ایجاد سوخت های مایع از زغال سنگ

تبدیل زغال‌سنگ به سوخت مایع (مایع‌سازی زغال‌سنگ) راه‌حلی ملموس برای فشارهایی است که کشورهای وابسته به واردات نفت احساس می‌کنند و بر قیمت‌های بالای نفت تأثیر منفی می‌گذارند. تصور کنید، قیمت زغال سنگ تنها 10 دلار در هر بشکه معادل نفت است، که بسیار ارزان است.

سوخت مایع از زغال سنگ را می توان از یک پمپ موجود در یک پمپ بنزین از طریق زیرساخت توزیع موجود تحویل داد و بدون تغییر در ناوگان خودروهای فعلی استفاده کرد. زغال سنگ، از جمله زغال‌سنگ یا زغال‌سنگ با کیفیت پایین، می‌تواند به آسانی به سوخت‌های مختلف تبدیل شود، با تعدادی از مزایای کلیدی:

• سوخت های مشتق شده از زغال سنگ بسیار تمیز هستند: بدون گوگرد، ذرات کم، با سطوح کم اکسید نیتروژن.
• انتشار دی اکسید کربن، در طول چرخه کامل سوخت، می تواند تا 20٪ در مقایسه با محصولات نفتی معمولی، از طریق استفاده از جذب و ذخیره کربن کاهش یابد [ویلیامز و لارسون 2003].
• زغال سنگ در بیش از 50 کشور در سراسر جهان استخراج می شود و در بیش از 70 کشور وجود دارد - سیستم های زیرساختی برای استفاده از این منبع برای تامین سوخت مایع وجود دارد.
• سوخت های بسیار تمیز مشتق شده از زغال سنگ را می توان برای حمل و نقل، پخت و پز و تولید برق ثابت و به عنوان ماده اولیه برای صنایع شیمیایی استفاده کرد.

مایع سازی مستقیم زغال سنگ با حل کردن زغال سنگ در یک حلال در دما و فشار بالا، زغال سنگ را به مایع تبدیل می کند. این فرآیند بسیار کارآمد است، اما محصولات مایع نیاز به پالایش بیشتر ("هیدروکراک" یا افزودن هیدروژن روی یک کاتالیزور) برای دستیابی به ویژگی های سوخت درجه بالا دارند.

مایع سازی غیرمستقیم زغال سنگ ابتدا زغال سنگ را با بخار به گاز تبدیل می کند تا یک گاز سنتز (مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن) ایجاد کند. گوگرد از این گاز خارج شده و مخلوط با توجه به محصول مورد نظر تنظیم می شود. سپس گاز سنتز روی یک کاتالیزور – فرآیند «فیشر-تروپش» – متراکم می‌شود تا محصولاتی با کیفیت بالا و فوق‌العاده تمیز تولید کند.

مجموعه‌ای از محصولات را می‌توان از طریق این فرآیندها تولید کرد - نفت و گازوئیل فوق‌العاده تمیز، واکس‌های مصنوعی، روان‌کننده‌ها و مواد اولیه شیمیایی. یک فرآیند مشابه، با استفاده از کاتالیزورهای مختلف، سوخت های مایع جایگزین مانند متانول و دی متیل اتر (DME) تولید می کند.

بهره وری و بهره وری را می توان با تولید مشترک سوخت مایع، برق و مواد اولیه شیمیایی (که به نام تولید چندگانه شناخته می شود) بهبود بخشید. انتشار دی اکسید کربن از فرآیند تولید را می توان به طور قابل توجهی از طریق جذب و ذخیره کربن کاهش داد - و هزینه ها ممکن است در نتیجه تغییرات در مدیریت گوگرد جبران شود.

امنیت انرژی

در زغال‌سنگ: انرژی ایمن، مؤسسه جهانی زغال‌سنگ به نقش زغال‌سنگ در ترکیب انرژی متعادل - به‌ویژه در مورد امنیت عرضه در تولید برق - و اینکه چگونه استفاده از فناوری‌های زغال‌سنگ پاک و جذب و ذخیره‌سازی کربن می‌تواند به این مزایا امنیتی کمک کند، نگاه می‌کند. کاهش اثرات زیست محیطی [WCI 2005].

ملاحظات امنیت انرژی به طور بالقوه حتی از اهمیت بیشتری در بخش حمل و نقل برخوردار است. فرآورده‌های نفتی 96 درصد انرژی مورد استفاده در حمل‌ونقل را تامین می‌کنند – که بسیار دور از «ترکیب انرژی متعادل» است که به‌عنوان یک الگوی معقول برای توسعه اقتصادی باثبات دنبال می‌شود. از آنجایی که قیمت نفت در سال‌های اخیر به طور چشمگیری افزایش یافته است، امکان پوشش ریسک از طریق استفاده از سوخت‌های جایگزین - زغال سنگ به مایعات (CTL) وجود دارد. گاز به مایعات (GTL)؛ و زیست توده به مایعات (BTL) - به طور جدی مورد توجه قرار گرفته است.

امنیت انرژی البته به نگرانی‌ها در مورد قیمت بالای نفت محدود نمی‌شود. این ترکیب پیچیده ای از مسائل پیرامون دسترسی به منابع، امنیت و در دسترس بودن زیرساخت های تامین، الگوهای به سرعت در حال تغییر تولید و مصرف، رویدادهای نامتعارف و نامطلوب جوی و تنش های ژئوپلیتیکی است.

