De term 'fossiele brandstoffen' wordt tegenwoordig nogal veel gebruikt. Vaker wel dan niet, komt het naar voren in de context van milieukwesties, klimaatverandering of de zogenaamde 'energiecrisis'. Behalve dat het een belangrijke bron van vervuiling is, heeft de afhankelijkheid van de mensheid van fossiele brandstoffen de afgelopen decennia geleid tot behoorlijk wat angst en de vraag naar alternatieven aangewakkerd.
Maar wat zijn fossiele brandstoffen precies? Hoewel de meeste mensen bij het horen van deze woorden de neiging hebben om aan benzine en olie te denken, is het eigenlijk van toepassing op veel verschillende soorten energiebronnen die zijn afgeleid van afgebroken organisch materiaal. Hoe de mensheid zo afhankelijk van hen is geworden en waar we naar kunnen kijken om ze te vervangen, zijn enkele van de grootste zorgen waarmee we vandaag worden geconfronteerd.
Definitie:
Fossiele brandstoffen verwijst naar energiebronnen die worden gevormd als gevolg van de anaërobe ontbinding van levende materie die energie bevat als gevolg van oude fotosynthese. Doorgaans zijn deze organismen al miljoenen jaren dood, waarvan sommige zelfs teruggaan tot de cryogene periode (ca. 650 miljoen jaar geleden).
De Bryan Mound Strategic Petroleum Reserve, gelegen in Brazoria Country, Texas. Krediet: energy.gov
Fossiele brandstoffen bevatten hoge percentages koolstof en opgeslagen energie in hun chemische bindingen. Ze kunnen de vorm aannemen van aardolie, steenkool, aardgas en andere brandbare koolwaterstofverbindingen. Terwijl aardolie en aardgas worden gevormd door de ontbinding van organismen, zijn steenkool en methaan de resultaten van de ontbinding van terrestrische planten.
In het eerste geval wordt aangenomen dat miljoenen jaren geleden grote hoeveelheden fytoplankton en zoöplankton zich op de bodem van zeeën of meren hebben gevestigd. In de loop van vele miljoenen jaren vermengde deze organische stof zich met modder en werd begraven onder zware lagen sediment. De resulterende hitte en druk zorgden ervoor dat de organische stof chemisch veranderde en uiteindelijk koolstofverbindingen vormde.
In het laatste geval was de bron dood plantaardig materiaal dat bedekt was met sediment tijdens het Carboon - d.w.z. het einde van het Devoon tot het begin van het Perm (ca. 300 en 350 miljoen jaar geleden). Na verloop van tijd stolden deze afzettingen of werden ze gasvormig, waardoor kolenvelden, methaan en aardgas ontstonden.
Moderne toepassingen:
Steenkool wordt al sinds de oudheid als brandstof gebruikt, vaak in ovens om metaalertsen te smelten. Ook wordt onbewerkte en ongeraffineerde olie eeuwenlang in lampen gebrand omwille van verlichting en werden halfvaste koolwaterstoffen (zoals teer) gebruikt voor het waterdicht maken (grotendeels op de bodems van boten en op dokken) en voor balseming.
Het wijdverbreide gebruik van fossiele brandstoffen als energiebronnen begon tijdens de industriële revolutie (18e-19e eeuw), toen kolen en olie dierlijke bronnen (zoals walvisolie) begonnen te vervangen om stoommachines aan te drijven. Tegen de tijd van de Tweede Industriële Revolutie (ca. 1870 - 1914), begonnen olie en kolen te worden gebruikt om elektrische generatoren aan te drijven.
De uitvinding van de verbrandingsmotor (d.w.z. auto's) verhoogde de vraag naar olie exponentieel, net als de ontwikkeling van vliegtuigen. Tegelijkertijd ontstond de petrochemische industrie, waarbij aardolie werd gebruikt om producten te vervaardigen, variërend van kunststoffen tot grondstoffen. Daarnaast werd teer (een restproduct van de aardoliewinning) veel gebruikt bij de aanleg van wegen en snelwegen.
Fossiele brandstoffen werden centraal in de moderne productie, industrie en transport vanwege de manier waarop ze aanzienlijke hoeveelheden energie per massa-eenheid produceren. Met ingang van 2015, volgens de Internationaal Energie Agentschap (IEA) De energiebehoefte van de wereld wordt nog steeds voornamelijk voorzien door bronnen als steenkool (41,3%) en aardgas (21,7%), hoewel olie is gedaald tot slechts 4,4%.
De fossiele brandstofindustrie is ook goed voor een groot deel van de wereldeconomie. In 2014, wereldwijde kolenconsumptie meer dan 3,8 miljard ton, en goed voor US $46 miljard in omzet alleen in de VS. In 2012 bereikte de wereldwijde olie- en gasproductie meer dan 75 miljoen vaten per dag , Terwijl de wereldwijde omzet gegenereerd door de industrie bereikte ongeveer US $ 1.247 biljoen.
Landen van de wereld gerangschikt in termen van hun jaarlijkse productie van olie. Krediet: Wikipedia Commons/Ali Zifan
De fossiele-brandstofindustrie geniet ook wereldwijd veel bescherming en stimulansen van de overheid. EEN 2014 verslag van het IEA gaf aan dat de fossiele-brandstofindustrie $ 550 miljard per jaar aan wereldwijde overheidssubsidies verzamelt. Echter, een 2015 studie door het Internationaal Monetair Fonds (IMF) aangegeven dat de werkelijke kosten van deze subsidies aan regeringen wereldwijd ongeveer 5,3 biljoen dollar bedragen (of 6,5% van het mondiale BBP).
Milieu-effecten:
Het verband tussen fossiele brandstoffen en luchtvervuiling in geïndustrialiseerde landen en grote steden is duidelijk sinds de industriële revolutie. Verontreinigende stoffen die worden gegenereerd door de verbranding van kolen en olie zijn onder meer kooldioxide, koolmonoxide, stikstofoxiden, zwaveldioxide, vluchtige organische stoffen en zware metalen, die allemaal in verband zijn gebracht met aandoeningen van de luchtwegen en een verhoogd risico op ziekte.
De verbranding van fossiele brandstoffen door mensen is ook de grootste bron van uitstoot van kooldioxide (ongeveer 90%) wereldwijd, een van de belangrijkste broeikasgassen die stralingsforcering (ook bekend als het broeikaseffect) mogelijk maakt, en draagt bij aan opwarming van de aarde.
In 2013 kondigde de National Oceanic and Atmospheric Administration aan dat de CO²-niveaus in de bovenste atmosfeer de 400 delen per miljoen (ppm) voor het eerst sinds het begin van de metingen in de 19e eeuw. Op basis van het huidige tempo waarin de uitstoot toeneemt, NASA schattingen dat de koolstofniveaus in de komende eeuw tussen de 550 en 800 ppm kunnen bereiken.
Als het eerste scenario het geval is, verwacht NASA een stijging van de gemiddelde temperatuur op aarde met 2,5 ° C (4,5 ° F), wat duurzaam zou zijn. Mocht dit laatste scenario echter het geval blijken te zijn, dan zullen de mondiale temperaturen met gemiddeld 4,5 °C (8 °F) stijgen, wat het leven voor veel delen van de planeet onhoudbaar zou maken. Om deze reden wordt gezocht naar alternatieven voor ontwikkeling en brede commerciële acceptatie.
Alternatieven:
Vanwege de langetermijneffecten van het gebruik van fossiele brandstoffen zijn wetenschappers en onderzoekers al meer dan een eeuw bezig met het ontwikkelen van alternatieven. Het gaat onder meer om concepten als waterkrachtcentrales – die al sinds het einde van de 19e eeuw bestaan – waarbij vallend water wordt gebruikt om turbines te laten draaien en elektriciteit op te wekken.
Sinds de tweede helft van de 20e eeuw wordt ook naar kernenergie gekeken als alternatief voor steenkool en aardolie. Hier worden langzame splijtingsreactoren (die afhankelijk zijn van uranium of het radioactieve verval van andere zware elementen) gebruikt om water te verwarmen, dat op zijn beurt stoom genereert om turbines te laten draaien.
Sinds het midden van de twintigste eeuw zijn er nog meer methoden voorgesteld die variëren van eenvoudig tot zeer geavanceerd. Deze omvatten windenergie, waarbij veranderingen in de luchtstroom turbines duwen; zonne-energie, waarbij fotovoltaïsche cellen de energie (en soms warmte) van de zon omzetten in elektriciteit; geothermische energie, die afhankelijk is van stoom die uit de aardkorst wordt getapt om turbines te laten draaien; en getijdenenergie, waarbij veranderingen in de getijden turbines duwen.
De bolvormige tokamak MAST in het Culham Center for Fusion Energy (VK). Foto: CCFE
Alternatieve brandstoffen worden ook gewonnen uit biologische bronnen, waarbij plantaardige en biologische bronnen worden gebruikt om benzine te vervangen. Waterstof wordt ook ontwikkeld als energiebron, variërend van waterstofbrandstofcellen tot water dat wordt gebruikt voor het aandrijven van verbrandingsmotoren en elektrische motoren. Er wordt ook fusie-energie ontwikkeld, waarbij waterstofatomen in reactoren worden samengesmolten om schone, overvloedige energie op te wekken.
Tegen het midden van de 21e eeuw wordt verwacht dat fossiele brandstoffen verouderd zijn, of op zijn minst aanzienlijk zijn afgenomen in termen van hun gebruik. Maar vanuit historisch oogpunt zijn ze in verband gebracht met de grootste en meest langdurige explosies in de menselijke groei. Of de mensheid de langetermijneffecten van deze groei - die een intense hoeveelheid fossiele brandstoffen en de uitstoot van broeikasgassen omvatte - zal overleven, valt nog te bezien.
We hebben veel artikelen geschreven over fossiele brandstoffen voor Universe Today. Hier is Wat is een versterkt broeikaseffect? , Gassen in de atmosfeer , Wat veroorzaakt luchtvervuiling? , Wat als we alles verbranden? , Wat is alternatieve energie? , en 'Klimaatverandering is nu zekerder dan ooit', zegt nieuw rapport
Als je meer informatie wilt over fossiele brandstoffen, ga dan naar NASA's Earth Observatory . En hier is een link naar NASA's artikel over het beschermen van onze atmosfeer .
Astronomy Cast heeft ook enkele afleveringen die relevant zijn voor het onderwerp. Hier is Aflevering 51: Aarde en Aflevering 308: Klimaatverandering .
bronnen: