Kuidas Külmkütus Töötab

{h1}

Külma kütust saab kasutada planeedi kuumutamiseks. Lisateavet külmutatud kütuse ja selle kasutamise kohta käesolevas artiklis.

Üks iseenesest ei ole metaan väga põnev. See on värvitu, lõhnatu gaas ja süsivesinike alkaanide seeria lihtsaim liige. Selle suurimaks kuulsuseks on see, et maagaasi peamine koostisosa on energiaallikana kasulik.

Kuid hiljuti on geoloogid avastanud metaani, mis on nende uudishimu põrutanud. Osa selle ebaharilikust iseloomust on see, kuidas see eksisteerib oma looduslikus olekus - jää peal olevas puuris. Veelgi huvitavam on see, kui palju see külmutatud metaan näib olevat Maa koorikus lukustatud. Mõned hinnangud näitavad, et kuni 700 quadrillion (700 × 1015) kuupmeetrit (20 kvadriljooni kuupmeetrit) metaani on ümbritsetud jääga ja lõksus merepõhja setetes üle kogu maailma [allikas: Tarbuck]. See on kaks korda rohkem süsinikku kui Maa muud fossiilkütused koos.

Uue metaani tüüpi avastamine, mida teadlased nimetavad metaanhüdraaton viinud kaks olulist küsimust. Esimene on pragmaatiline: kas see põleb nagu tavaline metaan? Selgub, et see on. Kui te võtate metanhüdraadi - see näeb välja nagu täispuhutav lumi - ja puudutage valgustatud vastet, siis proov põleb punakas leegiga. Ja kui see nii on, saab seda kasutada kodude kütmiseks, autode kütmiseks ja üldiselt energiatundlikele riikidele nagu Jaapan, Ameerika Ühendriigid, India ja Hiina. Hiljutised andmed näitavad, et vaid 1% Maa metaani hüdraadi hoiustest võib tuua piisavalt maagaasi, et rahuldada Ameerika energiavajadusi 170 000 aastat [allikas: Stone].

Teine küsimus on osaliselt eetiline kaalutlus: kas peaksime globaalse kogukonnana, kes püüdleme innukalt puhta ja taastuva energia arendamiseks, võtma kasutusele ühe fossiilkütuste, mis on meie jaoks kõigepealt hädas? Teadus ei saa sellele küsimusele vastata. Siiski võib see välja tuua väljakutsed ja riskid, mis seisavad silmitsi riikidega, kes soovivad kasutada metaanhüdraati. Üks olulisemaid väljakutseid on leida külmutatud kütuse ekstraktimise tõhusad viisid. Veelgi murettekitav on võimalikud katastroofid - ulatudes tohututest veealustest maalihkedest kuni põruva kasvuhooneefektiga - seotud metaani kaevandamisega.

Käesolevas artiklis uurime kõiki metaani hüdraadi positiivseid ja negatiivseid tulemusi. Vaatame selle suhteliselt lühikest ajalugu ja seda, kuidas see sobib mõne võimaliku tulevase stsenaariumi korral. Ja muidugi uurime selle nn "tuleohtliku jää" taga põhiteadust.

Alustame mõne keemiaga.

Kuidas külmkütus töötab: töötab

Tuli ja jää: metaanhüdraadi keemia

Metaani molekuli esindatus sinise kera tähistava süsiniku ja nelja punase sfääriga, mis tähistab vesinikku

Metaani molekuli esindatus sinise kera tähistava süsiniku ja nelja punase sfääriga, mis tähistab vesinikku

Külmutatud kütus on ainulaadne nimetus ainete perekonnaks gaashüdraadid. Kõnealune gaas on maagaas, süsivesinike segu, nagu metaan, propaan, butaan ja pentaan. Neist metaan on siiani kõige levinum komponent ja üks keemiliselt kõige enam uuritud ühendeid.

Nagu kõik süsivesinikud, sisaldab metaan ainult kahte elementi - süsinikku ja vesinikku. See on näide a küllastunud süsivesinik, või molekul, mis koosneb täielikult üksikutest sidemetest ja seega maksimaalselt lubatud vesinikuaatomite arv. Küllastunud süsivesinike üldvalem on CnH2n + 2. Metaanil on ainult üks süsinikuaatom, seega on selle keemiline valem CH4. Kemistrid kirjeldavad seda kuju tetraeedrina.

Metaan on taimsete ja loomsete ainete bakteriaalse lagunemisega tekitatav värvitu lõhnatu põlevgaas. See moodustab protsessi, mida jagavad kõik fossiilkütused. Esiteks, merelised taimed ja loomad surevad ja langevad merepõhja. Järgnevalt katavad lagunevad organismid muda ja muud merepõhja setted. Setetes avaldatakse orgaanilisele ainele palju survet ja hakatakse seda kokku suruma. See kokkusurumine koos kõrgel temperatuuril lagundab orgaanilise aine süsiniku sidemeid, muutes selle õliks ja maagaasiks.

Üldiselt paikneb see metaan - mida geoloogid nimetavad "tavapäraseks" metaaniks - maapinna all. Selle saavutamiseks peavad töötajad läbima kivimite ja setted ning lasta gaasist vabaneda metaani hoiused. Siis pumbatakse see pinnale, kus seda transporditakse läbi torude kogu riigis.

Metaan võib samuti tekkida tavapäraselt, kui selle tootvad setted asuvad umbes 1,640 jalga (500 meetrit) alla ookeani pinnast. Külmumistemperatuur ja nende tingimuste kõrgest rõhust põhjustab metaan jääs. Metaan ei liimuta veega keemiliselt. Selle asemel asub iga tetraadeemiline metaani molekul jäätist kristallilise kestadesse. See ainulaadne aine on tuntud kui metaanhüdraat, ja niipea, kui see saavutab soojemaid temperatuure ja madalama rõhu, jää sulab ära, jättes puhta metaani maha.

Geoloogid avastavad looduslikult esineva metaanhüdraadi alles hiljuti, kuid keemikud on seda juba aastaid teadlikud, nagu näeme järgmist sektsiooni.

Klatraatühendid

Metaani hüdraat on a klatraat, keemiline aine, mis on valmistatud ühest ühendusest, mis on teineteise külge kinnitatud. See sõna pärineb ladina keeles clatratus, mis tähendab "baarid" või "võre". Üks ühend toimib vastuvõtjana, teine ​​külaline. Metaani hüdraadi puhul on vesi peremees ja külaline on metaan. Sel põhjusel viitavad keemikud mõnikord klatraatidele kui host-külaliste kompleksid.

Metaani hüdraadi lühikest ajalugu

2002. aastal Mehhiko lahtest taastunud gaashüdraadi tükid

2002. aastal Mehhiko lahtest taastunud gaashüdraadi tükid

Gaasiküdraatide ajalugu saab jälgida Inglismaal Cornwalli keemikust Humphrey Davy'ist, kes määratles kloori elemendina 1810. aastal.

Davy ja tema assistent, Michael Faraday, jätkasid 1800. aastate alguses klooriga töötamist, segades rohelist gaasi veega ja jahutades segu madalatemperatuurini.

On väga tõenäoline, et Davy täheldas kummaline tahkis, mille tulemusena kloori aatomid jäid jääkristallidesse kaetud, kuid Faraday saab avastuse eest ametliku hinnangu. 1823. aastal avaldas Faraday kummalise aine kirjeldava aruande ja kutsus seda klooriklaathüdraadiks. Varsti avastati muud tüüpi klatraadid, millest igaüks hõlmas peremehe võre struktuuris lukustatud külalisühendit, kuid need jäid endiselt laboratoorseks uudishimu.

Siis hakkasid aastakümmet 30ndad loodusgaaside kaevandajad kaevama külmade temperatuuridega kokkupuutunud ummistuste torujuhtmeid. Teadlased otsustas, et see materjal ei olnud puhas jää, kuid jää asetati metaani ümber. Nad ei raisanud aega, üritades leida võimalusi, kuidas vältida hüdraatide moodustumist ja peamiselt kemikaale, nagu metanool või monoetüleenglükool. Alates sellest ajast on kaevandusettevõtted lisanud need materjalid oma looduslike gaasijuhtmetega, et pärssida hüdraadi moodustumist.

