Kāda ir dīzeļdegvielas izcelsme?

1892. gadā izgudrotājs Rūdolfs Dīzels izveidoja revolucionāru jaunu degvielas produktu, kas šodien nes viņa vārdu. Viņa izgudrojums, kā tas parasti notiek fiziskajās zinātnēs, bija gadu smaga, atkārtota un finansiāli neizdevīga darba kulminācija.

Dīzeli vispirms iedvesmoja termodinamikas lekcija Minhenes Karaliskajā Bavārijas politehnikumā, dzimtajā Vācijā. (Termodinamika ir siltuma un dažādu citu enerģijas veidu attiecības izpēte.)

Dīzels sasniedza to, ko viņš izdarīja, apņēmīgi veicot sava veida fizikas "svēto graudu": iekšdedzes dzinēju, kas visu siltumu var pārveidot par lietderīgu darbu, un tāpēc tas būtu 100 procenti mehāniski efektīva. To fiziķi bija pierādījuši teorētiski iespējams, bet praktiski tas bija, un labākajā gadījumā pat šodien tas ir nenotverams.

Neskatoties uz to, ka dīzeļdegviela krietni atpalika no šī efektivitātes ideāla, viņa dzinēji joprojām bija divreiz efektīvāki nekā viņu priekšgājēji - aptuveni 25 procenti pret 10 procentiem. Diemžēl viņš bieži pieprasīja atmaksāt savus produktus, un, kā ziņots, viņa paša dzīve beidzās ar nabadzību.

Bet dīzeļa pielāgotā jaunā pieeja degvielas aizdedzināšanai un dīzeļdzinēja izgudrojums joprojām ir ārkārtīgi svarīgi pat laikmetā kurā visu veidu fosilā kurināmā uztvere ir kļuvusi ārkārtīgi nepopulāra, pat ja to izmantošana turpina būtībā nekontrolēta.

"Enerģija" fizikā ir centrālais jēdziens, tomēr nedaudz grūti to pietiekami izskaidrot ikdienas vārdos. Enerģijai ir spēka vienības, kas reizinātas ar attālumu, bet "parādās" arī dažādos mazāk kvantitatīvi nosakāmos veidos. Primārie enerģijas avoti iekļaut atomenerģija, fosilais kurināmais (nafta, ogles un dabasgāze) un tā sauktie atjaunojamie avoti, piemēram:

• ** vējš
  
• saules
  
• ģeotermālais **
  
• hidroelektriskā jauda

Kopš 2016. gada aptuveni 81,5 procenti no Amerikas Savienotajās Valstīs (pasaules lielākais enerģijas patērētājs starp valstīm) patērētās enerģijas tika iegūta no fosilā kurināmā. Lai gan bija paredzēts, ka līdz 2040. gadam šis skaitlis samazināsies līdz 77 procentiem, joprojām ir fakts, ka rūpnieciskā Paredzams, ka pasaule nav paredzama, ka tā jebkurā brīdī būs atkarīga no naftas, dabas gāzes un ogļu atkarības nākotnē.

Tas notiek, neraugoties uz nepiekāpīgo, skaidro un reizēm ļoti izteiksmīgo plašsaziņas līdzekļu un zinātnes nozares pļāpāšanu par potenciāli klimata pārmaiņu postošā ietekme uz vidi, kas sagaidāms nopietni pašreizējās situācijas otrajā pusē gadsimtā.

Kamēr kodolenerģija, biomasa, hidroelektroenerģija un citi atjaunojamie enerģijas avoti ir pieauguši līdz gandrīz ceturtajai daļai Paredzams, ka Amerikas enerģētiskās vajadzības pēc gadu desmitiem ievērojami pieaugs tikai kategorijā "citi atjaunojamie enerģijas avoti" nāc.

Lielākajā daļā avotu trīs fosilie kurināmie tiek uzskaitīti kā ieguldītāji pasaules enerģijas mašīnā: naftas, dabasgāze un ogles. (Ceturtais, patentēts naftas produkts ar nosaukumu Orimulsion, sāka darboties 1980. gados, bet kļuva par efektīvu 21. gadsimta pirmajā desmitgadē.) Kopā tie veidoja četras piektdaļas planētas enerģijas 2019.

Visas domstarpības par fosilā kurināmā izmantošanas sekām, ja tās nebūtu, mēs dzīvotu pasaulē, kuru pašreizējie Zemes ceļotāji neatpazīst. Visi pasaules transporta un sakaru tīkli ir atkarīgi no enerģijas piegādes, un lielākā daļa no tiem pasaules kritiskās rūpniecības preces, piemēram, plastmasa un tērauds, absolūti visā pasaulē ir atkarīgas no fosilā kurināmā brīdi.

