Топливо — это любой материал, который может реагировать с другими веществами, выделяя энергию в виде тепловой энергии или используя ее для работы . Первоначально эта концепция применялась исключительно к материалам, способным выделять химическую энергию , но с тех пор ее стали применять и к другим источникам тепловой энергии, таким как ядерная энергия (через ядерное деление и ядерный синтез ).
Тепловая энергия, выделяемая в результате реакций топлива, может быть преобразована в механическую энергию с помощью теплового двигателя . В других случаях само тепло ценится для обогрева, приготовления пищи или промышленных процессов, а также для освещения, сопровождающего горение . Топливо также используется в клетках организмов в процессе, известном как клеточное дыхание , где органические молекулы окисляются для высвобождения полезной энергии. Углеводороды и родственные им органические молекулы являются наиболее распространенным источником топлива, используемого людьми, но используются и другие вещества, включая радиоактивные металлы .
Топливо противопоставляется другим веществам или устройствам, хранящим потенциальную энергию , например, тем, которые напрямую высвобождают электрическую энергию (например, батареи и конденсаторы ) или механическую энергию (например, маховики , пружины, сжатый воздух или вода в резервуаре).
Первым известным применением топлива было сжигание дров Homo erectus почти два миллиона лет назад. [ необходима цитата ] На протяжении большей части человеческой истории люди использовали только топливо, полученное из растений или животного жира. Древесный уголь , производное древесины, использовался по крайней мере с 6000 г. до н. э. для плавки металлов. Его вытеснил кокс , полученный из угля, только когда европейские леса начали истощаться около 18 века. Брикеты древесного угля теперь обычно используются в качестве топлива для приготовления барбекю . [ необходима цитата ]
Сырая нефть перегонялась персидскими химиками , с четкими описаниями, данными в арабских справочниках , таких как у Мухаммада ибн Закарии Рази . [2] Он описал процесс перегонки сырой нефти/нефти в керосин , а также другие углеводородные соединения, в своей «Китаб аль-Асрар» ( «Книга тайн» ). Керосин также производился в тот же период из сланца и битума путем нагревания породы для извлечения масла, которое затем перегонялось. Рази также дал первое описание керосиновой лампы с использованием сырой минеральной нефти, назвав ее «наффата». [3]
Улицы Багдада были вымощены смолой , полученной из нефти, которая стала доступной из природных месторождений в регионе. В IX веке нефтяные месторождения эксплуатировались в районе современного Баку , Азербайджан . Эти месторождения были описаны арабским географом Абу аль-Хасаном Али аль-Масуди в X веке и Марко Поло в XIII веке, который описал выход этих скважин как сотни грузовых кораблей. [4]
С развитием парового двигателя в Соединенном Королевстве в 1769 году уголь стал более широко использоваться, при сгорании которого выделяется химическая энергия , которая может быть использована для превращения воды в пар. [5] Позже уголь использовался для приведения в движение кораблей и локомотивов . К 19 веку газ, извлекаемый из угля, использовался для уличного освещения в Лондоне. В 20 и 21 веках основным применением угля является выработка электроэнергии , что обеспечило 40% мирового электроснабжения в 2005 году. [6]
Ископаемое топливо быстро стало использоваться во время промышленной революции , поскольку оно было более концентрированным и гибким, чем традиционные источники энергии, такие как гидроэнергия. Оно стало важнейшей частью нашего современного общества, и большинство стран мира сжигают ископаемое топливо для производства электроэнергии, но оно выходит из моды из-за глобального потепления и связанных с этим эффектов, которые вызывает его сжигание. [7]
В настоящее время наблюдается тенденция к использованию возобновляемых видов топлива, таких как биотопливо, например, спирты.
Химическое топливо — это вещества, которые выделяют энергию, вступая в реакцию с окружающими их веществами, в частности, в процессе горения .
Химические топлива делятся на два вида. Во-первых, по их физическим свойствам, как твердое, жидкое или газообразное. Во-вторых, по признаку их происхождения: первичное (природное топливо) и вторичное (искусственное топливо) . Таким образом, общая классификация химических топлив выглядит следующим образом:
Твердое топливо относится к различным типам твердых материалов, которые используются в качестве топлива для производства энергии и обеспечения отопления , обычно выделяемого при сгорании. Твердое топливо включает древесину , древесный уголь , торф , уголь , топливные таблетки гексамина и гранулы, изготовленные из древесины (см. древесные гранулы ), кукурузы , пшеницы , ржи и других зерновых . Технология твердотопливных ракет также использует твердое топливо (см. твердое топливо ). Твердое топливо использовалось человечеством в течение многих лет для получения огня . Уголь был источником топлива, который позволил осуществить промышленную революцию , от обжига печей до работы паровых двигателей . Древесина также широко использовалась для работы паровозов . И торф, и уголь по-прежнему используются для производства электроэнергии сегодня. Использование некоторых видов твердого топлива (например, угля) ограничено или запрещено в некоторых городских районах из-за небезопасных уровней токсичных выбросов. Использование других видов твердого топлива, таких как древесина, сокращается по мере улучшения технологий отопления и доступности топлива хорошего качества. В некоторых районах бездымный уголь часто является единственным используемым твердым топливом. В Ирландии торфяные брикеты используются как бездымное топливо. Их также используют для разжигания угольного костра.
Жидкое топливо — это горючие или генерирующие энергию молекулы, которые можно использовать для создания механической энергии , обычно производящей кинетическую энергию . Они также должны принимать форму своего контейнера; пары жидкого топлива воспламеняются, а не жидкости.
Большинство широко используемых жидких топлив получают из окаменелых останков мертвых растений и животных путем воздействия тепла и давления внутри земной коры. Однако существует несколько типов, таких как водородное топливо (для автомобильного использования), этанол , реактивное топливо и биодизельное топливо , которые все относятся к категории жидких топлив. Эмульгированные топлива из нефти в воде, такие как оримульсия , были разработаны как способ сделать тяжелые нефтяные фракции пригодными для использования в качестве жидких топлив. Многие жидкие топлива играют основную роль в транспорте и экономике.
Некоторые общие свойства жидкого топлива заключаются в том, что его легко транспортировать и с ним легко обращаться. Его также относительно легко использовать для всех инженерных приложений и в домашнем использовании. Топливо, такое как керосин, в некоторых странах нормируется, например, в субсидируемых правительством магазинах в Индии для домашнего использования.
Обычное дизельное топливо похоже на бензин тем, что представляет собой смесь алифатических углеводородов, извлеченных из нефти . Керосин используется в керосиновых лампах и в качестве топлива для приготовления пищи, отопления и небольших двигателей. Природный газ , состоящий в основном из метана , может существовать в виде жидкости только при очень низких температурах (независимо от давления), что ограничивает его прямое использование в качестве жидкого топлива в большинстве приложений. Сжиженный газ представляет собой смесь пропана и бутана , оба из которых являются легко сжимаемыми газами при стандартных атмосферных условиях. Он предлагает многие из преимуществ сжатого природного газа (СПГ), но плотнее воздуха, не так чисто сгорает и гораздо легче сжимается. Обычно используемые для приготовления пищи и отопления помещений, сжиженный газ и сжатый пропан все чаще используются в моторизованных транспортных средствах. Пропан является третьим по частоте использования моторным топливом в мире.
Топливный газ — это любой из ряда видов топлива, которые при обычных условиях являются газообразными . Многие топливные газы состоят из углеводородов (таких как метан или пропан ), водорода , оксида углерода или их смесей. Такие газы являются источниками потенциальной тепловой энергии или световой энергии , которые могут легко передаваться и распределяться по трубам от точки происхождения непосредственно к месту потребления. Топливный газ отличается от жидкого топлива и от твердого топлива, хотя некоторые топливные газы сжижаются для хранения или транспортировки. Хотя их газообразная природа может быть выгодной, избегая трудностей транспортировки твердого топлива и опасностей утечки, присущих жидкому топливу, она также может быть опасной. Топливный газ может оставаться незамеченным и собираться в определенных областях, что приводит к риску взрыва газа . По этой причине в большинство топливных газов добавляют одоранты , чтобы их можно было обнаружить по отчетливому запаху. Наиболее распространенным типом топливного газа, используемого в настоящее время, является природный газ .
Биотопливо можно в широком смысле определить как твердое, жидкое или газообразное топливо, состоящее из биомассы или полученное из нее . Биомассу также можно использовать непосредственно для отопления или получения электроэнергии — это известно как биотопливо . Биотопливо можно производить из любого источника углерода, который можно быстро восполнить, например, растений. Для производства биотоплива используются многие различные растения и материалы растительного происхождения.
