Un combustible es cualquier material que pueda reaccionar con otras sustancias para liberar energía en forma de energía térmica o para ser utilizado como trabajo . El concepto se aplicó originalmente solo 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 (a través de la fisión nuclear y la fusión nuclear ).
La energía térmica liberada por las reacciones de los combustibles se puede convertir en energía mecánica mediante un motor térmico . En otras ocasiones, el calor en sí mismo se valora para calentar, cocinar o para procesos industriales, así como para 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 , en el que las moléculas orgánicas se oxidan para liberar energía utilizable. Los hidrocarburos y las moléculas orgánicas relacionadas son, con mucho, la fuente de combustible más común 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 aquellos 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 combustión de leña por parte del Homo erectus hace casi dos millones de años. [ cita requerida ] Durante la mayor parte de la historia de la humanidad, los humanos solo utilizaron combustibles derivados de plantas o grasas animales. El carbón vegetal , un derivado de la madera, se ha utilizado desde al menos el año 6000 a. C. para fundir metales. Solo fue reemplazado por el coque , derivado del carbón, cuando los bosques europeos comenzaron a agotarse alrededor del siglo XVIII. Las briquetas de carbón se usan ahora comúnmente como combustible para cocinar en barbacoas . [ cita requerida ]
El petróleo crudo fue destilado por químicos persas , con descripciones claras dadas en manuales árabes como los de Muhammad ibn Zakarīya Rāzi . [2] Describió el proceso de destilar petróleo crudo/petróleo en queroseno , así como otros compuestos de hidrocarburos, en su Kitab al-Asrar ( Libro de los secretos ). El queroseno también se produjo 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 usaba aceite mineral crudo, refiriéndose a ella como la "naffatah". [3]
Las calles de Bagdad estaban pavimentadas con alquitrán , derivado del petróleo al que se podía acceder desde los yacimientos naturales de la región. En el siglo IX, se explotaron yacimientos petrolíferos en el área alrededor de la actual Bakú , Azerbaiyán . Estos yacimientos 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 barcos cargados. [4]
Con el desarrollo de la máquina de vapor en el Reino Unido en 1769, el carbón se hizo más común, ya que su combustión libera energía química que puede utilizarse para convertir el agua en vapor. [5] Más tarde, el carbón se utilizó 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 carbón se utiliza principalmente para 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: la mayoría de los países del mundo queman combustibles fósiles para producir energía, pero están perdiendo popularidad debido al calentamiento global y los efectos relacionados que causa 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 que las rodean, más notablemente mediante el proceso de combustión .
Los combustibles químicos se dividen de dos formas. En primer lugar, según sus propiedades físicas, en estado sólido, líquido o gaseoso. En segundo lugar, según su origen: primarios (combustibles naturales) y secundarios (combustibles artificiales) . Así, una clasificación general de los combustibles químicos es:
El combustible sólido se refiere a varios tipos de material sólido que se utilizan como combustible para producir energía y proporcionar calefacción , generalmente liberado a través de la combustión. Los combustibles sólidos incluyen madera , carbón vegetal , turba , carbón , tabletas de combustible de hexamina y pellets hechos de madera (ver pellets de madera ), maíz , trigo , centeno y otros granos . 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 usó ampliamente para hacer funcionar locomotoras de vapor . Tanto la turba como el carbón todavía se usan en la generación de electricidad en la actualidad. El uso de algunos combustibles sólidos (por ejemplo, carbón) está restringido o prohibido en algunas áreas urbanas, debido a niveles inseguros 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 áreas, el carbón sin humo es a menudo el único combustible sólido utilizado. En Irlanda, las briquetas de turba se utilizan como combustible sin humo. También se utilizan para encender fuego con carbón.
Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que pueden aprovecharse para crear energía mecánica , generalmente produciendo energía cinética . También deben adoptar la forma del recipiente que los contiene; los vapores de los combustibles líquidos son inflamables, no así los fluidos.
La mayoría de los combustibles líquidos de uso generalizado se derivan de los 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 biodiésel , que se clasifican como combustibles líquidos. Los combustibles emulsionados de petróleo en agua, como la orimulsión , se han desarrollado como una forma de hacer que las fracciones pesadas de petróleo se puedan utilizar como combustibles líquidos. Muchos combustibles líquidos desempeñan un papel principal en el transporte y la economía.
Algunas de las propiedades comunes de los combustibles líquidos son que son fáciles de transportar y manipular. También son relativamente fáciles de usar para todas las aplicaciones de ingeniería y en el uso doméstico. Los combustibles como el queroseno están racionados en algunos países, por ejemplo, en las tiendas subsidiadas 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, calentar y motores pequeños. El gas natural , compuesto principalmente de metano , solo puede existir como líquido a temperaturas muy bajas (independientemente de la presión), lo que limita su uso directo como combustible líquido en la mayoría de las aplicaciones. El gas LP es una mezcla de propano y butano , ambos 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. El gas LP y el propano comprimido, que se utilizan comúnmente para cocinar y calentar espacios, se están utilizando cada vez más en vehículos motorizados. El propano es el tercer combustible para motores más utilizado a nivel mundial.
El gas combustible es cualquiera de los muchos 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 potencial o energía luminosa que se pueden transmitir y distribuir fácilmente a través de tuberías desde el punto de origen directamente al lugar de consumo. El gas combustible se contrasta con los combustibles líquidos y de los combustibles sólidos, aunque algunos gases combustibles se licúan para su almacenamiento o transporte. Si bien su naturaleza gaseosa puede ser ventajosa, evitando la dificultad de transportar combustible sólido y los peligros de derrame inherentes a los combustibles líquidos, también puede ser peligroso. Es posible que un gas combustible no se detecte y se acumule en ciertas áreas, lo que genera el riesgo de una explosión de gas . Por esta razón, se agregan odorizantes a la mayoría de los gases combustibles para que puedan detectarse por 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, las plantas. Para la fabricación de biocombustibles se utilizan muchas plantas diferentes y materiales derivados de ellas.
Tal vez el combustible más antiguo empleado por los humanos sea la madera. Hay evidencia de que el fuego controlado se utilizó 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 especie temprana de Homo estaban presentes en los sitios. [8] Como combustible, la madera se ha seguido utilizando hasta el día de hoy, aunque ha sido reemplazada para muchos propósitos por otras fuentes. La madera tiene una densidad energética de 10-20 MJ / kg . [9]
Recientemente se han desarrollado biocombustibles para su uso en el transporte automotor (por ejemplo, bioetanol y biodiésel ), pero existe un amplio debate público sobre cuán neutrales en carbono son estos combustibles. [ cita requerida ]
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 presiones 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 completamente 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 antracita . El metano se puede encontrar en campos de hidrocarburos, solo, asociado con petróleo o en forma de clatratos de metano . Los combustibles fósiles se formaron a partir de los 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 luego por Mikhail Lomonosov en el siglo XVIII.
La Administración de Información Energética estimó que en 2007 las fuentes primarias de energía consistieron en petróleo 36,0%, carbón 27,4%, gas natural 23,0%, lo que equivale a una participación del 86,4% de los combustibles fósiles en el consumo de energía primaria en el mundo. [14] Las fuentes no fósiles en 2006 incluyeron hidroeléctrica 6,3%, nuclear 8,5% y otras ( geotérmica , solar , mareomotriz , eólica , madera , residuos ) que ascendieron a 0,9%. [15] El consumo mundial de energía estaba creciendo alrededor del 2,3% por año.
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 otras nuevas. Por lo tanto, debemos conservar estos combustibles y utilizarlos con prudencia. La producción y el uso de combustibles fósiles plantean problemas ambientales. Por lo tanto, se está desarrollando un movimiento mundial hacia la generación de energía renovable para ayudar a satisfacer las crecientes necesidades energéticas. La quema de combustibles fósiles produce alrededor de 21.300 millones de toneladas (21,3 gigatoneladas ) de dióxido de carbono (CO 2 ) al año, pero se estima que los procesos naturales solo pueden absorber aproximadamente la mitad de esa cantidad, por lo que hay un aumento neto de 10.650 millones de toneladas de dióxido de carbono atmosférico al año (una tonelada de carbono atmosférico equivale a 44 ⁄ 12 (esta es la relación de los pesos moleculares/atómicos) o 3,7 toneladas de CO 2 . [16] El dióxido de carbono es uno de los gases de efecto invernadero que aumenta el forzamiento radiativo y contribuye al calentamiento global , provocando que la temperatura media de la superficie de la Tierra aumente en respuesta, lo que la gran mayoría de los científicos del clima coinciden en que provocará importantes efectos adversos . 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 de 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 aire-combustible (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 completamente 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 un combustible nuclear, ya que se puede hacer que liberen energía nuclear en las condiciones adecuadas. Sin embargo, los materiales a los que comúnmente se hace referencia como combustibles nucleares son aquellos que producirán energía sin estar sometidos a una presión extrema. El combustible nuclear se puede "quemar" mediante fisión nuclear (división de núcleos) o fusión (combinación de núcleos) para obtener energía nuclear. "Combustible nuclear" puede referirse al combustible en sí 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 reflectores 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 fisionables pesados que pueden hacerse experimentar 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, tal vez mezclado con materiales estructurales, moderadores de neutrones o reflectores de neutrones.
Cuando algunos de estos combustibles son alcanzados por neutrones, son capaces a su vez de emitir neutrones al desintegrarse, lo que hace posible una reacción en cadena autosostenida que libera energía a un ritmo controlado en un reactor nuclear , o a un ritmo muy rápido y descontrolado en un arma nuclear .
Los combustibles nucleares fisionables más comunes son el uranio-235 ( 235 U) y el plutonio-239 ( 239 Pu). Las acciones de extracción, refinación, purificación, uso y, en última instancia, eliminación del combustible nuclear conforman en conjunto el ciclo del combustible nuclear . No todos los tipos de combustibles nucleares crean energía a partir de la fisión nuclear. El plutonio-238 y algunos otros elementos se utilizan para producir pequeñas cantidades de energía nuclear mediante la desintegración radiactiva en generadores termoeléctricos de radioisótopos y otros tipos de baterías atómicas .
A diferencia de la fisión, algunos nucleidos ligeros como el tritio ( 3H ) pueden utilizarse como combustible para la fusión nuclear . Esto implica que dos o más núcleos se combinen para formar 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 combinarán fácilmente. Se requiere energía para iniciar la fusión elevando la temperatura hasta tal punto que los núcleos puedan colisionar entre sí con suficiente energía como para que se adhieran antes de repelerse debido a la carga eléctrica. Este proceso se llama fusión y puede generar energía.
En las estrellas que experimentan fusión nuclear, el combustible consiste en núcleos atómicos que pueden liberar energía mediante la absorción de un protón o neutrón . En la mayoría de las estrellas, el combustible lo proporciona el hidrógeno, que puede combinarse para formar helio a través de la reacción en cadena protón-protón o por 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 núcleos de hierro-56 o níquel-56 , no se puede obtener más energía por fusión nuclear, ya que estos tienen las energías de enlace nuclear más altas. [17] Cualquier núcleo más pesado que 56 Fe y 56 Ni absorbería energía en lugar de emitirla cuando se fusione. Por lo tanto, la fusión se detiene y la estrella muere. En los intentos de los humanos, la fusión solo se lleva a cabo con hidrógeno ( 2 H (deuterio) o 3 H (tritio)) para formar helio-4, ya que esta reacción produce la mayor energía neta. El confinamiento eléctrico ( ITER ), el confinamiento inercial (calentamiento por láser) y el calentamiento por corrientes eléctricas fuertes son los métodos más populares.
La mayoría de los combustibles para el transporte son líquidos, porque los vehículos suelen requerir una alta densidad energética , que se da de forma natural en líquidos y sólidos. Un motor de combustión interna también puede proporcionar una alta densidad energética , que requiere combustibles de combustión limpia. Los combustibles que se queman de forma limpia con mayor facilidad son los líquidos y los gases. Por lo tanto, los líquidos cumplen los requisitos de ser densos en energía y de combustión limpia. Además, los líquidos (y los gases) se pueden bombear, lo que significa que su manipulación se mecaniza fácilmente y, por lo tanto, es menos laboriosa. Como existe un movimiento general hacia una economía baja en carbono, el uso de combustibles líquidos como los hidrocarburos está siendo objeto de escrutinio.
