المركبات الكهربائية ومشكلة البنزين والوقود الاصطناعي

عندما تقف في محطة الوقود تملأ سيارتك ، يمكن أن تكون مشاهدة تلك الأرقام على المضخة تنقلب تجربة واقعية. لطالما كانت أسعار الوقود ، وخاصة سعر البنزين ، موضع مراقبة شديدة ، لذلك من الصعب تخيل وقت كان فيه البنزين منتجًا نفايات منخفض القيمة. لكن الكيروسين ، الذي يباع بشكل أساسي للإضاءة ، كان في يوم من الأيام ملكًا لصناعة البترول ، على الأقل قبل ظهور السيارة ، لدرجة أن البنزين المنتج أثناء تكرير الكيروسين كان يتم التخلص منه ببساطة في مجاري المياه للتخلص منه.

ربما يرتجف العقل الحديث من فكرة جريمة بيئية بهذا الحجم ، ولا يمكننا تخيل كيف يعتقد أي شخص أن هذا كان حلاً جيدًا للمشكلة. ومع ذلك ، فإننا نواجه الآن نفس المشكلة إلى حد كبير ، حيث أن زيادة كهربة أسطول السيارات في العالم يؤدي إلى انخفاض الطلب على البنزين. لفهم سبب كون هذه مشكلة ، سنبدأ بإلقاء نظرة على كيفية تكوين النفط الخام ، وكيف أن انخفاض الطلب على البنزين قد يتسبب في الواقع في مشاكل يجب أن نفكر فيها قبل أن نبتعد كثيرًا عن الطريق.

ضع القليل من العوالق في خزان الوقود الخاص بك

عندما تملأ خزان الغاز في سيارتك ICE أو سيارتك الهجينة وتبدأ تشغيل المحرك ، فإنك تغلق حلقة في العمليات الكيميائية التي بدأت منذ مليارات السنين. بدأ الوقود البتروكيماوي الذي يشغّل معظم المركبات كثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، والذي يلتهم بجشع تريليونات لا حصر لها من الكائنات المجهرية مثل العوالق والطحالب والبكتيريا الزرقاء من خلال عملية التمثيل الضوئي ، ويتم حبسها في البوليمرات الحيوية - الدهون والكربوهيدرات والبروتينات والأحماض النووية .

تضاعفت هذه الكائنات الدقيقة بشكل مثمر في محيطات وبحيرات الأرض البدائية ، وسقطت كرواسب عندما ماتت في النهاية. بنى مطر الموت المستمر طبقات سميكة من الرواسب غنية بالجزيئات العضوية. يتحلل معظم الكربون الموجود في هذه الرواسب عن طريق تفاعلات الأكسدة ، ولكن في بعض المناطق ، انتهى المطاف بطبقات واسعة من الوحل العضوي الغني مغطاة برواسب غير عضوية بفضل العمليات الجيولوجية. بعيدًا عن التأثيرات المسببة للتآكل للأكسجين وتعاني من زيادة الحرارة والضغط بفضل وزن المادة فوقها ، تحولت هذه الرواسب المتحللة جزئيًا تدريجياً إلى مادة الكيروجين ، وهي رواسب من المواد العضوية المحبوسة داخل صخرة رسوبية.

لم يتم توفير مؤلف يمكن قراءته آليًا. يفترض فافنر (استنادًا إلى مطالبات حقوق الطبع والنشر). CC BY-SA 3.0عبر ويكيميديا ​​كومنز

” data-medium-file =”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg?w=320″ data- Large-file=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg?w=320″ upload=”lazy” class=”wp-image-499516 size-full” src=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg ” alt=”عينة من الصخر الزيتي الكيروجين” width=”320″ height=”320″ srcset=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the- Gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg 320 واط، https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg?resize =250,250 250 واط” الأحجام=”(أقصى عرض: 320 بكسل) 100 فولت واط، 320 بكسل”>

في حين أن الكيروجينات غنية بالهيدروكربونات الكبيرة والمعقدة ، وبعضها غني بما يكفي لاستخدامه كوقود - الفحم هو في الأساس مادة كيروسين كانت كتلتها الحيوية الأولية عبارة عن نباتات أرضية إلى حد كبير - لا تتحول معظم المواد الكيروجينية بالكامل إلى بترول. يقال إن مواد الكيروجينات مثل حقول النفط الصخري في أمريكا الشمالية "غير ناضجة حرارياً" - فهي في الأساس لم تطبخ بشكل كافٍ. لكن الكيروجينات الأخرى ، تلك التي تحتوي على طبقات أعمق من الرواسب فوقها ، تمر بمزيد من التفاعلات الجيوكيميائية ، وتكسر الهيدروكربونات المعقدة إلى مركبات أبسط وأبسط مع مرور الوقت ، وتشكل في النهاية جيوبًا شاسعة من النفط الخام السائل.

المنتجات الأكثر نضجًا حرارياً ، تلك التي تم طهيها لفترة أطول ، هي الهيدروكربونات الغازية قصيرة السلسلة من غاز الميثان أحادي الكربون إلى البيوتان رباعي الكربون. على الطرف الآخر من طيف النضج الحراري ، تشكل الهيدروكربونات طويلة السلسلة ، التي ربما تحتوي على 40 كربونًا أو أكثر في سلاسلها ، مركبات الإسفلت السميكة واللزجة.

تميل الهيدروكربونات المهمة من حيث وقود المحركات ومواد التشحيم إلى أن تأتي من منتصف نطاق النضج الحراري. تميل وقود الديزل والكيروسين ووقود الطائرات إلى أن تأتي من C₉ ل C₁₆ النطاق ، مع سلاسل الكربون الأطول التي تشكل زيت الوقود الثقيل المستخدم لتزويد المحركات البحرية بالوقود. على الطرف الأقصر ، سي₅ ل C₈ تشكل مجموعة الهيدروكربونات الجزء الأكبر من البنزين ، وهو مزيج معقد من العديد من الهيدروكربونات المختلفة ، بما في ذلك الألكانات ذات السلسلة المستقيمة مثل الهكسان والأوكتان ، والألكانات الحلقية ، وأي عدد من المواد المضافة مثل الإيثرات والكحول ، بما في ذلك الإيثانول.

تقديرات خام

من المهم ملاحظة أن أي رواسب من النفط الخام ستحتوي على مزيج من الهيدروكربونات. سيكون بعضها أكثر ثراءً في سلاسل الهيدروكربون بطول واحد من الآخر ، ولكن بشكل عام ، سيحتوي كل رواسب على الأقل على جزء من كل جزء ، من الميثان إلى القار. يعتمد ما يوجد هناك على الظروف التي عاشها الكيروجين الذي شكل النفط الخام ، وكيف اختلطت الهيدروكربونات من مصادر مختلفة تحت الأرض بمرور الوقت.

وهذا يؤدي إلى المشكلة الأساسية لاستخراج البترول. في حين أن الوقود مثل الديزل والبنزين عبارة عن مواد كيميائية عالية الهندسة ، إلا أنها ليست كذلك خلق من النفط الخام. بل هم كذلك مكرر منه. قد يبدو هذا بديهيًا ، لكنها نقطة مهمة. يحتوي برميل النفط الخام النموذجي على حوالي 40-50٪ بنزين (أو بتعبير أدق ، سي₅ ل C₈ الكسور الممزوجة بالبنزين) ، ويحتوي 84٪ من كل برميل بالكامل على كسور من درجة الوقود ، عند إلقاء الديزل والكيروسين وزيت الوقود.

