Chemische brandstoffen zijn stoffen die energie vrijmaken door te reageren met stoffen in hun omgeving, met name door het proces van verbranding. Het grootste deel van de chemische energie die bij verbranding vrijkomt, is niet opgeslagen in de chemische bindingen van de brandstof, maar in de zwakke dubbele binding van moleculaire zuurstof.
Chemische brandstoffen worden op twee manieren onderverdeeld. Ten eerste op basis van hun fysische eigenschappen, als vaste stof, als vloeistof of als gas. Ten tweede op basis van hun voorkomen: primair (natuurlijke brandstof) en secundair (kunstmatige brandstof). Een algemene classificatie van chemische brandstoffen is dus:
| Primair (natuurlijk) | Secundair (kunstmatig) | |
|---|---|---|
| Vaste brandstoffen | hout, steenkool, turf, mest, enz. | cokes, houtskool |
| vloeibare brandstoffen | aardolie | diesel, benzine, kerosine, LPG, koolteer, nafta, ethanol |
| gasvormige brandstoffen | natuurgas | waterstof, propaan, methaan, kolengas, watergas, hoogovengas, cokesovengas, CNG |
Vaste brandstofEdit
Vaste brandstof verwijst naar verschillende soorten vast materiaal die worden gebruikt als brandstof om energie te produceren en voor verwarming te zorgen, meestal vrijkomend door verbranding. Vaste brandstoffen zijn hout, houtskool, turf, steenkool, hexaminebrandstoftabletten, en pellets gemaakt van hout (zie houtpellets), maïs, tarwe, rogge en andere granen. Rakettechnologie met vaste brandstof maakt ook gebruik van vaste brandstof (zie vaste stuwstoffen). Vaste brandstoffen worden al vele jaren door de mensheid gebruikt om vuur te maken. Steenkool was de brandstofbron die de industriële revolutie mogelijk maakte, van het stoken van ovens tot het aandrijven van stoommachines. Hout werd ook op grote schaal gebruikt om stoomlocomotieven te laten rijden. Zowel turf als steenkool worden vandaag de dag nog steeds gebruikt voor de opwekking van elektriciteit. Het gebruik van sommige vaste brandstoffen (b.v. steenkool) is in sommige stedelijke gebieden beperkt of verboden, vanwege onveilige niveaus van toxische emissies. Het gebruik van andere vaste brandstoffen zoals hout neemt af naarmate de verwarmingstechnologie en de beschikbaarheid van brandstof van goede kwaliteit verbeteren. In sommige gebieden is rookvrije steenkool vaak de enige vaste brandstof die wordt gebruikt. In Ierland worden turfbriketten als rookloze brandstof gebruikt. Ze worden ook gebruikt om een kolenvuur te starten.
Vloeibare brandstoffenEdit
Liquid fuels are combustible or energy-generating molecules that can be harnessed to create mechanical energy, usually producing kinetic energy. Zij moeten ook de vorm van hun houder aannemen; de dampen van vloeibare brandstoffen zijn brandbaar, de vloeistoffen niet.
De meeste vloeibare brandstoffen die op grote schaal worden gebruikt, zijn afkomstig van de versteende resten van dode planten en dieren door blootstelling aan hitte en druk in de aardkorst. Er zijn echter verschillende soorten, zoals waterstofbrandstof (voor gebruik in auto’s), ethanol, straalvliegtuigbrandstof en biodiesel, die alle als vloeibare brandstoffen worden gecategoriseerd. Geëmulgeerde brandstoffen van olie in water, zoals orimulsion, zijn ontwikkeld als een manier om zware oliefracties bruikbaar te maken als vloeibare brandstoffen. Veel vloeibare brandstoffen spelen een primaire rol in het vervoer en de economie.
Een aantal gemeenschappelijke eigenschappen van vloeibare brandstoffen is dat zij gemakkelijk te vervoeren en te hanteren zijn. Zij zijn ook relatief gemakkelijk te gebruiken voor alle technische toepassingen en voor thuisgebruik. Brandstoffen als kerosine worden in sommige landen gerantsoeneerd, bijvoorbeeld in door de overheid gesubsidieerde winkels in India voor thuisgebruik.