در دسترس بودن منابع

اساسی ترین نگرانی در مورد عرضه نفت، مقدار فیزیکی ذخایر باقیمانده است. مجموع ذخایر ثابت شده نفت متعارف جهان در حال حاضر در حدود 1.2 تریلیون بشکه یا حدود 40 سال عرضه در سطح تولید امروزی است [BP 2006]. در حالی که منابع غیر متعارف (شیل‌های نفتی، ماسه‌های قیر و غیره) در حال توسعه هستند، پیش‌بینی می‌شود که تقاضا از هم اکنون تا سال 2030 با نرخ متوسط 1.6 درصد در سال افزایش یابد [IEA 2004].

نیروگاه های گاز به مایعات (GTL) در حال حاضر در مالزی و قطر مشغول به کار هستند و چندین کارخانه دیگر نیز برنامه ریزی شده است. با این حال، پیش بینی می شود که ذخایر گاز تنها 65 سال دیگر دوام بیاورد. قیمت گاز نسبتاً بالا است و با گسترش و اتصال بازارها، رقابت بیشتری برای منابع، به ویژه در مورد گاز طبیعی مایع (LNG) برای تولید برق ممکن است مورد انتظار باشد. GTL به طور مؤثر به میادین گاز طبیعی محدود شده است - یعنی میادینی که یا خیلی دور از بازار هستند و ساخت خطوط لوله را بسیار گران می کند. یا آنهایی که بازار اشباع شده و هزینه های صادراتی بسیار زیاد است.

در مقابل، پیش‌بینی می‌شود که ذخایر زغال‌سنگ در آینده به خوبی باقی بماند - به طور میانگین جهانی برای 155 سال دیگر، اما در برخی کشورها ذخایر داخلی ممکن است بسیار طولانی‌تر باقی بماند [BP 2006]. ذخایر عظیمی در ایالات متحده آمریکا، روسیه، چین، هند و استرالیا وجود دارد و بسیاری از کشورهای دیگر ذخایری بیش از حد کافی برای بیش از 100 سال استفاده با نرخ فعلی دارند.

زغال سنگ سریعترین منبع انرژی در جهان است که در حال رشد است و قرار است این مسیر را ادامه دهد [BP 2006]. منابع جدید از جمله در مغولستان، نیجریه و بوتسوانا در حال شناسایی هستند و تولید در ونزوئلا و کلمبیا به سرعت در حال افزایش است.

سوخت های زیستی نیز بازار رو به رشدی هستند. برزیل با برنامه سوخت های زیستی خود (اتانول از نیشکر) جهان را رهبری کرده است و ایالات متحده اکنون از 20 درصد ذرت خود برای تولید اتانول استفاده می کند - که توسط اعتبار مالیاتی و ارزش آن به عنوان جایگزینی برای سوخت افزودنی MTBE1 پشتیبانی می شود. تولید جهانی اتانول حدود 0.4 درصد از مصرف جهانی نفت را تامین می کند و رشد سریع بیشتری انتظار می رود.

با این حال، رشد زیست توده برای سوخت به منابع زمین زیادی نیاز دارد و ممکن است در برخی از نقاط جهان مجبور به رقابت با تولید مواد غذایی یا در واقع با زیست توده برای تولید برق تجاری شود - به ویژه در مواردی که یارانه ها یا مشوق هایی قبلاً اعمال شده است. تولید زیست توده برای سوخت در این مقیاس نیز می تواند تأثیر قابل توجهی بر تنوع زیستی داشته باشد. نیروگاه های BTL پرهزینه ترین سیستم های تولید سوخت جایگزین برای ساخت هستند و هزینه های خوراک متغیر است.

استفاده از زغال سنگ و زیست توده با هم برای تولید سوخت مایع می تواند مزایای ارزشمندی را ارائه دهد. زیست توده را می توان در نیروگاه های کم هزینه زغال سنگ به مایعات استفاده کرد و در نتیجه هزینه سرمایه را کاهش داد. کاهش مقدار زیست توده مورد استفاده فشار کمتری بر کاربری زمین و تنوع زیستی وارد می کند و رقابت با محصولات غذایی را کاهش می دهد. پردازش مشترک زغال سنگ و زیست توده، در ارتباط با جذب و ذخیره کربن، فرصتی را برای تولید سوخت مایع با انتشار خالص گازهای گلخانه‌ای نزدیک به صفر فراهم می‌کند [ویلیامز و همکاران 2006].

امنیت تامین

مسائل ژئوپلیتیکی بر بحث امنیت نفت و گاز حاکم است. موقعیت منابع نفت و گاز جهان و در دسترس بودن آنها برای مصرف کنندگان یک نگرانی عمده است و وابستگی به واردات بخش قابل توجهی از این امر است. کشورها و دولت ها ممکن است در صورت وابستگی بیش از حد به یک منبع سوخت خاص یا واردات از یک منطقه خاص، سطح خطر بالایی را احساس کنند - به ویژه اگر منطقه منطقه ای ناپایدار است که خطرات ممکن است به طور مکرر تغییر کند. در حالی که آزادی تجارت بیشتر، اتصال بازارها و وابستگی متقابل سوخت ها باید راه طولانی را برای کاهش مشکلات احتمالی انجام دهد، اما اینها به طور کامل وجود ندارند.

