Combustible

El combustible sólido se refiere a diversos tipos de material sólido que se utilizan como combustible para producir energía y proporcionar calefacción , generalmente liberada mediante combustión. Los combustibles sólidos incluyen madera , carbón vegetal , turba , carbón mineral , pastillas de combustible de hexamina y pellets hechos de madera (véase pellets de madera ), maíz , trigo , centeno y otros cereales . La tecnología de cohetes de combustible sólido también utiliza combustible sólido (véase propelentes sólidos ). La humanidad ha utilizado combustibles sólidos durante muchos años para generar fuego . El carbón mineral fue la fuente de combustible que impulsó la Revolución Industrial , desde el funcionamiento de hornos hasta el funcionamiento de máquinas de vapor . La madera también se utilizó ampliamente para hacer funcionar locomotoras de vapor . Tanto la turba como el carbón mineral se siguen utilizando en la generación de electricidad en la actualidad. El uso de algunos combustibles sólidos (por ejemplo, el carbón mineral) está restringido o prohibido en algunas zonas urbanas debido a los niveles peligrosos 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 zonas, el carbón mineral sin humo suele ser el único combustible sólido utilizado. En Irlanda, las briquetas de turba se utilizan como combustible sin humo. También se utilizan para encender una chimenea de carbón.

Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que pueden aprovecharse para crear energía mecánica , generalmente energía cinética . Además, deben adoptar la forma de su recipiente; los vapores de los combustibles líquidos son inflamables, no el líquido en sí.

La mayoría de los combustibles líquidos de uso generalizado se derivan de los restos fosilizados de plantas y animales muertos, formados por la exposición al calor y la presión en el interior de la corteza terrestre. Sin embargo, existen varios tipos, como el hidrógeno (para uso automotriz ), el etanol , el combustible para aviones y el biodiésel , que se clasifican como combustibles líquidos. Se han desarrollado combustibles emulsionados de petróleo en agua, como la orimulsión , para convertir fracciones de petróleo pesado en combustibles líquidos. Muchos combustibles líquidos desempeñan un papel fundamental en el transporte y la economía.

Algunas características comunes de los combustibles líquidos son su facilidad de transporte y manipulación. Además, son relativamente fáciles de usar en todo tipo de aplicaciones de ingeniería y en el hogar. En algunos países, combustibles como el queroseno se racionan; por ejemplo, en India, se venden en tiendas subvencionadas por el gobierno para uso doméstico.

El diésel 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 en motores pequeños. El gas natural , compuesto principalmente de metano , solo puede existir en estado 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 , ambos gases fácilmente compresibles en condiciones atmosféricas estándar. Ofrece muchas de las ventajas del gas natural comprimido (GNC), pero es más denso que el aire, no arde tan limpiamente y es mucho más fácil de comprimir. El gas LP y el propano comprimido, comúnmente utilizados para cocinar y calentar espacios, están experimentando un aumento en su uso en vehículos motorizados. El propano es el tercer combustible para motores más utilizado a nivel mundial.

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  Locomotora diésel
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  Gasolina
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  Queroseno
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  Aceite de motor a base de petróleo
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  Fuelóleo residual o fuelóleo Bunker C

El gas combustible es cualquiera de los diversos combustibles que se encuentran en estado gaseoso en condiciones normales. Muchos gases combustibles están compuestos de hidrocarburos (como metano o propano ), hidrógeno , monóxido de carbono o mezclas de estos. Dichos gases son fuentes potenciales de energía térmica o lumínica que pueden transmitirse y distribuirse fácilmente a través de tuberías desde el punto de origen directamente al lugar de consumo. El gas combustible se diferencia de los combustibles líquidos y de los combustibles sólidos, aunque algunos gases combustibles se licúan para su almacenamiento o transporte. Si bien su naturaleza gaseosa puede ser ventajosa, ya que evita la dificultad del transporte de combustibles sólidos y los peligros de derrames inherentes a los combustibles líquidos, también puede ser peligrosa. Es posible que un gas combustible pase desapercibido y se acumule en ciertas áreas, lo que conlleva el riesgo de una explosión de gas . Por esta razón, se añaden odorizantes a la mayoría de los gases combustibles para que puedan detectarse por un olor característico. El tipo de gas combustible más común en uso actualmente es el gas natural .

Los biocombustibles pueden definirse, en términos generales, como combustibles sólidos, líquidos o gaseosos que consisten en biomasa o se derivan de ella . La biomasa también puede utilizarse directamente para calefacción o generación de energía, en cuyo caso se denominan combustibles de biomasa . Los biocombustibles pueden producirse a partir de cualquier fuente de carbono que se reponga rápidamente, como las plantas. Se utilizan muchas plantas y materiales derivados de plantas diferentes para la fabricación de biocombustibles.

Quizás el combustible más antiguo utilizado por los humanos sea la madera. La evidencia muestra que el fuego controlado se usó hace hasta 1,5 millones de años en Swartkrans , Sudáfrica. Se desconoce qué especie de homínido utilizó el fuego primero, ya que tanto Australopithecus como una especie primitiva de Homo estuvieron presentes en los sitios. ^{[ 9 ]} Como combustible, la madera se ha mantenido en uso hasta la actualidad, aunque ha sido reemplazada para muchos propósitos por otras fuentes. La madera tiene una densidad energética de 10–20 MJ / kg . ^{[ 10 ]}

Recientemente se han desarrollado biocombustibles para su uso en el transporte automotor (por ejemplo, bioetanol y biodiésel ), pero existe un amplio debate público sobre cuán neutros en carbono son estos combustibles.

Los combustibles fósiles son hidrocarburos , principalmente carbón y petróleo ( petróleo líquido o gas natural ), formados a partir de los restos fosilizados de plantas y animales antiguos ^{[ 11 ]} por exposición a altas temperaturas y presiones en ausencia de oxígeno en la corteza terrestre durante cientos de millones de años. ^{[ 12 ]} 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. ^{[ 13 ]} Abarcan 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 . Los combustibles fósiles se formaron a partir de los restos fosilizados de plantas muertas ^{[ 11 ]} por exposición al calor y la presión en la corteza terrestre durante millones de años. ^{[ 14 ]} Esta teoría biogénica fue introducida por primera vez por el erudito alemán Georg Agricola en 1556 y posteriormente por Mikhail Lomonosov en el siglo XVIII.

Según estimaciones de la Administración de Información Energética , en 2007 las fuentes primarias de energía consistían en petróleo (36,0%), carbón (27,4%) y gas natural (23,0%), lo que representaba un 86,4% del consumo mundial de energía primaria procedente de combustibles fósiles. ^{[ 15 ]} En 2006, las fuentes no fósiles incluían la hidroeléctrica (6,3%), la nuclear (8,5%) y otras ( geotérmica , solar , mareomotriz , eólica , madera , residuos ) que sumaban un 0,9%. ^{[ 16 ]} 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 sus reservas se agotan mucho más rápido de lo que se generan. Por lo tanto, debemos conservarlos y utilizarlos con prudencia. La producción y el uso de combustibles fósiles generan preocupación ambiental. En consecuencia, se está impulsando un movimiento global hacia la generación de energía renovable para ayudar a satisfacer la creciente demanda energética. 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 es equivalente a 44 / 12 (esta es la relación de los pesos moleculares/atómicos) o 3.7 toneladas de CO ₂ . ^{[ 17 ]} El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que aumenta el forzamiento radiativo y contribuye al calentamiento global , lo que provoca que la temperatura superficial promedio de la Tierra aumente en respuesta, lo que la gran mayoría de los científicos del clima coinciden en que causará importantes efectos adversos . Los combustibles son una fuente de energía.

La Agencia Internacional de Energía (AIE) predice que los precios de los combustibles fósiles disminuirán, estabilizándose el petróleo en torno a los 75-80 dólares por barril a medida que aumente la adopción de vehículos eléctricos y se expanda la energía renovable. Además, la AIE prevé un notable incremento de la capacidad de gas natural licuado, lo que impulsará la diversificación energética de Europa. ^{[ 18 ]}

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

Notas

1 MJ ≈ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh .   

(La relación aire-combustible (FAR) es la inversa de la relación aire-combustible (AFR).)

λ es la relación de equivalencia aire-combustible, y λ =1 significa que se supone que el combustible y el agente oxidante (oxígeno en el aire) están presentes en las proporciones exactas correctas para que ambos se consuman completamente en la reacción.

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 o a objetos físicos (por ejemplo, haces de combustible compuestos por barras de combustible ) compuestos del material combustible, tal vez mezclado con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectantes de neutrones.

Cuando algunos de estos combustibles son alcanzados por neutrones, a su vez son capaces de emitir neutrones al desintegrarse. Esto posibilita una reacción en cadena autosostenible que libera energía a un ritmo controlado en un reactor nuclear , o a un ritmo muy rápido e incontrolado en un arma nuclear .

Los combustibles nucleares fisionables más comunes son el uranio-235 ( ^²³⁵U ) y el plutonio-239 ( ^²³⁹Pu ). Las acciones de extracción, refinación, purificación, uso y, finalmente, eliminación del combustible nuclear conforman el ciclo del combustible nuclear . No todos los tipos de combustibles nucleares generan energía mediante fisión nuclear. El plutonio-238 y algunos otros elementos se utilizan para producir pequeñas cantidades de energía nuclear mediante desintegración radiactiva en generadores termoeléctricos de radioisótopos y otros tipos de baterías atómicas .

A diferencia de la fisión, algunos nucleidos ligeros como el tritio ( ^³H ) pueden utilizarse como combustible para la fusión nuclear . Este proceso implica la combinación de dos o más núcleos para formar núcleos más grandes. Si bien los humanos no utilizan actualmente combustibles que producen energía mediante este método, estos son la principal fuente de combustible para las estrellas . Los combustibles de fusión son elementos ligeros como el hidrógeno , cuyos núcleos se combinan fácilmente. Para iniciar la fusión, se requiere energía elevando la temperatura lo suficiente como para que los núcleos colisionen con la energía necesaria para unirse antes de repelerse debido a la carga eléctrica. Este proceso se denomina fusión y libera 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 es el hidrógeno, que puede combinarse para formar helio a través de 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 núcleos de hierro-56 o níquel-56 , no se puede obtener más energía mediante fusión nuclear, ya que estos tienen las energías de enlace nuclear más altas. ^{[ 19 ]} Cualquier núcleo más pesado que ⁵⁶ Fe y ⁵⁶ Ni absorbería energía en lugar de liberarla al fusionarse. Por lo tanto, la fusión se detiene y la estrella muere. En los intentos humanos, la fusión solo se lleva a cabo con hidrógeno ( ² H (deuterio) o ³ H (tritio)) para formar helio-4, ya que esta reacción libera la mayor cantidad de energía neta. El confinamiento eléctrico ( ITER ), el confinamiento inercial (calentamiento por láser) y el calentamiento por corrientes eléctricas intensas son los métodos más utilizados.