Qu'y a-t-il dans les combustibles fossiles que nous ne pouvons pas produire en masse?

Étant donné que le carburant est composé de différentes chaînes de molécules, ma question est la suivante: pourquoi ne pouvons-nous pas créer la même structure de molécule et être en mesure de reproduire la même structure dans un laboratoire afin de ne pas être épuisés?

Je comprends qu'il y a beaucoup plus à cela et que ce n'est pas aussi simple que cela paraisse, mais c'est pourquoi je demande: quels sont les défis à relever pour faire quelque chose comme ça? Ne pouvons-nous pas faire la même structure?

De plus, les carburants contiennent-ils déjà des molécules d'oxygène dans la chaîne ou ne les reçoivent-ils pas avant le mélange de l'oxygène à l'aide de vannes?

Le pétrole sortant du sol est un mélange de composés d'hydrocarbures qui sont les restes de dépôts d'algues et d'animaux microscopiques, également appelés phytoplancton et zooplancton.

Les scientifiques ont déjà créé des combustibles fossiles synthétiques.

Les efforts

1 . Une société appelée Synthetic Genomics et Exxon Mobil s’emploie actuellement, à San Diego, en Californie, à investir 300 millions de dollars (en réalité beaucoup plus) à utiliser des algues pour la fabrication de pétrole. Les lipides, une forme de graisse, dans les algues sont une composante majeure du pétrole brut.

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

Une société de biotechnologie basée à San Diego et dirigée par le pionnier de la génomique J. Craig Venter a signé un accord avec Exxon Mobil qui pourrait inclure un financement de plus de 300 millions de dollars pour développer des biocarburants à partir d’algues.

M. Venter, mieux connu pour son rôle dans le séquençage du génome humain, a déclaré hier que sa société, Synthetic Genomics, envisageait de créer une serre et une installation d’essai locales pour étudier des milliers de souches d’algues du monde entier.

L'objectif final est de concevoir des algues qui utiliseraient l'énergie du soleil pour convertir le dioxyde de carbone en huiles et en hydrocarbures en grande quantité - un exploit qui serait d'un coût prohibitif pour les algues d'origine naturelle.

À ce jour, le projet ci-dessus a échoué et est revenu à la planche à dessin.

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

Ces efforts ne semblent pas avoir déchiffré le code des combustibles à base d'algues bon marché. Dans un nouvel accord entre les deux sociétés, Exxon envoie de nouveau la génomique synthétique au laboratoire pour qu’il approfondisse ses connaissances scientifiques fondamentales. Il se concentrera maintenant sur sa technologie éponyme - la génomique synthétique, une science relativement nouvelle qui implique d’importants changements dans les génomes, jusqu’à en construire de nouveaux. L'objectif reste le même: «développer des souches qui se reproduisent rapidement, produisent une forte proportion de lipides et résistent efficacement aux conditions environnementales et opérationnelles».

2 . Chevron collabore avec une société appelée Catchlight Energy pour utiliser les algues comme matière première pour la fabrication de pétrole. Chevron s'est également associé à Weyerhaueser Co, l'une des plus grandes entreprises de produits forestiers au monde, à commencer à utiliser les déchets de bois. La ligno-cellulose présente dans le bois est également un composant du pétrole.

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

Chevron Corporation (NYSE: CVX) et Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) ont annoncé aujourd'hui une lettre d'intention visant à évaluer conjointement la faisabilité de la commercialisation de la production de biocarburants à partir de sources à base de cellulose.

Les sociétés se concentreront sur la recherche et le développement d’une technologie capable de transformer la fibre de bois et d’autres sources non cellulosiques de cellulose en biocarburants économiques et propres pour voitures et camions. Les options de matières premières incluent une large gamme de matériaux provenant du système de forêts et d'usines existant de Weyerhaeuser et de cultures cellulosiques plantées dans des plantations forestières gérées par Weyerhaeuser.

