ad
العلومالكيمياءالكيمياء العضوية

كيمياء الوقود

اقرأ في هذا المقال
  • ما هو الوقود؟
  • ما هو الوقود الأحفوري؟
  • ما هو الفحم القابل للتعدين؟
  • لماذا يعتبر الغاز الطبيعي هو الوقود المثالي؟
  • ما هي العيوب الإجمالية في الوقود؟

ما هو الوقود؟

 

الوقود هو أي مركب يخزن الطاقة. حيث يتم التقاط هذه الطاقة في الروابط الكيميائية من خلال عمليات مثل التمثيل الضوئي والتنفس. كما يتم إطلاق الطاقة أثناء الأكسدة. الشكل الأكثر شيوعًا للأكسدة هو التفاعل المباشر للوقود مع الأكسجين من خلال الاحتراق.

يحتوي الخشب والبنزين والفحم وأي عدد من أنواع الوقود الأخرى على روابط كيميائية غنية بالطاقة تم إنشاؤها باستخدام الطاقة من الشمس، والتي يتم إطلاقها عند حرق الوقود (أي إطلاق الطاقة الكيميائية). كما يعتبر الوقود الكيميائي أو الوقود الأحفوري احتياطيًا مفيدًا للوقود، وبالتالي يتم استخدامه على نطاق واسع لتلبية متطلبات الحضارة المعتمدة على الطاقة.

ما هو الوقود الأحفوري؟

 

الوقود الأحفوري عبارة عن مواد هيدروكربونية ذات شوائب طفيفة. سميت بهذا الاسم لأنّها نشأت من بقايا النباتات والحيوانات المتحللة والمتحجرة التي عاشت منذ ملايين السنين.

يمكن تقسيم الوقود الأحفوري إلى ثلاث فئات. الأول هو البترول أو النفط. وهذا مزيج من الهيدروكربونات الخفيفة والبسيطة التي تهيمن عليها الكسور التي تحتوي على 6 إلى 12 كربون، ولكنها تحتوي أيضًا على بعض الهيدروكربونات الخفيفة (مثل الميثان والإيثان). بالكامل نصف الطاقة المستهلكة في الولايات المتحدة من البترول المستخدم في إنتاج الوقود للسيارات، أو المركبات الترفيهية أو التدفئة المنزلية أو الإنتاج الصناعي.

الاستخدام الرئيسي للبترول هو إنتاج البنزين، حيث يتم استهلاك أكثر من 40٪ من إجمالي الإنتاج في السيارات وما إلى ذلك. يتم تحويل الأجزاء الصغيرة إلى زيت وقود (27٪) ووقود طائرات (7.4٪) وأنواع وقود متنوعة أخرى، بينما يتم استخدام الجزء الصغير (حوالي 10٪) لتركيب آلاف المواد البتروكيماوية المستخدمة في حياتنا اليومية. في الواقع، تدين العديد من المركبات الغذائية والمستحضرات الصيدلانية بتركيبها إلى سلائف بتروكيماوية.

ما هو الفحم القابل للتعدين؟

 

يُعرَّف الفحم القابل للتعدين بأنّه 50٪ من الفحم في خط التماس لا يقل سمكه عن 12. الاحتياطيات المؤكدة من الفحم القابل للتعدين كافية لتوفير الاحتياجات الصناعية للمجتمع الحديث لمدة أربع إلى خمسمائة عام القادمة. لسوء الحظ، كمصدر للوقود فإنّ الفحم له العديد من العيوب. إنّه وقود متسخ جدًا ينتج كمية كبيرة من الهيدروكربون غير المحترق والجسيمات والأكثر ضررًا، كما أن هناك كميات كبيرة من المنتجات الثانوية لثاني أكسيد الكبريت.

في الواقع، فإنّ محطات توليد الطاقة التي تعمل بحرق الفحم في شرق الولايات المتحدة هي المسؤولة عن الكثير من الأمطار الحمضية والأضرار البيئية التي لوحظت في شمال نيويورك وشرق كندا. العيب الآخر المهم للفحم هو أنّه ليس سائلًا، ممّا يجعل نقله وتخزينه أمرًا صعبًا ويحد من استخدامه في تطبيقات مثل السيارات. كما تمّ إجراء قدر كبير من الأبحاث حول تسييل الفحم، ولكن دون نجاح اقتصادي قابل للتطبيق.

ثالث وقود أحفوري رئيسي هو الغاز الطبيعي، وهذا مصطلح عام لكسور الهيدروكربونات الخفيفة التي وجدت مرتبطة بمعظم رواسب النفط. يتكون الغاز الطبيعي في الغالب من غاز الميثان مع اختلاط كميات صغيرة من الإيثان والغازات الأخرى. وهو غني بالهيدروجين، حيث أنّ نسبة الكربون إلى الهيدروجين في الميثان 1: 4، حيث إنه أيضًا وقود ممتاز، يحترق بإنتاج حراري مرتفع وقليل من التلوث غير المرغوب فيه. إنّه ينتج ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة، لكن جميع المركبات العضوية تولد أيضًا ثاني أكسيد الكربون عند الاحتراق. من السهل أيضًا نقل الغاز الطبيعي عبر خطوط الأنابيب المضغوطة.

