Xe điện, vấn đề xăng dầu và nhiên liệu tổng hợp

Khi bạn đang đứng ở trạm xăng đổ xăng cho ô tô của mình, việc nhìn những con số đó trên máy bơm lướt qua có thể là một trải nghiệm tỉnh táo. Giá nhiên liệu, đặc biệt là giá xăng dầu luôn được theo dõi sát sao nên khó có thể tưởng tượng có thời điểm xăng dầu là phế phẩm có giá trị thấp. Nhưng dầu hỏa, được bán chủ yếu để thắp sáng, đã từng là vua của ngành dầu khí, ít nhất là trước khi ô tô xuất hiện, đến mức xăng được sản xuất trong quá trình tinh chế dầu hỏa chỉ đơn giản là được đổ vào dòng suối để loại bỏ nó.

Tâm trí hiện đại có lẽ rùng mình khi nghĩ đến một tội ác môi trường ở mức độ nghiêm trọng như vậy, và chúng ta không thể tưởng tượng được làm thế nào mà có người lại nghĩ rằng đó là một giải pháp tốt cho vấn đề. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề tương tự, khi việc điện khí hóa ngày càng tăng của các phương tiện cơ giới trên thế giới đã đẩy nhu cầu xăng dầu giảm xuống. Để hiểu tại sao đây là một vấn đề, chúng ta sẽ bắt đầu bằng cách xem xét dầu thô được hình thành như thế nào và nhu cầu xăng giảm thực sự có thể gây ra những vấn đề như thế nào mà chúng ta nên suy nghĩ trước khi đi quá xa.

Đặt một sinh vật phù du nhỏ vào bể của bạn

Khi bạn đổ đầy bình xăng cho xe ICE hoặc xe hybrid và khởi động động cơ, bạn đang khép lại một vòng lặp về các quá trình hóa học đã bắt đầu từ hàng tỷ năm trước. Nhiên liệu hóa dầu cung cấp năng lượng cho hầu hết các phương tiện bắt đầu là carbon dioxide trong khí quyển, bị vô số nghìn tỷ sinh vật cực nhỏ như sinh vật phù du, tảo và vi khuẩn lam hấp thụ thông qua quá trình quang hợp và bị khóa vào các polyme sinh học của chúng - lipid, carbohydrate, protein và axit nucleic .

Những vi sinh vật này nhân lên một cách hiệu quả trong các đại dương và hồ trên Trái đất nguyên thủy, rơi xuống dưới dạng trầm tích khi cuối cùng chúng chết đi. Những cơn mưa tử thần liên tục tạo nên những lớp trầm tích dày, giàu phân tử hữu cơ. Hầu hết carbon trong các trầm tích này bị phân hủy thông qua các phản ứng oxy hóa, nhưng ở một số khu vực, các lớp chất nhờn hữu cơ phong phú rộng lớn cuối cùng bị bao phủ bởi các trầm tích vô cơ nhờ các quá trình địa chất. Bị khóa khỏi tác động ăn mòn của oxy và chịu nhiệt và áp suất ngày càng tăng nhờ trọng lượng của vật liệu ở trên chúng, những trầm tích bị phân hủy một phần này dần dần biến thành kerogen, một lớp vật chất hữu cơ bị nhốt bên trong đá trầm tích.

No machine-readable author provided. Fafner assumed (based on copyright claims)., CC BY-SA 3.0, qua Wikimedia Commons

” 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″ loading=”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=”A sample of oil shale, a kerogen” width=”320″ height=”320″ srcset=”https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg 320w, https://platoaistream.net/wp-content/uploads/2021/10/electric-vehicles-the-gasoline-problem-and-synthetic-fuels.jpg?resize=250,250 250w” sizes=”(max-width: 320px) 100vw, 320px”>

Trong khi kerogen rất giàu hydrocacbon lớn, phức tạp và một số thậm chí còn đủ giàu để sử dụng làm nhiên liệu – than về cơ bản là kerogen có sinh khối ban đầu chủ yếu là thực vật trên đất liền – thì hầu hết kerogen không chuyển đổi hoàn toàn thành dầu mỏ. Kerogen như các mỏ dầu đá phiến ở Bắc Mỹ được cho là “chưa trưởng thành về nhiệt” - về cơ bản là chúng chưa chín đủ. Nhưng các kerogen khác, những loại có lớp trầm tích sâu hơn lắng đọng bên trên, trải qua các phản ứng địa hóa sâu hơn, phá vỡ các hydrocacbon phức tạp của chúng thành các hợp chất ngày càng đơn giản hơn khi thời gian trôi qua, cuối cùng tạo thành các túi dầu thô lỏng khổng lồ.

Các sản phẩm trưởng thành về nhiệt nhất, những sản phẩm chín lâu nhất, là các hydrocacbon khí chuỗi ngắn từ metan một cacbon đến butan bốn cacbon. Ở đầu bên kia của quang phổ trưởng thành nhiệt, các hydrocacbon chuỗi dài, có lẽ có 40 nguyên tử cacbon hoặc nhiều hơn trong chuỗi của chúng, tạo thành các hợp chất nhựa đường dày và dính.