Dans la nature, la transformation de ces matières organiques en pétrole et en gaz naturel prend des millions d’années, mais c’est aussi long pour les enterrer à une profondeur où la température et la pression sont suffisamment élevées pour convertir ces matières en pétrole. .

En réalité, le temps nécessaire pour convertir ces algues en pétrole peut être inférieur à quelques centaines d'années, encore une fois en raison de la lente variation de la température et de la pression dans un contexte géologique.

Du pétrole a été généré et trouvé dans des gisements sédimentaires dès l’âge de 1000 ans, il n’a donc pas besoin de millions d’années. En milieu industriel, tout cela peut être fait en quelques heures ou quelques jours.

Défi

Au laboratoire, les matières organiques peuvent être chauffées (~ 320 ° C) dans une atmosphère inerte avec de l’eau sous pression (~ 150 atm) pour simuler les processus naturels qui prennent des millions d’années mais ne prennent que quelques jours en laboratoire. Cela est dû à une thermodynamique simple: des milliers d'années à 100 ° C ou quelques jours à 320 ° C donnent des produits similaires.

Cette technique permet d'analyser si des roches immatures, si elles avaient été enterrées plus profondément, pourraient produire du pétrole brut. Il peut donc être utilisé comme outil de recherche de gisements de pétrole.

Ce n'est pas économiquement viable de le faire à grande échelle car il faut mettre beaucoup d'énergie dans le système.

Côté chose

Quant à ce point,

La composition chimique de l'essence contient de l'oxygène, comme l'essence mélangée à l'éthanol ou l'essence mélangée au méthanol, mais elle ne peut pas se comporter comme de l'oxygène. Donc, il a besoin d'oxygène de l'extérieur, à savoir l'air. Lorsque ces deux composants sont enflammés, il brûle et libère de l'énergie. Chimie de base.

Voici la réaction qui se passe à l'intérieur d'un cylindre pendant la course de combustion.

2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O

J'espère que cela t'aides!

Ce que nous ne pouvons pas reproduire dans les combustibles fossiles, c'est de l'énergie.

Nous fabriquons des combustibles fossiles synthétiques sous une forme ou une autre depuis environ deux siècles: gaz de ville (substitut du méthane), essence de synthèse , biodiesel , etc. À l'exception du biodiesel, toutefois, leur production nécessite beaucoup d'énergie, alors que les combustibles fossiles peuvent simplement être pompés hors du sol.

Pour cette raison, les produits synthétiques n'ont été utilisés que lorsque les combustibles fossiles naturels n'étaient pas disponibles. Le gaz de ville était utilisé avant la découverte des gisements de pétrole de la mer du Nord et le développement de techniques de transport du gaz naturel, tandis que l’essence de synthèse était utilisée par l’Allemagne pendant la Seconde Guerre mondiale, alors qu’elle n’avait pas accès à la version naturelle.

Les efforts actuels pour fabriquer des carburants synthétiques sont centrés sur l'utilisation de plantes ou d'algues, de sorte que l'énergie gratuite du soleil puisse être utilisée.

Les autres réponses sont correctes, techniquement. Comme ils le disent, l’ énergie , les hydrocarbures ou ce que vous voulez appeler sont ce qu’ils contiennent. Des trucs brûlables. Malheureusement, les deux premières lois de la thermodynamique nous disent qu’injecter artificiellement de l’ énergie dans une substance demanderait plus d’énergie que ce que vous en auriez dépensé, il n’est donc pas rentable de le rentabiliser. piles, pas sources d'énergie].

Mais les plantes mettent de l’énergie dans les choses pour nous, du soleil, gratuitement, naturellement . Les gens en ont donc fait des biocarburants.

Mais la plupart d'entre nous n'utilisons pas de biocarburants. Cela ne répond donc pas vraiment à la question implicite , n'est-ce pas? Qui est, pourquoi l'obtenons-nous encore du sol?

Ce qui manque, c'est le volume .

