Paliwa chemiczne to substancje, które uwalniają energię poprzez reakcję z otaczającymi je substancjami, przede wszystkim w procesie spalania. Większość energii chemicznej uwolnionej w procesie spalania nie została zmagazynowana w wiązaniach chemicznych paliwa, ale w słabych wiązaniach podwójnych tlenu cząsteczkowego.
Paliwa chemiczne dzieli się na dwa sposoby. Po pierwsze, ze względu na ich właściwości fizyczne, jako ciało stałe, ciecz lub gaz. Po drugie, na podstawie ich występowania: pierwotne (paliwo naturalne) i wtórne (paliwo sztuczne). Tak więc ogólna klasyfikacja paliw chemicznych jest następująca:
| Pierwotne (naturalne) | Drugorzędne (sztuczne) | |
|---|---|---|
| Paliwa stałe | drewno, węgiel, torf, obornik itp. | koks, węgiel drzewny |
| Paliwa płynne | ropa naftowa | olej napędowy, benzyna, nafta, LPG, smoła węglowa, nafta, etanol |
| Paliwa gazowe | gaz ziemny | wodór, propan, metan, gaz węglowy, gaz wodny, gaz wielkopiecowy, gaz koksowniczy, CNG |
Paliwa stałeEdit
Paliwo stałe odnosi się do różnych rodzajów materiałów stałych, które są wykorzystywane jako paliwo do produkcji energii i zapewnienia ogrzewania, zwykle uwalniane w procesie spalania. Paliwa stałe obejmują drewno, węgiel drzewny, torf, węgiel, tabletki paliwowe z heksaminy i granulki wykonane z drewna (zob. granulki drzewne), kukurydzy, pszenicy, żyta i innych zbóż. Technologia rakiet na paliwo stałe również wykorzystuje paliwo stałe (patrz: paliwa stałe). Paliwa stałe są wykorzystywane przez ludzkość od wielu lat do wytwarzania ognia. Węgiel był źródłem paliwa, które umożliwiło rewolucję przemysłową, od opalania pieców po napędzanie silników parowych. Drewno było również szeroko wykorzystywane do napędzania lokomotyw parowych. Stosowanie niektórych paliw stałych (np. węgla) jest ograniczone lub zabronione w niektórych obszarach miejskich ze względu na niebezpieczny poziom emisji toksycznych substancji. Wykorzystanie innych paliw stałych, takich jak drewno, maleje wraz z poprawą technologii grzewczej i dostępności paliwa dobrej jakości. Na niektórych obszarach węgiel bezdymny jest często jedynym stosowanym paliwem stałym. W Irlandii, brykiety z torfu są stosowane jako paliwo bezdymne. Są one również używane do rozniecania ognia węglowego.
Paliwa płynneEdit
Paliwa ciekłe to palne lub wytwarzające energię cząsteczki, które mogą być zaprzęgnięte do wytwarzania energii mechanicznej, zwykle wytwarzającej energię kinetyczną. Muszą one również przyjmować kształt swojego pojemnika; łatwopalne są opary paliw płynnych, a nie płyny.
Większość paliw płynnych w powszechnym użyciu pochodzi ze skamieniałych szczątków martwych roślin i zwierząt poprzez wystawienie na działanie ciepła i ciśnienia wewnątrz skorupy ziemskiej. Istnieje jednak kilka rodzajów, takich jak paliwo wodorowe (do zastosowań motoryzacyjnych), etanol, paliwo lotnicze i biodiesel, które są sklasyfikowane jako paliwa płynne. Emulgowane paliwa z oleju w wodzie, takie jak orimulsion, zostały opracowane jako sposób na wykorzystanie ciężkich frakcji ropy naftowej jako paliw płynnych. Wiele paliw ciekłych odgrywa podstawową rolę w transporcie i gospodarce.
Niektóre wspólne właściwości paliw ciekłych to łatwość transportu i obsługi. Są one również stosunkowo łatwe w użyciu dla wszystkich zastosowań inżynieryjnych i w użytku domowym. Paliwa takie jak nafta są racjonowane w niektórych krajach, na przykład w subsydiowanych przez rząd sklepach w Indiach do użytku domowego.
Konwencjonalny olej napędowy jest podobny do benzyny, ponieważ jest mieszaniną węglowodorów alifatycznych pozyskiwanych z ropy naftowej. Nafta jest używana w lampach naftowych oraz jako paliwo do gotowania, ogrzewania i małych silników. Gaz ziemny, składający się głównie z metanu, może występować w postaci ciekłej tylko w bardzo niskich temperaturach (niezależnie od ciśnienia), co ogranicza jego bezpośrednie zastosowanie jako paliwa ciekłego w większości aplikacji. Gaz LP jest mieszaniną propanu i butanu, z których oba są łatwo ściśliwymi gazami w standardowych warunkach atmosferycznych. Oferuje on wiele zalet sprężonego gazu ziemnego (CNG), ale jest gęstszy od powietrza, nie spala się tak czysto i jest znacznie łatwiejszy do sprężenia. Powszechnie stosowany do gotowania i ogrzewania pomieszczeń, gaz LP i sprężony propan znajdują coraz szersze zastosowanie w pojazdach mechanicznych. Propan jest trzecim najczęściej stosowanym paliwem silnikowym na świecie.
Gaz paliwowyEdit
Gaz opałowy to dowolne z wielu paliw, które w zwykłych warunkach mają postać gazową. Wiele gazów paliwowych składa się z węglowodorów (takich jak metan lub propan), wodoru, tlenku węgla lub ich mieszanin. Gazy te są źródłem potencjalnej energii cieplnej lub energii świetlnej, która może być łatwo przesyłana i dystrybuowana rurami z punktu pochodzenia bezpośrednio do miejsca konsumpcji. Gaz opałowy odróżnia się od paliw płynnych i od paliw stałych, chociaż niektóre gazy opałowe są skraplane w celu ich przechowywania lub transportu. Chociaż ich gazowy charakter może być korzystny, ponieważ pozwala uniknąć trudności związanych z transportem paliw stałych oraz niebezpieczeństwa rozlania, charakterystycznego dla paliw płynnych, może być również niebezpieczny. Istnieje możliwość, że gaz paliwowy nie zostanie wykryty i będzie gromadził się w pewnych obszarach, co może prowadzić do ryzyka wybuchu gazu. Z tego powodu do większości gazów paliwowych dodaje się środki zapachowe, aby można je było wykryć po wyraźnym zapachu. Najpowszechniejszym rodzajem gazu opałowego w obecnym użyciu jest gaz ziemny.
BiopaliwaEdit
Biopaliwo może być szeroko zdefiniowane jako stałe, ciekłe lub gazowe paliwo składające się z biomasy lub pochodzące z biomasy. Biomasa może być również wykorzystywana bezpośrednio do ogrzewania lub produkcji energii – jest to tzw. paliwo z biomasy. Biopaliwo może być produkowane z dowolnego źródła węgla, które może być szybko uzupełniane, np. z roślin. Wiele różnych roślin i materiałów pochodzenia roślinnego jest wykorzystywanych do produkcji biopaliw.
Prawdopodobnie najwcześniejszym paliwem stosowanym przez ludzi było drewno. Dowody wskazują, że kontrolowany ogień był używany aż do 1,5 miliona lat temu w Swartkrans w RPA. Nie wiadomo, który gatunek hominidów jako pierwszy używał ognia, ponieważ zarówno Australopithecus, jak i wczesny gatunek Homo były obecne w tych miejscach. Drewno jako paliwo jest używane do dnia dzisiejszego, choć w wielu celach zostało wyparte przez inne źródła. Drewno ma gęstość energetyczną 10-20 MJ/kg.
Ostatnio opracowano biopaliwa do stosowania w transporcie samochodowym (na przykład bioetanol i biodiesel), ale istnieje szeroka debata publiczna na temat tego, jak wydajne pod względem emisji dwutlenku węgla są te paliwa.
Paliwa kopalneEdit
Paliwa kopalne to węglowodory, głównie węgiel i ropa naftowa (płynna ropa naftowa lub gaz ziemny), powstałe ze skamieniałych szczątków dawnych roślin i zwierząt w wyniku ekspozycji na wysokie ciepło i ciśnienie przy braku tlenu w skorupie ziemskiej w ciągu setek milionów lat. Powszechnie termin „paliwo kopalne” obejmuje również zasoby naturalne zawierające węglowodory, które nie pochodzą w całości ze źródeł biologicznych, takie jak piaski bitumiczne. Te ostatnie źródła są właściwie znane jako paliwa mineralne.
Paliwa kopalne zawierają wysoki procent węgla i obejmują węgiel, ropę naftową i gaz ziemny.Obejmują one zakres od lotnych materiałów o niskim stosunku węgla do wodoru, takich jak metan, do płynnej ropy naftowej do nielotnych materiałów składających się z prawie czystego węgla, takich jak węgiel antracytowy. Metan można znaleźć w złożach węglowodorów, sam, związany z ropą naftową lub w postaci klatratów metanu. Paliwa kopalne powstały ze skamieniałych szczątków obumarłych roślin w wyniku działania ciepła i ciśnienia w skorupie ziemskiej przez miliony lat. Ta biogeniczna teoria została po raz pierwszy wprowadzona przez niemieckiego uczonego Georga Agricolę w 1556 roku, a następnie przez Michaiła Łomonosowa w XVIII wieku.
Oszacowano przez Energy Information Administration, że w 2007 roku pierwotne źródła energii składały się z ropy naftowej 36,0%, węgla 27,4%, gazu ziemnego 23,0%, co daje 86,4% udział paliw kopalnych w zużyciu energii pierwotnej na świecie. Źródła niekopalne w 2006 r. obejmowały energię wodną 6,3%, jądrową 8,5% i inne (geotermalną, słoneczną, pływów, wiatru, drewna, odpadów) w wysokości 0,9%. Światowe zużycie energii wzrastało o 2,3% rocznie.
Paliwa kopalne są zasobami nieodnawialnymi, ponieważ ich powstawanie trwa miliony lat, a rezerwy wyczerpują się znacznie szybciej niż powstają nowe. Musimy więc chronić te paliwa i używać ich w sposób rozsądny. Produkcja i wykorzystanie paliw kopalnych budzi obawy związane z ochroną środowiska. W związku z tym, aby pomóc w zaspokojeniu zwiększonego zapotrzebowania na energię, na całym świecie trwa ruch w kierunku wytwarzania energii odnawialnej. W wyniku spalania paliw kopalnych powstaje około 21,3 miliarda ton (21,3 gigaton) dwutlenku węgla (CO2) rocznie, ale szacuje się, że procesy naturalne mogą wchłonąć tylko około połowy tej ilości, tak więc następuje wzrost netto o 10,65 miliarda ton atmosferycznego dwutlenku węgla rocznie (jedna tona atmosferycznego węgla jest równoważna 44/12 lub 3,7 tony dwutlenku węgla). Dwutlenek węgla jest jednym z gazów cieplarnianych, który zwiększa wymuszenie radiacyjne i przyczynia się do globalnego ocieplenia, powodując w odpowiedzi wzrost średniej temperatury powierzchni Ziemi, co zgodnie z opinią zdecydowanej większości klimatologów spowoduje poważne negatywne skutki.Paliwa są źródłem energii.
EnergyEdit
Ilość energii z różnych rodzajów paliwa zależy od stosunku stechiometrycznego, chemicznie poprawnego stosunku powietrza i paliwa w celu zapewnienia całkowitego spalania paliwa, oraz jego energii właściwej, energii na jednostkę masy.
| Paliwo | Energia właściwa (MJ/kg) | Stechiometryczny współczynnik AFR. | FAR stoich. | Energia @ λ=1 (MJ/kg(Air)) | |
|---|---|---|---|---|---|
| Diesel | 48 | 14.5 : 1 | 0.069 : 1 | 3.310 | |
| Ethanol | 26.4 | 9 : 1 | 0.111 : 1 | 2.933 | |
| Gazolina | 46,4 | 14,7 : 1 | 0,068 : 1 | 3,156 | |
| Wodór | 142 | 34,3 : 1 | 0,029 : 1 | 4,140 | |
| Kerozyna | 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 | |
| Nitrometan | 11,63 | 1.7 : 1 | 0,588 : 1 | 6,841 |
1 MJ ≈ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh.