Pohonné hmoty - Fuel

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Dřevo je jedním z prvních paliv používaných lidmi .

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

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

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

Dějiny

Nejstarším palivem je dřevo

Prvním známým použitím paliva bylo spalování dřeva nebo klacků Homo erectus před téměř dvěma miliony let. Po většinu lidské historie lidé používali pouze paliva pocházející z rostlin nebo živočišného tuku. Dřevěné uhlí , derivát dřeva, se používá k tavení kovů nejméně od 6 000 př. N. L. Byl nahrazen pouze koksem získávaným z uhlí, protože evropské lesy se začaly vyčerpávat kolem 18. století. Dřevěné uhlí brikety se nyní 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 / ropy na petrolej a další uhlovodíkové sloučeniny popsal ve své Kitab al-Asrar ( Kniha tajemství ). Během stejného období se petrolej také vyráběl z roponosné břidlice a bitumenu zahříváním horniny za účelem extrakce oleje, který se poté destiloval. Rāzi také podal první popis petrolejové lampy používající surový minerální olej a označil ji jako „naffatah“.

Ulice Bagdádu byly dlážděny dehtem odvozeným od ropy, která byla přístupná z přírodních polí v regionu. V 9. století byla v oblasti 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 vrtů jako stovky nákladních lodí.

S energií ve formě chemické energie, která se mohla uvolnit spalováním , ale s koncepčním vývojem parního stroje ve Velké Británii v roce 1769 se uhlí začalo používat jako zdroj energie. Uhlí bylo později použito k pohonu lodí a lokomotiv . V 19. století se plyn získaný z uhlí používal pro pouliční osvětlení v Londýně . Ve 20. a 21. století je primárním využíváním uhlí výroba elektřiny , která v roce 2005 poskytuje 40% světové elektrické energie.

Fosilní paliva byla během průmyslové revoluce rychle přijata, protože byla koncentrovanější a pružnější než tradiční zdroje energie, jako je vodní energie. Staly se stěžejní součástí naší současné společnosti a většina zemí světa spalovala fosilní paliva za účelem výroby energie.

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

Chemikálie

Chemická paliva jsou látky, které uvolňují energii reakcí s látkami v jejich okolí, 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, podle jejich fyzikálních vlastností, jako pevná látka, kapalina nebo plyn. Zadruhé, na základě jejich výskytu: primární (přírodní palivo) a sekundární (umělé palivo) . Obecná klasifikace chemických paliv je tedy:

Obecné typy chemických paliv
Primární (přírodní) Sekundární (umělé)
Tuhá paliva dřevo , uhlí , rašelina , hnůj 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

Uhlí je tuhé palivo

Tuhé palivo označuje různé typy tuhého materiálu, které se používají jako palivo k výrobě energie a zajištění tepla , obvykle uvolňovaného 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 používá tuhé palivo (viz tuhá paliva ). Lidstvo používá tuhá paliva po mnoho let k vytváření ohně . Uhlí bylo zdrojem paliva, který umožnil průmyslovou revoluci , od vypalovacích pecí až po provoz parních strojů . Wood byl také značně používán k provozu parních lokomotiv . Rašelina i uhlí se dodnes používají při výrobě elektřiny . V některých městských oblastech je používání některých tuhých paliv (např. Uhlí) omezeno nebo zakázáno kvůli nebezpečným úrovním toxických emisí. Používání jiných tuhých paliv jako dřeva se snižuje s tím, jak se zlepšuje topná technologie a dostupnost kvalitního paliva. V některých oblastech je bezkouřové uhlí často jediným použitým pevným palivem. V Irsku se jako bezdýmné palivo používají rašelinové brikety . Používají se také k založení požáru uhlí.

Kapalná paliva

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

Většina kapalných paliv v široké míře pochází z fosilizovaných zbytků mrtvých rostlin a zvířat vystavením teplu a tlaku uvnitř zemské kůry. Nicméně, existuje několik typů, jako jsou vodíkové palivo (pro automobilové použití), ethanol , tryskové palivo a bionafty , které jsou klasifikovány jako kapalná paliva. Emulgovaná paliva z oleje ve vodě, jako je orimulze , byla vyvinuta jako způsob, jak zajistit, aby těžké ropné frakce byly použitelné jako kapalná paliva. Mnoho kapalných paliv hraje primární roli v dopravě a ekonomice.

Některé běžné vlastnosti kapalných paliv spočívají v tom, že se snadno přepravují a lze s nimi snadno manipulovat. Jsou také relativně snadno použitelné pro všechny technické aplikace a pro domácí použití. Paliva, jako je petrolej, jsou v některých zemích přidělována, například v indických vládních obchodech pro domácí použití.

Konvenční nafta je podobná benzinu v tom, že se jedná o směs 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 ve většině aplikací omezuje jeho přímé použití jako kapalného paliva. LP plyn je směs propanu a butanu , což jsou oba za běžných atmosférických podmínek snadno stlačitelné plyny. Nabízí mnoho výhod stlačeného zemního plynu (CNG), ale je hustší než vzduch, nehoří tak čistě a mnohem snadněji se stlačuje. LPG a stlačený propan, které se běžně používají k vaření a vytápění místností, zaznamenávají zvýšené použití v motorových vozidlech. Propan je celosvětově třetím nejčastěji používaným motorovým palivem.

Topný plyn

Válec na propan o hmotnosti 20 liber ( 9,1 kg )

Topný plyn je jedno z mnoha paliv, která jsou za běžných podmínek plynná . Mnoho topných plynů se skládá z uhlovodíků (jako je methan nebo propan ), vodíku , oxidu uhelnatého nebo jejich směsí. Takové plyny jsou zdroji potenciální tepelné energie nebo světelné energie, které lze snadno přenášet a distribuovat potrubím z místa původu přímo do místa spotřeby. Topný plyn je v kontrastu s kapalnými palivy az tuhých paliv , i když některé topné plyny jsou zkapalněny pro skladování nebo přepravu. I když jejich plynná povaha může být výhodná, může se také vyhnout obtížím při přepravě tuhého paliva a nebezpečí úniku kapalných paliv. Je možné, že topný plyn nebude v určitých oblastech detekován a shromažďován, což povede k riziku výbuchu plynu . Z tohoto důvodu se odorizéry přidávají do většiny topných plynů, takže je lze detekovat zřetelným zápachem. Nejběžnějším typem topného plynu v současné době je zemní plyn .

Biopaliva

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

Snad nejčasnějším palivem použitým lidmi je dřevo. Důkazy ukazují, že kontrolovaná palba byla použita až před 1,5 miliony let v jihoafrickém Swartkrans . Není známo, které druhy hominidů poprvé použily oheň, protože v těchto lokalitách byl přítomen Australopithecus a časný druh Homo . Jako palivo zůstalo dřevo použito až do dnešních dnů, i když bylo pro mnoho účelů 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 debata o tom, jak jsou tato paliva uhlíkově účinná, je široce rozšířena.

Fosilní paliva

Těžba ropy

Fosilní paliva jsou uhlovodíky , zejména uhlí a ropa ( kapalná ropa nebo zemní plyn ), které se tvoří z fosilizovaných pozůstatků starodávných rostlin a živočichů vystavením vysokému teplu a tlaku za nepřítomnosti kyslíku v zemské kůře po stovky milionů let. Obecně termín fosilní palivo zahrnuje také přírodní zdroje obsahující uhlovodíky, které nejsou zcela odvozeny z biologických zdrojů, jako jsou dehtové písky . Tyto druhé zdroje jsou vhodně známé jako minerální paliva .

Fosilní paliva obsahují vysoké procento uhlíku a zahrnují uhlí , ropu a zemní plyn . Pohybují se od těkavých materiálů s nízkým obsahem uhlíku : vodíkové poměry jako metan , přes kapalnou ropu až po netěkavé materiály složené z téměř čistého uhlíku, jako je antracitové uhlí. Metan lze nalézt v uhlovodíkových polích, samotný, spojený s ropou, nebo ve formě metanových klatrátů . Fosilní paliva vytvořená z fosilizovaných 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.

Odhadovala Energetická informační správa, že v roce 2007 tvořily primární zdroje energie ropa 36,0%, uhlí 27,4%, zemní plyn 23,0%, což představuje 86,4% podíl fosilních paliv na spotřebě primární energie ve světě. Mezi nefosilní zdroje v roce 2006 patřily vodní elektrárny 6,3%, jaderné 8,5% a další ( geotermální , sluneční , přílivové , větrné , dřevní , odpadní ) ve výši 0,9%. Světová spotřeba energie rostla přibližně o 2,3% ročně.

Fosilní paliva jsou neobnovitelné zdroje, protože se formují miliony let, a zásoby se vyčerpávají mnohem rychleji, než se vytvářejí nové. Musíme tedy tato paliva šetřit a používat je uvážlivě. Výroba a používání fosilních paliv vyvolává obavy o životní prostředí. Globální posun směrem k výrobě obnovitelné energie proto probíhá, aby pomohl uspokojit zvýšené energetické potřeby. Při spalování fosilních paliv se ročně vyprodukuje přibližně 21,3 miliardy tun (21,3 gigatun ) oxidu uhličitého (CO 2 ), odhaduje se však, že přírodní procesy mohou absorbovat pouze přibližně polovinu tohoto množství, takže došlo k čistému nárůstu o 10,65 miliardy tun. atmosférického oxidu uhličitého za rok (jedna tuna atmosférického uhlíku odpovídá 44/12 nebo 3,7 tuny oxidu uhličitého). Oxid uhličitý je jedním ze skleníkových plynů, které zvyšují radiační působení a přispívají ke globálnímu oteplování , což způsobí, že průměrná povrchová teplota Země v reakci vzroste, což drtivá většina vědců v oblasti klimatu souhlasí s tím, že způsobí závažné nepříznivé účinky . Paliva jsou zdrojem energie.

Energie

Množství energie z různých druhů paliva 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
Metanol 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

MJ ≈ 0,28  kWh ≈ 0,37  HPh .

Jaderná

Palivové svazky CANDU Dva
palivové svazky CANDU („Canada Deuterium Uranium“), každý o   délce přibližně 50 cm a   průměru 10 cm

Jaderné palivo je jakýkoli materiál, který se spotřebovává k získání 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 nátlaku. Jaderné palivo je materiál, který lze „spalovat“ štěpením nebo fúzí jader za účelem získání jaderné energie . Jaderné palivo může odkazovat na samotné palivo nebo na fyzické předměty (například svazky složené z palivových tyčí ) složené z palivového materiálu, smíchaného s konstrukčními, neutronovými moderujícími nebo neutronově odrážejícími materiály.

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

Nejběžnější štěpná jaderná paliva jsou uran 235 ( 235 U) a plutonium 239 ( 239 Pu). Činnosti těžby, rafinace, čištění, používání a konečné likvidace jaderného paliva společně tvoří jaderný palivový cyklus . Ne všechny druhy jaderných paliv vytvářejí energii z jaderného štěpení. Plutonium-238 a některé další prvky se používají k výrobě malého množství jaderné energie pomocí radioaktivního rozpadu v radioizotopových termoelektrických generátorech a jiných typech atomových baterií . Jako palivo pro jadernou fúzi lze také použít lehké nuklidy, jako je tritium ( 3 H) . Jaderné palivo má nejvyšší hustotu energie ze všech praktických zdrojů paliva.

Štěpení

Pelety s
jaderným palivem se používají k uvolňování jaderné energie

Nejběžnějším typem jaderného paliva používaného u lidí, je těžké štěpné prvky, které mohou být provedeny podstoupit jaderného štěpení řetězové reakce se v reaktoru jaderného štěpení ; jaderné palivo může odkazovat na materiál nebo na fyzické předměty (například palivové svazky složené z palivových tyčí ) složené z palivového materiálu, případně smíchaného se strukturálními, neutronovými moderujícími nebo neutronově odrážejícími materiály. Nejběžnější štěpná jaderná paliva jsou 235 U a 239 Pu a činnosti těžby, rafinace, čištění, používání a konečné likvidace těchto prvků společně tvoří cyklus jaderného paliva , což je důležité pro jeho význam pro výrobu jaderné energie a jaderné zbraně .

Fúze

Paliva, která produkují energii procesem jaderné fúze, v současné době lidé nevyužívají, ale jsou hlavním zdrojem paliva pro hvězdy . Fúzní paliva bývají lehké prvky, jako je vodík, které se budou snadno kombinovat. Energie je potřebná k zahájení fúze zvýšením teploty tak vysoké, že by se všechny materiály změnily na plazmu a umožnily srážení jader a jejich vzájemné slepení před odpuzováním v důsledku elektrického náboje. Tento proces se nazývá fúze a může rozdávat energii.

Ve hvězdách, které procházejí jadernou fúzí, se palivo skládá z atomových jader, která mohou uvolňovat energii absorpcí protonu nebo neutronu . Ve většině hvězdy je palivo poskytuje vodíku, které mohou být spojené za vzniku helia přes protonů řetězové reakce nebo pomocí CNO cyklu . Když je vodíkové palivo vyčerpáno, může jaderná fúze pokračovat s postupně těžšími prvky, ačkoli uvolněná čistá energie je nižší kvůli menšímu rozdílu v jaderné vazebné energii. Jakmile jsou vyrobena jádra železa-56 nebo niklu-56 , nelze pomocí jaderné fúze získat žádnou další energii, protože tato jádra mají nejvyšší energie vázající atomy. Elementy poté spotřebovávají energii, místo aby při fúzi vydávaly energii. Fúze se proto zastaví a hvězda zemře. Při pokusech člověka se fúze provádí pouze s vodíkem (izotopem 2 a 3) za vzniku helia-4, protože tato reakce poskytuje nejvíce čisté energie. Populárními metodami jsou elektrický obal ( ITER ), setrvačný obal (ohřev laserem) a ohřev silnými elektrickými proudy. .

Kapalná paliva pro dopravu

Většina paliv pro dopravu jsou kapaliny, protože vozidla obvykle vyžadují vysokou hustotu energie . K tomu dochází přirozeně v kapalinách a pevných látkách. Vysokou hustotu energie může zajistit také spalovací motor . Tyto motory vyžadují čistá paliva. Nejsnadněji čistým palivem jsou obvykle kapaliny a plyny. Kapaliny tedy splňují požadavky na energetickou hustotu i čisté spalování. Kromě toho lze čerpat kapaliny (a plyny), což znamená, že manipulace je snadno mechanizovaná, a tedy méně pracná.

Viz také

Poznámky pod čarou

Reference

Další čtení