O que há nos combustíveis fósseis que não podemos produzir em massa?

Como o combustível é composto de diferentes cadeias de moléculas, minha pergunta é: por que não podemos criar a mesma estrutura de moléculas e poder reproduzir a mesma estrutura em um laboratório para não ter que acabar?

Entendo que há muito mais a fazer e não é tão simples quanto pareço, mas é por isso que estou perguntando: quais são os desafios de se fazer algo assim? Não podemos fazer a mesma estrutura?

Também como observação, os combustíveis já possuem moléculas de oxigênio dentro da cadeia ou eles não recebem essas moléculas até a mistura do oxigênio usando válvulas?

O óleo que sai do solo é uma mistura de compostos de hidrocarbonetos que são restos de depósitos de algas e animais microscópicos, também chamados de fitoplâncton e zooplâncton.

Os cientistas já criaram combustíveis fósseis sintéticos.

Os esforços

1 . Atualmente, há um esforço de US $ 300 milhões (na verdade muito maior) em San Diego, Califórnia, por uma empresa chamada Synthetic Genomics e Exxon Mobil para usar algas na produção de petróleo. Os lipídios, uma forma de gordura, nas algas são um componente importante do petróleo bruto.

Trecho de: http://www.sandiegouniontribune.com/news/2009/jul/15/1n15algae001356-deal-blooms-algae-biofuel-research/?uniontrib

Uma empresa de biotecnologia de San Diego, liderada pelo pioneiro em genômica J. Craig Venter, firmou um acordo com a Exxon Mobil que poderia incluir mais de US $ 300 milhões em financiamento para o desenvolvimento de biocombustíveis a partir de algas.

Venter, mais conhecido por seu papel no sequenciamento do genoma humano, disse ontem que sua empresa, Synthetic Genomics, está planejando uma instalação local de teste e estufa para estudar milhares de cepas de algas de todo o mundo.

O objetivo final é projetar algas que usariam energia do sol para converter dióxido de carbono em óleos e hidrocarbonetos em grandes quantidades - um feito que seria proibitivamente caro com algas que ocorrem naturalmente.

A partir de agora o projeto acima falhou e está de volta à prancheta.

Trecho de: https://www.technologyreview.com/s/515041/exxon-takes-algae-fuel-back-to-the-drawing-board/

Esses esforços não parecem ter decifrado o código para combustíveis baratos de algas. Em um novo acordo entre as empresas, a Exxon está enviando a Synthetic Genomics de volta ao laboratório para fazer ciência mais básica. Agora, ele se concentrará em sua tecnologia homônima - genômica sintética, uma ciência relativamente nova que envolve grandes mudanças nos genomas, até o ponto de construir outros novos. O objetivo permanece o mesmo: "desenvolver cepas que se reproduzem rapidamente, produzam uma alta proporção de lipídios e resistam efetivamente às condições ambientais e operacionais".

2 . A Chevron tem um esforço conjunto com uma empresa chamada Catchlight Energy para usar as algas como matéria-prima na produção de petróleo. A Chevron também fez parceria com a Weyerhaueser Co, uma das maiores empresas de produtos florestais do mundo para começar a usar resíduos de madeira. A lignocelulose encontrada na madeira também é um componente do petróleo.

Trecho de: http://investor.chevron.com/phoenix.zhtml?c=130102&p=irol-newsArticle&ID=984280&highlight=

A Chevron Corporation (NYSE: CVX) e a Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) anunciaram hoje uma carta de intenções (LOI) para avaliar conjuntamente a viabilidade de comercializar a produção de biocombustíveis a partir de fontes à base de celulose.

As empresas se concentrarão na pesquisa e desenvolvimento de tecnologia que possa transformar fibra de madeira e outras fontes não-alimentares de celulose em biocombustíveis econômicos e de queima limpa para carros e caminhões. As opções de matéria-prima incluem uma ampla variedade de materiais do sistema florestal e moinho existente da Weyerhaeuser e culturas celulósicas plantadas nas plantações florestais gerenciadas pela Weyerhaeuser.

Na natureza, a única razão que leva milhões de anos para esses materiais orgânicos mudarem para petróleo e gás natural é que leva muito tempo para ser enterrado a uma profundidade em que a temperatura e a pressão são altas o suficiente para converter esses materiais em petróleo .

Na realidade, o tempo necessário para convertê-las de algas em óleo pode ser inferior a algumas centenas de anos, e isso é novamente devido à lenta mudança de temperatura e pressão em um cenário geológico.

O petróleo foi gerado e encontrado em depósitos sedimentares a partir dos 1000 anos, por isso não requer milhões de anos. Em um ambiente industrial, tudo isso pode ser feito em questão de horas ou dias.

Desafio

No laboratório, o material orgânico pode ser aquecido (~ 320 ° C) em uma atmosfera inerte com água sob pressão (~ 150 atm) para simular os processos naturais que levam milhões de anos, mas levam apenas alguns dias no laboratório. Isso se deve à termodinâmica simples, milhares de anos a 100 ° C ou alguns dias a 320 ° C fornecem produtos similares.

Essa técnica é usada para analisar se rochas imaturas, se tivessem sido enterradas mais profundamente, poderiam produzir petróleo bruto. Por isso, pode ser usado como uma ferramenta para procurar reservatórios de óleo.

Não é economicamente viável fazê-lo em larga escala, pois é necessário colocar tanta energia no sistema.

Coisa lateral

Quanto a este ponto,

A composição química da gasolina possui oxigênio, como gasolina misturada com etanol ou gasolina misturada com metanol, mas não pode se comportar como oxigênio. Por isso, precisa de oxigênio de fora, ou seja, ar. Quando esses dois componentes são inflamados, ele queima e libera energia. Química básica.

Aqui está a reação que ocorre dentro de um cilindro durante o curso de combustão.

2C ₈ H ₁₈ + _{25 O 2} → 16CO ₂ + ₁₈ H ₂ O

Espero que isto ajude!

O que há no combustível fóssil que não podemos reproduzir é energia.

Produzimos combustíveis fósseis sintéticos de uma forma ou de outra há cerca de dois séculos: gás urbano (um substituto do metano), gasolina sintética , biodiesel e assim por diante. Com exceção do biodiesel, no entanto, tudo isso exige energia considerável para produzir, enquanto os combustíveis fósseis podem ser simplesmente bombeados para fora do solo.

Por esse motivo, os sintéticos só foram utilizados quando os combustíveis fósseis naturais não estavam disponíveis. O gás da cidade foi usado antes da descoberta dos campos de petróleo do Mar do Norte e do desenvolvimento de técnicas para o transporte de gás natural, enquanto a gasolina sintética foi usada pela Alemanha durante a Segunda Guerra Mundial, quando não tinha acesso à versão natural.

Os esforços atuais para fabricar combustíveis sintéticos estão centrados no uso de plantas ou algas, para que a energia livre do sol possa ser usada.

As outras respostas estão certas, tecnicamente. Como se costuma dizer, o que há nele é energia , ou hidrocarbonetos , ou o que você quiser chamá-los. Material queimável. Infelizmente, as duas primeiras leis da termodinâmica nos dizem que colocar energia artificialmente em uma substância exigiria mais energia do que você sairia, então não poderia ser lucrativo [o que, como um aparte, é por que as células a combustível de hidrogênio são apenas baterias, não fontes de energia].

Mas as plantas colocam energia em coisas para nós, do sol, de graça, naturalmente . Então as pessoas os transformaram em biocombustíveis.

Mas a maioria de nós não usa carros com biocombustíveis. Então, isso realmente não responde à pergunta implícita , responde? Qual é, por que ainda estamos tirando isso do chão?

O que falta é volume .

Cem anos atrás, havia melaço suficiente sendo fabricado em um tanque de uma fábrica em Boston para criar uma onda grande o suficiente para matar 21 pessoas:

Imagine o quão incrivelmente mais xarope de milho deve haver hoje em dia, agora que está enlouquecendo tudo .

Algo semelhante aconteceu na mesma época, com o London Beer Flood afogando oito pessoas e destruindo duas casas.

Imagine quanto mais devemos beber hoje em dia! Quantidades inimagináveis. Adicione a essa cerveja, todo o chá, refrigerante, água engarrafada, leite, etc.

Agora imagine por um momento que essas substâncias não foram feitas quase inteiramente de água. Que eles foram feitos apenas de seu xarope concentrado, mas no mesmo volume. Seria possível produzir artificialmente algum desses volumes nesse volume? Não. Já estamos em nossos limites de produção.

Mesmo com a diluição, vejamos os preços. Março de 2016, preços médios nos EUA por um galão de:

$1.96 Unleaded regular.
$2.20 Kool-Aid, Lemonade from concentrate:
$2.37 Soda (2l/$1.25 budget deal)
$3.16 Milk
$3.60 Hot Chocolate from powder (am drinking this now!)
$10.50 Homebrew beer from a kit.