Các hydrocacbon quan trọng đối với nhiên liệu động cơ và chất bôi trơn có xu hướng ở giữa phạm vi trưởng thành nhiệt. Nhiên liệu diesel, dầu hỏa và máy bay phản lực có xu hướng đến từ C₉ đến C₁₆ phạm vi hoạt động, với các chuỗi cacbon dài hơn tạo thành loại dầu nặng dùng làm nhiên liệu cho động cơ hàng hải. Ở đầu ngắn hơn, C₅ đến C₈ Các loại hydrocacbon tạo nên phần lớn xăng, là hỗn hợp phức tạp của nhiều loại hydrocacbon khác nhau, bao gồm các ankan mạch thẳng như hexan và octan, xycloalkan và bất kỳ chất phụ gia nào như ete và rượu, kể cả etanol.

Ước tính thô

Điều quan trọng cần lưu ý là bất kỳ mỏ dầu thô nào cũng sẽ chứa hỗn hợp hydrocarbon. Một số sẽ giàu chuỗi hydrocarbon có chiều dài này hơn chiều dài khác, nhưng nhìn chung, mỗi lớp trầm tích sẽ có ít nhất một phần nào đó, từ metan đến bitum. Những gì ở trong đó phụ thuộc vào các điều kiện mà kerogen hình thành nên dầu thô trải qua và cách các hydrocacbon từ các nguồn khác nhau trộn lẫn dưới lòng đất theo thời gian.

Và điều đó dẫn đến vấn đề cốt yếu của việc khai thác dầu khí. Mặc dù nhiên liệu như dầu diesel và xăng là những hóa chất được chế tạo kỹ thuật cao nhưng chúng không tạo ra từ dầu thô. Đúng hơn là họ tinh chế từ nó. Điều đó có vẻ hiển nhiên, nhưng đó là một điểm quan trọng. Một thùng dầu thô thông thường chứa khoảng 40-50% xăng (hay chính xác hơn là C₅ đến C₈ các phân đoạn được pha trộn vào xăng) và toàn bộ 84% mỗi thùng chứa các phân đoạn cấp nhiên liệu khi bạn sử dụng dầu diesel, dầu hỏa và dầu hầm.

Đây là gốc rễ của vấn đề xăng dầu. Hiện tại, xe điện chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số xe - có lẽ là 3% trên toàn thế giới. Nhưng đến một lúc nào đó, thông qua sự kết hợp giữa kỹ thuật tốt hơn, áp lực chính trị, công nghệ pin được cải thiện và nhận thức về khí hậu, nhu cầu về xe điện sẽ tăng vọt. Một số ước tính chốt tỷ lệ xe điện trên đường vào năm 2040 ở mức 58%, ít nhất là đối với xe chở khách. Đó là một số lượng lớn các phương tiện sẽ không dừng lại ở trạm xăng địa phương để đổ xăng vài ngày một lần, đồng nghĩa với việc nhu cầu xăng chắc chắn sẽ giảm mạnh.

Nhưng, như chúng ta đã thấy, khoảng một nửa mỗi thùng dầu thô is xăng. Nếu chúng ta đột nhiên không cần nhiều xăng, cách duy nhất chúng ta có thể giải quyết nhu cầu giảm là không lọc nó từ dầu thô ngay từ đầu. Điều đó đặt ra một vấn đề nếu chúng ta vẫn cần bất kỳ phân số nào khác, điều mà chúng ta có thể sẽ cần. Lấy động cơ diesel làm ví dụ. Một báo cáo 2019 ước tính rằng đội xe tải hạng trung và hạng nặng sẽ chỉ chạy điện khoảng 4% vào năm 2025 và phần lớn trong số đó sẽ là xe tải chạy trên các tuyến giao hàng địa phương và khu vực, chủ yếu là do hạn chế về thời lượng pin. Tuy nhiên, xe tải đường dài có thể sẽ không được điện khí hóa trong một thời gian dài, nghĩa là dầu thô vẫn sẽ phải được chưng cất để sản xuất dầu diesel chạy chúng.

Vấn đề tương tự cũng xảy ra với máy bay - trừ khi công nghệ pin được cải tiến mạnh mẽ, chúng ta vẫn cần sử dụng dầu hỏa có trong dầu thô. Thêm vào đó là nhựa đường cần thiết cho việc làm đường, nhiên liệu hạng nặng cần thiết để duy trì hoạt động của tàu chở hàng, chất bôi trơn cần thiết để chạy hầu hết các loại máy móc, và các sản phẩm chưng cất dầu mỏ dùng để sản xuất phân bón, dược phẩm và nhựa, và bạn đã có một tình huống mà mọi thứ trong một thùng dầu đều hữu ích và cần thiết - ngoại trừ xăng, thứ chiếm phần lớn những gì có trong đó.

Bước tiếp theo

Và đó chính là vấn đề: gần một nửa số thùng dầu thô mà chúng ta bơm lên từ lòng đất được làm từ thứ được coi là vô dụng, ít nhất là trong một thế giới bị thống trị bởi xe điện. Và điều đó sẽ không tệ đến thế nếu 50% còn lại của mỗi thùng không chứa những thứ cực kỳ hữu ích; nếu không, chúng ta có thể để dầu ở dưới đất và coi như vấn đề đã được giải quyết. Đó có thể là giải pháp cuối cùng, một khi mọi thứ hiện đang đốt nhiên liệu được chuyển đổi sang một số nguồn năng lượng khác, nhưng trong lúc chờ đợi, chúng ta sẽ phải tìm cách xử lý lượng xăng thải hoặc tìm cách thu được hydrocarbon chúng ta cần một số cách khác.

Hãy theo dõi phần hai của loạt bài này, nơi chúng ta sẽ tìm hiểu về nhiên liệu tổng hợp, dầu tổng hợp và cách chúng ta có thể giải quyết vấn đề xăng dầu.

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