Conventionele diesel lijkt op benzine in die zin dat het een mengsel is van alifatische koolwaterstoffen die uit aardolie worden gewonnen. Kerosine wordt gebruikt in kerosinelampen en als brandstof voor koken, verwarming en kleine motoren. Aardgas, dat hoofdzakelijk uit methaan bestaat, kan alleen bij zeer lage temperaturen (ongeacht de druk) vloeibaar zijn, waardoor het in de meeste toepassingen slechts in beperkte mate als vloeibare brandstof kan worden gebruikt. LPG is een mengsel van propaan en butaan, beide gemakkelijk samen te persen gassen onder normale atmosferische omstandigheden. Het biedt veel van de voordelen van gecomprimeerd aardgas (CNG), maar heeft een hogere dichtheid dan lucht, brandt niet zo schoon en is veel gemakkelijker samen te persen. LPG en gecomprimeerd propaan, dat vaak wordt gebruikt om te koken en voor ruimteverwarming, wordt steeds vaker gebruikt in gemotoriseerde voertuigen. Propaan is wereldwijd de op twee na meest gebruikte motorbrandstof.
StookgasEdit
Stookgas is een van een aantal brandstoffen die onder normale omstandigheden gasvormig zijn. Veel brandstofgassen bestaan uit koolwaterstoffen (zoals methaan of propaan), waterstof, koolmonoxide, of mengsels daarvan. Dergelijke gassen zijn bronnen van potentiële warmte-energie of lichtenergie die gemakkelijk kunnen worden getransporteerd en gedistribueerd via pijpleidingen van het punt van oorsprong rechtstreeks naar de plaats van verbruik. Brandstofgas is te onderscheiden van vloeibare brandstoffen en van vaste brandstoffen, hoewel sommige brandstofgassen vloeibaar worden gemaakt voor opslag of vervoer. Hoewel de gasvormige aard ervan voordelen kan opleveren, omdat het vervoer van vaste brandstoffen niet zo moeilijk is en vloeibare brandstoffen niet het gevaar van morsen inhouden, kan het ook gevaarlijk zijn. Het is mogelijk dat een brandbaar gas onopgemerkt blijft en zich op bepaalde plaatsen verzamelt, met het risico van een gasexplosie tot gevolg. Daarom worden aan de meeste brandbare gassen geurstoffen toegevoegd, zodat ze door een duidelijke geur kunnen worden gedetecteerd. Het meest voorkomende type brandstofgas dat momenteel wordt gebruikt is aardgas.
BiobrandstoffenEdit
Biobrandstof kan breed worden gedefinieerd als vaste, vloeibare of gasvormige brandstof die bestaat uit, of is afgeleid van biomassa. Biomassa kan ook rechtstreeks worden gebruikt voor verwarming of energie – bekend als biomassabrandstof. Biobrandstof kan worden geproduceerd uit elke koolstofbron die snel kan worden aangevuld, b.v. planten. Veel verschillende planten en van planten afgeleide materialen worden gebruikt voor de productie van biobrandstoffen.
Bijna de vroegste door de mens gebruikte brandstof is hout. Bewijsmateriaal toont aan dat gecontroleerd vuur tot 1,5 miljoen jaar geleden werd gebruikt in Swartkrans, Zuid-Afrika. Het is onbekend welke hominide-soort voor het eerst vuur gebruikte, aangezien zowel Australopithecus als een vroege Homo-soort op de vindplaatsen aanwezig waren. Als brandstof is hout tot op de dag van vandaag in gebruik gebleven, hoewel het voor vele doeleinden door andere bronnen is verdrongen. Hout heeft een energiedichtheid van 10-20 MJ/kg.
Er zijn recentelijk biobrandstoffen ontwikkeld voor gebruik in het autoverkeer (bijvoorbeeld Bio-ethanol en Biodiesel), maar er is een wijdverbreid publiek debat over hoe koolstofefficiënt deze brandstoffen zijn.
Fossiele brandstoffenEdit
Fossiele brandstoffen zijn koolwaterstoffen, voornamelijk steenkool en aardolie (vloeibare aardolie of aardgas), gevormd uit de versteende resten van oude planten en dieren door blootstelling aan hoge hitte en druk in afwezigheid van zuurstof in de aardkorst gedurende honderden miljoenen jaren. Gewoonlijk omvat de term fossiele brandstof ook koolwaterstofhoudende natuurlijke hulpbronnen die niet volledig afkomstig zijn van biologische bronnen, zoals teerzanden. Deze laatste bronnen staan beter bekend als minerale brandstoffen.