Todas essas coisas, mesmo diluídas em cerca de 90%, mesmo comigo escolhendo os preços mais baratos que eu poderia encontrar em uma pesquisa rápida, são mais caras que o nosso combustível.

E, no entanto, a produção de gasolina os supera totalmente , mesmo todos juntos.

Imagem obrigatória do XKCD:

[[Nota lateral: uma poça do tamanho desses tubos, com cerca de 1 mm de profundidade, é o quanto cada pessoa gasta todos os dias em média.]]

Volume é o molho secreto. Volume é o motivo pelo qual o petróleo / gasolina é o único líquido que não é a água que é canalizada em todo o país e não transportada por caminhões. E é por isso que não podemos produzir combustível de carro artificialmente.

E, embora estejam sendo feitos esforços, eles acabarão sendo usados ​​principalmente em usinas de energia, geradores, combustível de aviação e aquecimento doméstico, pois os carros elétricos tornarão obsoleto o motor de combustão interna em alguns anos.

Eles podem

Eles amarraram várias cadeias de polímeros no laboratório e seus hidrocarbonetos uniformes. A Universidade da Califórnia em Berkeley está fazendo isso agora. Não é realmente uma questão de estar sendo feito. É o custo de fazê-lo. No momento, não é financeiramente viável ser competitivo no mercado atual. Os outros métodos de puxar dinossauros mortos do chão são apenas mais baratos.

Aqui está um link onde a UC Berkeley usou a bactéria E. Coli para ajudar a produzir uma substituição de gasolina .

Estar animado com os biocombustíveis pode ser equivocado. O químico Paul Crutzen, vencedor do Prêmio Nobel, publicou constatando que as emissões declaradas de óxido nitroso criadas durante a produção de biocombustíveis os fizeram contribuir mais para o aquecimento global do que as soluções atuais de combustível.

Portanto, antes de ficarmos entusiasmados com os combustíveis produzidos em laboratório a partir de resíduos biológicos, teremos que encontrar um processo melhor para converter a matéria biológica ou procurar a solução em outro lugar.

Atualmente, existem biocombustíveis que estão entrando no mercado e se misturando com o nosso combustível padrão. Um deles, o etanol, é derivado do milho. A conseqüência não intencional com isso é que os produtores de milho da América Central e do Sul estão vendendo seu milho para os produtores de combustíveis e aumentaram tanto o preço do milho que as pessoas estão realmente morrendo de fome porque sua base de carboidratos em que confiam como fonte de alimento é mais valioso no tanque de gasolina de um carro. Então tem isso.

O petróleo do solo é uma mistura de moléculas diferentes, mas tem em comum o fato de que elas foram criadas com a energia do sol. Assim, sabendo como são as moléculas, podemos montar os ingredientes no equipamento de laboratório adequado, adicionar calor (energia) e obter resultados na gasolina. No entanto, o custo de energia para fazer isso (devido às leis da termodinâmica) excede a energia contida no produto, tornando o processo uma perda líquida de energia. É por isso que não fabricamos nosso próprio combustível fóssil.

É exatamente a mesma razão pela qual os "geradores de hidrogênio" comercializados como um complemento para automóveis anos atrás para melhorar a quilometragem, não podem fazer isso. A energia necessária ao sistema elétrico dos carros, por menor que seja, sempre excede a energia produzida, ainda menor.

E para acrescentar insulto à lesão, a energia liberada quando combinamos oxigênio com nosso petróleo resulta em um rearranjo dos diferentes elementos nas moléculas. Um dos subprodutos é o dióxido de carbono. Também não gostamos disso, apesar de as plantas, eventualmente, com a luz do sol, transformá-lo novamente em um produto à base de carbono que, em seguida, podemos queimar novamente, se quisermos.

A busca por energia "renovável" é então uma busca para encontrar algo que capte a energia do sol rapidamente (em um único dia) e armazene-a de uma maneira que permita sua extração de maneira controlada. Estamos pedindo óleo "overnight". Fotocélulas e turbinas funcionam bem - quando funcionam - nem sempre quando precisamos de energia.

Agora você entendeu a foto. Não podemos produzir combustível - nem o cobiçado hidrogênio - sem gastar mais energia do que produziremos.

Nada.

Tudo em combustíveis fósseis atualmente em uso pode ser produzido em massa.

Simplesmente custaria mais do que bombear para fora do chão.

Os combustíveis fósseis são apenas uma maneira barata, mas ineficiente, de armazenar energia.

Se o mundo tivesse fontes de energia baratas e eficientes, provavelmente não desperdiçaria nenhum esforço armazenando essa energia como petroquímica. Teríamos veículos movidos a eletricidade direta ou algo mais eficiente como células a combustível de hidrogênio.

Então, no final, a resposta para sua pergunta é .. Dinheiro.

Embora existam ótimas respostas, a resposta mais simples baseada em química é que é quase impossível formar com eficiência ligações de carbono-carbono que não sejam sistemas biológicos. Podemos produzir H ₂ por eletrólise da água, e podemos decompor (rachar) hidrocarbonetos biológicos ou carbono polimérico (carvão) para tornar os biocombustíveis pré-existentes mais úteis, mas, no momento, a fotossíntese não pode ser derrotada para mover o carbono do CO ₂ para abastecer.

Aqui existem algumas boas respostas para a pergunta fora do tópico. Algumas pessoas se referem a problemas de "custo", outras a problemas de "energia". Preste atenção: estas são a mesma coisa realmente. Você precisa fazer uma contabilidade básica para determinar se o negócio é viável. A contabilidade mais básica é o balanço "entrada de energia" - "saída de energia". Se você estiver produzindo hidrocarbonetos no laboratório, sempre haverá uma perda devido ao princípio de conservação de energia e ao fato infeliz de não podermos fabricar um dispositivo que seja 100% eficiente. Você nunca vai empatar.

Pode haver maneiras mais eficientes de armazenar e fornecer a fonte de energia do seu laboratório do que em uma cadeia de hidrocarbonetos.

Lembre-se de que usamos petroquímicos (compostos de carbono extraídos ou liberados do solo) para dois propósitos distintos: combustível e matéria-prima para a fabricação de todo tipo de coisas. Para remover nossa dependência de petroquímicos, teríamos que tratar de ambos os usos.

Para substituir os petroquímicos como fonte de energia, em alguns casos, seria melhor encontrar outras maneiras de armazenar e liberar energia - baterias recarregadas por turbinas eólicas ou painéis solares, por exemplo. Mas a maioria das alternativas de combustíveis fósseis tem problemas de conveniência, capacidade (energia específica em peso ou volume), densidade de potência (novamente em peso ou volume), segurança de manuseio / armazenamento (pense em hidrogênio), NIMBY (pense em parques eólicos), etc. É tão fácil encher um tanque com gasolina, diesel, combustível de aviação, etc., ligar um motor e partir ... para não mencionar um peso relativamente leve e compacto. Portanto, talvez para algumas aplicações como aeronaves, seja mais viável continuar alimentando-as da maneira atual (aceitando todas as desvantagens), mas considere fontes alternativas do que o petróleo - daí os biocombustíveis.

Para substituir produtos petroquímicos como matéria-prima de fabricação, é necessário considerar todas as coisas que o mundo moderno deriva deles. Plásticos, solventes, corantes, lubrificantes, adesivos e assim por diante. Todas as moléculas interessantes extraídas do petróleo bruto (e pode ser uma longa lista) teriam que ser produzidas por outros meios.

Em ambos os casos, esses equivalentes petroquímicos teriam que ser produzidos em larga escala. Nós, como comunidade global, queimamos muito combustível apenas por aí, e produzimos todo tipo de petróleo (também em grande escala). Tudo se resume a três grandes coisas:

1. Descobrir como fazer nosso substituto (por exemplo, octanagem ou outro hidrocarboneto) por processos químicos e / ou biológicos de algo que não extraímos do solo (por exemplo, dióxido de carbono e água). Há pesquisas em andamento com resultados interessantes surgindo o tempo todo.

2. Escale os processos para um nível que atenda à demanda. Por um lado, será preciso investimento maciço; quem vai colocar o dinheiro? Por outro lado: se você colocar dióxido de carbono e água em um processo e retirar hidrocarbonetos, precisará adicionar energia, que deve vir de algum lugar. Esse pode ser um ponto importante para sintetizar equivalentes petroquímicos em qualquer escala que valha a pena. Construímos vastos parques solares / eólicos? O que isso fará com o cenário global? Construímos mais nucleares?

3. Tornar economicamente viável. As pessoas podem ser persuadidas a pagar um pequeno prêmio por um combustível ou produto de consumo não petroquímico, mas haverá um limite. Um processo não petro pode chegar perto da economia dos poços e refinarias de hoje?

Tomando a pergunta real como 'Por que não fabricamos combustível do zero em vez de bombear para fora do chão?', Eu diria que a questão principal é a energia - mais especificamente, a conservação de energia . Os combustíveis NÃO são fontes de energia - são mecanismos de armazenamento de energia (como baterias). Seja qual for a energia que se obtém da combustão de combustível, é preciso primeiro reunir-se para criar o combustível em primeiro lugar. É um jogo de soma zero. O que diferencia os combustíveis fósseis é que a Natureza passou centenas de milhões de anos coletando energia solar em armazenamento orgânico (ou seja, plantas) e sequestrando-a no solo para que possamos encontrar.

E agora estamos consumindo esse recurso um milhão de vezes mais rápido do que o necessário para acumular. Estamos vivendo com tempo emprestado, pessoal!

Nós podemos produzir combustíveis sintéticos em massa. Foi feito pela Alemanha na Segunda Guerra Mundial (embora de fontes fósseis). O que você precisa é de carbono e hidrogênio.

Infelizmente, o carbono é tipicamente da natureza na forma de dióxido de carbono (e combustíveis fósseis, mas eles foram especificamente excluídos na questão) e hidrogênio na forma de água. Para separar hidrogênio e carbono desses, você precisa de energia. O carbono e o hidrogênio podem ser combinados trivialmente em hidrocarbonetos em reações químicas.

Felizmente, a energia é um recurso abundante no planeta Terra. Existem duas maneiras principais de produzir energia. Uma é colher a energia do sol, direta ou indiretamente. Os meios indiretos incluem energia eólica, hidrelétrica e até biocombustíveis renováveis ​​e (se Deus não permitir!) Combustíveis fósseis. Direto significa energia fotovoltaica ou concentração de energia solar-térmica. As maneiras diretas permitem muitas e muitas ordens de magnitude maior uso de energia do que o que é usado hoje, por bilhões de anos.

A outra maneira principal de produzir energia é a nuclear, que também é um recurso abundante. Há água suficiente para a U-238 na água do mar e nas rochas comuns de granito que podemos sustentar os atuais níveis de uso de energia por bilhões de anos , até que o sol se amplie e nos destrua.

A questão principal é o custo. As instalações para fabricar combustíveis sintéticos são caras, mas com uma pitada funcionará, como nos mostrou a Alemanha durante a Segunda Guerra Mundial. As instalações para eletrolisar o hidrogênio da água também não são baratas. A extração de dióxido de carbono da atmosfera também custa alguns. Além disso, a produção de energia também tem seus custos, mas, no entanto, o custo da energia solar está diminuindo rapidamente e pode ser a opção de produção de energia do mundo mais limpo de amanhã.

Não é um sonho tão distante produzir combustíveis sintéticos. Hoje, a Neste produz NExBTL, que é essencialmente diesel produzido a partir de fontes biológicas equivalente ao diesel comum e que não requer absolutamente nenhuma modificação no carro. Hoje, há um plano para construir uma biorrefinaria para produzir biogás na Finlândia. Portanto, certamente a conversão de carbono e hidrogênio em combustíveis sintéticos não é o problema: tanto o biodiesel quanto a biogás podem ser produzidos.

Os problemas restantes são:

• Custo de energia, que não será problema em algumas décadas devido à rápida redução dos custos das células solares. A energia já ocasionalmente tem um custo negativo na Alemanha devido à produção intermitente em larga escala de energia renovável. O que precisamos fazer é prolongar a duração do tempo em que a energia tem um custo negativo, instalando renováveis ​​ainda mais intermitentes.
• Custo da captura de dióxido de carbono. Inicialmente, será capturado de fontes industriais e de produção de energia, mas, eventualmente, no mundo limpo de amanhã, terá que ser separado do ar, porque não haverá fontes de CO ₂ (exceto fontes móveis, para as quais a captura é difícil) .
• Custo da eletrólise da água. Hoje, é mais barato produzir hidrogênio a partir do gás natural do que eletrolisá-lo. No entanto, amanhã, os custos podem ser diferentes, em parte devido à queda nos custos de energia.
• Os grandes campos de petróleo que não foram esgotados e que podem ser usados ​​para produzir petróleo nas próximas décadas, a um custo marginal mínimo. O preço do petróleo fóssil se estabelecerá no nível em que a oferta e a demanda estiverem em equilíbrio. Isso significa que o petróleo fóssil será usado por um longo período de tempo, a menos que o governo proíba seu uso ou imponha um imposto sobre seu uso.

O que resta a ser visto é até que ponto os combustíveis sintéticos são necessários. O carro elétrico certamente mostrou sua viabilidade, por isso pode ser o caso desses combustíveis sintéticos serem usados ​​pela aviação, não pelo transporte rodoviário.