I combustibili chimici sono sostanze che rilasciano energia reagendo con le sostanze intorno a loro, in particolare attraverso il processo di combustione. La maggior parte dell’energia chimica rilasciata nella combustione non è stata immagazzinata nei legami chimici del combustibile, ma nel debole doppio legame dell’ossigeno molecolare.
I combustibili chimici sono divisi in due modi. In primo luogo, in base alle loro proprietà fisiche, come solido, liquido o gas. In secondo luogo, sulla base della loro comparsa: primaria (combustibile naturale) e secondaria (combustibile artificiale). Quindi, una classificazione generale dei combustibili chimici è:
| Primo (naturale) | Secondo (artificiale) | |
|---|---|---|
| Combustibili solidi | legno, carbone, torba, letame, ecc. | coke, carbone |
| Combustibili liquidi | petrolio | diesel, benzina, cherosene, GPL, catrame di carbone, nafta, etanolo |
| Combustibili gassosi | gas naturale | idrogeno, propano, metano, gas di carbone, gas d’acqua, gas d’altoforno, gas di cokeria, CNG |
Combustibile solidoModifica
Il combustibile solido si riferisce a vari tipi di materiale solido che vengono utilizzati come combustibile per produrre energia e fornire riscaldamento, solitamente rilasciato attraverso la combustione. I combustibili solidi includono legno, carbone di legna, torba, carbone, pastiglie di combustibile esammina, e pellet fatti da legno (vedi pellet di legno), mais, grano, segale e altri cereali. Anche la tecnologia dei razzi a combustibile solido usa combustibile solido (vedi propellenti solidi). I combustibili solidi sono stati usati dall’umanità per molti anni per creare il fuoco. Il carbone è stato la fonte di combustibile che ha permesso la rivoluzione industriale, dall’accensione delle fornaci al funzionamento dei motori a vapore. Anche il legno è stato ampiamente utilizzato per far funzionare le locomotive a vapore. L’uso di alcuni combustibili solidi (per esempio il carbone) è limitato o proibito in alcune aree urbane, a causa dei livelli non sicuri di emissioni tossiche. L’uso di altri combustibili solidi come il legno sta diminuendo man mano che la tecnologia di riscaldamento e la disponibilità di combustibile di buona qualità migliorano. In alcune aree, il carbone senza fumo è spesso l’unico combustibile solido usato. In Irlanda, le bricchette di torba sono usate come combustibile senza fumo. Vengono anche usate per accendere un fuoco di carbone.
Combustibili liquidiModifica
I combustibili liquidi sono molecole combustibili o generatrici di energia che possono essere sfruttate per creare energia meccanica, di solito producendo energia cinetica. Devono anche prendere la forma del loro contenitore; i fumi dei combustibili liquidi sono infiammabili, non i fluidi.
La maggior parte dei combustibili liquidi in uso diffuso sono derivati dai resti fossilizzati di piante e animali morti per esposizione al calore e alla pressione all’interno della crosta terrestre. Tuttavia, ce ne sono diversi tipi, come l’idrogeno combustibile (per usi automobilistici), l’etanolo, il jet fuel e il bio-diesel, che sono tutti classificati come combustibili liquidi. I combustibili emulsionati di olio in acqua, come l’orimulsion, sono stati sviluppati come un modo per rendere le frazioni di olio pesante utilizzabili come combustibili liquidi. Molti combustibili liquidi giocano un ruolo primario nel trasporto e nell’economia.
Alcune proprietà comuni dei combustibili liquidi sono che sono facili da trasportare e possono essere maneggiati facilmente. Sono anche relativamente facili da usare per tutte le applicazioni ingegneristiche e nell’uso domestico. I combustibili come il kerosene sono razionati in alcuni paesi, per esempio nei negozi sovvenzionati dal governo in India per uso domestico.
