Combustible

Un combustible es cualquier material que se puede hacer reaccionar con otras sustancias para que libere energía como energía térmica o para ser utilizada 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, el calor en sí mismo se valora para el calor, la cocción o los 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 primer uso conocido de combustible fue la combustión de madera o palos por el Homo erectus hace casi dos millones de años. A lo largo de la mayor parte de la historia humana, los humanos solo utilizaron combustibles derivados de plantas o grasas animales. El carbón vegetal, un derivado de la madera, se ha utilizado desde al menos el año 6000 a. C. para fundir metales. Solo fue suplantado por el coque, derivado del carbón, cuando los bosques europeos comenzaron a agotarse alrededor del siglo XVIII. Las briquetas de carbón ahora se usan comúnmente como combustible para cocinar barbacoas.

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 al calentar la roca para extraer el petróleo, que luego se destilaba. Rāzi también dio la primera descripción de una lámpara de queroseno que usa aceite mineral crudo, refiriéndose a ella como "naffatah".

Las calles de Bagdad fueron pavimentadas con alquitrán, derivado del petróleo que se hizo accesible desde los campos naturales de la región. En el siglo IX, se explotaron campos petroleros en el área alrededor de la actual 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 cargamentos.

Con la energía en forma de energía química que podría liberarse a través de la combustión, pero con el desarrollo del concepto de la máquina de vapor en el Reino Unido en 1769, el carbón se convirtió en un uso más común como fuente de energía. Posteriormente, el carbón se utilizó para impulsar barcos y locomotoras. En el siglo XIX, el gas extraído del carbón se usaba para el alumbrado público en Londres. En los siglos XX y XXI, el uso principal del carbón es generar electricidad, proporcionando el 40% del suministro de energía eléctrica mundial 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 perdiendo popularidad 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 maneras. Primero, por sus propiedades físicas, como sólido, líquido o gas. En segundo lugar, en función de su ocurrencia: primaria (combustible natural) y secundaria (combustible artificial). Así, una clasificación general de los combustibles químicos es:

Combustible sólido

Combustible sólido se refiere a varios tipos de material sólido que se utilizan como combustible para producir energía y proporcionar calefacción, generalmente liberados a través de la combustión. Los combustibles sólidos incluyen madera, carbón vegetal, turba, carbón, tabletas de combustible de hexamina y gránulos hechos de madera (ver gránulos de madera), maíz, trigo, centeno y otros granos. La tecnología de cohetes de combustible sólido también utiliza combustible sólido (ver propulsores sólidos). Los combustibles sólidos han sido utilizados por la humanidad durante muchos años para crear fuego. El carbón fue la fuente de combustible que permitió la revolución industrial, desde los 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 los niveles inseguros de emisiones tóxicas. El uso de otros combustibles sólidos como la madera está disminuyendo a medida que mejora la tecnología de calefacción y la disponibilidad de combustible de buena calidad. En algunas áreas, 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 líquidos

Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que pueden aprovecharse para crear energía mecánica, generalmente produciendo energía cinética. También deben tomar la forma de su contenedor; 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, existen varios tipos, como el combustible de hidrógeno (para usos automotrices), el etanol, el combustible para aviones y el biodiésel, que se clasifican como combustibles líquidos. Los combustibles emulsionados de petróleo en agua, como la orimulsión, se han desarrollado como una forma de hacer que las fracciones de petróleo 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 manipular fácilmente. También son relativamente fáciles de usar para todas las aplicaciones de ingeniería y para uso doméstico. Los combustibles como el queroseno están racionados en algunos países, por ejemplo, en tiendas subsidiadas por el gobierno en 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 usa 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. Comúnmente utilizados para cocinar y calentar espacios, el gas LP y el propano comprimido están experimentando un uso cada vez mayor en vehículos motorizados. El propano es el tercer combustible de motor más utilizado a nivel mundial.

Fuel gas

El gas combustible es cualquiera de una serie de combustibles que son gaseosos en condiciones ordinarias. 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 calorífica potencial o energía lumínica 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 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 peligrosa. 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, Los odorizantes se agregan 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 en términos generales como un combustible sólido, líquido o gaseoso que consiste en biomasa o se deriva de ella. La biomasa también se puede usar directamente para calefacción o energía, lo que se conoce como combustible de biomasa. El biocombustible puede producirse a partir de cualquier fuente de carbono que pueda reponerse rápidamente, por ejemplo, las plantas. Muchas plantas diferentes y materiales derivados de plantas se utilizan para la fabricación de biocombustibles.

Quizás el combustible más antiguo empleado por los humanos sea la madera. La evidencia muestra que se usó fuego controlado hasta hace 1,5 millones de años en Swartkrans, Sudáfrica. Se desconoce qué especie de homínido usó fuego por primera vez, ya que tanto Australopithecus como una especie temprana de Homo estaban presentes en los sitios. Como combustible, la madera se ha mantenido en uso hasta el día de hoy, aunque ha sido reemplazada para muchos propósitos 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 biodiesel), pero existe un debate público generalizado sobre cuán eficientes en carbono son estos combustibles.

Combustibles fósiles

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 presiones 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, hasta petróleo líquido y materiales no volátiles compuestos de carbono casi puro, como el carbón de antracita. El metano se puede encontrar en campos de hidrocarburos, solo, asociado con petróleo o en forma de clatratos de metano. Combustibles fósiles formados a partir de restos fosilizados de plantas muertas por exposición al calor y la presión en la corteza terrestre durante millones de años. Esta teoría biogénica fue presentada por primera vez por el erudito alemán Georg Agricola en 1556 y luego 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% para los combustibles fósiles en el consumo de energía primaria en el mundo. Las fuentes no fósiles en 2006 incluyeron hidroeléctrica 6,3%, nuclear 8,5% y otras (geotérmica, solar, mareomotriz, eólica, madera, residuos) que suman 0,9%. El consumo mundial de energía estaba creciendo alrededor de un 2,3% anual.

Los combustibles fósiles son recursos no renovables porque tardan millones de años en formarse y las reservas se agotan mucho más rápido de lo que se crean nuevas. Así que debemos conservar estos combustibles y usarlos juiciosamente. La producción y el uso de combustibles fósiles plantean preocupaciones ambientales. Por lo tanto, está en marcha 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 21.300 millones de toneladas (21,3 gigatoneladas) de dióxido de carbono (CO ₂) al año, pero se estima que los procesos naturales solo pueden absorber alrededor de la mitad de esa cantidad, por lo que hay un aumento neto de 10.650 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, lo que hace que la temperatura promedio de la superficie de la Tierra aumente en respuesta, lo que, según la gran mayoría de los científicos del clima, causará efectos adversos importantes. 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 aire-combustible químicamente correcta para asegurar la combustión completa del combustible y su energía específica, la energía por unidad de masa.

1 MJ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh.

Nuclear

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 someterse 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, mezclado con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectantes de neutrones.

La mayoría de los combustibles nucleares contienen elementos fisionables pesados ​​que son capaces de 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 tasa controlada en un reactor nuclear o con una tasa incontrolada muy rápida en un arma nuclear.

Los combustibles nucleares fisionables más comunes son el uranio-235 (U) y el plutonio-239 (Pu). Las acciones de extracción, refinación, purificación, uso y, en última instancia, disposición final del combustible nuclear conforman 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 (H) pueden utilizarse como combustible para la fusión nuclear. El combustible nuclear tiene la mayor densidad de energía de todas las fuentes prácticas de combustible.

Fisión

El tipo más común de combustible nuclear utilizado por los 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 los 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

Los combustibles que producen energía mediante el proceso de fusión nuclear actualmente no son utilizados por los humanos, pero son la principal fuente de combustible para las estrellas. Los combustibles de fusión tienden a ser elementos ligeros, como el hidrógeno, que se combinarán fácilmente. Se requiere energía para iniciar la fusión elevando la temperatura tanto que todos los materiales se convertirían en plasma y permitirían que los núcleos chocaran y se pegaran entre sí antes de repelerse debido a la carga eléctrica. Este proceso se llama fusión y puede dar energía.

En las estrellas que experimentan fusión nuclear, el combustible consiste en 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 la fusión nuclear, ya que estos tienen las energías de enlace nuclear más altas.Luego, los elementos consumen energía en lugar de emitir energía cuando se fusionan. Por lo 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. Los métodos populares son el confinamiento eléctrico (ITER), el confinamiento por inercia (calentamiento por láser) y el calentamiento por fuertes corrientes eléctricas.

Combustibles líquidos para el transporte.

La mayoría de los combustibles para el transporte son líquidos, porque los vehículos suelen requerir una alta densidad de energía. Esto ocurre naturalmente en líquidos y sólidos. Un motor de combustión interna también puede proporcionar una alta densidad de energía. Estos motores requieren combustibles de combustión limpia. Los combustibles que son más fáciles de quemar limpiamente son típicamente líquidos y gases. Por lo tanto, los líquidos cumplen con los requisitos de ser tanto densos en energía como de combustión limpia. Además, se pueden bombear líquidos (y gases), por lo que su manipulación es fácilmente mecanizada y, por tanto, menos laboriosa. Dado que existe un movimiento general hacia una economía baja en carbono, el uso de combustibles líquidos como los hidrocarburos está bajo escrutinio.