هذا هو أصل مشكلة البنزين. في الوقت الحالي ، تشكل السيارات الكهربائية جزءًا صغيرًا من إجمالي الأسطول - ربما 3٪ في جميع أنحاء العالم. ولكن في مرحلة ما ، من خلال مزيج من الهندسة الأفضل ، والضغط السياسي ، وتكنولوجيا البطاريات المحسنة ، والوعي بالمناخ ، فإن الطلب على السيارات الكهربائية سوف ينطلق بطريقة جادة. بعض التقديرات ثبت نسبة المركبات الكهربائية على الطريق في عام 2040 بنسبة 58٪ ، على الأقل لمركبات الركاب. هذا عدد كبير من المركبات التي لن تتوقف عند محطة الوقود المحلية لملء كل يومين ، مما يعني أن الطلب على البنزين سينخفض ​​بالضرورة.

لكن ، كما رأينا ، حوالي نصف كل برميل من النفط الخام is الغازولين. إذا لم نحتاج فجأة إلى الكثير من البنزين ، فإن الطريقة الوحيدة للتعامل مع انخفاض الطلب هي عدم تكريره من النفط الخام في المقام الأول. هذا يطرح مشكلة إذا كنا لا نزال بحاجة إلى أي من الكسور الأخرى ، وهو ما سنحتاجه على الأرجح. خذ الديزل كمثال. تقرير 2019 تشير التقديرات إلى أن أسطول الشاحنات المتوسطة والثقيلة سيصبح كهربائيًا بنسبة 4٪ فقط بحلول عام 2025 ، وأن معظم ذلك سيكون شاحنات تعمل في طرق التسليم المحلية والإقليمية ، ويرجع ذلك أساسًا إلى القيود المفروضة على عمر البطارية. على الرغم من ذلك ، من المحتمل ألا يتم تزويد شاحنات المسافات الطويلة بالكهرباء لفترة طويلة ، مما يعني أنه لا يزال يتعين تقطير النفط الخام لإنتاج الديزل لتشغيلها.

تنطبق نفس المشكلة على الطائرات - ما لم تتحسن تكنولوجيا البطاريات بشكل كبير ، فسنظل بحاجة للوصول إلى الكيروسين الموجود في النفط الخام. أضف الأسفلت اللازم لبناء الطرق ، ووقود المستودعات الثقيل اللازم للحفاظ على عمل سفن الشحن ، وزيوت التشحيم اللازمة لتشغيل أي شيء ميكانيكي إلى حد كبير ، ونواتج التقطير البترولية التي تدخل في الأسمدة ، والمستحضرات الصيدلانية ، والبلاستيك ، وستحصل على الوضع الذي يكون فيه كل شيء في برميل النفط مفيدًا ومطلوبًا على حد سواء - باستثناء البنزين ، والذي يحدث أنه الجزء الأكبر مما يوجد هناك.

الخطوات المقبلة

وهذه هي المشكلة: ما يقرب من نصف كل برميل نفط خام نقوم بضخه من الأرض مصنوع من شيء مقدّر له أن يكون عديم الفائدة ، على الأقل في عالم تهيمن عليه السيارات الكهربائية. ولن يكون ذلك سيئًا للغاية إذا لم تكن نسبة الـ 50٪ الأخرى من كل برميل تحتوي على أشياء مفيدة جدًا ؛ خلاف ذلك ، يمكننا ترك الزيت في الأرض واستدعاء المشكلة تم حلها. قد يكون هذا هو الحل النهائي ، بمجرد تحويل كل شيء يحرق الوقود حاليًا إلى مصدر طاقة آخر ، ولكن في غضون ذلك ، يتعين علينا إما معرفة ما يجب فعله بالبنزين الضائع ، أو إيجاد طريقة للحصول على الهيدروكربونات نحن بحاجة إلى طريقة أخرى.

التزم بالجزء الثاني من هذه السلسلة ، حيث سنبحث في الوقود الاصطناعي والزيوت الاصطناعية ، وكيف يمكننا أن نخطط طريقنا للتغلب على مشكلة البنزين.

المصدر: https://hackaday.com/2021/10/18/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels-part-1/