Carburant - Fuel

Le bois est l'un des premiers combustibles utilisés par l' homme .

Un combustible est tout matériau qui peut être amené à réagir avec d'autres substances afin de libérer de l'énergie sous forme d'énergie thermique ou d'être utilisée pour le travail . Le concept était à l'origine appliqué uniquement aux matériaux capables de libérer de l'énergie chimique, mais a depuis également été appliqué à d'autres sources d'énergie thermique telles que l'énergie nucléaire (via la fission et la fusion nucléaires ).

L'énergie thermique dégagée par les réactions des carburants peut être convertie en énergie mécanique via un moteur thermique . D'autres fois, la chaleur elle-même est appréciée pour la chaleur, la cuisson ou les processus industriels, ainsi que l'éclairage qui accompagne la combustion . Les carburants sont également utilisés dans les cellules des organismes dans un processus connu sous le nom de respiration cellulaire , où les molécules organiques sont oxydées pour libérer de l'énergie utilisable. Les hydrocarbures et les molécules organiques apparentées sont de loin la source de combustible la plus couramment utilisée par les humains, mais d'autres substances, y compris les métaux radioactifs, sont également utilisées.

Les carburants sont opposés à d'autres substances ou dispositifs stockant de l'énergie potentielle, tels que ceux qui libèrent directement de l'énergie électrique (comme les batteries et les condensateurs ) ou de l'énergie mécanique (comme les volants d' inertie , les ressorts, l'air comprimé ou l'eau dans un réservoir).

Histoire

Le combustible le plus ancien est le bois

La première utilisation connue de combustible était la combustion de bois ou de bâtons par l' Homo erectus il y a près de deux millions d'années. Tout au long de la majeure partie de l'histoire de l'humanité, seuls les carburants dérivés de plantes ou de graisses animales ont été utilisés par les humains. Le charbon de bois , un dérivé du bois, est utilisé depuis au moins 6 000 ans avant notre ère pour la fusion des métaux. Il n'a été supplanté que par le coke , dérivé du charbon, lorsque les forêts européennes ont commencé à s'épuiser vers le XVIIIe siècle. Les briquettes de charbon de bois sont maintenant couramment utilisées comme combustible pour la cuisson au barbecue .

Le pétrole brut était distillé par des chimistes persans , avec des descriptions claires données dans des manuels arabes tels que ceux de Muhammad ibn Zakarīya Rāzi . Il a décrit le processus de distillation du pétrole brut/pétrole en kérosène , ainsi que d'autres composés d'hydrocarbures, dans son Kitab al-Asrar ( Livre des secrets ). Le kérosène a également été produit au cours de la même période à partir de schiste bitumineux et de bitume en chauffant la roche pour en extraire le pétrole, qui a ensuite été distillé. Rāzi a également donné la première description d'une lampe à pétrole utilisant de l'huile minérale brute, la qualifiant de « naffatah ».

Les rues de Bagdad étaient pavées de goudron , dérivé du pétrole qui est devenu accessible à partir des champs naturels de la région. Au IXe siècle, des gisements de pétrole ont été exploités dans la région de l'actuelle Bakou , en Azerbaïdjan . Ces champs ont été décrits par le géographe arabe Abu al-Hasan 'Alī al-Mas'ūdī au 10ème siècle, et par Marco Polo au 13ème siècle, qui a décrit la sortie de ces puits comme des centaines de cargaisons.

Avec l'énergie sous forme d' énergie chimique qui pourrait être libérée par la combustion , mais le développement du concept de la machine à vapeur au Royaume-Uni en 1769, le charbon est devenu une source d'énergie plus courante. Le charbon a ensuite été utilisé pour conduire les navires et les locomotives . Au XIXe siècle, le gaz extrait du charbon était utilisé pour l'éclairage des rues de Londres . Aux 20e et 21e siècles, la principale utilisation du charbon est de produire de l' électricité , fournissant 40 % de l'approvisionnement électrique mondial en 2005.

Les combustibles fossiles ont été rapidement adoptés pendant la révolution industrielle, car ils étaient plus concentrés et plus flexibles que les sources d'énergie traditionnelles, telles que l'énergie hydraulique. Ils sont devenus un élément central de notre société contemporaine, la plupart des pays du monde brûlant des combustibles fossiles pour produire de l'électricité, mais tombent en disgrâce en raison du réchauffement climatique et des effets liés à leur combustion.

Actuellement, la tendance est aux carburants renouvelables, tels que les biocarburants comme les alcools.

Chimique

Les combustibles chimiques sont des substances qui libèrent de l'énergie en réagissant avec les substances qui les entourent, notamment par le processus de combustion . La majeure partie de l'énergie chimique libérée lors de la combustion n'était pas stockée dans les liaisons chimiques du carburant, mais dans la double liaison faible de l'oxygène moléculaire.

Les combustibles chimiques sont divisés de deux manières. D'abord par leurs propriétés physiques, en tant que solide, liquide ou gazeux. Deuxièmement, en fonction de leur occurrence : primaire (combustible naturel) et secondaire (combustible artificiel) . Ainsi, une classification générale des combustibles chimiques est :

Types généraux de combustibles chimiques
Primaire (naturel) Secondaire (artificiel)
Combustibles solides bois , charbon , tourbe , fumier , etc. coca , charbon de bois
Combustibles liquides pétrole diesel , essence , kérosène , GPL , goudron de houille , naphta , éthanol
Combustibles gazeux gaz naturel un atome d' hydrogène , propane , méthane , gaz de charbon , gaz à l'eau , de haut fourneau gaz, coke de gaz de four, CNG

Combustible solide

Le charbon est un combustible solide

Le combustible solide fait référence à divers types de matériaux solides qui sont utilisés comme combustible pour produire de l' énergie et fournir du chauffage , généralement libéré par la combustion . Les combustibles solides comprennent le bois , le charbon de bois , la tourbe , le charbon , les comprimés de combustible à base d'hexamine et les granulés fabriqués à partir de bois (voir granulés de bois ), de maïs , de blé , de seigle et d'autres céréales . La technologie des fusées à combustible solide utilise également du combustible solide (voir propergols solides ). Les combustibles solides ont été utilisés par l'humanité pendant de nombreuses années pour créer le feu . Le charbon a été la source de combustible qui a permis la révolution industrielle , des fours de mise à feu , aux moteurs à vapeur en marche . Le bois était également largement utilisé pour faire fonctionner les locomotives à vapeur . La tourbe et le charbon sont encore utilisés aujourd'hui dans la production d'électricité . L'utilisation de certains combustibles solides (par exemple le charbon) est restreinte ou interdite dans certaines zones urbaines, en raison des niveaux dangereux d'émissions toxiques. L'utilisation d'autres combustibles solides comme le bois diminue à mesure que la technologie de chauffage et la disponibilité de combustibles de bonne qualité s'améliorent. Dans certaines régions, le charbon sans fumée est souvent le seul combustible solide utilisé. En Irlande, les briquettes de tourbe sont utilisées comme combustible sans fumée. Ils sont également utilisés pour allumer un feu de charbon.

Combustibles liquides

Jauge de carburant pour l'essence sur un scooter 50 ccm , avec le pictogramme typique d'une pompe à essence

Les combustibles liquides sont des molécules combustibles ou génératrices d'énergie qui peuvent être exploitées pour créer de l'énergie mécanique , produisant généralement de l'énergie cinétique . Ils doivent aussi prendre la forme de leur contenant ; les vapeurs des combustibles liquides sont inflammables, pas les fluides.

La plupart des combustibles liquides largement utilisés sont dérivés des restes fossilisés de plantes et d'animaux morts par exposition à la chaleur et à la pression à l'intérieur de la croûte terrestre. Cependant, il en existe plusieurs types, tels que le carburant hydrogène (pour usage automobile ), l' éthanol , le carburéacteur et le biodiesel , qui sont tous classés dans la catégorie des carburants liquides. Les carburants émulsifiés d'huile dans l'eau, tels que l' orimulsion , ont été développés comme un moyen de rendre les fractions d'huile lourde utilisables comme carburants liquides. De nombreux combustibles liquides jouent un rôle primordial dans les transports et l'économie.

Certaines propriétés communes des combustibles liquides sont qu'ils sont faciles à transporter et peuvent être manipulés facilement. Ils sont également relativement faciles à utiliser pour toutes les applications d'ingénierie et à usage domestique. Les carburants comme le kérosène sont rationnés dans certains pays, par exemple dans les magasins subventionnés par le gouvernement en Inde pour un usage domestique.

Le diesel conventionnel est similaire à l' essence en ce qu'il s'agit d'un mélange d' hydrocarbures aliphatiques extraits du pétrole . Le kérosène est utilisé dans les lampes à kérosène et comme combustible pour la cuisine, le chauffage et les petits moteurs. Le gaz naturel , composé principalement de méthane , ne peut exister sous forme liquide qu'à très basse température (quelle que soit la pression), ce qui limite son utilisation directe comme combustible liquide dans la plupart des applications. Le GPL est un mélange de propane et de butane , qui sont tous deux des gaz facilement compressibles dans des conditions atmosphériques standard. Il offre de nombreux avantages du gaz naturel comprimé (GNC), mais il est plus dense que l'air, ne brûle pas aussi proprement et se comprime beaucoup plus facilement. Couramment utilisés pour la cuisson et le chauffage des locaux, le GPL et le propane comprimé sont de plus en plus utilisés dans les véhicules motorisés. Le propane est le troisième carburant le plus utilisé dans le monde.

Essence

Une bouteille de propane de 20 livres ( 9,1 kg )

Le gaz combustible est l'un des nombreux combustibles qui sont gazeux dans des conditions ordinaires. De nombreux gaz combustibles sont composés d' hydrocarbures (comme le méthane ou le propane ), d' hydrogène , de monoxyde de carbone ou de mélanges de ceux-ci. Ces gaz sont des sources potentielles d' énergie thermique ou d'énergie lumineuse qui peuvent être facilement transmises et distribuées par des canalisations du point d'origine directement au lieu de consommation. Le gaz combustible est contrasté avec les combustibles liquides et les combustibles solides , bien que certains gaz combustibles soient liquéfiés pour le stockage ou le transport. Si leur nature gazeuse peut être avantageuse, évitant la difficulté de transporter des combustibles solides et les dangers de déversement inhérents aux combustibles liquides, elle peut aussi être dangereuse. Il est possible qu'un gaz combustible ne soit pas détecté et s'accumule dans certaines zones, entraînant un risque d' explosion de gaz . Pour cette raison, des odorisants sont ajoutés à la plupart des gaz combustibles afin qu'ils puissent être détectés par une odeur distincte. Le type de gaz combustible le plus couramment utilisé actuellement est le gaz naturel .

Biocarburants

Le biocarburant peut être défini au sens large comme un combustible solide, liquide ou gazeux constitué de ou dérivé de la biomasse . La biomasse peut également être utilisée directement pour le chauffage ou l'électricité, connue sous le nom de biocombustible . Le biocarburant peut être produit à partir de n'importe quelle source de carbone pouvant être reconstituée rapidement, par exemple les plantes. De nombreuses plantes et matières dérivées de plantes différentes sont utilisées pour la fabrication de biocarburants.

Le bois est peut-être le premier combustible utilisé par les humains. Les preuves montrent qu'un feu contrôlé a été utilisé il y a jusqu'à 1,5 million d'années à Swartkrans , en Afrique du Sud. On ne sait pas quelles espèces d'hominidés ont utilisé le feu pour la première fois, car des Australopithèques et une première espèce d' Homo étaient présents sur les sites. En tant que combustible, le bois est resté utilisé jusqu'à nos jours, bien qu'il ait été remplacé à de nombreuses fins par d'autres sources. Le bois a une densité énergétique de 10 à 20 MJ / kg .

Récemment, des biocarburants ont été développés pour être utilisés dans le transport automobile (par exemple, le bioéthanol et le biodiesel ), mais il existe un large débat public sur l'efficacité de ces carburants en carbone.

Combustibles fossiles

Extraction de pétrole

Les combustibles fossiles sont des hydrocarbures , principalement du charbon et du pétrole ( pétrole liquide ou gaz naturel ), formés à partir des restes fossilisés de plantes et d'animaux anciens par exposition à une chaleur et une pression élevées en l'absence d'oxygène dans la croûte terrestre pendant des centaines de millions d'années. Généralement, le terme combustible fossile inclut également les ressources naturelles contenant des hydrocarbures qui ne sont pas entièrement dérivées de sources biologiques, telles que les sables bitumineux . Ces dernières sources sont bien connues sous le nom de combustibles minéraux .

Les combustibles fossiles contiennent des pourcentages élevés de carbone et comprennent le charbon , le pétrole et le gaz naturel . Ils vont des matériaux volatils à faible teneur en carbone : hydrogène comme le méthane , au pétrole liquide en passant par les matériaux non volatils composés de carbone presque pur, comme le charbon anthracite . Le méthane peut être trouvé dans les gisements d' hydrocarbures , seul, associé au pétrole, ou sous forme de clathrates de méthane . Combustibles fossiles formés à partir des restes fossilisés de plantes mortes par exposition à la chaleur et à la pression de la croûte terrestre pendant des millions d'années. Cette théorie biogénique a été introduite pour la première fois par le savant allemand Georg Agricola en 1556 et plus tard par Mikhail Lomonosov au 18ème siècle.

L' Energy Information Administration a estimé qu'en 2007, les principales sources d'énergie étaient le pétrole à 36,0 %, le charbon à 27,4 % et le gaz naturel à 23,0 %, ce qui représente une part de 86,4 % des combustibles fossiles dans la consommation d'énergie primaire dans le monde. Les sources non fossiles en 2006 comprenaient l' hydroélectricité 6,3 %, le nucléaire 8,5 %, et d'autres ( géothermie , solaire , marémotrice , éolienne , bois , déchets ) s'élevant à 0,9 %. La consommation mondiale d'énergie augmentait d'environ 2,3 % par an.

Les combustibles fossiles sont des ressources non renouvelables car il leur faut des millions d'années pour se former et les réserves s'épuisent beaucoup plus rapidement que de nouvelles ne sont créées. Il faut donc conserver ces carburants et les utiliser judicieusement. La production et l'utilisation de combustibles fossiles soulèvent des préoccupations environnementales. Un mouvement mondial vers la production d' énergie renouvelable est donc en cours pour aider à répondre aux besoins énergétiques accrus. La combustion de combustibles fossiles produit environ 21,3 milliards de tonnes (21,3 gigatonnes ) de dioxyde de carbone (CO 2 ) par an, mais on estime que les processus naturels ne peuvent absorber qu'environ la moitié de cette quantité, il y a donc une augmentation nette de 10,65 milliards de tonnes de dioxyde de carbone atmosphérique par an (une tonne de carbone atmosphérique équivaut à 44/12 ou 3,7 tonnes de dioxyde de carbone). Le dioxyde de carbone est l'un des gaz à effet de serre qui renforce le forçage radiatif et contribue au réchauffement climatique , provoquant une augmentation de la température moyenne à la surface de la Terre, ce qui, selon la grande majorité des climatologues, entraînera des effets néfastes majeurs . Les carburants sont une source d'énergie.

Énergie

La quantité d'énergie provenant de différents types de carburant dépend du rapport stoechiométrique , du rapport air/carburant chimiquement correct pour assurer une combustion complète du carburant, et de son énergie spécifique , l'énergie par unité de masse.

Capacités énergétiques des types courants de combustible
Carburant Énergie spécifique (MJ/kg) AFR stoïque. LOIN stoïque. Énergie @ λ=1 (MJ/kg (Air) )
Diesel 48 14,5 : 1 0,069 : 1 3.310
Éthanol 26,4 9 : 1 0,111 : 1 2.933
De l'essence 46,4 14.7 : 1 0,068 : 1 3.156
Hydrogène 142 34,3 : 1 0,029 : 1 4.140
Kérosène 46 15,6 : 1 0,064 : 1 2.949
GPL 46,4 17.2 : 1 0,058 : 1 2,698
Méthanol 19.7 6,47 : 1 0,155 : 1 3.045
Méthane 55,5 17.2 : 1 0,058 : 1 3.219
Nitrométhane 11,63 1.7 : 1 0,588 : 1 6.841

MJ 0,28  kWh ≈ 0,37  HPh .

Nucléaire

Grappes de combustible CANDU Deux grappes de combustible CANDU ("CANada Deuterium Uranium"), chacune d'environ 50  cm de long et 10  cm de diamètre

Le combustible nucléaire est toute matière consommée pour produire de l'énergie nucléaire . Techniquement parlant, toute matière peut être un combustible nucléaire car tout élément dans les bonnes conditions libérera de l'énergie nucléaire, mais les matériaux communément appelés combustibles nucléaires sont ceux qui produiront de l'énergie sans être soumis à une contrainte extrême. Le combustible nucléaire est une matière qui peut être « brûlée » par fission ou fusion nucléaire pour obtenir de l'énergie nucléaire . Le combustible nucléaire peut faire référence au combustible lui-même ou à des objets physiques (par exemple des faisceaux composés de barres de combustible ) composés du matériau combustible, mélangé à des matériaux structuraux, modérateurs de neutrons ou réfléchissant les neutrons.

La plupart des combustibles nucléaires contiennent des éléments fissiles lourds capables de fission nucléaire. Lorsque ces combustibles sont frappés par des neutrons, ils sont à leur tour capables d'émettre des neutrons lorsqu'ils se désagrègent. Cela rend possible une réaction en chaîne auto-entretenue qui libère de l'énergie avec un taux contrôlé dans un réacteur nucléaire ou avec un taux incontrôlé très rapide dans une arme nucléaire .

Les combustibles nucléaires fissiles les plus courants sont l' uranium-235 ( 235 U) et le plutonium 239 ( 239 Pu). Les actions d'extraction, de raffinage, de purification, d'utilisation et finalement d'élimination du combustible nucléaire constituent le cycle du combustible nucléaire . Tous les types de combustibles nucléaires ne produisent pas d'électricité à partir de la fission nucléaire. Le plutonium-238 et certains autres éléments sont utilisés pour produire de petites quantités d'énergie nucléaire par désintégration radioactive dans des générateurs thermoélectriques à radio-isotopes et d'autres types de batteries atomiques . En outre, des nucléides légers tels que le tritium ( 3 H) peuvent être utilisés comme combustible pour la fusion nucléaire . Le combustible nucléaire a la densité énergétique la plus élevée de toutes les sources de combustible pratiques.

Fission

Les pastilles de combustible nucléaire sont utilisées pour libérer de l'énergie nucléaire

Le type de combustible nucléaire le plus couramment utilisé par l'homme est constitué d' éléments fissiles lourds qui peuvent être soumis à des réactions de fission nucléaire en chaîne dans un réacteur à fission nucléaire ; le combustible nucléaire peut faire référence au matériau ou à des objets physiques (par exemple des grappes de combustible composées de barres de combustible ) composés du matériau combustible, peut-être mélangé à des matériaux structurels, modérateurs de neutrons ou réfléchissant les neutrons.

La fusion

Les carburants qui produisent de l'énergie par le processus de fusion nucléaire ne sont actuellement pas utilisés par les humains, mais sont la principale source de carburant pour les étoiles . Les combustibles de fusion ont tendance à être des éléments légers tels que l' hydrogène qui se combinent facilement. De l'énergie est nécessaire pour démarrer la fusion en élevant la température à un niveau si élevé que tous les matériaux se transformeraient en plasma et permettraient aux noyaux d'entrer en collision et de se coller les uns aux autres avant de se repousser en raison de la charge électrique. Ce processus s'appelle la fusion et il peut donner de l'énergie.

Dans les étoiles qui subissent une fusion nucléaire, le combustible est constitué de noyaux atomiques qui peuvent libérer de l'énergie par l'absorption d'un proton ou d'un neutron . Dans la plupart des étoiles, le combustible est fourni par l'hydrogène, qui peut se combiner pour former de l' hélium par la réaction en chaîne proton-proton ou par le cycle CNO . Lorsque le combustible hydrogène est épuisé, la fusion nucléaire peut se poursuivre avec des éléments de plus en plus lourds, bien que l'énergie nette libérée soit plus faible en raison de la plus petite différence d'énergie de liaison nucléaire. Une fois que les noyaux de fer-56 ou de nickel-56 sont produits, aucune énergie supplémentaire ne peut être obtenue par fusion nucléaire car ceux-ci ont les énergies de liaison nucléaire les plus élevées. Les éléments consomment alors de l'énergie au lieu de dégager de l'énergie lorsqu'ils sont fusionnés. Par conséquent, la fusion s'arrête et l'étoile meurt. Dans les tentatives des humains, la fusion n'est effectuée qu'avec de l'hydrogène (isotope de 2 et 3) pour former de l'hélium-4 car cette réaction donne le plus d'énergie nette. Le confinement électrique ( ITER ), le confinement inertiel (chauffage par laser) et le chauffage par de forts courants électriques sont les méthodes les plus utilisées. .

Notes de bas de page

Les références

  • Ratcliff, Brian; et al. (2000). Chimie 1 . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 978-0-521-78778-9.

Lectures complémentaires