Il y a cent ans, la quantité de mélasse fabriquée dans une cuve d'une usine à Boston était suffisante pour créer un raz-de-marée assez puissant pour tuer 21 personnes:

Imaginez à quel point le sirop de maïs doit être incroyablement plus important de nos jours, maintenant que tout est en train de paniquer .

Quelque chose de similaire s'est passé à peu près au même moment, le London Beer Flood noyant huit personnes et détruisant deux maisons.

Imaginez combien nous devons encore boire! Des quantités inimaginables. Ajoutez à cela la bière, tout le thé, les sodas, les bouteilles d’eau, le lait, etc.

Imaginons maintenant un instant que ces substances ne soient pas presque entièrement constituées d’eau. Qu'ils ont été faits uniquement de leur sirop concentré, mais dans le même volume. Serait-il possible de produire n'importe lequel de ces éléments artificiellement, dans ce volume? Non, nous en sommes déjà à nos limites de production.

Même avec la dilution, regardons les prix. Mars 2016, prix moyens américains pour un gallon 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.

Toutes ces choses, même diluées d'environ 90%, même si je cherchais les prix les moins chers que j'ai pu trouver en une recherche rapide, sont plus chères que notre carburant.

Et pourtant, la production d’essence les surclasse complètement , même au-delà.

Image XKCD obligatoire:

[[Note: une flaque de la taille de ces tuyaux, d'environ 1 mm de profondeur, représente combien chaque personne consomme en moyenne chaque jour.]]

Le volume est la sauce secrète. Le volume est la raison pour laquelle le pétrole / essence est le seul liquide autre que l’eau qui passe dans le pays plutôt que par camion. Et le volume est la raison pour laquelle nous ne pouvons pas produire artificiellement du carburant pour voiture.

Et tandis que des efforts sont déployés, ils seront principalement utilisés dans les centrales électriques, les génératrices, le carburant pour avions et le chauffage domestique, car les voitures électriques rendront le moteur à combustion interne obsolète dans quelques années.

Ils peuvent

Ils ont enchaîné diverses chaînes de polymères dans le laboratoire et même leurs hydrocarbures. L'Université de Californie à Berkeley le fait maintenant. Ce n'est pas vraiment une question de fait. C'est le coût de le faire. À l'heure actuelle, il n'est pas financièrement possible d'être concurrentiel sur le marché actuel. Les autres méthodes pour extraire les dinosaures morts du sol sont moins chères.

Voici un lien où UC Berkeley a utilisé la bactérie E. Coli pour produire un produit de remplacement de l’essence .

Être enthousiasmé par les biocarburants pourrait bien être mal placé. Le chimiste lauréat du prix Nobel Paul Crutzen a publié une découverte selon laquelle les émissions d'oxyde nitreux générées lors de la production de biocarburants contribuaient davantage au réchauffement de la planète que les solutions de carburant actuelles.

Donc, avant de nous enthousiasmer pour les carburants produits en laboratoire à partir de déchets biologiques, nous devrons trouver un meilleur procédé pour convertir la matière biologique ou chercher ailleurs la solution.

Actuellement, certains biocarburants sont commercialisés et mélangés à notre carburant standard. L'un d'entre eux, l'éthanol, est dérivé du maïs. La conséquence involontaire de cette situation est que les producteurs de maïs d’Amérique centrale et d’Amérique du Sud vendent leur maïs aux producteurs de carburant et ont tellement poussé le prix du maïs à la hausse que les gens meurent de faim parce que leur base glucidique sur laquelle ils s'appuient est plus importante. précieux dans le réservoir d'essence d'une voiture. Donc, il y a ça.

Le pétrole provenant du sol est un mélange de différentes molécules, mais elles ont en commun le fait qu’elles ont été créées avec l’énergie du soleil. Alors, connaissant la ou les molécules, nous pouvons assembler les ingrédients dans le bon équipement de laboratoire, ajouter de la chaleur (énergie) et produire notre essence. Cependant, le coût énergétique associé à cette opération (en raison des lois de la thermodynamique) dépasse l’énergie contenue dans le produit, ce qui en fait une perte nette. C'est pourquoi nous ne fabriquons pas notre propre combustible fossile.