زغال سنگ تعدادی از مزایای تامین امنیت را ارائه می دهد. زغال سنگ دارای توزیع منابع جغرافیایی وسیعی است - در بیش از 70 کشور در سراسر جهان وجود دارد و در حال حاضر در 50 مورد از آنها استخراج می شود [WEC 2004]. استفاده کنندگان زغال سنگ می توانند از استفاده از منابع بومی خود یا با دسترسی به زغال سنگ مقرون به صرفه در بازاری تثبیت شده از طیف گسترده ای از کشورها و تامین کنندگان سود ببرند. حتی با در نظر گرفتن هزینه‌های تبدیل، سوخت‌های مشتق شده از زغال سنگ می‌توانند پوششی در برابر نوسانات قیمت نفت ایجاد کنند و از طریق تثبیت تقاضا برای ذخایر ارز خارجی، استقلال اقتصادی بیشتر را تسهیل کنند.

در بخش نفت، تولید همچنان تحت سلطه سازمان کشورهای صادرکننده نفت (اوپک) است که تقریباً نیمی از رشد تولید جهانی نفت از سال 1995 را به خود اختصاص داده است و تولید آن در بالاترین سطح خود قرار دارد. اوپک بیش از 40 درصد از کل تولید جهان را تشکیل می دهد، تقریبا 80 درصد از ذخایر اثبات شده جهانی را پوشش می دهد و صادرات آن بیش از 50 درصد از نفت تجارت بین المللی جهان را تامین می کند.

واردات خالص نفت در OECD در سال 2005 به 59 درصد افزایش یافت - بالاترین سهم از سال 1979. مصرف نفت چین از سال 1995 بیش از دو برابر شده است و بیشتر آن وارداتی است. در ایالات متحده آمریکا، تولید داخلی در سال 1971 به اوج خود رسید و از آن زمان به طور پیوسته در حال کاهش است. ایالات متحده اکنون در صدر جدول واردات نفت قرار دارد و حدود 13 میلیون بشکه در روز خرید می کند که تقریباً سه برابر بیشتر از بزرگترین واردکننده بعدی، ژاپن است.

بسیاری از کشورهای اوپک سابقه بی ثباتی سیاسی دارند و بیشتر آنها در خاورمیانه بی ثبات کنونی متمرکز شده اند. حملات به زیرساخت‌های انرژی در کشورهای اوپک به دلیل درگیری‌های مداوم باعث نگرانی فزاینده‌ای است که اخیراً در عراق و نیجریه انجام شده است. زیرساخت‌های توزیع و مسیرهای عرضه نفت نیز به طور بالقوه در معرض خطر هستند - نقاط خفه‌کننده نگرانی‌های خاصی هستند، جایی که ازدحام ممکن است باعث کاهش عرضه شود یا ممکن است به عنوان اهداف درگیری در خطر باشد. خطوط لوله، پالایشگاه ها و سایر زیرساخت های انرژی، اخیراً در کانون حملات مناقشه محور قرار گرفته اند.

امنیت عرضه صرفاً امنیت فیزیکی زیرساخت نیست. به عنوان مثال، نگرانی های سیاسی در ونزوئلا ناشی از ملی شدن مجدد صنعت نفت به خروج سرمایه گذاران منجر شده است. مسائل صنعتی نیز ممکن است بر عرضه تأثیر بگذارد - مانند زمستان 2006 که گازپروم، انحصار گاز روسیه، عرضه گاز خود به اوکراین را قطع کرد. در حالی که شرایط مربوط به این عمل - عدم پرداخت و عدم توافق بر سر قیمت ها - ممکن است این اقدام را از دیدگاه تامین کننده توجیه کند، اما آمادگی آنها برای انجام این کار باعث نگرانی بسیاری از مشتریان دیگر شد. اگر اختلاف طولانی می شد، مسائل فنی در مورد تحویل گاز مشکلاتی را برای تامین منطقه بسیار بزرگتری ایجاد می کرد.

توزیع گسترده منابع زغال سنگ و تنوع مسیرهای عرضه تضمین می کند که چنین مشکلاتی در جایی که کشورها در بازار بین المللی درگیر هستند بسیار بعید است. اگر به هر دلیلی یکی از مسیرهای عرضه قطع شود، می توان از انبوهی از تامین کنندگان و تسهیلات وارداتی دیگر استفاده کرد.

در دسترس بودن ظرفیت پالایش نفت برای رفع نیاز به سوخت های مدرن، نگرانی دیگری در تضمین عرضه ثابت محصولات نفتی است. مقیاس سرمایه گذاری لازم - حدود 500 میلیارد دلار تا سال 2030 مورد نیاز است - برای همه، به ویژه برای کشورهای در حال توسعه، و به ویژه با توجه به منابع رو به کاهش، چالش برانگیز است. پالایشگاه های قدیمی نیاز به ارتقا یا جایگزینی دارند تا نیازهای در حال تغییر را با تغییر مشخصات محصول برآورده کنند. تقاضا برای سوخت های کم یا بسیار کم گوگرد فشار بیشتری را بر فرآیندهای فعلی به دلیل کمبود هیدروژن لازم برای تولید آنها وارد می کند.