"Fosilais kurināmais" ir nepareizs nosaukums, jo šī degviela nenāk no fosilijām, kas parasti nav pat dzīvu lietu paliekas per se, bet iespaidi par tām sen mirušajām lietām klintīs un augsnē. Fosilais kurināmais patiešām nāk no sabrukusi dzīvnieku un augu biomasa kas dzīvoja pirms daudziem miljoniem gadu, tāpēc fosilais kurināmais un faktiskās fosilijas ir saistītas, jo tās abas kalpo kā netieša liecība par seno dzīvi uz Zemes.

Dīzeļdegviela ir sava veida nafta, termins ikdienas diskursā tiek aizstāts ar "eļļu". Trīs galveno fosilo kurināmo pamatīpašības ir šādas:

Nafta. Šī fosilā degviela galvenokārt sastāv no oglekļa un ūdeņraža elementiem, kas nav pārsteidzoši gan šo elementu pārpilnība uz Zemes kopumā, gan to dzīvo būtņu pārpilnība iekšā īpaši. Tiek uzskatīts, ka lielākā daļa no tā ir izveidota apmēram pirms 252 miljoniem līdz 66 miljoniem gadu, kad okeānos tika neiedomājami daudz laika apglabāta liela augu dzīvība.

Tiek izmantota eļļa - precīzāk sakot, daudz dažādu "eļļainu" ogļūdeņražu, kas kvalificējami kā nafta izgatavot vairākus ikdienas produktus, ieskaitot dīzeļdegvielu arī benzīnu un mazutu.

Pašlaik šo degvielu sadedzināšana ir atbildīga par vairāk nekā pusi no oglekļa bagātinātajām siltumnīcefekta gāzu emisijām Zemes atmosfērā, savukārt tiek uzskatīts, ka tas ir galvenais faktors planētas virsmas un biotopu nepārtrauktai sasilšanai, kas ir notikusi gadu desmitiem.

Nafta veidoja aptuveni 35 procentus no ASV saražotās enerģijas no 2016. gada, un paredzams, ka statistika saglabāsies stabila vismaz līdz 2040. gadam.

Dabasgāze. Šī fosilā degviela ir ievērojama ar to, ka tā ir bezkrāsaina un bez smaržas, un tās ir pilnīgi pretējas naftai, kas šajos aspektos ir īpaši uzmācīga viela. Tāpat kā nafta, tā pirms vairākiem miljoniem gadu izveidojās no augu un dzīvnieku izcelsmes atliekām, izmantojot ķīmisko vielu un mehāniskie (piemēram, spiediena) apstākļi, kas tos radīja, acīmredzami nebija identiski tiem, kas tos rada eļļa.

Dabasgāzes ražošana 21. gadsimta otrajā desmitgadē ASV ir dramatiski palielinājusies, un šī ietekme gandrīz pilnībā ir saistīta ar straujufracking."

Pareizāk saukts hidrauliskā sašķelšana, šī pretrunīgi vērtētā urbšanas tehnika prasa daudz ūdens un skartajos reģionos var izraisīt seismisko aktivitāti (līdzīgi kā zemestrīces). Dabasgāze 2016. gadā nodrošināja apmēram ceturto daļu no ASV energoapgādes, taču sagaidāms, ka līdz 2040. gadam tā sasniegs naftas 35 procentu rādītāju.

Ogles. Kādreiz gandrīz vienīgais kurināmā avots elektrības ražošanai elektrostacijās, ogles ir pat vecākas nekā pārējās fosilās degvielas, kuras sāka veidoties apmēram pirms 360 miljoniem gadu. Atšķirībā no pārējām fosilajām degvielām tā arī ir saspiesta raksturīgā formā, lai gan pastāv dažādi apakštipi un tiek klasificēti pēc oglekļa satura.

Pašlaik akmeņogles piegādā apmēram vienu trešdaļu no pasaules energoapgādes. Kaut arī kopš aptuveni 2010. gada tā ir samazinājusies attiecībā uz ASV enerģijas pīrāga daļu, ogles joprojām ir ļoti populāras valstīs ar vēsturiski zemiem vides standartiem, piemēram, Ķīnu.

Neskatoties uz to, ka ASV valdība no 2019. gada bieži sludina par pretējo, sagaidāms, ka izmantos ogles samazināšanās ne tikai pateicoties atjaunojamo enerģijas avotu izmantošanas pieaugumam, bet arī iepriekšminētā dabasgāzes pieauguma dēļ ieguve. Ogļu ieguldījums ASV enerģijas piegādē 2016. gadā bija aptuveni 15 procenti, un paredzams, ka to izmantošana turpinās nedaudz samazināties, pirms līdz 2040. gadam stabilizēsies aptuveni 12 procentos.

Rūdolfa Dīzela dzīves loka ir kaut kas traģisks. Dīzels bija universitātes students Vācijā 1870. gadu sākumā, laikā, kad lielās pilsētas sāka pārņemt milzīgs kūtsmēslu daudzums, ko rada zirgi, kas kalpo par galveno līdzekli gan lielos, gan mazos attālumos šajās pilsētās apgabali.

Dīzeļa gadus ilgos centienus palaist iekšdedzes dzinēju uz jaunām efektivitātes virsotnēm, iespējams, kavēja viņa paša un sabiedrības, kas apzinājās viņa mērķus, cerību slogs. Neskatoties uz lielo efektivitātes pieaugumu (lai arī tālu no dīzeļa vēlmēm, viņa dzinēji bija vairāk nekā divas reizes efektīvāki nekā dienas standarta versijas).

1913. gadā, apmēram 40 gadus pēc darba uzsākšanas, Dīzeļdegviela laivu brauciena laikā gāja bojā acīmredzamā, bet dažkārt strīdīgajā pašnāvībā. Skumji, ka viņš nekad neredzēja, ka viņa izgudrojumu klase patiešām pacēlās 20. un 30. gados.

Dīzeļdzinējs ir iekšdedzes dzinējs, kas nozīmē, ka tas pārveido ķīmisko enerģiju no degvielas molekulās esošajām saitēm mehāniskajā enerģijā. Piedziņas vārpsta ir savienota ar virzuli caur eņģi vārpstas ārpusei. Virzulis atrodas cilindra iekšpusē, kurā tiek iesūknēts vai iesūknēts gaiss, īpaši skābeklis (nepieciešams degšanai) un degviela.

Vadāms sprādziens cilindra iekšpusē, kas rodas no paaugstināta spiediena (un šīs temperatūras), piespiež virzuli uz leju, izraisot vārpstas rotāciju, virzot virzuli atpakaļ uz augšu, kad vārpsta pabeidz pilnīgu griešanos un tiek iesūknēts vairāk degvielas un gaisa. Šis cikls var notikt līdz pat tūkstošiem reižu minūtē.

Dīzeļdzinēja "maģija" ir tā, ka atšķirībā no parastā iekšdedzes dzinēja nav nepieciešama aktīvās degvielas aizdedze. Parastā dzinējā temperatūra cilindra iekšpusē nav pietiekami augsta, lai degviela varētu aizdegties bez elektriskā palīglīdzekļa - līdz ar to "sveces", kas padara automašīnas nederīgas, ja tās neizdodas. Dīzeļdzinējā gaiss ir tik stipri saspiests, ka degviela aizdegas bez palīdzības, un uz vienu motora gājienu nepieciešams mazāk degvielas, ievērojami uzlabojot degvielas efektivitāti.

Lielāka šo dzinēju efektivitāte vai ekonomiskums tos parasti padara dārgākus un grūti uzturējamus. Paša Diesel laikā tehnoloģija šo problēmu risināšanai vienkārši vēl nebija pieejama.

Dīzeļdzinēja unikālo īpašību dēļ tas var izmantot dažāda veida eļļu - degvielu, ko dabiski sauc par dīzeļdegvielu. Šī degviela ir izgatavota no jēlnaftas, un no tās iegūst apmēram 11 līdz 12 galonu dīzeļdegvielas uz 42 litru barelu neapstrādātas naftas. To lieto lielākajā daļā kravas kravas automašīnu, vilcienu, autobusu un laivu, kā arī lauksaimniecības transportlīdzekļos un celtniecības un militārajos transportlīdzekļos.

ASV Vides aizsardzības aģentūra (EPA) 2006. gadā pilnvaroja noteikt sēra saturu dīzeļdegvielā ievērojami samazināt degvielu, kas ir izrādījies ārkārtīgi efektīvs, jo tas ir ticis īstenots laiks. Līdz 2018. gadam aptuveni 97 procenti no visa dīzeļdegvielas, ko izmanto Amerikas ceļos un citur, sastāv no maisījuma, kas pazīstams kā īpaši zema sēra satura dīzeļdegviela (ULSD).

• 2018. gadā dīzeļdegviela veidoja apmēram 20 procentus no kopējā ASV naftas patēriņa jeb aptuveni 7 procentus no Amerikas degvielas patēriņa kopumā.