1. Fossiele brandstoffen

Samenvatting voor scheikunde: Fossiele brandstoffen

Wat is brandstof? 

Een brandstof is een stof die functioneert als energiedrager. Het is dus een stof die energie draagt, en deze energie komt vrij bij de verbranding van de stof. Vandaar de naam “brand-stof”. De vrijkomende energie kan vervolgens worden omgezet en levert dan verschillende vormen van energie op, zoals warmte, licht of beweging. Energie in de vorm van beweging wordt ook wel kinetische energie genoemd. 

Om een stof te laten ontbranden, oftewel om een reactie op gang te brengen, is er om te beginnen genoeg energie nodig. Er moet dus een bepaalde drempel bereikt worden om de ontbranding te laten plaatsvinden, en dit noemen we de activeringsenergie. Dat geldt dus ook voor de energie die vrijkomt uit de brandstof. De brandstoftoevoer moet dus continu aanwezig en voldoende zijn om de reactie te laten doorlopen. Daarom moet de brandstofopslag vlakbij de plaats van de reactie zijn. Zo kan de reactie ononderbroken doorgaan.

Soorten brandstof

Een brandstof kan dus gezien worden als een bron van energie. Een brandstof, dus een energierijke stof, kan op veel verschillende manieren voorkomen als energiebron.

Zo heb je natuurlijk voedingsstoffen als energieleverancier in levende organismen, bijvoorbeeld voor ons menselijke lichaam. Deze stoffen, zoals koolhydraten en vetten, vormen de bouwstoffen van voedsel en leveren de energie die het lichaam nodig heeft voor de biologische “motoren”. Net zoals dat een auto benzine nodig heeft als brandstof, heeft het lichaam bepaalde voedingsstoffen nodig om de motor draaiende te houden. In het lichaam komt energie door de verbranding van de voedingsstoffen vrij. Het lichaam heeft hele efficiënte manieren om energie te gebruiken als bouwstoffen, maar ook om energie weer op te slaan voor latere verbranding. 

Andere energierijke stoffen welke dienen als energiebron zijn fossiele brandstoffen. Dit zijn stoffen die over honderden miljoenen jaren in de grond geleidelijk zijn ontstaan door hoge druk. Koolstof is een belangrijk onderdeel in deze stoffen. Zo heb je bijvoorbeeld steenkool, wat grotendeels uit pure koolstofatomen bestaat. Ook heb je aardolie en aardgas, welke voornamelijk uit koolwaterstoffen bestaan. Deze fossiele brandstoffen ken je vast, ze worden namelijk erg veel gebruikt als energiebron. 

Hernieuwbare en niet-hernieuwbare stoffen

Bij stoffen kan er ook een onderscheid gemaakt worden tussen hernieuwbare en niet-hernieuwbare stoffen. Doordat fossiele brandstof over een lange periode van honderden miljoenen jaren vanzelf door druk wordt gevormd in de grond, is deze vorm van brandstof een niet-hernieuwbare bron. We kunnen niet zomaar nieuwe maken namelijk, dat kost dus miljoenen jaren.

Een hernieuwbare bron die gebruikt wordt voor energieopwekking kan zich daarentegen prima herstellen na verloop van tijd. Denk hierbij aan zonne-energie of windenergie. De zon blijft schijnen en de wind blijft waaien, dus dit is overduidelijk een hernieuwbare energiebron. Een niet-hernieuwbare bron herstelt zich dus niet meer. Of nou ja, pas over een periode die voor ons niet werkbaar is. 

Gebruik van fossiele brandstoffen 

Stroom

In commerciële energiecentrales worden fossiele brandstoffen op grote schaal omgezet tot elektriciteit en warmte. Dat gebeurt bijvoorbeeld door een fossiele brandstof te verbranden in een grote oven. Deze verbranding zorgt voor het vrijkomen van erg veel warmte. De warmte kan dan weer worden gebruikt om water te verhitten zodat deze verdampt tot stoom. Op zijn plaats kan stoom bepaalde turbines aandrijven, zodat een generator begint te werken. Een generator is een soort grote dynamo die elektrische stroom opwekt met een draaiende as. De energie die in de fossiele brandstof zit wordt dan dus gebruikt om een proces in gang te zetten dat elektrische stroom opwekt. 

Benzine en diesel

Daarnaast worden fossiele brandstoffen natuurlijk ook veel gebruikt voor het aandrijven van vervoersmiddelen. Je rijdt of zit vast wel eens in een auto en weet dat je om te rijden benzine of diesel nodig hebt. Dat zijn mooie voorbeelden van het directe gebruik van fossiele brandstoffen. Benzine en diesel bestaan namelijk uit een combinatie van aardgas en aardolie. In een voertuig wordt de brandstof verbrandt om energie te verkrijgen die nodig is om het voertuig in beweging te brengen. De brandstoffen zijn in grote mate verkrijgbaar en makkelijk te halen bij vrijwel elk tankstation. Ze zijn dus een veel gebruikte energiebron.

Olieraffinaderijen 

Om die benzine te verkrijgen, moet onder andere aardolie worden bewerkt. Deze bewerking gebeurt in olieraffinaderijen. Door middel van het proces van gefractioneerde destillatie wordt aardolie gescheiden in een aantal mengsels van stoffen. Zo’n mengsel van stoffen noemen we een fractie. Een fractie bestaat dus weer uit verschillende stofjes. Dus, na gefractioneerde destillatie van aardolie zijn er verschillende fracties, die weer bestaan uit verschillende stofjes.

Voorbeelden van aardoliefracties zijn lichte benzine, kerosine en gas. De kookpunten van de stofjes binnen een fractie liggen heel dicht bij elkaar, maar tussen de fracties is er een duidelijk verschil in kookpunt. Deze fracties worden dus van elkaar gescheiden door gebruik te maken van dit verschil in kookpunt. Dit gebeurt door de aardolie in een destillatietoren sterk te verhitten en daarmee grotendeels te verdampen. Vervolgens verschilt het per fractie, afhankelijk van het kookpunt dus, wanneer ze weer afkoelen tot vloeibare vorm. Zo worden de fracties gescheiden. 

Deze afzonderlijke fracties kunnen voor verschillende dingen gebruikt worden, bijvoorbeeld als brandstof of als smeermiddel. Door het destillatieproces van aardolie wordt er dus ook een fractie benzine verkregen. Maar, omdat dit relatief vaak niet voldoende benzine oplevert, worden processen gebruikt om de ene fractie om te zetten in de andere fractie. Zo kan men dus bijvoorbeeld meer benzine te verkrijgen. Met behulp van een katalysator en waterstof worden dan zwaardere koolwaterstoffen omgezet in lichtere waterstoffen. Dit proces noemen we “kraken”, en kan dus gebruikt worden om meer van een bepaalde fractie te verkrijgen ten koste van een andere fractie. 

Negatieve aspecten bij het verbranden van energiebronnen

Echter horen we de laatste tijd natuurlijk ook steeds meer over de negatieve kant van het verbranden van deze energiebronnen. Zo zorgen deze bekende fossiele brandstoffen bij verbranding voor het vrijkomen van extra CO2. Dit CO2 zat in de vorm van koolstof opgeslagen in de opbouw van de fossiele brandstof. Het extra CO2 is nadelig voor de ozonlaag van de atmosfeer op aarde en draagt bij aan het broeikaseffect, oftewel de opwarming van de aarde.