C’est exactement la même raison pour laquelle les «générateurs d’hydrogène» commercialisés comme additifs aux automobiles il ya plusieurs années pour améliorer le kilométrage ne peuvent le faire. L'énergie nécessaire au système électrique des voitures, si petite soit-elle, dépasse toujours l'énergie produite, même plus petite.

Et pour ajouter l'insulte aux blessures, l'énergie libérée lorsque nous combinons l'oxygène avec notre pétrole entraîne un réarrangement des différents éléments dans les molécules. L'un des sous-produits est le dioxyde de carbone. Nous n'aimons pas cela non plus, même si les plantes finissent par le transformer en un produit à base de carbone que nous pourrons ensuite brûler à nouveau, si nous le souhaitons.

La quête de l'énergie «renouvelable» consiste alors à trouver quelque chose qui captera rapidement l'énergie du soleil (en une journée) et la stocke de manière à ce qu'elle puisse être extraite de manière contrôlée. Nous demandons du pétrole "au jour le jour". Les cellules photoélectriques et les turbines fonctionnent bien - quand elles fonctionnent - pas toujours lorsque nous avons besoin d'énergie.

Maintenant, vous obtenez l'image. Nous ne pouvons pas produire de carburant - même l'hydrogène convoité - sans dépenser plus d'énergie que nous n'en produirons.

Rien.

Tout ce qui est actuellement utilisé dans les combustibles fossiles peut être produit en masse.

Cela coûterait simplement plus cher que de le pomper du sol.

Les combustibles fossiles ne sont qu'un moyen peu coûteux, mais inefficace, de stocker de l'énergie.

Si le monde disposait de sources d'énergie efficaces et peu coûteuses, il ne serait probablement pas inutile de stocker cette énergie sous forme de produit pétrochimique. Nous aurions des véhicules directement électriques, ou quelque chose de plus efficace comme les piles à hydrogène.

Donc à la fin, la réponse à votre question est .. Argent.

Bien qu'il existe d'excellentes réponses, la réponse la plus simple basée sur la chimie est qu'il est presque impossible de former efficacement des liaisons carbone-carbone autrement qu'avec des systèmes biologiques. Nous pouvons faire H ₂ par électrolyse de l' eau, et nous pouvons briser (fissure) hydrocarbures biologiques ou carbone polymère (charbon) pour produire des biocarburants pré-existants plus utile, mais encore, la photosynthèse ne peut pas être battu pour déplacer le carbone de CO ₂ à alimenter.

Il y a quelques bonnes réponses ici à la question hors sujet. Certaines personnes parlent de problèmes de "coût", d'autres de "d'énergie". Faites attention cependant: ce sont vraiment la même chose. Vous devez faire une comptabilité de base pour déterminer si l’entreprise est viable. La comptabilité la plus élémentaire est la balance "entrée d'énergie" - "sortie d'énergie". Si vous produisez un hydrocarbure dans le laboratoire, il y aura toujours une perte, en raison du principe de conservation de l'énergie, et du fait malheureux que nous ne pouvons pas fabriquer un appareil 100% efficace. Vous ne casserez jamais même.

Il existe peut-être des moyens plus efficaces de stocker et de distribuer la source d'énergie de votre laboratoire que dans une chaîne d'hydrocarbures.

N'oubliez pas que nous utilisons les produits pétrochimiques (composés du carbone extraits ou libérés du sol) à deux fins différentes: le carburant et les matières premières pour la fabrication de toutes sortes de choses. Pour éliminer notre dépendance à la pétrochimie, il nous faudrait aborder les deux utilisations.

