не менее, производство бензина совершенно карликовое , даже все вместе взятые.

Обязательное изображение XKCD:

[[Примечание: лужа размером с эти трубы, глубиной около 1 мм, показывает, сколько каждый человек использует в среднем каждый день.]]

Объем является секретным соусом. Объем - это то, почему нефть / бензин является единственной жидкостью, отличной от воды, которая доставляется по всей стране, а не на грузовиках. А объем - это то, почему мы не можем искусственно производить автомобильное топливо.

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

Они могут

Они связали воедино различные полимерные цепи в лаборатории и даже их углеводороды. Калифорнийский университет в Беркли делает это сейчас. Дело не в том, что это делается. Это стоимость этого. Прямо сейчас нереально финансово быть конкурентоспособным на текущем рынке. Другие методы вытаскивания мертвых динозавров из земли просто дешевле.

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

Впрочем, быть в восторге от биотоплива может быть неуместно. Лауреат Нобелевской премии химик Пол Крутцен опубликовал вывод, что заявленные выбросы закиси азота, создаваемые в процессе производства биотоплива, заставили его вносить больший вклад в глобальное потепление, чем современные топливные решения.

Таким образом, прежде чем мы будем в восторге от лабораторного производства топлива из биологических отходов, нам нужно будет найти лучший процесс для преобразования биологического вещества или искать решение в другом месте.

В настоящее время есть биотопливо, которое поступает на рынок и смешивается с нашим стандартным топливом. Один из них, этанол, получен из кукурузы. Непреднамеренным следствием этого является то, что производители кукурузы в Центральной и Южной Америке продают свою кукурузу производителям топлива и настолько подорожали кукурузу, что люди фактически голодают, потому что их углеводная база, на которую они полагаются как источник пищи, больше ценный в бензобаке авто. Итак, это так.

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

Это та же самая причина, по которой «генераторы водорода», выпущенные на рынок в качестве дополнения к автомобилям несколько лет назад для улучшения пробега, не могут этого сделать. Энергия, требуемая от электрической системы автомобиля, даже мала, всегда превышает произведенную энергию, даже меньше.

И чтобы добавить оскорбление ране, энергия, выпущенная, когда мы соединяем кислород с нашей нефтью, приводит к перегруппировке различных элементов в молекулах. Одним из побочных продуктов является углекислый газ. Нам это тоже не нравится, хотя растения в конечном итоге при солнечном свете превращают его обратно в углеродный продукт, который мы можем затем снова сжечь, если захотим.

Поиск «возобновляемой» энергии - это поиск чего-то, что быстро (в течение одного дня) будет захватывать энергию солнца и сохранять ее таким образом, чтобы ее можно было извлечь контролируемым образом. Мы просим "ночь" нефти. 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 - без расходования большего количества энергии, чем мы будем производить.

Ничего такого.

Все в ископаемом топливе, используемом в настоящее время, может быть произведено массово.

Это будет стоить дороже, чем выкачивать его из земли.

Ископаемое топливо - просто дешевый, но неэффективный способ накопления энергии.

Если бы в мире были дешевые, эффективные источники энергии, он вряд ли потратил бы усилия на хранение этой энергии в качестве нефтехимических продуктов. У нас были бы автомобили с электрическим приводом или что-то более эффективное, например водородные топливные элементы

Итак, в конце концов, ответ на ваш вопрос: деньги.

Хотя есть несколько хороших ответов, самый простой химический ответ заключается в том, что практически невозможно эффективно образовывать углерод-углеродные связи, кроме как с биологическими системами. Мы можем сделать H ₂ электролизом воды, и мы можем разрушить (растрескивать) биологические углеводороды или полимерный углерод (уголь), чтобы сделать существующие биотоплива более полезными, но пока что фотосинтез не может быть лучше, чем удаление углерода из CO. ₂ для топлива.

Здесь есть несколько хороших ответов на вопрос не по теме. Некоторые люди относятся к проблемам «стоимости», некоторые к проблемам «энергии». Обратите внимание: это одно и то же. Вы должны сделать некоторые основные учетные записи, чтобы определить, является ли бизнес жизнеспособным. Основным бухгалтерским учетом является баланс «энергия в» - «энергия в выходе». Если вы делаете углеводород в лаборатории, всегда будет потеря из-за принципа сохранения энергии и неудачного факта, что мы не можем сделать устройство, которое на 100% эффективно. Вы никогда не будете безубыточны.

Возможно, существуют более эффективные способы хранения и доставки источника энергии в вашей лаборатории, чем в углеводородной цепочке.

Имейте в виду, что мы используем нефтехимические вещества (соединения углерода, извлеченные или выпущенные из земли) для двух совершенно разных целей: топлива и сырья для производства всевозможных вещей. Чтобы устранить нашу зависимость от нефтехимических продуктов, мы должны были бы рассмотреть оба варианта использования.

Чтобы заменить нефтехимические вещества в качестве источника энергии, в некоторых случаях было бы лучше найти другие способы хранения и выделения энергии - например, батареи, заряжаемые ветряными турбинами или солнечными батареями. Но у большинства альтернатив ископаемого топлива есть проблемы с удобством, мощностью (удельная энергия по весу или объему), удельной мощностью (опять же по весу или объему), безопасностью обработки / хранения (например, водород), NIMBY (например, ветряные электростанции) и т. Д. Это так просто, чтобы заполнить бак бензином, дизельным топливом, реактивным топливом и т. Д., Запустить двигатель и уйти ... не говоря уже об относительно малом весе и компактности. Так что, возможно, для некоторых применений, таких как самолеты, может быть более целесообразным продолжать их питание текущим способом (принимая все недостатки), но рассмотреть альтернативные источники, чем нефть - отсюда и биотопливо.

Чтобы заменить нефтехимические вещества в качестве производственного сырья, вам нужно учитывать все то, что наш современный мир извлекает из них. Пластмассы, растворители, красители, смазки, клеи и так далее. Все интересные молекулы, извлеченные из сырой нефти (и это может быть длинный список), должны были бы быть получены другими способами.

В любом случае эти нефтехимические эквиваленты должны были бы производиться в огромных масштабах. Мы, как мировое сообщество, сжигаем много топлива, просто передвигаясь, и мы делаем все виды (в том числе в огромных масштабах) из нефти. Это сводится к трем большим вещам:

1. Выясните, как сделать нашу замену (скажем, октан или некоторый другой углеводород) химическими и / или биологическими процессами из чего-то, что мы не извлекли из земли (например, углекислый газ и вода). В настоящее время ведутся исследования в этой области, и все время появляются интересные результаты.

2. Масштабируйте процессы до уровня, который соответствует спросу. С одной стороны, это потребует огромных инвестиций; кто вложит деньги? С другой стороны: если вы собираетесь добавлять в процесс углекислый газ и воду и получать углеводороды, вам нужно будет добавлять энергию, которая должна откуда-то поступать. Это может быть основным камнем преткновения для синтеза нефтехимических эквивалентов в любом подходящем масштабе. Строим ли мы огромные солнечные / ветровые электростанции? Что это будет делать с глобальным ландшафтом? Мы строим больше ядерных?

3. Сделать это экономически целесообразным. Людей можно убедить заплатить небольшую надбавку за топливо, не относящееся к источникам нефти или потребительский продукт, но это будет предел. Может ли не нефтяной процесс приблизиться к экономике современных скважин и нефтеперерабатывающих заводов?

Принимая реальный вопрос: «Почему мы не производим топливо с нуля вместо того, чтобы выкачивать его из земли?», Я должен сказать, что основной проблемой является энергия, а точнее - ее сохранение . Топливо НЕ является источником энергии - оно является механизмом накопления энергии (например, батареи). Какую бы энергию вы не получали от сжигания топлива, сначала нужно собрать ее, 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 органическое хранилище (то есть 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 занятое время, люди!

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

К сожалению, углерод, как правило, в природе в форме диоксида углерода (и ископаемого топлива, но они были специально исключены в вопросе) и водорода в форме воды. Чтобы отделить водород и углерод от них, вам нужна энергия. Углерод и водород могут легко объединяться в углеводороды в химических реакциях.

К счастью, энергия является обильным ресурсом на планете Земля. Есть два основных способа производства энергии. Одним из них является получение энергии солнца, прямо или косвенно. Косвенные средства включают ветер, гидроэнергетику и даже возобновляемое биотопливо и (не дай бог!) Ископаемое топливо. Прямое означает фотоэлектрические или концентрирующие солнечно-тепловую энергию. Прямые пути позволяют использовать энергию на много порядков больше, чем то, что используется сегодня, в течение миллиардов лет.

Другим основным способом производства энергии является ядерный, который также является обильным ресурсом. В морской воде и обычных гранитных породах достаточно U-238, чтобы мы могли поддерживать текущие уровни энергопотребления в течение миллиардов лет , пока солнце не увеличится и не уничтожит нас.

Основным вопросом является стоимость. Оборудование для производства синтетического топлива стоит дорого, но в крайнем случае сработает, как показала нам Германия во время Второй мировой войны. Оборудование для электролиза водорода из воды тоже не из дешевых. Извлечение углекислого газа из атмосферы также стоит некоторых. Кроме того, производство энергии также имеет свои затраты, но, тем не менее, стоимость солнечной энергии быстро снижается и может стать выбором для производства энергии в будущем, более чистом мире.

Производить синтетическое топливо не так уж и далеко. Сегодня Neste производит NExBTL, который по сути является дизельным топливом, произведенным из биоисточников, что эквивалентно обычному дизельному топливу и не требует абсолютно никаких модификаций автомобиля. Сегодня в Финляндии планируется построить биоперерабатывающий завод для производства биогазолина. Так что, конечно, конверсия углерода и водорода в синтетическое топливо не является проблемой: можно производить как биодизель, так и биогазолин.

Остальные вопросы:

• Стоимость энергии, которая не будет проблемой через несколько десятилетий из-за быстрого снижения стоимости солнечных батарей. Энергия уже иногда имеет отрицательную стоимость в Германии из-за масштабного прерывистого производства возобновляемой энергии. Что нам нужно сделать, это продлить период времени, когда энергия имеет отрицательную стоимость, путем установки еще более прерывистых возобновляемых источников энергии.
• Стоимость улавливания углекислого газа. Первоначально он будет получен из промышленных источников и источников производства энергии, но в конечном итоге в чистом мире завтрашнего дня его придется отделить от воздуха, поскольку не будет источников CO ₂ (кроме мобильных источников, улавливание которых затруднено) ,
• Стоимость электролиза воды. Сегодня дешевле производить водород из природного газа, чем его электролизовать. Однако завтра затраты могут быть другими, отчасти из-за падения стоимости энергии.
• Большие нефтяные месторождения, которые не были истощены и которые могут быть использованы для добычи нефти в течение десятилетий с минимальными предельными издержками. Цена на ископаемое масло установится на уровне баланса спроса и предложения. Это означает, что ископаемое масло будет использоваться в течение длительного времени, если правительство не запрещает его использование или не облагает налогом его использование.

Остается выяснить, в какой степени нужны синтетические топлива. Электромобиль, безусловно, показал свою жизнеспособность, поэтому, возможно, эти синтетические топлива будут использоваться авиацией, а не автомобильным транспортом.