เชื้อเพลิงดีเซลมีที่มาอย่างไร?

ในปี พ.ศ. 2435 นักประดิษฐ์ รูดอล์ฟ ดีเซล สร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์เชื้อเพลิงใหม่ที่ปฏิวัติวงการซึ่งทุกวันนี้มีชื่อของเขา สิ่งประดิษฐ์ของเขา ตามปกติแล้วในกรณีของวิทยาศาสตร์กายภาพ เป็นสุดยอดของการทำงานหนัก ซ้ำซาก และไม่คุ้มค่าทางการเงินเป็นเวลาหลายปี

ดีเซลได้รับแรงบันดาลใจจากการบรรยายเรื่องอุณหพลศาสตร์ที่ Royal Bavarian Polytechnic of Munich ในเยอรมนีบ้านเกิดของเขา (อุณหพลศาสตร์ คือการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความร้อนกับพลังงานรูปแบบต่างๆ)

ดีเซลบรรลุสิ่งที่เขาทำในการแสวงหา "จอกศักดิ์สิทธิ์" ทางฟิสิกส์ นั่นคือเครื่องยนต์สันดาปที่สามารถแปลงความร้อนทั้งหมดให้กลายเป็นงานที่มีประโยชน์ได้ ดังนั้นจะเป็น 100 เปอร์เซ็นต์ มีประสิทธิภาพทางกล. สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยนักฟิสิกส์ถึง ในทางทฤษฎี เป็นไปได้ แต่ในทางปฏิบัติ มันก็เป็นได้ และแม้กระทั่งทุกวันนี้ก็ยังเข้าใจยากอย่างดีที่สุด

แม้ว่าดีเซลจะด้อยประสิทธิภาพตามอุดมคตินี้มาก แต่เครื่องยนต์ของเขาก็ยังมีประสิทธิภาพมากกว่ารุ่นก่อนถึงสองเท่า - ประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ เทียบกับ 10 เปอร์เซ็นต์ โชคไม่ดีที่เขาต้องเผชิญกับการเรียกร้องเงินคืนสำหรับผลิตภัณฑ์ของเขาบ่อยครั้ง และชีวิตของเขาต้องจบลงด้วยความยากจน โดยรายงานด้วยมือของเขาเอง

แต่แนวทางใหม่ที่ได้รับการปรับแต่งของดีเซลในการจุดไฟเชื้อเพลิงและการประดิษฐ์เครื่องยนต์ดีเซลยังคงมีความสำคัญอย่างมากแม้ในยุคหนึ่ง ซึ่งการรับรู้เกี่ยวกับเชื้อเพลิงฟอสซิลทุกประเภทกลายเป็นสิ่งที่ไม่เป็นที่นิยมอย่างมหาศาล ถึงแม้ว่าการใช้งานจะยังคงไม่ได้รับการตรวจสอบอย่างมากก็ตาม

"พลังงาน" ในวิชาฟิสิกส์เป็นแนวคิดหลัก แต่ก็ค่อนข้างยากที่จะอธิบายอย่างเพียงพอในชีวิตประจำวัน พลังงานมีหน่วยของแรงคูณด้วยระยะทาง แต่ยัง "ปรากฏ" ด้วยรูปลักษณ์ที่วัดค่าได้น้อยกว่า แหล่งพลังงานหลัก รวม พลังงานนิวเคลียร์, พลังงานจากถ่านหิน (น้ำมัน ถ่านหิน และ ก๊าซธรรมชาติ) และแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่เรียกว่า:

• **ลม
  
• แสงอาทิตย์
  
• ความร้อนใต้พิภพ**
  
• ไฟฟ้าพลังน้ำ อำนาจ

ณ ปี 2016 พลังงานประมาณ 81.5% ที่ใช้ในสหรัฐอเมริกา (ผู้ใช้พลังงานรายใหญ่ที่สุดของโลกในบรรดาประเทศต่างๆ) มาจากเชื้อเพลิงฟอสซิล แม้ว่าตัวเลขนี้คาดว่าจะลดลงเหลือต่ำกว่าร้อยละ 77 ภายในปี 2583 แต่ข้อเท็จจริงยังคงอยู่ที่อุตสาหกรรม โลกไม่คาดว่าจะหย่านมตัวเองจากการพึ่งพาน้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ และถ่านหินได้ตลอดเวลาในอนาคตอันใกล้ อนาคต.

แม้ว่าสื่อและวิทยาศาสตร์จะพูดพล่อยๆ อย่างไม่ยอมแพ้ ชัดเจน และบางครั้งก็พูดพล่ามเกี่ยวกับศักยภาพ ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมที่ร้ายแรงจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่คาดว่าจะเกิดขึ้นอย่างจริงจังในช่วงครึ่งหลังของปัจจุบัน ศตวรรษ.

ในขณะที่พลังงานนิวเคลียร์ ชีวมวล พลังน้ำ และพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ ได้เติบโตขึ้นเพื่อมีส่วนร่วมเกือบหนึ่งในสี่ของ ความต้องการพลังงานของอเมริกา มีเพียงหมวด "พลังงานหมุนเวียนอื่นๆ" เท่านั้นที่คาดว่าจะเติบโตอย่างมากในทศวรรษนี้ มา.

แหล่งข้อมูลส่วนใหญ่ระบุว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลสามชนิดเป็นส่วนประกอบในเครื่องจักรพลังงานมนุษย์ทั่วโลก: ปิโตรเลียม, ก๊าซธรรมชาติ และ ถ่านหิน. (ประการที่สี่ เป็นผลิตภัณฑ์น้ำมันที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งเรียกว่า Orimulsion ได้ถูกนำมาใช้ในทศวรรษ 1980 แต่กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่มีประสิทธิผล ทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 21) เมื่อรวมกันแล้ว สิ่งเหล่านี้คิดเป็นสี่ในห้าของแหล่งพลังงานของโลก ณ 2019.

ข้อโต้แย้งทั้งหมดเกี่ยวกับผลที่ตามมาจากการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล หากไม่มีพวกมัน เราจะอยู่ในโลกที่นักเดินทางบนโลกไม่รู้จัก โครงข่ายการคมนาคมและการสื่อสารทั่วโลกทั้งหมดอาศัยแหล่งพลังงาน และส่วนใหญ่ของ สินค้าโภคภัณฑ์ที่สำคัญของโลก เช่น พลาสติกและเหล็กกล้า ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างเด็ดขาดที่ ช่วงเวลา

“เชื้อเพลิงฟอสซิล” เป็นการเรียกชื่อผิดเพราะเชื้อเพลิงเหล่านี้ไม่ได้มาจากฟอสซิลซึ่งโดยทั่วไปไม่ใช่ซากของสิ่งมีชีวิต ต่อตัวแต่ความประทับใจของสิ่งที่ตายไปนานแล้วเหล่านั้นในหินและดิน เชื้อเพลิงฟอสซิลมาจาก ชีวมวลที่เน่าเปื่อยของสัตว์และพืช ที่มีชีวิตอยู่เมื่อหลายล้านปีก่อน ดังนั้นเชื้อเพลิงฟอสซิลและฟอสซิลที่แท้จริงจึงเชื่อมโยงกันโดยที่ทั้งสองใช้เป็นหลักฐานทางอ้อมของสิ่งมีชีวิตโบราณบนโลก

น้ำมันดีเซลเป็นน้ำมันชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นคำที่ใช้แทนกันได้ในวาทกรรมประจำวันกับคำว่า "น้ำมัน" ลักษณะสำคัญของเชื้อเพลิงฟอสซิลที่สำคัญ 3 ชนิด มีดังนี้

ปิโตรเลียม. เชื้อเพลิงฟอสซิลนี้ประกอบด้วยธาตุคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งไม่น่าแปลกใจเมื่อให้สิ่งนี้ ทั้งความอุดมสมบูรณ์ของธาตุเหล่านี้บนโลกโดยทั่วไป และความอุดมสมบูรณ์ของธาตุเหล่านี้ใน โดยเฉพาะ เชื่อกันว่าส่วนใหญ่สร้างขึ้นเมื่อประมาณ 252 ล้านถึง 66 ล้านปีก่อน ซึ่งเป็นช่วงที่พืชจำนวนมากถูกฝังอยู่ในมหาสมุทรเมื่อนานมาแล้วอย่างไม่น่าเชื่อ

น้ำมัน - หรือใช้ไฮโดรคาร์บอน "มัน" ที่แตกต่างกันจำนวนมากที่มีคุณสมบัติเป็นปิโตรเลียม - หรือมากกว่านั้นอย่างถูกต้อง เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ในชีวิตประจำวันจำนวนมาก รวมทั้งน้ำมันเบนซินและน้ำมันทำความร้อน นอกเหนือจากน้ำมันดีเซล

ในปัจจุบัน การเผาไหม้เชื้อเพลิงเหล่านี้ทำให้เกิดการปล่อย "ก๊าซเรือนกระจก" ที่อุดมด้วยคาร์บอนในชั้นบรรยากาศของโลกมากกว่าครึ่งหนึ่ง ในทางกลับกันเชื่อว่าเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้พื้นผิวโลกร้อนขึ้นอย่างต่อเนื่องและแหล่งที่อยู่อาศัยที่เกิดขึ้นสำหรับ ทศวรรษ.

น้ำมันคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานสหรัฐที่ผลิตในปี 2559 สถิติที่คาดว่าจะทรงตัวจนถึงอย่างน้อย 2040 เป็นอย่างน้อย

ก๊าซธรรมชาติ. เชื้อเพลิงฟอสซิลนี้มีความโดดเด่นในด้านคุณสมบัติที่ไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับปิโตรเลียม ซึ่งเป็นสารที่รบกวนจิตใจในด้านเหล่านี้ เช่นเดียวกับปิโตรเลียม มันก่อตัวขึ้นเมื่อหลายล้านปีก่อนจากซากพืชและสสารของสัตว์ผ่านสารเคมี และสภาวะทางกล (เช่น แรงกด) ที่ก่อตัวขึ้นจะไม่เหมือนกับสภาวะที่ก่อให้เกิด น้ำมัน.

การผลิตก๊าซธรรมชาติได้เพิ่มขึ้นอย่างมากในสหรัฐอเมริกาในทศวรรษที่สองของศตวรรษที่ 21 ผลกระทบเกือบทั้งหมดเป็นผลมาจากการแพร่กระจายอย่างรวดเร็วของการดำเนินการ "fracking."

เรียกว่า พร่าพรายไฮดรอลิกเทคนิคการขุดเจาะที่เป็นข้อขัดแย้งนี้ต้องใช้น้ำปริมาณมากและอาจทำให้เกิดแผ่นดินไหว (คล้ายกับแผ่นดินไหว) ในพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบ ก๊าซธรรมชาติมีส่วนสนับสนุนประมาณหนึ่งในสี่ของการจัดหาพลังงานของสหรัฐในปี 2559 แต่คาดว่าจะตรงกับตัวเลขของปิโตรเลียมร้อยละ 35 ภายในปี 2583

ถ่านหิน. ครั้งหนึ่งที่เกือบจะเป็นแหล่งเชื้อเพลิงเพียงแหล่งเดียวสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้า ถ่านหินมีอายุมากกว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ โดยเริ่มก่อตัวเมื่อประมาณ 360 ล้านปีก่อน ต่างจากเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่น ๆ มันถูกบีบอัดให้อยู่ในรูปลักษณะเฉพาะ แม้ว่าจะมีชนิดย่อยต่างๆ อยู่และจำแนกตามปริมาณคาร์บอน

ปัจจุบันถ่านหินจัดหาพลังงานประมาณหนึ่งในสามของโลก แม้ว่าถ่านหินจะลดลงในแง่ของส่วนแบ่งของพายพลังงานของสหรัฐตั้งแต่ประมาณปี 2010 ถ่านหินยังคงได้รับความนิยมอย่างมากในประเทศที่มีมาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อมที่หละหลวมเช่นจีน

แม้จะมีการประกาศต่อต้านรัฐบาลสหรัฐฯ บ่อยครั้งในปี 2019 แต่คาดว่าการใช้ถ่านหินจะช่วย ลดลงไม่เพียงเพราะการเพิ่มขึ้นของการใช้พลังงานหมุนเวียนเท่านั้น แต่เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของก๊าซธรรมชาติดังกล่าว การสกัด ถ่านหินมีส่วนช่วยในการจัดหาพลังงานของสหรัฐประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ในปี 2559 และคาดว่าการใช้งานจะลดลงอย่างต่อเนื่องก่อนที่จะทรงตัวที่ประมาณ 12 เปอร์เซ็นต์ภายในปี 2583

ส่วนโค้งของชีวิตของรูดอล์ฟดีเซลนำเสนอเป็นเรื่องราวที่น่าเศร้า ดีเซลเป็นนักศึกษามหาวิทยาลัยในประเทศเยอรมนีในช่วงต้นทศวรรษ 1870 ในช่วงเวลาที่เมืองใหญ่เริ่มถูกครอบงำโดย ปริมาณมูลสัตว์ที่ม้าสร้างขึ้นเพื่อใช้เป็นพาหนะหลักในการเดินทางระยะทางไกลและระยะสั้นในเมืองเหล่านี้ พื้นที่

ความพยายามเป็นเวลานานหลายปีของดีเซลในการเปิดตัวเครื่องยนต์สันดาปให้มีประสิทธิภาพในระดับใหม่ อาจถูกขัดขวางโดยภาระจากความคาดหวังของเขาเองและของสาธารณชนที่ตระหนักถึงเป้าหมายของเขา แม้จะเพิ่มประสิทธิภาพได้มากก็ตาม (ถึงแม้จะไม่ถึงกับทะเยอทะยานของดีเซลมากนัก แต่เครื่องยนต์ของเขาก็ยังมีประสิทธิภาพมากกว่ารุ่นมาตรฐานในปัจจุบันถึงสองเท่า)

ในปี 1913 ประมาณ 40 ปีหลังจากที่เขาเริ่มทำงานครั้งแรก ดีเซลเสียชีวิตจากการฆ่าตัวตายที่เห็นได้ชัดแต่บางครั้งก็มีข้อพิพาทระหว่างการเดินทางทางเรือ น่าเศร้าที่เขาไม่เคยเห็นสิ่งประดิษฐ์ประเภทเดียวกันของเขาเกิดขึ้นจริงในช่วงทศวรรษที่ 1920 และ 1930

เครื่องยนต์ดีเซลเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน ซึ่งหมายความว่าจะแปลงพลังงานเคมีจากพันธะในโมเลกุลเชื้อเพลิงเป็นพลังงานกล เพลาขับเชื่อมต่อกับลูกสูบผ่านบานพับที่ด้านนอกของเพลา ลูกสูบอยู่ภายในกระบอกสูบซึ่งมีอากาศ โดยเฉพาะออกซิเจน (จำเป็นสำหรับการเผาไหม้) และเชื้อเพลิงถูกสูบหรือฉีดเข้าไป

การระเบิดที่ควบคุมได้ภายในกระบอกสูบเป็นผลมาจากแรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก (และอุณหภูมินี้) ดันลูกสูบลง ทำให้เพลาหมุน ขับลูกสูบกลับขึ้นด้านบนเมื่อเพลาหมุนจนสุดและเติมเชื้อเพลิงและอากาศเข้าไปมากขึ้น รอบนี้สามารถเกิดขึ้นได้มากถึงหลายพันครั้งต่อนาที

"ความมหัศจรรย์" ของเครื่องยนต์ดีเซลคือ ไม่จำเป็นต้องมีการจุดระเบิดเชื้อเพลิงแบบแอคทีฟ ต่างจากเครื่องยนต์สันดาปทั่วไป ในเครื่องยนต์ปกติ อุณหภูมิภายในกระบอกสูบไม่สูงพอที่เชื้อเพลิงจะจุดไฟได้โดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้า ดังนั้น "หัวเทียน" ซึ่งทำให้รถยนต์ไร้ประโยชน์เมื่อเกิดความล้มเหลว ในเครื่องยนต์ดีเซล อากาศจะถูกอัดอย่างแรงจนเชื้อเพลิงจุดไฟโดยลำพังและต้องการเชื้อเพลิงน้อยลงต่อจังหวะของเครื่องยนต์ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงได้อย่างมาก

ประสิทธิภาพหรือความประหยัดที่มากขึ้นของเครื่องยนต์เหล่านี้ทำให้โดยทั่วไปมีราคาแพงกว่าและบำรุงรักษายาก ในยุคของดีเซล เทคโนโลยีในการแก้ไขปัญหาเหล่านี้ยังไม่สามารถใช้ได้

คุณสมบัติเฉพาะตัวของเครื่องยนต์ดีเซลส่งผลให้สามารถใช้น้ำมันได้หลายชนิด ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่เรียกว่าน้ำมันดีเซลโดยธรรมชาติ เชื้อเพลิงนี้ทำมาจากน้ำมันดิบ และให้ผลผลิตน้ำมันดีเซลประมาณ 11 ถึง 12 แกลลอนต่อปิโตรเลียมที่ยังไม่ได้แปรรูป 42 แกลลอน มันถูกใช้ในรถบรรทุกขนส่งสินค้า รถไฟ รถโดยสารและเรือส่วนใหญ่ เช่นเดียวกับยานพาหนะในฟาร์มและการก่อสร้างและยานพาหนะทางทหาร

ในปี 2549 สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA) ได้สั่งให้มีปริมาณกำมะถันในน้ำมันดีเซล เชื้อเพลิงลดลงอย่างมาก ซึ่งเป็นมาตรการที่พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพอย่างยิ่งเมื่อได้ดำเนินการไปแล้ว เวลา. ภายในปี 2018 น้ำมันดีเซลประมาณ 97 เปอร์เซ็นต์ที่ใช้บนถนนในอเมริกาและที่อื่นๆ ประกอบด้วยน้ำมันดีเซลที่มีกำมะถันต่ำเป็นพิเศษ (ULSD)

• ในปี 2018 น้ำมันดีเซลคิดเป็นประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของการใช้ปิโตรเลียมทั้งหมดของสหรัฐอเมริกา หรือประมาณ 7 เปอร์เซ็นต์ของปริมาณการใช้เชื้อเพลิงของอเมริกาโดยรวม