At ramme naturgasjackpotten

Sammenlignet med olie er naturgas så rigeligt, at det er svimlende. Påviste oliereserver er gode for yderligere en billion tønder eller deromkring. Med dagens forbrugshastighed vil de holde omkring 40 år. Tilføj oliereserver, der menes at eksistere, men stadig uopdagede, og tidslinjen strækker sig over omkring 160 år.

Kendte reserver af naturgas, som hovedsageligt består af den simple kulbrinte metan, vil vare i omkring 50 år med nutidens forbrug. Skøn over sandsynlige, men endnu uopdagede gasressourcer udvider denne fremskrivning til omkring 200 år. Men når den naturgassen, der menes at ligge begravet dybt under havet i metanhydrater, tilføjes, er potentialet forbløffende. Hydrater, iskrystaller, der fanger metanmolekyler, dannes under en dybde på 300 meter som følge af metanproducerende bakterier. Meget lidt vides om, hvor meget gas der er opflasket i disse krystaller, eller hvordan man får det ud, men de bedste gæt er, at reserverne, selv med naturgasforbruget fordoblet i løbet af de næste årtier, kan vare titusinder af år .

Denne historie var en del af vores januarudgave fra 2002

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Uanset hvordan du regner, er der meget naturgas derude. En tilføjelse til dens tiltrækningskraft som fremtidens brændstof er, at metan brænder langt renere end olie. Men der er et stort problem: Naturgas er flygtigt og dyrt at transportere. En af oliens skønheder er, at du kan hælde den ned i rør, læsse den på tankskibe eller pramme og sikkert sende den rundt i verden. Naturgas derimod sendes oftest som en væske, som skal holdes ved en temperatur på -130 C eller ved titusindvis af atmosfærers tryk. Det kan også transporteres som en gas i rørledninger, men fordi gassen skal holdes komprimeret, er det et dyrt forslag: Et skøn er, at en rørledning til at få gas ud af Alaska og ind i Lower 48 vil koste omkring $15 til $20 milliarder. at bygge.

Indlæg det faktum, at mange store reserver er på fjerntliggende steder som Alaskas nordskråning eller Sibirien, og resultatet er, at meget af verdens naturgas nu er kommercielt værdiløs. Af den [naturgas], som alle er enige om, er der, har over halvdelen absolut ingen markedsværdi, siger Mark Agee, præsident for Syntroleum, et energiselskab i Tulsa, OK. Ingen som helst. Det er på steder som Australiens nordvestlige hylde, Papua Ny Guinea, Afrikas vestkyst, Alaskas nordskråning. Virkelig fjerntliggende steder uden klar marked tæt på.

For en kemiingeniør er løsningen på dette dilemma, i hvert fald i teorien, relativt enkel. Hvis du kemisk kunne omdanne denne farlige gas til et flydende kulbrinte, såsom syntetisk olie eller endda benzin, kunne den transporteres let og billigt ved stuetemperatur og normalt tryk. Disse syntetiske brændstoffer kan strømme direkte ind i eksisterende olierørledninger eller sættes ombord på tankskibe på vej til markedet. Efter yderligere forfining kunne de endda distribueres gennem det eksisterende netværk af tankstationer. Som en ekstra handel vil de resulterende brændstoffer også være fri for svovl og aromatiske forurenende stoffer, som forurener andre olieprodukter, eftersom udgangsmaterialet er naturgas med næsten ingen svovl. Du ville med andre ord have en let tilgængelig kilde til brændstof, der potentielt er langt billigere og renere end olie.

Nogle af verdens største olieselskaber investerer nu milliarder af dollars på at bygge raffinaderier, der bruger gas-til-væske-teknologi til at omdanne metan til ultraren diesel og benzin. Ved at bruge højtryks-, højtemperatur-raffinaderiprocesser, vil disse nye anlæg, som bygges på steder som Bintulu, Malaysia, forvandle naturgas til flydende produkter, der let kan sendes til markedet og sandsynligvis er omkostningskonkurrencedygtige med olieprodukter.

Men nogle forskere mener, at de har en langt bedre idé. De processer, der anvendes på de nye fabrikker, er baseret på kemi, der går tilbage til begyndelsen af ​​1920'erne og er dyre og ineffektive. En lille gruppe kemikere og kemiingeniører arbejder på at opdage katalysatorer - materialer, der fremskynder kemiske reaktioner, men som ikke selv forbruges i processen - til direkte at omdanne naturgas til flydende brændstoffer ved lave temperaturer og tryk. Hvis disse katalysatorer virker - og det er stadig en kæmpe hvis -de vil muliggøre billige, simple raffinaderiprocesser, der kan frigøre de enorme uudnyttede naturgasreserver. Faktisk ville de tvinge eksperter til at lave deres beregninger af verdens energiforsyninger om. Pludselig kunne de uudnyttede metanressourcer i Sibirien og det nordlige Canada være lige så vigtige for verden som de store oliefelter i Saudi-Arabien.

Sort Fortid

Ideen om at lave flydende syntetiske brændstoffer er ikke ny. I 1923 opdagede to tyske kulforskere, Franz Fischer og Hans Tropsch, en måde at omdanne Ruhrdalens rigelige kulreserver til syntetisk olie. Fischer og Tropsch vidste, at hvis de opvarmede en bunke kul, ville de producere en blanding af kulilte og brint. Forskerne fandt ud af, at ved at føre denne gas over metalkatalysatorer kunne de fremstille syntetisk brændstof. Under Anden Verdenskrig brugte den tyske regering Fischer-Tropsch-processen til at producere omkring 600.000 tønder om året militært brændstof fra landets rigelige kulforekomster.

Efter krigen rev allierede efterretningstjenester de tyske fabrikker fra hinanden for at finde ud af, hvordan de fungerede, og et lille Fischer-Tropsch-anlæg blev drevet i Brownsville, TX, fra 1948 til 1953. I 1950'erne fandt den sydafrikanske regering sig, som f.eks. det nazistiske regime, med ringe eller ingen adgang til petroleum; den vendte sig mod Fischer-Tropsch-processen og byggede flere anlæg til at omdanne kul fra landets omfattende forekomster til syntetiske brændstoffer.

Og der kunne teknologien være blevet, for det meste begrænset til nationer, der sulter efter olie, bortset fra nutidens voksende fristelse til at udnytte de enorme reserver af fjerntliggende, billig naturgas. Metan kan ligesom kul bruges til at fremstille en blanding af carbonmonoxid og brint; bortset fra udgangsmaterialet fungerer brændstofsynteseprocessen nøjagtigt på samme måde som med kul. Exxon Mobil, Shell og Sydafrikas Sasol er alle involveret i store projekter for at omdanne naturgas til væske. Alt i alt planlægger de store olieselskaber at bruge næsten 10 milliarder dollars på gas-til-væske-kapacitet i fremtidige anlæg.

En af de mindre, mere aggressive spillere er Tulsa's Syntroleum. Ligesom de store oliekoncerner satser Syntroleum på Fischer-Tropsch-konvertering for at omdanne strandet naturgas til let transporterede ultrarene flydende kulbrinter. Takket være forbedrede katalysatorer og reaktordesign, siger virksomheden, er flydende kulbrinter fremstillet af metan nu ekstremt konkurrencedygtige med olie på markedet. De syntetiske brændstoffer, vi kan lave, er 100 procent kompatible med konventionelle produkter, siger Syntroleums præsident Mark Agee. Med naturgas er råvareprisen [i olieækvivalente tønder] alt fra nul til $10 pr. tønde sammenlignet med petroleum på $20. Vi har fået tilbudt os gas på Afrikas vestkyst til en nikkel pr. tusinde kubikfod eller 50 cents pr. tønde.

Perfekt katalysator

Men Fischer-Tropsch-processen er i sagens natur ineffektiv og dyr - og fra en kemikers synspunkt i sagens natur klodset. Processen kræver temperaturer på omkring 800 til 900 oC, og dem opnås ved at brænde en del af den gas, der omdannes. Teknologien er også relativt ikke-selektiv og producerer en lang række kulbrintemolekyler, hvoraf nogle er ubrugelige. Grundlæggende er det, der er galt, at det er 1940'ernes teknologi, siger Roy Periana, kemiker ved University of Southern California. Den bruger brute force og høje temperaturer for at opnå konverteringerne.

Giv enhver organisk kemiker en blyant og papirblok, og han eller hun kunne hurtigt tegne en enkel, mere elegant vej til flydende kulbrinter. Naturgas er stort set metan; at omdanne det til methanol, en væske, der er let at transportere, er simpelthen et spørgsmål om at tilføje et iltatom til metanmolekylet. Der er dog et par store problemer med at omdanne denne teori om direkte syntese til kemisk virkelighed. Katalysatoren skal bryde de tætte carbon-hydrogen-bindinger i metan for at lade ilten reagere. Og her bliver det virkelig vanskeligt - reaktionen skal tilføje et enkelt oxygenatom til hvert metanmolekyle; lad det fortsætte og tilføje et ekstra iltatom, og du skaber værdiløs kuldioxid.

Tricket kan trækkes ud i laboratoriet, men eksisterende katalysatorer er ikke effektive nok til at producere det udbytte, der kræves for at konkurrere med olie. Periana har for det første jagtet den perfekte katalysator i mere end et årti. I midten af ​​1990'erne arbejdede Periana hos et lille californisk firma kaldet Catalytica, hvor han ledede et team, der arbejdede på nye katalysatorer til denne direkte konvertering. Hos Catalytica opdagede vi to systemer, siger han. Den ene var en kviksølvkatalysator, der gav 40 procent udbytte i ét trin ved 180 grader. Det andet var et platinsystem, der gav 70 procent udbytte ved 220 grader. På det tidspunkt begyndte folk at sige, at det måske virkelig var muligt. Men disse lovende indledninger stødte på nogle uforanderlige fakta om grundlæggende kemi. Mens den direkte omdannelse af metan var imponerende fra et kemisynspunkt, var det stadig ikke kommercielt levedygtigt. Hvis du skal erstatte en råvareproces som denne, siger Periana, er du virkelig nødt til at have en revolutionerende proces. Marginale forbedringer vil ikke gøre det.

På trods af kemi-spærringerne er Periana fortsat optimistisk. Vi har nogle leads, og det kobler vi sammen med viden om, hvordan tidligere systemer har fungeret. Og lige nu er det rimeligt at sige, at dette er et løb. Det grundlæggende er lagt, og det er et spørgsmål om, hvem der kommer først, siger han. Spørgsmålet i alles sind er nu, hvem der finder den rigtige katalysator og hvornår, og hvad vil det være. Det er ikke engang et spørgsmål om.'

Naturens puslespil

Selv store olieselskaber, der investerer i at omdanne metan til flydende brændstoffer gennem indirekte tilgange, finansierer forskning i direkte konvertering. Sidste år tildelte BP 1 million dollars om året i 10 år hver til University of California, Berkeley og Caltech til metankonverteringsforskning - med en del af bevillingen øremærket til direkte konvertering. Katalysatorsøgningen, siger Alex Bell, en kemiingeniør hos Berkeley, er en kombination af kunst og videnskab. Jeg kan ikke sidde ned lige nu og sige, at der er en algoritme til at finde en katalysator for en given reaktion. Du bygger på tidligere viden om, hvad der virker, og forsøger at forbedre det med en viden om grundlæggende kemi. Meget af det er at forsøge at etablere mønstre og strategisk tænkning om de kemiske principper, der fører metan til målrettede produkter.

Og ingen forventer et gennembrud i morgen. Enrique Iglesia, en anden Berkeley kemiingeniør involveret i BP-programmet, har arbejdet på metankonvertering i næsten 20 år. Direkte metankonvertering er noget, vi drømmer om, men naturen kommer i vejen, siger han. Metan har en af ​​de stærkeste bindinger, vi kender, og dens reaktionsprodukter har normalt svagere bindinger. Det er svært at stoppe ved de ønskede produkter, så det er en hård kemi.

De færreste har måske mistanke om, at løsningen på verdens energiproblemer vil komme ud af det esoteriske felt af katalysevidenskab. Men med de enorme, uudnyttede reserver af naturgas derude, der sætter gang i kemikernes fantasi, fortsætter jagten på den perfekte katalysator. Hård kemi, men hvis det lykkes, vil det ændre verdens energiberegninger.

skjule