كيمياء 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 والبنزينوالفحم 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.

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 الميثانوالإيثان). 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.

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.

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.