Бензин был обнаружен почти 160 лет назад в качестве побочного продукта переработки нефти, чтобы сделать керосин для освещения. В то время не было никакого использования для бензина, поэтому его сжигали на нефтеперерабатывающем заводе, переводили в газообразное топливо для газовых огней или просто отбрасывали. Около 125 лет назад, в начале 1890-х годов, автомобильные изобретатели начали понимать, что бензин имеет ценность как моторное топливо. В 1911 году бензин перешел на керосин в первый раз. И к 1920 году в Соединенных Штатах было около девяти миллионов автомобилей с бензиновым двигателем, а заправочные станции открывались по всей стране, чтобы подпитывать растущее число автомобилей и грузовиков.
Рисунок 1. Добыча, переработка и распределение бензина.
Сегодня бензин является топливом для легковых автомобилей, которые потребляют около 90 процентов продукта, продаваемого в Соединенных Штатах. Бензин также используется в мотоциклах, рекреационных транспортных средствах, лодках, малогабаритных самолетах, строительной технике, электроинструментах и переносных электрических генераторах. Американцы используют в среднем более одного галлона бензина на человека в день, при этом потребление США составляет около 392 миллионов галлонов в день по состоянию на 31 декабря 2016 года.
Итак, откуда все эти бензины, и как это получается? в автомобильных топливных баках? Читайте дальше, чтобы узнать больше о производстве и распространении бензина.
Добыча нефти
Бензин производится из сырой нефти, содержащей углеводороды - органические соединения, состоящие исключительно из атомов водорода и углерода. Исторически сложилось, что сырая нефть была получена через вертикальные скважины, пробуренные в подземные и подводные резервуары. Яма по существу представляет собой круглое отверстие, выложенное металлической трубой, называемой корпусом. На дне обсадной колонны есть отверстия, в которые поступает масло из резервуара. Многие нефтяные скважины также производят природный газ, который в основном используется для применения в фиксированных местах, таких как отопление дома, но может также служить в качестве моторного топлива с соответствующими модификациями транспортных средств.
Современные нефтяные скважины все еще начинаются с вертикальных шахт, но оттуда они могут разветвляться в разных направлениях и на разные глубины. Эти вторичные валы обеспечивают доступ к дополнительным маслам, увеличивая производство при минимизации поверхностных возмущений. Горизонтальное бурение является обычной практикой в fracking - процессе, который использует впрыскивание жидкости и взрывные заряды, чтобы разбить землю вокруг скважины, что освобождает дополнительное масло и природный газ. Горизонтальные скважины могут простираться на несколько миль от центрального вала.
В то время как у нескольких скважин есть естественное внутреннее давление, которое выводит масло на поверхность, для этого требуется большая часть погружного или надземного насоса для удаления масла. В течение срока службы скважины можно использовать несколько дополнительных процессов для извлечения максимального количества масла. Общие методы вторичной экстракции включают затопление воды в скважину и впрыскивание газов или пара. Когда цены на сырую нефть падают, низкопроизводительные скважины могут быть ограничены, и их можно вернуть только в случае роста цен.
Рисунок 2. Нефтяная скважина с электрическим насосом.
Вопреки распространенному мнению, сырая нефть различается по цвету от почти прозрачной до черной смолы и может иметь вязкость, которая колеблется от вязкости до почти твердой. Качество сырой нефти также сильно варьируется, хотя масла из одной и той же общей площади имеют сходные свойства. Качество масла основано на химическом анализе, где два наиболее важных значения - это молекулярная плотность и содержание серы.
Масла с короткими углеводородными цепями и удельный вес Американского нефтяного института (API) 34 или выше считаются «легкими», между 31 и 33 «средними», тогда как 30 и менее «тяжелыми». Масла с серой содержание менее 0,5% по весу являются «сладкими», а те, которые выше этого уровня, «кислые». Легкая сладкая сырая нефть является наиболее ценным типом, потому что ее легче очищают с меньшими затратами и производят большее количество готовой продукции.
Есть 46 ключевых стран-экспортеров нефти, но цены на сырую нефть обычно цитируются на основе одного из трех основных продуктов: Западного Техасского промежуточного сырья, Северного морского рынка Brent Crude и ОАЭ Dubai Crude. Ценообразование этих продуктов служит барометром для всей нефтяной промышленности. Цены на нефть основаны на стоимости 42-галлонного «ствола» сырой нефти, единицы измерения, которая восходит к началу нефтяного бурения.
В прошлом Соединенные Штаты импортировали крупные объемы сырой нефти и других нефтепродуктов. Пик был в 2005 году, когда чистый импорт (импорт минус экспорт) вырос до 12,6 млн баррелей в день. В последнее время продолжающиеся исследования и передовые процессы добычи увеличили добычу нефти на внутреннем рынке и сократили импорт нефти. В 2016 году чистый импорт составил всего 4,9 миллиона баррелей в день, что эквивалентно примерно 25 процентам общего потребления нефти в США. Это немного повысилось с 24 процентов в 2015 году, что было самым низким уровнем с 1970 года.
Как только сырая нефть извлекается из колодцев, она хранится в больших резервуарах перед транспортировкой на нефтеперерабатывающие заводы. Трубопроводы, суда и баржи являются обычными методами, используемыми для перевозки сырой нефти. Однако в последние годы увеличение производства в районах, где отсутствует доступ к трубопроводам или водным путям, привело к тому, что больше нефти перевозилось поездом в цистернах. Очень толстые и тяжелые формы сырой нефти, такие как битуминозные пески, должны быть разбавлены растворителями до того, как их можно прокачать по трубопроводам или транспортировать другими способами.
Рисунок 3. Участок Трансаляскинского нефтепровода.
Все методы транспортировки нефти несут потенциальные риски для окружающей среды. Однако слоги на нефтяных поездах создают дополнительные опасности, поскольку поезда регулярно ходят по городам и городам, где разливы нефти и потенциальные пожары могут нанести значительный материальный ущерб и привести к гибели людей.
Для решения этих проблем Департамент транспорта опубликовал всеобъемлющее окончательное правило в мае 2015 года, в котором содержались обновленные стандарты автоцистерн, новые оперативные руководящие принципы для перемещения больших объемов легковоспламеняющихся жидкостей по железной дороге и расширенное планирование реагирования на чрезвычайные ситуации и обучение. Железнодорожная промышленность поддерживает ускоренную замену старых автоцистерн, увеличила контроль дорожного движения, чтобы свести к минимуму возможность схода с рельсов, и приняла специальную технологию, которая поможет определить самые безопасные железнодорожные маршруты для транспортировки нефти.
Нефтепереработка
Нефтеперерабатывающие заводы - это крупномасштабные промышленные объекты, которые производят коммерческие продукты из сырой нефти и, в некоторых случаях, другие исходные материалы, такие как биомасса. Более половины мощности по переработке нефти в Соединенных Штатах расположено на побережье Мексиканского залива, а остальные разбросаны по всей стране, как правило, близкие к источникам нефтедобычи или транспортных трубопроводов и водных путей.
Нефтеперерабатывающие заводы работают 24 часа в сутки и семь дней в неделю, но их необходимо периодически останавливать на техническое обслуживание и ремонт. Как правило, это происходит весной и осенью, когда на нефтеперерабатывающих заводах должны быть внесены изменения для переключения производства с летнего на зимний бензин и наоборот.
Закрытие нефтеперерабатывающих заводов влияет на поставки региональных бензинов, поэтому их обычно планируют заблаговременно и тщательно контролируют. Это позволяет распределительной сети вносить любые необходимые корректировки для обеспечения бесперебойной подачи топлива. Внеплановые отказы нефтеперерабатывающих предприятий, вызванные техническими проблемами или экстремальными погодными условиями, могут привести к кратковременному локализованному дефициту бензина и более высоким ценам на топливо.
Рисунок 4. Нефтеперерабатывающий завод в Анакорте, Вашингтон.
Почти весь проданный в США бензин уточняется здесь, и США также экспортируют большое количество бензина в другие страны - более 230 миллионов баррелей в 2016 году. Переработка сырой нефти в готовые нефтепродукты является чрезвычайно сложной задачей. Нижеследующее описание обеспечивает высокий уровень обзора процесса переработки, ориентируясь на производство бензина.
Все нефтеперерабатывающие заводы используют первичный процесс, называемый фракционной дистилляцией, для разложения сырой нефти на различные составные части. Дистилляция включает нагревание сырой нефти до тех пор, пока она не кипит (при температуре около 600 ° С), а затем впрыскивает пар в дистилляционную колонну. По мере того как горячий пар поднимается в башне, он остывает, и при разных высотах и температурах различные «фракции» сырой нефти конденсируются и собираются. Более тяжелые фракции, такие как смазочное масло, имеют более высокие точки кипения и конденсируются вблизи дна башни. Более легкие фракции, такие как пропан и бутан, имеют более низкие точки кипения и поднимаются на вершину. Бензин, керосин, газойль и дизельное топливо собираются в средней части башни.
Рисунок 5. Основная схема процесса переработки нефти.
Очень немногие нефтепродукты, включая бензин, готовы к использованию, когда они выходят из дистилляционной башни. Для очистки фракций и их преобразования в товарные продукты требуется ряд вторичных процессов переработки.
«Крекинг» включает процессы обработки, которые разрушают молекулы более тяжелых фракций до более легких. Он часто используется для получения компонентов бензина из более тяжелых масел. Существует много форм растрескивания, таких как каталитический крекинг с жидкостью, гидрокрекинг и коксование / термический крекинг. Каждый из них дает уникальные углеводородные цепи, которые используются в бензине и других продуктах.