1960ndatel teadlased avastasid, et Lääne-Siberis Messoyakha gaasiväljal esines metaanhüdraati või "tahket maagaasi". See oli oluline, sest looduslikke gaashüdraate pole kunagi varem leitud. Geoloogid ja keemikud jõudsid tohutu basseini ja hakkasid uurima tingimusi, milles hüdraadid moodustasid. Nad leidsid, et allmaa-lõhnade setted olid rikas hüdraatide ja hakkasid otsima sarnaseid hoiuseid teistes kõrgel laiuskraadides. Varsti leidis teine ​​teadurite meeskond metaanhüdraati settes, mis olid maetud Alaska põhjapoolse nõlva alla.

Nende varajaste avastuste põhjal viisid U.S. geoloogilise uuringu (USGS) ja energeetikaministeeriumi riikliku energiatehnoloogia laboratoorium läbi laialdasi uuringuid aastatel 1982-1992, mis näitas, et ka metaanhüdraadi hoiuseid võib leida ka avamere settes. Järsku tundus see, et kord oli uudishimu ja tööstuslikud häired, see võib olla märkimisväärne ressurss. 1990. aastate keskpaigas võttis Jaapan ja India metaanhüdraadi uuringutes juhtrolli, eesmärgiga leida rohkem hoiuseid ja arendada võimalusi, kuidas mahajäetud metaani majanduslikult välja tõmmata. Teadlased on sellest ajast alates avastanud metaanhüdraadi hoiuseid paljudes kohtades, sealhulgas Mackenzie jõe delta Kanadas ja Nankai toru Jaapani rannikul.

Järgnevalt kaalume mõju, mida metaanhüdraadil võib olla maailma energiavarustus.

Külmutatud kütuse potentsiaal

Peamised metaani hüdraadi väljad

Peamised metaani hüdraadi väljad

Kui teadlased hakkasid otsima metaani hüdraadi hoiuseid, ei olnud nad pettunud. Nad leidsid nad all Arktika igikeltsa ja merepõhja all, eriti piirkondades, kus üks teekooniline plaat libiseb üle teise. Need piirkonnad on tuntud kui subduktsiooni tsoonid sest ühe plaadi serv liigub teise all. Näiteks Washingtoni ja Oregoni rannikul asuvad Juan de Fuca plaat Põhja-Ameerika plaadi alla. Nagu puidu tükk tõmmatakse üle tasapinna tera, eemaldatakse Juan de Fuca plaadi setted, sealhulgas hüdraadid, Põhja-Ameerika plaadi kivise kooriku abil. See loob hüdraatide ridge, mis jookseb rannikuga paralleelselt.

Hüdraatdeposiitidest leiti ka piirkondades, kus suurte ookeanihoovustega kokku puututakse. Blake'i ridge on Lõuna-Carolina rannikust moodne koosseis, mis ulatub sügavusel 6562-157448 jalga (2000-4800 meetrit). Geoloogid usuvad, et ridge oli moodustatud oligotsieeni ajal, umbes 33,7-23,8 miljonit aastat tagasi. Sel ajal avati Gröönimaa meri, võimaldades tohutul hulgal külma ja tiheda veega lõunapoolset mööda Atlandi ookeani rannikut. Kuna see külm vesi ulatub sooja veega, mis viiakse Gulf Streami põhja suunas, aeglustuvad voolud ja langevad suures koguses setteid. Nende setetega maetud orgaaniline materjal lõpuks tekitas suures koguses metaanhüdraati.

Kui suur osa külmutatud kütusest eksisteerib Blake Ridge'is ja mujal maailmas? Mõnede hinnangute kohaselt on metaani kogus hüdraatidest lukustatud igal pool 100 000 triljonist kuni 300 000 000 triljoni kuupbiini (2832 triljonit kuni 8 495 054 triljonit kuupmeetrit). Võrrelge seda 13000 triljoni kuupmeetrise jalaga (368 triljonit kuupmeetrit) tavalistest maagaasivarudest, mis jäävad planeedile, ja saate mõista, miks teadusringkondades on lõualuukud langenud [allikas: Collett].

Loomulikult on hüdraadi hoiuste leidmine üks asi. Nagu näeme järgmises jaotises, on nende väljaviimine ja ohutu käitumine täiesti teine ​​asi.

Riskiga äri kaevandamise metaani hüdraat

Gaasi hüdraadi väljadest metaani vabastamise võimalikud hüved peavad olema tasakaalustatud riskidega. Ja riskid on märkimisväärsed. Alustame kõigepealt kaevandusettevõtete ja nende töötajate ees seisvate väljakutsetega. Enamik metaani hüdraadi hoiuseid asub merepõhja setetes. See tähendab, et puurimisplatvormidel peab olema võimalik jõuda rohkem kui 1600 jalga (500 meetrit) vette ja siis, kuna hüdraadid asuvad üldiselt kaugel maa all, veel mitu tuhat jalga, enne kui nad saavad ekstraheerimist alustada. Hüdraadid kipuvad moodustama piki mandri nõlvade alumist serva, kus merepõhi kukub suhteliselt madalast riiulist kaevu poole. Kergelt kaldus merepõhi muudab torujuhtme keeramise keeruliseks.

Isegi kui võite ohutult seisma panna, on metaanhüdraat ebastabiilne, kui see eemaldatakse süvamere kõrge rõhu ja madala temperatuuriga.Metaan hakkab põgenema ka siis, kui seda transporditakse pinnale. Maagaasi lekke vältimise viis ei pruugi ekstraheerimine olla efektiivne. See on natuke sarnane veetava veega, kasutades auke läbipaistvat vett.

Uskuge või mitte, see lekkimine võib olla vähemalt mure. Paljud geoloogid kahtlustavad, et gaasi hüdraadid mängivad olulist rolli merepõhja stabiliseerimisel. Nendes ookeanihoones puurimine võib põhjustada merepõhja destabiliseerumist, põhjustades suurte setete voolu, et liikuda miili alla mandri nõlva. Tõendid näitavad, et sellised veealused maalihked on minevikus toimunud (vt külgriba), millel on laastavad tagajärjed. Nii palju sette liikumine põhjustab kindlasti tohutut tsunamit, mis sarnaneb 2004. aasta detsembris India ookeani tsunami nähtusega.

Võimalikult suurim probleem on see, kuidas metaanhüdraadi kaevandamine võib mõjutada globaalset soojenemist. Teadlased teavad juba, et hüdraadi hoiused eraldavad vähesel määral metaani. Gaas töötab ise taevas - kas mullides läbi igemeaaldise või ookeani vee - kuni see vabaneb atmosfääri. Kui metaan on atmosfääris, muutub see kasvuhoonegaasiks, mis on päikesekiirguse püüdmisel isegi tõhusam kui süsinikdioksiid. Mõned eksperdid kardavad, et hüdraadi hoiustamine võib põhjustada metaani katastroofilisi lekkeid, mis kiirendavad oluliselt globaalset soojenemist.

Kas see muudab metaani hüdraadiväljadest väljaspool? See on küsimus, mida kogu maailma inimesed püüavad vastata.

Liikuvad mäed

Üks ajaloo suurimaid maalihkeid ei esinenud maal, vaid veealal, just Norra rannikul. See ei toimunud ka hiljutises ajaloos, vaid Holotseeni ajal, umbes 8000 aastat tagasi. Selline sündmus põhjustas Potgga allveelaevade maalihete tohutul hulgal setteid, mis lendasid umbes 497 miili (800 kilomeetrit) alla mandri nõlva. See omakorda käivitas mega-tsunami, võib-olla 82 jalga (25 meetrit) kõrge, mis tabas Norra ja Šotimaa.

