Träffa naturgasjackpotten

Jämfört med olja är naturgas så rikligt att det är häpnadsväckande. Bevisade petroleumreserver är bra för ytterligare en biljon fat eller så. Med dagens konsumtionstakt kommer de att hålla i cirka 40 år. Lägg till oljereserver som tros existera men fortfarande oupptäckta, och tidslinjen sträcker sig över cirka 160 år.

Kända reserver av naturgas, som huvudsakligen består av det enkla kolvätet metan, kommer att räcka i cirka 50 år med dagens förbrukningstakt. Uppskattningar av sannolika men ännu oupptäckta gasresurser sträcker sig denna prognos till cirka 200 år. Men när den naturgas som tros ligga begravd djupt under havet i metanhydrater läggs till, är potentialen häpnadsväckande. Hydrater, iskristaller som fångar metanmolekyler, bildas under ett djup av 300 meter som ett resultat av metanproducerande bakterier. Mycket lite är känt om hur mycket gas som flaskas upp i dessa kristaller eller hur man får ut den, men bästa gissningar är att reserverna kan, även med en fördubbling av naturgasförbrukningen under de kommande decennierna, pågå i tiotusentals år .

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Hur du än gör aritmetiken finns det mycket naturgas där ute. Att öka dess attraktivitet som framtidens bränsle är att metan brinner mycket renare än olja. Men det finns ett stort problem: naturgas är flyktig och dyr att transportera. En av oljans skönheter är att du kan hälla den i rör, lasta den på tankfartyg eller pråmar och säkert frakta den runt om i världen. Naturgas, däremot, transporteras oftast som en vätska, som måste hållas vid en temperatur på -130 C eller vid tiotals atmosfärers tryck. Den kan också transporteras som gas i pipelines, men eftersom gasen måste hållas komprimerad är det ett dyrt förslag: en uppskattning är att en pipeline för att få gas ut ur Alaska och in i Lower 48 skulle kosta omkring 15 till 20 miljarder dollar att bygga.

Släng in det faktum att många stora reserver finns på avlägsna platser som Alaskas norra sluttning eller Sibirien, och resultatet är att mycket av världens naturgas nu är kommersiellt värdelös. Av den [naturgas] som alla är överens om finns där, har över hälften absolut inget marknadsvärde, säger Mark Agee, VD för Syntroleum, ett energiföretag i Tulsa, OK. Ingen alls. Det är på platser som Australiens nordvästra hylla, Papua Nya Guinea, Afrikas västkust, Alaskas norra sluttning. Riktigt avlägsna platser med ingen färdig marknad i närheten.

För en kemiingenjör är lösningen på detta problem, åtminstone i teorin, relativt enkel. Om du kemiskt kunde omvandla denna farliga gas till ett flytande kolväte, som syntetisk olja eller till och med bensin, skulle den kunna transporteras enkelt och billigt vid rumstemperatur och normalt tryck. Dessa syntetiska bränslen kan flöda rakt in i befintliga oljeledningar eller sättas ombord på tankfartyg på väg till marknaden. Efter ytterligare förfining kunde de till och med distribueras genom det befintliga nätverket av bensinstationer. Som ett extra fynd, eftersom utgångsmaterialet är praktiskt taget svavelfri naturgas, skulle de resulterande bränslena också vara fria från svavel och aromatiska föroreningar som förorenar andra petroleumprodukter. Du skulle med andra ord ha en lättillgänglig bränslekälla som potentiellt är mycket billigare och renare än olja.

Några av världens största oljebolag investerar nu miljarder dollar för att bygga raffinaderier som använder gas-till-vätska-teknik för att omvandla metan till ultrarena diesel- och bensinbränslen. Med hjälp av högtrycks- och högtemperaturraffinaderiprocesser kommer dessa nya anläggningar, som byggs på platser som Bintulu, Malaysia, att förvandla naturgas till flytande produkter som lätt kan transporteras till marknaden och som sannolikt är kostnadskonkurrenskraftiga med petroleumprodukter.

