Care este originea combustibilului diesel?

În 1892, inventatorul Rudolf Diesel a creat un nou produs revoluționar de combustibil care astăzi îi poartă numele. Invenția sa, așa cum se întâmplă de obicei în științele fizice, a fost punctul culminant al anilor de muncă grea, repetitivă și nerecompensatoare din punct de vedere financiar.

Diesel a fost inspirat pentru prima dată de o prelegere de termodinamică la Politehnica Regală Bavareză din München, în Germania sa natală. (Termodinamica este studiul relației dintre căldură și diferitele alte forme de energie.)

Diesel a atins ceea ce a făcut în urmărirea hotărâtă un fel de „sfânt graal” al fizicii: un motor cu ardere care ar putea transforma toată căldura în muncă utilă și, prin urmare, ar fi de 100% eficient mecanic. Acest lucru fusese dovedit de către fizicieni teoretic posibil, dar în termeni practici a fost, și chiar și astăzi rămâne evaziv în cel mai bun caz.

În ciuda faptului că Diesel a depășit cu mult acest ideal de eficiență, motoarele sale erau încă de două ori mai eficiente decât predecesorii lor - aproximativ 25% față de 10%. Din păcate, s-a confruntat cu apeluri frecvente pentru rambursarea produselor sale, iar viața sa sa încheiat în sărăcie, potrivit propriilor mâini.

Dar noua abordare personalizată a Diesel pentru aprinderea combustibilului și invenția motorului diesel rămân extrem de importante chiar și într-o epocă în care percepțiile combustibililor fosili de toate tipurile au devenit extrem de nepopulare, chiar dacă utilizarea lor continuă în mare măsură necontrolată.

„Energia” în fizică este un concept central, dar oarecum dificil de explicat în mod adecvat în cuvintele de zi cu zi. Energia are unități de forță înmulțite cu distanța, dar „apare” și într-o varietate de moduri mai puțin cuantificabile. Surse primare de energie include energie nucleară, combustibili fosili (petrol, cărbune și gaz natural) și așa-numitele surse regenerabile precum:

• **vânt
  
• solar
  
• geotermal **
  
• hidroelectric putere

Începând din 2016, aproximativ 81,5% din energia utilizată în Statele Unite (cel mai mare consumator de energie din lume dintre națiuni) provenea din combustibili fosili. Deși se aștepta ca acest număr să scadă sub 77% până în 2040, rămâne faptul că industria nu se așteaptă ca lumea să se dezlipească de dependența de petrol, gaze naturale și cărbune oricând, în timp previzibil viitor.

Acest lucru se întâmplă în ciuda discuțiilor despre potențialul mass-media și al științei neclintite, clare și uneori foarte stridente efectele devastatoare asupra mediului ale schimbărilor climatice care se așteaptă să apară cu seriozitate în a doua jumătate a prezentului secol.

În timp ce energia nucleară, biomasa, hidroenergia și alte surse regenerabile au crescut pentru a contribui aproape la o pătrime din acestea Nevoile energetice ale Americii, doar categoria „alte surse regenerabile” se așteaptă să crească semnificativ în deceniile următoare vino.

Majoritatea surselor enumeră trei combustibili fosili care contribuie la mașina globală de energie umană: petrol, gaz natural și cărbune. (Un al patrulea, un produs petrolier propriu numit Orimulsion, a intrat în uz în anii 1980, dar a devenit un jucător eficient în primul deceniu al secolului XXI.) Împreună, acestea au reprezentat patru cincimi din aprovizionarea cu energie a planetei începând cu 2019.

Toate controversele legate de consecințele utilizării combustibililor fosili deoparte, fără acestea, am trăi într-o lume de nerecunoscut pentru călătorii actuali de pe Pământ. Întreaga rețea globală de transport și comunicații se bazează pe furnizarea lor de energie și, în cea mai mare parte, din Produsele manufacturate critice din lume, cum ar fi materialele plastice și oțelul, se bazează absolut pe combustibili fosili moment.

„Combustibilii fosili” este o denumire greșită, deoarece acești combustibili nu provin din fosile, care în general nu sunt nici măcar resturi de viețuitoare în sine, dar impresii ale acelor lucruri moarte de mult în roci și sol. Combustibilii fosili provin din biomasa degradată a animalelor și plantelor care a trăit cu multe milioane de ani în urmă, astfel încât combustibilii fosili și fosilele reale sunt legate prin faptul că ambele servesc drept dovezi indirecte ale vieții antice pe Pământ.

Combustibilul diesel este un fel de petrol, un termen folosit în mod alternativ în discursul cotidian cu „petrol”. Caracteristicile esențiale ale celor trei combustibili fosili majori sunt următoarele:

Petrol. Acest combustibil fosil este format în principal din elemente carbon și hidrogen, ceea ce nu este surprinzător atât abundența acestor elemente pe Pământ în general, cât și abundența lor în viețuitoarele din special. Se crede că cea mai mare parte a acesteia a fost creată între aproximativ 252 milioane și 66 de milioane de ani în urmă, când o mare parte a vieții plantelor a fost îngropată în oceanele din acea vreme, de neimaginat.

Se folosește petrol - sau mai exact, numeroasele hidrocarburi „uleioase” care se califică drept petrol - pentru a produce o serie de produse de zi cu zi, inclusiv benzină și motorină pentru încălzire, pe lângă motorină.

În prezent, arderea acestor combustibili este responsabilă pentru mai mult de jumătate din emisiile „de seră” bogate în carbon din atmosfera Pământului, la rândul său, considerat a fi un contribuitor major la încălzirea continuă a suprafeței planetei și a habitatelor care a avut loc pentru decenii.

Petrolul a reprezentat aproximativ 35% din energia produsă în SUA începând din 2016, o statistică preconizată să rămână stabilă până cel puțin în 2040.

Gaz natural. Acest combustibil fosil se remarcă prin faptul că este incolor și inodor, calități care contrastează puternic cu petrolul, o substanță deosebit de intruzivă în aceste aspecte. La fel ca petrolul, s-a format în urmă cu milioane de ani din rămășițele materiei vegetale și animale, prin substanța chimică și condițiile mecanice (de exemplu, presiunea) care le-au creat nu au fost evident identice cu cele care au dat naștere ulei.

Producția de gaze naturale a crescut dramatic în SUA în a doua decadă a secolului XXI, efect aproape în întregime atribuibil răspândirii rapide a implementării programului „fracking."

Mai bine numit fracturarea hidraulică, această tehnică de foraj controversată necesită o cantitate mare de apă și poate provoca activitate seismică (similară cutremurelor) în regiunile afectate. Gazul natural a contribuit cu aproximativ un sfert din aprovizionarea cu energie a SUA în 2016, dar este de așteptat să corespundă cu 35% din petrol până în 2040.

Cărbune. Odată aproape singura sursă de combustibil pentru generarea de energie electrică la centralele electrice, cărbunele este chiar mai vechi decât ceilalți combustibili fosili, începând să se formeze cu aproximativ 360 de milioane de ani în urmă. Spre deosebire de ceilalți combustibili fosili, acesta a fost, de asemenea, comprimat într-o formă caracteristică, deși există diferite subtipuri și sunt clasificate în funcție de conținutul de carbon.

Cărbunele furnizează în prezent aproximativ o treime din aprovizionarea cu energie din lume. Deși a scăzut în ceea ce privește cota sa din plăcinta energetică din SUA începând cu aproximativ 2010, cărbunele rămâne foarte popular în țări cu standarde de mediu istorice laxe precum China.

În ciuda proclamațiilor frecvente din partea guvernului SUA din 2019, se așteaptă utilizarea cărbunelui scădere, nu numai datorită creșterii în utilizarea surselor regenerabile de energie, ci datorită creșterii menționate mai sus a gazelor naturale extracţie. Cărbunele a contribuit cu aproximativ 15% la aprovizionarea cu energie a SUA în 2016 și se preconizează că utilizarea acestuia va continua să scadă modest înainte de stabilizarea la aproximativ 12% până în 2040.

Arcul vieții lui Rudolf Diesel se prezintă ca o relatare tragică. Diesel era student universitar în Germania la începutul anilor 1870, într-o perioadă în care orașele mari începeau să fie copleșite de cantitatea mare de gunoi de grajd generată de caii care servesc ca mijloc principal de a călători pe distanțe lungi și scurte deopotrivă în aceste zone urbane zone.

Eforturile de ani de zile ale lui Diesel de a lansa motorul cu combustie la noi culmi de eficiență au fost, probabil, împiedicate de povara propriilor așteptări și de cele ale unui public care era conștient de obiectivele sale. În ciuda faptului că a obținut mari câștiguri în materie de eficiență (deși departe de aspirațiile Diesel, motoarele sale au fost de două ori mai eficiente decât versiunile standard ale zilei).

În 1913, la aproximativ 40 de ani după ce și-a început activitatea, Diesel a pierit într-un aparent, dar uneori disputat sinucidere, în timpul unei călătorii cu barca. Din păcate, nu a reușit să vadă niciodată clasa sa de invenții decolând cu adevărat în anii 1920 și 1930.

Un motor diesel este un motor cu ardere internă, ceea ce înseamnă că transformă energia chimică din legăturile din moleculele de combustibil în energie mecanică. Un arbore de antrenare este conectat la un piston printr-o balama din exteriorul arborelui. Pistonul se află în interiorul unui cilindru în care este pompat sau injectat aer, în special oxigen (necesar pentru combustie) și combustibil.

Explozia controlată din interiorul cilindrului rezultată din presiunea crescută foarte mult (și această temperatură) forțează pistonul în jos, determinând rotirea arborelui, conducând pistonul înapoi în sus, pe măsură ce arborele completează o rotație completă și mai mult combustibil și aer sunt pompate. Acest ciclu poate apărea de până la multe mii de ori pe minut.

„Magia” unui motor diesel este că, spre deosebire de un motor cu ardere obișnuită, nu necesită aprindere cu combustibil activ. Într-un motor normal, temperatura din interiorul cilindrului nu ajunge să fie suficient de ridicată pentru ca combustibilul să se aprindă fără ajutorul electric - de aici „bujiile”, care fac ca mașinile să fie inutile atunci când se defectează. La un motor diesel, aerul este atât de puternic comprimat încât combustibilul se aprinde fără ajutor și este nevoie de mai puțin combustibil pe cursa motorului, îmbunătățind considerabil eficiența consumului de combustibil.

Eficiența sau economia mai mare a acestor motoare le face în general mai scumpe și mai greu de întreținut. Pe vremea Diesel, tehnologia pentru soluționarea acestor probleme pur și simplu nu era încă disponibilă.

Proprietățile unice ale unui motor diesel au ca rezultat posibilitatea de a utiliza diferite tipuri de ulei, un combustibil numit în mod natural combustibil diesel. Acest combustibil este fabricat din țiței și produce aproximativ 11-12 galoane de motorină pe baril de 42 galoane de petrol neprelucrat. Este utilizat în majoritatea camioanelor de marfă, trenuri, autobuze și bărci, precum și vehiculelor agricole și vehiculelor de construcție și militare.

În 2006, Agenția SUA pentru Protecția Mediului (EPA) a mandatat conținutul de sulf al motorinei combustibilii să fie mult reduși, o măsură care s-a dovedit extrem de eficientă pe măsură ce a fost implementată peste timp. Până în 2018, aproximativ 97% din totalul motorinei utilizate pe drumurile americane și în alte părți constau dintr-un amestec cunoscut sub numele de motorină cu conținut scăzut de sulf (ULSD).

• În 2018, motorina a reprezentat aproximativ 20% din consumul total de petrol din S.U.A. sau aproximativ 7% din consumul total de combustibil american.