Chemische Brennstoffe sind Substanzen, die durch Reaktion mit den sie umgebenden Stoffen Energie freisetzen, vor allem durch den Prozess der Verbrennung. Die meiste chemische Energie, die bei der Verbrennung freigesetzt wird, ist nicht in den chemischen Bindungen des Brennstoffs gespeichert, sondern in der schwachen Doppelbindung des molekularen Sauerstoffs.
Chemische Brennstoffe werden auf zwei Arten unterteilt. Erstens nach ihren physikalischen Eigenschaften, als Feststoff, Flüssigkeit oder Gas. Zweitens nach ihrem Vorkommen: primär (natürlicher Brennstoff) und sekundär (künstlicher Brennstoff). Eine allgemeine Klassifizierung von chemischen Brennstoffen ist also:
| Primär (natürlich) | Sekundär (künstlich) | |
|---|---|---|
| Festbrennstoffe | Holz, Kohle, Torf, Dung, etc. | Koks, Holzkohle |
| Flüssige Brennstoffe | Petroleum | Diesel, Benzin, Kerosin, LPG, Kohlenteer, Naphtha, Ethanol |
| Gasförmige Brennstoffe | Naturgas | Wasserstoff, Propan, Methan, Kohlegas, Wassergas, Gichtgas, Kokereigas, CNG |
FestbrennstoffBearbeiten
Feste Brennstoffe beziehen sich auf verschiedene Arten von festem Material, das als Brennstoff verwendet wird, um Energie zu erzeugen und Wärme bereitzustellen, die normalerweise durch Verbrennung freigesetzt wird. Zu den festen Brennstoffen gehören Holz , Holzkohle, Torf, Kohle, Hexamin-Brennstofftabletten und Pellets aus Holz (siehe Holzpellets), Mais, Weizen, Roggen und anderen Getreidesorten. Auch in der Feststoffraketentechnik wird fester Brennstoff verwendet (siehe Festtreibstoffe). Feste Brennstoffe werden von der Menschheit schon seit vielen Jahren zur Erzeugung von Feuer verwendet. Kohle war die Brennstoffquelle, die die industrielle Revolution ermöglichte, von der Befeuerung von Öfen bis zum Betrieb von Dampfmaschinen. Auch Holz wurde in großem Umfang für den Betrieb von Dampflokomotiven verwendet. Die Verwendung einiger fester Brennstoffe (z. B. Kohle) ist in einigen städtischen Gebieten aufgrund von unsicheren Schadstoffemissionen eingeschränkt oder verboten. Die Verwendung anderer fester Brennstoffe wie Holz geht zurück, da sich die Heiztechnik und die Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigem Brennstoff verbessern. In einigen Gebieten ist rauchlose Kohle oft der einzige feste Brennstoff, der verwendet wird. In Irland werden Torfbriketts als rauchloser Brennstoff verwendet. Sie werden auch zum Anzünden eines Kohlefeuers verwendet.
Flüssige BrennstoffeBearbeiten
Flüssige Brennstoffe sind brennbare oder energieerzeugende Moleküle, die zur Erzeugung von mechanischer Energie genutzt werden können, wobei meist kinetische Energie entsteht. Sie müssen auch die Form ihres Behälters annehmen; die Dämpfe von flüssigen Brennstoffen sind brennbar, nicht die Flüssigkeiten.
Die meisten flüssigen Brennstoffe, die weit verbreitet sind, werden aus den versteinerten Überresten von toten Pflanzen und Tieren durch Einwirkung von Hitze und Druck im Inneren der Erdkruste gewonnen. Es gibt jedoch einige Arten, wie z. B. Wasserstoffkraftstoff (für Automobilanwendungen), Ethanol, Düsenkraftstoff und Biodiesel, die alle als flüssige Kraftstoffe kategorisiert werden. Emulgierte Kraftstoffe aus Öl in Wasser, wie z. B. Orimulsion, wurden als Möglichkeit entwickelt, um Schwerölfraktionen als flüssige Kraftstoffe nutzbar zu machen. Viele flüssige Brennstoffe spielen eine wichtige Rolle im Transportwesen und in der Wirtschaft.
Einige gemeinsame Eigenschaften von flüssigen Brennstoffen sind, dass sie leicht zu transportieren sind und einfach gehandhabt werden können. Sie sind auch relativ einfach für alle technischen Anwendungen und im Hausgebrauch zu verwenden. Kraftstoffe wie Kerosin sind in einigen Ländern rationiert, zum Beispiel in staatlich subventionierten Geschäften in Indien für den Hausgebrauch.
Konventioneller Diesel ist ähnlich wie Benzin ein Gemisch aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, die aus Erdöl gewonnen werden. Kerosin wird in Kerosinlampen und als Brennstoff zum Kochen, Heizen und für kleine Motoren verwendet. Erdgas, das hauptsächlich aus Methan besteht, kann nur bei sehr niedrigen Temperaturen (unabhängig vom Druck) als Flüssigkeit vorliegen, was seine direkte Verwendung als Flüssigbrennstoff in den meisten Anwendungen einschränkt. Flüssiggas ist eine Mischung aus Propan und Butan, die beide unter normalen atmosphärischen Bedingungen leicht komprimierbare Gase sind. Es bietet viele der Vorteile von komprimiertem Erdgas (CNG), ist aber dichter als Luft, verbrennt nicht so sauber und lässt sich viel leichter komprimieren. LP-Gas und komprimiertes Propan werden häufig zum Kochen und für die Raumheizung verwendet und finden zunehmend Verwendung in motorisierten Fahrzeugen. Propan ist weltweit der am dritthäufigsten verwendete Kraftstoff.
BrenngasBearbeiten
Brenngas ist einer von mehreren Brennstoffen, die unter normalen Bedingungen gasförmig sind. Viele Brenngase bestehen aus Kohlenwasserstoffen (wie z. B. Methan oder Propan), Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Mischungen davon. Solche Gase sind Quellen potenzieller Wärme- oder Lichtenergie, die leicht übertragen und durch Rohrleitungen vom Entstehungsort direkt zum Ort des Verbrauchs verteilt werden können. Brenngas wird von flüssigen Brennstoffen und von festen Brennstoffen abgegrenzt, obwohl einige Brenngase für die Lagerung oder den Transport verflüssigt werden. Ihre gasförmige Beschaffenheit kann zwar vorteilhaft sein, da sie die Schwierigkeiten des Transports fester Brennstoffe und die mit flüssigen Brennstoffen verbundenen Gefahren des Verschüttens vermeidet, sie kann aber auch gefährlich sein. Es ist möglich, dass ein Brenngas unerkannt bleibt und sich in bestimmten Bereichen ansammelt, was zu der Gefahr einer Gasexplosion führt. Aus diesem Grund werden den meisten Brenngasen Odoriermittel zugesetzt, damit sie durch einen deutlichen Geruch erkannt werden können. Die gebräuchlichste Art von Brenngas, die derzeit verwendet wird, ist Erdgas.
BiokraftstoffeBearbeiten
Biokraftstoff kann im weitesten Sinne als fester, flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff definiert werden, der aus Biomasse besteht oder von ihr abgeleitet ist. Biomasse kann auch direkt zum Heizen oder zur Stromerzeugung verwendet werden – dies wird als Biomasse-Kraftstoff bezeichnet. Biokraftstoff kann aus jeder Kohlenstoffquelle hergestellt werden, die sich schnell regenerieren kann, z. B. aus Pflanzen. Viele verschiedene Pflanzen und aus Pflanzen gewonnene Materialien werden für die Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.
Der vielleicht älteste vom Menschen genutzte Kraftstoff ist Holz. Beweise zeigen, dass kontrolliertes Feuer vor bis zu 1,5 Millionen Jahren in Swartkrans, Südafrika, verwendet wurde. Es ist nicht bekannt, welche Hominidenart das Feuer als erste nutzte, da sowohl Australopithecus als auch eine frühe Homo-Art an den Fundorten vorkamen. Als Brennstoff ist Holz bis heute in Gebrauch geblieben, obwohl es für viele Zwecke von anderen Quellen verdrängt wurde. Holz hat eine Energiedichte von 10-20 MJ/kg.
In jüngster Zeit wurden Biokraftstoffe für den Einsatz im automobilen Verkehr entwickelt (z. B. Bioethanol und Biodiesel), aber es gibt eine breite öffentliche Debatte darüber, wie kohlenstoffeffizient diese Kraftstoffe sind.
Fossile BrennstoffeBearbeiten
Fossile Brennstoffe sind Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Kohle und Erdöl (flüssiges Erdöl oder Erdgas), die aus den versteinerten Überresten uralter Pflanzen und Tiere durch Einwirkung von hoher Hitze und Druck in Abwesenheit von Sauerstoff in der Erdkruste über Hunderte von Millionen Jahren entstanden sind. Im Allgemeinen umfasst der Begriff fossiler Brennstoff auch kohlenwasserstoffhaltige natürliche Ressourcen, die nicht vollständig aus biologischen Quellen stammen, wie z. B. Teersande.
Fossile Brennstoffe enthalten hohe Anteile an Kohlenstoff und umfassen Kohle, Erdöl und Erdgas und reichen von flüchtigen Stoffen mit geringem Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis wie Methan über flüssiges Erdöl bis hin zu nicht flüchtigen Stoffen, die fast nur aus Kohlenstoff bestehen, wie Anthrazitkohle. Methan kann in Kohlenwasserstofffeldern allein, in Verbindung mit Öl oder in Form von Methanclathraten vorkommen. Fossile Brennstoffe bildeten sich aus den versteinerten Überresten abgestorbener Pflanzen, die über Millionen von Jahren in der Erdkruste Hitze und Druck ausgesetzt waren. Diese biogene Theorie wurde erstmals 1556 vom deutschen Gelehrten Georg Agricola und später von Michail Lomonossow im 18. Jahrhundert aufgestellt.
Die Energy Information Administration schätzte, dass im Jahr 2007 die primären Energiequellen aus Erdöl 36,0 %, Kohle 27,4 % und Erdgas 23,0 % bestanden, was einen Anteil von 86,4 % für fossile Brennstoffe am Primärenergieverbrauch in der Welt bedeutet. Zu den nicht-fossilen Energiequellen zählten 2006 Wasserkraft 6,3 %, Kernenergie 8,5 % und andere (Geothermie, Sonne, Gezeiten, Wind, Holz, Abfall) 0,9 %. Der Weltenergieverbrauch wuchs um etwa 2,3 % pro Jahr.
Fossile Brennstoffe sind nicht erneuerbare Ressourcen, da sie Millionen von Jahren brauchen, um zu entstehen, und die Reserven sind viel schneller erschöpft als neue hergestellt werden. Deshalb müssen wir diese Brennstoffe schonen und vernünftig einsetzen. Die Produktion und Nutzung fossiler Brennstoffe wirft Umweltprobleme auf. Daher ist eine weltweite Bewegung hin zur Erzeugung erneuerbarer Energien im Gange, um den steigenden Energiebedarf zu decken. Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden pro Jahr etwa 21,3 Milliarden Tonnen (21,3 Gigatonnen) Kohlendioxid (CO2) erzeugt. Es wird jedoch geschätzt, dass natürliche Prozesse nur etwa die Hälfte dieser Menge absorbieren können, so dass es zu einem Nettoanstieg von 10,65 Milliarden Tonnen atmosphärischem Kohlendioxid pro Jahr kommt (eine Tonne atmosphärischer Kohlenstoff entspricht 44/12 oder 3,7 Tonnen Kohlendioxid). Kohlendioxid ist eines der Treibhausgase, das den Strahlungsantrieb verstärkt und zur globalen Erwärmung beiträgt, wodurch die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde als Reaktion darauf ansteigt, was nach Meinung der meisten Klimawissenschaftler erhebliche negative Auswirkungen haben wird.Kraftstoffe sind eine Energiequelle.
EnergieEdit
Die Energiemenge der verschiedenen Kraftstoffarten hängt vom stöchiometrischen Verhältnis, dem chemisch korrekten Verhältnis von Luft und Kraftstoff, um eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zu gewährleisten, und seiner spezifischen Energie, der Energie pro Masseneinheit, ab.
| Kraftstoff | Spezifische Energie (MJ/kg) | AFR stoich. | FAR stoich. | Energie @ λ=1 (MJ/kg(Luft)) |
|---|---|---|---|---|
| Diesel | 48 | 14.5 : 1 | 0.069 : 1 | 3.310 | Ethanol | 26.4 | 9 : 1 | 0.111 : 1 | 2.933 |
| Benzin | 46.4 | 14.7 : 1 | 0.068 : 1 | 3.156 |
| Wasserstoff | 142 | 34.3 : 1 | 0.029 : 1 | 4.140 |
| Kerosin | 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 |
| Methan | 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.