燃料

固体燃料とは、エネルギーを生成し、熱を供給するために燃料として使用されるさまざまな種類の固体物質を指し、通常は燃焼によって放出されます。固体燃料には、木材、木炭、泥炭、石炭、ヘキサミン燃料タブレット、木材（木質ペレットを参照）、トウモロコシ、小麦、ライ麦、その他の穀物から作られたペレットなどがあります。固体燃料ロケット技術も固体燃料を使用します（固体推進剤を参照）。固体燃料は、人類が長年にわたり火を起こすために使用してきました。石炭は、炉の燃焼から蒸気機関の運転まで、産業革命を可能にした燃料源でした。木材も蒸気機関車の運転に広く使用されました。泥炭と石炭は、今日でも発電に使用されています。一部の固体燃料（石炭など）の使用は、有害物質の排出レベルが安全でないために、一部の都市部では制限または禁止されています。暖房技術と良質な燃料の入手可能性が向上するにつれて、木材などの他の固体燃料の使用は減少しています。一部の地域では、無煙炭が使用される唯一の固体燃料であることがよくあります。アイルランドでは、泥炭ブリケットは無煙燃料として使用されている。また、石炭の火を起こす際にも使われる。

液体燃料とは、燃焼性またはエネルギー生成能を持つ分子であり、これらを利用して機械エネルギー、通常は運動エネルギーを生み出すことができる。また、液体燃料は容器の形状に沿う必要がある。液体燃料の蒸気は可燃性であるが、液体自体は可燃性ではない。

広く使用されている液体燃料のほとんどは、地殻内部で熱と圧力にさらされた動植物の化石から生成されます。しかし、水素燃料（自動車用）、エタノール、ジェット燃料、バイオディーゼルなど、液体燃料に分類される種類はいくつかあります。重質油留分を液体燃料として利用できるようにする方法として、水中油型燃料（オリマルジョンなど）が開発されました。多くの液体燃料は、輸送と経済において重要な役割を果たしています。

液体燃料の一般的な特性としては、輸送が容易で取り扱いが簡単なことが挙げられます。また、あらゆる工学用途や家庭での使用においても比較的容易に利用できます。灯油などの燃料は、一部の国では配給制となっており、例えばインドでは政府補助金を受けている店舗で家庭用として販売されています。

従来のディーゼルは、石油から抽出された脂肪族炭化水素の混合物であるという点でガソリンと似ています。灯油は灯油ランプや、調理、暖房、小型エンジンの燃料として使用されます。天然ガスは主にメタンで構成されており、非常に低い温度でのみ液体として存在できるため（圧力に関係なく）、ほとんどの用途で液体燃料として直接使用することは制限されます。LPガスはプロパンとブタンの混合物で、どちらも標準大気圧下では容易に圧縮可能なガスです。圧縮天然ガス（CNG）の多くの利点を提供しますが、空気よりも密度が高く、燃焼がクリーンではなく、はるかに容易に圧縮できます。調理や暖房によく使用されるLPガスと圧縮プロパンは、自動車での使用が増加しています。プロパンは世界で3番目に多く使用されている自動車燃料です。

• 
  ディーゼル機関車
• 
  ガソリン
• 
  灯油
• 
  石油系エンジンオイル
• 
  残渣燃料油またはバンカーC油

燃料ガスとは、通常の条件下で気体である様々な燃料の総称です。多くの燃料ガスは、炭化水素（メタンやプロパンなど）、水素、一酸化炭素、またはこれらの混合物から構成されています。このようなガスは、潜在的な熱エネルギーや光エネルギーの源であり、発生源から消費地までパイプを通して容易に輸送・分配することができます。燃料ガスは液体燃料や固体燃料とは対照的ですが、貯蔵や輸送のために液化される燃料ガスもあります。気体であるという性質は、固体燃料の輸送の困難さや液体燃料に内在する漏洩の危険性を回避できるという利点がある一方で、危険な側面もあります。燃料ガスは検出されずに特定の場所に蓄積し、ガス爆発の危険性につながる可能性があります。そのため、ほとんどの燃料ガスには独特の臭いで検知できるように臭気剤が添加されています。現在最も一般的に使用されている燃料ガスは天然ガスです。

バイオ燃料は、バイオマスから構成される、またはバイオマスから派生した固体、液体、または気体の燃料と広く定義できます。バイオマスは、暖房や発電に直接利用することもでき、これはバイオマス燃料と呼ばれます。バイオ燃料は、植物など、急速に補充可能なあらゆる炭素源から生産できます。バイオ燃料の製造には、さまざまな植物や植物由来の材料が使用されています。

人類が最初に利用した燃料はおそらく木材でしょう。証拠によれば、南アフリカのスワートクランスでは、150万年前まで火の制御が使用されていたことが示されています。アウストラロピテクスと初期のホモ属の両方が遺跡に存在していたため、どのヒト科動物が最初に火を使用したかは不明です。^{[ 9 ]}燃料として、木材は現在まで使用され続けていますが、多くの用途で他の燃料源に取って代わられています。木材のエネルギー密度は10～20 MJ / kgです。^{[ 10 ]}

近年、自動車輸送で使用するためのバイオ燃料（例えばバイオエタノールやバイオディーゼル）が開発されているが、これらの燃料がどれほどカーボンニュートラルであるかについては、広く議論が交わされている。

化石燃料は、主に石炭と石油（液化石油または天然ガス）などの炭化水素であり、何億年にもわたって地殻内で酸素のない状態で高温高圧にさらされた古代の植物や動物の化石化した残骸から形成されたものです^{[ 11 ] [ 12 ]} 。一般的に、化石燃料という用語には、タールサンドのように完全に生物由来ではない炭化水素を含む天然資源も含まれます。これらの後者の資源は、正式には鉱物燃料として知られています。

化石燃料は炭素を多く含み、石炭、石油、天然ガスなどが含まれます。^{[ 13 ]}メタンのように炭素と水素の比率が低い揮発性物質 から、液体石油、無煙炭のようにほぼ純粋な炭素で構成される不揮発性物質まで多岐にわたります。メタンは、炭化水素田で単独で、石油とともに、またはメタンクラスレートの形で見つかります。化石燃料は、何百万年にもわたって地殻内で熱と圧力にさらされた死んだ植物の化石化した残骸から形成されました。 ^{[ 11 ] [ 14 ]}この生物起源説は、1556年にドイツの学者ゲオルク・アグリコラによって初めて提唱され、その後18世紀にミハイル・ロモノーソフによって提唱されました。

エネルギー情報局の推計によると、2007年の一次エネルギー源は石油36.0%、石炭27.4%、天然ガス23.0%で構成され、世界の一次エネルギー消費における化石燃料の割合は86.4%でした。 ^{[ 15 ]} 2006年の非化石エネルギー源には、水力発電6.3%、原子力8.5%、その他（地熱、太陽光、潮力、風力、木材、廃棄物）0.9%が含まれていました。^{[ 16 ]}世界のエネルギー消費は年間約2.3%増加していました。

化石燃料は、形成に数百万年かかるため、再生不可能な資源です。埋蔵量は新たな埋蔵量の生成速度をはるかに上回るペースで枯渇しています。そのため、これらの燃料を節約し、賢明に利用する必要があります。化石燃料の生産と使用は環境問題を引き起こします。したがって、増大するエネルギー需要を満たすために、再生可能エネルギーの生成に向けた世界的な動きが進んでいます。化石燃料の燃焼により、年間約 213 億トン(21.3ギガトン) の二酸化炭素(CO ₂ ) が生成されますが、自然プロセスではその半分程度しか吸収できないと推定されているため、年間 106.5 億トンの大気中の二酸化炭素が純増しています (大気中の炭素 1 トンは、44 ⁄ 12 (これは分子量と原子量の比率です) または 3.7 トンの CO ₂に相当します。^{[ 17 ]}二酸化炭素は、放射強制力を高め、地球温暖化に寄与する温室効果ガスの 1 つであり、その結果、地球の平均表面温度が上昇し、気候科学者の大多数が重大な悪影響を引き起こすことに同意しています。燃料はエネルギー源です。

国際エネルギー機関（IEA）は、電気自動車の普及が急増し、再生可能エネルギーが拡大するにつれて、化石燃料価格が下落し、原油価格は1バレルあたり75～80ドルで安定すると予測している。さらに、IEAは液化天然ガスの生産能力が大幅に増加し、欧州のエネルギー多様化が進むと予測している。^{[ 18 ]}

さまざまな種類の燃料から得られるエネルギー量は、化学量論比（燃料の完全燃焼を確保するための化学的に正しい空気と燃料の比率）と、単位質量あたりのエネルギーである比エネルギーによって決まります。

注記

1 MJ ≈ 0.28 kWh ≈ 0.37 HPh。   

（燃料空気比（FAR）は、空燃比（AFR）の逆数です。）

λは空気燃料当量比であり、λ =1は、燃料と酸化剤（空気中の酸素）が反応において完全に消費されるような正確な比率で存在すると仮定していることを意味します。

人類が使用する最も一般的な核燃料は、原子炉内で核分裂連鎖反応を起こさせることができる重核分裂性元素です。核燃料とは、物質そのもの、または燃料物質から構成される物理的な物体（例えば、燃料棒から構成される燃料集合体）を指し、場合によっては構造材、中性子減速材、または中性子反射材が混合されていることもあります。

これらの燃料の一部は、中性子に衝突されると、崩壊する際に中性子を放出する能力を持つ。これにより、原子炉内では制御された速度でエネルギーを放出する、あるいは核兵器内では非常に速く制御不能な速度でエネルギーを放出する、自己持続的な連鎖反応が可能となる。

最も一般的な核分裂性核燃料は、ウラン235（^235U）とプルトニウム239（^239Pu）です。核燃料の採掘、精製、浄化、使用、そして最終的な廃棄という一連の行為を合わせて核燃料サイクルと呼びます。すべての種類の核燃料が核分裂によってエネルギーを生成するわけではありません。プルトニウム238やその他の元素は、放射性同位体熱電発電機やその他のタイプの原子電池において、放射性崩壊によって少量の核エネルギーを生成するために使用されます。

核分裂とは対照的に、トリチウム（^³H ）などの軽い核種は核融合の燃料として使用できます。これは、2つ以上の原子核が結合してより大きな原子核になる現象です。この方法でエネルギーを生成する燃料は現在人間には利用されていませんが、恒星の主要な燃料源となっています。核融合燃料は、原子核が容易に結合する水素などの軽い元素です。核融合を開始するには、原子核が十分なエネルギーで衝突し、電荷によって反発する前に結合できるほど温度を高くすることでエネルギーが必要です。このプロセスは核融合と呼ばれ、エネルギーを放出することができます。

核融合を起こす恒星では、燃料は陽子または中性子の吸収によってエネルギーを放出できる原子核から構成されます。ほとんどの恒星では、燃料は水素によって供給され、水素は陽子-陽子連鎖反応またはCNOサイクルによって結合してヘリウムを形成できます。水素燃料が枯渇すると、核融合は徐々に重い元素で継続できますが、核結合エネルギーの差が小さいため、放出される正味のエネルギーは低くなります。鉄56またはニッケル56の原子核が生成されると、これらの原子核は最も高い核結合エネルギーを持つため、核融合によってそれ以上のエネルギーを得ることはできません。^{[ 19 ]したがって、 56Fe}および^56Niよりも重い原子核は、融合時にエネルギーを放出するのではなく吸収します。そのため、核融合は停止し、恒星は死にます。人間による試みでは、核融合は、この反応が最大の正味エネルギーを放出するため、水素（ ^2H（重水素）または^3H （三重水素））を使用してヘリウム4を形成する場合にのみ行われます。電気閉じ込め（ITER）、慣性閉じ込め（レーザー加熱）、および強電流加熱が一般的な方法である。