Бензин был обнаружен около 160 лет назад как побочный продукт переработки сырой нефти для производства керосина. В то время бензин не использовался, его сжигали на нефтеперерабатывающих заводах, превращали в газ для газовых фонарей или просто выбрасывали. Около 125 лет назад, в начале 1890-х годов, изобретатели автомобилей начали осознавать ценность бензина как топлива. В 1911 году бензин впервые превзошел керосин, а к 1920 году в США насчитывалось около 9 миллионов бензиновых автомобилей, и по всей стране открывались заправочные станции для снабжения растущего парка автомобилей и грузовиков.1
Сегодня бензин является основным топливом для легковых автомобилей, потребляя около 90% продаваемых в США продуктов.2 Бензин также используется в мотоциклах, транспортных средствах для отдыха, лодках, малой авиации, строительной технике, электроинструментах и портативных генераторах. Американцы в среднем используют более галлона бензина на человека в день, а потребление в США на 31 декабря 2016 года составляло около 392 миллионов галлонов в день.3
Так откуда же берется весь этот бензин и как он попадает в топливные баки автомобилей? Читайте дальше, чтобы узнать больше о производстве и распределении бензина.
Бензин производится из сырой нефти, которая содержит углеводороды (органические соединения, состоящие только из атомов водорода и углерода). Сырая нефть всегда добывалась через вертикальные скважины, пробуренные в подземных и подводных резервуарах. Скважина — это, по сути, круглая яма, облицованная металлическими трубами, называемыми обсадными. В нижней части обсадной колонны есть отверстия, через которые нефть поступает из резервуара. Многие нефтяные скважины также производят природный газ, который в основном используется для стационарных применений, таких как отопление домов, но при соответствующей модификации транспортных средств может служить и топливом.
Хотя современные нефтяные скважины всегда начинаются как вертикальные, они могут разветвляться в нескольких направлениях и на разных глубинах. Эти вторичные скважины позволяют получить доступ к дополнительной нефти и увеличить добычу при минимальном нарушении поверхности. Горизонтальное бурение — распространенная техника при гидроразрыве пласта, использующая закачку жидкости и взрывчатых веществ для разрушения грунта вокруг скважины и высвобождения дополнительной нефти и природного газа. Горизонтальные скважины могут простираться на километры от центральной скважины.
Хотя некоторые скважины имеют внутреннее естественное давление, выталкивающее нефть на поверхность, большинство скважин требуют какой-либо формы погружного или наземного насоса. Для извлечения как можно большего количества нефти в течение срока службы скважины могут использоваться несколько дополнительных процессов. Распространенные методы вторичной добычи включают закачку воды в скважину, закачку газа или пара. Когда цены на сырую нефть падают, малодебитные скважины могут быть закрыты и вновь открыты при росте цен.
Вопреки распространенному мнению, сырая нефть бывает разных цветов — от почти прозрачного до черного как смоль, и различной вязкости — от водоподобной до почти твердой. Качество сырой нефти также сильно варьируется, хотя нефть из одного общего региона tends to have similar characteristics. Качество нефти определяется на основе химического анализа, и два наиболее важных показателя — это молекулярная плотность и содержание серы.
Нефть с короткими углеводородными цепями и плотностью по API 34 или выше считается «легкой», между 31 и 33 — «средней», а 30 или ниже — «тяжелой». Нефть с содержанием серы менее 0,5% по весу является «сладкой», а с более высоким уровнем — «кислой». Легкая, некоррозионная сырая нефть — самый ценный тип, поскольку ее легче и дешевле перерабатывать, и она производит больше конечных продуктов.
Хотя существует 46 основных стран-экспортеров нефти, цены на сырую нефть обычно котируются на основе одного из трех основных продуктов: сырая нефть West Texas Intermediate, сырая нефть Brent North Sea и сырая нефть Dubai UAE. Ценообразование на эти продукты служит барометром для всей нефтяной промышленности. Цены на нефть основаны на стоимости «барреля» сырой нефти объемом 42 галлона, единицы измерения, восходящей к ранним дням нефтедобычи.
В прошлом США импортировали большое количество сырой нефти и других нефтепродуктов. Пик пришелся на 2005 год, когда чистый импорт (импорт за вычетом экспорта) составлял 12,6 миллиона баррелей в день. В последнее время внутренняя добыча нефти увеличилась благодаря продолжающейся разведке и передовым методам добычи, что сократило импорт нефти. В 2016 году чистый импорт составлял всего 4,9 миллиона баррелей в день, что составляет около 25% от общего потребления нефти в США. Это небольшое увеличение по сравнению с 24% в 2015 году, что было самым низким уровнем с 1970 года.4
После извлечения сырой нефти из скважины она хранится в больших резервуарах перед транспортировкой на нефтеперерабатывающие заводы. Трубопроводы, танкеры и баржи — commonly used methods для перемещения сырой нефти. Однако в последние годы увеличение добычи в регионах без доступа к трубопроводам или водным путям привело к тому, что больше сырой нефти перевозится по железной дороге в цистернах. Очень густые и тяжелые формы сырой нефти, такие как нефтяные пески, необходимо разбавлять растворителями перед перекачкой по трубопроводам или транспортировке другими способами.
Все методы транспортировки сырой нефти несут потенциальные экологические риски. Однако сходы с рельсов нефтяных поездов создают дополнительные риски, поскольку поезда регулярно проходят через города и деревни, а разливы нефти и потенциальные пожары могут привести к значительному материальному ущербу и loss of life.
Для решения этих проблем Министерство транспорта в мае 2015 года выпустило окончательные правила, включающие улучшенные стандарты для цистерн, новые операционные руководства по перемещению больших объемов легковоспламеняющихся жидкостей по железной дороге, а также улучшенное планирование и обучение реагированию на чрезвычайные ситуации. Железнодорожная промышленность поддержала ускоренную замену старых цистерн, увеличила проверки путей для минимизации риска сходов с рельсов и внедрила специальные технологии, помогающие определить самые безопасные железнодорожные маршруты для перевозки нефти.5
Нефтеперерабатывающие заводы — это крупные промышленные предприятия, которые производят товарные продукты из сырой нефти, а иногда и из других сырьевых материалов, таких как биомасса. Более половины нефтеперерабатывающих мощностей США расположены на побережье Мексиканского залива, а остальные распределены по всей стране — обычно near sources of petroleum production или транспортных трубопроводов и водных путей.
Нефтеперерабатывающие заводы работают круглосуточно и без выходных, но периодически должны закрываться для технического обслуживания и ремонта. Обычно это происходит весной и осенью, когда refinery needs to make changes для перехода с производства летнего бензина на зимний или наоборот. Различия между ними обсуждаются далее.
Остановки НПЗ влияют на региональные поставки бензина и, как правило, планируются заранее и тщательно отслеживаются. Это позволяет распределительным сетям вносить необходимые коррективы для обеспечения бесперебойных поставок топлива. Непредвиденные остановки НПЗ из-за технических проблем или экстремальных погодных условий могут вызвать краткосрочные региональные дефициты бензина и рост цен на топливо.
Почти весь бензин, продаваемый в США, перерабатывается здесь, и США также экспортируют большое количество бензина в другие страны — более 230 миллионов баррелей в 2016 году.6 Переработка сырой нефти в конечные нефтепродукты — это очень сложное предприятие. Следующее описание provides an overview процесса переработки с акцентом на производство бензина.
Все НПЗ используют первичный процесс, называемый фракционной перегонкой, для разделения сырой нефти на различные компоненты. Фракционная перегонка involves heating сырую нефть до точки кипения (около 600°C) и ввод пара в дистилляционную колонну. По мере подъема горячего пара в колонне он охлаждается, и различные «фракции» сырой нефти конденсируются и собираются на разных высотах и температурах. Тяжелые фракции, такие как смазочные масла, имеют высокие температуры кипения и конденсируются near the bottom колонны. Легкие фракции, такие как пропан и бутан, имеют низкие температуры кипения и поднимаются к верху. Бензин, керосин, реактивное топливо и дизельное топливо собираются в средней части колонны.
Лишь несколько нефтепродуктов, включая бензин, готовы к использованию сразу после выхода из дистилляционной колонны. Для очистки фракций и преобразования их в товарные продукты требуется множество вторичных процессов переработки.