لماذا يعتبر الغاز الطبيعي هو الوقود المثالي؟

 

يبدو أنّ كل هذا يجعل الغاز الطبيعي الوقود المثالي. ومع ذلك، فإنّه لا يخلو من عيوبه. ويشمل ذلك وجود كبريتيد الهيدروجين في بعض حقول الغاز، مما يؤدي إلى مصطلح “الغازات الحامضة”. كبريتيد الهيدروجين هو رائحة البيض الفاسد، ولكن إذا كانت الرائحة هي المشكلة الوحيدة، فلن يكون هذا مصدر قلق كبير. ومع ذلك، فإنّ كبريتيد الهيدروجين شديد التآكل للأنابيب المستخدمة لنقل الغاز الطبيعي، وهو مركب شديد السمية وقاتل عند مستويات حوالي 1500 جزء في المليون.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون الغاز الطبيعي قابلاً للانفجار، حيث يجب الحفاظ على الغاز تحت الضغط، وأي هيدروكربون في حالة غازية، يمكن أن ينفجر. هذا على عكس استخدام البنزين، وهو وقود أكثر أمانًا. ومع ذلك فإن كلا من الأشكال الغازية والسائلة للهيدروكربونات أكثر تطايرًا وتمثل خطرًا مقارنة بالفحم.

تم اقتراح أنه نظرًا لأن كل الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي جاء من انقسام ثاني أكسيد الكربون عبر عملية التمثيل الضوئي، فقد يؤدي إجمالي محتوى الأكسجين إلى تقدير إجمالي احتياطيات الكربون. ومع ذلك ليست الوفرة الإجمالية للوقود أمرًا بالغ الأهمية، حيث إن إمكانية الوصول من وجهة نظر الهندسة والاقتصاد هي التي تجعل نقص الوقود العالمي على المدى القريب أمرًا محتملاً.

ما هي العيوب الإجمالية في الوقود؟

 

بالإضافة إلى ذلك، هناك عيوب خطيرة في التقدير الإجمالي للوقود، حيث يتم تقييد كمية كبيرة من احتياطيات الكربون في العالم في التكوينات الصخرية من كربونات الكالسيوم. بشكل فضفاض، كربونات الكالسيوم عبارة عن حجر جيري وهناك وفرة من الحجر الجيري الموجود في جميع أنحاء العالم. وفقًا لذلك، يضع معظم محللي الصناعة احتياطيات الوقود الأحفوري المتاحة عند مستويات أقل بكثير.

تشير تقديرات مجموعة متنوعة من المصادر إلى أنّنا سنصل إلى الحد الأقصى من إنتاج النفط في العشرين عامًا القادمة. بعد ذلك، سينخفض ​​الإنتاج في جميع أنحاء العالم وسنضطر إلى فطم أنفسنا عن مجتمع يعتمد على النفط. كما توفر تقديرات الفحم تكهناً أفضل قليلاً ممّا يعطي نافذة تبلغ حوالي 500 عام لاستهلاك جميع الاحتياطيات المعروفة. كما أنّ للغاز الطبيعي ميزة واحدة مهمة على أنواع الوقود الأحفوري الأخرى: إنّه “متجدد”.

تمّ العثور على الغاز الطبيعي كمنتج جانبي لأي مادة متحللة، كما توجد بكتيريا الميثانوجين، وهي البكتيريا التي تصنع الميثان، في مقالب القمامة ومواقع التخلص من النفايات في العالم الصناعي، وهي منشغلة بإنتاج الميثان من القمامة. يكفي أنّ مكب نفايات (Fresh Kills) في جزيرة ستاتن نيويورك قادر على تدفئة 16000 منزل.

تقوم العديد من الشركات باستكشاف استخدام الهيدروجين كوقود. عند استخدامه في الاحتراق البسيط، فإنّ الهيدروجين لديه بعض المشاكل المرتبطة بالغاز الطبيعي. يجب تخزينها تحت ضغط وتكون شديدة الانفجار عند الاشتعال في الهواء (مثل كارثة هيندنبورغ، حيث تحترق منطاد مملوء بالهيدروجين بشكل متفجر) كما أنّ نوع الانفجار – شكل التفجير – يجعل الهيدروجين غير مناسب كوقود بديل للسيارات التقليدية. شدة الانفجار ستهز المكابس بسرعة إلى أشلاء.

المصدر
Fuels And Fuel ChemistryFuel ChemistrySolid Fuel Chemistry | Home - SpringerJournal of Fuel Chemistry and Technology

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى