'n Brandstof is enige materiaal wat verbrand of verander kan word om energie, hitte of lig vry te stel of om 'n voorwerp te beweeg. 'n Brandstof stel sy energie vry deur of 'n chemiese reaksie te ondergaan, soos tydens verbranding of 'n kernreaksie soos kernsplitsing of kernsmelting. Onder "brandstowwe" word ook ingesluit die chemiese stowwe wat gebruik word vir vuurpylaandrywing en die radioaktiewe elemente soos uraan, wat in kernreaktors gebruik word. Verbranding behels gewoonlik oksidasie deur suurstof in die lug. 'n Belangrike eienskap van 'n nuttige brandstof is dat dit sy energie moet vrystel slegs wanneer dit benodig word en dat die vrystelling op so 'n wyse beheer kan word dat die energie omgeskakel kan word na meganiese arbeid. Voorbeelde van brandstowwe is petrol en aardgas.
Alle koolstofgebaseerde lewensvorme van die kleinste mikro-organismes tot diere en mense is afhanklik van brandstof in die vorm van voedsel as energiebron. Hulle selle ondergaan chemiese prosesse wat deur ensieme aangehelp word om die energie van voedsel om te skakel en sodoende lewe te onderhou. Hierdie chemiese reaksies staan bekend as metabolisme. Mense maak ook van 'n groot verskeidenheid tegnieke gebruik om die energie in brandstof om te skakel na nuttige energie. Die gebruik van hierdie energie wissel van die hitte vir kookdoeleindes tot die opwekking van elektrisiteit en aandryf van wapentuig.
Algemeen
Brandstowwe van organiese oorsprong, soos aardolie, aardgas en steenkool, is miljoene jare gelede gevorm toe die see groot dele van die huidige landmassas bedek het. Oor lang tydperke het dooie seeplante en -diertjies afgesak bodem toe.
Daar is dit bedek met sedimentêre lae sand en modder, wat uiteindelik versteen het. Die ontsaglike druk en gepaardgaande hitte van hierdie gesteentes het die organiese stowwe omgesit in olie, gas en steenkool. Hierdie brandstowwe bestaan hoofsaaklik uit koolstof en waterstof, die sogenaamde koolwaterstowwe. Die verhouding tussen dié twee elemente is belangrik in die hele brandstoftegnologie. Hoe groter die verhouding van waterstof tot koolstof, hoe vloeibaarder is die brandstof.
Die hoeveelheid warmte wat per kilogram brandstof gelewer word, is bekend as die verbrandingswaarde en dit word in joule per kilogram uitgedruk. Hout se verbrandingswaarde is heelwat laer as dié van steenkool, wat weer laer is as die verbrandingswaarde van die meeste petroleumprodukte. Die temperatuur waarby 'n brandstof sal vlamvat as dit met 'n vonk of vlam in aanraking kom, word die ontbrandingstemperatuur of vlampunt genoem. As brandstowwe geberg of vervoer word, is dit belangrik om die vlampunt in ag te neem om brand of ontploffings te voorkom. Brandstowwe wat geen bewerking nodig het nie, soos steenkool, hout en aardgas, word primêre brandstowwe genoem. Sekondêre brandstowwe - petrol, paraffien, etanol, ens. - word deur chemiese of fisiese prosesse uit die primêre brandstowwe verkry.
Energiebronne
Die brandstowwe wat tans hoofsaaklik deur die mensdom gebruik word se energie-inhoud kom uit 'n klein aantal bronne. Die meeste brandstowwe se chemiese energie is uiteindelik van lewensvorme afkomstig, soos in die geval van fossielbrandstowwe wat oorspronklik afkomstig is van plantlewe wat sonenergie deur middel van fotosintese opgegaar het. Sonenergie word op sy beurt opgewek deur die kernsmeltingsreaksies op die son. Die radio-aktiewe isotope wat as kernbrandstof gebruik word in kernkragstasies is gevorm in supernovaontploffings.
Chemiese brandstowwe is stowwe wat energie opwek deur te reageer met stowwe rondom hulle, gewoonlik met suurstof in die lug deur die proses van oksidasie. Hierdie stowwe is tans die mees algemene soort brandstof in gebruik.
Fossielbrandstowwe
Fossielbrandstof is koolstof en koolwaterstowwe wat oor miljoene jare gevorm het uit die oorblyfsels van dooie plante en diere deur blootstelling aan hitte en druk in die aarde se kors. Hieronder val hoofsaaklik steenkool, ru-olie en aardgas.
Die grootskaalse moderne nywerheidsontwikkeling in die wêreld steun grootliks op die gebruik van fossielbrandstowwe. Die nywerheidsomwenteling van die 20ste en 21ste eeue het die vraag na fossielbrandstowwe aangevuur en is die oorsaak van vele wêreldwye en streekskonflikte en ook omgewingsprobleme. Daar is tans 'n wêreldwye strewe om hernubare energiebronne te ontwikkel om aan die groeiende vraag na brandstowwe te voldoen. Die verbranding van fossielbrandstowwe is die grootste bron van koolstofdioksied vrystellings in die atmosfeer, wat 'n kweekhuisgas is wat tot onwenslike aardverwarming bydra.
Biobrandstowwe
Biobrandstof kan breedweg gedefinieer word as vastestof-, vloeistof- of gasbrandstowwe wat afkomstig is van biomassa. Biomassa kan direk gebruik word en word dikwels na verwys as biomassa-brandstof. Biobrandstowwe kan vervaardig word van verskeie koolstofbronne wat vinnig weer aangevul kan word soos in die geval van plante. Baie verskillende plantsoorte word gebruik in die vervaardiging van biobrandstowwe.
Die eerste brandstof wat algemeen deur mense gebruik was, is hout. By Swartkrans in Suid-Afrika is bewyse gevind dat vuur so lank terug as 1,5 miljoen jaar gelede al as brandstof gebruik is. Dit is onbekend watter mensagtige spesie eerste vuur gebruik het, aangesien beide Homo Sapiens en Australopithecus reeds teenwoordig was op daardie tydstip. Tot vandag toe word hout as brandstof gebruik al is dit deur baie ander bronne vervang. Hout se energiedigtheid is 10–20 MJ/kg.
Die gewildheid van biobrandstowwe vir gebruik in voertuie (onder andere biodiesel en etanol) het onlangs baie toegeneem maar daar heers 'n debat oor die omgewingsimpak van hierdie brandstowwe.
Vaste brandstowwe
Hout
Hout en ander organiese stowwe soos mis en strooi word veral in onderontwikkelde gebiede gebruik. Hout egter te waardevol as 'n konstruksiemateriaal om op groot skaal vir verbranding te gebruik.
Houtskool
Houtskool word gemaak deur hout in oonde te verhit om die gasse en vog af te dryf. As brandstof word dit deesdae maar min gebruik - gewoonlik in sekere chemiese prosesse en vir vleisbraaivure.
Turf
Turf (veen) bestaan uit plantaardige materiaal wat nog nie steenkool geword het nie. Dit het 'n taamlik hoë voggehalte en sy verbrandingswaarde is laag. Droë turfsooie word in lande soos Ierland nog vir huishoudelike stowe en verwarming gebruik.
Steenkool
Steenkool is een van die wêreld se waardevolste en volopste brandstowwe. Bruinkool (ligniet) en antrasiet behoort tot dieselfde familie as steenkool. Bruinkool, die jongste van die drie, is gedurende ʼn later geologiese tydperk as steenkool gevorm. Dit bevat ook baie vog. Antrasiet is 'n baie harde soort steenkool wat heelwat meer hitte afgee as die ander. Omdat Suid-Afrika nie ryk oliebronne het nie, het die klem van ons navorsing op die moontlikhede van steenkool geval.
Op hierdie gebied het Suid-Afrikaners baanbrekerswerk gedoen en die reusagtige Sasol-installasies, waar olie uit steenkool vervaardig word, is 'n bewys daarvan. Die kragsentrales vir die opwekking van elektrisiteit is ook van steenkool afhanklik. Suid- Afrika se jaarlikse opbrengs van meer as 100 miljoen ton steenkool voorsien in 80% van die land se energiebehoeftes.
Die verwerking van steenkool by Sasol lewer 'n groot aantal neweprodukte wat omgesit word in gas, plastiek, misstowwe, teer, ens. Twee nadele van steenkoolverwerking is dat dit duur is om te vervoer (olie kan makIik oor groot afstande deur middel van pypleidings vervoer word) en dat die as na verbranding verwyder moet word.
Kooks
Kooks word verkry as steenkool in oonde verhit word om die gasse te verdryf. Dié gasse, byvoorbeeld koolgas, is ook brandstowwe. Kooks word veral in die yster- en staalbedryf gebruik.
Vloeibare brandstowwe
Aardolie
Aardolie is 'n ryk mengsel van 'n hele reeks swaar en ligte koolwaterstowwe. In raffinaderye word hierdie mengsel geskei om 'n groot aantal produkte, soos petrol, diesel en ligte en swaar olies, te lewer. Aardolie is eeue lank al aan die mensdom bekend. Etlike eeue voor Christus se geboorte het die Chinese gate in die grond geboor om die olie te bekom. In vergelyking met vandag was die gebruike daarvan beperk - dit is meestal in lampe of as pik gebruik. Gedurende die 19e eeu het mense die moontlikhede van aardolie begin insien. Namate nuwe gebruike daarvoor gevind is, het die koorsagtige gesoek na olie begin. Dit duur steeds wêreldwyd voort.
Petrol, dieselolie en paraffien (keroseen)
Dit is die algemeenste vloeibare brandstowwe wat jaarliks in ontsaglike hoeveelhede vir vervoer, landbou, industriële en militêre doeleindes gebruik word. Paraffien word in huishoudelike apparate soos lampe, primusstofies en verwarmers gebruik, maar veral ook as brandstof vir straalvliegtuie, waarvoor dit net minder geraffineer word. Dieselolie is 'n ligte olie. Die swaar olies, soos stookolie, word vir kragsentrales, industriële doeIeindes en skeepvaart gebruik. Sommige groot skepe se masjiene word regstreeks daarmee gestook.
Etanol
Etanol is 'n alkohol wat uit die gisting van plante, byvoorbeeld mielies of suikerriet, verkry word. Etanol se moontlikhede as brandstof geniet al hoe meer aandag namate olie skaarser en duurder word. Heelwat navorsing word in dié verband gedoen.
Gasvormige brandstowwe
Aardgas
Dit is 'n natuurlike gas wat op groot skaal gebruik word. Soos aardolie, is dit diep onder die grond gevorm; dit word deur middel van pypleidings direk van die bron na stede en dorpe gepomp. Aardgas is 'n ideale brandstof, want dit het geen verwerking nodig nie, sy verbrandingswaarde is twee keer hoër as dié van ander gasse, dit vervoer maklik en as dit brand, word feitlik geen afvalstowwe gevorm nie. Die enigste probleem is om dit te berg, want dan moet dit tot 'n baie lae temperatuur afgekoel word.
VP-gas (vloeibare petroleumgas)
Dit bestaan gewoonlik uit propaan en butaan (baie ligte koolwaterstowwe) wat uit aardgas verkry word. Die VP-gas word onder hoë druk in silinders geberg, gereed vir kampering of huishoudelike gebruik soos verhitting, kook of beligting.
Watergas, koolgas, ens.
Dit word as neweprodukte verkry wanneer steenkool verwerk word.
Chemiese brandstowwe
Dit word vervaardig vir vuurpyle. Solank hulle in die atmosfeer om die aarde beweeg, is die suurstof in die lug beskikbaar om die ontbrandingsproses aan die gang te hou, maar sodra die vuurpyl die ruimte inskiet, moet dit sy eie suurstof saamdra. Omdat suurstof in gasvorm te veel ruimte beslaan, word dit aansienlik afgekoel totdat dit ʼn vloeistof word. Soms word 'n oksideerder (soos salpetersuur, HN03) gebruik. Vaste chemiese brandstowwe is ook al ontwikkel- dit het die voordeel dat dit nie gedurig by 'n baie lae temperatuur gehou hoef te word nie.
Kernbrandstof
'n Kernbrandstof is enige materiaal waaruit kernenergie verkry kan word. Kernbrandstowwe soos verrykte uraan, torium en plutonium (by die kernsplytingproses) en waterstof in litium (kernfusie) lewer ontsaglike hoeveelhede energie, en sal in die toekoms 'n groot rol in die verskaffing van energie speel. Omdat daar nog heelwat gevare en probleme aan kernenergie verbonde is, word pogings aangewend om alternatiewe vorme van energieverskaffing te vind. Al die ontwikkelde lande het reeds kernreaktors, en navorsing gaan onverpoos voort.
Kernsplitsing
Die algemeenste kernbrandstowwe tans in gebruik is die swaarelemente wat kernsplitsingkettingreaksies kan ondergaan in 'n kernreaktor. Kernbrandstof verwys hier na die materiaal of fisiese brandstofelemente wat uit die splitsbare materiaal vervaardig is. Die algemeenste kernbrandstowwe is Uraan-235 en Plutonium-239.
Kernsmelting
Daar bestaan tans nog nie tegnologie om brandstowwe wat energie kan vrystel deur kernsmelting (of kernfusie) op 'n beheerbare wyse te benut nie. Kernsmelting is van die kragtigste energiebronne in die natuur en is die bron van sterre se energie. Brandstowwe vir kernsmelting is ligte elemente soos waterstof wat maklik versmelt word.
Die brandstof vir kernsmelting in sterre is atoomkerne wat energie kan vrystel deur 'n proton of 'n neutron te absorbeer. In die meeste sterre word hierdie energie verkry vanaf waterstof wat saamsmelt om helium te vorm deur 'n proton-proton kettingreaksie. Wanneer die waterstof uitgeput is kan die reaksie plaasvind met toenemend swaarder elemente alhoewel die energie wat vrygestel word verminder namate die elemente wat aan die versmeltingsreaksie deelneem swaarder word. Wanneer die reaksies yster-56 of nikkel-56 vervaardig kan geen verdere energie uit verdere versmeltingsreaksies verkry word nie aangesien hierdie elemente die hoogste bindingsenergieë het.
Verwysings
- . EPA. Geargiveer vanaf die oorspronklike op 2007-03-12. Besoek op 2007-01-18.
- Dr. Irene Novaczek. "Canada's Fossil Fuel Dependency" (in Frans). Elements. vanaf die oorspronklike op 4 September 2019. Besoek op 18 Januarie 2007.
- Rincon, Paul (22 Maart 2004). "Bones hint at first use of fire" (in Engels). BBC News. vanaf die oorspronklike op 2 Februarie 2020. Besoek op 11 September 2007.
- Elert, Glenn (2007). "Chemical Potential Energy" (in Engels). The Physics Hypertextbook. vanaf die oorspronklike op 21 April 2009. Besoek op 11 September 2007.
- Fewell, M. P. (1995). "The atomic nuclide with the highest mean binding energy". American Journal of Physics. 63 (7): 653–658. doi:10.1119/1.17828.
- Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409443 band