¿Qué hay en los combustibles fósiles que no podemos producir en masa?

Dado que el combustible está compuesto por diferentes cadenas de moléculas, mi pregunta es ¿cuál es la razón por la que no podemos crear la misma estructura de la molécula y poder reproducir la misma estructura en un laboratorio para que no tengamos que agotarnos?

Entiendo que hay mucho más en esto y no es tan simple como lo hago parecer, pero es por eso que pregunto: ¿cuáles son los desafíos para hacer algo como esto? ¿No podemos hacer la misma estructura?

También como nota al margen, ¿los combustibles tienen moléculas de oxígeno ya dentro de la cadena o no reciben estas moléculas hasta la mezcla del oxígeno usando válvulas?

El petróleo que sale del suelo es una mezcla de compuestos de hidrocarburos que son los restos de depósitos de algas y animales microscópicos, también llamados fitoplancton y zooplancton.

Los científicos ya han creado combustibles fósiles sintéticos.

Los esfuerzos

1 . Actualmente hay un esfuerzo de $ 300 millones de dólares (en realidad mucho más grande) en San Diego, California, por una compañía llamada Synthetic Genomics y Exxon Mobil para usar algas para producir petróleo. Los lípidos, una forma de grasa, en las algas son un componente importante del petróleo crudo.

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

Una compañía de biotecnología de San Diego dirigida por el pionero de la genómica J. Craig Venter llegó a un acuerdo con Exxon Mobil que podría incluir más de $ 300 millones en fondos para desarrollar biocombustibles a partir de algas.

Venter, mejor conocido por su papel en la secuenciación del genoma humano, dijo ayer que su compañía Synthetic Genomics está planeando un invernadero local y una instalación de prueba para estudiar miles de cepas de algas de todo el mundo.

El objetivo final es diseñar algas que utilicen la energía del sol para convertir el dióxido de carbono en aceites e hidrocarburos en grandes cantidades, una hazaña que sería prohibitivamente costosa con las algas naturales.

A partir de ahora, el proyecto anterior ha fallado y ha vuelto a la mesa de dibujo.

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

Esos esfuerzos no parecen haber descifrado el código de los combustibles de algas baratos. En un nuevo acuerdo entre las compañías, Exxon está enviando Synthetic Genomics de vuelta al laboratorio para hacer más ciencia básica. Ahora se centrará en su tecnología homónima: la genómica sintética, una ciencia relativamente nueva que implica realizar grandes cambios en los genomas, incluso hasta el punto de construir otros completamente nuevos. El objetivo sigue siendo el mismo: "desarrollar cepas que se reproduzcan rápidamente, produzcan una alta proporción de lípidos y resistan eficazmente las condiciones ambientales y operativas".

2 . Chevron tiene un esfuerzo conjunto con una compañía llamada Catchlight Energy para usar algas como materia prima para producir petróleo. Chevron también se ha asociado con Weyerhaueser Co, una de las compañías de productos forestales más grandes del mundo para comenzar a utilizar los desechos de madera. La lignocelulosa que se encuentra en la madera también es un componente del petróleo.

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

Chevron Corporation (NYSE: CVX) y Weyerhaeuser Company (NYSE: WY) anunciaron hoy una carta de intención (LOI) para evaluar conjuntamente la viabilidad de comercializar la producción de biocombustibles a partir de fuentes basadas en celulosa.

Las compañías se centrarán en investigar y desarrollar tecnología que pueda transformar la fibra de madera y otras fuentes de celulosa no alimentarias en biocombustibles económicos y de combustión limpia para automóviles y camiones. Las opciones de materia prima incluyen una amplia gama de materiales del sistema forestal y molino existente de Weyerhaeuser y cultivos celulósicos plantados en las plantaciones forestales gestionadas por Weyerhaeuser.

En la naturaleza, la única razón por la que estos materiales orgánicos tardan millones de años en transformarse en petróleo y gas natural es que lleva tanto tiempo enterrarlos a una profundidad donde la temperatura y la presión son lo suficientemente altas como para convertir estos materiales en petróleo. .

En realidad, el tiempo que lleva convertir estas algas en aceite puede ser inferior a unos pocos cientos de años, y eso nuevamente se debe al lento cambio de temperatura y presión en un entorno geológico.

El petróleo se ha generado y encontrado en depósitos sedimentarios tan jóvenes como de 1000 años, por lo que no requiere millones de años. En un entorno industrial, todo esto se puede hacer en cuestión de horas o días.

