Un combustible es cualquier material que se puede hacer reaccionar con otras sustancias de manera que libere energía en forma de energía térmica o para ser utilizada para trabajo . El concepto se aplicó originalmente únicamente a aquellos materiales capaces de liberar energía química , pero desde entonces también se ha aplicado a otras fuentes de energía térmica, como la energía nuclear (mediante fisión nuclear y fusión nuclear ).
La energía térmica liberada por las reacciones de los combustibles se puede convertir en energía mecánica mediante un motor térmico . Otras veces, se valora el propio calor para dar calidez, cocinar o procesos industriales, así como la iluminación que acompaña a la combustión . Los combustibles también se utilizan en las células de los organismos en un proceso conocido como respiración celular , donde las moléculas orgánicas se oxidan para liberar energía utilizable. Los hidrocarburos y las moléculas orgánicas relacionadas son, con diferencia, la fuente más común de combustible utilizada por los seres humanos, pero también se utilizan otras sustancias, incluidos los metales radiactivos.
Los combustibles se contrastan con otras sustancias o dispositivos que almacenan energía potencial , como los que liberan directamente energía eléctrica (como baterías y condensadores ) o energía mecánica (como volantes , resortes, aire comprimido o agua en un depósito).
El primer uso conocido de combustible fue la quema de leña por parte del Homo erectus hace casi dos millones de años. [ cita necesaria ] Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, los humanos solo utilizaron combustibles derivados de plantas o grasa animal. El carbón vegetal , un derivado de la madera, se utiliza desde al menos el año 6000 a. C. para fundir metales. Sólo fue suplantado por el coque , derivado del carbón, cuando los bosques europeos comenzaron a agotarse alrededor del siglo XVIII. Las briquetas de carbón se utilizan actualmente como combustible para cocinar barbacoas . [ cita necesaria ]
El petróleo crudo era destilado por químicos persas , con descripciones claras en manuales árabes como los de Muhammad ibn Zakarīya Rāzi . [2] Describió el proceso de destilación de petróleo crudo en queroseno , así como otros compuestos de hidrocarburos, en su Kitab al-Asrar ( Libro de los Secretos ). También se producía queroseno durante el mismo período a partir de esquisto bituminoso y betún calentando la roca para extraer el petróleo, que luego se destilaba. Rāzi también dio la primera descripción de una lámpara de queroseno que utilizaba aceite mineral crudo, refiriéndose a ella como "naffatah". [3]
Las calles de Bagdad fueron pavimentadas con alquitrán , derivado del petróleo al que se pudo acceder desde los campos naturales de la región. En el siglo IX, se explotaron campos petroleros en el área alrededor de la actual Bakú , Azerbaiyán . Estos campos fueron descritos por el geógrafo árabe Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī en el siglo X, y por Marco Polo en el siglo XIII, quien describió la producción de esos pozos como cientos de cargamentos de barcos. [4]
Con el desarrollo de la máquina de vapor en el Reino Unido en 1769, se hizo más común el uso del carbón, cuya combustión libera energía química que puede utilizarse para convertir el agua en vapor. [5] El carbón se utilizó posteriormente para impulsar barcos y locomotoras . En el siglo XIX, el gas extraído del carbón se utilizaba para el alumbrado público de Londres. En los siglos XX y XXI, el uso principal del carbón es generar electricidad , proporcionando el 40% del suministro de energía eléctrica mundial en 2005. [6]
Los combustibles fósiles se adoptaron rápidamente durante la Revolución Industrial , porque eran más concentrados y flexibles que las fuentes de energía tradicionales, como la energía hidráulica. Se han convertido en una parte fundamental de nuestra sociedad contemporánea, y la mayoría de los países del mundo queman combustibles fósiles para producir energía, pero están cayendo en desgracia debido al calentamiento global y los efectos relacionados que provoca su quema. [7]
Actualmente la tendencia ha sido hacia los combustibles renovables, como los biocombustibles como los alcoholes.
Los combustibles químicos son sustancias que liberan energía al reaccionar con sustancias a su alrededor, especialmente mediante el proceso de combustión .
Los combustibles químicos se dividen de dos maneras. Primero, por sus propiedades físicas, como sólido, líquido o gas. En segundo lugar, según su aparición: primario (combustible natural) y secundario (combustible artificial) . Así, una clasificación general de los combustibles químicos es:
El combustible sólido se refiere a diversos tipos de material sólido que se utilizan como combustible para producir energía y proporcionar calefacción , generalmente liberados mediante la combustión. Los combustibles sólidos incluyen madera , carbón vegetal , turba , carbón , pastillas de hexamina y pellets hechos de madera (ver pellets de madera ), maíz , trigo , centeno y otros cereales . La tecnología de cohetes de combustible sólido también utiliza combustible sólido (ver propulsores sólidos ). Los combustibles sólidos han sido utilizados por la humanidad durante muchos años para crear fuego . El carbón fue la fuente de combustible que permitió la revolución industrial , desde encender hornos hasta hacer funcionar máquinas de vapor . La madera también se utilizó ampliamente para hacer funcionar las locomotoras de vapor . En la actualidad , tanto la turba como el carbón se siguen utilizando para la generación de electricidad . El uso de algunos combustibles sólidos (por ejemplo, carbón) está restringido o prohibido en algunas zonas urbanas debido a niveles peligrosos de emisiones tóxicas. El uso de otros combustibles sólidos como la madera está disminuyendo a medida que mejora la tecnología de calefacción y la disponibilidad de combustible de buena calidad. En algunas zonas, el carbón sin humo suele ser el único combustible sólido utilizado. En Irlanda, las briquetas de turba se utilizan como combustible sin humo. También se utilizan para encender un fuego de carbón.
Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que pueden aprovecharse para crear energía mecánica , produciendo generalmente energía cinética . También deben tomar la forma de su recipiente; Los vapores de los combustibles líquidos son inflamables, no los fluidos.
La mayoría de los combustibles líquidos de uso generalizado se derivan de restos fosilizados de plantas y animales muertos por exposición al calor y la presión dentro de la corteza terrestre. Sin embargo, existen varios tipos, como el combustible de hidrógeno (para usos automotrices ), el etanol , el combustible para aviones y el biodiesel , todos ellos categorizados como combustibles líquidos. Los combustibles emulsionados de petróleo en agua, como la orimulsión , se han desarrollado como una forma de hacer que las fracciones de petróleo pesado sean utilizables como combustibles líquidos. Muchos combustibles líquidos desempeñan un papel primordial en el transporte y la economía.
Algunas propiedades comunes de los combustibles líquidos son que son fáciles de transportar y manipular fácilmente. También son relativamente fáciles de usar para todas las aplicaciones de ingeniería y uso doméstico. Los combustibles como el queroseno están racionados en algunos países, por ejemplo en las tiendas subvencionadas por el gobierno en la India para uso doméstico.
El diésel convencional es similar a la gasolina en que es una mezcla de hidrocarburos alifáticos extraídos del petróleo . El queroseno se utiliza en lámparas de queroseno y como combustible para cocinar, calefacción y motores pequeños. El gas natural , compuesto principalmente de metano , sólo puede existir en forma líquida a temperaturas muy bajas (independientemente de la presión), lo que limita su uso directo como combustible líquido en la mayoría de aplicaciones. El gas LP es una mezcla de propano y butano , los cuales son gases fácilmente comprimibles en condiciones atmosféricas estándar. Ofrece muchas de las ventajas del gas natural comprimido (GNC), pero es más denso que el aire, no se quema tan limpiamente y se comprime mucho más fácilmente. Comúnmente utilizados para cocinar y calentar espacios, el gas LP y el propano comprimido están experimentando un uso cada vez mayor en vehículos motorizados. El propano es el tercer combustible para motores más utilizado a nivel mundial.
El gas combustible es cualquiera de varios combustibles que son gaseosos en condiciones normales. Muchos gases combustibles están compuestos de hidrocarburos (como metano o propano ), hidrógeno , monóxido de carbono o mezclas de ellos. Dichos gases son fuentes de energía térmica o luminosa potencial que pueden transmitirse y distribuirse fácilmente a través de tuberías desde el punto de origen directamente hasta el lugar de consumo. El gas combustible se diferencia de los combustibles líquidos y de los combustibles sólidos, aunque algunos gases combustibles se licuan para su almacenamiento o transporte. Si bien su naturaleza gaseosa puede resultar ventajosa, evitando la dificultad de transportar combustible sólido y los peligros de derrame inherentes a los combustibles líquidos, también puede resultar peligrosa. Es posible que un gas combustible pase desapercibido y se acumule en ciertas áreas, lo que genera riesgo de explosión de gas . Por esta razón, se agregan odorizantes a la mayoría de los gases combustibles para que puedan detectarse mediante un olor distintivo. El tipo de gas combustible más común en uso actual es el gas natural .
El biocombustible puede definirse en términos generales como combustible sólido, líquido o gaseoso que consiste en biomasa o se deriva de ella . La biomasa también se puede utilizar directamente para calefacción o energía, lo que se conoce como combustible de biomasa . El biocombustible se puede producir a partir de cualquier fuente de carbono que pueda reponerse rápidamente, por ejemplo, plantas. Para la fabricación de biocombustibles se utilizan muchas plantas y materiales derivados de plantas diferentes.
Quizás el primer combustible utilizado por el hombre sea la madera. La evidencia muestra que se utilizó fuego controlado hasta hace 1,5 millones de años en Swartkrans , Sudáfrica. Se desconoce qué especie de homínido utilizó el fuego por primera vez, ya que tanto Australopithecus como una de las primeras especies de Homo estuvieron presentes en los sitios. [8] Como combustible, la madera se ha mantenido en uso hasta el día de hoy, aunque ha sido reemplazada para muchos propósitos por otras fuentes. La madera tiene una densidad energética de 10 a 20 MJ / kg . [9]
Recientemente se han desarrollado biocombustibles para su uso en el transporte por carretera (por ejemplo , bioetanol y biodiesel ), pero existe un debate público generalizado sobre cuán neutros en carbono son estos combustibles. [ cita necesaria ]
Los combustibles fósiles son hidrocarburos , principalmente carbón y petróleo ( petróleo líquido o gas natural ), formados a partir de restos fosilizados de plantas y animales antiguos [10] por exposición a altas temperaturas y presión en ausencia de oxígeno en la corteza terrestre durante cientos de millones. de años. [11] Comúnmente, el término combustible fósil también incluye recursos naturales que contienen hidrocarburos que no se derivan enteramente de fuentes biológicas, como las arenas bituminosas . Estas últimas fuentes se conocen propiamente como combustibles minerales .
Los combustibles fósiles contienen altos porcentajes de carbono e incluyen carbón, petróleo y gas natural. [12] Van desde materiales volátiles con bajas proporciones de carbono: hidrógeno como el metano , hasta petróleo líquido y materiales no volátiles compuestos de carbono casi puro, como el carbón de antracita . El metano se puede encontrar en yacimientos de hidrocarburos, solo, asociado al petróleo o en forma de clatratos de metano . Los combustibles fósiles se formaron a partir de restos fosilizados de plantas muertas [10] por exposición al calor y la presión en la corteza terrestre durante millones de años. [13] Esta teoría biogénica fue introducida por primera vez por el erudito alemán Georg Agricola en 1556 y más tarde por Mikhail Lomonosov en el siglo XVIII.
La Administración de Información Energética estimó que en 2007 las fuentes primarias de energía consistían en petróleo en un 36,0%, carbón en un 27,4% y gas natural en un 23,0%, lo que representa una participación de los combustibles fósiles del 86,4% en el consumo de energía primaria en el mundo. [14] Las fuentes no fósiles en 2006 incluían la hidroeléctrica el 6,3%, la nuclear el 8,5% y otras ( geotérmica , solar , mareomotriz , eólica , maderera , residuos ) que ascendían al 0,9%. [15] El consumo mundial de energía estaba creciendo aproximadamente un 2,3% anual.
Los combustibles fósiles son recursos no renovables porque tardan millones de años en formarse y las reservas se agotan mucho más rápido de lo que se crean nuevas. Por eso debemos conservar estos combustibles y utilizarlos con prudencia. La producción y el uso de combustibles fósiles plantean preocupaciones medioambientales. Por lo tanto, está en marcha un movimiento global hacia la generación de energía renovable para ayudar a satisfacer las crecientes necesidades energéticas. La quema de combustibles fósiles produce alrededor de 21,3 mil millones de toneladas (21,3 gigatoneladas ) de dióxido de carbono (CO 2 ) por año, pero se estima que los procesos naturales sólo pueden absorber alrededor de la mitad de esa cantidad, por lo que hay un aumento neto de 10,65 mil millones de toneladas. de dióxido de carbono atmosférico por año (una tonelada de carbono atmosférico equivale a 44 ⁄ 12 (esta es la relación entre los pesos molecular/atómico) o 3,7 toneladas de CO 2 . [16] El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que mejora forzamiento radiativo y contribuye al calentamiento global , provocando que la temperatura promedio de la superficie de la Tierra aumente en respuesta, lo que la gran mayoría de los científicos del clima coinciden en que causará efectos adversos importantes . Los combustibles son una fuente de energía.
La cantidad de energía de los diferentes tipos de combustible depende de la relación estequiométrica , la relación químicamente correcta entre aire y combustible para garantizar la combustión completa del combustible, y su energía específica , la energía por unidad de masa.
1 MJ ≈ 0,28 kWh ≈ 0,37 HPh .
(La relación combustible-aire (FAR) es el recíproco de la relación aire-combustible (AFR).)
λ es la relación de equivalencia aire-combustible, y λ =1 significa que se supone que el combustible y el agente oxidante (oxígeno en el aire) están presentes exactamente en las proporciones correctas para que ambos se consuman por completo en la reacción.
El combustible nuclear es cualquier material que se consume para obtener energía nuclear . En teoría, una amplia variedad de sustancias podrían ser combustible nuclear, ya que se puede hacer que liberen energía nuclear en las condiciones adecuadas. Sin embargo, los materiales comúnmente denominados combustibles nucleares son aquellos que producirán energía sin estar sometidos a presiones extremas. El combustible nuclear puede "quemarse" mediante fisión nuclear (división de núcleos) o fusión (combinando núcleos) para obtener energía nuclear. "Combustible nuclear" puede referirse al combustible mismo o a objetos físicos (por ejemplo, haces compuestos de barras de combustible ) compuestos del material combustible, mezclado con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectantes de neutrones.
El combustible nuclear tiene la mayor densidad energética de todas las fuentes de combustible prácticas.
El tipo más común de combustible nuclear utilizado por los seres humanos son los elementos fisibles pesados que pueden someterse a reacciones en cadena de fisión nuclear en un reactor de fisión nuclear ; El combustible nuclear puede referirse al material o a objetos físicos (por ejemplo, haces de combustible compuestos de barras de combustible ) compuestos del material combustible, quizás mezclado con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectantes de neutrones.
Cuando algunos de estos combustibles son golpeados por neutrones, a su vez son capaces de emitir neutrones cuando se rompen. Esto hace posible una reacción en cadena autosostenida que libera energía a un ritmo controlado en un reactor nuclear , o a un ritmo muy rápido e incontrolado en un arma nuclear .
Los combustibles nucleares fisibles más comunes son el uranio-235 ( 235 U) y el plutonio-239 ( 239 Pu). Las acciones de extraer, refinar, purificar, utilizar y, en última instancia, eliminar el combustible nuclear constituyen en conjunto el ciclo del combustible nuclear . No todos los tipos de combustibles nucleares generan energía a partir de la fisión nuclear. El plutonio-238 y algunos otros elementos se utilizan para producir pequeñas cantidades de energía nuclear mediante desintegración radiactiva en generadores termoeléctricos de radioisótopos y otros tipos de baterías atómicas .
A diferencia de la fisión, algunos nucleidos ligeros , como el tritio ( 3 H), pueden utilizarse como combustible para la fusión nuclear . Esto implica que dos o más núcleos se combinen en núcleos más grandes. Los combustibles que producen energía mediante este método actualmente no son utilizados por los humanos, pero son la principal fuente de combustible para las estrellas . Los combustibles de fusión son elementos ligeros como el hidrógeno cuyos núcleos se combinan fácilmente. Se requiere energía para iniciar la fusión elevando la temperatura a un nivel tan alto que los núcleos puedan colisionar con suficiente energía para mantenerse unidos antes de repelerse debido a la carga eléctrica. Este proceso se llama fusión y puede liberar energía.
En las estrellas que sufren fusión nuclear, el combustible consiste en núcleos atómicos que pueden liberar energía mediante la absorción de un protón o un neutrón . En la mayoría de las estrellas el combustible lo proporciona el hidrógeno, que puede combinarse para formar helio mediante la reacción en cadena protón-protón o mediante el ciclo CNO . Cuando se agota el combustible de hidrógeno, la fusión nuclear puede continuar con elementos progresivamente más pesados, aunque la energía neta liberada es menor debido a la menor diferencia en la energía de enlace nuclear. Una vez que se producen los núcleos de hierro-56 o níquel-56 , no se puede obtener más energía mediante fusión nuclear, ya que estos tienen las energías de unión nuclear más altas. [17] Cualquier núcleo más pesado que 56 Fe y 56 Ni absorbería energía en lugar de emitirla cuando se fusionara. Por tanto, la fusión se detiene y la estrella muere. En los intentos humanos, la fusión sólo se lleva a cabo con hidrógeno ( 2 H (deuterio) o 3 H (tritio)) para formar helio-4, ya que esta reacción produce la mayor cantidad de energía neta. Los métodos más populares son el confinamiento eléctrico ( ITER ), el confinamiento inercial (calentamiento por láser) y el calentamiento mediante fuertes corrientes eléctricas.
La mayoría de los combustibles para el transporte son líquidos, porque los vehículos suelen requerir una alta densidad de energía . Esto ocurre naturalmente en líquidos y sólidos. Un motor de combustión interna también puede proporcionar una alta densidad de energía . Estos motores requieren combustibles de combustión limpia. Los combustibles más fáciles de quemar de forma limpia suelen ser los líquidos y los gases. Por lo tanto, los líquidos cumplen con los requisitos de ser a la vez densos en energía y de combustión limpia. Además, se pueden bombear líquidos (y gases), lo que significa que su manipulación se mecaniza fácilmente y, por tanto, es menos laboriosa. Dado que existe un movimiento general hacia una economía baja en carbono, el uso de combustibles líquidos como los hidrocarburos está siendo objeto de escrutinio.