1998. aastal leidsid Vene teadlased Storegga slaidi saidi läheduses ebastabiilse hüdraatvälja. Nüüd usuvad teadlased, et hüdraatide kiire lagunemine, mis on seotud temperatuuri ja rõhu muutustega, mis jõuavad viimase jääaja lõpuni, destabiliseeris seteid ja põhjustas maalihe.

Külmutatud kütuse tulevik

Lõuna-Korea protestijad 2006. aastal näitavad Jaapani kavatsust saata vaatluslaevad mõlema riigi poolt väidetavateks veteks. Vaidlusalused veed on rikas kalapüük ja arvatakse olevat metaani hüdraadi hoiused.

Lõuna-Korea protestijad 2006. aastal näitavad Jaapani kavatsust saata vaatluslaevad mõlema riigi poolt väidetavateks veteks. Vaidlusalused veed on rikas kalapüük ja arvatakse olevat metaani hüdraadi hoiused.

1997. aastal käivitas USA energeetikaministeerium uurimisprogrammi, mis lõpuks lubaks metaani kaubanduslikku tootmist gaashüdraadi hoiustest 2015. aastaks. Kolm aastat hiljem lubas Kongress rahastada Metaani hüdraadi teadus- ja arendustegevuse seadust 2000. aastal. Interagency Koordineerimiskomitee (ICC), kuue valitsusasutuse koalitsioon, on edendanud teadusuuringuid mitmel pool. Suur osa sellest, mida me teame metaanhüdraadi põhiteadusest - kuidas see moodustab, kus see moodustab ja millist rolli see mängib - nii merevee stabiliseerumisel kui ka globaalsel soojenemisel - tuleneb Rahvusvahelise Kriminaalkohtu uurimistööst.

Samuti tekib huvitavaid ideid selle kohta, kuidas metaani tõhusalt hüdraadilt ekstraheerida. Mõned eksperdid pakuvad tehnikat, mille järgi kaevurid pumbavad kuuma vett puuriavasse hüdraadi sulatamiseks ja vabastavad püütud metaani. Kuna metaan põgeneb, pumbatakse see merepõhjasse läbi kaaslase puuriavu. Sealt allveelaevade torujuhtmed kannavad maagaasi maal. Kahjuks peaksid sellised torujuhtmed läbima rasket veealust maastikku. Üks lahendus on merepõhja tootmisüksuse rajamine, nii et see asub hüdraadi hoiuste läheduses. Kui metaan pääseb kuumutatud setetest välja, vabanevad taime töötajad gaasi, et see moodustaks puhta metaani hüdraadi. Seejärel püüdnud allveelaev külmunud kütust tohutu ladustamiskastiga madalamatele vetes, kus metaani saaks ohutult ja tõhusalt välja tõmmata ja transportida.

Kas see kõik on vajalik? Kas taastuvad energiaallikad ei muudeta aja raiskamist, et jõuliselt jätkata taastuvat fossiilkütust? Tegelikult on fossiilkütused tulevase aastakümnete jaoks maailma energia kogukonna oluliseks komponendiks. Energiateabeameti (EIA) sõnul peaks kogu USA maagaasi tarbimine 2030. aastal suurenema umbes 22 triljoni kuupmeetri (0,622 triljoni kuupmeetri) ulatuses 2030. aastaks umbes 27 triljoni kuupmeetrini (0,76 triljonit kuupmeetrit). Ülemaailmne maagaas eeldatavasti suureneb tarbimine samal perioodil 182 triljoni kuupmeetrini (5,15 triljonit kuupmeetrit) [allikas: KMH]. Sellise nõudluse rahuldamisel on ilmselgelt oluline roll ka hüdraatide lukustatud metaani puudutamisel.

See tähendab, et metaanhüdraadi külmutatud kütus võib osta rohkem aega, kui teadlased otsivad meie planeedi võimsuse alternatiive. Mõelge sellele kui olulisele sammule üleminekul puhtamatele ja keskkonnasäästlikumatele energiaallikatele.

Kuidas Külmkütus Töötab


Video Täiendada: .




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2024 ET.WordsSideKick.com