Reto

En el laboratorio, el material orgánico se puede calentar (~ 320 ° C) en una atmósfera inerte con agua a presión (~ 150 atm) para simular los procesos naturales que llevan millones de años, pero que solo llevan unos días en el laboratorio. Esto se debe a la termodinámica simple, miles de años a 100 ° C o unos pocos días a 320 ° C dan productos similares.

Esta técnica se utiliza para analizar si las rocas inmaduras, si hubieran sido enterradas más profundamente, podrían producir petróleo crudo. Por lo tanto, se puede utilizar como herramienta para buscar depósitos de petróleo.

No es económicamente viable hacerlo a gran escala ya que hay que poner tanta energía en el sistema.

Cosa secundaria

En cuanto a este punto,

La composición química de la gasolina contiene oxígeno, como gasolina mezclada con etanol o gasolina mezclada con metanol, pero no puede comportarse como oxígeno. Por lo tanto, necesita oxígeno del exterior, es decir, aire. Cuando estos dos componentes se encienden, se quema y libera energía. Química básica

Aquí está la reacción que ocurre dentro de un cilindro durante la carrera de combustión.

2C ₈ H ₁₈ + 25O ₂ → 16CO ₂ + 18H ₂ O

¡Espero que esto ayude!

Lo que hay en el combustible fósil que no podemos reproducir es la energía.

Hemos estado fabricando combustibles fósiles sintéticos de una forma u otra durante aproximadamente dos siglos: gas urbano (un sustituto de metano), gasolina sintética , biodiesel , etc. Sin embargo, con la excepción del biodiesel, todos estos requieren una energía considerable para producir, mientras que los combustibles fósiles simplemente pueden ser bombeados del suelo.

Debido a esto, los sintéticos solo se han utilizado cuando los combustibles fósiles naturales no estaban disponibles. El gas de la ciudad se usó antes del descubrimiento de los campos petroleros del Mar del Norte y el desarrollo de técnicas para transportar gas natural, mientras que la gasolina sintética fue utilizada por Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, cuando no tenía acceso a la versión natural.

Los esfuerzos actuales para fabricar combustibles sintéticos se centran en el uso de plantas o algas, de modo que se pueda utilizar la energía libre del sol.

Las otras respuestas son correctas, técnicamente. Como dicen, lo que contiene es energía o hidrocarburos. , o como quieran llamarlos. Cosas quemables Desafortunadamente, las dos primeras leyes de la termodinámica nos dicen que poner energía artificialmente en una sustancia tomaría más energía de la que sacarías, por lo que no podría ser rentable [lo cual, por otro lado, es por eso que las celdas de combustible de hidrógeno son solo baterías, no fuentes de energía].

Pero las plantas ponen energía en las cosas para nosotros, del sol, gratis, naturalmente . Entonces la gente los ha convertido en biocombustibles.

Pero la mayoría de nosotros no manejamos nuestros autos con biocombustibles. Entonces eso realmente no responde pregunta implícita , ¿verdad? ¿Cuál es, por qué todavía lo estamos obteniendo del suelo?

Lo que falta es el volumen .

Hace cien años, se fabricaban suficientes melazas en un tanque de una fábrica en Boston para crear un maremoto lo suficientemente grande como para matar a 21 personas:

Imagine cuán increíblemente debe haber más jarabe de maíz hoy en día, ahora que está volviendo loco todo .

Algo similar sucedió aproximadamente al mismo tiempo, con el London Beer Flood ahogando a ocho personas y destruyendo dos casas.

¡Imagina cuánto más debemos beber hoy en día! Cantidades inimaginables. Agregue a esa cerveza, todo el té, refrescos, agua embotellada, leche, etc.

Ahora imagine por un momento que estas sustancias no están hechas casi completamente de agua. Que estaban hechos solo de su jarabe concentrado, pero en el mismo volumen. ¿Sería posible producir alguna de estos artificialmente, en ese volumen? No. Ya estamos en nuestros límites de producción.

Incluso con el debilitamiento, veamos los precios. Marzo de 2016, precios promedio en EE. UU. Por un galón 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 estas cosas, incluso diluidas en un 90%, incluso conmigo escogiendo los precios más baratos que pude encontrar en una búsqueda rápida, son más caras que nuestro combustible.

Y, sin embargo, la producción de gasolina los eclipsa por completo , incluso todos juntos.

Imagen obligatoria de XKCD:

[[Nota: un charco del tamaño de estas tuberías, de aproximadamente 1 mm de profundidad, es la cantidad que cada persona usa cada día en promedio.]]

