De jackpot voor aardgas winnen

In vergelijking met olie is aardgas zo overvloedig dat het onthutsend is. Bewezen aardoliereserves zijn goed voor nog eens een biljoen vaten of zo. Bij het huidige verbruik gaan ze ongeveer 40 jaar mee. Voeg oliereserves toe waarvan men denkt dat ze bestaan, maar die nog steeds niet zijn ontdekt, en de tijdlijn strekt zich uit over zo'n 160 jaar.

Bekende aardgasreserves, die voornamelijk bestaan ​​uit het eenvoudige koolwaterstofmethaan, zullen bij het huidige verbruik ongeveer 50 jaar meegaan. Schattingen van waarschijnlijke maar nog onontdekte gasvoorraden verlengen die prognose tot ongeveer 200 jaar. Maar wanneer het aardgas wordt toegevoegd waarvan wordt gedacht dat het diep onder de oceaan ligt begraven in methaanhydraten, is het potentieel verbijsterend. Hydraten, ijskristallen die methaanmoleculen vasthouden, worden onder een diepte van 300 meter gevormd door methaanproducerende bacteriën. Er is heel weinig bekend over hoeveel gas er in deze kristallen is gebotteld of hoe het eruit kan worden gehaald, maar de beste gok is dat de reserves, zelfs als het aardgasverbruik in de komende decennia verdubbelt, tienduizenden jaren kunnen duren. .

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2002

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Hoe je ook rekent, er is veel aardgas. Wat het nog aantrekkelijker maakt als brandstof van de toekomst, is dat methaan veel schoner verbrandt dan olie. Maar er is een groot probleem: aardgas is vluchtig en duur om te transporteren. Een van de schoonheden van olie is dat je het door pijpen kunt gieten, het op tankers of binnenvaartschepen kunt laden en het veilig over de hele wereld kunt verschepen. Aardgas wordt daarentegen meestal vervoerd als een vloeistof, die op een temperatuur van -130 °C of een druk van tientallen atmosfeer moet worden gehouden. Het kan ook als gas in pijpleidingen worden getransporteerd, maar omdat het gas gecomprimeerd moet worden gehouden, is dat een dure aangelegenheid: een schatting is dat een pijpleiding om gas uit Alaska en in de Lower 48 te krijgen ongeveer $ 15 tot $ 20 miljard zou kosten bouwen.

Tel daarbij op dat veel grote reserves zich op afgelegen locaties bevinden, zoals de noordhelling van Alaska of Siberië, en het resultaat is dat een groot deel van het aardgas in de wereld nu commercieel waardeloos is. Van het [aardgas] waarvan iedereen het erover eens is dat het er is, heeft meer dan de helft absoluut geen marktwaarde, zegt Mark Agee, president van Syntroleum, een energiebedrijf in Tulsa, OK. Geen enkele. Het is in plaatsen zoals de noordwestelijke plank van Australië, Papoea-Nieuw-Guinea, de westkust van Afrika, de noordhelling van Alaska. Echt afgelegen plaatsen zonder kant-en-klare markt in de buurt.

Voor een chemisch ingenieur is de oplossing voor dit dilemma, althans in theorie, relatief eenvoudig. Als je dit gevaarlijke gas chemisch zou kunnen omzetten in een vloeibare koolwaterstof, zoals synthetische olie of zelfs benzine, zou het gemakkelijk en goedkoop kunnen worden vervoerd bij kamertemperatuur en normale druk. Deze synthetische brandstoffen kunnen rechtstreeks in bestaande oliepijpleidingen stromen of aan boord van tankschepen worden gebracht die op weg zijn naar de markt. Na verdere verfijning zouden ze zelfs via het bestaande netwerk van tankstations kunnen worden gedistribueerd. Als extra koopje, aangezien het uitgangsmateriaal vrijwel zwavelvrij aardgas is, zouden de resulterende brandstoffen ook vrij zijn van de zwavel en aromatische verontreinigende stoffen die andere aardolieproducten aantasten. Met andere woorden, u zou een gemakkelijk beschikbare brandstofbron hebben die in potentie veel goedkoper en schoner is dan olie.

Enkele van 's werelds grootste oliemaatschappijen investeren nu miljarden dollars om raffinaderijen te bouwen die gas-to-liquid-technologie gebruiken om methaan om te zetten in ultraschone diesel- en benzinebrandstoffen. Met behulp van hogedruk- en hogetemperatuurraffinaderijprocessen zullen deze nieuwe fabrieken, die worden gebouwd in plaatsen zoals Bintulu, Maleisië, aardgas omzetten in vloeibare producten die gemakkelijk naar de markt kunnen worden verscheept en waarschijnlijk kostenconcurrerend zijn met aardolieproducten.

Maar sommige onderzoekers denken dat ze een veel beter idee hebben. De processen die in de nieuwe fabrieken worden gebruikt, zijn gebaseerd op chemie die dateert uit het begin van de jaren twintig en zijn kostbaar en inefficiënt. Een kleine groep scheikundigen en chemisch ingenieurs werkt aan de ontdekking van katalysatoren - materialen die chemische reacties versnellen maar zelf niet worden verbruikt in het proces - voor het direct omzetten van aardgas in vloeibare brandstoffen bij lage temperaturen en drukken. Als deze katalysatoren werken - en dat is nog steeds een reus als -ze zullen goedkope, eenvoudige raffinageprocessen mogelijk maken die de enorme onaangeboorde aardgasreserves kunnen ontketenen. Ze zouden experts zelfs dwingen hun berekeningen van de energievoorziening van de wereld opnieuw uit te voeren. Plots zouden de onaangeboorde methaanbronnen in Siberië en Noord-Canada net zo belangrijk voor de wereld kunnen zijn als de uitgestrekte olievelden van Saoedi-Arabië.

Zwart verleden

Het idee om vloeibare synthetische brandstoffen te maken is niet nieuw. In 1923 ontdekten twee Duitse steenkoolonderzoekers, Franz Fischer en Hans Tropsch, een manier om de overvloedige steenkoolreserves van het Ruhrgebied om te zetten in synthetische olie. Fischer en Tropsch wisten dat als ze een stapel steenkool zouden verhitten, ze een mengsel van koolmonoxide en waterstof zouden produceren. De wetenschappers ontdekten dat ze door dit gas over metaalkatalysatoren te leiden synthetische brandstof konden maken. Tijdens de Tweede Wereldoorlog gebruikte de Duitse regering het Fischer-Tropsch-proces om ongeveer 600.000 vaten per jaar militaire brandstof te produceren uit de overvloedige kolenvoorraden van het land.

Na de oorlog scheurden geallieerde inlichtingendiensten de Duitse fabrieken uit elkaar om erachter te komen hoe ze werkten, en van 1948 tot 1953 werd in Brownsville, Texas, een kleine Fischer-Tropsch-fabriek geëxploiteerd. In de jaren vijftig bevond de Zuid-Afrikaanse regering zich, net als het nazi-regime, met weinig of geen toegang tot aardolie; het wendde zich tot het Fischer-Tropsch-proces en bouwde verschillende fabrieken om steenkool uit de uitgebreide afzettingen van het land om te zetten in synthetische brandstoffen.

En daar zou de technologie kunnen zijn gebleven, voor het grootste deel beperkt tot landen die hongeren naar olie, behalve de toenemende verleiding van vandaag om de enorme reserves van afgelegen, goedkoop aardgas aan te boren. Methaan kan, net als steenkool, worden gebruikt om een ​​mengsel van koolmonoxide en waterstof te produceren; behalve het uitgangsmateriaal werkt het brandstofsyntheseproces precies hetzelfde als bij steenkool. Exxon Mobil, Shell en Sasol uit Zuid-Afrika zijn allemaal betrokken bij grote projecten om aardgas in vloeistof om te zetten. Alles bij elkaar genomen zijn de grote oliemaatschappijen van plan bijna $ 10 miljard te besteden aan gas-to-liquid-capaciteit in toekomstige fabrieken.

Een van de kleinere, agressievere spelers is Tulsa's Syntroleum. Net als de grote olieconcerns zet Syntroleum in op Fischer-Tropsch-conversie om gestrand aardgas om te zetten in gemakkelijk te transporteren ultraschone vloeibare koolwaterstoffen. Dankzij verbeterde katalysatoren en reactorontwerp, zegt het bedrijf, zijn vloeibare koolwaterstoffen gemaakt van methaan nu extreem concurrerend met olie op de markt. De synthetische brandstoffen die we kunnen maken, zijn 100 procent compatibel met conventionele producten, zegt Syntroleum-president Mark Agee. Bij aardgas liggen de grondstofkosten [in olie-equivalente vaten] ergens tussen nul en $ 10 per vat, vergeleken met aardolie op $ 20. Er is ons gas aangeboden aan de westkust van Afrika voor een nikkel per duizend kubieke voet, of 50 cent per vat.

Perfecte katalysator

Maar het Fischer-Tropsch-proces is inherent inefficiënt en duur - en vanuit het oogpunt van een chemicus inherent onhandig. Het proces vereist temperaturen van rond de 800 tot 900 oC, en die worden bereikt door een deel van het gas dat wordt omgezet te verbranden. De technologie is ook relatief niet-selectief en produceert een groot aantal koolwaterstofmoleculen, waarvan sommige nutteloos zijn. Wat er fundamenteel mis is, is dat het technologie uit de jaren 40 is, zegt Roy Periana, een chemicus aan de University of Southern California. Het gebruikt brute kracht en hoge temperaturen om de conversies te bereiken.

Geef elke organisch chemicus een potlood en een stuk papier en hij of zij kan snel een eenvoudige, elegantere route naar vloeibare koolwaterstoffen uitstippelen. Aardgas is grotendeels methaan; het omzetten in methanol, een gemakkelijk transporteerbare vloeistof, is gewoon een kwestie van een zuurstofatoom aan het methaanmolecuul toevoegen. Er zijn echter een paar grote problemen bij het omzetten van deze directe-synthesetheorie in chemische realiteit. De katalysator moet de strakke koolstof-waterstofbindingen in methaan verbreken om de zuurstof te laten reageren. En - hier wordt het echt lastig - de reactie moet een enkel zuurstofatoom toevoegen aan elk methaanmolecuul; laat het doorgaan en voeg een extra zuurstofatoom toe, en je creëert waardeloze koolstofdioxide.

De truc kan in het laboratorium worden uitgevoerd, maar de bestaande katalysatoren zijn niet efficiënt genoeg om de opbrengsten te produceren die nodig zijn om te concurreren met olie. Periana jaagt bijvoorbeeld al meer dan tien jaar op de perfecte katalysator. Halverwege de jaren negentig werkte Periana bij een klein Californisch bedrijf genaamd Catalytica, waar hij leiding gaf aan een team dat werkte aan nieuwe katalysatoren voor deze directe conversie. Bij Catalytica hebben we twee systemen ontdekt, zegt hij. Een daarvan was een kwikkatalysator die bij 180 graden in één stap een opbrengst van 40 procent opleverde. De andere was een platinasysteem dat 70 procent opbrengst gaf bij 220 graden. Op dat moment begonnen mensen te zeggen dat dit misschien echt mogelijk was. Maar deze veelbelovende start botste op een aantal onveranderlijke feiten van elementaire scheikunde. Hoewel de directe omzetting van methaan vanuit chemisch oogpunt indrukwekkend was, was het nog steeds niet commercieel levensvatbaar. Als je zo'n commodity-proces gaat vervangen, zegt Periana, moet je echt een revolutionair proces hebben. Marginale verbeteringen zullen het niet doen.

Ondanks de chemieblokkades blijft Periana optimistisch. We hebben enkele aanwijzingen en we koppelen die aan kennis over hoe eerdere systemen hebben gewerkt. En op dit moment is het eerlijk om te zeggen dat dit een race is. De fundamenten liggen vast en het is de vraag wie er het eerst komt, zegt hij. De vraag die nu bij iedereen leeft, is wie de juiste katalysator zal vinden en wanneer, en wat het zal zijn. Het is niet eens een kwestie van of.'

De puzzel van de natuur

Zelfs grote oliemaatschappijen die via indirecte benaderingen investeren in het omzetten van methaan in vloeibare brandstoffen, financieren onderzoek naar directe conversie. Vorig jaar kende BP elk 10 jaar $ 1 miljoen per jaar toe aan de University of California, Berkeley en Caltech voor onderzoek naar methaanconversie, waarbij een deel van de subsidie ​​bestemd was voor directe conversie. De zoektocht naar een katalysator, zegt Alex Bell, chemisch ingenieur bij Berkeley, is een combinatie van kunst en wetenschap. Ik kan nu niet gaan zitten en zeggen dat er een algoritme is om een ​​katalysator voor een bepaalde reactie te vinden. Je bouwt voort op kennis uit het verleden van wat werkt en probeert dit te verbeteren met kennis van fundamentele chemie. Veel ervan probeert patronen vast te stellen en strategisch te denken over de chemische principes die methaan naar gerichte producten brengen.

En niemand verwacht morgen een doorbraak. Enrique Iglesia, een andere scheikundig ingenieur uit Berkeley die betrokken is bij het BP-programma, werkt al bijna 20 jaar aan de omzetting van methaan. Directe methaanconversie is iets waar we van dromen, maar de natuur staat in de weg, zegt hij. Methaan heeft een van de sterkste bindingen die we kennen, en de reactieproducten hebben meestal zwakkere bindingen. Het is moeilijk om te stoppen bij de gewenste producten, dus dit is moeilijke chemie.

Weinigen zouden kunnen vermoeden dat de oplossing voor de energieproblemen van de wereld uit het esoterische veld van de katalysewetenschap zal komen. Maar met de enorme, onaangeboorde aardgasreserves die de verbeelding van scheikundigen voeden, gaat de zoektocht naar de perfecte katalysator door. Moeilijke chemie, maar als het lukt, verandert het de energieberekeningen van de wereld.

zich verstoppen