عدم اطمینان در مورد در دسترس بودن و امنیت منابع نفت و گاز، بسیاری از دولت ها را بر آن داشته است که مواضع خود و قرار گرفتن در معرض خطرات مرتبط با نفت را در نظر بگیرند. سرمایه گذاران به دقت گزینه های خود را ارزیابی می کنند و به سوخت ها و فرآیندهای جایگزین نگاه می کنند.

افزایش قیمت سوخت

قیمت نفت و گاز هم به صورت مطلق و هم در نوسانات در حال افزایش است که عمدتاً در نتیجه محدودیت ها و نگرانی های مورد بحث در این مقاله است. قیمت‌های زغال‌سنگ از لحاظ تاریخی پایین‌تر و پایدارتر از نفت و گاز بر مبنای انرژی معادل بوده‌اند، و علی‌رغم رشد شاخص‌ها و فروش مبتنی بر مشتقات در سال‌های اخیر، احتمالاً این وضعیت همچنان ادامه خواهد داشت.

در ژوئیه 2006، قیمت نفت به بالاترین حد خود به 78 دلار در هر بشکه (NYMEX) رسید که در نتیجه مشکلات جاری عرضه و درگیری بیشتر در خاورمیانه تشدید شد. نقش اوپک یک عامل پیچیده است - سازمان ممکن است به عنوان یک تامین کننده واحد در نظر گرفته شود که به طور قابل توجهی میزان رقابت در این بخش را کاهش می دهد و در نتیجه توانایی کلی بازار برای اصلاح قیمت ها را کاهش می دهد.

میانگین قیمت ماهانه گاز طبیعی ایالات متحده در طول سال 2005 به 8.79 دلار در میلیون BTU رسید که در دسامبر 2005 به بیش از 15 دلار در میلیون BTU رسید (هنری هاب). قیمت های اروپایی نیز نوسانات مشابهی را نشان دادند. متوسط قیمت گاز طبیعی اروپا 6.28 دلار به ازای هر میلیون BTU بود - در مقایسه با میانگین قیمت سالانه 2.50 دلار در دهه 1990.

قیمت نسبی زغال سنگ به طور قابل توجهی پایین تر است. روند کلی قیمت زغال سنگ در سال 2005، برخلاف نفت و گاز، روندی نزولی داشت. مقرون به صرفه بودن و در دسترس بودن آن باعث شده است که زغال سنگ همچنان سریعترین رشد سوخت در جهان باقی بماند [BP 2006].

پیش‌بینی‌های مالی اخیر میانگین قیمت‌های زغال‌سنگ آتی را 45 دلار در هر تن - تقریباً 70 دلار در هر تن معادل نفت یا کمتر از 10 دلار در هر بشکه معادل نفت، نشان می‌دهد. قیمت نفت، که بر قیمت سوخت‌های مایع معمولی حاکم است، احتمالاً بالا باقی خواهد ماند - دولت ایالات متحده محدوده بیش از 90 دلار در هر بشکه را برای دوره تا سال 2030 پیش‌بینی می‌کند.

محدودیت در دسترس بودن منابع، امنیت عرضه، ظرفیت پالایشگاه و تغییرات در تقاضای محصول، بعید است که کاهش یابد. نتیجه سرمایه گذاری در منابع جایگزین است: ظرفیت اضافی از میادین نفتی معمولی که قبلاً برای بهره برداری بسیار گران بود. نفت غیر متعارف، مانند ماسه های نفتی از کانادا و ونزوئلا؛ یا فرآیندهای جایگزین - CTL، BTL یا GTL.

استفاده از گندم برای تولید اتانول (سوخت های زیستی) ممکن است منجر به رقابت بین بازارهای مواد غذایی و روغن شود. در سال 2006 به دلیل ترکیبی از شرایط آب و هوایی بسیار خشک و رشد مورد انتظار در تولید سوخت زیستی، قیمت گندم به بالاترین حد 10 سال گذشته افزایش یافت. انتظار می رود تولید جهانی گندم امسال کمتر از تقاضا باشد، پنجمین سال از شش سال گذشته که تقاضا بیش از عرضه بوده است. نسبت ذخایر جهانی گندم به مصرف در سال 2007 احتمالاً کمترین میزان در سه دهه اخیر خواهد بود [UNFAO 2006].

زغال سنگ به مایعات: سرمایه گذاری

رشد تقاضا برای سوخت های مایع، همراه با افزایش چشمگیر قیمت نفت و نگرانی های امنیت انرژی، موقعیت منحصر به فردی را برای توسعه سریع بالقوه صنایع زغال سنگ به مایعات در سراسر جهان ایجاد می کند.

قیمت پایین زغال سنگ در مقایسه با قیمت بالای سایر منابع سوخت، خواه نفت (در حال حاضر با قیمت 600 دلار در هر تن معامله می شود)، نفت "غیر متعارف" یا گاز، درجه ای از اطمینان سرمایه گذاری بلندمدت را فراهم می کند که میزان قابل توجهی از علاقه را ایجاد کرده است. در سوخت های CTL در سراسر جهان.