Volumen es la salsa secreta. El volumen es la razón por la cual el petróleo / gasolina es el único líquido, además del agua, que se canaliza por todo el país en lugar de transportarse en camiones. Y el volumen es la razón por la que no podemos producir combustible para automóviles artificialmente.

Y mientras se realizan esfuerzos, estos terminarán usándose principalmente en estaciones de energía, generadores, combustible de líneas aéreas y calefacción doméstica, ya que los autos eléctricos harán que el motor de combustión interna quede obsoleto en unos pocos años de todos modos.

Ellos pueden

Han unido varias cadenas de polímeros en el laboratorio e incluso sus hidrocarburos. La Universidad de California Berkeley lo está haciendo ahora. No se trata realmente de que se haga. Es el costo de hacerlo. En este momento, no es financieramente factible ser competitivo en el mercado actual. Los otros métodos para sacar dinosaurios muertos del suelo son más baratos.

Aquí hay un enlace donde UC Berkeley usó la bacteria E. Coli para ayudar a producir un reemplazo de gasolina .

Sin embargo, estar entusiasmado con los biocombustibles podría estar fuera de lugar. El químico ganador del Premio Nobel Paul Crutzen publicó el hallazgo de que las emisiones de óxido nitroso creadas durante la producción de biocombustibles los hicieron contribuir más al calentamiento global que las soluciones de combustible actuales.

Entonces, antes de entusiasmarnos con los combustibles producidos en el laboratorio a partir de desechos biológicos, tendremos que encontrar un mejor proceso para convertir la materia biológica o buscar la solución en otra parte.

Actualmente, hay biocombustibles que están llegando al mercado y se mezclan con nuestro combustible estándar. Uno de ellos, el etanol, se deriva del maíz. La consecuencia involuntaria con eso es que los productores de maíz en América Central y del Sur están vendiendo su maíz para alimentar a los productores y han elevado el precio del maíz tanto que la gente en realidad se muere de hambre porque su base de carbohidratos de la que dependen como fuente de alimento es más valioso en el tanque de gasolina de un automóvil. Entonces, ahí está eso.

El petróleo del suelo es una mezcla de diferentes moléculas, pero tienen en común el hecho de que fueron creadas con energía del sol. Entonces, sabiendo cómo se ven las moléculas, podemos ensamblar los ingredientes en el equipo de laboratorio adecuado, agregar calor (energía) y producir nuestra gasolina. Sin embargo, el costo energético de hacer esto (debido a las leyes de la termodinámica) excede la energía contenida en el producto, lo que hace que el proceso sea una pérdida neta de energía. Es por eso que no hacemos nuestro propio combustible fósil.

Es exactamente la misma razón por la que los "generadores de hidrógeno" comercializados como un complemento de los automóviles hace años para mejorar el kilometraje, no pueden hacer eso. La energía requerida del sistema eléctrico del automóvil, por pequeña que sea, siempre excede la energía producida, incluso más pequeña.

Y para agregar insulto a la lesión, la energía liberada cuando combinamos oxígeno con nuestro petróleo resulta en una reorganización de los diferentes elementos en las moléculas. Uno de los subproductos es el dióxido de carbono. Tampoco nos gusta eso a pesar de que las plantas eventualmente, con la luz solar, lo convertirán de nuevo en un producto a base de carbono que luego podemos volver a quemar, si lo deseamos.

La búsqueda de energía "renovable" es entonces una búsqueda para encontrar algo que capture la energía del sol rápidamente (en un solo día) y la almacene de una manera que permita que sea extraída de manera controlada. Estamos pidiendo petróleo "durante la noche". Las fotocélulas y las turbinas funcionan bien, cuando funcionan, no siempre cuando necesitamos la energía.

Ahora te haces una idea. No podemos producir combustible, ni siquiera el codiciado hidrógeno, sin gastar más energía de la que produciremos.

Nada.

Todo en combustibles fósiles actualmente en uso puede ser producido en masa.

Simplemente costaría más que sacarlo del suelo.

Los combustibles fósiles son simplemente una forma barata, pero ineficiente, de almacenar energía.

Si el mundo tuviera fuentes de energía baratas y eficientes, probablemente no desperdiciaría ningún esfuerzo en almacenar esa energía como productos petroquímicos. Tendríamos vehículos eléctricos directamente, o algo más eficiente como las celdas de combustible de hidrógeno.

Entonces, al final, la respuesta a su pregunta es ... Dinero.

