液体燃料

液体燃料は、機械的エネルギー、通常は運動エネルギーを生み出すために利用できる可燃性またはエネルギー生成分子であり、容器の形状をとる必要があります。液体燃料の液体ではなく、その蒸気が可燃性です。広く使用されている液体燃料のほとんどは化石燃料から作られていますが、水素燃料（自動車用）、エタノール、バイオディーゼルなど、液体燃料に分類されるタイプもいくつかあります。多くの液体燃料は、輸送と経済において主要な役割を果たしています。

液体燃料は、固体燃料や気体燃料と対比されます。

液体燃料の一般的な特性として、輸送が容易で、比較的簡単に扱えることが挙げられます。液体燃料の物理的特性は温度によって変わりますが、気体燃料ほど大きくは変わりません。これらの特性には、 引火点（可燃性濃度の蒸気が生成される最低温度）、発火点（蒸気が持続的に燃焼する温度）、 ディーゼル燃料の曇点（溶解したワックス状化合物が凝集し始める温度）、流動点（それ以下では燃料が濃すぎて自由に注ぐことができない温度）などがあります。これらの特性は、燃料の安全性と取り扱いに影響します。

現在使用されている液体燃料のほとんどは石油から生産されています。その中で最も有名なのはガソリンです。科学者は一般的に、石油は地殻内の熱と圧力にさらされて死んだ植物や動物の化石化した残骸から形成されたと考えています。

ガソリンは最も広く使用されている液体燃料です。米国とカナダでガソリンとして知られているガソリン、または事実上他のすべての国ではペトロールは、脂肪族化合物、または水素原子が結合した炭素鎖を形成する炭化水素 分子（水素と炭素のみを含む化合物）でできています。しかし、ベンゼンなどの多くの芳香族化合物（環を形成する炭素鎖）はガソリンに自然に含まれており、燃料に長時間さらされると健康リスクを引き起こします。

ガソリンの生産は、原油の蒸留によって行われます。望ましい液体は、製油所で原油から分離されます。原油はいくつかのプロセスで地中から抽出されますが、最も一般的なのはビームポンプです。ガソリンを作るには、まず原油から石油を取り除く必要があります。

液体ガソリン自体は実際に燃焼するのではなく、その蒸気が引火して残りの液体が蒸発し、その後燃焼します。ガソリンは極めて揮発性が高く、容易に燃焼するため、漏れると潜在的に極めて危険です。ほとんどの国で販売されているガソリンには、公表されているオクタン価があります。オクタン価は、ノッキングと呼ばれる早期燃焼に対するガソリンの耐性を経験的に測定したものです。オクタン価が高いほど、燃料は高圧下で自然発火しにくくなり、より高い圧縮比が可能になります。レースカーや高性能の通常生産車で一般的に使用されている高圧縮比のエンジンは、より多くのパワーを生み出すことができますが、そのようなエンジンには、より高オクタン価の燃料が必要です。オクタン価を上げることは、これまで、鉛テトラエチルなどの「ノック防止」添加剤を加えることによって達成されてきました。鉛添加物の環境への影響のため、ノッキングの原因となる不純物を精製してオクタン価を上げることが今日では行われています。

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に似ています。ディーゼルの価格はガソリンより高くなったり安くなったりしますが、抽出プロセスが簡単なため、一般的には生産コストが低くなります。一部の国（特にカナダ、インド、イタリア）では、ディーゼル燃料に対する税率も低くなっています。

蒸留後、ディーゼル留分は通常、燃料中の硫黄の量を減らすために処理されます。硫黄は、車両の腐食、酸性雨、テールパイプ (排気管) からの煤の排出量の増加を引き起こします。歴史的に、ヨーロッパでは米国よりも低い硫黄レベルが法的に義務付けられていました。しかし、最近の米国の法律では、ディーゼルの最大硫黄含有量が 3,000 ppm から 2007 年には 500 ppm に、2010 年までに 15 ppm に引き下げられました。同様の変更は、カナダ、オーストラリア、ニュージーランド、およびいくつかのアジア諸国でも進行中です。超低硫黄ディーゼルも参照してください。

ディーゼルエンジンは、スパークプラグなどの外部点火源を使用するのではなく、事前に空気で圧縮された（これにより温度が上昇する）燃焼室に燃料を噴射して点火するタイプの内燃エンジンです。

灯油は灯油ランプに使用され、調理、暖房、小型エンジンの燃料としても使用されます。照明用として 鯨油に取って代わりました。ジェット エンジン用のジェット燃料は、灯油タイプの混合物であるいくつかのグレード ( Avtur、Jet A、Jet A-1、Jet B、JP-4、JP-5、JP-7 、またはJP-8 ) で製造されています。RP-1 として知られる燃料の 1 つの形式は、ロケット燃料として液体酸素で燃焼されます。これらの燃料グレードの灯油は、発煙点と凝固点の仕様を満たしています。

20 世紀半ばには、灯油または「TVO」（トラクター蒸発油）がトラクターの安価な燃料として使用されていました。エンジンはガソリンで始動し、エンジンが温まると灯油に切り替わります。マニホールドの「ヒート バルブ」が排気ガスを吸気管の周囲に導き、電気火花で点火できる温度まで灯油を加熱します。

低温下でのゲル化やワックス化を防ぐために、ディーゼル燃料の添加剤として灯油が使用されることがあります。ただし、最近のディーゼル エンジン車の一部では、この使用は推奨されません。エンジンの排出ガス規制装置に干渉する可能性があるためです。

LP ガスはプロパンとブタンの混合物で、どちらも標準大気条件下では容易に圧縮できるガスです。圧縮天然ガス (CNG) の多くの利点を備えていますが、燃焼はそれほどクリーンではなく、空気よりも密度が高く、はるかに簡単に圧縮できます。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えています。プロパンは世界で 3 番目によく使用される自動車燃料です。

石油燃料は燃焼すると、植物の成長に必要な二酸化炭素を放出しますが、（世界規模での排出量の多さを考えると）世界の気候に潜在的に有害です。1リットルの燃料が燃焼したときに放出される二酸化炭素の量は次のように推定できます。^[1]近似値として、例えばディーゼルの化学式はCです。
_んH
_2nディーゼルはさまざまな分子の混合物であることに注意してください。炭素のモル質量は 12 g/mol で、水素 (原子!) のモル質量は約 1 g/mol なので、ディーゼル中の炭素の重量分率はおよそ 12/14 です。ディーゼル燃焼の反応は次のように表されます。

2世紀
_んH
_2n+ 3nO ...
₂⇌ 2n CO
₂+ 2nH
₂お

二酸化炭素は、酸素原子 2 個 (16 g/mol) と炭素原子 1 個 (12 g/mol) で構成されているため、モル質量は 44 g/mol です。したがって、12 g の炭素から 44 g の二酸化炭素が生成されます。ディーゼルの密度は 1 リットルあたり 0.838 kg です。すべてをまとめると、1 リットルのディーゼルを燃焼することで生成される二酸化炭素の質量は次のように計算できます。

${\displaystyle 0.838kg/L\cdot {\frac {12}{14}}\cdot {\frac {44}{12}}=2.63kg/L}$

1 リットルのディーゼルから排出される二酸化炭素 2.63 kg という数値は、文献に記載されている値に近いです。

ガソリンの密度は 0.75 kg/L、炭素原子と水素原子の比率は約 6 対 14 で、1 リットルのガソリンを燃焼した場合の炭素排出量の推定値は次のようになります。

${\displaystyle 0.75kg/L\cdot {{\frac {6\cdot 12}{6\cdot 12+14}}\cdot 1}\cdot {\frac {44}{12}}=2.3kg/L}$

石油が容易に入手できない場合は、フィッシャー・トロプシュ法などの化学プロセスを使用して、石炭や天然ガスから液体燃料を生産することができます。石炭からの合成燃料は、第二次世界大戦中、ドイツ軍にとって戦略的に重要でした。今日では、輸送における液体燃料のより高い価値を活用するために、天然ガスから生成される合成燃料が製造されています。

天然ガスは主にメタンから構成され、圧縮して液体にすることができ、他の従来の液体燃料の代替として使用できます。その燃焼は他の炭化水素燃料に比べて非常にクリーンですが、燃料の沸点が低いため、液体状態を保つには燃料を高圧に保つ必要があります。ガソリンなどの燃料よりも引火点がはるかに低いですが、自然発火温度が高く、密度が低いため空気中に放出されると消散するため、多くの点でより安全です。

バイオディーゼルはディーゼルに似ていますが、ガソリンとエタノールの違いに似た違いがあります。たとえば、バイオディーゼルはセタン価が高く (原油由来のディーゼルの 45 ～ 50 に対して 45 ～ 60)、汚れや堆積物を取り除く洗浄剤として機能します。バイオディーゼルは、石油価格が 1 バレルあたり 80 ドル (2007 年 2 月下旬の時点で 40 ポンドまたは 60 ユーロ) を超えた場合にのみ経済的に実現可能になると主張されています。ただし、これは地域、経済状況、バイオディーゼルに対する政府の姿勢、およびその他の多くの要因に依存しており、一部の国でははるかに低いコストで実現可能であることが証明されています。また、通常のディーゼルよりも約 10% 少ないエネルギーしか生成しません。火花点火エンジンでオクタン価の高いアルコールとガソリンを燃焼させるエンジンに使用される高い圧縮比の使用と同様に、バイオディーゼルの高いセタン価を利用すると、通常のナンバー 2 ディーゼルと比較したエネルギー不足を克服できる可能性があります。

一般的に、アルコールという用語は、人類が生産した最初の有機化学物質であるエタノールを指しますが、 ^[2]どのアルコールも燃料として燃やすことができます。エタノールとメタノールは最も一般的であり、十分に安価であるため有用です。

メタノールは、最も軽くて単純なアルコールで、天然ガスの成分であるメタンから生成されます。その用途は、主にその毒性（ガソリンと同様）のため、また、高い腐食性と水との混和性のため制限されています。オクタン価を上げるために、一部のガソリンに少量使用されています。メタノールベースの燃料は、一部のレーシングカーや模型飛行機に使用されています。

メタノールはメチルアルコールまたは木アルコールとも呼ばれます。後者は、メタノールがかつて木材の蒸留から生成されていたためです。メチルハイドレートという名前でも知られています。

エタノールは穀物アルコールまたはエチルアルコールとも呼ばれ、アルコール飲料によく含まれています。しかし、燃料としても使用されることがあり、最もよく使用されるのはガソリンと混合してです。ほとんどの場合、ガソリンの環境への悪影響を軽減するために、ガソリンとエタノールの比率は 9:1 で使用されます。^[要出典]

85%の燃料エタノールと15%のガソリンを混合した混合物の使用に対する関心が高まっています。E85と呼ばれるこの燃料混合物は、ほとんどのプレミアムタイプのガソリンよりも燃料オクタン価が高いです。現代のフレキシブル燃料車で使用すると、エタノールの比エネルギー含有量が低いため、燃料消費量は高くなりますが、代替ガソリンの性能が向上します。^[3]

ガソリンや工業用途のエタノールは、穀物やサトウキビの発酵による生産よりも安価な石油製品エチレンから合成されることが多いため、化石燃料とみなされることがあります。

ブタノールは、エンジンを改造することなく、ほとんどのガソリン内燃機関の燃料として使用できるアルコールです。これは通常、細菌クロストリジウム・アセトブチリカム（ワイツマン菌としても知られる）によるバイオマス発酵の産物です。このプロセスは、無煙火薬である コルダイトの製造のためにデンプンからアセトンを生成するために、1916 年にハイム・ワイツマンによって初めて説明されました。

ブタノールの利点は、オクタン価（100以上）が高く、エネルギー含有量が高いことです。エネルギー含有量はガソリンより約10%低いだけであり、したがってエタノールより約50%、メタノールより100%エネルギー密度が高いです。ブタノールの唯一の大きな欠点は、引火点が高いこと（35°Cまたは95°F）、毒性があること（毒性レベルは存在しますが、正確には確認されていないことに注意してください）、および再生可能なブタノールの発酵プロセスで悪臭が発生することです。ワイツマン微生物は、エタノールと酵母の場合は14%のブタノールレベルに耐えられるのに対し、2%程度までしかブタノールレベルに耐えられません。石油からブタノールを製造してもそのような臭いは発生しませんが、石油の供給が限られていることと石油の使用による環境への影響により、代替燃料の目的が達成されません。ブタノールの価格は 1 キログラムあたり約 1.25 ～ 1.32 ドル (1 ポンドあたり約 0.57 ～ 0.58 ドル、または 1 ガロンあたり約 4 ドル) です。ブタノールは、エタノール (1 リットルあたり約 0.40 ドル、または 1 ガロンあたり約 1.50 ドル) やメタノールよりもはるかに高価です。

2006 年 6 月 20 日、デュポンと BP は、既存のエタノール工場を改造して、テンサイから年間 900 万ガロン (34,000 立方メートル) のブタノールを生産すると発表した。デュポンは、補助金なしで 1 バレルあたり 30 ～ 40 ドル (1 リットルあたり 0.19 ～ 0.25 ドル) で石油と競争できるという目標を掲げており、エタノールとの価格差は縮まっている。

液化水素は、水素元素の液体状態です。ロケット用途の一般的な液体ロケット燃料であり、内燃機関や燃料電池の燃料として使用できます。さまざまなコンセプトの水素自動車は体積エネルギーが低く、燃焼に必要な水素の量は大きいです。水素は、1898 年にジェームズ デュワーによって初めて液化されました。

アンモニア（NH ₃）は、ガソリンが手に入らない時代に燃料として使われてきました（例えば、第二次世界大戦中のベルギーのバス）。アンモニアの体積エネルギー密度は1リットルあたり17メガジュールです（水素は10メガジュール、メタノールは18メガジュール、ジメチルエーテルは21メガジュール、ガソリンは34メガジュール）。アンモニアを液体燃料にするには圧縮または冷却する必要がありますが、水素を液化するのに極低温冷却は必要ありません。 ^[4]

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