Pour remplacer les produits pétrochimiques en tant que source d'énergie, il serait parfois préférable de trouver d'autres moyens de stocker et de libérer de l'énergie, par exemple des batteries rechargées par des éoliennes ou des panneaux solaires. Mais la plupart des alternatives aux combustibles fossiles ont des problèmes de commodité, de capacité (énergie spécifique en poids ou en volume), de densité de puissance (encore en poids ou en volume), de sécurité de manutention / stockage (pensez à l'hydrogène), de NIMBY (pensez aux parcs éoliens), etc. Il est si facile de remplir un réservoir d'essence, de diesel, de carburéacteur, etc., d'allumer un moteur et de partir… sans parler de poids relativement léger et compact. Alors peut-être que pour certaines applications telles que les avions, il serait peut-être plus pratique de continuer à les alimenter de la manière actuelle (en acceptant tous les inconvénients), mais considérons des sources alternatives au pétrole, donc aux biocarburants.

Pour remplacer les produits pétrochimiques en tant que matière première pour la fabrication, vous devez tenir compte de tout ce que notre monde moderne en tire. Plastiques, solvants, colorants, lubrifiants, adhésifs, etc. Toutes les molécules intéressantes extraites du pétrole brut (et ce peut être une longue liste) devraient être produites par d'autres moyens.

Dans les deux cas, ces équivalents pétrochimiques devraient chacun être produits à grande échelle. En tant que communauté mondiale, nous consommons beaucoup d’essence au moment de nous déplacer et nous fabriquons toutes sortes de choses (même à grande échelle) à partir du pétrole. Il se résume à trois grandes choses:

1. Déterminez comment fabriquer notre substitut (par exemple, l’octane ou un autre hydrocarbure) par des processus chimiques et / ou biologiques à partir de quelque chose que nous n’avons pas extrait du sol (par exemple, le dioxyde de carbone et l’eau). Des recherches sont en cours dans ce domaine et des résultats intéressants apparaissent tout le temps.

2. Intensifiez les processus à un niveau qui répond à la demande. D'une part, cela nécessitera des investissements massifs; qui va mettre l'argent? Un autre point: si vous introduisez du dioxyde de carbone et de l'eau dans un processus et extrayez des hydrocarbures, vous devrez ajouter de l'énergie, ce qui doit venir de quelque part. Cela peut constituer un point de blocage majeur pour la synthèse d’équivalents pétrochimiques à une échelle intéressante. Construisons-nous de vastes parcs solaires / éoliens? Qu'est-ce que cela va faire pour le paysage mondial? Construisons-nous plus d'armes nucléaires?

3. Rendez-le économiquement viable. Les gens peuvent être persuadés de payer une petite prime pour un carburant ou un produit de consommation ne provenant pas de pétrole, mais il y aura une limite. Un procédé sans pétrole peut-il même se rapprocher de l’économie des puits et des raffineries d’aujourd’hui?

Considérant que la vraie question est «Pourquoi ne produisons-nous pas du carburant à partir de zéro au lieu de le pomper du sol?», Je dois dire que le problème fondamental est l'énergie - plus précisément, la conservation de l'énergie . Les carburants ne sont PAS des sources d'énergie - ce sont des mécanismes de stockage d'énergie (comme les batteries). Quelle que soit l’énergie obtenue lors de la combustion, il faut d’abord se rassembler pour créer le carburant. C'est un jeu à somme nulle. Ce qui différencie les combustibles fossiles, c'est que la nature a passé des centaines de millions d'années à collecter de l'énergie solaire pour le stockage de matières organiques (plantes) et à la séquestrer dans le sol pour que nous puissions la trouver.

Et maintenant, nous consommons cette ressource un million de fois plus vite que nécessaire . Nous vivons sur le temps emprunté, les gens!

Nous pouvons produire en masse des carburants synthétiques. Cela a été fait par l’ Allemagne pendant la Seconde Guerre mondiale (bien qu’à partir de sources fossiles). Ce dont vous avez besoin, c'est du carbone et de l'hydrogène.

Malheureusement, le carbone se présente généralement sous la forme de dioxyde de carbone (et de combustibles fossiles, mais ils ont été spécifiquement exclus dans la question) et d’hydrogène sous la forme d’eau. Pour séparer l'hydrogène et le carbone de ceux-ci, vous avez besoin d'énergie. Le carbone et l'hydrogène peuvent être trivialement combinés en hydrocarbures lors de réactions chimiques.

Heureusement, l’énergie est une ressource abondante sur la planète Terre. Il y a deux manières principales de produire de l'énergie. L'une consiste à récolter l'énergie du soleil, directement ou indirectement. Les moyens indirects incluent l’énergie éolienne, l’énergie hydroélectrique et même les biocarburants renouvelables et les combustibles fossiles. Direct signifie photovoltaïque ou énergie solaire thermique à concentration. Les voies directes permettent à de nombreux ordres de grandeur une consommation d'énergie supérieure à celle utilisée aujourd'hui, pendant des milliards d'années.

L'autre moyen principal de produire de l'énergie est le nucléaire, qui est également une ressource abondante. L' eau de mer et la roche granitique ordinaire contiennent suffisamment d' U-238 pour que nous puissions maintenir les niveaux actuels d'utilisation d'énergie pendant des milliards d'années , jusqu'à ce que le soleil grossisse et nous détruise.

Le problème principal est le coût. Les installations de fabrication de carburants synthétiques sont coûteuses, mais fonctionneront à la rigueur, comme l’a montré l’Allemagne pendant la Seconde Guerre mondiale. Les installations d'électrolyseur d'hydrogène à partir d'eau ne sont pas bon marché non plus. L'extraction de dioxyde de carbone de l'atmosphère coûte aussi un peu. De plus, la production d'énergie a aussi des coûts, mais le coût de l'énergie solaire diminue rapidement et pourrait être le choix de production d'énergie du monde plus propre de demain.

Ce n’est pas si loin de rêver de produire des carburants synthétiques. Aujourd'hui, Neste produit du NExBTL, qui est essentiellement du diesel produit à partir de sources biologiques équivalant au diesel ordinaire et ne nécessite aucune modification de la voiture. Aujourd'hui, il est prévu de construire une bioraffinerie pour produire de l'essence biogaz en Finlande. La conversion du carbone et de l’hydrogène en carburants synthétiques n’est donc certainement pas un problème: il est possible de produire du biodiesel et du biogaz.

Les questions restantes sont:

• Coût de l'énergie, qui ne posera pas de problème dans quelques décennies en raison de la réduction rapide du coût des cellules solaires. L'énergie a déjà occasionnellement un coût négatif en Allemagne en raison de la production à grande échelle d'énergies renouvelables intermittentes. Ce que nous devons faire, c'est prolonger la durée d'utilisation de l'énergie par le biais d'un coût négatif pour l'énergie en installant encore plus d'énergies renouvelables intermittentes.
• Coût de capture du dioxyde de carbone. Dans un premier temps, il sera capturé à partir de sources industrielles et de production d'énergie, mais dans le monde propre de demain, il devra être séparé de l'air, car il n'y aura pas de sources de CO ₂ (sauf les sources mobiles, pour lesquelles il est difficile de capturer). .
• Coût de l'électrolyse de l'eau. Aujourd'hui, il est moins coûteux de produire de l'hydrogène à partir de gaz naturel que de l'électrolyse. Cependant, demain, les coûts pourraient être différents, en partie à cause de la baisse des coûts énergétiques.
• Les grands champs de pétrole qui ne sont pas épuisés et qui peuvent être utilisés pour produire du pétrole pendant des décennies à un coût marginal minime. Le prix de l'huile fossile se fixera au niveau où l'offre et la demande sont en équilibre. Cela signifie que les huiles fossiles seront utilisées pendant très longtemps, à moins que le gouvernement n'en interdit l'utilisation ou ne taxe pas son utilisation.

Il reste à savoir dans quelle mesure les carburants synthétiques sont nécessaires. La voiture électrique a certes démontré sa viabilité, il est donc possible que ces carburants synthétiques soient utilisés par l'aviation et non par la route.