«Комбинирование» по сути противоположно растрескиванию. Он объединяет более легкие фракции в более тяжелые, которые также используются при приготовлении бензина. Два общих процесса объединения - это риформинг и алкилирование. Первый увеличивает количество компонентов, которые идут на производство бензина, в то время как последний создает «ароматические» углеводороды, которые играют ключевую роль в повышении октана готового топлива.
Последний шаг в производстве бензина - смешение. Несколько нефтепродуктов из различных процессов переработки тщательно объединяются для создания обычных и высококачественных базовых бензинов. Эти виды топлива должны соответствовать явным и широким требованиям к производительности, которые меняются как в сезон, так и в месте, где будет продаваться топливо. Например, летний бензин смешивается, чтобы испарять менее легко, что помогает уменьшить выбросы в атмосферу. Зимний бензин смешивается, чтобы легче испаряться, что помогает при холодном запуске двигателя и управляемости.
В нескольких районах США требуются специально смешанные «бутики» или «переформулированные» бензины, которые сжигают пылесос и являются частью государственного плана реализации (SIP) для сокращения выбросов. Первоначально было 15 уникальных составов, но в целях сокращения распространения бензиновых смесей EPA теперь позволяет использовать только шесть бутиковых топлив в новых SIP. Другие формулировки, которые являются частью существующих SIP, по-прежнему используются в различных областях.
Рисунок 6. Континентальные американские бутиковые бензины (2015) - каждый цвет, отличный от белого, представляет собой уникальную переработанную бензиновую смесь.
Количество готовых нефтепродуктов, произведенных из ствола сырой нефти, будет варьироваться в зависимости от нефтеперерабатывающего завода, но большинство установок предназначены для максимизации выпуска бензина. Как показано на прилагаемой иллюстрации, почти половина каждого ствола превращается в бензин, причем около четверти становится дизельным топливом (дистиллят сверхнизкой серы). Из-за эффекта, называемого «прибыль от переработки нефтепродуктов», 42-галлонный баррель сырой нефти фактически обеспечит около 45 галлонов готовых нефтепродуктов.
Рисунок 7. Средний выход нефтепродуктов (в галлонах) из ствола сырой нефти в 2016 году.
После его рафинирования базовый бензин хранится в больших резервуарах до тех пор, пока он не будет распределен по трубопроводам, судам и баржам в распределительные терминалы, расположенные в крупных городских районах и вокруг них. Для предотвращения загрязнения топлива трубопроводы, используемые для этой цели, отличаются от используемых для транспортировки сырой нефти.
Рисунок 8. Карта трубопроводов нефти и нефтепродуктов в США.
Бензин и другие нефтепродукты, такие как керосин, дизельное топливо и реактивное топливо, отправляются по трубопроводам без физического разделения между одним продуктом и другим. Это приводит к некоторому совместному смешиванию продуктов, и существуют системы для выделения этих смесей из чистых продуктов по обе стороны интерфейса. Совместно смешанная жидкость, называемая трансмикс, хранится отдельно и отправляется на специальные перерабатывающие предприятия, которые перерабатывают ее в товарные продукты.
У распределительных терминалов есть огромные резервуары для хранения, в которых содержатся регулярные бензины премиум-класса, дизельное топливо и этанол. Баки для хранения бензина, как правило, содержат базовые топлива из многих различных нефтеперерабатывающих заводов и нефтяных компаний, что означает, что на этом этапе все бензины остаются неизменными. В распределительном терминале также имеется множество небольших резервуаров для хранения, которые содержат пакеты присадок к топливу, которые варьируются от стандартизованных составов поставщиков до смесей марки, разработанных отдельными нефтяными компаниями.
Бензин доставляется на автозаправочные станции автоцистернами, которые могут вмещать до 10 000 галлонов топлива. Большинство танков на этих грузовиках имеют несколько отсеков, поэтому они могут нести несколько разных типов и классов топлива. Когда резервуар-цистерна заполняется на распределительном терминале, этанол (где это необходимо) и конкретная топливная присадка смешиваются с базовым бензином, когда он закачивается в бак. Это тот момент, когда общий базовый бензин становится фирменным продуктом с уникальными характеристиками.
Рисунок 11. Разгрузочный автоцистерна, способная доставлять пять различных видов топлива.
Автоцистерны доставляют бензин и дизельное топливо из распределительного терминала в пункты технического обслуживания, где они хранятся в подземных резервуарах. На большинстве станций есть резервуары для регулярного и премиального бензина, бак для дизельного топлива, если они продают его, и, возможно, резервуар для чистого этанола, как описано ниже. В следующих разделах обсуждаются несколько вопросов, о которых потребители должны знать при покупке бензина.
Рисунок 12. Затраты, которые включены в стоимость галлона обычного бензина.
На сопроводительной иллюстрации показано, что потребители платят за галлон бензина, и он сравнивает 2016 год с средним значением за последние 10 лет. За это время цены на сырую нефть упали, что привело к увеличению процента других расходов. Имейте в виду, что эти увеличения могут не отражать фактические изменения суммы доллара, поскольку стоимость галлона газа значительно снизилась. Например, федеральная и государственная налоговая часть увеличилась на 6 процентов, хотя федеральный налог на бензин не изменился с 1993 года, и лишь несколько штатов увеличили налоги на топливо, которые они взимают.
Бензин продается в обычных и премиальных сортах, а иногда и в среднем классе. Среднее топливо создается в насосе путем смешивания обычного и премиального бензина. Класс бензина основан на его октане, который оценивает, насколько хорошо топливо предотвращает «стук двигателя». Чем выше октановое число, тем выше сопротивление топлива к стуку.
В большинстве районов страны регулярный бензин составляет 87 октанов, средний класс - 89, а премия - 91, 92 или 93, в зависимости от местных факторов. В районах на больших высотах, где воздух содержит меньше кислорода для поддержки горения, обычные, среднеразмерные и премиальные бензины обычно имеют октановые показатели 85, 87 и 91 соответственно.
Avto-remont не обнаружил увеличения производительности двигателя или снижения выбросов выхлопных газов при использовании бензина с октановым числом выше, чем рекомендованное изготовителем транспортного средства. Если в руководстве пользователя не указано топливо среднего или высшего качества для транспортного средства, Avto-remont рекомендует потребителям экономить свои деньги и придерживаться обычного бензина.
В 2005 году Конгресс принял Стандарт по возобновляемым источникам топлива, который предусматривал принятие нескольких возобновляемых видов топлива, но главным образом этанола. В 2007 году были установлены целевые показатели использования возобновляемых источников топлива, которые требовались с использованием 36 млрд. Галлонов таких видов топлива в год к 2022 году. Эти цели в настоящее время рассматриваются, поскольку улучшенная экономия топлива транспортного средства и другие факторы привели к тому, что объемы продаж топлива значительно ниже прогнозируемых более десяти лет тому назад. В 2016 году к бензину, продаваемому в Соединенных Штатах, было добавлено около 14 миллиардов галлонов этанола, почти все из которых содержат до 10 процентов этанола (E10).
Этанол может помочь уменьшить зависимость Америки от импортируемой нефти, а также является хорошим октановым усилителем. Фактически, большинство базовых бензинов сегодня смешивают с более низким октановым числом, которое затем увеличивается с добавлением этанола для достижения октанового числа, размещенного на насосе.
С другой стороны, этанол является коррозионным и привлекает воду, что может вызвать проблемы в топливных системах, не предназначенных для бензина E10. Это в первую очередь касается более старых автомобилей, лодочных моторов, мотоциклов, персональных рекреационных автомобилей и небольших двигателей, используемых в силовом оборудовании. Avto-remont рекомендует проверить руководство оператора или связаться с автомобилем, оборудованием или изготовителем двигателя, чтобы определить, безопасен ли бензин, содержащий этанол, в любом конкретном приложении. Безалкогольный бензин доступен на большинстве пристаней для яхт и ограниченном количестве автозаправочных станций.
Некоторые станции технического обслуживания продают бензиновые смеси E15 и E85, которые содержат соответственно до 15 и 85 процентов этанола. На этих станциях часто имеется дополнительный резервуар для хранения, который содержит чистый этанол, который смешивается с бензином в специальных «блендерных насосах» для создания конечного топлива. Некоторые блендерные насосы также распределяют дополнительные смеси этанол / бензин, которые составляют от 15 до 85 процентов содержания этанола.
В настоящее время E15 относительно редко встречается на рынке, и Avto-remont рекомендует использовать его только в транспортных средствах, где он специально одобрен автопроизводителем. Топлива с содержанием этанола более 15 процентов должны использоваться только в транспортных средствах с «гибким топливом», которые оснащены на заводе специальными топливными системами, которые могут адаптироваться к более высоким соотношениям этанола.
Способность среднего человека влиять на производство, распределение и продажу бензина в значительной степени ограничивается выборами, которые они делают на насосе. До этого момента процесс контролируется нефтяными компаниями и государственными учреждениями. Это не значит, что выбор потребителя неважен. В совокупности выбор потребителей может негативно повлиять на корпоративные доходы и стимулировать более ответственное поведение после экологических катастроф, таких как разливы нефти. На индивидуальной основе выбор подходящего сорта и качества бензина может сэкономить деньги, оптимизировать производительность и экономию топлива, а также сократить выбросы выхлопных газов.