تبدیل هر ماده اولیه برای تهیه سوخت جایگزین نیاز به سرمایه گذاری اولیه قابل توجهی دارد و ساخت همه جایگزین ها از یک پالایشگاه نفت معمولی پرهزینه تر است. هزینه ساخت یک تأسیسات تبدیل بسته به مکان متفاوت است، اما کار اخیر نشان می دهد که نیروگاه های CTL یکی از مقرون به صرفه ترین سوخت های جایگزین هستند، به ویژه زمانی که هزینه های عملیاتی کلی و هزینه پایین زغال سنگ در نظر گرفته شود. هزینه های سرمایه گذاری CTL حدود 50000 تا 70000 دلار به ازای هر بشکه ظرفیت روزانه است، در مقایسه با 100،000 تا 145،000 دلار در هر بشکه ظرفیت روزانه برای نیروگاه های زیست توده به مایعات [US DOE 2005].

سوخت مایع از زغال سنگ ایده جدیدی نیست، اما توسعه آن به دلیل قیمت پایین نفت محدود شده است - معمولاً قیمت نفت باید در حد 35 دلار در هر بشکه یا بالاتر باشد تا زغال سنگ به مایعات از نظر اقتصادی جذاب باشد. در ایالات متحده، مطالعات نشان می‌دهد که می‌توان سوخت‌های مایع خاصی را همراه با تولید برق با قیمت نفت خام بین 27 تا 45 دلار در هر بشکه تولید کرد که شامل هزینه‌های جذب و ذخیره کربن می‌شود [ویلیامز و لارسون 2003]. 

همچنین انتظار می‌رود که هزینه سرمایه کارخانه‌های CTL از طریق توسعه مداوم این فناوری کاهش یابد. اگرچه CTL سال‌هاست در آفریقای جنوبی فعالیت می‌کند، اما گسترش و رشد بازار، هم ارائه‌دهندگان فعلی و هم شرکت‌های تازه وارد را به توسعه فرآیندهای کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر برای کسب مزیت بازار سوق می‌دهد.

با وجود پیشرفت های جدید، CTL در حال حاضر یکی از مقرون به صرفه ترین جایگزین ها را برای تولید نفت معمولی فراهم می کند.

زغال سنگ به مایعات: پتانسیل بازار

برای بخش حمل و نقل که با نرخ متوسط سالانه 2.5 درصد در سطح جهان رشد می کند، در حال حاضر جایگزین های کمی برای سوخت مایع وجود دارد. در کشورهای در حال توسعه، با توسعه اقتصادها و خرید خودروهای بیشتر توسط مصرف کنندگان، تقاضا به شدت در حال رشد است.

در چین، مالکیت خودروهای شخصی در سال‌های اخیر به طور چشمگیری افزایش یافته است. انتظار می رود که مالکیت تا سال 2025 به حدود 250 میلیون نفر برسد - معادل 150 خودرو در هر هزار نفر [چین دیلی 2004]. در سال 2004 این رقم تنها 10 خودرو در هر هزار نفر بود. در آمریکای شمالی مالکیت فعلی 770 خودرو در هر هزار نفر است [IEA 2004]. فشار برای تامین زیرساخت ها و سوخت بسیار زیاد است - و سوخت های زغال سنگ می توانند نقش مهمی ایفا کنند.

سوخت های تولید شده از زغال سنگ نیز دارای پتانسیل خارج از بخش حمل و نقل هستند. در بسیاری از کشورهای در حال توسعه، اثرات بهداشتی و نگرانی‌های محلی کیفیت هوا، درخواست‌ها را برای استفاده از سوخت‌های پخت و پز تمیز برانگیخته است. جایگزینی زیست توده سنتی یا سوخت جامد با گاز مایع (LPG) تمرکز برنامه های کمک بین المللی بوده است. با این حال، LPG یک مشتق نفت است و بنابراین تحت تأثیر هزینه و نوسانات قیمت نفت خام است. در قیمت های فعلی نفت، مقرون به صرفه بودن LPG مشکوک است، و به طور بالقوه باعث می شود مصرف کنندگان به استفاده از منابع زیست توده سنتی - چوب یا سرگین - با اثرات سلامتی برگردند.

دی متیل اتر مشتق شده از زغال سنگ (DME) یکی از مجموعه سوخت هایی است که می تواند در فرآیند CTL تولید شود و امروزه مورد توجه ویژه قرار گرفته است. این محصولی است که به عنوان یک سوخت داخلی نوید زیادی دارد. DME غیرسرطان زا و غیر سمی است و مونوکسید کربن و آلودگی هوای هیدروکربنی کمتری نسبت به LPG تولید می کند. DME همچنین می تواند به عنوان جایگزینی برای دیزل برای حمل و نقل، و همچنین برای برنامه های برق در شبکه و خارج از شبکه استفاده شود. استفاده از DME در چرخه های ترکیبی یک فناوری اثبات شده است و انتشار گازهای گلخانه ای به اندازه گاز طبیعی کم است. در جایی که DME جایگزین استفاده داخلی زغال سنگ می شود، انتشار CO2 ممکن است تا 40٪ کمتر باشد.

چین به طور خاص تولید DME را بر عهده گرفته است - تامین مالی از گروه بانک جهانی برای یک کارخانه 400000 تن در سال در مغولستان داخلی برای تامین سوخت برای پخت و پز خانگی و گرمایش، حمل و نقل و تولید برق تضمین شده است. پروژه دیگری در استان نینگشیا از کمک های وزارت بازرگانی ایالات متحده بهره مند شده است و انرژی، مواد اولیه شیمیایی و سوخت مایع را تامین می کند.