Men vissa forskare tror att de har en mycket bättre idé. Processerna som används vid de nya anläggningarna är baserade på kemi som går tillbaka till tidigt 1920-tal och är kostsamma och ineffektiva. En liten grupp kemister och kemiingenjörer arbetar med att upptäcka katalysatorer - material som påskyndar kemiska reaktioner men som inte själva förbrukas i processen - för att direkt omvandla naturgas till flytande bränslen vid låga temperaturer och tryck. Om dessa katalysatorer fungerar - och det är fortfarande en jätte om -De kommer att möjliggöra billiga, enkla raffinaderiprocesser som kan släppa lös de stora outnyttjade naturgasreserverna. De skulle faktiskt tvinga experter att göra om sina beräkningar av världens energiförsörjning. Plötsligt kan de outnyttjade metanresurserna i Sibirien och norra Kanada vara lika viktiga för världen som de stora oljefälten i Saudiarabien.

Svart förflutna

Tanken på att tillverka flytande syntetiska bränslen är inte ny. 1923 upptäckte två tyska kolforskare, Franz Fischer och Hans Tropsch, ett sätt att förvandla de rikliga kolreserverna i Ruhrdalen till syntetisk olja. Fischer och Tropsch visste att om de värmde upp en hög med kol, skulle de producera en blandning av kolmonoxid och väte. Forskarna fann att genom att passera denna gas över metallkatalysatorer kunde de tillverka syntetiskt bränsle. Under andra världskriget använde den tyska regeringen Fischer-Tropsch-processen för att producera cirka 600 000 fat per år militärt bränsle från landets rikliga kolfyndigheter.

Efter kriget slet allierade underrättelsetjänster isär de tyska fabrikerna för att ta reda på hur de fungerade, och en liten Fischer-Tropsch-fabrik drevs i Brownsville, TX, från 1948 till 1953. På 1950-talet fann sig den sydafrikanska regeringen, som t.ex. nazistregimen, med liten eller ingen tillgång till petroleum; den vände sig till Fischer-Tropsch-processen och byggde flera anläggningar för att omvandla kol från landets omfattande fyndigheter till syntetiska bränslen.

Och där kan tekniken ha stannat, för det mesta begränsad till nationer som svälter efter olja, förutom dagens växande frestelse att utnyttja de enorma reserverna av avlägsna, billig naturgas. Metan, liksom kol, kan användas för att producera en blandning av kolmonoxid och väte; förutom utgångsmaterialet fungerar bränslesyntesen exakt på samma sätt som med kol. Exxon Mobil, Shell och Sydafrikas Sasol är alla involverade i stora projekt för att omvandla naturgas till vätska. Sammantaget planerar de stora oljebolagen att spendera nästan 10 miljarder dollar på gas-till-vätskekapacitet i framtida anläggningar.

En av de mindre, mer aggressiva spelarna är Tulsa’s Syntroleum. Liksom de stora oljeföretagen satsar Syntroleum på Fischer-Tropsch-omvandling för att förvandla strandad naturgas till lätttransporterade ultrarena flytande kolväten. Tack vare förbättrade katalysatorer och reaktordesign, säger företaget, är flytande kolväten gjorda av metan nu extremt konkurrenskraftiga med olja på marknaden. De syntetiska bränslena vi kan tillverka är 100 procent kompatibla med konventionella produkter, säger Syntroleums ordförande Mark Agee. Med naturgas är råvarukostnaden [i oljeekvivalenta fat] allt från noll till $10 per fat, jämfört med petroleum på $20. Vi har erbjudit oss gas på Afrikas västkust för ett nickel per tusen kubikfot, eller 50 cent per fat.

Perfekt katalysator

Men Fischer-Tropsch-processen är i sig ineffektiv och dyr - och ur en kemists synvinkel i sig klumpig. Processen kräver temperaturer på runt 800 till 900 oC, och dessa uppnås genom att en del av gasen som omvandlas förbränns. Tekniken är också relativt icke-selektiv och producerar ett stort antal kolvätemolekyler, av vilka några är oanvändbara. Vad som är fel är i grunden att det är 1940-talsteknik, säger Roy Periana, kemist vid University of Southern California. Den använder råkraft och höga temperaturer för att uppnå omvandlingarna.

Ge vilken organisk kemist som helst en penna och papper, så kan han eller hon snabbt rita ut en enkel, mer elegant väg till flytande kolväten. Naturgas är till stor del metan; att omvandla den till metanol, en lätt transporterbar vätska, är helt enkelt en fråga om att lägga till en syreatom till metanmolekylen. Det finns dock ett par stora problem med att omvandla denna teori om direktsyntes till kemisk verklighet. Katalysatorn måste bryta de täta kol-vätebindningarna i metan för att tillåta syret att reagera. Och det är här det blir riktigt knepigt - reaktionen måste lägga till en enda syreatom till varje metanmolekyl; låt det fortsätta och tillför ytterligare en syreatom, och du skapar värdelös koldioxid.

Tricket kan göras i labbet, men befintliga katalysatorer är inte tillräckligt effektiva för att producera de utbyten som krävs för att konkurrera med olja. Periana, för en, har jagat den perfekta katalysatorn i mer än ett decennium. I mitten av 1990-talet arbetade Periana på ett litet företag i Kalifornien som heter Catalytica, där han ledde ett team som arbetade på nya katalysatorer för denna direkta omvandling. På Catalytica upptäckte vi två system, säger han. Den ena var en kvicksilverkatalysator som gav 40 procents utbyte i ett steg vid 180 grader. Det andra var ett platinasystem som gav 70 procents avkastning vid 220 grader. Vid det laget började folk säga att detta kanske verkligen var möjligt. Men dessa lovande inledningar stämde mot några oföränderliga fakta om grundläggande kemi. Även om den direkta omvandlingen av metan var imponerande ur kemisynpunkt, var den fortfarande inte kommersiellt gångbar. Om du ska ersätta en sådan här råvaruprocess, säger Periana, måste du verkligen ha en revolutionerande process. Marginala förbättringar kommer inte att göra det.

Trots kemivägspärrarna är Periana fortfarande optimistisk. Vi har några leads, och vi kopplar det till kunskap om hur tidigare system har fungerat. Och just nu är det rättvist att säga att detta är ett lopp. Grunderna är fastlagda och det är en fråga om vem som kommer dit först, säger han. Frågan som alla tänker på nu är vem som kommer att hitta rätt katalysator och när, och vad kommer det att vara. Det är inte ens en fråga om.'

Naturens pussel

Även stora oljebolag som investerar i att omvandla metan till flytande bränslen genom indirekta tillvägagångssätt finansierar forskning om direkt konvertering. Förra året tilldelade BP 1 miljon dollar per år under 10 år vardera till University of California, Berkeley och Caltech för forskning om metankonvertering - med en del av anslaget öronmärkt för direkt konvertering. Katalysatorsökningen, säger Alex Bell, en kemiingenjör vid Berkeley, är en kombination av konst och vetenskap. Jag kan inte sitta ner just nu och säga att det finns en algoritm för att hitta en katalysator för en given reaktion. Du bygger på tidigare kunskap om vad som fungerar och försöker förbättra den med kunskap om grundläggande kemi. Mycket av det är att försöka etablera mönster och strategiskt tänkande om de kemiska principerna som tar metan till riktade produkter.

Och ingen förväntar sig ett genombrott imorgon. Enrique Iglesia, en annan Berkeley-kemiingenjör som är involverad i BP-programmet, har arbetat med metanomvandling i nästan 20 år. Direkt metanomvandling är något vi drömmer om, men naturen står i vägen, säger han. Metan har en av de starkaste bindningarna vi känner till, och dess reaktionsprodukter har vanligtvis svagare bindningar. Det är svårt att stanna vid de önskade produkterna, så det här är en tuff kemi.

Få kan misstänka att lösningen på världens energiproblem kommer ur det esoteriska fältet av katalysvetenskap. Men med de enorma, outnyttjade naturgasreserverna där ute som väcker fantasin hos kemister, fortsätter sökandet efter den perfekta katalysatorn. Tuff kemi, men om det lyckas kommer det att förändra världens energiberäkningar.

Dölj