Combustible - Fuel

La madera es uno de los primeros combustibles utilizados por los seres humanos .

Un combustible es cualquier material que se puede hacer reaccionar con otras sustancias para que libere energía como energía térmica o para ser utilizado para el trabajo . El concepto se aplicó originalmente únicamente a aquellos materiales capaces de liberar energía química, pero desde entonces también se ha aplicado a otras fuentes de energía térmica como la energía nuclear (a través de la fisión nuclear y la fusión nuclear ).

La energía térmica liberada por las reacciones de los combustibles se puede convertir en energía mecánica a través de un motor térmico . Otras veces se valora el calor en sí mismo para calentar, cocinar o procesos industriales, así como la iluminación que acompaña a la combustión . Los combustibles también se utilizan en las células de los organismos en un proceso conocido como respiración celular , donde las moléculas orgánicas se oxidan para liberar energía utilizable. Los hidrocarburos y las moléculas orgánicas relacionadas son, con mucho, la fuente más común de combustible utilizada por los seres humanos, pero también se utilizan otras sustancias, incluidos los metales radiactivos.

Los combustibles se contrastan con otras sustancias o dispositivos que almacenan energía potencial, como los que liberan directamente energía eléctrica (como baterías y condensadores ) o energía mecánica (como volantes , resortes, aire comprimido o agua en un depósito).

Historia

El combustible más antiguo es la madera.

El primer uso conocido de combustible fue la combustión de madera o palos por Homo erectus hace casi dos millones de años. A lo largo de la mayor parte de la historia de la humanidad, los seres humanos solo utilizaron combustibles derivados de plantas o grasas animales. El carbón vegetal , un derivado de la madera, se ha utilizado desde al menos 6.000 a. C. para fundir metales. Solo fue suplantado por el coque , derivado del carbón, ya que los bosques europeos comenzaron a agotarse alrededor del siglo XVIII. Las briquetas de carbón vegetal ahora se utilizan comúnmente como combustible para cocinar a la parrilla .

El petróleo crudo fue destilado por químicos persas , con descripciones claras en manuales árabes como los de Muhammad ibn Zakarīya Rāzi . Describió el proceso de destilación de petróleo crudo / petróleo en queroseno , así como otros compuestos de hidrocarburos, en su Kitab al-Asrar ( Libro de los secretos ). El queroseno también se produjo durante el mismo período a partir de esquisto bituminoso y betún calentando la roca para extraer el petróleo, que luego se destiló. Rāzi también dio la primera descripción de una lámpara de queroseno usando aceite mineral crudo, refiriéndose a ella como "naffatah".

Las calles de Bagdad estaban pavimentadas con alquitrán , derivado del petróleo al que se podía acceder desde los campos naturales de la región. En el siglo IX, se explotaron campos petroleros en el área alrededor de la moderna Bakú , Azerbaiyán . Estos campos fueron descritos por el geógrafo árabe Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī en el siglo X, y por Marco Polo en el siglo XIII, quien describió la salida de esos pozos como cientos de barcos cargados.

Con la energía en forma de energía química que podría liberarse a través de la combustión , pero el desarrollo del concepto de la máquina de vapor en el Reino Unido en 1769, el carbón se volvió más común como fuente de energía. El carbón se utilizó más tarde para impulsar barcos y locomotoras . En el siglo XIX, el gas extraído del carbón se utilizaba para el alumbrado público de Londres . En los siglos XX y XXI, el uso principal del carbón es generar electricidad , proporcionando el 40% del suministro de energía eléctrica del mundo en 2005.

Los combustibles fósiles se adoptaron rápidamente durante la Revolución Industrial, porque eran más concentrados y flexibles que las fuentes de energía tradicionales, como la energía hidráulica. Se han convertido en una parte fundamental de nuestra sociedad contemporánea, con la mayoría de los países del mundo quemando combustibles fósiles para producir energía, pero están cayendo en desgracia debido al calentamiento global y los efectos relacionados que se producen al quemarlos.

