Въглеводородна епоха

Двигателят с вътрешно горене и нефтената индустрия формират една ера в техническата история на човечеството и никой не знае докога тя ще продължи. Това е една поредица за историята и развитието на тази неразривна връзка, за технологиите за производство на горива и горивните процеси в двигателите. 

. 

Автомобилният пазар на Норвегия е пример за бърза трансформация към електрическа мобилност, но зад паравана на опазващата околната среда електрическа посока могат да бъдат открити доста нюанси. Като факта че този че компанията Equinor и неговите партньори DNO Norge, Petoro и Wellesle Petroleum откриха нефт и газ в своя лицензиран производствен сектор  923 в близост до нефтеното поле Трол в Северно море. По предварителните изчисления  находището съдържа между 44 и 69 милиона барела нефт. Това откритие се добавя към многото направени през последните две години в зоната Трол/Фрам, които непърва ще влизат в експлоатация. 

Множеството съоръжения за добив на нефт в акваторията на Норвегия в Северно море странно контрастират с включените в зарядни станции електромобили по близкото крайбрежие. Добивът на електроенергия за тях от възобновяеми източници пък е контрапункт на дългосрочните договори за добив на нефт. Но, в края на краищата снижаването на приходите от данъци от горивата и от конвенционалните автомобили трябва отнякъде да се компенсира в пълна степен важи за всички данъчни отстъпки и стимули за електрически автомобили в държавите в които това се случва. Електрическата мобилност ще има своя съществен принос за локалното изчистване на въздуха в градовете, но налагането на изключително кратки срокове за трансформация от страна на правителствата и цялостното отричане от двигателите с вътрешно горене и специално от дизеловите води до невероятно натоварване на цялата развойно-производствено-продажбена верига на компаниите и на финансовите системи на държавите и компаниите. Декларациите за пълно спиране на автомобилите задвижвани с двигатели с вътрешно горене до 2030 година от много компании означава пълна трансформация на съществуваща устойчива система за разработване на автомобили, а висококвалифицирани инженери по ДВГ трудно могат да се трансформират в такива по електрическо задвижване. Ще прекратим ли съществуването на катедрите по двигатели с вътрешно горене в университетите? И как ще финансираме този бърз преход? Не ли по-добре развитието на тези видове мобилност да бъдат оставени на естествения ход на пазарната еволюция, разбира се с налагането на строги мерки за опазване на околната среда? Ефектът от желанието за много бърз преход вече е факт – конвенционалните автомобили стават по-скъпи за да формират добавена стойност необходима за инвестициите в електрическа мобилност, това увеличава търсенето на употребявани автомобили, които също стават все по-скъпи, което пък тласка потребителите към още по-стари и неекологични автомобили. Получава се един порочен кръг от неволи. През този период двигателите с вътрешно горене ще трябва по различни начини да се справят с предизвикателствата на времето и нефтената промишленост и частта касаеща горивните процеси в двигателите ще участват с изключителна тежест в промяната. Защото безспорен факт е че двигателят с вътрешно горене ще има още немалък живот и нефтената индустрия ще продължи да играе своята важна роля. Каква е била тя и каква ще се опитаме да ви разкажем в следващата поредица.

.  

Първият нефтен кладенец

. 

Всъщност, всичко започва в един слънчев августовски ден на 1859 година когато замъгленият поглед на някой си Бил Смит разпознава черната течност на дъното на първобитния кладенец някъде из дебрите на американския щат Пенсилвания. Той едва ли осъзнава че в този момент ще възвести началото на една нова ера за човечество. „Чичо Били” не е нищо повече от един пияница черноработник, но това което открива запазва името му завинаги в аналите на историята. Черната течност която открива се нарича нефт – течност за която само няколко месеца по-късно известният френски химик Желе, с небивало въодушевление ще възкликне: „Ако този продукт може да се добива и преработва в достатъчни количества, той ще предизвика техническа революция в света”… 

По същото време отвъд океана някогашният келнер от Люксембург Жан-Жозеф Етиен Льоноар представя на обществеността действащ прототип на газов двигател с вътрешно горене и също оставя златна диря в историята. Между тези две събития няма никаква връзка и още дълго време двигателите с вътрешно горене и нефтът няма да предизвикват общи асоциации. Неслучайно германците наричат известният ни като „бензинов двигател” Оtto Motor, защото двигателите произвеждани от завода управляван от небезизвестният Николаус Аугуст Ото всъщност се захранват не с бензин, а със светилен газ получен при деструктивна дестилация на въглища. Всъщност именно по това време, в края на прогресивния XIX век, може да бъде открито и разковничето на изнамирането на първото гориво за автомобили – главният инженер на фабриката Готлиб Даймлер възнамерява да разработи бързооборотен двигател, който да монтира върху каляска и, естествено, да захранва с течно гориво. В момента в който, след години на изобретателско търсене Даймлер, Карл Бенц и впоследствие Рудолф Дизел откриват че в нефта се съдържат подходящи съставки и субстанции които да служат като горива на техните машини, връзката между автомобилите и нефта се превръща в неразривна. До този момент черната течност е служела като източник на керосин за осветление, смазочни масла за парните машини, а в някои редки случаи и като гориво за парните котли на локомотивите. В продължение на повече от 100 години обаче развитието на автомобила и нефта са едни взаимно обвързани процеси, които в наши дни прерастват в една истинска високотехнологична симбиоза. 

Авантюрата на човечеството с нефта трае вече 160 години и до този момент никой друг освен петролната промишленост не успял да изнамери начин да произвежда подходящи горива в големи мащаби.  Много далеч от тази цел са както биогорива от първо и второ поколение, така и синтетичните и тяхната разновидност наречена Е-горива. Така понастоящем уравнението на практика става много просто съдържайки два основни елемента под формата на бензин и дизелово гориво и два второстепенни каквито са сгъстеният природен газ (CNG) и втечненият петролен газ (LPG). 

.

XX век и индустриалната революция

. 

Ролята нефта като източник на горива открива още преди Първата Световна Война прочутият британски адмирал Фишер, по това време първи лорд на Адмиралтейството който мъдро отбелязва, че „двигателят с вътрешно горене е най-голямото изобретение на човечеството”. И наистина, по това време нищо не може да спре възхода му – не се сбъдва и направеното през 1905 година (!) в престижното списание Scientific American предсказание, че много скоро ДВГ ще бъде изтласкан от… горивни клетки с водородно гориво.   

Едва ли Желе и Фишер са смятали че след толкова много години думите им ще продължават да имат толкова голяма стойност. Въпреки стремителното развитие на въпросните горивни клетки, както и мощният потенциал разгърнат в областта на електромобилите, още дълго време автомобилите ще продължат да използват бензинови и дизелови двигатели и ще се захранват с добре познатите ни дизелово гориво и бензин – дори в съчетания с хибридни системи или в ролята на удължители на пробега (range еxtender) . Причината за това е пределно проста и се състои не само в изградената инфраструктура, но и във факта че енергийната плътност на модерните литиево-йонни батерии все още е нищожна на фона на химическата енергия на въглеводородната суровина. В това отношение автомобилите с двигатели с вътрешно горене все още имат предимство въпреки значително по-ниската ефективност на ДВГ спрямо електромотора.          

Горивата за един автомобил са това което е храната за човека. „Тези които мислят че не разполагат с време за здравословно хранене, след време ще трябва да открият време за лечение на болестите си” мъдро отбелязва Едуард Стенли. Според множество лекари голяма част от болестите на човека се дължат на некачествени храни и са свързани със стомашно-чревни заболявания и последващите токсични проблеми. Храната в значителна степен определя физическото здраве на тялото и концентрацията на мисълта. Хората отделят часове за да избират храната си в супермаркета измежду хиляди артикули, но рядко си дават сметка че това което зареждат в резервоара на автомобили на бензиностанцията също може да е различно. И че за двигателя то има огромно значение, защото качественото гориво има не само грижа да опази и поддържа чисти частите на двигателя, но и да осигури ефективен горивен процес опазвайки околната среда и човека.  

В такъв случай логично идва въпросът – какво всъщност представлява качественото гориво и как въпросното качество може да бъде гарантирано? За да си изясним това трябва преди всичко да обясним какво представлява самото гориво, как се произвежда и какво се случва в сърцето на двигателя с вътрешно горене – горивната камера. Без подобни познания терминът „качествено гориво” няма как да бъде обяснен и би имал съвсем хипотетично значение. Тук ще ви разкажем за това какво представлява нефтът, как се извличат и облагородяват продуктите за чиято суровина служи той и какво се случва в двигателя – тоест както казахме – всичко което би изяснило какво стои зад понятието „качествено гориво”. Ще преминем през цялата история на този процес за да стигнем до наши дни и модерната алхимия, защото така наречената дълбочинна преработка на нефта не e нищо повече от модерна нейна интерпретация. Химиците никога не биха постигнали това, ако техните предшественици не бяха им завещали съкровищницата от знания натрупани в столетията. Безспорен факт е че нефтената индустрия е мощен катализатор на химическата наука осигурявайки не само поле за действие, но и сериозно финансова подкрепа…

.

От сондажа до автомобила

. 

Хората откриват бликащ на повърхността на земята нефт преди много хилядолетия и го използват за най-различни цели – като лечебно мазило, за строителна смазка, като слепващо вещество и дори в нефтени фенери. Истинската му индустриална употреба обаче започва през 1859 г. – в деня, в който американецът Джордж Бисел и приятелите му изпращат нефтена проба на известния по това време професор Бенджъмин Сълиман и получават от него окуражаващ анализ, чиято аргументация мнозина икономисти в днешни дни биха счели за изключителен „бизнес кейс”. Погледнат от чисто химическа гледна точка обаче докладът описва черната течност като многокомпонентна течност, която може да се дестилира и съдържа различни фракции, от които от своя страна, могат да се извлекат годни за осветление течности. Наетият от групата Едуин Дрейк прави първия прост сондаж представляващ изкоп в който се спуска голяма, разбиваща скалите тежест и открива нефтено находище край Тайтъсвил в Пенсилвания. По същото това време полякът Игнаси Лукашевич конструира лампа с плосък фитил, способна да използва извлечената с помощта на обикновена дестилация субстанция керосин. Следва истинска нефтена треска, която надминава по мащаби и лудост всички еуфории за търсене на богатства дотогава.

Скоро след пионерските стъпки нефтът става причина за изграждането на нови градчета и индустриални райони, в които оцапаните в черната течност и превърнали се в символ на модерната индустрия нефтени работници живеят в жалка мизерия сред мрачни пороци и тъмни страсти. Мнозина от добиващите се занимават и с преработка на нефт която по това време се свежда изключително до проста фракционна дестилация, разделяща петрола само на няколко субстанции. Технологията за дестилиране не е сложна и тайна и всеки може да я използва. Въпреки че с него се занимават много учени химици, фактът че са открили че тя съдържа над 90% въглеводороди не променя особено факта че преработката е почти чисто физически процес, а рафинериите не са нищо повече от няколко свързани прости стоманени казана под които се наклажда огън. Въпросните съоръжения се запълват с нефт, нагряват се достатъчно, за да се изпари част от него, след което тази част преминава през тръби, които се охлаждат, а кондензиралата течност се изсипва в друг съд. Полученият продукт, наречен „дестилат”, се обработва с химикали, промива се с вода и съхранява в друг резервоар. С помощта на такива устройства всеки човек, дори без специална подготовка, може да произвежда керосин, стига, разбира се, да извършва процеса крайно внимателно.  

Развитието на нефтопреработка дължи особено много на един впечатляващ образ в нефтената индустрия носещ името Джон Рокфелер. Той изгражда фирмата си Standard Оil методично, превръщайки я в ефикасен инструмент за въвеждане на ред в безумния безпорядък, царуващ в този сектор на икономиката контролирайки и развивайки именно областта на рафинирането. В резултат от прозорливото планиране в края на XIX век Рокфелер поставя под свой контрол 90% от американската нефтена промишленост и превръща САЩ в най-големият износител на керосин в света. Това че експанзията на рокфелеровата империя  често се движи през тъмни улици с помощта на мрачни методи в случая няма особено значение, защото въпросната компания отделя много средства за усъвършенстване на преработката и изучаването на химията на нефта.

. 

Началото на първите сложни преработки

. 

До началото на ХХ век нефтодобивът се осъществява в малкия щат Пенсилвания, докато през 1901 година нефтени фонтани не бликват и в Тексас. Светът преживява сериозен катарзис, тъй като започва истинската ера на нефта, съвпадаща по време със старта на автомобилизацията. Така нефтеният бизнес, родил се като средство за задоволяване на потреблението на керосин за светилни лампи и масла за парните машини, променя своето амплоа в началото на ХХ век, когато в негови основни потребители се превръщат автомобилите, задвижваните от по-тежки фракции кораби и локомотиви. Постепенно бензиновата фракция измества керосина като основен продукт от преработката на черното злато, а тексаските находища дават мощен тласък в развитието на Америка. Именно този процес води и до първия значителен пробив в процесите на рафиниране и началото на истинската дълбочинна преработка на нефта свързана с химически преобразувания. По една ирония на съдбата разпадането на Standard Oil – превърнал се междувременно в огромна корпорация със всичките и присъщи бюрократични тежести – предизвиква първата голяма революционна промяна в преработката нефта. Когато раждането на Ford Model T в Америка, през 1908 година, скокообразно увеличава броя на автомобилите и съответно потреблението на бензин, последният внезапно се превръща в дефицитен продукт. За това има просто обяснение – до този момент бензиновата фракция се извлича с помощта на гореописаната проста атмосферна дестилация, а голяма част от останалите фракции са непотребен продукт. Тъй като въпросната фракция рядко надвишава 15-20% химиците все повече се замислят как да оптимизират процесите. Успехът се удава на учените от Standard Oil of Indiana – днешният Amoco, част от групата на BP. 

Шефът на производството Уилям Бъртън отдавна търси решение на този проблем, но идеите му не срещат отклик в централното ръководство на Standard Oil. Когато през 1911 година компанията се освобождава от желязната хватка на бюрократите от централата в Ню Джърси, идва златният момент на Бъртън. Свободни на работят върху нови процеси само след две години химиците му успяват да създадат контролиран процес на разбиване на молекулите на по-тежките фракции до такива с размери на молекулите съдържащи се в бензиновата фракция. Другояче казано химиците на Indiana успяват да превърнат тежките нефтени остатъци в бензин, при това с качество по-добро от това на дестилатния. Скоро патентът е закупен от множество други компании. Процесът се осъществява при висока температура и налягане, поради което е наречен термичен крекинг (от английската дума crack означаваща трошене, разрушаване). Явлението става известно на учените още от първите години на преработка на нефт, защото всеки опит да се разделят тежките фракции с допълнително нагряване води до разпадането на молекулите им преди въобще да се инициира тяхното изпарение. Именно по тази причина по късно ще бъде създаден процесът на „вакуумна дестилация”, която разделя отделните тежки фракции по изключително ниски налягания при които изпаряването става при по-ниска температура. 

Бъртън е първият химик успял да контролира крекинга и да получи бензинов „извлек”. Що се отнася до нефта като източник на горива, то той продължава своя победоносен ход – по време на Първата световна война, автомобилът утвърждава своята позиция и в тази област. В този мащабен въоръжен конфликт за първи път участват военни машини и танкове задвижвани с нефтени горива, а течното злато се превръща в стратегическа суровина. Появата на самолетите от своя страна изисква не само нов подход в търсене на по-леки и ефективни мотори, но кардинално нови горива.

.

(следва) 

.

Текст: Георги Колев