Il diesel convenzionale è simile alla benzina in quanto è una miscela di idrocarburi alifatici estratti dal petrolio. Il cherosene è usato nelle lampade a cherosene e come combustibile per cucinare, riscaldare e per piccoli motori. Il gas naturale, composto principalmente da metano, può esistere come liquido solo a temperature molto basse (indipendentemente dalla pressione), il che limita il suo uso diretto come combustibile liquido nella maggior parte delle applicazioni. Il gas LP è una miscela di propano e butano, entrambi i quali sono gas facilmente comprimibili in condizioni atmosferiche standard. Offre molti dei vantaggi del gas naturale compresso (CNG) ma è più denso dell’aria, non brucia in modo altrettanto pulito ed è molto più facilmente comprimibile. Comunemente usato per cucinare e riscaldare gli ambienti, il gas LP e il propano compresso sono sempre più utilizzati nei veicoli a motore. Il propano è il terzo carburante per motori più usato a livello globale.
Gas combustibileModifica
Il gas combustibile è uno qualsiasi dei numerosi combustibili che sono gassosi in condizioni normali. Molti gas combustibili sono composti da idrocarburi (come il metano o il propano), idrogeno, monossido di carbonio o loro miscele. Tali gas sono fonti di energia termica potenziale o di energia luminosa che può essere facilmente trasmessa e distribuita attraverso i tubi dal punto di origine direttamente al luogo di consumo. Il gas combustibile si contrappone ai combustibili liquidi e ai combustibili solidi, anche se alcuni gas combustibili sono liquefatti per lo stoccaggio o il trasporto. Mentre la loro natura gassosa può essere vantaggiosa, evitando la difficoltà di trasporto del combustibile solido e i pericoli di fuoriuscita inerenti ai combustibili liquidi, può anche essere pericolosa. È possibile che un gas combustibile non venga rilevato e si raccolga in certe aree, portando al rischio di un’esplosione di gas. Per questo motivo, gli odorizzanti sono aggiunti alla maggior parte dei gas combustibili in modo che possano essere rilevati da un odore distinto. Il tipo più comune di gas combustibile in uso corrente è il gas naturale.
BiocarburantiModifica
Il biocarburante può essere ampiamente definito come combustibile solido, liquido o gassoso costituito da, o derivato da biomassa. La biomassa può anche essere usata direttamente per il riscaldamento o l’energia – conosciuta come combustibile da biomassa. Il biocarburante può essere prodotto da qualsiasi fonte di carbonio che può essere reintegrata rapidamente, per esempio le piante. Molte piante diverse e materiali derivati dalle piante sono usati per la produzione di biocarburanti.
Perché forse il primo combustibile usato dall’uomo è il legno. Le prove mostrano che il fuoco controllato è stato usato fino a 1,5 milioni di anni fa a Swartkrans, in Sudafrica. Non si sa quale specie di ominidi abbia usato per prima il fuoco, dato che sia l’Australopithecus che una prima specie di Homo erano presenti nei siti. Come combustibile, il legno è rimasto in uso fino ai giorni nostri, anche se è stato sostituito per molti scopi da altre fonti. Il legno ha una densità energetica di 10-20 MJ/kg.
Di recente sono stati sviluppati biocarburanti per l’uso nel trasporto automobilistico (per esempio bioetanolo e biodiesel), ma c’è un ampio dibattito pubblico su quanto siano efficienti in termini di carbonio questi carburanti.
Combustibili fossiliModifica
I combustibili fossili sono idrocarburi, principalmente carbone e petrolio (petrolio liquido o gas naturale), formati dai resti fossilizzati di antiche piante e animali per esposizione a calore e pressione elevati in assenza di ossigeno nella crosta terrestre per centinaia di milioni di anni. Comunemente, il termine combustibile fossile include anche risorse naturali contenenti idrocarburi che non derivano interamente da fonti biologiche, come le sabbie bituminose. Queste ultime fonti sono propriamente conosciute come combustibili minerali.