Actualmente la tendencia ha sido hacia los combustibles renovables, como los biocombustibles como los alcoholes.

Químico

Los combustibles químicos son sustancias que liberan energía al reaccionar con las sustancias que los rodean, sobre todo mediante el proceso de combustión . La mayor parte de la energía química liberada en la combustión no se almacenó en los enlaces químicos del combustible, sino en el doble enlace débil del oxígeno molecular.

Los combustibles químicos se dividen de dos formas. Primero, por sus propiedades físicas, como sólido, líquido o gas. En segundo lugar, en función de su aparición: primario (combustible natural) y secundario (combustible artificial) . Así, una clasificación general de combustibles químicos es:

Tipos generales de combustibles químicos
Primario (natural) Secundario (artificial)
Combustibles sólidos madera , carbón , turba , estiércol , etc. coque , carbón
Combustibles liquidos petróleo diésel , gasolina , queroseno , GLP , alquitrán de hulla , nafta , etanol
Combustibles gaseosos gas natural hidrógeno , propano , metano , gas de carbón , gas de agua , de alto horno de gas, coque de gas de horno, CNG

Combustible sólido

El carbón es un combustible sólido

El combustible sólido se refiere a varios tipos de material sólido que se utilizan como combustible para producir energía y proporcionar calor , generalmente liberado a través de la combustión . Los combustibles sólidos incluyen madera , carbón vegetal , turba , carbón , tabletas de combustible de hexamina y pellets hechos de madera (ver pellets de madera ), maíz , trigo , centeno y otros granos . La tecnología de cohetes de combustible sólido también utiliza combustible sólido (ver propulsores sólidos ). La humanidad ha utilizado combustibles sólidos durante muchos años para crear fuego . El carbón fue la fuente de combustible que permitió la revolución industrial , desde la combustión de hornos hasta el funcionamiento de las máquinas de vapor . La madera también se utilizó ampliamente para hacer funcionar locomotoras de vapor . Tanto la turba como el carbón todavía se utilizan en la generación de electricidad en la actualidad. El uso de algunos combustibles sólidos (por ejemplo, carbón) está restringido o prohibido en algunas áreas urbanas, debido a niveles peligrosos de emisiones tóxicas. El uso de otros combustibles sólidos como madera está disminuyendo a medida que mejora la tecnología de calefacción y la disponibilidad de combustible de buena calidad. En algunas zonas, el carbón sin humo suele ser el único combustible sólido que se utiliza. En Irlanda, las briquetas de turba se utilizan como combustible sin humo. También se utilizan para iniciar un fuego de carbón.

Combustibles liquidos

Indicador de combustible para gasolina en un scooter de 50 ccm , con el típico pictograma de una bomba de gasolina

Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que se pueden aprovechar para crear energía mecánica , que generalmente produce energía cinética . También deben tomar la forma de su recipiente; los vapores de los combustibles líquidos son inflamables, no los fluidos.

La mayoría de los combustibles líquidos de uso generalizado se derivan de los restos fosilizados de plantas y animales muertos por exposición al calor y la presión dentro de la corteza terrestre. Sin embargo, hay varios tipos, tales como combustible de hidrógeno (para automoción usos), etanol , combustible de aviación y bio-diesel , que están clasificados como combustibles líquidos. Los combustibles emulsionados de aceite en agua, como la orimulsión , se han desarrollado como una forma de hacer que las fracciones de aceite pesado se puedan utilizar como combustibles líquidos. Muchos combustibles líquidos juegan un papel primordial en el transporte y la economía.

Algunas propiedades comunes de los combustibles líquidos son que son fáciles de transportar y se pueden manipular con facilidad. También son relativamente fáciles de usar para todas las aplicaciones de ingeniería y en el hogar. Los combustibles como el queroseno están racionados en algunos países, por ejemplo, en las tiendas subvencionadas por el gobierno en la India para uso doméstico.

El diesel convencional es similar a la gasolina en que es una mezcla de hidrocarburos alifáticos extraídos del petróleo . El queroseno se utiliza en lámparas de queroseno y como combustible para cocinar, calentar y motores pequeños. El gas natural , compuesto principalmente de metano , solo puede existir como líquido a temperaturas muy bajas (independientemente de la presión), lo que limita su uso directo como combustible líquido en la mayoría de las aplicaciones. El gas LP es una mezcla de propano y butano , los cuales son gases fácilmente comprimibles en condiciones atmosféricas estándar. Ofrece muchas de las ventajas del gas natural comprimido (GNC), pero es más denso que el aire, no se quema tan limpiamente y se comprime mucho más fácilmente. Usado comúnmente para cocinar y calentar espacios, el gas LP y el propano comprimido se están usando cada vez más en vehículos motorizados. El propano es el tercer combustible de motor más utilizado a nivel mundial.

Gas combustible

Un cilindro de propano de 20 libras ( 9,1 kg )

El gas combustible es uno de varios combustibles que son gaseosos en condiciones normales. Muchos gases combustibles están compuestos de hidrocarburos (como metano o propano ), hidrógeno , monóxido de carbono o mezclas de los mismos. Dichos gases son fuentes de energía térmica potencial o energía luminosa que pueden transmitirse y distribuirse fácilmente a través de tuberías desde el punto de origen directamente hasta el lugar de consumo. El gas combustible se contrasta con los combustibles líquidos y con los combustibles sólidos , aunque algunos gases combustibles se licuan para su almacenamiento o transporte. Si bien su naturaleza gaseosa puede ser ventajosa, evitando la dificultad de transportar combustible sólido y los peligros de derrame inherentes a los combustibles líquidos, también puede ser peligroso. Es posible que un gas combustible no se detecte y se acumule en ciertas áreas, lo que genera el riesgo de una explosión de gas . Por esta razón, se agregan aromatizantes a la mayoría de los gases combustibles para que puedan ser detectados por un olor distintivo. El tipo más común de gas combustible en uso actual es el gas natural .

Biocombustibles

El biocombustible puede definirse ampliamente como combustible sólido, líquido o gaseoso que consiste en biomasa o se deriva de ella . La biomasa también se puede utilizar directamente para calefacción o energía, lo que se conoce como combustible de biomasa . El biocombustible se puede producir a partir de cualquier fuente de carbono que se pueda reponer rápidamente, por ejemplo, plantas. Se utilizan muchas plantas diferentes y materiales derivados de plantas para la fabricación de biocombustibles.

Quizás el primer combustible empleado por los seres humanos sea la madera. La evidencia muestra que el fuego controlado se utilizó hasta hace 1,5 millones de años en Swartkrans , Sudáfrica. Se desconoce qué especies de homínidos utilizaron el fuego por primera vez, ya que tanto Australopithecus como una de las primeras especies de Homo estaban presentes en los sitios. Como combustible, la madera se ha utilizado hasta el día de hoy, aunque ha sido reemplazada para muchos fines por otras fuentes. La madera tiene una densidad energética de 10 a 20 MJ / kg .

Recientemente se han desarrollado biocombustibles para su uso en el transporte automotor (por ejemplo, bioetanol y biodiésel ), pero existe un debate público generalizado sobre la eficiencia de carbono de estos combustibles.

Combustibles fósiles

Extracción de petróleo

Los combustibles fósiles son hidrocarburos , principalmente carbón y petróleo ( petróleo líquido o gas natural ), formados a partir de restos fosilizados de plantas y animales antiguos por exposición a altas temperaturas y presión en ausencia de oxígeno en la corteza terrestre durante cientos de millones de años. Comúnmente, el término combustible fósil también incluye recursos naturales que contienen hidrocarburos que no se derivan completamente de fuentes biológicas, como las arenas bituminosas . Estas últimas fuentes se conocen propiamente como combustibles minerales .

Los combustibles fósiles contienen altos porcentajes de carbono e incluyen carbón , petróleo y gas natural . Van desde materiales volátiles con bajas proporciones de carbono : hidrógeno como el metano , pasando por el petróleo líquido y los materiales no volátiles compuestos de carbono casi puro, como el carbón de antracita . El metano se puede encontrar en los campos de hidrocarburos , solo, asociado con el petróleo o en forma de clatratos de metano . Los combustibles fósiles se formaron a partir de los restos fosilizados de plantas muertas por exposición al calor y la presión en la corteza terrestre durante millones de años. Esta teoría biogénica fue introducida por primera vez por el erudito alemán Georg Agricola en 1556 y más tarde por Mikhail Lomonosov en el siglo XVIII.

La Administración de Información Energética estimó que en 2007 las fuentes primarias de energía consistían en petróleo 36,0%, carbón 27,4%, gas natural 23,0%, lo que representa una participación del 86,4% de los combustibles fósiles en el consumo de energía primaria en el mundo. Las fuentes no fósiles en 2006 incluyeron hidroeléctricas 6,3%, nucleares 8,5% y otras ( geotérmica , solar , mareomotriz , eólica , madera , residuos ) por valor de 0,9%. El consumo mundial de energía crecía aproximadamente un 2,3% anual.

Los combustibles fósiles son recursos no renovables porque tardan millones de años en formarse y las reservas se están agotando mucho más rápido de lo que se están creando nuevas. Por tanto, debemos conservar estos combustibles y utilizarlos con prudencia. La producción y el uso de combustibles fósiles plantean preocupaciones medioambientales. Por lo tanto, se está llevando a cabo un movimiento global hacia la generación de energía renovable para ayudar a satisfacer las crecientes necesidades energéticas. La quema de combustibles fósiles produce alrededor de 21,3 mil millones de toneladas (21,3 gigatoneladas ) de dióxido de carbono (CO 2 ) por año, pero se estima que los procesos naturales solo pueden absorber aproximadamente la mitad de esa cantidad, por lo que hay un aumento neto de 10,65 mil millones de toneladas. de dióxido de carbono atmosférico por año (una tonelada de carbono atmosférico equivale a 44/12 o 3,7 toneladas de dióxido de carbono). El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que aumenta el forzamiento radiativo y contribuye al calentamiento global , provocando que la temperatura superficial promedio de la Tierra aumente en respuesta, lo que la gran mayoría de los científicos del clima están de acuerdo en que causará importantes efectos adversos . Los combustibles son una fuente de energía.

Energía

La cantidad de energía de los diferentes tipos de combustible depende de la relación estequiométrica , la relación de aire y combustible químicamente correcta para asegurar la combustión completa del combustible, y su energía específica , la energía por unidad de masa.

Capacidades energéticas de tipos comunes de combustible
Combustible Energía específica (MJ / kg) AFR stoich. LEJOS stoich. Energía @ λ = 1 (MJ / kg (aire) )
Diesel 48 14,5: 1 0,069: 1 3.310
Etanol 26,4 9: 1 0,111: 1 2.933
Gasolina 46,4 14,7: 1 0,068: 1 3.156
Hidrógeno 142 34,3: 1 0,029: 1 4.140
Queroseno 46 15,6: 1 0,064: 1 2.949
GLP 46,4 17.2: 1 0,058: 1 2.698
Metanol 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

MJ ≈ 0,28  kWh ≈ 0,37  HPh .

Nuclear

Paquetes de combustible CANDU Dos paquetes de combustible CANDU ("CANada Deuterium Uranium"), cada uno de unos 50  cm de largo y 10  cm de diámetro

El combustible nuclear es cualquier material que se consume para obtener energía nuclear . Técnicamente hablando, toda la materia puede ser un combustible nuclear porque cualquier elemento en las condiciones adecuadas liberará energía nuclear, pero los materiales comúnmente denominados combustibles nucleares son aquellos que producirán energía sin ser sometidos a una presión extrema. El combustible nuclear es un material que puede ser "quemado" por fisión o fusión nuclear para obtener energía nuclear . El combustible nuclear puede referirse al combustible en sí mismo oa objetos físicos (por ejemplo, haces compuestos de barras de combustible ) compuestos del material combustible, mezclados con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectantes de neutrones.

La mayoría de los combustibles nucleares contienen elementos fisionables pesados ​​que son capaces de realizar fisión nuclear. Cuando estos combustibles son golpeados por neutrones, a su vez son capaces de emitir neutrones cuando se rompen. Esto hace posible una reacción en cadena autosostenida que libera energía con una velocidad controlada en un reactor nuclear o con una velocidad incontrolada muy rápida en un arma nuclear .

Los combustibles nucleares fisibles más comunes son el uranio-235 ( 235 U) y el plutonio-239 ( 239 Pu). Las acciones de extracción, refinación, purificación, uso y, en última instancia, eliminación del combustible nuclear forman el ciclo del combustible nuclear . No todos los tipos de combustibles nucleares generan energía a partir de la fisión nuclear. El plutonio-238 y algunos otros elementos se utilizan para producir pequeñas cantidades de energía nuclear por desintegración radiactiva en generadores termoeléctricos de radioisótopos y otros tipos de baterías atómicas . Además, los nucleidos ligeros como el tritio ( 3 H) se pueden utilizar como combustible para la fusión nuclear . El combustible nuclear tiene la densidad energética más alta de todas las fuentes de combustible prácticas.

Fisión

Los pellets de combustible nuclear se utilizan para liberar energía nuclear.

El tipo más común de combustible nuclear utilizado por los seres humanos son los elementos fisionables pesados ​​que pueden someterse a reacciones en cadena de fisión nuclear en un reactor de fisión nuclear ; El combustible nuclear puede referirse al material oa objetos físicos (por ejemplo, haces de combustible compuestos por barras de combustible ) compuestos del material combustible, quizás mezclado con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectantes de neutrones.

Fusión

Actualmente, los seres humanos no utilizan los combustibles que producen energía mediante el proceso de fusión nuclear, pero son la principal fuente de combustible para las estrellas . Los combustibles de fusión tienden a ser elementos ligeros, como el hidrógeno, que se combinan fácilmente. Se requiere energía para iniciar la fusión elevando la temperatura a un nivel tan alto que todos los materiales se convertirían en plasma y permitirían que los núcleos colisionen y se peguen entre sí antes de repeler debido a la carga eléctrica. Este proceso se llama fusión y puede producir energía.

En las estrellas que se someten a fusión nuclear, el combustible consta de núcleos atómicos que pueden liberar energía mediante la absorción de un protón o un neutrón . En la mayoría de las estrellas, el combustible lo proporciona el hidrógeno, que puede combinarse para formar helio mediante la reacción en cadena protón-protón o mediante el ciclo CNO . Cuando se agota el combustible de hidrógeno, la fusión nuclear puede continuar con elementos progresivamente más pesados, aunque la energía neta liberada es menor debido a la menor diferencia en la energía de enlace nuclear. Una vez que se producen los núcleos de hierro-56 o níquel-56 , no se puede obtener más energía mediante fusión nuclear, ya que estos tienen las energías de unión nuclear más altas. Los elementos luego usan energía en lugar de emitir energía cuando se fusionan. Por tanto, la fusión se detiene y la estrella muere. En los intentos de los humanos, la fusión solo se lleva a cabo con hidrógeno (isótopo de 2 y 3) para formar helio-4, ya que esta reacción produce la mayor cantidad de energía neta. El confinamiento eléctrico ( ITER ), el confinamiento inercial (calentamiento por láser) y el calentamiento por fuertes corrientes eléctricas son los métodos más utilizados. .

Notas al pie

Referencias

  • Ratcliff, Brian; et al. (2000). Química 1 . Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN 978-0-521-78778-9.

Otras lecturas