Vincere il jackpot del gas naturale

Rispetto al petrolio, il gas naturale è così abbondante da essere sbalorditivo. Le riserve accertate di petrolio valgono per un altro trilione di barili o giù di lì. Al ritmo di consumo odierno, dureranno circa 40 anni. Aggiungi le riserve petrolifere che si ritiene esistano ma non ancora scoperte e la cronologia si estende per circa 160 anni.

Le riserve note di gas naturale, che è composto principalmente dal semplice idrocarburo metano, dureranno per circa 50 anni al tasso di consumo odierno. Le stime di risorse di gas probabili ma non ancora scoperte estendono tale proiezione a circa 200 anni. Ma quando si aggiunge il gas naturale che si pensava giacesse sepolto in profondità sotto l'oceano negli idrati di metano, il potenziale è sbalorditivo. Gli idrati, cristalli di ghiaccio che intrappolano le molecole di metano, si formano al di sotto dei 300 metri di profondità a causa dei batteri produttori di metano. Si sa molto poco su quanto gas è imbottigliato in questi cristalli o su come estrarlo, ma le ipotesi migliori sono che le riserve potrebbero, anche con i tassi di consumo di gas naturale che raddoppieranno nei prossimi decenni, durare decine di migliaia di anni .

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2002

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Comunque tu faccia i calcoli, c'è molto gas naturale là fuori. Ad aumentare la sua attrattiva come carburante del futuro è che il metano brucia in modo molto più pulito del petrolio. Ma c'è un grosso problema: il gas naturale è volatile e costoso da trasportare. Una delle bellezze del petrolio è che puoi versarlo nei tubi, caricarlo su petroliere o chiatte e spedirlo in sicurezza in tutto il mondo. Il gas naturale, invece, viene spesso spedito come liquido, che deve essere mantenuto ad una temperatura di -130 C oa decine di atmosfere di pressione. Può anche essere trasportato come gas in gasdotti, ma poiché il gas deve essere mantenuto compresso, questa è una proposta costosa: una stima è che un gasdotto per ottenere gas dall'Alaska e nel Lower 48 costerebbe circa $ 15 a $ 20 miliardi costruire.

Aggiungi il fatto che molte grandi riserve si trovano in località remote come il versante nord dell'Alaska o la Siberia, e il risultato è che gran parte del gas naturale mondiale è ora commercialmente senza valore. Del [gas naturale] che tutti concordano sull'esistenza, più della metà non ha assolutamente alcun [valore] di mercato, afferma Mark Agee, presidente di Syntroleum, una società energetica di Tulsa, OK. Assolutamente no. È in posti come la piattaforma nord-occidentale dell'Australia, la Papua Nuova Guinea, la costa occidentale dell'Africa, il versante nord dell'Alaska. Posti davvero remoti senza un mercato pronto nelle vicinanze.

Per un ingegnere chimico, la soluzione a questo dilemma, almeno in teoria, è relativamente semplice. Se potessi trasformare chimicamente questo pericoloso gas in un idrocarburo liquido, come olio sintetico o persino benzina, potrebbe essere trasportato facilmente ed economicamente a temperatura ambiente e pressione normale. Questi combustibili sintetici potrebbero fluire direttamente negli oleodotti esistenti o essere messi a bordo di navi cisterna destinate al mercato. Dopo un ulteriore perfezionamento, potrebbero anche essere distribuiti attraverso la rete esistente di stazioni di servizio. Come ulteriore affare, poiché il materiale di partenza è gas naturale praticamente privo di zolfo, i combustibili risultanti sarebbero anche privi di zolfo e inquinanti aromatici che contaminano altri prodotti petroliferi. Avresti, in altre parole, una fonte di carburante prontamente disponibile che è potenzialmente molto più economica e più pulita del petrolio.

Alcune delle più grandi compagnie petrolifere del mondo stanno ora investendo miliardi di dollari per costruire raffinerie che utilizzano la tecnologia gas-liquido per convertire il metano in combustibili diesel e benzina ultrapuliti. Utilizzando processi di raffineria ad alta pressione e alta temperatura, questi nuovi impianti, che vengono costruiti in luoghi come Bintulu, in Malesia, trasformeranno il gas naturale in prodotti liquidi facilmente spedibili sul mercato e molto probabilmente competitivi in ​​termini di costi con i prodotti petroliferi.

Ma alcuni ricercatori credono di avere un'idea molto migliore. I processi utilizzati nei nuovi stabilimenti si basano su una chimica che risale ai primi anni '20 e sono costosi e inefficienti. Un piccolo gruppo di chimici e ingegneri chimici sta lavorando per scoprire catalizzatori, materiali che accelerano le reazioni chimiche ma non vengono consumati nel processo, per convertire direttamente il gas naturale in combustibili liquidi a basse temperature e pressioni. Se questi catalizzatori funzionano, e questo è ancora un gigante Se -renderanno possibili processi di raffinazione semplici ed economici che potrebbero liberare le vaste riserve non sfruttate di gas naturale. In effetti, costringerebbero gli esperti a rifare i calcoli delle forniture energetiche mondiali. Improvvisamente, le risorse di metano non sfruttate in Siberia e nel Canada settentrionale potrebbero essere importanti per il mondo quanto i vasti giacimenti petroliferi dell'Arabia Saudita.

Passato nero

L'idea di produrre combustibili sintetici liquidi non è nuova. Nel 1923, due ricercatori tedeschi del carbone, Franz Fischer e Hans Tropsch, scoprirono un modo per trasformare le abbondanti riserve di carbone della valle della Ruhr in petrolio sintetico. Fischer e Tropsch sapevano che se avessero riscaldato una pila di carbone, avrebbero prodotto una miscela di monossido di carbonio e idrogeno. Gli scienziati hanno scoperto che facendo passare questo gas su catalizzatori metallici potevano produrre carburante sintetico. Durante la seconda guerra mondiale, il governo tedesco utilizzò il processo Fischer-Tropsch per produrre circa 600.000 barili all'anno di carburante militare dagli abbondanti giacimenti di carbone del paese.

Dopo la guerra, le agenzie di intelligence alleate fecero a pezzi gli stabilimenti tedeschi per capire come funzionavano, e un piccolo impianto Fischer-Tropsch fu gestito a Brownsville, TX, dal 1948 al 1953. Negli anni '50, il governo sudafricano si trovò, come il regime nazista, con scarso o nessun accesso al petrolio; si è rivolto al processo Fischer-Tropsch e ha costruito diversi impianti per convertire il carbone dai vasti giacimenti del paese in combustibili sintetici.

E lì la tecnologia potrebbe essere rimasta, confinata per la maggior parte alle nazioni affamate di petrolio, tranne per la crescente tentazione di oggi di attingere alle vaste riserve di gas naturale remoto ed economico. Il metano, come il carbone, può essere utilizzato per produrre una miscela di monossido di carbonio e idrogeno; ad eccezione del materiale di partenza, il processo di sintesi del carburante funziona esattamente come con il carbone. Exxon Mobil, Shell e la sudafricana Sasol sono tutte coinvolte in grandi progetti per convertire il gas naturale in liquido. Tutto sommato, le principali compagnie petrolifere prevedono di spendere quasi 10 miliardi di dollari per la capacità del gas-liquido negli impianti futuri.

Uno dei giocatori più piccoli e aggressivi è il Syntroleum di Tulsa. Come le grandi aziende petrolifere, Syntroleum punta sulla conversione Fischer-Tropsch per trasformare il gas naturale incagliato in idrocarburi liquidi ultrapuliti facilmente trasportabili. Grazie al miglioramento dei catalizzatori e del design del reattore, afferma l'azienda, gli idrocarburi liquidi prodotti dal metano sono ora estremamente competitivi rispetto al petrolio sul mercato. I combustibili sintetici che possiamo produrre sono compatibili al 100% con i prodotti convenzionali, afferma il presidente di Syntroleum Mark Agee. Con il gas naturale, il costo delle materie prime [in barili equivalenti al petrolio] è compreso tra zero e $ 10 al barile, rispetto al petrolio a $ 20. Ci è stato offerto del gas sulla costa occidentale dell'Africa a un nichel per mille piedi cubi, o 50 centesimi al barile.

catalizzatore perfetto

Ma il processo Fischer-Tropsch è intrinsecamente inefficiente e costoso e, dal punto di vista di un chimico, intrinsecamente goffo. Il processo richiede temperature di circa 800-900 oC, e quelle si ottengono bruciando parte del gas che viene convertito. La tecnologia è anche relativamente non selettiva, in quanto produce un'ampia gamma di molecole di idrocarburi, alcune delle quali sono inutili. Fondamentalmente, ciò che è sbagliato è che si tratta della tecnologia degli anni '40, afferma Roy Periana, un chimico della University of Southern California. Usa la forza bruta e le alte temperature per ottenere le conversioni.

Dai a qualsiasi chimico organico una matita e un blocco di carta e lui o lei potrebbe tracciare rapidamente un percorso semplice ed elegante per gli idrocarburi liquidi. Il gas naturale è in gran parte metano; trasformarlo in metanolo, un liquido facilmente trasportabile, è semplicemente una questione di aggiungere un atomo di ossigeno alla molecola di metano. Ci sono, tuttavia, un paio di grossi problemi nel trasformare questa teoria della sintesi diretta in realtà chimica. Il catalizzatore deve rompere gli stretti legami carbonio-idrogeno nel metano per consentire all'ossigeno di reagire. Ed è qui che diventa davvero complicato: la reazione deve aggiungere un singolo atomo di ossigeno a ciascuna molecola di metano; permettigli di continuare e aggiungi un atomo di ossigeno aggiuntivo e crei anidride carbonica senza valore.

Il trucco può essere realizzato in laboratorio, ma i catalizzatori esistenti non sono abbastanza efficienti da produrre i rendimenti necessari per competere con il petrolio. Periana, per esempio, ha inseguito il catalizzatore perfetto per più di un decennio. A metà degli anni '90, Periana ha lavorato in una piccola azienda californiana chiamata Catalytica, dove ha guidato un team che lavorava su nuovi catalizzatori per questa conversione diretta. In Catalytica abbiamo scoperto due sistemi, afferma. Uno era un catalizzatore al mercurio che dava il 40% di resa in un unico passaggio a 180 gradi. L'altro era un sistema al platino che dava il 70% di resa a 220 gradi. A quel punto, la gente ha cominciato a dire che forse questo era davvero possibile. Ma questi inizi promettenti si sono scontrati con alcuni fatti immutabili della chimica di base. Sebbene la conversione diretta del metano fosse impressionante da un punto di vista chimico, non era ancora commercialmente fattibile. Se hai intenzione di sostituire un processo merceologico come questo, dice Periana, devi davvero avere un processo rivoluzionario. I miglioramenti marginali non lo faranno.

Nonostante i blocchi stradali della chimica, Periana rimane ottimista. Abbiamo alcuni indizi e li stiamo accoppiando con la conoscenza di come hanno funzionato i sistemi precedenti. E in questo momento, è giusto dire che questa è una gara. Le basi sono stabilite, ed è una questione di chi ci arriverà per primo, dice. La domanda nella mente di tutti ora è chi troverà il catalizzatore giusto e quando e quale sarà. Non è nemmeno una questione di se.'

Puzzle della natura

Anche le maggiori compagnie petrolifere che investono nella conversione del metano in combustibili liquidi attraverso approcci indiretti stanno finanziando la ricerca sulla conversione diretta. L'anno scorso, BP ha assegnato $ 1 milione all'anno per 10 anni ciascuno all'Università della California, a Berkeley e al Caltech per la ricerca sulla conversione del metano, con una parte della sovvenzione destinata alla conversione diretta. La ricerca del catalizzatore, afferma Alex Bell, ingegnere chimico a Berkeley, è una combinazione di arte e scienza. Non posso sedermi adesso e dire che esiste un algoritmo per trovare un catalizzatore per una data reazione. Costruisci la conoscenza passata di ciò che funziona e cerchi di migliorarla con una conoscenza della chimica fondamentale. In gran parte si cerca di stabilire modelli e un pensiero strategico sui principi chimici che portano il metano ai prodotti mirati.

E nessuno si aspetta una svolta domani. Enrique Iglesia, un altro ingegnere chimico di Berkeley coinvolto nel programma BP, lavora alla conversione del metano da quasi 20 anni. La conversione diretta del metano è qualcosa che sogniamo, ma la natura si mette di mezzo, dice. Il metano ha uno dei legami più forti che conosciamo e i suoi prodotti di reazione di solito hanno legami più deboli. È difficile fermarsi ai prodotti desiderati, quindi questa è chimica difficile.

Pochi potrebbero sospettare che la soluzione ai problemi energetici mondiali verrà dal campo esoterico della scienza della catalisi. Ma con le vaste riserve non sfruttate di gas naturale che alimentano l'immaginazione dei chimici, la ricerca del catalizzatore perfetto continua. Chimica difficile, ma se avrà successo, cambierà i calcoli energetici del mondo.

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