Paliwa kopalne
Starożytność Na Bliskim Wschodzie ropa naftowa, a nawet jej pochodne używane bywały do oświetlenia w lampach. Rzymianie używali surowca z prowincji Dacja, znanej obecnie jako Rumunia, w różnych rodzajach pocisków zapalających stosowanych w wojnach. Około 500 r. p.n.e. Chińczycy odkryli złoża ropy naftowej i gazu ziemnego w studniach solnych wierconych na głębokość nawet 30 metrów (1). Kilkaset lat później Chińczycy zaczęli budować bambusowe rurociągi do transportu gazu ziemnego do domów w celu ogrzewania i oświetlenia. O korzystaniu z węgla jako paliwa wiadomo, że sięga w głąb historii do czasów jaskiniowych. Relikty archeologiczne znalezione w Wielkiej Brytanii sugerują, że węgiel był używany tam podczas panowania rzymskiego w II i III wieku naszej ery. Rzymianie zabrali nawet trochę węgla ze sobą do Rzymu. Wykorzystywali go do ogrzewania łaźni i kucia żelaza na sprzęt bojowy i ozdoby.
XIII–XVI wiek Podróżnik Marco Polo opisuje wykorzystanie ropy naftowej w Baku. Pisał też o wykorzystaniu węgla w Chinach. Są archeologiczne świadectwa, że od co najmniej średniowiecza z węgla na opał korzystali Indianie w Ameryce Północnej. W Europie, zwłaszcza na Wyspach Brytyjskich, coraz trudniej było znaleźć drewno na opał i na produkcję powszechnie wykorzystywanego węgla drzewnego. Doprowadziło to w końcu do kryzysu energetycznego w XVI wieku. W ten sposób powstał grunt pod zainteresowanie węglem kamiennym jako paliwem. Jednak początkowo jego wdrażanie budziło spore opory. Król Anglii Edward I w 1306 roku nałożył zakaz na stosowanie węgla ze względu na duże zanieczyszczenie powietrza w Londynie. Nie powstrzymało to dalszej ekspansji węgla.
1556 Ukazuje się dzieło pod tytułem „De Re Metallica” autorstwa Georgiusa Agricoli, w którym zawarty został pierwszy opis technik górnictwa węglowego (2).
1698–1769 Thomas Savery patentuje pierwszą praktyczną maszynę parową jeszcze pod koniec XVII wieku. Kilkanaście lat później Thomas Newcomen udoskonala ją, zwiększając jej wydajność. Jednak dopiero ostry start rewolucji przemysłowej w Wielkiej Brytanii, który datuje się na połowę XVIII wieku, sprawił, że węgiel, a później ropa naftowa i gaz ziemny stały się kluczowymi źródłami energii dla przemysłu i gospodarstw domowych w Wielkiej Brytanii i za granicą. W 1760 roku, węgiel zaspokajał tam dwie trzecie wszystkich potrzeb energetycznych. W 1769 roku James Watt patentuje ulepszoną maszynę parową zasilaną spalanym węglem. Silnik parowy stworzony przez Jamesa Watta stał się główną siłą napędową rewolucji przemysłowej (3).
1804 Richard Trevithick buduje pierwszą lokomotywę parową (4). Jego maszyna ciągnęła pociąg po torach w hucie Penydarren w Merthyr Tydfil w Walii.
1807 Frederick Winsor tworzy pierwszą na świecie firmę zajmującą się budową publicznych zakładów gazowniczych i dystrybucją gazu za pośrednictwem sieci rur. Na początek jego zakład oświetlił aleję Pall Mall w Londynie lampami gazowymi (5).
1846-52 Pineo Gesner, kanadyjski lekarz i geolog, dał pierwszy publiczny pokaz działania nowego paliwa do lamp. Jakkolwiek Polak Ignacy Łukasiewicz jest konstruktorem pierwszej nowoczesnej lampy naftowej (1852), to za odkrywcę nafty (opracował sposób jej pozyskiwania z węgla) uznawany jest właśnie Gesner. Ignacy Łukasiewicz był nie tylko konstruktorem lampy (6), ale również współzałożycielem pierwszej firmy wydobywającej ropę naftową.
1850 James Young i Edward William Binney budują pierwszą na świecie komercyjną rafinerię ropy naftowej.
1859 Edwin Drake przestudiował sposób, w jaki właściciele studni wiercili w poszukiwaniu soli i zdecydował, że może wykonać podobną pracę, wiercąc w poszukiwaniu ropy naftowej w Titusville. Współpracował z Pennsylvania Rock Oil Company, która zbierała ropę naftową wyciekającą z ziemi (7). Drake zdecydował, że wiercenie studni w celu dotarcia do ropy będzie bardziej opłacalnym przedsięwzięciem niż zbieranie ropy wyciekającej na powierzchnię. Drake użył rury wiertniczej, aby dotrzeć do złoża ropy, ale później nie udało mu się opatentować swojej metody wiercenia. Mimo to Drake natrafił na ropę w sierpniu 1859 r., a osiągnięcie to jest uważane za pierwsze udane komercyjne wiercenie w poszukiwaniu ropy.
1860 Joseph Etienne Lenoi, korzystając z wcześniejszych pomysłów, zbudował pierwszy użyteczny silnik spalinowy, dwusuwowy, jednocylindrowy (8), pracujący na mieszance gazu świetlnego (takiego, jakiego używano w popularnych wówczas latarniach gazowych) i powietrza, o mocy 8,8 kW (12 KM). W roku 1877 Nicolaus August Otto skonstruował silnik czterosuwowy ze sprężoną ropopochodną mieszanką paliwową. Czterosuwowa konstrukcja Otto do dzisiaj pozostaje najpopularniejszym na świecie typem silnika spalinowego.
1882 Thomas Edison uruchamia pierwszą komercyjną elektrownię węglową – Edison Electric Light Station, zwaną Pearl Street Station w Nowym Jorku (9).
1863 John D. Rockefeller zakłada Standard Oil Company, która pod koniec XIX wieku kontrolowała 80 proc. rynku paliw w USA (10). W 1911 r., w następstwie procesów antymonopolowych i nakazów sądu federalnego, Standard Oil została podzielona na 34 odrębne firmy.
1885 Pierwszy samochód napędzany rafinowanym produktem ropy naftowej – benzyną – został zbudowany przez niemieckiego inżyniera Carla Benza. Bazując na swoim doświadczeniu i zamiłowaniu do rowerów, wykorzystywał podobną technologię, budując samochód. W przeciwieństwie do kół drewnianych w powozach używał kół ze szprychami. Zastosował czterosuwowy silnik własnej konstrukcji pomiędzy kołami tylnymi. Moc przekazywana była za pomocą dwóch łańcuchów rolkowych na oś tylną. Karl Benz nazwał swoje dzieło „Benz Patent Motorwagen”.
1905 U zarania epoki motoryzacji najpopularniejszym sposobem zaopatrywania się w benzynę było kupowanie jej w przenośnych kanistrach. Z początkiem XX wieku zaczęło się to zmieniać. Za pierwszą stację benzynową uchodzi ta, którą otwarto w St. Louis w stanie Missouri.
1910-13 Walter Snelling, badając właściwości benzyny, oddzielił składniki ciekłe od gazowych, odkrywając propan. „The New York Times” donosił o pracach Snellinga nad skroplonym gazem, pisząc m.in. „...stalowa butelka pomieści wystarczającą ilość gazu, aby oświetlić zwykły dom przez trzy tygodnie”. W 1912 r. Snelling uruchomił pierwszą domową instalację, a rok później otrzymał patent dotyczący przemysłowej produkcji propanu (11). W 1913 r. metoda przetwarzania i produkcji skroplonych gazów ropopochodnych opracowana przez Snellinga uzyskała patent nr 1,056,845. Odrębna metoda produkcji gazu LP poprzez sprężanie została stworzona przez wspólnika Snellinga Franka Petersona.
1913 Badacze z BASF opublikowali wyniki przeprowadzenia reakcji konwersji gazu syntezowego do produktów ciekłych, głównie związków tlenowych (alkoholi, kwasów, itp.) zawierających również małe ilości węglowodorów. Po kliku latach swojej pracy w instytucie Kaiser-Wilhelm w Mülheim, dwaj badacze, Franz Fischer i Hans Tropsch, ogłosili zsyntezowanie produktu, który nazwali „synthol” i który zawierał głównie związki tlenowe, ale również niewielką ilość węglowodorów. Synteza została przeprowadzona na katalizatorze żelazowym. Przez następne kilkanaście lat metoda produkcji paliw syntetycznych, zwana tradycyjnie syntezą Fischera-Tropscha, została dopracowana i wdrożona do przemysłu. W czasie II wojny światowej była ona stosowana do produkcji benzyny na potrzeby zbrojeniowe przez Niemcy i Japonię.
1928-32 Po raz pierwszy zastosowano napęd z wykorzystaniem LPG w ciężarówce, powstała także pierwsza zasilana LPG lodówka. Na igrzyskach olimpijskich w Los Angeles w 1932 r. LPG było używane do gotowania oraz do podgrzewania wody użytkowej.
lata 50. XX wieku Seria innowacji w dziedzinie silników wysokoprężnych przeznaczonych do spalania ciężkich frakcji ropy naftowej (mazutu). Jedną z ważnych zmian było wprowadzenie alkalicznych dodatków do oleju smarującego w tłokach, neutralizowało to kwasy powstające w zasiarczonym paliwie. Poziom zużycia części mechanicznych zbliżył się do silników wysokoprężnych wykorzystywanych w motoryzacji. Pierwszym statkiem z takim smarowaniem silnika był „The Princess of Vancouver”. Do końca XX wieku statki napędzane ciężkimi produktami ropopochodnymi stanowiły 98 proc. jednostek pływających.
2015 Podpisanie porozumienia paryskiego, globalnego zobowiązania do ograniczenia wzrostu temperatury do poziomu poniżej 2°C, a najlepiej do 1,5°C, w porównaniu z poziomem sprzed epoki przemysłowej. Porozumienie paryskie zwraca szczególną uwagę na odejście od paliw kopalnych i przejście na odnawialne źródła energii jako kluczowy element osiągnięcia tych celów. Jest ono zwieńczeniem dłuższego procesu, w którym inne znaczące wydarzenia to m.in. podpisanie w 1997 r. Protokołu z Kioto, pierwszego globalnego porozumienia o redukcji emisji CO2 oraz powołanie Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) rok później.
Rodzaje i właściwości paliw
Podstawowe parametry paliw to wartość opałowa, czyli ilość ciepła wytworzona podczas całkowitego spalania paliwa. Wartość opałowa dolna uwzględnia nieefektywne wykorzystanie ciepła skroplenia pary wodnej w spalinach.
W przypadku paliw płynnych istotna jest liczba oktanowa, określająca odporność paliwa na spalanie stukowe, a także liczba cetanowa, mierząca zdolność paliwa do samozapłonu poprzez porównanie z paliwem składającym się z cetanu i alfametolonaftalenu. Temperatura samozapłonu, czyli temperatura, przy której zachodzi samozapłon mieszanki par paliwa i powietrza, istotna jest przy silnikach o zapłonie samoczynnym. Temperatura krzepnięcia to temperatura, przy której frakcje stałe zaczynają wytrącać się z paliwa, co jest istotne dla silników Diesla. W okresie zimowym rafinerie produkują olej napędowy o niższej temperaturze krzepnięcia, aby umożliwić rozruch samochodu w niskich temperaturach.
Lotność to zdolność paliw do odparowywania. Lepkość i napięcie powierzchniowe decydują o łatwości rozdrabniania paliwa na mgiełkę w nowoczesnych silnikach. Im niższe te parametry, tym lepiej dla rozdrobnienia. Jednak w silnikach o zapłonie iskrowym niska lepkość może wpłynąć negatywnie na powtarzalność dawki, zwiększyć przecieki i pogorszyć smarowanie. Ciepło parowania to istotny parametr związany z napełnianiem cylindrów, określający ilość ciepła potrzebną do odparowania określonej dawki paliwa.
I. Wśród różnych rodzajów paliw ciekłych wyróżnia się:
- Benzynę, która jest używana w samochodach z silnikiem o zapłonie iskrowym. Składa się głównie z węglowodorów o temperaturze wrzenia od 30 do 200°C. Jest zazwyczaj produkowana przez rafinację ropy naftowej, choć istnieją także inne metody jej pozyskiwania.
- Olej napędowy, stosowany w silnikach o zapłonie samoczynnym, również otrzymywany podczas rafinacji ropy naftowej. Coraz częściej paliwa tego typu pozyskuje się z roślin (tzw. estry). Składniki tego paliwa mają temperaturę wrzenia od 170 do 380°C, a istotnym parametrem jest wysoka wartość liczby cetanowej.
- Alkohole, takie jak metanol i etanol, które są wykorzystywane w samochodach. Zazwyczaj dodawane są do benzyny, aby zwiększyć wartość jej liczby oktanowej. Ze względu na niską wartość liczby cetanowej rzadko stosuje się je w silnikach Diesla. Jednym z popularnych mieszanych paliw jest E85 (85 proc. bioetanolu, reszta benzyny), jednak do tankowania tego paliwa potrzebne jest specjalne przygotowanie samochodu, zazwyczaj oznaczone jako FlexiFuel.
- Naftę, używaną do silników z zapłonem iskrowym, ale tylko o niskim stopniu sprężania i niskoobrotowych. Cechuje się wydłużonym czasem spalania i zwłoką przy samozapłonie.
II. Znane paliwa gazowe:
- Gaz ziemny CNG (Compressed Natural Gas) – głównie składający się z metanu, sprężony do ciśnienia 20…25 MPa, może być używany do napędzania zarówno silników z zapłonem iskrowym, jak też samoczynnym.
- LPG (Liquefied Petroleum Gas) – mieszanka skroplonego propanu i butanu, w której proporcje mogą się różnić ze względu na klimat. Paliwo przewożone jest w stanie ciekłym pod niewielkim ciśnieniem 1…1,5 MPa, wymaga wytrzymałych na uderzenia zbiorników, aby uniknąć rozerwania zbiornika od wewnątrz.
- Wodór, uznawany za paliwo przyszłości, uzyskiwany z reakcji chemicznej z tlenem, spalając się, tworzy wodę.
M.U.