Возможно, самым ранним топливом, используемым людьми, является древесина. Доказательства показывают, что контролируемый огонь использовался до 1,5 миллионов лет назад в Сварткрансе , Южная Африка. Неизвестно, какой вид гоминидов первым использовал огонь, поскольку на этих стоянках присутствовали и австралопитеки , и ранние виды Homo . [8] В качестве топлива древесина использовалась вплоть до наших дней, хотя во многих случаях ее заменили другие источники. Плотность энергии древесины составляет 10–20 МДж / кг . [9]
Недавно были разработаны виды биотоплива для использования в автомобильном транспорте (например, биоэтанол и биодизель ), но ведутся широкие общественные дебаты о том, насколько нейтральны эти виды топлива с точки зрения выбросов углерода. [ необходима ссылка ]
Ископаемое топливо — это углеводороды , в первую очередь уголь и нефть ( жидкая нефть или природный газ ), образовавшиеся из окаменелых останков древних растений и животных [10] под воздействием высокой температуры и давления при отсутствии кислорода в земной коре на протяжении сотен миллионов лет. [11] Обычно термин «ископаемое топливо» также включает в себя углеводородсодержащие природные ресурсы , которые не получены полностью из биологических источников, такие как битуминозные пески . Эти последние источники правильно известны как минеральное топливо .
Ископаемое топливо содержит высокий процент углерода и включает уголь, нефть и природный газ. [12] Они варьируются от летучих материалов с низким соотношением углерода к водороду , таких как метан , до жидкой нефти и нелетучих материалов, состоящих почти из чистого углерода, таких как антрацитовый уголь. Метан можно найти в месторождениях углеводородов, отдельно, в сочетании с нефтью или в форме клатратов метана . Ископаемое топливо образовалось из окаменелых остатков мертвых растений [10] под воздействием тепла и давления в земной коре на протяжении миллионов лет. [13] Эта биогенная теория была впервые представлена немецким ученым Георгом Агриколой в 1556 году, а затем Михаилом Ломоносовым в 18 веке.
По оценкам Управления энергетической информации , в 2007 году первичные источники энергии состояли из нефти (36,0%), угля (27,4%), природного газа (23,0%), что составило 86,4% доли ископаемого топлива в первичном потреблении энергии в мире. [14] Неископаемые источники в 2006 году включали гидроэлектростанции (6,3%), ядерные (8,5%) и другие ( геотермальные , солнечные , приливные , ветровые , древесные , отходы ) — 0,9%. [15] Мировое потребление энергии росло примерно на 2,3% в год.
Ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом, поскольку для его формирования требуются миллионы лет, а запасы истощаются гораздо быстрее, чем создаются новые. Поэтому мы должны беречь это топливо и использовать его разумно. Производство и использование ископаемого топлива вызывают озабоченность по поводу окружающей среды. Поэтому в настоящее время осуществляется глобальное движение в сторону генерации возобновляемой энергии , чтобы помочь удовлетворить возросшие потребности в энергии. Сжигание ископаемого топлива производит около 21,3 миллиарда тонн (21,3 гигатонны ) углекислого газа (CO2 ) в год, но, по оценкам, естественные процессы могут поглотить только около половины этого количества, поэтому чистый прирост атмосферного углекислого газа составляет 10,65 миллиарда тонн в год (одна тонна атмосферного углерода эквивалентна 44 ⁄ 12 (это отношение молекулярного/атомного веса) или 3,7 тонны CO2 ) . [16] Углекислый газ является одним из парниковых газов , который усиливает радиационное воздействие и способствует глобальному потеплению , вызывая в ответ повышение средней температуры поверхности Земли, что, по мнению подавляющего большинства климатологов , приведет к серьезным неблагоприятным последствиям . Топливо является источником энергии.
Количество энергии, получаемой от различных видов топлива, зависит от стехиометрического соотношения — химически правильного соотношения воздуха и топлива, обеспечивающего полное сгорание топлива, и его удельной энергии — энергии на единицу массы.
1 МДж ≈ 0,28 кВтч ≈ 0,37 л.с.ч.
(Соотношение топливо-воздух (FAR) является обратной величиной соотношению воздух-топливо (AFR).)
λ — коэффициент эквивалентности воздуха и топлива, а λ = 1 означает, что предполагается, что топливо и окислитель (кислород в воздухе) присутствуют в точно правильных пропорциях, так что они оба полностью расходуются в реакции.
Ядерное топливо — это любой материал, который потребляется для получения ядерной энергии . Теоретически, ядерным топливом может быть широкий спектр веществ, поскольку их можно заставить высвобождать ядерную энергию при правильных условиях. Однако материалы, которые обычно называют ядерным топливом, — это те, которые будут производить энергию без экстремального давления. Ядерное топливо может «сжигаться» путем ядерного деления (расщепления ядер) или синтеза (объединения ядер вместе) для получения ядерной энергии. «Ядерное топливо» может относиться к самому топливу или к физическим объектам (например, пучкам, состоящим из топливных стержней ), состоящим из топливного материала, смешанного со структурными, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.
Ядерное топливо имеет самую высокую плотность энергии среди всех практических источников топлива.
Наиболее распространенным типом ядерного топлива, используемого человечеством, являются тяжелые делящиеся элементы, которые могут подвергаться цепным реакциям ядерного деления в ядерном реакторе деления ; ядерное топливо может относиться к материалу или физическим объектам (например, пучкам твэлов, состоящим из топливных стержней ), состоящим из топливного материала, возможно, смешанного с конструкционными, замедляющими нейтроны или отражающими нейтроны материалами.
Когда некоторые из этих видов топлива подвергаются воздействию нейтронов, они, в свою очередь, способны испускать нейтроны при распаде. Это делает возможной самоподдерживающуюся цепную реакцию , которая высвобождает энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или с очень быстрой неконтролируемой скоростью в ядерном оружии .
Наиболее распространенными расщепляющимися видами ядерного топлива являются уран-235 ( 235 U) и плутоний-239 ( 239 Pu). Действия по добыче, переработке, очистке, использованию и, в конечном счете, утилизации ядерного топлива вместе составляют ядерный топливный цикл . Не все виды ядерного топлива создают энергию из ядерного деления. Плутоний-238 и некоторые другие элементы используются для производства небольших количеств ядерной энергии путем радиоактивного распада в радиоизотопных термоэлектрических генераторах и других типах атомных батарей .
В отличие от деления, некоторые легкие нуклиды , такие как тритий ( 3H ), могут использоваться в качестве топлива для ядерного синтеза . Это включает в себя объединение двух или более ядер в более крупные ядра. Топливо, которое производит энергию этим методом, в настоящее время не используется людьми, но оно является основным источником топлива для звезд . Топливо для синтеза - это легкие элементы, такие как водород , ядра которого будут легко объединяться. Энергия требуется для начала синтеза путем повышения температуры настолько высоко, что ядра могут сталкиваться друг с другом с достаточной энергией, чтобы они слипались перед тем, как отталкиваться из-за электрического заряда. Этот процесс называется синтезом, и он может выделять энергию.
В звездах, в которых происходит ядерный синтез, топливо состоит из атомных ядер , которые могут выделять энергию путем поглощения протона или нейтрона . В большинстве звезд топливо обеспечивается водородом, который может объединяться, образуя гелий через цепную реакцию протон-протон или цикл CNO . Когда водородное топливо исчерпывается, ядерный синтез может продолжаться с более тяжелыми элементами, хотя чистая высвобождаемая энергия ниже из-за меньшей разницы в энергии ядерной связи. После того, как образуются ядра железа-56 или никеля-56 , дополнительная энергия не может быть получена путем ядерного синтеза, поскольку они имеют самые высокие энергии ядерной связи. [17] Любые ядра тяжелее 56 Fe и 56 Ni, таким образом, поглощали бы энергию вместо того, чтобы выделять ее при синтезе. Поэтому синтез прекращается, и звезда умирает. В попытках людей синтез осуществляется только с водородом ( 2 H (дейтерий) или 3 H (тритий)) для образования гелия-4, поскольку эта реакция выделяет наибольшую чистую энергию. Популярными методами являются электрическое удержание ( ИТЭР ), инерционное удержание (нагрев лазером) и нагрев сильными электрическими токами.
Большинство транспортных топлив являются жидкостями, поскольку транспортным средствам обычно требуется высокая плотность энергии . Это происходит естественным образом в жидкостях и твердых телах. Высокая плотность энергии также может быть обеспечена двигателем внутреннего сгорания . Этим двигателям требуется чисто сгорающее топливо. Топливо, которое легче всего сжечь чисто, обычно представляет собой жидкости и газы. Таким образом, жидкости отвечают требованиям как энергетической плотности, так и чистого сгорания. Кроме того, жидкости (и газы) можно перекачивать, что означает, что обработка легко механизируется и, следовательно, менее трудоемка. Поскольку наблюдается общее движение к экономике с низким уровнем выбросов углерода, использование жидкого топлива, такого как углеводороды, подвергается пристальному вниманию.
