ما هو أصل وقود الديزل؟

في عام 1892 ، اخترع المخترع رودولف ديزل ابتكر منتج وقود جديدًا ثوريًا يحمل اسمه اليوم. كان اختراعه ، كما هو الحال عادةً في العلوم الفيزيائية ، تتويجًا لسنوات من العمل الشاق والمتكرر وغير المجزي من الناحية المالية.

استلهم ديزل لأول مرة من محاضرة عن الديناميكا الحرارية في كلية الفنون التطبيقية البافارية الملكية في ميونيخ ، في وطنه ألمانيا. (الديناميكا الحرارية هي دراسة العلاقة بين الحرارة ومختلف أشكال الطاقة الأخرى.)

حقق ديزل ما فعله في السعي الحازم لنوع من الفيزياء "الكأس المقدسة": محرك احتراق يمكنه تحويل كل الحرارة إلى عمل مفيد وبالتالي سيكون 100 بالمائة فعال ميكانيكيا. وقد تم إثبات ذلك من قبل علماء الفيزياء لـ نظريا ممكن ، لكن من الناحية العملية كان كذلك ، وحتى اليوم لا يزال بعيد المنال في أحسن الأحوال.

على الرغم من أن الديزل كان أقل بكثير من هذه الكفاءة المثالية ، إلا أن محركاته كانت لا تزال أكثر من ضعف كفاءة سابقاتها - حوالي 25 بالمائة مقابل 10 بالمائة. لسوء الحظ ، واجه دعوات متكررة لاسترداد أموال منتجاته ، وانتهت حياته بالفقر ، على يده كما ورد.

لكن نهج الديزل الجديد المصمم خصيصًا لإشعال الوقود واختراع محرك الديزل يظل مهمًا للغاية حتى في عصرنا حيث أصبحت تصورات جميع أنواع الوقود الأحفوري غير مرغوب فيها إلى حد كبير ، حتى لو استمر استخدامها دون رادع إلى حد كبير.

تعتبر "الطاقة" في الفيزياء مفهومًا مركزيًا ، ومع ذلك فمن الصعب نوعًا ما شرحه بشكل كافٍ في الكلمات اليومية. الطاقة لها وحدات قوة مضروبة في المسافة ، ولكن "تظهر" أيضًا في مجموعة متنوعة من الأشكال الأقل قابلية للقياس الكمي. مصادر الطاقة الأولية تضمن الطاقة النووية, الوقود الحفري (النفط والفحم و غاز طبيعي) وما يسمى بالمصادر المتجددة مثل:

• **ريح
  
• شمسي
  
• الحرارة الأرضية**
  
• الطاقة الكهرومائية قوة

اعتبارًا من عام 2016 ، تم اشتقاق حوالي 81.5 بالمائة من الطاقة المستخدمة في الولايات المتحدة (أكبر مستهلك للطاقة في العالم بين الدول) من الوقود الأحفوري. بينما كان من المتوقع أن ينخفض ​​هذا الرقم إلى أقل من 77 في المائة بحلول عام 2040 ، تظل الحقيقة أن الصناعي لا يُتوقع من العالم أن يفطم نفسه عن اعتماده على النفط والغاز الطبيعي والفحم في أي وقت في المستقبل المنظور مستقبل.

يأتي هذا على الرغم من الثرثرة القوية والواضحة والحادة جدًا في بعض الأحيان لوسائل الإعلام وقطاع العلوم حول الإمكانيات الآثار البيئية المدمرة لتغير المناخ والتي من المتوقع أن تظهر بشكل جدي في النصف الثاني من الوقت الحاضر مئة عام.

بينما نمت الطاقة النووية والكتلة الحيوية والطاقة المائية ومصادر الطاقة المتجددة الأخرى لتساهم بما يقرب من ربعها احتياجات أمريكا من الطاقة ، فقط فئة "مصادر الطاقة المتجددة الأخرى" من المتوقع أن تنمو بشكل كبير في العقود القادمة تأتي.

تسرد معظم المصادر ثلاثة أنواع من الوقود الأحفوري كمساهمين في آلة الطاقة البشرية العالمية: البترول, غاز طبيعي و فحم. (المنتج الرابع ، وهو منتج نفطي مملوك يسمى Orimulsion ، دخل حيز الاستخدام في الثمانينيات ولكنه أصبح فاعلًا غير فاعل في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.) معًا ، كان هؤلاء يمثلون أربعة أخماس إمدادات الطاقة على كوكب الأرض اعتبارًا من 2019.

وبغض النظر عن جميع الخلافات حول عواقب استخدام الوقود الأحفوري ، فبدونها ، سنعيش في عالم لا يمكن التعرف عليه للمسافرين الحاليين على الأرض. تعتمد شبكات النقل والاتصالات العالمية بأكملها على إمداداتها من الطاقة ، ومعظم تعتمد السلع الأساسية المصنعة في العالم ، مثل البلاستيك والصلب ، على الوقود الأحفوري تمامًا في الوقت الحاضر.

