استفاده از متانول به عنوان سوخت در بحران نفتی دهه 1970

مقدمه

دهه 1970 یکی از مهم ترین دوره های تاریخ انرژی جهان بود. تا پیش از آن، نفت ارزان و در دسترس به پایه اصلی حمل و نقل بسیاری از کشورهای صنعتی تبدیل شده بود و کمتر کسی تصور می کرد که تامین این ماده بتواند در مدت کوتاهی به یک مسئله اقتصادی و سیاسی بزرگ تبدیل شود. بحران نفتی سال 1973 و سپس آشفتگی دوباره بازار نفت در سال 1979 این تصور را تغییر داد. افزایش قیمت، کمبود مقطعی سوخت و نگرانی درباره وابستگی به واردات باعث شد کشورها به دنبال منابع انرژی متفاوت باشند.

در چنین شرایطی، متانول به عنوان یک سوخت مایع قابل تولید از مواد اولیه گوناگون مورد توجه قرار گرفت. امکان ساخت متانول از گاز طبیعی، زغال سنگ و در مقیاس محدودتر از مواد زیستی، آن را از دید سیاست گذاران انرژی جذاب می کرد. مهم تر اینکه متانول را می شد در موتورهای احتراق داخلی، به صورت خالص یا در ترکیب با سوخت های دیگر مورد بررسی قرار داد.

البته استفاده از متانول به عنوان سوخت در بحران نفتی دهه 1970 به معنای جایگزینی گسترده آن با بنزین نبود. بخش بزرگی از فعالیت ها در سطح تحقیق، آزمایش موتور، مطالعه اقتصادی و برنامه ریزی برای ناوگان های آزمایشی باقی ماند. با این حال همین دوره نقطه آغاز مهمی برای توسعه فناوری سوخت متانول در سال های بعد بود. این شرایط باعث شد بسیاری از دولت ها نگاه خود را به امنیت انرژی تغییر دادند.

بحران نفتی دهه 1970 چگونه نگاه جهان به سوخت را تغییر داد؟

در اکتبر 1973 محدود شدن صادرات نفت برخی کشورهای عربی به تعدادی از کشورهای غربی، بازار جهانی انرژی را با شوکی جدی روبرو کرد. قیمت نفت به سرعت افزایش یافت و در بعضی مناطق کمبود بنزین، محدودیت فروش و صف های طولانی جایگاه های سوخت به بخشی از زندگی روزمره تبدیل شد. آنچه پیش از این صرفا یک کالای تجاری دیده می شد، ناگهان به موضوع امنیت ملی تبدیل شد.

کشورهای وارد کننده نفت دریافتند که وابستگی شدید بخش حمل و نقل به یک منبع انرژی، اقتصاد را در برابر تحولات سیاسی آسیب پذیر می کند. از همین زمان برنامه های مربوط به صرفه جویی انرژی، افزایش بازده خودروها، توسعه ذخایر اضطراری نفت و بررسی سوخت های جایگزین جدی تر شدند.

این مسئله با تحولات سال 1979 دوباره اهمیت پیدا کرد. کاهش عرضه نفت و افزایش دوباره قیمت ها نشان داد بحران سال 1973 اتفاقی موقت نبوده است. بنابراین فناوری هایی که امکان تولید سوخت مایع از منابع داخلی را فراهم می کردند، ارزش راهبردی بیشتری پیدا کردند.

متانول در همین فضای فکری مطرح شد. مزیت اصلی آن این بود که برخلاف بنزین، تولیدش لزوما به پالایش نفت خام وابسته نبود. در نتیجه حتی اگر جایگزینی کامل بنزین عملی نبود، متانول می توانست به عنوان یکی از اجزای سبد سوخت آینده بررسی شود.

چرا متانول به عنوان سوخت جایگزین مورد توجه قرار گرفت؟

متانول یک الکل ساده و مایع است که از نظر حمل و نگهداری در مقایسه با بعضی سوخت های گازی مزیت دارد. در دمای معمول محیط می توان آن را به شکل مایع ذخیره و منتقل کرد و همین ویژگی باعث می شد استفاده از آن در خودرو از نظر مفهومی به بنزین نزدیک تر باشد. امروزه نیز در حمل عمده این ماده، روش هایی مانند خرید متانول شیراز تانکر برای تامین حجم های صنعتی و انتقال مستقیم متانول مورد توجه قرار می گیرد.

دلیل مهم دیگر، تنوع مواد اولیه تولید متانول بود. تولید صنعتی متانول در آن زمان عمدتا بر گاز سنتز حاصل از منابع فسیلی تکیه داشت، اما از دید راهبردی امکان تولید گاز سنتز از زغال سنگ، چوب و برخی منابع دیگر نیز وجود داشت. برای کشوری که ذخایر زغال سنگ زیادی داشت اما درباره واردات نفت نگران بود، این موضوع اهمیت زیادی داشت.

متانول همچنین عدد اکتان بالایی دارد. مقاومت خوب آن در برابر ضربه موتور امکان طراحی موتورهایی با نسبت تراکم بالاتر را فراهم می کند. در صورت طراحی مناسب موتور، این ویژگی می تواند بخشی از ضعف ناشی از انرژی حجمی کمتر متانول را جبران کند.

با این حال متانول یک جایگزین کاملا آماده برای بنزین نبود. تفاوت در انرژی حجمی، رفتار هنگام روشن شدن موتور در هوای سرد، سازگاری قطعات، جذب آب و خواص شیمیایی آن نشان می داد که توسعه سوخت متانول به مجموعه ای از تغییرات فنی نیاز دارد.

متانول در دهه 1970 چگونه تولید می شد؟

روش اصلی تولید متانول صنعتی بر ساخت گاز سنتز و سپس تبدیل آن به متانول استوار بود. گاز سنتز مخلوطی است که عمدتا شامل هیدروژن و ترکیبات کربنی مانند مونوکسید کربن است. این گاز پس از تنظیم ترکیب و عبور از مرحله سنتز کاتالیستی به متانول تبدیل می شود.

گاز طبیعی یکی از مناسب ترین خوراک ها برای تولید متانول محسوب می شد. فناوری تبدیل آن شناخته شده بود و واحدهای صنعتی متعددی بر همین اساس کار می کردند. اما از دید سیاست انرژی دهه 1970 یک پرسش مهم وجود داشت: اگر قرار باشد سوخت جدید نیز به یک منبع محدود یا وارداتی متکی باشد، آیا امنیت انرژی واقعا افزایش پیدا می کند؟

به همین دلیل زغال سنگ مورد توجه زیادی قرار گرفت. ابتدا زغال سنگ در واحد گازی سازی به گاز سنتز تبدیل می شد و سپس این گاز می توانست خوراک واحد تولید متانول باشد. کشورهایی مانند ایالات متحده ذخایر قابل توجه زغال سنگ داشتند و این موضوع از نظر امنیت تامین جذاب بود.

تولید متانول از چوب و زیست توده نیز از نظر فنی مطرح بود، اما زیرساخت صنعتی و اقتصادی آن در دهه 1970 به اندازه مسیرهای متکی بر گاز طبیعی یا زغال سنگ توسعه پیدا نکرده بود. بنابراین وجود چند مسیر تولید، یک امتیاز راهبردی محسوب می شد، ولی همه این مسیرها در آن زمان آمادگی یکسانی برای تولید انبوه نداشتند.

ویژگی های متانول که آن را برای موتورهای احتراقی جذاب می کرد

یکی از مهم ترین خصوصیات متانول، مقاومت بالای آن در برابر احتراق ناخواسته یا ضربه موتور است. موتورهای بنزینی در صورت طراحی مناسب می توانند از این ویژگی برای استفاده از نسبت تراکم بالاتر بهره ببرند. گسترش تولید صنعتی و توسعه کاتالیست های مدرن و فرآیند فشار پایین در تولید متانول در دهه 1960 نیز زمینه دسترسی بیشتر به این ماده و بررسی جدی تر آن به عنوان یک سوخت جایگزین را در سال های بعد فراهم کرد.

متانول همچنین حاوی اکسیژن در ساختار مولکولی خود است. این ویژگی بر نحوه احتراق و ترکیب آلاینده های خروجی تاثیر می گذارد. در آزمایش های مختلف، توجه زیادی به کاهش دوده، ترکیبات گوگردی و برخی آلاینده ها در مقایسه با سوخت های نفتی معطوف شد.

از طرف دیگر، گرمای تبخیر بالای متانول باعث خنک شدن مخلوط ورودی به موتور می شود. این ویژگی در برخی شرایط می تواند برای عملکرد موتور مفید باشد، اما در هوای سرد مشکل ایجاد می کند. تبخیر دشوارتر هنگام استارت سرد یکی از موضوعاتی بود که مهندسان باید برای آن راه حل پیدا می کردند.

نقطه ضعف مهم دیگر پایین بودن انرژی موجود در هر لیتر متانول نسبت به بنزین است. بنابراین یک خودرو برای پیمودن مسافت مشابه معمولا به حجم بیشتری از متانول احتیاج دارد. این موضوع مستقیما بر اندازه مخزن، دفعات سوخت گیری و طراحی سامانه سوخت رسانی تاثیر می گذارد.

مقایسه فنی و راهبردی متانول با بنزین در شرایط بحران نفتی

برای درک علت توجه به متانول در دهه 1970 نباید تنها قیمت یا قدرت موتور را بررسی کرد. تصمیم گیری درباره یک سوخت جایگزین مجموعه ای از عوامل فنی، اقتصادی، زیرساختی و سیاسی را در بر می گیرد.

از دید انرژی، متانول ضعف آشکاری دارد. ارزش حرارتی حجمی آن تقریبا نصف بنزین است. در ارزیابی های فنی آن دوره، ارزش حرارتی پایین متانول حدود 56 هزار Btu در هر گالن در برابر حدود 115 هزار Btu برای بنزین در نظر گرفته می شد. به زبان ساده، مخزنی با حجم ثابت انرژی کمتری در صورت پر شدن با متانول حمل می کند.

در مقابل، کیفیت احتراقی متانول در موتور جرقه ای مطلوب است. مقاومت زیاد در برابر ضربه موتور امکان استفاده از طراحی های متفاوت را فراهم می کند. بنابراین مقایسه مصرف متانول و بنزین تنها بر اساس حجم سوخت، تصویر کاملی از عملکرد موتور ارائه نمی دهد.

موضوع بعدی منبع تولید است. بنزین مستقیما به زنجیره استخراج و پالایش نفت وابسته است، در حالی که متانول می تواند از چند نوع ماده اولیه تولید شود. در فضای سیاسی دهه 1970 این موضوع گاهی حتی از قیمت سوخت مهم تر بود. هدف اصلی برخی برنامه ها فقط یافتن ارزان ترین سوخت نبود؛ کاهش ریسک وابستگی به واردات نفت نیز اهمیت داشت.

مسئله زیرساخت شرایط را پیچیده می کرد. بنزین دارای شبکه پالایش، خطوط انتقال، مخازن، جایگاه های سوخت و میلیون ها خودرو سازگار بود. متانول برای رقابت با چنین سامانه ای باید علاوه بر تولید، در تمام زنجیره توزیع نیز سرمایه گذاری ایجاد می کرد.

این مقایسه نشان می دهد که متانول در دهه 1970 نه یک راه حل ساده، بلکه یک انتخاب دارای بده بستان های متعدد بود. مزیت امنیت انرژی و کیفیت احتراقی آن باید در برابر انرژی حجمی کمتر، هزینه زیرساخت و نیاز به سازگاری خودروها سنجیده می شد.

استفاده از متانول در موتورهای بنزینی و مخلوط های سوختی

یکی از راه های بررسی متانول، ترکیب مقدار محدودی از آن با بنزین بود. چنین روشی از نظر نظری اجازه می داد بخشی از مصرف بنزین کاهش یابد، بدون آنکه از همان ابتدا تمام خودروها و جایگاه های سوخت برای متانول خالص بازطراحی شوند.

در اواخر دهه 1970 مخلوط های دارای درصدهای محدود الکل در برنامه های تحقیقاتی و آزمایش ناوگان مطرح بودند. مخلوط های 10 و 20 درصدی نمونه هایی بودند که در بررسی های فنی مورد توجه قرار گرفتند. هدف از این آزمایش ها فقط اندازه گیری قدرت موتور نبود. پایداری مخلوط، روشن شدن خودرو، مصرف سوخت، آلایندگی و اثر بلند مدت بر قطعات نیز اهمیت داشت.

یکی از مشکلات، حضور آب بود. متانول تمایل زیادی به جذب آب دارد و وجود آب می تواند رفتار مخلوط متانول و بنزین را تغییر دهد. در شرایط نامناسب امکان جدایی فاز ایجاد می شود و این مسئله برای ذخیره سازی و توزیع اهمیت زیادی دارد.

راه دیگر استفاده از متانول خالص یا سوختی با سهم بسیار بالای متانول بود. این روش امکان بهینه سازی بهتر موتور را فراهم می کرد، اما دیگر نمی شد انتظار داشت خودروهای عادی بدون تغییر با آن کار کنند. همین مسئله بعدها زمینه توسعه خودروهای اختصاصی و چند سوخته را فراهم کرد.

امکان استفاده از متانول در موتورهای دیزلی و خودروهای سنگین

متانول از نظر احتراق با سوخت دیزل تفاوت اساسی دارد. عدد ستان بسیار پایین آن به این معنا است که متانول به آسانی گازوئیل در اثر تراکم مشتعل نمی شود. به همین دلیل ریختن متانول در یک موتور دیزل معمولی راه حل مناسبی نبود.

مهندسان روش هایی مانند استفاده از منبع کمکی برای ایجاد جرقه، افزودن سوخت آغازگر یا طراحی سامانه احتراق متفاوت را بررسی کردند. در سامانه دوگانه، مقدار کمی سوخت دارای قابلیت خود اشتعالی مناسب می توانست احتراق متانول را آغاز کند.

دلیل ادامه تحقیقات روشن بود. خودروهای سنگین مقدار زیادی سوخت مصرف می کنند و کاهش وابستگی آنها به فرآورده های نفتی می توانست تاثیر قابل توجهی بر امنیت انرزی داشته باشد. از سوی دیگر، کاهش ذرات معلق و ترکیبات سنگین حاصل از احتراق دیزل نیز جذاب بود.

با این حال پیچیدگی فنی موتور، نیاز به تجهیزات جدید و نبود شبکه تامین متانول مانع از آن شد که خودروهای سنگین متانولی در همان دهه به یک راه حل گسترده تبدیل شوند.

چالش ذخیره سازی، انتقال و ایمنی متانول

مایع بودن متانول یک امتیاز مهم برای حمل و ذخیره سازی است، اما به این معنا نیست که می توان تمام تجهیزات بنزین را بدون بررسی برای آن استفاده کرد. متانول از نظر شیمیایی با بنزین متفاوت است و می تواند بر بعضی فلزات، الاستومرها، واشرها و مواد مورد استفاده در سامانه سوخت اثر بگذارد.

جذب آب یکی از مهم ترین مسائل عملیاتی بود. مخازن و سامانه های انتقال باید طوری طراحی می شدند که ورود رطوبت کنترل شود. این موضوع هنگام مخلوط کردن متانول با بنزین حساس تر می شد، زیرا وجود آب می توانست پایداری مخلوط را کاهش دهد.

ایمنی انسانی نیز اهمیت دارد. متانول ماده ای سمی است و بلع آن یا مواجهه زیاد با بخار آن می تواند خطرناک باشد. در نتیجه توسعه بازار سوخت متانول بدون استانداردهای مناسب حمل، برچسب گذاری و آموزش امکان پذیر نبود.

شعله متانول نیز در نور روز می تواند به سختی دیده شود. از نظر عملیات آتش نشانی و کار در جایگاه سوخت، این ویژگی نیازمند توجه ویژه است. بنابراین اگرچه از نظر فیزیکی حمل یک مایع ساده تر از بعضی سوخت های گازی بود، ایجاد شبکه متانول همچنان نیاز به اصلاحات ایمنی و فنی داشت.

اثرات زیست محیطی سوخت متانول

در دهه 1970 نگرانی درباره آلودگی هوای شهرهای بزرگ در کنار مسئله امنیت انرژی در حال افزایش بود. به همین دلیل سوخت جایگزینی که علاوه بر کاهش وابستگی به نفت بتواند بعضی آلاینده ها را کاهش دهد، ارزش بیشتری پیدا می کرد.

متانول فاقد گوگرد موجود در بسیاری از سوخت های نفتی است و هنگام احتراق نیز تمایل بسیار کمی به تشکیل دوده سنگین دارد. به همین علت استفاده از آن در موتورهای مناسب می توانست انتشار ذرات معلق و ترکیبات گوگردی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

دمای متفاوت احتراق و ویژگی های شیمیایی متانول همچنین امکان کاهش برخی اکسیدهای نیتروژن را در شرایط مناسب فراهم می کرد. این موضوع به ویژه در بررسی سوخت برای موتورهای سنگین مورد توجه قرار گرفت.

با این حال تصویر آلایندگی متانول کاملا بی نقص نبود. افزایش انتشار بعضی آلدهیدها، به ویژه فرمالدهید، یکی از نگرانی های فنی بود. بنابراین نتیجه گیری ساده ای مانند «متانول بدون آلودگی است» درست نیست. نوع موتور، تنظیم احتراق و سامانه کنترل آلایندگی تاثیر زیادی بر نتیجه نهایی دارند.

اقتصاد تولید متانول در مقایسه با سوخت های نفتی

توانایی فنی تولید یک سوخت به تنهایی برای موفقیت آن کافی نیست. قیمت ماده اولیه، هزینه ساخت کارخانه، بازده تبدیل انرژی، حمل و نقل و سرمایه گذاری لازم برای ایجاد بازار همگی بر قیمت نهایی اثر می گذارند.

در دهه 1970 تولید متانول از گاز طبیعی فناوری شناخته شده ای بود، اما تبدیل زغال سنگ به متانول نیازمند مجموعه بزرگی شامل گازی سازی، تصفیه گاز، تنظیم ترکیب گاز سنتز و واحد تولید متانول بود. ساخت چنین مجموعه ای سرمایه قابل توجه و چند سال زمان نیاز داشت.

افزایش قیمت نفت باعث شد پروژه هایی که پیش از بحران اقتصادی به نظر نمی رسیدند دوباره بررسی شوند. اگر نفت برای مدت طولانی گران باقی می ماند، تولید سوخت از منابع داخلی می توانست جذابیت بیشتری پیدا کند. ولی قیمت نفت تنها متغیر نبود. هزینه تامین زغال سنگ، آب، تجهیزات و سرمایه نیز باید در محاسبات قرار می گرفت.

مشکل مهم دیگر عدم اطمینان بود. سرمایه گذار باید مطمئن می شد که تقاضای کافی برای متانول سوختی وجود خواهد داشت. خودروساز نیز زمانی برای تولید انبوه خودرو متانولی انگیزه داشت که سوخت به اندازه کافی عرضه شود. هزینه های سرمایه گذاری بالا بود و بازار هنوز آماده پذیرش گسترده متانول نبودند. این وابستگی متقابل یکی از موانع اصلی گسترش سوخت های جایگزین بود.

نقش برنامه های دولتی و آزمایش های اواخر دهه 1970

بازار به تنهایی نمی توانست تمام ریسک توسعه یک سوخت جدید را بپذیرد. به همین دلیل دولت ها، مراکز تحقیقاتی و صنایع خودروسازی نقش قابل توجهی در بررسی سوخت های الکلی پیدا کردند.

در ایالات متحده برنامه هایی برای ارزیابی مخلوط الکل و بنزین و سپس بررسی خودروهای دارای سوخت الکلی خالص شکل گرفت. برنامه ریزی اواخر سال 1979 شامل استفاده از ناوگان های آزمایشی بود تا خودروها در شرایط آب و هوایی و جغرافیایی مختلف بررسی شوند.

آزمایش ناوگان اهمیت زیادی داشت، زیرا تست کوتاه مدت آزمایشگاهی نمی توانست همه مشکلات را نشان دهد. خوردگی، خرابی آب بندها، تغییر کیفیت روغن موتور، استارت سرد، رسوب، مصرف واقعی و رفتار راننده باید در مسافت های طولانی ارزیابی می شدند.

این برنامه ها همچنین اطلاعاتی درباره مقدار سوخت مورد نیاز برای بازار بزرگ تر فراهم می کردند. مشخص شد که حتی اگر خودرو متانولی از نظر فنی مناسب باشد، ایجاد تقاضای گسترده به معنی نیاز به میلیون ها گالن سوخت و سرمایه گذاری جدید در تولید و توزیع خواهد بود.

نتیجه گیری

استفاده از متانول به عنوان سوخت در بحران نفتی دهه 1970 نتیجه مستقیم نگرانی درباره قیمت، دسترسی و امنیت تامین نفت بود. دو شوک بزرگ نفتی این دهه نشان دادند وابستگی شدید حمل و نقل به نفت خام می تواند اقتصاد کشورهای وارد کننده را در برابر تحولات سیاسی و اختلال عرضه آسیب پذیر کند.

متانول به دلیل قابلیت تولید از مواد اولیه مختلف، عدد اکتان بالا، مایع بودن در شرایط معمول و امکان استفاده در موتورهای احتراقی به یکی از گزینه های مورد بررسی تبدیل شد. در مقابل، انرژی حجمی کمتر، مشکل استارت سرد، عدد ستان پایین، سمیت، سازگاری مواد و نبود زیرساخت گسترده مانع از تبدیل سریع آن به جایگزین بنزین و گازوئیل شدند.

در نتیجه، نقش متانول در دهه 1970 بیشتر در مرحله تحقیق، آزمایش و برنامه ریزی برای آینده باقی ماند تا مصرف انبوه تجاری. همین مطالعات اما پایه ای برای آزمایش های گسترده تر سوخت متانول در دهه های بعد ایجاد کرد.

تجربه آن دوره یک درس مهم برای سیاست انرژی باقی گذاشت: ارزش یک سوخت جایگزین فقط با قیمت یا انرژی موجود در هر لیتر تعیین نمی شود. تنوع منابع تولید، امنیت تامین، سازگاری خودرو، زیرساخت توزیع، ایمنی، آلایندگی و توان توسعه صنعتی باید همزمان بررسی شوند. از این دیدگاه، بحران نفتی دهه 1970 نقطه ای مهم در تاریخ تبدیل متانول از یک ماده شیمیایی صنعتی به یک گزینه جدی در بحث سوخت های جایگزین بود.