مزایای CTL را می توان به ویژه در کشورهایی که به شدت به واردات نفت متکی هستند و دارای ذخایر داخلی بزرگ زغال سنگ هستند، قابل درک است. تعدادی از پروژه های CTL در سراسر جهان در مراحل مختلف توسعه وجود دارد که پیشرفته ترین آنها در چین، ایالات متحده آمریکا و استرالیا است. همچنین علاقه شدید کشورهای دیگر از جمله اندونزی، آلمان و هند وجود دارد. مانند آفریقای جنوبی، همه این کشورها دارای ذخایر داخلی بزرگ زغال سنگ و ذخایر بسیار کمتر نفت هستند.

مواجهه با چالش های زیست محیطی

تبدیل زغال سنگ به سوخت مایع، محصولات فوق‌العاده تمیز و بدون گوگرد، هیدروکربن‌های معطر کم (مانند بنزن) و کاهش قابل‌توجهی در انتشارات وسایل نقلیه مانند اکسیدهای نیتروژن، ذرات معلق، ترکیبات آلی فرار و مونوکسید کربن ارائه می‌کند. 

آنها به راحتی زیست تخریب پذیر و غیر سمی هستند. مصرف سوخت کاهش می یابد و انتشار دی اکسید کربن نهایی را کاهش می دهد.

انتشار گازهای گلخانه ای حمل و نقل

سوخت های مصنوعی زغال سنگ را می توان به طور مستقیم در وسایل نقلیه امروزی بدون نیاز به تغییر استفاده کرد. آزمایش‌های جاده‌ای سوخت‌های مصنوعی در چندین پایتخت اروپایی و جاهای دیگر نشان می‌دهد که بهبودهای قابل توجهی در کیفیت هوای محلی را می‌توان از طریق کاهش این گازهای گلخانه‌ای حاصل کرد. مطالعات در ایالات متحده نشان می دهد که انتشار ذرات می تواند تا 75٪ کمتر از دیزل سنتی باشد، و اکسیدهای نیتروژن را می توان تا 60٪ کاهش داد. طراحی جدید موتور، مانند تزریق مستقیم، بازده بیشتری را ارائه می دهد.

معرفی سوخت های مصنوعی همچنین تأثیر مثبت فوری بر انتشار گازهای گلخانه ای در کل ناوگان خودروهای موجود خواهد داشت، زیرا می توان از آن در وسایل نقلیه و زیرساخت های تامین سوخت موجود بدون نیاز به هیچ گونه اصلاحی استفاده کرد.

انتشار فرآیند

تبدیل هر ماده اولیه به سوخت مایع یک فرآیند انرژی بر است و انتشار فرآیند باید در نظر گرفته شود. در حالی که فرآیند زغال سنگ به مایعات بیشتر از پالایش نفت معمولی CO2 فشرده است، گزینه هایی برای جلوگیری یا کاهش انتشار وجود دارد. با توجه به توزیع جهانی ذخایر زغال سنگ، ممکن است از انتشار گازهای گلخانه ای نیز از طریق مسافت های کوتاه تر حمل و نقل سوخت جلوگیری شود.

برای نیروگاه‌های زغال‌سنگ به مایعات، جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) می‌تواند روشی کم‌هزینه برای رسیدگی به نگرانی‌های CO2 باشد و ممکن است منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای نسبت به سوخت‌های حاصل از نفت خام حدود 20 درصد در طول چرخه عمر کامل شود [ویلیامز و لارسون 2003 ]. در جایی که پردازش مشترک زغال‌سنگ و زیست توده انجام می‌شود و با جذب و ذخیره کربن ترکیب می‌شود، انتشار گازهای گلخانه‌ای در چرخه کامل سوخت ممکن است به کمتر از یک پنجم میزان انتشار گازهای حاصل از سوخت‌های تولید شده توسط نفت معمولی برسد [ویلیامز و همکاران 2006].

جذب و ذخیره کربن شامل جذب انتشار CO2 از منبع و به دنبال آن حمل و نقل و ذخیره سازی در سازندهای زمین شناسی است. CCS به ویژه برای فرآیند CTL قابل استفاده است زیرا جریان CO2 تولید شده از CTL در غلظت بسیار بالایی قرار دارد - مقدار بسیار کمی از جداسازی CO2 پرهزینه قبل از حمل و نقل و ذخیره سازی مورد نیاز است.

هنگامی که CO2 گرفته شد، تعدادی گزینه ذخیره سازی در دسترس است. دی‌اکسید کربن را می‌توان در سفره‌های زیرزمینی نمکی عمیق ذخیره کرد یا برای کمک به افزایش بازیابی نفت و متعاقباً ذخیره‌سازی CO2 استفاده کرد. CO2 همچنین می تواند جذب شود و به صنایع غذایی و نوشیدنی فروخته شود و دی اکسید کربنی که در حال حاضر به طور خاص برای این منظور تامین می شود را از ذخایر طبیعی CO2 جایگزین کند. این همچنین یک منبع درآمد اضافی برای پروژه فراهم می کند.