I combustibili fossili contengono alte percentuali di carbonio e includono carbone, petrolio e gas naturale, e vanno da materiali volatili con bassi rapporti carbonio:idrogeno come il metano, al petrolio liquido, a materiali non volatili composti da carbonio quasi puro, come il carbone antracite. Il metano può essere trovato in giacimenti di idrocarburi, da solo, associato al petrolio o sotto forma di clatrati di metano. I combustibili fossili si sono formati dai resti fossilizzati di piante morte per esposizione al calore e alla pressione nella crosta terrestre durante milioni di anni. Questa teoria biogenica fu introdotta per la prima volta dallo studioso tedesco Georg Agricola nel 1556 e successivamente da Mikhail Lomonosov nel XVIII secolo.
L’Energy Information Administration ha stimato che nel 2007 le fonti primarie di energia consistevano in petrolio 36,0%, carbone 27,4%, gas naturale 23,0%, pari a una quota dell’86,4% di combustibili fossili nel consumo di energia primaria nel mondo. Le fonti non fossili nel 2006 includevano l’idroelettrico 6,3%, il nucleare 8,5%, e altre (geotermico, solare, maree, vento, legno, rifiuti) pari allo 0,9%. Il consumo mondiale di energia cresceva di circa il 2,3% all’anno.
I combustibili fossili sono risorse non rinnovabili perché ci vogliono milioni di anni per formarsi, e le riserve si stanno esaurendo molto più velocemente di quanto si facciano quelle nuove. Quindi dobbiamo conservare questi combustibili e usarli con giudizio. La produzione e l’uso dei combustibili fossili sollevano preoccupazioni ambientali. Un movimento globale verso la generazione di energia rinnovabile è quindi in corso per aiutare a soddisfare l’aumento dei bisogni energetici. La combustione di combustibili fossili produce circa 21,3 miliardi di tonnellate (21,3 gigatonnellate) di anidride carbonica (CO2) all’anno, ma si stima che i processi naturali possano assorbire solo circa la metà di questa quantità, quindi c’è un aumento netto di 10,65 miliardi di tonnellate di anidride carbonica atmosferica all’anno (una tonnellata di carbonio atmosferico è equivalente a 44/12 o 3,7 tonnellate di anidride carbonica). L’anidride carbonica è uno dei gas a effetto serra che aumenta la forzatura radiativa e contribuisce al riscaldamento globale, causando l’aumento della temperatura media superficiale della Terra in risposta, che la stragrande maggioranza degli scienziati del clima sono d’accordo nel causare importanti effetti negativi.I combustibili sono una fonte di energia.
EnergyEdit
La quantità di energia da diversi tipi di carburante dipende dal rapporto stechiometrico, il rapporto chimicamente corretto di aria e carburante per assicurare la combustione completa del carburante, e la sua energia specifica, l’energia per unità di massa.
| Combustibile | Energia specifica (MJ/kg) | AFR stoich. | FAR stoich. | Energia @ λ=1 (MJ/kg(Aria)) |
|---|---|---|---|---|
| Diesel | 48 | 14.5 : 1 | 0,069 : 1 | 3,310 |
| Etanolo | 26,4 | 9 : 1 | 0,111 : 1 | 2.933 |
| Benzina | 46,4 | 14,7 : 1 | 0,068 : 1 | 3,156 |
| Idrogeno | 142 | 34,3 : 1 | 0,029 : 1 | 4,140 |
| Kerosene | 46 | 15,6 : 1 | 0,064 : 1 | 2,949 |
| GPL | 46.4 | 17,2 : 1 | 0,058 : 1 | 2,698 |
| Metanolo | 19,7 | 6,47 : 1 | 0,155 : 1 | 3.045 |
| Metano | 55,5 | 17,2 : 1 | 0,058 : 1 | 3,219 |
| Nitrometano | 11,63 | 1.7 : 1 | 0.588 : 1 | 6.841 |
1 MJ ≈ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh.