用于火星探測的氣體轉化系統輔助石油開采Gas Conversion Systems Reclaim Fuel for Industry

用于火星探測的氣體轉化系統輔助石油開采
Gas Conversion Systems Reclaim Fuel for Industry

火星探測器能源系統研發與從廢舊礦井中開采石油或收集鉆井過程中釋放的氣體的技術，這些技術之間的關聯，可以通過材料的原子組成來理解。特別是碳、氧和氫原子，不同的組合可能會產生截然不同的特性，而對原子的重新排列僅需通過正確的化學反應即可實現。火星氣體轉化系統與廢舊礦井石油開采技術就是通過不同化學反應，以實現原子重新排列的過程。

先鋒航天公司和先鋒能源公司的創始人兼總裁Robert Zubrin說：“宇航員可通過電解水獲取氧氣，并回收氫氣。火星大氣中含有豐富的二氧化碳，含量達95%。將回收的氫氣與火星大氣中的二氧化碳相結合，就可以產生甲烷和水。甲烷和氧氣組合則可作為火箭燃料，為探測器返回地球提供動力。我們研究了在火星上制取甲醇和氧氣的方法，制作了一套能夠將甲醇和水分解成氫和二氧化碳的系統。”

在公司發展過程中，先鋒航天公司贏得了約60項小企業創新研究（SBIR）計劃合同，其中大部分是與NASA合作的項目，合同總額超過1250萬美元。其中最早的合同可以追溯到20世紀90年代中后期與約翰遜航天中心的合作，其主要關注在火星表面上通過分子混合和匹配來制造火箭燃料。后來，該公司作為NASA承包商，與洛克希德·馬丁公司和馬丁·瑪麗埃塔航空航天公司合作開發先進的太空探索方案。其首先與洛克希德·馬丁公司合作，幫助其制造了首批收集火星大氣中的二氧化碳并將其轉化為氧氣和甲烷的氣體轉化系統模型。

約翰遜航天中心推進與動力分部的原位資源利用（ISRU）總工程師Gerald Sanders說：“Robert Zubrin還在先鋒航天公司開展了其它化學試驗，如通過反向的水氣轉化反應從二氧化碳中獲取氧氣等。他的很多工作都非常具有開創性，開展的大部分實驗不僅適用于在火星或月球上收集和利用資源，還適用于太空探索任務中的生命支持和能源系統。”Gerald Sanders及其研究團隊嘗試將Robert Zubrin開發的這些系統組合在一起，用于火星探測活動。例如，火星的土壤里含有水，可通過水的電解獲得氫，將氫與火星大氣中的二氧化碳反應，可生成作為燃料的甲烷，以及既可以作為燃料也能提供生命支持的氧氣。這些設備由一個小型核電站提供能源，同時還需使用土壤處理裝置和運輸漫游車進行土壤采掘。附加設備的重量約為2000kg，而從地球攜帶甲烷燃料的重量約為6500kg，因此，這種原位資源利用方式有利于提高資源利用效率，降低航天發射的成本。

在這些技術的研發和使用過程中，Robert Zubrin意識到，可利用早期與NASA合作開發的氣體轉化系統的逆反應過程進行石油的開采。為了實施這一想法，2008年，他創建了先鋒能源公司。Robert Zubrin解釋說：“在火星上，宇航員利用二氧化碳與氫反應生成甲烷和水，利用電解水產生氧氣和氫。在地球上，我們從天然氣中獲得甲烷，甲烷和水反應產生二氧化碳和氫氣，然后將其分離，氫氣可以用于產生無碳電力，而二氧化碳可用于廢棄油井的石油開采。因此，這一過程基本上是對火星原位處理系統的逆向運行。”

由于地質原因，通過最初的泵取過程，礦井中的石油開采量僅能達到30%。在20世紀早期，出現了一種新的石油開采技術——將水注入礦井中，使石油上浮，然后對石油進行開采。這種技術可獲得原始石油儲存量的約20%。但采用這兩種方法進行開采后，仍有約一半的石油留在地下。20世紀80年代，“增強的石油開采”技術出現，該技術將二氧化碳注入礦井，與石油混合，降低其粘度，并對其施加壓力，可獲得原始石油儲量的約20%。在該過程中，二氧化碳可被封存起來。然而，目前美國僅4%的石油是通過上述方式獲得的。原因在于這種方式需要存在天然的二氧化碳的埋藏地。而石油礦井和自然二氧化碳埋藏地共存的情況很少。盡管很多人認為可以使用發電廠排出的二氧化碳，但是，發電廠排出的二氧化碳氣體已被稀釋，且壓力不高，難以分離，可能與油井的位置相距甚遠，因此，這種方式很難實現。此外，人們還提出，將二氧化碳通過管道傳輸到油井所在地，但這種工程浩大，企業通常不愿投資于尚未成功利用“增強的石油開采”技術開展試驗驗證的油田。現在的唯一途徑是利用卡車運輸，但成本高昂，因此，沒有人會開展這種試驗，管道輸送二氧化碳也就無法實現。

▲ 先鋒能源公司開發的MAGS系統

先鋒能源公司制造了便攜式增強開采技術（PERT）系統，提供了一種有吸引力的、成本較低的原位利用甲烷和水產生二氧化碳的解決方案。2014年，先鋒能源公司對其全尺寸PERT模型，以及相關的其它設備進行了測試。

在石油開采的早期階段，礦井會釋放出大量的天然氣副產物——“火炬氣”。由于石油礦井通常位于偏遠地區，“火炬氣”一般采用就地燃燒的方式處理。但這種方式造成了光污染和巨大的能源浪費。

先鋒能源公司開發的移動式烷烴氣體分離（MAGS）系統將石油開采初期產生的“火炬氣”分離成3部分，其中一部分由丙烷、丁烷和戊烷等組成，可充入氣罐運輸到外地銷售；甲烷可用于替代柴油驅動發電機，為石油鉆探裝置供能；乙烷則主要用于為MAGS系統自身供能。2014年春天，MAGS系統進行了首次現場測試，2014年秋季，被運送到北達科他州使用。

▲ MAGS系統可應用于石油開采過程中“火炬氣”的分離和利用

MAGS系統的優點是多方面的：首先，其可大幅減少“火炬氣”燃燒產生的光污染，減少柴油消耗量，獲得可以出售的液體丙烷和丁烷。另外，該系統還可實現自給自足。PERT系統每天可以產生足夠的氫，獲得1.3MW的電力和14158.4m3二氧化碳。這足以開展小型的“增強的石油開采”技術驗證試驗，從而為建設二氧化碳輸送管道提供驗證支持。

Robert Zubrin說：“美國擁有世界上最古老的石油工業，全國各地散落著成千上萬的廢棄油井，其中仍有超過半數的石油未被開采出來。據估算，采用這兩種系統可獲得美國石油采收量約10%的石油。當然，這些系統也可應用于其他國家，極大地增加世界石油資源。”

Gerald Sanders說：“這與火星氣體轉化系統顯然是不同的應用，但從化學反應的過程及其研究來看，該系統與火星原位資源利用技術有著直接聯系。這表明，NASA為火星所做的研究工作也可對地球上的生產和生活產生重要影響。” (甜 譯)