CCS در حال حاضر در یک کارخانه گازی سازی زغال سنگ در یکی از بزرگترین و طولانی ترین پروژه های CCS در جهان در Weyburn، کانادا استفاده می شود. کارخانه سوخت‌رسانی گریت پلینز در داکوتا، ایالات متحده، گاز طبیعی و سایر مواد شیمیایی را از طریق گازسازی زغال‌سنگ با کیفیت پایین تولید می‌کند. 60 درصد از CO2 تولید شده از فرآیند تبدیل به گاز گرفته شده و از طریق خط لوله به میدان نفتی Weyburn در ساسکاچوان، کانادا منتقل می شود. در سایت Weyburn، CO2 برای افزایش بازیافت نفت استفاده می شود و از نظر زمین شناسی ذخیره می شود. Weyburn از سال 2000 با 5 میلیون تن CO2 ذخیره شده فعالیت می کند. در این مورد، فروش CO2 یک منبع درآمد اضافی برای داکوتا گاز است در حالی که انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد.

صرفه جویی در هزینه: ضبط مشترک و ذخیره سازی مشترک

فرصت های بیشتر برای صرفه جویی در هزینه ها از طریق یک رویکرد جایگزین برای مدیریت گوگرد وجود دارد. در یک گیاه سنتی، گوگرد از گاز سنتز حذف می شود تا از مسمومیت کاتالیزور واکنش جلوگیری شود. اگر این گوگرد (به شکل گازی آن) با CO2 جدا شده و در همان سازندهای زمین شناسی ذخیره شود، هزینه های کلی را می توان با رفع نیاز به سیستم حذف گوگرد جداگانه، باز هم بیشتر کاهش داد. این به نوبه خود هزینه سرمایه کارخانه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و یک سیستم مدیریت گوگرد/کربن کم هزینه را ارائه می دهد که حتی بدون قیمت کربن می تواند مقرون به صرفه باشد.

مطالعات اخیر بر روی تولید برق IGCC نشان داده است که هزینه کاهش CO2 چنین نیروگاه‌هایی حداقل چهار برابر کمتر از نیروگاه‌های جداگانه جذب CO2 و سولفید هیدروژن (H2S) است [Ordorica-Garcia et al 2006.

فرآیند زغال سنگ به مایعات: گزینه های فناوری

کربن‌سازی و پیرولیز

کربنیزاسیون در دمای بالا قدیمی ترین فرآیند برای تولید مایعات از زغال سنگ است. زغال سنگ در یک ظرف دربسته تا دمای 950 درجه سانتیگراد گرم می شود - تجزیه صورت می گیرد و مواد فرار خارج می شوند. این نمونه ای از فرآیند کک سازی است و مایع هیدروکربنی (قیر زغال سنگ) عمدتاً یک محصول جانبی است.

این فرآیند بازده بسیار پایینی را تولید می کند و هزینه های ارتقاء نسبتاً بالا است - بنابراین قطران زغال سنگ به طور سنتی در بخش سوخت حمل و نقل استفاده نمی شود. قطران زغال سنگ در سراسر جهان برای ساخت سقف ها، عایق های رطوبتی و ترکیبات عایق و به عنوان مواد اولیه برای بسیاری از رنگ ها، داروها و رنگ ها استفاده می شود.

پیرولیز خفیف یک فرآیند کربنیزاسیون یا تجزیه در دمای پایین تر است. زغال سنگ بین 450 تا 650 درجه سانتیگراد گرم می شود و مواد فرار را خارج می کند و از طریق تجزیه حرارتی ترکیبات دیگری را تشکیل می دهد.

بازده مایع بالاتر از کربنیزاسیون در دمای بالا است، اما حداکثر به 20٪ می رسد. محصول اصلی کاراکتر است. این فرآیند برای ارتقاء زغال‌سنگ‌های قیری با رتبه پایین در ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفته است - باعث افزایش ارزش حرارتی و کاهش محتوای گوگرد می‌شود.

پیرولیز سریع با قرار دادن زغال سنگ در دمای حدود 1200 درجه سانتیگراد، اما فقط برای چند ثانیه اتفاق می افتد. هدف این فرآیند تولید مواد اولیه شیمیایی به جای سوخت مایع است. کربن‌سازی و پیرولیز بخش کوچکی از کل محصول را به‌عنوان سوخت مایع تولید می‌کند که هنوز نیاز به تصفیه بیشتر دارد. یک کارخانه نمایشی در ایالات متحده آمریکا (عملیاتی از 1992 تا 1997) برای ارتقاء زغال سنگ ساخته شد، اما فضای کمی برای سوخت های مایع مقرون به صرفه وجود دارد.

مایع سازی مستقیم

هیدروژن به ساختار آلی زغال سنگ اضافه می شود و آن را تا جایی تجزیه می کند که مایعات قابل تقطیر تولید شود.

تعدادی روش مختلف وجود دارد، اما فرآیند اصلی شامل حل کردن زغال سنگ در یک حلال در دما و فشار بالا و به دنبال آن «هیدروکراکینگ» (یعنی افزودن هیدروژن بر روی کاتالیزور) است.

بازده مایع می تواند بیش از 70 درصد وزن خشک خوراک زغال سنگ، با راندمان حرارتی حدود 60-70 درصد باشد. مایعاتی که از مایع سازی مستقیم تولید می شوند کیفیت بسیار بالاتری نسبت به مایعات حاصل از تجزیه در اثر حرارت دارند و می توانند به صورت غیر مخلوط در تولید برق یا سایر کاربردهای ثابت استفاده شوند. با این حال، ارتقاء بیشتر برای استفاده به عنوان سوخت حمل و نقل مورد نیاز است. دو گروه اصلی از فرآیندهای روان سازی مستقیم وجود دارد:

• تک مرحله ای: مایعات مقطر (مواد تقطیر) را از طریق یک رآکتور اولیه یا زنجیره راکتور فراهم می کند. بسیاری از اینها با فرآیندهای دو مرحله ای جایگزین شده اند تا تولید روغن های سبک تر را افزایش دهند.
• دو مرحله ای: تقطیرها را از طریق دو راکتور یا زنجیره رآکتور فراهم می کند. اولین واکنش زغال سنگ را یا بدون کاتالیزور یا با یک کاتالیزور یکبار مصرف کم فعالیت حل می کند و مایعات زغال سنگ سنگین تولید می کند. اینها بیشتر در راکتور دوم با هیدروژن و یک کاتالیزور با فعالیت بالا برای تولید تقطیر اضافی تصفیه می شوند.

تعدادی از فرآیندها در فناوری تک مرحله ای توسعه یافته اند - از جمله Kohleoel، NEDOL، H-Coal، Exxon Donor Solvent، SRC، Imhausen و Conoco، اما همه آنها به تحقق تجاری نرسیده اند.

فرآیندهای Kohleoel و NEDOL به عنوان پیشرفته ترین فرآیندها در نظر گرفته می شوند و وزارت اقتصاد، تجارت و صنعت ژاپن امیدوار است تا پایان دهه این فناوری را به چین منتقل کند.

زغال سنگ و یک کاتالیزور مبتنی بر آهن مصنوعی آسیاب می شوند و با یک حلال بازیافتی ترکیب می شوند تا دوغاب زغال سنگ را تشکیل دهند. سپس با هیدروژن مخلوط شده و قبل از ورود به راکتور اولیه که در دمای 450 درجه سانتیگراد و 170 بار کار می کند گرم می شود. محصولات خنک، کم فشار و تقطیر می شوند تا محصولی سبک ارائه شود. تقطیرهای متوسط و سنگین از طریق ستون تقطیر خلاء تولید می شوند و برخی برای تهیه حلال مرحله دوغاب اولیه استفاده می شوند.

فرآیندهای دو مرحله‌ای اغلب از واکنش‌های تک مرحله‌ای مشتق شده‌اند - فرآیند مایع‌سازی دو مرحله‌ای کاتالیزوری از تک مرحله H-Coal توسعه یافته است. این فناوری برای کارخانه شن‌هوا در مغولستان داخلی در چین، به‌عنوان فناوری مایع‌سازی مستقیم زغال سنگ HTI انتخاب شده است. زغال سنگ پودر شده در یک حلال فرآیند بازیافتی دوغاب می شود، سپس از قبل گرم می شود، با هیدروژن مخلوط می شود و به اولین راکتور تغذیه می شود که در شرایط معمولی 435-460 درجه سانتی گراد و 170 بار کار می کند. راکتور دوم مایع سازی را کامل می کند و در دماهای بالاتر کار می کند. کاتالیزور واکنش برای هر دو مرحله یک کاتالیزور در مقیاس نانو و بر پایه آهن است که در دوغاب پراکنده شده است.

روانگرایی غیر مستقیم

مایع سازی غیرمستقیم شامل تجزیه کامل ساختار زغال سنگ با تبدیل به گاز با بخار می شود. ترکیب این گاز سنتز یا «سنگ سنتز» برای ایجاد تعادل مورد نیاز هیدروژن و مونوکسید کربن تنظیم شده است. ترکیبات گوگردی نیز در این مرحله حذف می شوند تا از مسمومیت کاتالیزور واکنش جلوگیری شود و همچنین سوخت های حمل و نقل با گوگرد کم فراهم شود.

سپس گاز سنتز روی یک کاتالیزور در فشار و دمای نسبتا کم واکنش نشان می دهد. محصولات بسته به شرایط واکنش و کاتالیزور متفاوت است. به عنوان مثال، متانول با استفاده از کاتالیزور مس (در دمای 260-350 درجه سانتیگراد و 50-70 بار) تولید می شود. DME توسط هیدراتاسیون نسبی متانول بر روی کاتالیزورهای بیشتر - به عنوان مثال، آلومینا فعال و یک زئولیت ثابت) تولید می شود.

تنها فرآیند مایع سازی غیرمستقیم زغال سنگ در مقیاس تجاری در حال حاضر در ساسول در آفریقای جنوبی است.

فرآیند Sasol بر اساس فرآیند مایع سازی FischerTropsch (FT) است. ساسول هم از فرآیند FT در دمای پایین (گاز سازی بستر ثابت، FT فاز دوغاب)، و هم از فرآیند دمای بالا (HTFT) که شامل گازسازی بستر سیال در گردش است، و فناوری پیشرفته Synthol Sasol استفاده می کند.

فرآیند HTFT در دمای 300-350 درجه سانتیگراد و 20-30 بار با یک کاتالیزور مبتنی بر آهن کار می کند و مجموعه سبک تری از محصولات از جمله بنزین بسیار تمیز با کیفیت بالا، مواد پتروشیمی و مواد شیمیایی اکسیژن دار تولید می کند.