Si bien hay algunas respuestas excelentes, la respuesta más simple basada en la química es que es casi imposible formar enlaces carbono-carbono de manera eficiente que no sea con sistemas biológicos. Podemos hacer H ₂ por electrólisis de agua, y podemos romper (crack) hidrocarburos biológicos o de carbono polimérico (carbón) para hacer biocombustibles pre-existentes más útil, pero hasta ahora, la fotosíntesis no puede ser mejor para mover de carbono de CO ₂ al combustible.

Aquí hay algunas buenas respuestas a la pregunta fuera de tema. Algunas personas se refieren a problemas de "costo", otras a problemas de "energía". Sin embargo, presta atención: en realidad son lo mismo. Debe hacer una contabilidad básica para determinar si el negocio es viable. La contabilidad más básica es el balance de "entrada de energía" - "salida de energía". Si está produciendo un hidrocarburo en el laboratorio, siempre habrá una pérdida, debido al principio de conservación de la energía y al hecho desafortunado de que no podemos fabricar un dispositivo que sea 100% eficiente. Nunca llegarás a un punto de equilibrio.

Bien podría haber formas más eficientes de almacenar y entregar la fuente de energía de su laboratorio que en una cadena de hidrocarburos.

Tenga en cuenta que utilizamos productos petroquímicos (compuestos de carbono extraídos o liberados del suelo) para dos propósitos claramente diferentes: combustible y materia prima para la fabricación de todo tipo de cosas. Para eliminar nuestra dependencia de los productos petroquímicos, tendríamos que abordar ambos usos.

Para reemplazar los productos petroquímicos como fuente de energía, en algunos casos sería mejor encontrar otras formas de almacenar y liberar energía, por ejemplo, baterías recargadas por turbinas eólicas o paneles solares. Pero la mayoría de las alternativas de combustibles fósiles tienen problemas de conveniencia, capacidad (energía específica por peso o volumen), densidad de potencia (nuevamente por peso o volumen), seguridad de manipulación / almacenamiento (piense en hidrógeno), NIMBY (piense en parques eólicos), etc. Es muy fácil llenar un tanque con gasolina, diésel, combustible para aviones, etc., encender un motor e ir ... sin mencionar que es relativamente ligero y compacto. Entonces, tal vez para algunas aplicaciones como las aeronaves, puede ser más factible continuar alimentado de la manera actual (aceptando todos los inconvenientes), pero considere fuentes alternativas que el petróleo, por lo tanto, los biocombustibles.

Para reemplazar los productos petroquímicos como materia prima de fabricación, tendría que considerar todas las cosas que nuestro mundo moderno deriva de ellos. Plásticos, solventes, colorantes, lubricantes, adhesivos, etc. Todas las moléculas interesantes extraídas del petróleo crudo (y puede ser una lista larga) tendrían que ser producidas por algún otro medio.

En cualquier caso, estos equivalentes petroquímicos tendrían que producirse a gran escala. Nosotros, como comunidad global, quemamos mucho combustible con solo movernos, y hacemos todo tipo de cosas (también a gran escala) del petróleo. Se reduce a tres grandes cosas:

1. Averigüe cómo hacer nuestro sustituto (digamos, octano u otro hidrocarburo) por procesos químicos y / o biológicos a partir de algo que no extrajimos del suelo (por ejemplo, dióxido de carbono y agua). Hay una investigación en curso sobre esto con resultados interesantes que surgen todo el tiempo.

2. Amplíe los procesos a un nivel que satisfaga la demanda. Por un lado, requerirá una inversión masiva; ¿Quién pondrá el dinero? Por otro lado: si vas a poner dióxido de carbono y agua en un proceso y sacar hidrocarburos, tendrás que agregar energía, que tiene que venir de algún lado. Este puede ser un importante punto de fricción para sintetizar equivalentes petroquímicos en cualquier escala que valga la pena. ¿Construimos grandes parques solares / eólicos? ¿Qué le hará eso al paisaje global? ¿Construimos más nuclear?

3. Hazlo económicamente viable. Se puede convencer a las personas de que paguen una pequeña prima por un combustible o producto de consumo que no sea de origen petrolero, pero habrá un límite. ¿Puede un proceso no petrolero incluso acercarse a la economía de los pozos y refinerías de hoy?

Tomando la pregunta real como '¿Por qué no hacemos combustible desde cero en lugar de bombearlo fuera del suelo?', Debo decir que el problema central es la energía, más específicamente, la conservación de la energía . Los combustibles NO son fuentes de energía, son mecanismos de almacenamiento de energía (como las baterías). Cualquiera que sea la energía que se obtiene de la combustión del combustible, primero se debe reunir para crear el combustible en primer lugar. Es un juego de suma cero. Lo que hace que los combustibles fósiles sean diferentes es que la Naturaleza pasó cientos de millones de años recolectando energía solar en almacenamiento orgánico (es decir, plantas) y secuestrando en el suelo para que la encontremos.

Y ahora estamos consumiendo ese recurso un millón de veces más rápido de lo que tardó en acumularse. ¡Vivimos en tiempo prestado, gente!

Podemos producir en masa combustibles sintéticos. Ha sido realizado por Alemania en la Segunda Guerra Mundial (aunque de fuentes fósiles). Lo que necesitas es carbono e hidrógeno.

Desafortunadamente, el carbono es típicamente en la naturaleza en forma de dióxido de carbono (y combustibles fósiles, pero fueron específicamente excluidos en la pregunta) e hidrógeno en forma de agua. Para separar el hidrógeno y el carbono de estos, necesita energía. El carbono y el hidrógeno pueden combinarse trivialmente en hidrocarburos en reacciones químicas.

Afortunadamente, la energía es un recurso abundante en el planeta Tierra. Hay dos formas principales de producir energía. Una es cosechar la energía del sol, ya sea directa o indirectamente. Los medios indirectos incluyen energía eólica, hidroeléctrica e incluso biocombustibles renovables y (¡Dios no lo quiera!) Combustibles fósiles. Directo significa energía fotovoltaica o concentración de energía solar térmica. Las formas directas permiten un uso de energía mucho mayor en muchos órdenes de magnitud que el que se usa hoy en día, durante miles de millones de años.

La otra forma principal de producir energía es nuclear, que también es un recurso abundante. Hay suficiente U-238 en el agua de mar y la roca de granito común para que podamos mantener los niveles actuales de uso de energía durante miles de millones de años , hasta que el sol se agrande y nos destruya.

El problema principal es el costo. Las instalaciones para fabricar combustibles sintéticos son caras, pero en caso de necesidad funcionarán, como nos mostró Alemania durante la Segunda Guerra Mundial. Las instalaciones para electrolizar hidrógeno del agua tampoco son baratas. La extracción de dióxido de carbono de la atmósfera también cuesta algo. Además, la producción de energía también tiene sus costos, pero sin embargo, el costo de la energía solar se está reduciendo rápidamente y puede ser la opción de producción de energía del mundo más limpio del mañana.

No es un sueño muy lejano producir combustibles sintéticos. Hoy, Neste produce NExBTL, que es esencialmente diesel producido a partir de fuentes biológicas que es equivalente al diesel regular y no requiere absolutamente ninguna modificación del automóvil. Hoy, hay un plan para construir una biorefinería para producir biogasolina en Finlandia. Entonces, ciertamente, la conversión de carbono e hidrógeno en combustibles sintéticos no es el problema: se pueden producir tanto biodiesel como biogasoline.

Los problemas restantes son:

• Costo de la energía, que no será un problema en unas pocas décadas debido a la rápida reducción de los costos de las células solares. La energía ya ocasionalmente tiene un costo negativo en Alemania debido a la producción de energía renovable intermitente a gran escala. Lo que debemos hacer es extender la duración del tiempo donde la energía tiene un costo negativo mediante la instalación de energías renovables aún más intermitentes.
• Costo de capturar dióxido de carbono. Inicialmente, se capturará de fuentes industriales y de producción de energía, pero eventualmente, en el mundo limpio del mañana, tendrá que separarse del aire, porque no habrá fuentes de CO ₂ (excepto fuentes móviles, por lo que la captura es difícil) .
• Costo de electrólisis del agua. Hoy en día, es más barato producir hidrógeno a partir de gas natural que electrolizarlo. Sin embargo, mañana, los costos pueden ser diferentes, en parte debido a la caída de los costos de energía.
• Los grandes campos petroleros que no se han agotado y que pueden usarse para producir petróleo en las próximas décadas a un costo marginal mínimo. El precio del petróleo fósil se establecerá en el nivel donde la oferta y la demanda están en equilibrio. Esto significa que el petróleo fósil se utilizará durante mucho tiempo, a menos que el gobierno prohíba su uso o imponga un impuesto sobre su uso.

Lo que queda por ver es hasta qué punto se necesitan los combustibles sintéticos. El automóvil eléctrico ciertamente ha demostrado su viabilidad, por lo que puede ser el caso de que estos combustibles sintéticos sean utilizados por la aviación, no por el transporte por carretera.