Топливо

Эта статья описывает химические топлива; о ядерном топливе см.: Ядерное топливо.

То́пливо в широком смысле слова — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, которую можно использовать для технических целей. Химическое топливо выделяет энергию в ходе экзотермических химических реакций при горении, ядерное топливо — в ходе ядерных реакций. Некоторые топлива (например, гомогенные пороха или твёрдые ракетные топлива) способны к самостоятельному горению в отсутствие окислителя. Однако большинство топлив, используемых в быту и в промышленности, требует для сжигания наличия кислорода, и такие топлива также могут называются горючими. Наиболее распространёнными горючими материалами являются органические топлива, в составе которых есть углерод и водород. Топлива подразделяются по агрегатному состоянию вещества на твёрдые, жидкие и газообразные, а по способу получения — на природные (уголь, нефть, газ) и искусственные. Ископаемые природные топлива служат основным источником энергии для современного общества. В 2010 году примерно 90 % всей энергии, производимой человечеством на Земле, добывалось сжиганием ископаемого топлива или биотоплив, и, по прогнозам Управления энергетических исследований и разработок (США), эта доля не упадёт ниже 80 % до 2040 года при одновременном росте энергопотребления на 56 % в период с 2010 по 2040 годы. С этим связаны такие глобальные проблемы современной цивилизации, как истощение невозобновляемых энергоресурсов, загрязнение окружающей среды и глобальное потепление.

Понятие топлива

Понятие топлива возникло из способности некоторых веществ гореть, выделяя при этом тепло. Поскольку горение является химической реакцией окисления, то в этом случае топливо состоит из горючего (например, дерева в виде дров или бензина) и окислителя, которым часто служит кислород воздуха. В качестве окислителя в специальных устройствах (например, ракетных двигателях) могут использоваться и другие вещества, например, жидкий кислород. Фтор не используется как окислитель из-за очень высокой токсичности, озон из-за токсичности и нестабильности.

Поскольку во многих устройствах в качестве окислителя используется кислород, потребляемый из окружающего воздуха без приложения специальных усилий («невидимый» окислитель), в быту происходит смешение понятий и горючее часто (и ошибочно) называют топливом.

Для преобразования тепловой энергии топлива в кинетическую используют различные виды тепловых двигателей.

Основной показатель топлива — теплотворная способность (теплота сгорания). Для целей сравнения видов топлива введено понятие условного топлива (теплота сгорания одного килограмма «условного топлива» (у.т.) составляет 29,3 МДж или 7000 ккал — что соответствует низшей теплотворной способности чистого антрацита).

Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.

Стандарт на котельное топливо — ГОСТ 10585-99 предусматривает выпуск четырёх его марок: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как лёгкие топлива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжёлое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50 °C.

Печное топливо тёмное вырабатывается из дизельных фракций прямой перегонки и вторичного происхождения — дистиллятов термического, каталитического крекинга и коксования.

По фракционному составу печное топливо может быть несколько тяжелее дизельного топлива по ГОСТ 305-82 (до 360 °C перегоняется до 90 процентов вместо 96 процентов, вязкость печного топлива до 8,0 мм²/с при 20 °C против 3,0-6,0 мм²/с дизельного).

При изготовлении печного топлива не нормируются цетановое и йодное числа, температура помутнения. При переработке сернистых нефтей массовая доля серы в топливе — до 1,1 процента.

Для улучшения низкотемпературных свойств печного топлива в промышленности применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом.

Характеристики:

• 10 процентов перегоняется при температуре, С, не ниже 160;
• 90 процентов перегоняется при температуре, C, не выше 360;
• кинематическая вязкость при 20 °C, мм²/с, не более 8,0;
• температура вспышки в закрытом тигле, С, не ниже 45;
• массовая доля серы, процентов, не более: в малосернистом топливе 0,5, в сернистом топливе 1,1;
• испытание на медной пластинке выдерживает;
• кислотность, мг КОН/100 см³ топлива, не более 5,0;
• зольность, процентов, не более 0,02;
• коксуемость 10 процентного остатка, не более 0,35 процентов;
• содержание воды: следы;
• цвет: от светло-коричневого до чёрного;
• плотность при 20 °C, кг/м³: не нормируется, определение обязательно.

Основные современные виды топлива

Твёрдые топлива

• Древесина, древесная щепа, древесные пеллеты
• Горючий сланец
• Сапропель
• Торф
• Уголь
• Битуминозные пески
  • Соединения азота
  • Твёрдое ракетное топливо

Жидкие топлива

Просты в транспортировке, но при этом велики потери при испарении, разливах и утечках.

• Нефтяные топлива
  • Дизельное топливо (газойль, соляровое масло)
  • Тёмное печное (печное бытовое) топливо
  • Светлое печное топливо
  • Мазут
  • Топливная нефть
  • Керосин
  • Лигроин
  • Бензин, газолин
• Масла
  • Сланцевое масло
  • Отработавшее машинное масло
  • Растительные (рапсовое, арахисовое) или животные масла (жиры)

• Спирты
  • Этанол
  • Метанол
  • Пропанол

• Жидкое ракетное топливо

• Эфиры
  • (Изомеры) спиртов
    • Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)
    • Диметиловый эфир (ДМЭ)
  • жирных кислот
    • Этерифицированные растительные масла (биодизель)

• Эмульсии
  • Водотопливная эмульсия
  • Этиловый спирт в бензинах
  • Масла в бензинах

• Синтетические топлива, производимые на основе процесса Фишера-Тропша
  • Из угля (CTL)
  • Из биомассы (BTL)
  • Из природного газа (GTL)

Газообразные топлива

Ещё более транспортабельны, при этом ещё большие потери, а также при нормальных условиях ниже энергетическая плотность. Из-за низкой плотности газов энергозатраты на транспортировку на большие расстояния выше в сравнении с жидкими топливами, также выше стоимость газопровода в сравнении с нефтепроводом.

• Пропан
• Бутан
• Метан, природный газ, метан угольных пластов,сланцевый газ, рудничный газ, болотный газ, биогаз, лэндфилл-газ, гидрат метана
• Водород
• Сжатый (компримированный) природный газ (CNG)
• Продукты газификации твёрдого топлива
  • Угля — (синтез-, генераторный, коксовый) газы, возможна подземная газификация углей
  • Древесины
• Смеси
  • Пропан-бутановая смесь (LPG)
  • Смесь водорода и природного газа (HCNG)

Дисперсные системы, растворы

• Аэрозоли
  • Угольная пыль
  • Алюминиевая, магниевая пыль
• Пены
  • Газодизель (смесь природного газа с дизельным топливом)
  • Смесь водорода с бензином
• Суспензии
  • Водоугольное топливо
  • Водонитратное топливо («жидкий порох»)

Уровень и структура потребления топлива

Несмотря на огромное разнообразие видов топлива, основными источниками энергии остаются нефть, природный газ и уголь. Положение дел 100 лет назад было освещено Менделеевым. Первые два ископаемых топлива исчерпаемы в ближайшем будущем. Нефтяные топлива обладают особой ценностью для транспортных средств (основных потребителей энергии), в силу удобства перевозки, поэтому в настоящий момент ведутся исследования по использованию угля для выработки жидких топлив, в том числе и моторных. Также огромны запасы ядерного топлива, однако его использование накладывает высокие требования к безопасности, высокие затраты на подготовку, эксплуатацию и утилизацию топлива и попутных материалов.

Мировое потребление ископаемого топлива составляет около 12 млрд т. у.т. в год. По данным BP Statistical review of World Energy 2003, за 2002 год потребление ископаемого топлива составило:

• В Европейском союзе (EU-15) — 1396 млн тонн нефтяного эквивалента (2,1 млрд т. у.т.)
  • 45 % — нефть, 25 % — газ (природный), 16 % — уголь, 14 % — ядерное топливо
• В США — 2235 млн тонн нефтяного эквивалента (3,4 млрд т. у.т.)
  • 40 % — нефть, 27 % — газ (природный), 26 % — уголь, 8 % — ядерное топливо

Доля возобновляемых источников энергии в энергобалансах

• Европы — 5 %
• США — 2 %

По приблизительным оценкам энергопотребление России составляет 1,3 млрд т. у.т. в год.

• 6 % — ядерное топливо
• 4 % — возобновляемые источники

Динамика

За последние 20 лет мировое энергопотребление возросло на 30 % (и этот рост, по-видимому, продолжится в связи ростом потребности бурно развивающихся стран азиатского региона). В развитых странах за тот же период сильно изменилась структура потребления — произошло замещение части угля более экологичным газом (Европа и прежде всего Россия, где доля газа в потреблении составила до 40 %), а также возросла с 4 % до 10 % доля атомной энергии.

После приведения цифр стоит указать пример Австралии, в балансе которой солнечная энергетика занимает около 30 %. Эту долю потребляет солевая промышленность, вырабатывающая продукцию естественным испарением на солнце.

См. также

• Пик нефти — исследование процессов, сопутствующих потреблению невозобновляемых источников энергии
• Нефтехимия
• Углехимия
• Ядерное топливо
• Ракетное топливо
• Синтетическое жидкое топливо
• Биотопливо

Ссылки

• Топливо — статья из Большой советской энциклопедии
• http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_colier/6889