Fossiele brandstoffen bevatten hoge percentages koolstof en omvatten steenkool, aardolie en aardgas.Zij variëren van vluchtige materialen met een lage koolstof/waterstof-verhouding, zoals methaan, tot vloeibare aardolie en niet-vluchtige materialen die bestaan uit bijna zuivere koolstof, zoals antracietkool. Methaan kan worden gevonden in koolwaterstofvelden, alleen, geassocieerd met olie, of in de vorm van methaanclathraten. Fossiele brandstoffen zijn gevormd uit de versteende resten van dode planten door blootstelling aan hitte en druk in de aardkorst gedurende miljoenen jaren. Deze biogene theorie werd voor het eerst geïntroduceerd door de Duitse geleerde Georg Agricola in 1556 en later door Mikhail Lomonosov in de 18e eeuw.
De Energy Information Administration schatte dat in 2007 de primaire energiebronnen bestonden uit aardolie 36,0%, steenkool 27,4% en aardgas 23,0%, wat neerkomt op een aandeel van 86,4% voor fossiele brandstoffen in het primaire energieverbruik in de wereld. Tot de niet-fossiele bronnen behoorden in 2006 waterkracht (6,3%), kernenergie (8,5%) en andere energiebronnen (aardwarmte, zonne-energie, getijdenenergie, windenergie, hout, afval) ten belope van 0,9%. Het wereldenergieverbruik groeide met ongeveer 2,3% per jaar.
Fossiele brandstoffen zijn niet-hernieuwbare hulpbronnen omdat de vorming ervan miljoenen jaren in beslag neemt, en de reserves raken veel sneller uitgeput dan dat er nieuwe worden aangelegd. We moeten deze brandstoffen dus in stand houden en ze oordeelkundig gebruiken. De productie en het gebruik van fossiele brandstoffen geven aanleiding tot bezorgdheid over het milieu. Daarom is er een wereldwijde beweging in de richting van de opwekking van hernieuwbare energie op gang gekomen om te helpen voorzien in de toegenomen energiebehoeften. De verbranding van fossiele brandstoffen produceert ongeveer 21,3 miljard ton (21,3 gigaton) kooldioxide (CO2) per jaar, maar geschat wordt dat natuurlijke processen slechts ongeveer de helft van die hoeveelheid kunnen absorberen, zodat er een nettotoename is van 10,65 miljard ton kooldioxide per jaar in de atmosfeer (één ton koolstof in de atmosfeer is gelijk aan 44/12 of 3,7 ton kooldioxide). Kooldioxide is een van de broeikasgassen die de stralingsforcering versterken en bijdragen tot de opwarming van de aarde, waardoor de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van de aarde als reactie daarop zal stijgen, wat volgens de overgrote meerderheid van de klimaatwetenschappers grote nadelige gevolgen zal hebben.Brandstoffen zijn een bron van energie.
EnergieEdit
De hoeveelheid energie van verschillende soorten brandstof hangt af van de stoichiometrische verhouding, de chemisch juiste verhouding tussen lucht en brandstof om een volledige verbranding van brandstof te garanderen, en van de specifieke energie, de energie per massa-eenheid.
| Brandstof | Specifieke energie (MJ/kg) | AFR stoich. | FAR stoich. | Energie @ λ=1 (MJ/kg(Lucht)) |
|---|---|---|---|---|
| Diesel | 48 | 14.5 : 1 | 0,069 : 1 | 3,310 |
| Ethanol | 26,4 | 9 : 1 | 0,111 : 1 | 2.933 |
| benzine | 46,4 | 14,7 : 1 | 0,068 : 1 | 3,156 |
| Waterstof | 142 | 34,3 : 1 | 0,029 : 1 | 4,140 |
| Kerosine | 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 |
| Methaan | 55,5 | 17,2 : 1 | 0,058 : 1 | 3,219 |
| Nitromethaan | 11,63 | 1.7 : 1 | 0,588 : 1 | 6,841 |
1 MJ ≈ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh.