Nie jest tajemnicą, że we współczesnym świecie krwią światowej gospodarki jest ropa, tzw. czarne złoto. Na przestrzeni XX i XXI wieku to ropa pozostaje jednym z najważniejszych minerałów na naszej planecie dla ludzkości. W 2010 r. ropa zajmowała czołowe miejsce w światowym bilansie paliwowo-energetycznym, odpowiadając za 33,6% całkowitego zużycia energii. Jednocześnie ropa naftowa jest zasobem nieodnawialnym, a od kilkunastu lat mówi się, że prędzej czy później jej zasoby się wyczerpią.
Według naukowców, potwierdzone zasoby ropy naftowej na świecie wystarczą na około 40 lat, a niezbadane jeszcze na 10-50 lat. Na przykład w Rosji, od 1 stycznia 2012 r., zgodnie z oficjalnie opublikowanymi informacjami (do tej pory informacje o rezerwach ropy naftowej i gazu były klasyfikowane), wielkość zasobów wydobywalnych ropy naftowej kategorii A / B / C1 wynosiła 17,8 mld ton, czyli 129,9 mld baryłek (według kalkulacji, przy której jedna tona eksportowanej ropy Urals to 7,3 baryłek). W oparciu o istniejące wielkości produkcji, te eksplorowane zasoby naturalne wystarczą naszemu krajowi na 35 lat.
Jednocześnie w czystej postaci olej praktycznie nie jest używany. Główna wartość tkwi w produktach jej przetworzenia. Ropa to źródło paliw płynnych i olejów, a także ogromna ilość ważnych produktów dla współczesnego przemysłu. Bez paliwa zatrzyma się nie tylko światowa gospodarka, ale i każda armia. Samochody i czołgi nie pojadą bez paliwa, samoloty nie wzbiją się w powietrze. Jednocześnie niektóre kraje zostały początkowo pozbawione własnych rezerw czarnego złota. Uderzającym przykładem takich krajów w XX wieku stały się Niemcy i Japonia, które dysponując bardzo ubogą bazą surowcową rozpętały II wojnę światową, której każdy dzień wymagał ogromnego zużycia paliwa. W czasie II wojny światowej Niemcy w dużej mierze, w niektórych latach nawet do 50%, zaspokajały swoje potrzeby paliwowe poprzez produkcję paliwa płynnego z węgla. Wyjściem dla niej było użycie paliw syntetycznych i olejów. To samo zrobiono w ubiegłym stuleciu w RPA, gdzie Sasol Limited pomógł południowoafrykańskiej gospodarce skutecznie działać pod presją międzynarodowych sankcji w latach apartheidu.
Paliwa syntetyczne
W latach dwudziestych niemieccy badacze Franz Fischer i Hans Tropsch, którzy pracowali w Instytucie Cesarza Wilhelma, wynaleźli proces zwany procesem Fischera-Tropscha. Jej fundamentalne znaczenie miała produkcja węglowodorów syntetycznych do wykorzystania jako paliwo syntetyczne i olej smarowy, np. z węgla. Nic dziwnego, że proces ten został wynaleziony w dość ubogich w ropę, ale jednocześnie bogatych w węgiel Niemczech. Był szeroko stosowany do przemysłowej produkcji ciekłych paliw syntetycznych. Niemcy i Japonia szeroko stosowały to alternatywne paliwo w latach wojny. W Niemczech roczna produkcja paliw syntetycznych w 1944 roku osiągnęła około 6,5 miliona ton, czyli 124 000 baryłek dziennie. Po zakończeniu II wojny światowej schwytani niemieccy naukowcy kontynuowali prace na tym terenie. W szczególności w Stanach Zjednoczonych uczestniczyli w operacji Paperclip, pracując dla Biura Min.
Od połowy lat 30. XX wieku w Niemczech, USA, ZSRR i innych uprzemysłowionych krajach świata zaczęła upowszechniać się technologia zgazowania skondensowanych paliw do celów chemiczno-technologicznych, głównie do syntezy różnych związków chemicznych, w tym olejów sztucznych i paliwa płynne. W 1935 r. w Niemczech i Anglii wyprodukowano odpowiednio 835 tys. ton i 150 tys. ton benzyny syntetycznej z węgla, powietrza i wody. A w 1936 r. Adolf Hitler osobiście uruchomił w Niemczech nowy program państwowy, który przewidywał produkcję paliw syntetycznych i olejów.
Już w następnym roku Franz Fischer wraz z Helmutem Pichlerem (Hans Tropsch wyjechał z Niemiec do USA w 1931, gdzie zmarł cztery lata później) byli w stanie opracować metodę syntezy węglowodorów pod średnim ciśnieniem. W swoim procesie niemieccy naukowcy zastosowali katalizatory oparte na związkach żelaza, ciśnieniu około 10 atmosfer i wysokich temperaturach. Ich eksperymenty miały ogromne znaczenie dla wdrożenia w Niemczech wielkotonażowej chemicznej produkcji węglowodorów. W wyniku wdrożenia tego procesu jako główne produkty otrzymano parafiny i benzynę o wysokiej liczbie oktanowej. 13 sierpnia 1938 r. w Karinhalle – osiedlu myśliwskim ministra lotnictwa Rzeszy Hermanna Goeringa odbyło się spotkanie, na którym uchwalono program rozwoju produkcji paliw, który otrzymał symbol „Karinhalleplan”. Wybór miejsca zamieszkania Goeringa i jego kandydatury na kierownika programu nie był przypadkowy, gdyż kierowana przez niego Luftwaffe zużyła co najmniej jedną trzecią paliwa produkowanego w Niemczech. Plan ten przewidywał m.in. znaczący rozwój produkcji syntetycznych paliw silnikowych i olejów smarowych.
W 1939 r. uruchomiono w Rzeszy proces Fischera-Tropscha na skalę handlową w odniesieniu do węgla brunatnego, którego złoża były szczególnie bogate w środkowej części kraju. Na początku 1941 r. całkowita produkcja paliwa syntetycznego w nazistowskich Niemczech dogoniła produkcję paliwa olejowego, a następnie ją przekroczyła. Oprócz paliwa syntetycznego w Rzeszy z gazu generatorowego syntetyzowano kwasy tłuszczowe, parafinę i tłuszcze sztuczne, w tym tłuszcze jadalne. Tak więc z jednej tony konwencjonalnego skondensowanego paliwa według metody Fischera-Tropscha można było uzyskać 0,67 tony metanolu i 0,71 tony amoniaku lub 1,14 tony alkoholi i aldehydów, w tym wyższych alkoholi tłuszczowych (HFA) lub 0,26 tony ciekłych węglowodorów.
Pod koniec II wojny światowej, ponad pół roku od jesieni 1944 roku, kiedy wojska Armii Czerwonej zajęły pola naftowe Ploeszti (Rumunia) – największego naturalnego źródła surowców do produkcji paliwa, które była kontrolowana przez Hitlera, a do maja 1945 r. funkcję paliwa silnikowego w gospodarce niemieckiej i armii pełniły sztuczne paliwa płynne i gaz generatorowy. Można powiedzieć, że Niemcy Hitlera były imperium zbudowanym na stałych surowcach zawierających węgiel (przede wszystkim węgiel i w mniejszym stopniu na zwykłym drewnie), wodzie i powietrzu. Z surowców tych zsyntetyzowano w Niemczech 100% wzbogaconego kwasu azotowego, który był niezbędny do produkcji wszystkich wojskowych materiałów wybuchowych, 99% gumy i metanolu oraz 85% paliwa silnikowego.
Instalacje zgazowania i uwodornienia węgla były w latach 40. kręgosłupem niemieckiej gospodarki. Między innymi syntetyczne paliwo lotnicze, produkowane metodą Fischera-Tropscha, pokrywało 84,5% wszystkich potrzeb Luftwaffe w latach wojny. Podczas II wojny światowej w nazistowskich Niemczech tę metodę syntezy oleju napędowego stosowano w ośmiu fabrykach, które produkowały około 600 tysięcy ton oleju napędowego rocznie. Co więcej, projekt ten był w całości finansowany przez państwo. Niemcy budowali podobne fabryki w okupowanych przez siebie krajach, zwłaszcza w Polsce (Auschwitz), które działały do lat 50. włącznie. Po zakończeniu wojny wszystkie te fabryki w Niemczech zostały zamknięte i częściowo wraz z technologiami wywiezione z kraju kosztem reparacji z ZSRR i USA.
Olej łupkowy
Drugim, obok węgla, źródłem do produkcji paliwa jest ropa łupkowa, której temat od kilku lat nie znika na łamach światowej prasy. We współczesnym świecie jednym z najważniejszych trendów obserwowanych w przemyśle naftowym jest zmniejszenie produkcji oleju lekkiego i oleju o średniej gęstości. Zmniejszenie potwierdzonych zasobów ropy naftowej na planecie zmusza firmy naftowe do pracy z alternatywnymi źródłami węglowodorów i ich poszukiwania. Jednym z tych źródeł, obok ciężkiego oleju i naturalnego bitumu, są łupki bitumiczne. Zasoby łupków naftowych na planecie przewyższają rezerwy ropy naftowej o rząd wielkości. Ich główne rezerwy skoncentrowane są w Stanach Zjednoczonych – ok. 450 bln ton (24,7 bln ton ropy łupkowej). W Chinach i Brazylii istnieją znaczne rezerwy. Rosja posiada również ogromne rezerwy, które zawierają około 7% światowych rezerw. W Stanach Zjednoczonych wydobycie ropy łupkowej rozpoczęto na przełomie lat 40. i 50. XX wieku metodą kopalnianą. W większości wydobycie było eksperymentalne i prowadzone na niewielką skalę.
Obecnie na świecie istnieją dwie główne metody pozyskiwania potrzebnego surowca z łupków bitumicznych. Pierwsza z nich polega na wydobyciu skały łupkowej metodą odkrywkową lub kopalnianą, a następnie przeróbce w specjalnych instalacjach-reaktorach, w których łupek poddawany jest pirolizie bez dostępu powietrza. W trakcie tych operacji ze skały pozyskuje się smołę łupkową. Ta metoda była aktywnie próbowana w Związku Radzieckim. Podobne projekty znane są również z wydobycia łupków na polu Irati w Brazylii oraz w chińskiej prowincji Fushun. Ogólnie rzecz biorąc, zarówno w latach 40. XX wieku, jak i obecnie metoda wydobycia łupków z ich późniejszym przetwarzaniem pozostaje dość kosztowną metodą, a koszt produktu końcowego pozostaje wysoki. W cenach 2005 r. koszt baryłki takiej ropy wynosił 75-90 USD przy wydobyciu.
Druga metoda wydobycia ropy łupkowej polega na wydobywaniu jej bezpośrednio ze złoża. To właśnie ta metoda rozwinęła się w Stanach Zjednoczonych w ciągu ostatnich kilku lat i pozwoliła mówić o „łupkowej rewolucji” w wydobyciu ropy naftowej. Metoda ta obejmuje wiercenie odwiertów poziomych, a następnie wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne. W takim przypadku często wymagane jest przeprowadzenie chemicznego lub termicznego ogrzewania formacji. Oczywiste jest również, że taka metoda wydobywcza jest znacznie bardziej skomplikowana, a przez to droższa niż tradycyjna metoda wydobywcza, niezależnie od stosowanych technologii i postępu w dziedzinie nauki. Jak dotąd cena ropy łupkowej jest znacznie wyższa niż ropy konwencjonalnej. Według szacunków samych firm produkujących ropę, jej produkcja pozostaje opłacalna przy minimalnych cenach ropy na rynku światowym powyżej 50-60 USD za baryłkę. Ponadto obie metody mają pewne istotne wady.
Na przykład pierwsza metoda z odkrywkowym lub kopalnianym wydobyciem łupków naftowych i ich późniejsze przetworzenie jest znacznie ograniczona koniecznością wykorzystania ogromnych ilości dwutlenku węgla - CO2, który powstaje w procesie wydobywania z niego smoły łupkowej. Wreszcie problem wykorzystania dwutlenku węgla nie został jeszcze rozwiązany, a jego emisja do atmosfery ziemskiej jest obarczona poważnymi problemami środowiskowymi. Jednocześnie, gdy ropę łupkową wydobywa się bezpośrednio ze złóż, pojawia się kolejny problem. Jest to wysokie tempo spadku natężenia przepływu odwiertów oddawanych do eksploatacji. W początkowej fazie eksploatacji odwierty, ze względu na wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne i iniekcję poziomą, charakteryzują się bardzo wysokimi wydajnościami produkcyjnymi. Jednak po około 400 dniach pracy objętość wyekstrahowanych produktów gwałtownie spada (do 80%). Aby zrekompensować tak gwałtowny spadek i jakoś wyrównać profil produkcji, odwierty na takich złożach łupkowych muszą być uruchamiane etapami.
Jednocześnie technologie takie jak odwierty poziome i szczelinowanie hydrauliczne pozwoliły Stanom Zjednoczonym na zwiększenie wydobycia ropy o ponad 60% od 2010 roku, do 9 milionów baryłek dziennie. Obecnie jednym z najbardziej udanych przykładów wykorzystania technologii wydobycia ropy z łupków jest złoże Bakken, zlokalizowane w stanach Dakota Północna i Południowa. Rozwój tego konkretnego złoża łupkowego wywołał rodzaj euforii na rynku północnoamerykańskim. Jeszcze 5 lat temu wydobycie ropy na tym polu nie przekraczało 60 tys. baryłek dziennie, a teraz jest to już 500 tys. Ponieważ prowadzono tu poszukiwania geologiczne, zasoby ropy naftowej na tym złożu wzrosły ze 150 milionów do 11 miliardów baryłek. Oprócz tego pola naftowego, wydobycie ropy łupkowej w Stanach Zjednoczonych prowadzone jest w Bone Springs w Nowym Meksyku, Eagle Ford w Teksasie i Three Forks w Północnej Dakocie.
