Pohonné hmoty - Fuel

Palivo je jakýkoliv materiál, který může být pro reakci s dalšími látkami tak, že uvolňuje energii ve formě tepelné energie, nebo které mají být použity pro práci . Tento koncept byl původně aplikován pouze na materiály schopné uvolňovat chemickou energii, ale od té doby byl také aplikován na jiné zdroje tepelné energie, jako je jaderná energie (prostřednictvím jaderného štěpení a jaderné fúze ).

Tepelná energie uvolněná reakcemi paliv může být přeměněna na mechanickou energii pomocí tepelného motoru . Jindy je teplo samotné oceňováno pro teplo, vaření nebo průmyslové procesy, stejně jako osvětlení, které doprovází spalování . Paliva jsou také používány v buňkách z organismů v procesu známém jako buněčné dýchání , kde organické molekuly oxidují uvolnit využitelnou energii. Uhlovodíky a příbuzné organické molekuly jsou zdaleka nejběžnějším zdrojem paliva používaného lidmi, ale využívají se i jiné látky, včetně radioaktivních kovů.

Paliva jsou v kontrastu s jinými látkami nebo zařízeními uchovávajícími potenciální energii, jako jsou ta, která přímo uvolňují elektrickou energii (například baterie a kondenzátory ) nebo mechanickou energii (například setrvačníky , pružiny, stlačený vzduch nebo vodu v nádrži).

Dějiny

První známé použití paliva bylo spalování dřeva nebo klacků Homo erectus před téměř dvěma miliony let. Po většinu lidské historie lidé používali pouze paliva získaná z rostlin nebo živočišného tuku. Dřevěné uhlí , derivát dřeva, se používá od roku 6000 př. N. L. K tavení kovů. Byl nahrazen pouze koksem získaným z uhlí, protože evropské lesy se začaly vyčerpávat kolem 18. století. Brikety z dřevěného uhlí se dnes běžně používají jako palivo pro grilování .

Surový olej se destiluje podle perských chemici , s jasnými popisy uvedené v arabských příručkách, jako jsou ty z Mohamed ibn Zakariya Razi . Proces destilace ropy/petroleje do petroleje a dalších uhlovodíkových sloučenin popsal ve své Kitab al-Asrar ( Kniha tajemství ). Petrolej se ve stejném období vyráběl také z ropných břidlic a bitumenu zahříváním horniny k těžbě ropy, která se poté destilovala. Rāzi také poskytl první popis petrolejové lampy využívající surový minerální olej a označoval ji jako „naffatah“.

Ulice Bagdádu byly dlážděny dehtem získaným z ropy, která se stala přístupnou z přírodních polí v regionu. V 9. století byla v oblasti kolem moderního Baku v Ázerbájdžánu využívána ropná pole . Tato pole popsal arabský geograf Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī v 10. století a Marco Polo ve 13. století, který popsal výstup těchto studní jako stovky lodních nákladů.

S energií ve formě chemické energie, která by mohla být uvolněna spalováním , ale s koncepčním vývojem parního stroje ve Spojeném království v roce 1769 se uhlí začalo více používat jako zdroj energie. Uhlí bylo později použito k pohonu lodí a lokomotiv . V 19. století byl plyn získaný z uhlí používán v Londýně na pouliční osvětlení . Ve 20. a 21. století je primárním využíváním uhlí výroba elektřiny , která v roce 2005 poskytovala 40% světových dodávek elektrické energie.

Fosilní paliva byla rychle přijata během průmyslové revoluce, protože byla koncentrovanější a flexibilnější než tradiční zdroje energie, jako je vodní energie. Staly se klíčovou součástí naší současné společnosti, přičemž většina zemí světa spaluje fosilní paliva za účelem výroby energie, ale upadá v nemilost kvůli globálnímu oteplování a souvisejícím účinkům, které jsou způsobeny jejich spalováním.

V současné době je trendem směrem k obnovitelným palivům, jako jsou biopaliva jako alkoholy.

Chemikálie

Chemická paliva jsou látky, které uvolňují energii reakcí s látkami kolem sebe, zejména procesem spalování . Většina chemické energie uvolněné při spalování nebyla uložena v chemických vazbách paliva, ale ve slabé dvojné vazbě molekulárního kyslíku.

Chemická paliva se dělí dvěma způsoby. Za prvé, svými fyzikálními vlastnostmi, jako pevná látka, kapalina nebo plyn. Za druhé, na základě jejich výskytu: primární (přírodní palivo) a sekundární (umělé palivo) . Obecná klasifikace chemických paliv je tedy:

Obecné druhy chemických paliv

	Primární (přírodní)	Sekundární (umělé)
Tuhá paliva	dřevo , uhlí , rašelina , trus atd.	koks , dřevěné uhlí
Kapalná paliva	ropa	nafta , benzín , petrolej , LPG , uhelný dehet , nafta , ethanol
Plynná paliva	zemní plyn	vodík , propan , metan , uhelný plyn , vodní plyn , vysokopecní plyn, koksárenský plyn, CNG

Tuhé palivo

Tuhým palivem se rozumějí různé druhy pevných materiálů, které se používají jako palivo k výrobě energie a zajišťování vytápění , obvykle se uvolňují spalováním . Mezi tuhá paliva patří dřevo , dřevěné uhlí , rašelina , uhlí , hexaminové palivové tablety a pelety vyrobené ze dřeva (viz dřevěné pelety ), kukuřice , pšenice , žita a jiných zrn . Technologie raket na tuhá paliva také využívá tuhá paliva (viz pevná paliva ). Lidstvo používá k výrobě ohně tuhá paliva lidstvo mnoho let . Uhlí bylo zdrojem paliva, které umožnilo průmyslovou revoluci , od spalovacích pecí až po běžící parní stroje . Dřevo se také hojně používalo k provozu parních lokomotiv . Rašelina i uhlí se při výrobě elektřiny používají dodnes. Použití některých tuhých paliv (např. Uhlí) je v některých městských oblastech omezeno nebo zakázáno z důvodu nebezpečných úrovní toxických emisí. Využívání jiných tuhých paliv jako dřeva klesá s tím, jak se zlepšuje technologie vytápění a dostupnost paliva dobré kvality. V některých oblastech je bezdýmné uhlí často jediným použitým tuhým palivem. V Irsku se jako bezdýmné palivo používají rašelinové brikety . Používají se také k zahájení uhelného požáru.

Kapalná paliva

Kapalná paliva jsou hořlavé nebo molekuly generující energii, které lze využít k vytvoření mechanické energie , obvykle produkující kinetickou energii . Musí také mít tvar svého kontejneru; výpary kapalných paliv jsou hořlavé, nikoli kapaliny.

Většina běžně používaných kapalných paliv pochází ze zkamenělých zbytků mrtvých rostlin a živočichů vystavením teplu a tlaku uvnitř zemské kůry. Existuje však několik typů, jako je vodíkové palivo (pro použití v automobilech ), ethanol , tryskové palivo a bionafta , které jsou všechny zařazeny do kategorie kapalných paliv. Emulgovaná paliva ve vodě, jako je orimulze , byla vyvinuta jako způsob, jak učinit těžké ropné frakce použitelné jako kapalná paliva. Mnoho kapalných paliv hraje primární roli v dopravě a hospodářství.

Mezi běžné vlastnosti kapalných paliv patří to, že se snadno přepravují a lze s nimi snadno manipulovat. Jsou také relativně snadno použitelné pro všechny inženýrské aplikace a pro domácí použití. Paliva, jako je petrolej, jsou v některých zemích na příděl, například ve vládou dotovaných obchodech v Indii pro domácí použití.

Konvenční nafta je podobná benzínu v tom, že je směsí alifatických uhlovodíků extrahovaných z ropy . Petrolej se používá v petrolejových lampách a jako palivo pro vaření, topení a malé motory. Zemní plyn , složený převážně z metanu , může existovat pouze jako kapalina při velmi nízkých teplotách (bez ohledu na tlak), což omezuje jeho přímé použití jako kapalného paliva ve většině aplikací. LP plyn je směsí propanu a butanu , což jsou za standardních atmosférických podmínek snadno stlačitelné plyny. Nabízí mnoho výhod stlačeného zemního plynu (CNG), ale je hustší než vzduch, nehoří tak čistě a je mnohem snadněji stlačitelný. Běžně se používá k vaření a vytápění místností, LP plyn a stlačený propan zaznamenávají zvýšené využití v motorových vozidlech. Propan je celosvětově třetím nejčastěji používaným motorovým palivem.

Palivový plyn

Palivový plyn je jakékoli z řady paliv, která jsou za běžných podmínek plynná . Mnoho palivových plynů se skládá z uhlovodíků (jako je metan nebo propan ), vodíku , oxidu uhelnatého nebo jejich směsí. Tyto plyny jsou zdrojem potenciální tepelné nebo světelné energie, kterou lze snadno přenášet a distribuovat potrubím z místa původu přímo do místa spotřeby. Palivový plyn je v kontrastu s kapalnými palivy a z tuhých paliv , ačkoli některé topné plyny jsou zkapalněny pro skladování nebo přepravu. I když jejich plynná povaha může být výhodná, vyhýbá se obtížnosti přepravy tuhého paliva a nebezpečí úniku v kapalných palivech, ale také může být nebezpečné. Je možné, že se v určitých oblastech nezjistí a shromažďuje topný plyn, což vede k riziku výbuchu plynu . Z tohoto důvodu se do většiny palivových plynů přidávají odorizéry , aby je bylo možné detekovat výrazným zápachem. Nejběžnějším typem topného plynu, který se v současné době používá, je zemní plyn .

Biopaliva

Biopalivo lze obecně definovat jako pevné, kapalné nebo plynné palivo sestávající z biomasy nebo z něj odvozené . Biomasu lze také použít přímo k vytápění nebo energii - známé jako palivo z biomasy . Biopalivo lze vyrábět z jakéhokoli zdroje uhlíku, který lze rychle doplňovat, např. Z rostlin. K výrobě biopaliv se používá mnoho různých rostlin a rostlinných materiálů.

Snad nejranějším palivem, které lidé používají, je dřevo. Důkazy ukazují, že řízená palba byla použita až před 1,5 miliony let ve městě Swartkrans v Jižní Africe. Není známo, který druh hominidů poprvé použil oheň, protože na těchto místech byl přítomen jak Australopithecus, tak raný druh Homo . Jako palivo se dřevo používalo až do dnešních dnů, i když bylo pro mnohé účely nahrazeno jinými zdroji. Dřevo má energetickou hustotu 10–20 MJ / kg .

Nedávno byla vyvinuta biopaliva pro použití v automobilové dopravě (například bioethanol a bionafta ), ale veřejná diskuse o tom, jak jsou tato paliva účinná z hlediska uhlíku, je rozšířená.

Fosilní paliva

Fosilní paliva jsou uhlovodíky , především uhlí a ropa ( kapalná ropa nebo zemní plyn ), vytvořené ze zkamenělých pozůstatků starověkých rostlin a živočichů vystavením vysokému teplu a tlaku v nepřítomnosti kyslíku v zemské kůře po stovky milionů let. Termín fosilní palivo běžně zahrnuje také přírodní zdroje obsahující uhlovodíky, které nejsou zcela odvozeny z biologických zdrojů, jako jsou dehtové písky . Tyto posledně jmenované zdroje jsou náležitě známé jako minerální paliva .

Fosilní paliva obsahují vysoký podíl uhlíku a zahrnují uhlí , ropu a zemní plyn . Pohybují se od těkavých materiálů s nízkým poměrem uhlík : vodík jako metan , přes kapalnou ropu až po netěkavé materiály složené z téměř čistého uhlíku, jako je antracitové uhlí. Metan lze nalézt v uhlovodíkových polích, samotných, spojených s ropou, nebo ve formě methanových klatrátů . Fosilní paliva vytvořená ze zkamenělých zbytků mrtvých rostlin vystavením teplu a tlaku v zemské kůře po miliony let. Tuto biogenní teorii poprvé představil německý učenec Georg Agricola v roce 1556 a později Michail Lomonosov v 18. století.

Úřad pro energetické informace odhadl, že v roce 2007 primární zdroje energie tvořila ropa 36,0%, uhlí 27,4%, zemní plyn 23,0%, což představuje 86,4%podíl fosilních paliv na spotřebě primární energie ve světě. Nefosilní zdroje v roce 2006 zahrnovaly vodní 6,3%, jaderné 8,5%a další ( geotermální , sluneční , přílivové , větrné , dřevěné , odpadní ) ve výši 0,9%. Světová spotřeba energie rostla o 2,3% ročně.

Fosilní paliva jsou neobnovitelné zdroje, protože jejich tvorba trvá miliony let a zásoby se vyčerpávají mnohem rychleji, než se vytvářejí nová. Musíme tedy tato paliva šetřit a používat je uvážlivě. Výroba a používání fosilních paliv vyvolává obavy o životní prostředí. Globální pohyb směrem k výrobě obnovitelné energie proto probíhá, aby pomohl splnit zvýšené energetické potřeby. Spalování fosilních paliv vyprodukuje kolem 21,3 miliardy tun (21,3 gigatun ) oxidu uhličitého (CO ₂ ) ročně, ale odhaduje se, že přírodní procesy mohou absorbovat jen asi polovinu tohoto množství, takže dochází k čistému nárůstu o 10,65 miliardy tun atmosférického oxidu uhličitého za rok (jedna tuna atmosférického uhlíku odpovídá 44/12 nebo 3,7 tunám oxidu uhličitého). Oxid uhličitý je jedním ze skleníkových plynů, které posilují radiační působení a přispívají ke globálnímu oteplování , což způsobuje, že průměrná povrchová teplota Země v reakci na to stoupá, což podle drtivé většiny vědců v oblasti klimatu způsobí závažné nežádoucí účinky . Paliva jsou zdrojem energie.

Energie

Množství energie z různých druhů paliv závisí na stechiometrickém poměru , chemicky správném poměru vzduchu a paliva k zajištění úplného spalování paliva a jeho specifické energii , energii na jednotku hmotnosti.

Energetické kapacity běžných druhů paliv

Pohonné hmoty	Specifická energie (MJ/kg)	AFR stoich.	FAR stoich.	Energie @ λ = 1 (MJ/kg (vzduch) )
Diesel	48	14,5: 1	0,069: 1	3.310
Ethanol	26.4	9: 1	0,111: 1	2,933
Benzín	46,4	14,7: 1	0,068: 1	3,156
Vodík	142	34,3: 1	0,029: 1	4,140
Petrolej	46	15,6: 1	0,064: 1	2,949
LPG	46,4	17,2: 1	0,058: 1	2,698
Methanol	19.7	6,47: 1	0,155: 1	3,045
Metan	55,5	17,2: 1	0,058: 1	3,219
Nitromethan	11,63	1,7: 1	0,588: 1	6,841

1  MJ ≈ 0,28  kWh ≈ 0,37  HPh .

Nukleární

Jaderné palivo je jakýkoli materiál, který je spotřebováván k získávání jaderné energie . Technicky vzato, veškerá hmota může být jaderným palivem, protože jakýkoli prvek za správných podmínek uvolní jadernou energii, ale materiály běžně označované jako jaderná paliva jsou ty, které budou vyrábět energii, aniž by byly vystaveny extrémnímu tlaku. Jaderné palivo je materiál, který lze „spálit“ jaderným štěpením nebo fúzí za účelem získání jaderné energie . Jaderné palivo se může vztahovat na samotné palivo nebo na fyzické objekty (například svazky složené z palivových tyčí ) složené z palivového materiálu smíchaného se strukturálními materiály, materiály moderujícími neutrony nebo materiály odrážející neutrony.

Většina jaderných paliv obsahuje těžké štěpné prvky, které jsou schopné jaderného štěpení. Když jsou tato paliva zasažena neutrony, jsou zase schopna emitovat neutrony, když se rozpadnou. To umožňuje soběstačnou řetězovou reakci, která uvolňuje energii řízenou rychlostí v jaderném reaktoru nebo velmi rychlou nekontrolovanou rychlostí v jaderné zbrani .

Nejběžnějšími štěpnými jadernými palivy jsou uran-235 ( ²³⁵ U) a plutonium-239 ( ²³⁹ Pu). Činnosti těžby, rafinace, čištění, využívání a nakonec likvidace jaderného paliva dohromady tvoří jaderný palivový cyklus . Ne všechny typy jaderných paliv vyrábějí energii z jaderného štěpení. Plutonium-238 a některé další prvky se používají k výrobě malého množství jaderné energie radioaktivním rozpadem v radioizotopových termoelektrických generátorech a jiných typech atomových baterií . Také světelné nuklidy , jako je tritium ( ³ H), může být použit jako palivo pro jadernou fúzi . Jaderné palivo má nejvyšší energetickou hustotu ze všech praktických zdrojů paliva.

Štěpení

Nejběžnějším typem jaderného paliva používaného lidmi jsou těžké štěpné prvky, které mohou být podrobeny řetězovým reakcím štěpení v jaderném štěpném reaktoru ; jaderné palivo může odkazovat na materiál nebo na fyzické objekty (například palivové svazky složené z palivových tyčí ) složené z palivového materiálu, možná smíchaného se strukturálními materiály, materiály moderujícími neutrony nebo materiály odrážející neutrony.

Fúze

Paliva, která produkují energii procesem jaderné fúze, v současné době lidé nevyužívají, ale jsou hlavním zdrojem paliva pro hvězdy . Fúzní paliva bývají lehkými prvky, jako je vodík, které se snadno kombinují. Energie je zapotřebí k zahájení fúze zvýšením teploty tak vysoko, že by se všechny materiály proměnily v plazmu, a umožnily by jádrům srazit se a držet se navzájem před odpuzováním kvůli elektrickému náboji. Tento proces se nazývá fúze a může vydávat energii.

U hvězd, které procházejí jadernou fúzí, se palivo skládá z atomových jader, která mohou uvolňovat energii absorpcí protonu nebo neutronu . Ve většině hvězd je palivo poskytováno vodíkem, který se může spojit a vytvořit helium prostřednictvím řetězové reakce proton-proton nebo pomocí cyklu CNO . Když je vodíkové palivo vyčerpáno, jaderná fúze může pokračovat s postupně těžšími prvky, i když čistá uvolněná energie je nižší kvůli menšímu rozdílu v jaderné vazebné energii. Jakmile se vytvoří jádra železa-56 nebo niklu-56 , nelze jadernou fúzí získat žádnou další energii, protože ta mají nejvyšší energie vázající jadernou energii. Prvky poté spotřebovávají energii místo toho, aby energii vydávaly, když byly sloučeny. Fúze se proto zastaví a hvězda zemře. Při pokusech lidí se fúze provádí pouze s vodíkem (izotop 2 a 3) za vzniku helia-4, protože tato reakce vydává nejvíce čisté energie. Oblíbenými metodami jsou elektrická izolace ( ITER ), inerciální izolace (ohřev laserem) a zahřívání silnými elektrickými proudy. .

Poznámky pod čarou

Reference

• Ratcliff, Brian; a kol. (2000). Chemie 1 . Tisk z Cambridgeské univerzity. ISBN 978-0-521-78778-9.

Další čtení

• „Směrnice Evropského parlamentu a Rady 1999/94/ES ze dne 13. prosince 1999 o dostupnosti informací pro spotřebitele o spotřebě paliva a emisích CO2 při uvádění nových osobních automobilů na trh“ (PDF) . (140 kB) .
• Směrnice Rady 80/1268/EHS Spotřeba paliva motorových vozidel .