"الوقود الأحفوري" تسمية خاطئة ، لأن هذه الأنواع من الوقود لا تأتي من الأحافير ، والتي ليست بشكل عام حتى بقايا كائنات حية في حد ذاتهولكن انطباعات عن تلك الأشياء الميتة منذ زمن طويل في الصخور والتربة. يأتي الوقود الأحفوري من الكتلة الحيوية المتحللة للحيوانات والنباتات التي عاشت منذ عدة ملايين من السنين ، لذا فإن الوقود الأحفوري والحفريات الفعلية مرتبطة من حيث أنها تعمل كدليل غير مباشر على الحياة القديمة على الأرض.

وقود الديزل هو نوع من البترول ، وهو مصطلح يستخدم بالتبادل في الحديث اليومي مع "النفط". الخصائص الأساسية لأنواع الوقود الأحفوري الرئيسية الثلاثة هي كما يلي:

البترول. يتكون هذا الوقود الأحفوري في الغالب من عنصري الكربون والهيدروجين ، وهو أمر لا يثير الدهشة كل من وفرة هذه العناصر على الأرض بشكل عام ووفرة في الكائنات الحية فيها معين. يُعتقد أن معظمها قد نشأ منذ حوالي 252 مليون إلى 66 مليون سنة ، عندما دُفِن قدر كبير من الحياة النباتية في المحيطات في ذلك الوقت الذي مضى وقتًا طويلاً بشكل لا يمكن تصوره.

يتم استخدام النفط - أو بشكل أكثر دقة ، الهيدروكربونات "الزيتية" المختلفة المؤهلة للبترول لصنع عدد من المنتجات اليومية ، بما في ذلك البنزين وزيت التدفئة بالإضافة إلى وقود الديزل.

في الوقت الحاضر ، فإن حرق هذه الأنواع من الوقود مسؤول عن أكثر من نصف انبعاثات "غازات الاحتباس الحراري" الغنية بالكربون في الغلاف الجوي للأرض ، يعتقد بدوره أنه مساهم رئيسي في الاحترار المستمر لسطح الكوكب والموائل التي تحدث في عقود.

يمثل النفط حوالي 35 في المائة من الطاقة الأمريكية المنتجة اعتبارًا من عام 2016 ، وهي إحصائية من المتوقع أن تظل مستقرة حتى عام 2040 على الأقل.

غاز طبيعي. يُعرف هذا الوقود الأحفوري بكونه عديم اللون والرائحة ، وهي صفات تقف في تناقض صارخ مع البترول ، وهو مادة تدخلية بشكل ملحوظ في هذه الجوانب. مثل البترول ، تشكلت منذ ملايين السنين من بقايا المواد النباتية والحيوانية ، من خلال المواد الكيميائية والظروف الميكانيكية (على سبيل المثال ، الضغط) التي أوجدتها لم تكن مطابقة لتلك التي أدت إلى ظهورها نفط.

ارتفع إنتاج الغاز الطبيعي بشكل كبير في الولايات المتحدة في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين ، وهو تأثير يُعزى بالكامل تقريبًا إلى الانتشار السريع لتطبيق "التكسير."

أكثر ملاءمة التكسير الهيدروليكيتتطلب تقنية الحفر المثيرة للجدل كميات كبيرة من المياه ويمكن أن تسبب نشاطًا زلزاليًا (مشابهًا للزلازل) في المناطق المتضررة. ساهم الغاز الطبيعي بحوالي ربع إمدادات الطاقة الأمريكية في عام 2016 ، ولكن من المتوقع أن يتطابق مع رقم البترول البالغ 35 في المائة بحلول عام 2040.

فحم. كان الفحم في يوم من الأيام المصدر الوحيد تقريبًا للوقود لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة ، وهو أقدم حتى من أنواع الوقود الأحفوري الأخرى ، حيث بدأ في التكوين منذ حوالي 360 مليون سنة. على عكس أنواع الوقود الأحفوري الأخرى ، فقد تم ضغطه أيضًا في شكل مميز ، على الرغم من وجود أنواع فرعية مختلفة وتصنيفها وفقًا لمحتوى الكربون.

يوفر الفحم حاليًا حوالي ثلث إمدادات الطاقة في العالم. في حين أنه انخفض من حيث حصته من فطيرة الطاقة الأمريكية منذ حوالي عام 2010 ، إلا أن الفحم لا يزال يتمتع بشعبية كبيرة في البلدان ذات المعايير البيئية المتساهلة تاريخياً مثل الصين.

على الرغم من التصريحات المتكررة التي تشير إلى عكس ذلك من قبل حكومة الولايات المتحدة اعتبارًا من عام 2019 ، فمن المتوقع أن يؤدي استخدام الفحم إلى ذلك التراجع ، ليس فقط بفضل الزيادة الطفيفة في استخدام مصادر الطاقة المتجددة ولكن بسبب الارتفاع المذكور أعلاه في الغاز الطبيعي استخلاص. ساهم الفحم بنحو 15 في المائة من إمدادات الطاقة الأمريكية في عام 2016 ، ومن المتوقع أن يستمر استخدامه في الانخفاض بشكل طفيف قبل أن يستقر عند حوالي 12 في المائة بحلول عام 2040.

يقدم قوس حياة رودولف ديزل شيئًا من الحساب المأساوي. كان ديزل طالبًا جامعيًا في ألمانيا في أوائل سبعينيات القرن التاسع عشر ، في وقت بدأت فيه المدن الكبيرة تغمرها كمية هائلة من السماد الناتج عن الخيول التي تعمل كوسيلة رئيسية للسفر لمسافات طويلة وقصيرة على حد سواء في هذه المناطق الحضرية المناطق.

من المحتمل أن جهود ديزل التي استمرت لسنوات لإطلاق محرك الاحتراق إلى آفاق جديدة من الكفاءة أعاقتها عبء توقعاته وتوقعات الجمهور الذي كان على دراية بأهدافه. على الرغم من تحقيق مكاسب كبيرة في الكفاءة (على الرغم من أنها أقل بكثير من تطلعات ديزل ، إلا أن محركاته كانت أكثر من ضعف كفاءة الإصدارات القياسية في ذلك اليوم).

في عام 1913 ، بعد حوالي 40 عامًا من بدء عمله لأول مرة ، لقي ديزل حتفه في انتحار ظاهر ولكنه متنازع عليه أحيانًا أثناء رحلة بالقارب. للأسف ، لم يرَ قط فئة الاختراعات الخاصة به تنطلق حقًا في عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي.

محرك الديزل هو محرك احتراق داخلي ، مما يعني أنه يحول الطاقة الكيميائية من الروابط الموجودة في جزيئات الوقود إلى طاقة ميكانيكية. يتم توصيل عمود الإدارة بمكبس عبر مفصلة على الجزء الخارجي من العمود. يوجد المكبس داخل أسطوانة يتم فيها ضخ أو حقن الهواء ، وخاصة الأكسجين (المطلوب للاحتراق) والوقود.

يؤدي الانفجار المتحكم به داخل الأسطوانة الناتج عن الضغط المتزايد بدرجة كبيرة (ودرجة الحرارة هذه) إلى دفع المكبس للأسفل ، مما يتسبب في دوران العمود ، مما يؤدي إلى إعادة المكبس إلى أعلى حيث يكمل العمود دورانًا كاملاً ويتم ضخ المزيد من الوقود والهواء فيه. يمكن أن تحدث هذه الدورة عدة آلاف من المرات في الدقيقة.

يكمن "سحر" محرك الديزل في أنه ، على عكس محرك الاحتراق العادي ، لا يتطلب أي اشتعال فعال للوقود. في المحرك العادي ، لا ترتفع درجة الحرارة داخل الأسطوانة بدرجة كافية حتى يشتعل الوقود بدون مساعدة كهربائية - ومن هنا تأتي "شمعات الإشعال" التي تجعل السيارات عديمة الفائدة عند تعطلها. في محرك الديزل ، يتم ضغط الهواء بشدة لدرجة أن الوقود يشتعل دون مساعدة ويحتاج وقود أقل لكل شوط للمحرك ، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الوقود.

إن زيادة كفاءة هذه المحركات أو توفيرها يجعلها أكثر تكلفة بشكل عام ويصعب صيانتها. في زمن ديزل ، لم تكن التكنولوجيا لمعالجة هذه المشكلات متاحة بعد.

تؤدي الخصائص الفريدة لمحرك الديزل إلى قدرته على استخدام أنواع مختلفة من الزيت ، وهو وقود يسمى بشكل طبيعي وقود الديزل. هذا الوقود مصنوع من النفط الخام ، وينتج حوالي 11 إلى 12 جالونًا من وقود الديزل لكل 42 جالونًا من برميل البترول غير المعالج. يتم استخدامه في معظم شاحنات الشحن والقطارات والحافلات والقوارب وكذلك المركبات الزراعية ومركبات البناء والمركبات العسكرية.

في عام 2006 ، فرضت وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) محتوى الكبريت في الديزل يتم تقليل الوقود بشكل كبير ، وهو إجراء أثبت فعاليته للغاية أثناء تنفيذه زمن. بحلول عام 2018 ، كان حوالي 97 في المائة من إجمالي الديزل المستخدم على طرق أمريكا وأماكن أخرى يتألف من مزيج يُعرف باسم الديزل منخفض الكبريت (ULSD).

• في عام 2018 ، شكل وقود الديزل حوالي 20 في المائة من إجمالي استخدام الولايات المتحدة للبترول ، أو حوالي 7 في المائة من استهلاك الوقود الأمريكي بشكل عام.