سوخت‌های فسیلی منابع تجدیدناپذیر انرژی هستند که از تجزیه جانوران و گیاهان زیر خاک طی میلیون‌ها سال تشکیل می‌شوند. این سوخت‌ها به سه دسته نفت، گاز و زغال‌سنگ تقسیم می‌شوند. بیشتر انرژی مصرفی جهان از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود و این سوخت‌ها یکی از مهم‌ترین دلایل آلودگی محیط زیست، افزایش گازهای گلخانه‌ای و گرمایش زمین هستند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم سوخت فسیلی چیست و چه اثری بر محیط زیست دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم سوخت فسیلی چیست. سپس انواع سوخت فسیلی مانند نفت، گاز و زغال‌سنگ را بررسی کرده و منابع و کاربردهای آن‌ها را بررسی می‌کنیم. در ادامه مطلب، اثر استفاده از سوخت‌های فسیلی را بر محیط زیست بررسی کرده و کاربرد این منابع انرژی را در صنایع مختلف توضیح می‌دهیم. پس از آن، معایب و مزایای سوخت فسیلی را آموخته و تاریخچه سوخت فسیلی را توضیح می‌دهیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید با این منابع انرژی مهم و کاربرد و معایب آن‌ها به شکلی کامل آشنا شوید.

سوخت فسیلی چیست؟

سوخت‌های فسیلی یکی از منابع تجدیدناپذیر انرژی هستند. این سوخت‌ها که از نفت خام، زغال‌سنگ و گاز طبیعی به دست می‌آیند، به وسیله تجزیه باقی‌مانده گیاهان و جانوران ماقبل تاریخ مدفون شده زیر لایه‌های خاک به دست می‌آیند. طی میلیون‌ها سال، انواع مختلفی از سوخت‌های فسیلی در ساختار زمین تشکیل شده است. تفاوت‌های این سوخت‌ها به نوع مواد آلی موجود در منابع آن‌ها، مدت زمان مدفون بودن آن‌ها و دما و فشار موجود در شرایط محیطی آن‌ها بستگی دارد.

امروزه، صنایع مختلف برای استخراج سوخت‌های فسیلی از زیر زمین، روش‌های متفاوتی را برای حفاری آن‌ها استفاده کرده و با سوزاندن آن‌ها، انرژی مورد نیاز فرآیند‌ها را تولید می‌کنند. همچنین، خالص‌سازی سوخت‌های فسیلی برای تولید سوخت‌های مختلف دیگر نیز یکی از روش‌های استفاده از سوخت‌های فسیلی است. استفاده از این سوخت‌ها اثرات مخربی را بر محیط زیست باقی می‌گذارد و باعث ازدیاد گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر می‌شوند. به همین دلیل، امروزه جایگزین کردن سوخت‌های فسیلی با منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا باد یکی از نگرانی‌های جهان امروزه است.

برخی از سوخت‌های فسیلی خالص‌سازی می‌شوند و از آن‌ها مشتقاتی مانند نفت سفید، گازوئیل و دیزل تولید می‌شود. این سوخت‌ها همچنین به مواد پتروشیمیایی مانند پلی اولفین‌ها (پلاستیک‌ها)، مواد آروماتیک یا رزین‌های سنتزی تبدیل می‌شوند. یکی از ویژگی‌های مشترک سوخت‌های فسیلی، وجود ترکیبات آلی در آن‌ها است. ترکیبات آلی ترکیباتی بر پایه اتم کربن هستند.

یادگیری علوم هفتم با فرادرس

سوخت‌های فسیلی از مهم‌ترین منابع انرژی سراسر دنیا هستند که در بسیاری از صنایع استفاده می‌شوند. برای یادگیری بیشتر این موضوع که سوخت فسیلی چیست، باید با مفاهیمی چون انواع مواد، تعریف عنصر و اجزای سازنده ترکیبات آشنا شوید. همچنین شناسایی محیط زیست و اتمسفر زمین و انواع چرخه‌های موجود در طبیعت نیز پایه‌ای برای درک بهتر سوخت‌ای فسیلی هستند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مسائل و مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه نهم، بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده و کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه سوخت فسیلی دسترسی داشته باشید.

انواع سوخت فسیلی

در قسمت قبل آموختیم سوخت فسیلی چیست. سوخت‌های فسیلی معمولا در سه دسته نفت، گاز طبیعی و زغال‌سنگ بررسی می‌شوند. در ادامه، بررسی می‌کنیم ویژگی‌های هر یک از این انواع سوخت‌های فسیلی چیست.

زغال سنگ

زغال‌سنگ یک ماده پیچیده آلی جامد است که قسمت عمده‌ای از آن از تجزیه گیاهان طی گذشت میلیون‌ها سال تشکیل شده است. گیاهان مقدار خیلی زیادی از مولکول سلولز را در ساختار خود دارند، و این مولکول از ساختار‌های به هم متصل گلوکز تشکیل شده است. به همین دلیل، ساختار زغال‌سنگ بسیار پیچیده‌تر از نفت است.

زغال‌سنگ‌های امروزه موجود اغلب از دفن بقایای جنگل‌های مردابی موجود در دوره «کربنیفر» (Carboniferous) به دست آمده است. باقی مانده زغال‌سنگ‌های امروزه در مکان‌هایی وجود دارند که محل وجود این جنگل‌ها بوده است. ساختار زغال‌سنگ دارای تعداد زیادی مولکول اکسیژن است که قسمت‌های مختلف ساختار زغال‌سنگ را به هم متصل کرده‌اند.

ساختار زغال‌سنگ علاوه بر اکسیژن‌های درونی، دارای یک قاب بیرونی متشکل از اتم‌های کربن است. رسم ساختار کلی یک مولکول تکی زغال‌سنگ کار دشواری است با این وجود به دلیل وجود حلقه‌های کربنی، ساختار زغال‌سنگ بیشتر از هیدروکربن‌های آلیفاتیک شبیه به هیدروکربن‌های آروماتیک است. در تصویر زیر، قسمتی از ساختار مولکولی زغال‌سنگ و ساختار سلولز را مشاهده می‌کنید. شباهت ساختار زغال‌سنگ به ساختار سلولز در این تصویر مشخص است.

سلولز دارای زنجیره‌های طولانی مولکول‌های گلوکز است که به وسیله پیوند هیدروژنی به هم متصل شده‌اند. با تحت فشار قرار گرفتن سولولز و حرارت دیدن آن برای مدت زمانی طولانی، مولکول‌های آب از ساختار آن خارج شده و بین حلقه‌ها پیوند برقرار می‌شود. ساختار انواع سوخت‌های فسیلی را مواد آلی هیدروکربنی تشکیل می‌دهند. این مواد، موادی هستند که ساختمان اصلی مولکول آن‌ها از اتم‌های کربن و هیدروژن تشکیل شده است. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر این مواد و خواص آن‌ها، مطلب «هیدروکربن چیست» مجله فرادرس را مطالعه کنید.

انواع زغال‌سنگ

زغال‌سنگ ماده ای سخت و سیاه‌رنگ است که از موادی مانند کربن، هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن و گوگرد تشکیل شده است. از پردازش صنعتی زغال سنگ، موادی مانند زغال کُک، قطران زغال‌سنگ و گاز زغال‌سنگ به دست می‌آید.

۴ نوع کلی از زغال‌سنگ وجود دارد. مقدار هیدروژن و اکسیژن موجود در ساختار این مواد به مدت زمان تشکیل آن‌ها و فشار و دمای وارده به آن‌ها متفاوت است. انواع زغالسنگ زغال قهوه‌ای، زغال نیمه بیتومینه، زغال بیتومینه و آنتراسیت هستند. در زغال قهوه‌ای، مقدار اکسیژن و در آنتراسیت مقدار کربن از باقی انواع زغال‌سنگ بیشتر است. آنتراسیت به دلیل دارا بودن بیشترین مقدار کربن از خالص‌ترین انواع زغالسنگ است. از این نوع زغال‌سنگ در فرآیندهای متالورژی استفاده می‌شود.

تشکیل زغال‌سنگ

فرآیند تشکیل زغال‌سنگ با دفن جانوران و گیاهان برخی از جنگل‌هایی که در مناطق مرطوب وجود داشته‌اند آغاز شده است. خاک فرآیند تجزیه آن‌ها را طی میلیون‌ها سال انجام داده است و این مواد تحت فشار و دمای موجود در پوسته زمین تشکیل شده‌اند.

کاربرد زغال‌سنگ

زغال‌سنگ یکی از سوخت‌های فسیلی است که کاربردهای فراوانی دارد. در ادامه برخی از کاربردهای زغال‌سنگ را نام می‌بریم.

• در ابتدای کشف زغال‌سنگ از این ماده در تولید بخار مورد نیاز برای استفاده در موتور قطارها استفاده می‌شده است.
• از این ماده برای تولید حرارت استفاده می‌شود.
• از زغال‌سنگ برای تولید انرژی حرارتی مورد نیاز در نیروگاه‌های حرارتی استفاده می‌شود.
• از این ماده در برخی از صنایع به عنوان سوخت استفاده می‌شود.
• از مواد تولید شده از آن مانند قطران زغال‌سنگ در بسیاری از صنایع دیگر استفاده می‌شود.

مشکلات زغال‌سنگ

سوزاندن زغال‌سنگ موادی مانند سولفید آهن (II) و دی اکسید گوگرد آزاد می‌کند که اصلی‌ترین مواد تشکیل دهنده باران اسیدی هستند.

نفت خام

برای درک بهتر اینکه سوخت فسیلی چیست، باید ترکیبات آن را بررسی کنیم. نفت خام ماده‌ای شفاف و روغنی است که معمولا سبز یا سیاه رنگ است. این ماده بویی عجیب دارد و ترکیبی از گاز نفت، گازوئیل، پارافین، موم، بنزین، روغن روان کننده و … است. نفتی که به وسیله روش‌های حفاری از زیر زمین استخراج می‌شود، ترکیبی پیچیده از هزاران ترکیب شیمیایی آلی است. این ترکیبات شامل موادی مانند آلکان‌های راست زنجیر، سیکلوآلکان‌ها، آلکن‌ها و هیدروکربن‌های آروماتیکی با ۴ تا صدها اتم کربن هستند. مشخصات این ترکیبات و میزان درصد نسبی آن‌ها بسته به منبع نفت می‌تواند متفاوت باشد.

به همین علت نفت استخراج شده از منابع کشورهای مختلف، ارزش متفاوتی دارد. درواقع، آنالیز نفت‌های به دست آمده از منابع مختلف، می‌تواند مشخصاتی برای آن‌ها به دست آورد که مانند اثر انگشت آن‌ها و منحصر به فرد است. برای مثال، نفت تگزاس، شیرین است و این بدین معنی است که شامل مقادیر بسیار کمی‌ از موادی است که دارای عنصر گوگرد هستند. به همین شکل، نفت عربستان صعودی ترش است بدین معنا که شامل مقادیر بسیار زیادی از ترکیبات گوگرددار است. از نفت خام با نام طلای سیاه نیز یاد می‌شود زیرا از آن در بسیاری از صنایع استفاده می‌شود.

نفت با نام‌های مختلفی مانند Crude Oil یا Petroleum یا Oil شناخته می‌شود.

تشکیل نفت خام

نفت خام با انباشته شدن بقایای اجساد گیاهان و جانوران دریاها و اقیانوس‌ها در سطح کف دریا تشکیل شده است. این بقایا به وسیله لایه‌هایی از شن و لایه‌های ماسه تحت فشار قرار گرفته‌اند. این لایه‌ها با وارد کردن فشار و حرارت به این بقایا، آن‌ها را به نفت تبدیل کرده‌اند. نفت با استفاده از فرآیندهای جداسازی و خالص‌سازی از نفت خام به دست می‌آید.

به طور کلی، ساختار نفت از ۴ نوع اصلی هیدروکربن‌ها تشکیل شده است که هر یک می‌توانند در صنایع مختلفی استفاده شوند. این انواع، هیدروکربن‌های سیرشده، هیدروکربن‌های آروماتیک، رزین‌ها و آسفالتين‌ها هستند. در ادامه درباره هر یک از این مواد توضیح مختصری ارائه شده است.

• هیدروکربن‌های سیر شده مانند آلکان‌ها می‌توانند بلند یا کوتاه زنجیر باشند. برخی از این مواد مانند پنتان و اوکتان از ترکیبات نفت خام جداسازی شده و برای تولید موادی مانند بنزین مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• رزین‌ها مولکول‌های پیچیده‌ای هستند که شامل اتم‌هایی مانند نیتروژن، اکسیژن و گوگرد هستند. این مواد در حالت کلی حالتی کشسانی و ضخیم دارند و در صنایع مختلفی مانند تولید رنگ، پلاستیک و سیمان استفاده می‌شود.
• آسفالتین‌ها مولکول‌هایی بزرگ و پیچیده هستند که در صنایع مختلفی مانند تولید آسفالت جاده‌ها استفاده می‌شوند.
• هیدروکربن‌های آروماتیک دارای ترکیبات هیدروکربنی حلقوی هستند که دارای بویی خاص هستند. بسیاری از این ترکیبات مانند بنزن سمی هستند و می‌توانند باعث بروز سرطان شوند.

جداسازی اجزای نفت خام

نفت خام خود به تنهایی و به صورت مخلوط، کاربرد زیادی ندارد. درواقع، اجزای نفت خام و مشتقات آن هستند که کاربردهای زیادی در صنایع متنوع دارند. اجزای نفت خام را به وسیله روش‌های متفاوتی مانند تقطیر جزء به جزء نفت خام انجام می‌دهند. تصویر زیر نمایی کلی از روند جداسازی اجزای نفت خام است.

مشتقات نفت خام معمولا بر اساس نوع زنجیره‌های کربنی دسته‌بندی می‌شوند. مولکول‌های موجود در هر جزء جداسازی شده، ویژگی‌های مشابهی مانند نقطه جوش مشخص دارند. فرآیند تقطیر جزء به جزء نفت خام در برج‌های تقطیر انجام می‌شود. در این ستون‌ها،‌ دما به شکلی گرادیانی از پایین به بالا افزایش می‌یابد و اجزا بر اساس نقطه جوش جدا می‌شوند.

کاربرد نفت خام

نفت‌خام در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی دارد. برخی از کاربردهای نفت خام در ادامه معرفی شده‌اند.

• از نفت در تولید بسیاری از مواد مانند سقف‌ها، برخی از انواع سیمان و مواد ضد آب استفاده می‌شود.
• از نفت در تولید شوینده‌ها، پلاستیک‌ها، فیبرها، پلی اتن و .. استفاده می‌شود.

از ترکیبات نفت خام و مشتقات آن استفاده‌های فراوان می‌شود. کاربرد برخی از فرآورده‌های نفت خام به شرح زیرند.

• گاز پالایشگاه: گرمادهی و پخت و پز
• بنزین: سوخت اتوموبیل‌ها
• نفتا: ماده اولیه برای تولید مواد شیمیایی
• نفت سفید: تولید سوخت جت
• گازوئیل: سوخت ماشین‌های دیزلی
• نفت کوره: سوخت کشتی‌ها و گرمایش خانه ها
• روانکارها: روان کننده‌ها، پولیش‌ها و موم‌ها
• بیتومین: لایه پوششی راه‌ها

گاز طبیعی

در قسمت قبل آموختیم دو نوع مهم سوخت فسیلی چیست. سومین نوع سوخت فسیلی، گاز طبیعی است. گاز طبیعی، گازی احتراق پذیر است که زیر سطح زمین یافت می‌شود. بین ۷۰ تا ۹۰ درصد ساختار این ماده از مولکول متان تشکیل شده است. با جود اینکه درصد زیادی از گاز طبیعی را متان تشکیل می‌دهد، ساختار و نسبت ترکیبات به منبع تولید این گاز بستگی دارد. گازی که از منابع غنی از متان به دست آمده‌ است، گاز خشک نام دارد. گازهایی که از منابعی به دست آمده‌اند که درصد قابل توجهی از هیدروکربن‌هایی دیگر دارند، گاز خیس نام دارند.

برخی از منابع گاز طبیعی با نام منابع ترش شناخته می‌شوند زیرا دارای ماده هیدروژن سولفید هستند که قبل از استفاده گاز برای گرما یا تولید الکتریسیته باید از آن جدا شود. فرآیند خالص سازی گاز طبیعی فرآیندی پیچیده و دارای مراحل متعدد است تا بتوان ناخالصی‌ها را از آن خارج کرد. نیروگاه‌های گاز – توربین برای تولید الکتریسیته بسیار رایج هستند. این نیروگاه‌ها باعث پایین آمدن قیمت گاز طبیعی و بالارفتن بازده شده‌اند.

با وجود اینکه حجم قابل توجه از گاز طبیعی توسط لوله‌های انتقال منتقل می‌شود، این گاز می‌تواند به شکل مایع و با سرد کردن و تحت فشار قرار دادن گاز منتقل شوند. نیروگاه‌های گاز – توربین کوچک هستند و ساخت و راه‌اندازی آن‌ها سریع است.

تشکیل گاز طبیعی

در فرآیند تشکیل گاز طبیعی، ارگانیسم‌هایی مانند فیتوپلانکتون‌ها و زئوپلانکتون‌ها در اعماق دریاها و اقیانوس‌ها با مواد آلی ترکیب شده‌اند. از این ترکیب لجنی از مواد آلی به دست آمده و زیر لایه‌هایی از شن و ماسه دفن شده و یک لایه آلی را تشکیل داده است. این دفن شدن باعث شده است که اکسیژن به این مواد راه نیابد. افزایش فشار و حرارت زیر این لایه‌ها باعث به وجود آمدن لایه‌ای موم مانند به نام کروژن شده و این لایه در دماهای بین ۹۰ تا ۱۶۰ درجه سانتی گراد تبدیل به گاز طبیعی شده است.

گاربرد گاز طبیعی

گاز طبیعی نسبت به سایر سوخت‌های فسیلی، سوختی تمیز‌تر و ارزان‌تر است و کاربردهای فراوانی دارد. در ادامه برخی از کاربردهای گاز طبیعی را بررسی می‌کنیم.

• گاز طبیعی فشرده شده برای تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• این گاز در برخی از وسایل نقلیه به عنوان سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• از گاز طبیعی در خانه‌ها برای پخت و پز استفاده می‌شود.
• از گاز طبیعی به عنوان ماده اولیه در تولید مواد شیمیایی و کودها استفاده می‌شود.

اثر سوخت فسیلی بر محیط زیست

در قسمت قبل آموختیم انواع سوخت فسیلی چیست. حال باید بدانیم اثر سوخت فسیلی بر محیط زیست چیست. از سال ۱۸۵۰ میلادی تا کنون، سوزاندن سوخت‌ها فسیلی باعث افزایش کربن دی اکسید اتمسفر از (ppm) ۲۸۰ تا ۴۰۰ و بیشتر شده است. تداوم در افزایش غلظت کربن دی اکسید اتمسفر باعث ایجاد اثرات بسیار منفی روی محیط زیست و شرایط جوی می‌شود و در این صورت نیاز است تا سیستم تولید انرژی به طور کلی از سوخت‌های فسیلی به منابع غیر کربنی مانند انرژی آب، خورشیدی، باد و انرژی هسته‌ای تغییر کند.

افزایش میزان کربن دی اکسید که یک گاز گلخانه‌ای است باعث گرم شدن زمین می‌شود. بالا رفتن دمای زمین باعث بالا آمدن سطح دریاها و به خطر افتادن شهر‌های ساحلی می‌شود. همچنین، احتمال وقوع طوفان نیز افزایش می‌یابد. افزایش میزان کربن دی اکسید اتمسفر باعث کاهش pH آب اقیانوس‌ها شده است و حیات موجودات دریا و اقیانوس‌ها به محدوده pH محدودی وابسته است.

افزایش ۲ تا ۳ درجه‌ای ممکن است عدد بزرگی به نظر نرسد اما باید به این نکته توجه داشته باشیم که دمای زمین طی عصر یخبندان حدود ۶ درجه پایین‌تر از دمای اکنون زمین بوده است. استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر، امروزه از مهم‌ترین مباحث حوزه انرژی است. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر درباره انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی امواج و انرژی خورشیدی، فیلم آموزش مبانی انرژی‌های تجدیدپذیر فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

تولید سوخت فسیلی

در قسمت قبل آموختیم اثر سوخت فسیلی بر محیط زیست چیست. سوخت‌های فسیلی یکی از انواع تجدیدناپذیر انرژی هستند. بدین معنی که تولید دوباره‌ی آن‌ها غیر ممکن است یا از لحاظ زمان و هزینه صرفه اقتصادی ندارد. سوخت‌های فسیلی زغال‌سنگ، نفت خام و گاز طبیعی نتیجه تجزیه بی‌هوازی بقایای گیاهان و جانوران مرده هستند که از صدها میلیون سال پیش زیر خاک دفن شده‌اند. سوخت‌های فسیلی به آرامی و با کمک فشار و گرمای لایه‌‌های رویی زمین تشکیل شده‌اند.

مقدار محتوای انرژی سوخت‌های فسیلی نتیجه‌ی تبدیل نور خورشید به پوشش گیاهی است. تبدیل شیمیایی آن به وسیله تجزیه بی‌هوازی در فشار بالا و دمای بالا طی گذشت زمان‌های طولانی انجام شده است. پیش از تکمیل شدن فرآیند تشکیل سوخت‌های فسیلی، موادی به وجود می‌آیند که پیش ماده تولید سوخت‌های فسیلی مانند نفت و گاز هستند. از این مواد می‌توان به کروژن و پوده اشاره کرد.

پیت (پوده)

با شروع فرآیند تجزیه گیاهان، یک ماده فیبری به نام «پوده» (Peat) تولید می‌شود. پوده در واقع از تجزیه تکمیل نشده مواد گیاهی به دست می‌آید و می‌تواند پس از گذشت زمان و حرارت دیدن به زغال‌سنگ تبدیل شود. این ماده در برخی از نقاط جهان به عنوان سوخت استخراج و استفاده می‌شود.

کروژن

از تجزیه اولیه پلانکتون‌ها، ماده‌ای موم مانند به نام «کروژن« (Kerogen) تشکیل می‌شود. کروژن در واقع پلانکتونی است که به شکل کامل تجزیه نشده است و با حرارت دیدن و تحت فشار قرار گرفتن می‌تواند به نفت و گاز تبدیل شود. این ماده به همراه سایر مواد معدنی در لایه‌ای که با نام پوشش سنگ یا پوشش روغنی نامیده می‌شود یافت می‌شود. در طی مدت سالییان گذتشته بسیاری از صنعتگران سعی کرده‌اند که از این ماده نفت را استخراج کنند اما سختی این کار، منابع مخصوص و پسماند‌های خطرناک این فرآیند باعث به سرانجام نرسیدن آن شده است.

کاربرد سوخت فسیلی

تا اینجا آموختیم سوخت فسیلی چیست و چگونه تولید می‌شود. در ادامه کاربردهای این سوخت‌های مهم را بررسی می‌کنیم. از مهمترین کاربرد سوخت‌های فسیلی، تولید انرژی است.

تولید انرژی

سوخت‌های فسیلی سوزانده می‌شوند تا از آن‌ها انرژی تولید شود. این سوخت‌ها در نیرو‌گاه‌ها و در حضور گاز اکسیژن سوزانده می‌شوند. با سوختن سوخت‌های فسیلی انرژی بسیار زیادی به صورت انرژی گرمایی آزاد می‌شود. از این حرارت برای گرم کردن آب استفاده می‌شود و با گرم شدن آب و تولید بخار می‌توان توربین‌ها را به حرکت درآورد. در سال ۲۰۲۲ بیش از ۸۰ درصد کل انرژی مصرفی جهان با استفاده از سوزاندن سوخت‌های فسیلی تامین شده است.

تبدیل انرژی استفاده شده در این روش‌ها، تبدیل انرژی شیمیایی سوخت‌های فسیلی به انرژی جنبشی است که پس از آن میتواند به انرژی الکتریکی نیز تبدیل شود. تمامی سوخت‌های فسیلی دارای مواد آلی هستند که شامل هیدروکربن‌ها هستند. از سوختن هیدروکرن‌ها، دی اکسید کربن و آب تولید می‌شود و دی اکسید کربن تولید شده یکی از عوامل آلودگی محیط زیست و گرمایش زمین است. واکنش سوختن هیدروکربن‌ها به شکل کلی زیر نوشته می‌شود.

$$mathrm{C_xH_y + O_2 rightarrow CO_2 + H_2O}$$

تولید الکتریسیته

از مهم‌ترین کاربردهای سوخت‌های فسیلی، تولید انرژی الکتریکی است. تصویر زیر، نشان‌دهنده یک واحد تولید الکتریسیته با استفاده از نفت خام یا زغال‌سنگ است. در این واحد، سوخت مورد استفاده در یک بویلر سوزانده شده و میزان انرژی حرارتی تولید شده از این واکنش برای تولید تولید بخار فشار بالا و داغ استفاده می‌شود. این بخار تولید شده سپس برای به حرکت در آوردن توربین و تولید الکتریسیته به کار می‌رود. سوخت‌هایی که از نفت خام تولید می‌شوند در نیروگاه‌های عظیم استفاده می‌شوند اما انواع دیزلی این سوخت‌ها معمولا ردر ژنراتورهای کوچک و در مکان‌های کوچک استفاده می‌شود. در سال ۲۰۲۲ بیش از ۶۰ درصد انرژی مورد نیاز برای تامین الکتریسیته جهان با استفاده از سوخت‌های فسیلی تامین شده است.

نیروگاه‌هایی که از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، سوخت را به شکلی مستقیم در توربین سوزانده و مشابه موتور جت هستند. نیروگاه‌هایی که از زغال‌سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، ٪۴۰ انرژی آازاد شده از سوختن این سوخت فسیلی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. از طرفی، نیروگاه‌های هسته‌ای می‌توانند تا ۵۰ درصد کارآمدتر باشند و توربین‌های گازی می‌توانند تا ۶۰ درصد موثر باشند زیرا در دمای بسیار بالاتر عمل خواهند کرد.

استفاده از انرژی سوخت‌های فسیلی برای تولید همزمان انرژی الکتریکی و حرارتی می‌تواند میزان بازدهی این فرآیندها را بین ۱۰ تا ۱۵ درصد افزایش دهد. ته خاکستر (Bottom Ash) و خاکستر هوابرد (Fly Ash) از فرآوده‌های سوختن زغال‌سنگ هستند که در بسیاری از صنایع کاربرد دارند.

مزایا و معایب سوخت فسیلی

در این مطلب آموختیم سوخت فسیلی چیست و چه کاربردهایی دارد. در ادامه مزایا و معایب این سوخت‌ها را بررسی می‌کنیم.

مزایای سوخت فسیلی

سوخت‌های فسیلی سوخت‌هایی هستند که به شکل طبیعی توسط زمین تولید شده اند و تجدیدپذیر نیستند. این سوخت‌ها انرژی زیادی را برای کاربردهای متفاوت تامین می‌کنند و از پر استفاده ترین انواع سوخت در جهان هستند. در ادامه توضیح می دهیم مزایای سوخت فسیلی چیست.

• سوخت‌های فسیلی می‌توانند مقادیر قابل توجهی از الکتریسیته را در یک واحد تولید، تامین کنند.
• یافتن و دسترسی به سوخت‌های فسیلی آسان است.
• سوخت‌های فسیلی مقرون به صرفه هستند.
• انتقال سوخت‌های فسیلی به وسیله لوله‌های انتقال به راحتی انجام می‌شود.
• سوخت‌های فسیلی و استفاده از آن‌ها طی سالیان گذشته ایمن‌تر شده است.
• با وجود تجدیدناپذیر بودن منابع سوخت‌های فسیلی، مقادیر زیادی از آن‌ها در زمین وجود دارد.

معایب سوخت‌های فسیلی

در قسمت قبل آموختیم مزایای سوخت‌های فسیلی چیست. با وجود ارزان بودن و در دسترس بودن این سوخت‌ها، اثراتی که از آن‌ها بر محیط زیست باقی می‌ماند و تجدیدناپذیر نابودن آن‌ها از مهم‌ترین دلایل اقدامات برای جایگزینی آن‌ها با سایر منابع انرژی است. در ادامه، می‌آموزیم معایب سوخت فسیلی چیست.

گرمایش زمین

سوزاندن سوخت‌های فسیلی باعث انتشار مقادیر قابل توجهی کربن دی اکسید می‌شود که یکی از گازهای گلخانه‌ای است و باعث افزایش گرمایش زمین و آلودگی آن می‌شود. بیش از ۷۰ درصد انتشارات گازهای گلخانه‌ای در سال ۲۰۲۲ ناشی از سوزاندن و استفاده از سوخت‌های فسیلی بوده است. چرخه کربن که سهم بزرگی از جذب کربن دی اکسید را توسط اقیانوس‌های انجام می‌دهد، تنها می‌تواند مقدار کمی‌ از کربن دی اکسید تولید شده توسط سوزاندن سوخت‌های فسیلی را تقلیل دهد.

همچنین، پدیده‌هایی چون از بین رفتن پوشش گیاهی به دلیل از بین رفتن جنگل‌ها، دگرگونی زمین‌ها و بیابان زایی باعث کم شدن اثر چرخه کربن در کاهش کربن دی اکسید تولید شده از این روش می‌شوند. به همین علت، میزان کربن دی اکسید تولید شده در جهان در هر سال میلیاردها تن افزایش می‌یابد و این به دلیل اثر گلخانه ای باعث گرمایش زمین می‌شود.

پیشنهاد می‌کنیم برای شناخت بیشتر گازهای گلخانه‌ای و اثر آن‌ها بر دمای زمین، مطلب «اثر گلخانه‌ای چیست» مجله فرادرس را مطالعه کنید.

باران اسیدی

سوزاندن سوخت‌های فسیلی باعث تولید موادی مانند اسید سولفوریک و اسید نیتریک می‌شود که به فرم باران‌های اسیدی به زمین بازمی‌گردند. بارش باران اسیدی منابع و مکان‌های طبیعی و همچنین سازه‌های ساختمانی مختلف را تخریب می‌کند. به دلیل اینکه باران اسیدی می‌تواند کلسیم کربنات را در خود حل کند، یادبود‌ها و مجسمه‌های قدیمی و سازه‌های مرمری بیشتر تحت اثر شسته شدن و تخریب شدن با باران اسیدی هستند.

انتشار مواد رادیواکتیو

برخی از سوخت‌های فسیلی شامل مواد رادیواکتیوی مانند اورانیوم و توریوم هستند. این مواد با سوزاندن سوخت‌های فسیلی به اتمسفر وارد می‌شوند و خطرات بسیاری را برای انسان‌ها و جانوران دارند. در سال ۲۰۰۰ میلادی، حدود ۱۲ هزار تن توریم و ۵ هزارتون اورانیوم در جهان با سوزاندن زغال‌سنگ آزاد شد.

تاثیر بر سلامت انسان

آلودگی‌های زیست محیطی ناشی از سوزاندن سوخت‌های فسیلی به دلیل انتشار ریزگرد‌ها و سایر مواد شیمیایی خطرناک همواره بر سلامت انسان‌ها اثر گذار بوده است. اثراتی که این مواد بر سلامت انسان می‌گذارند شامل مرگ پیش‌رس، بیمار‌های تنفسی حاد، آسم حاد، برونشیت مزمن و کاهش عملکرد ریه‌ها می‌شود. افرادی که بیماری‌های زمینه‌ای دارند، افراد پیر و کودکان بیشتر در معرض خطر این آسیب‌ها هستند.

مرگ‌های ناشی از اثرات سوزاندن سوخت‌های فسیلی بر هوا، در سال ۲۰۱۹، ۱ نفر از هر ۵ نفر گزارش شده است. با وجود اینکه تمامی منابع انرژی ممکن است اثرات متفاوتی داشته باشند و بر سلامت انسان اثر بگذارند، اثر سوخت‌های فسیلی در آلودگی هوا و افزایش گاز‌های گلخانه‌ای بیش از هر سوخت دیگری است. از طرفی، منابع انرژی تجدیدپذیر مدرن، برای سلامت انسان و محیط زیست مفیدتر هستند. از بین سوخت‌های فسیلی، زغال‌سنگ، نفت و گاز طبیعی به ترتیب بیشترین مقدار گاز‌های گلخانه ای را آزاد می‌کنند و انرژی خورشیدی کمترین مقدار نشر گازهای گلخانه‌ای را دارد.

تغییر اسیدیته زمین

سوزاندن سوخت‌های فسیلی، محیط‌زیست را اسیدی‌تر می‌کند که این خود باعث بزور مشکلاتی در محیط زیست وحیات برخی از جانوران می‌شود. فرآیندهای استخراج سوخت‌های فسیلی مشکلات سلامتی بسیاری را برای کارگران در این حوزه پدید می‌آورد.

یادگیری مهندسی شیمی با فرادرس

در این مطلب آموختیم سوخت فسیلی چیست. برای یادگیری بهتر سوخت فسیلی، انواع آن و فرایند‌های حوزه نفت و گاز باید با مطالبی چون انواع انرژی، تبدیل انرژی، بازده و … آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بهتر این مفاهیم، به مجموعه فیلم آموزش مهندسی شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مسائل می‌پردازد.

همچنین با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه سوخت فسیلی دسترسی داشته باشید.

تاریخچه سوخت فسیلی

در قسمت قبل این مطلب از مجله فرادرس آموختیم کاربرد سوخت‌های فسیلی چیست. سوخت‌های فسیلی علاوه‌ بر کاربردهای حیاتی که در تامین انرژی، الکتریسیته و تولید برخی از مواد را دارند، از جنبه‌های دیگری نیز حائز اهمیت هستند. سوخت‌های فسیلی از این جهت در صنایع مختلف استفاده می‌شوند چون می‌توان آن‌ها را در فضای آزاد سوزاند و انرژی آن‌ها را استفاده کرد.

استفاده از پوده برای تامین انرژی به قبل از تاریخ برمی‌گردد. زغال‌سنگ از زمان‌های قدیم برای ریخته‌گری فلزات مورد استفاده قرار گرفته است. هم‌چنین، هیدروکربن‌های نیمه جامد مشتق شده از نفت از زمان‌های بسیار دور برای ضد آب کردن اجسام و مومیایی کردن استفاده می‌شده است. استفاده تجاری از نفت در قرن ۱۹ میلادی آغاز شد. در اوایل قرن ۲۱ نفت سنگین و ماسه‌های نفتی به مهم‌ترین منابع سوخت فسیلی تبدیل شدند.

قبل از قرن ۱۸ میلادی، آسیاب های بادی و آبی انرژی مورد نیاز برخی از فعالیت‌ها مانند اسیاب گندم و پمپاژ آب استفاده می‌شدند و سوزاندن چوب یا پوده تنها برای تهیه حرارت برای مصارف خانگی را تامین می‌کردند. استفاده تجاری از سوخت‌های فسیلی که ابتدا از زغال‌سنگ و سپس نفت رواج یافت، با شروع انقلاب صنعتی آغاز شد. همچنین، استفاده از گاز طبیعی و گاز زغال‌سنگ نیز در همان زمان رایج شد.

با آغاز تولید اتوموبیل‌ها و سایر وسایل نقلیه، نیاز برای استفاده از گازوئیل و دیزل برای سوخت موتور آن‌ها افزایش یافت. امروزه، سایر روش‌های حمل و نقل مانند هواپیماها و قطارها نیز از سوخت فسیلی استفاده می‌کنند. سایر کاربردهای سوخت فسیلی مانند تولید الکتریسیته و صنایع پتروشیمی نیز امروزه رواج دارد. قطران که یکی از مشتقات استخراج نفت است، امروزه در صنایع راهسازی استفاده می‌شود.