Fossila och förnybara bränslen

Om du går längst bak i en buss så bullrar det ganska mycket. Det är där motorn sitter. Inne i motorn sker kemiska reaktioner när bränslet under högt tryck förbränns i närvaro av syre. Förbränningen sker explosionsartat. Det som förbränns är någon form av kolväte och det som bildas vid förbränningen är framförallt koldioxid och vattenånga. Eftersom de bildade ämnena är gasformiga och tar större plats än bränslet och luften så sker en utvidgning, en expansion. Det är denna expansion som får kolven att röra sig i motorn och bussen att rulla.

Bränslen kan vara fossila eller förnybara

Råvaror och bränslen delas upp i fossila och förnybara. Det gör det lättare att förstå hur deras användning påverkar vårt samhälle och vårt klimat. Fossila råvaror är ändliga. Det betyder att det finns en bestämd mängd av dem i marken någonstans. När en ändlig resurs tar slut då finns inget mer att få någon annanstans inom ett rimligt tidsperspektiv. Exempel på fossila bränslen är kol, olja och naturgas. Det tar miljontals år att återbilda dessa och därför ser vi dem som ändliga. Förnybara råvaror är sådana som återskapas inom rimliga tidsperspektiv. Gräs som växer upp för att sedan användas eller multna ner, förnyas på ett år. Torv, som finns i stora mängder i vattendränkta myrar över större delen av Sverige, bildas väldigt långsamt. Torv är ett mellanting mellan förnybart och fossilt bränsle.

Fossila energikällor bildades för miljontals år sedan

 

Kol, olja och naturgas har bildats genom en process på flera hundra miljoner år där organiskt material brutits ned under högt tryck, hög temperatur och nästan helt utan syrgas. Om materialet blir fast kallas det kol. Om det är flytande kallas det olja, och om det är gasformigt naturgas. Kol har bildats framförallt av växtdelar, medan olja har bildats av plankton. Ofta hittar vi olika kombinationer av kol, olja och naturgas tillsammans i samma fyndighet. När vi säger ”kol” menar vi alltså materialen stenkol eller brunkol. Det är inte samma sak som atomslaget kol, C. På engelska används olika ord – kol som i stenkol heter "coal" medan atomslaget kol heter "carbon".

Kol delas in i brunkol och stenkol där brunkol är en övergångsform mellan torv och stenkol. I brunkol är halten av atomslaget kol omkring 60–70 %, medan kolinnehållet i stenkol är 85–90 %. Både brunkol och stenkol bryts normalt i stora dagbrott, gruvor ovan jord. Växtligheten på toppen skrapas av och kolet grävs upp med hjälp av jättelika grävskopor. Stenkol finns i större delen av världen, men inte i några stora mängder i Sverige. Den sista kolgruvan i Sverige var den i Bjuv, som stängdes 1979.

Olja består av kolväten

Olja är alltså till skillnad från kol en vätska. Den kan vara rejält trögflytande. Olja består av mättade, omättade och aromatiska kolväten med kolkedjor från fyra till flera hundra kolatomer i. För att få upp olja borras ett djupt hål i marken eller i havsbottnen. I vissa fall kan oljan ha högt tryck och spruta upp ur borrhålet av sig själv. Annars pumpas vatten ner i borrhålet för att pressa upp oljan. Olja finns i många delar av världen, men inte i några stora kända mängder i Sverige. Viss oljeutvinning har skett på Gotland under 1980-talet och i trakten av sjön Siljan under 1800-talet. Det blir svårare och svårare att hitta nya fyndigheter. Därför sker idag utvinning av olja oftare till havs än på land och på mer extrema platser. Ett exempel är i arktiska områden där naturen är sårbar och arbetsmiljön tuff.

Naturgas består mest av metan

 

Naturgas är gasformiga kolväten med 1–3 kolatomer i. Den viktigaste är metan. Till skillnad från kol och olja innehåller naturgas väldigt få föroreningar. Dessutom ger naturgas upphov till 25 % mindre koldioxid än förbränning av bensin, diesel eller olja. Någon storskalig utvinning har inte skett i Sverige.

I de flesta fall utvinns naturgas på liknande sätt som olja. Det sker genom att borra ett hål ned i marken eller havsbotten. Sedan början av 2010-talet används också ett annat sätt att utvinna naturgas. Vatten, sand och kemikalier pressas under högt tryck ner i porösa bergarter på ganska grunda djup. Då slås berget sönder och frigör skiffergas. Denna process kallas för frackning. Frackning ger stor negativ påverkan på miljön.

Metan kan också framställas genom rötning av organiskt material – till exempel avloppsslam, slakteriavfall, och matavfall. Rötning innebär att avfallet bryts ned av mikroorganismer och det bildas en blandning av olika gaser, så kallad rötgas. Efter rening av rötgasen kallas den biogas. Av biogasen kan också andra bränslen såsom biobensin och biodiesel tillverkas.

I ett raffinaderi renas och förädlas kolväten

 

Stenkol och brunkol används ofta direkt som de är som bränsle, främst för uppvärmning. Råolja renas och förädlas däremot normalt i ett raffinaderi. Där värms råoljan till omkring 400 °C så att alla kolväten blir gasformiga. De olika ämnena i oljan delas upp i en destillationskolonn. En destillationskolonn delar upp flyktiga ämnen efter deras kokpunkt.

 

När ångorna stiger uppåt i destillationsanläggningen kyls de ner och kondenserar till vätska igen. Ju tidigare de kokar desto högre upp kommer de i destillationskolonnen. Gasol, som kokar vid lägst temperatur kommer ut i toppen. Bensin, kommer ut ganska högt upp, flygbränsle lite lägre ned, följt av diesel och brännolja. Det som blir kvar kallas för bitumen och används som asfalt på vägarna. Naturgas renas också, bland annat från små mängder av svavelföreningar och koldioxid.

 

I anslutning till ett oljeraffinaderi görs också så kallad krackning. Då sönderdelas större kolväten med hjälp av värme, högt tryck och vatten. Till exempel bildas eten som används bland annat för att framställa plaster. Polyeten är en vanlig plast som till exempel används i plastpåsar. Kolvätena kan också omvandlas till etanol och andra alkoholer.

På senare år har intresset för förnybar råvara till raffinaderierna blivit en viktig framtidsfråga. Idag tillverkas talldiesel och tallbensin i Stenungsund från skogsråvara.

Fossila bränslen banade väg för den industriella revolutionen

Det är ingen slump att kol var det fossila bränsle som först kom till användning. Det var uppenbart enklare att gräva upp kol ur marken än att försöka hantera olja eller naturgas. När ångmaskinen utvecklades i slutet av 1700-talet var det självklart att den drevs med stenkol. Trä hade givetvis varit en annan möjlighet, men vid den här tiden var det brist på trä i stora delar av västvärlden. Däremot fanns det mycket stenkol i England och Tyskland. Det gav helt nya möjligheter att bygga upp industrier. Stenkol är ett utmärkt bränsle för stora ångmaskiner i tåg, fartyg och kraftverk. Det fungerar dock sämre i bilar. När bilen utvecklades var det istället oljan som användes som bränsle.

Naturgas fick sitt genomslag på 1960-talet som bränsle i olika industriella processer och som ersättning för stadsgas som tillverkades från stenkol. Vid den här tiden började naturgas utvinnas ur marken och gasledningar byggdes mellan olika länder. För att kunna transportera naturgasen kondenseras den till vätska.

I en förbränningsmotor sker en mycket snabb förbränning

 

I en förbränningsmotor förbränns förgasade bränslen med luft eller syrgas. Förbränningen äger rum under kontrollerade former i ett trångt utrymme inuti en cylinder där det finns en kolv. Vid den snabba förbränningen bildas koldioxid och vattenånga. De bildade gaserna gör att att kolven rör sig i motorn. Kolvens mekaniska rörelse används för att driva en axel i en buss så att bussen rör sig framåt. I en dieselmotor sker förbränningen under högt tryck. Diesel består av mättade kolvätekedjor. I snitt består kedjorna av 16 kolatomer. Dieselbränslet självantänder när det pressas ihop av kolven i motorn. I en vanlig bensinmotor sker förbränningen vid lägre tryck. Här används ett tändstift som skapar gnistor. Gnistorna antänder sedan blandningen av bränsle och luft. Bränslet i en bensinmotor är oftast mättade kolvätekedjor med 8 kolatomer. För andra bränslen, till exempel etanol eller metan, används speciella diesel- eller bensinmotorer.

I en perfekt fungerande förbränningsmotor förbränns allt bränsle till koldioxid och vatten. I verkligheten fungerar inte det. Det bildas också små mängder av till exempel kolmonoxid. I dieselmotorer gör det höga trycket att det sker reaktioner mellan luftens kväve och syre. Då bildas dikväveoxid och andra kväveoxider. Dikväveoxid är en växthusgas. Den kan också bilda marknära ozon som kan vara skadligt för människor och djur. Dieselmotorn har hittills varit betydligt mycket mer energieffektiv än bensinmotorn. Det sker dock mycket utveckling för att göra bättre bensinmotorer.

Förbränning av fossila bränslen påverkar klimat och miljö

Vid förbränning av fossila bränslen kommer kolatomerna att reagera med syre och bilda koldioxid. Dessa kolatomer har legat begravda djupt ned i jorden i hundratals miljoner år. Frigörandet av dessa kolatomer i form av koldioxid innebär att atmosfärens koldioxidhalt ökar och det påverkar klimatet på jorden. Dessutom innebär transport av olja på fartyg stora risker för miljön. Ett stort oljeutsläpp är en miljökatastrof och naturen drabbas hårt. Därför försöker jordens länder nu ställa om energisystemet så att förnybara bränslen används istället för fossila. Till en början kan förnybara bränslen vara dyrare. Alla fossila bränslen kan heller inte direkt ersättas av förnybara. Det finns inte så mycket biomassa på jorden. En viktig del i omställningen till förnybart handlar därför om att minska den samlade energianvändningen i samhället. Du kan själv hjälpa till genom att använda mindre energi. Det kan du till exempel göra genom att ta lite kortare duschar, släcka lampan i tomma rum eller genom att inte tvätta dina kläder i onödan.

Quiz - Fossila och förnybara bränslen

Vad är det för skillnad mellan de engelska orden “coal” och “carbon”?

Vad kallas det när ett ämne i gasform övergår i vätskeform?

Vilket alternativ är ett fossilt bränsle?

Vilket bränsle är ett mellanting mellan förnybart och fossilt?

Vilket av alternativen är ett förnybart bränsle?

Vad bildas vid förbränning av fossila bränslen?

Vad kallas det när råolja renas och förädlas?

Vad kallas det när skiffergas frigörs genom att kemikalier och vatten pressas ner i porösa bergarter?

Vad kallas det när råolja värms upp och de olika ämnena i oljan delas upp beroende på kokpunkt?

Vad bildas vid förbränning av förnyelsebara bränslen?

Uppgifter - Fossila och förnybara bränslen

Förklara och beskriv
  1. Förklara skillnaden på ett fossilt och ett förnybart bränsle.

  2. Ge exempel på fossila bränslen.

  3. Ge exempel på förnybara bränslen.

  4. Vad är torv?

  5. Förklara hur fossila bränslen har bildats.

  6. Förklara skillnaden mellan fossilt kol och grundämnet kol.

  7. Förklara vad ett kolväte är.

  8. Ge exempel på några olika kolväten.

  9. Vad är rötgas?

  10. Förklara hur frackning går till.

  11. Vad är det för skillnad på biogas, rötgas och naturgas?

  12. Vad händer i ett raffinaderi?

  13. Vad innebär destillation?

  14. Beskriv vad som händer i en destillationskolonn.

  15. Vad innebär kondensation?

  16. Hur fungerar en förbränningsmotor?

  17. Det sägs att fossila bränslen banade väg för den industriella revolutionen. Förklara vad som menas med det.

  18. Bränslet i en bensinmotor är oftast mättade kolvätekedjor med 8 kolatomer. Vad innebär det? Hur ser en sådan molekyl ut?

  19. Vilka ämnen bildas vid en fullständig förbränning?

  20. Vad innebär det att ett ämne är en växthusgas?

  21. Förklara varför koldioxidhalten i atmosfären ökar på grund av användandet av fossila bränslen.

Argumentera och resonera
  1. Ge förslag på hur ungdomar i din ålder kan minska sin energianvändning.

  2. Fundera över och försök förklara varför en förbränningsmotor bullrar.

  3. Vad är skillnaden mellan (fossil) metan och biometan?

  4. Finns det någon miljövinst att göra genom att ersätta kol och olja (diesel/bensin) med naturgas?

  5. Vilka naturvetenskapliga argument finns det för och/eller emot följande påståenden?
    a) Frackning borde förbjudas.
    b) Framställning av biogas borde öka.
    c) Det är fel att borra efter olja i arktiska områden.

Ta reda på
  1. Ta reda på hur frackning påverkar miljön.

  2. Naturgas är gasformiga kolväten med 1–3 kolatomer i. Ta reda på vad dessa kolväten har för namn.

  3. Ta reda på hur stor del av fordonen i Sverige som drivs av förnyelsebara bränslen.

  4. Studera en bit torv och en bit stenkol i mikroskop! Kan du se några spår efter de växter och djur som gett upphov till torven respektive stenkolet?

  5. Gör ett studiebesök på det lokala kraftvärmeverket och undersök vilket bränsle som används idag och vilket bränsle som användes när verket togs i drift. Om det finns en skillnad – fråga vad den beror på!