Download - Kol som energikälla

Kol som energikällaKol ersatte ved som dominerande enegikälla i USA på 1890-talet. Det första koldrivna elkraftverket togs i bruk 1882 och producerade ånga som fick en generator att producera ström. Två år senare utvecklade Charles Parson den mer effektiva ångturbinen. På 1920-talet började man pulvrisera kolet, vilket ökade verkningsgraden och reducerade mängden luft som krävdes för förbränningen. Cyklonugnen (1940) passade bra för kol av sämre kvalitet och den gav mindre aska. Ny kemiteknik har utvecklats för att kunna förbränna restprodukter från kolindustrin i energisyfte och för att minska miljö-belastningen.

OljaUpptäckten av oljefälten i Spindleton i Texas 1901 och den samtida utvecklingen av bilen fick olja att passera kol som främsta energikälla 1951. Tekniker för att utvinna olika kemiska beståndsdelar ur råoljan har förbättrats kontinuerligt. Det började med enkla destillationer vid atmosfäriskt tryck och sedan vakum. Därefter kom metoder för krackning och nu senast metoder baserade på katalysatorer. I processen med att få fatt på råoljan märks kemin mest i samband med diamantborrar, borrvätska och extraktion av olja från skiffer genom användandet av kemikalier och ånga. För att få upp ytterligare olja pumpar man in koldioxid eller vatten i borrhålen.

KärnkraftDen första kärnreaktorn utvecklades 1942 och var för militära syften. För fredlig elproduktion startade man 1951 med president Eisenhower’s Atoms for Peace program. Kemin har varit inblandad ända från början, i t.ex. produktionen av det radioaktiva bränslet, i framtagandet av styrstavarna som reglerar hur många neutroner som tillåts frisläppas i processen, i upparbetningen av förbrukat bränsle, i handhavandet av restprodukter, samt miljöskydd och strålskydd.

Alternativa energikällorMer miljövänliga metoder för att utvinna energi såsom genom vindkraft, vattenkraft, vågkraft, solbestrålning och markvärme utgör globalt mindre än en procent av världens totala energiproduktion men de ökar konstant. Kemin deltar i denna utveckling. Det gäller solpaneler för värmeabsorption och el-produktion, superlätta kolfibrer i vindkraftverkens propellerblad, metalligeringar i vattenturbiner och rostbeständiga material för att skydda markvärmeanläggningar.

I. ENERGI OCH TRANSPORTER

I.1. Energikällor

Charles Parson

Parsons ångturbin

(1907)


I.2. Förvaring av elektrisk energi

BatterierKemins koppling till elektrisiteten undersöktes först av Alessandro Volta vid slutet av 1700-talet. Kemiämnet har sedan dess fortsatt att bidra till förbättringen av batteriernas kraft och hållbarhet. 1890-talets brunstensbatterier är en förbättring av Leclanché’s våta batteri. Dessa producerades kommersiellt för att användas i ficklampor och är fortfarande i användning. En ny alkalisk deg började användas 1949 i traditionella batterier, vilket gav dem längre hållbarhet och gjorde det möjligt att förminska dem. Dessa alkaliska batterier fann snabbt användning i bärbara elektriska prylar, bland annat kameror och leksaker. Sedan dess har nya modeller av batterier kommit, vilka baseras på silveroxid, kvicksilveroxid och litium

Laddningsbara batterierDet klassiska bly-batteriet från 1859 är ett tidigt exempel på en produkt där man använde en känd kemisk reaktion för att producera energi. Givetvis har bly-batteriet förbättrats under årens lopp men ändå är det samma typ av batteri som dominerar i alla bilar och lastbilar världen över. Nickel-kadmium-batteriet som uppfanns redan 1899 har hittills aldrig blivit riktigt kommeriellt gångbart då det är för dyrt. Istället har man fokuserat på litium. Efter ett misslyckat försök att använda litium metall på 1980-talet, så är nu istället litium-jon-batterier vanliga. Du hittar dem till exempel i mobiltelefoner och bärbara datorer.

Brunstensbatteri

Laddningsbara batterier


I.3. Material för vägar och broar

BetongMånga av efterkrigstidens stora infrastruktur-projekt rörande vägar och broar vilade på styrkan och beständigheten hos olika betongblandningar. Den så kallade Portland-cementen, först blandan 1824 och sedan patenterad som armerad betong 1877 av fransmannen Joseph Monier, stelnar långsamt på grund av en komplex kemisk reaktion där cementblandningen fyller tomrummet mellan partiklar och andra armeringar. Dess styrka och hållbarhet beror på omsorgsfull kontrol under tillverkningsprocessen. Tillsats av andra kemikalier till cementen kan förhindra den att krympa och att skydda rostkänsliga järndetaljer.

AsfaltAsfalt är ett populärt vägmaterial då det är relativt billigt och har egenskaper som passar funktionen som vägbeläggning. Naturlig asfalt upptäckted 1595 men det blandades inte med oljegrus och användes som vägbeläggning förrän 1902. Bitumen, den hårda eller halvhårda restprodukten från oljerafinaderierna, ersatte snart naturlig asfalt på vägarna. Nyligen har man börjat tillsätta syntetiska polymerer för att öka asfaltens styrka och hållbarhet. Superpave (en förkortning av Superior Performing Asphalt Pavements) är den senaste tekniken för att göra asfalt som kan tåla ihållande hårt tryck och varierande väderlek.

Metaller och ligeringarStål har blivit det populäraste byggmaterialet för broar. Dess fördelar är relativt låg vikt, styrka och beständighet. Dessutom är stålbroar lätta att underhålla, konstruera och resa. De står också bra emot naturkatastrofer som jordbävningar. Nya sorters kvalitets-stål introducerade på 1990-talet har överlägsen styrka och är dessutom rostfritt. En annan metod för att skydda stålet i broar mot rost är att spraya aluminum eller zinc på en ren yta av stål. Detta ger ett skydd som varar i 30 år.

Underhålls- och reparationsteknikerVägar måste tåla många typer av väder under lång tid. Kontrasten är stor mellan stekhet sol och bitande kyle. Dessutom orsakar tjälen rörelser i marken som vägen måste stå emot. Uppfinningar som förbättrar de ursprungliga konstruktionerna och underhållsmaterialet gör att man kan vänta längre mellan reparationerna av vägarna. Fogmassa för betong, asfalt och stål är viktiga för att förlänga vägens livslängd. Andra kemikalier och polymerer fungerar som bindningsmedel i asfalten. Till exempel styren-butadien-styren minskar sprickbildningen.


I.4. Petrokemiska bränslen

BränsletillsatserTidiga bilmotorer “knackade” när bensin av dålig kvalitet användes. 1921 började tetraetyl-bly tillsättas bensinen, vilket fick motorerna att gå jämnare och tystare. 1926 införde man en oktan-skala för att belysa bensinens kvalitet (kompressions-tollerans). Tillsats av blyderivat till bensinen fasades ut på 1980-talet på grund av miljöskäl. Idag adderer man små mängder alkoholer och etrar till bensinen för att förbättra oktantalet. Vidare tillsätter man detergenter för att minska friktionen i motorn och därmed öka dess livslängd. På kalla platser kan man dessutom tillsätta metanol för att förhindra frysbildning av kondensvatten i bränslerören.

Framställning av bensin från oljaRåolja består bara till en viss del av de korta molekylkedjor som passar som bensin. För att få ut mer bensin ur råolja använde man värme för att bryta sönder långa molekyler i mindre. Metoden kallas krackning (1913). Då höga temperaturer också ger en hel del oönskade biprodukter införde man 1928 en destillationsprocess i vakum som fungerade vid låga temperaturer. Att istället använda en katalysator för kracking utvecklades av Eugene Houdry 1936 och metoden introducerades snabbt på raffinaderierna.

KatalysatorerTvå-stegs-katalysatorer blev standard på bilar efter 1975. Dessa infördes för att minska utsläppen av kolmonoxid och kolväten. Senare utvecklades tre-stegs-katalysatorer som också minskade utsläppen av kväveoxider. Katalysatorerna fungerar genom att underlätta en rad reaktioner som sker runt en katalysatorisk metall, vanligtvis platina. I katalysatorn omvandlas kolmonoxiden till koldioxid, kväveoxiderna blir kvävgas och syrgas, och de oförbrända kolvätena blir vatten och koldioxid.

En tre-stegs-katalysator

Oljeraffinaderi


I.5. Fordon

Advancerade material för design, komfort och säkerhet2000-talets bilar har lite gemensamt med de första bilarna vad gäller design, komfort och passagerarsäkerhet. Starka strålkastare gör det möjligt att köra på natten. Rostproblemen har starkt reducerats genom användandet av nya material och rostskyddsbeläggningar. Kemiska köldmedel cirkulerar i slutna klimatanläggningar, vilket ger en behaglig temperatur både sommar som vinter. Säkerhetsglas introducerades 1914. Idag täcks glaset av speciella polymerer för att reducera vikten, stänga ute buller, minska problem med motljus och för att skydda mot ultravioletta strålar. Polymera fibermaterial ingår i säkerhetsbälten och i airbags.

PlastkomponenterTack vare kemiska landvinningar kan man idag reducera bilarnas vikt genom att byta ut metall mot olika plastmaterial. Detta började man med efter andra världskriget. Plasten har fördelarna av att vara segt, hållbart och resistent mot väder och vind. Det var energikrisen på 1970-talet som startade sökandet efter lätta material istället för metall. Lätta bilar drar nämligen mindre bränsle. Dagens spektakulära men funktionsdugliga detaljer rörande designen är möjligt tack vare mycket lättarbetade och formbara polymerer. Det ingår också en hel del kemi för att få bilens detaljer att behålla färgen och inte blekas av väder och vind.

Polypropilen fiber

DäckGummi-produkter baserade på naturgummi från gummiträd började dyka upp på tidigt 1800-tal men dessa var opraktiska då de med tiden blev mjuka eller fick sprickor på grund av varmt eller kallt väder. En amerikansk uppfinnare, Charles Goodyear, utvecklade vulkaniseringsprocessen för naturligt gummi 1839, genom att koppla omättade bindningar i gummit med svavel. Denna grundläggande process används än idag med ytterligare tillsatser av stabilisatorer. Från 1945 producerades syntetiskt gummi kommersiellt. När kraven på däcken sedan ökade introducerades andra förbättringar. Således ersattes solida gummihjul av däck med en innerslang. Däcken armerades med fibrer för att bli hållbarare. Vinterdäck med slitstarka dubbar introducerades och tillslut kom däck utan innerslang.


I.6. Luftfarkoster

VarmluftsballongerAlltsedan 1783, när den första ballongflygningen ägde rum så har nya metoder och uppfinningar använts. Varm luft ersattes snart av väte, vilket var enklare att kontrollera. Fortfarande är dock ballongflygning med varmluft populärt och i Sverige har 315 personer tagit ballongpilot certifikat till och med 2009. Kemiämnet har bidragit med hållbarare, billigare och värmetåligare nylon-material och med flytande propan-teknik för framdrivande.

HeliumTrots att vätgasfyllda ballonger såsom den ökända Zepperlinaren Hindenburg (1937), hade en stabil konstruktion, så utgjorde alltid den lättantändliga vätgasen en säkerhetsrisk. 1905 upptäckte två kemister en källa med naturligt helium i en gasfyndighet i Kansas och det fanns plötsligt gott om denna tidigare så ovanliga gas. Under första världskriget användes kemisk teknik för att extrahera, lagra och transportera stora mängder hemium. Under andra världskriget eskorterade helium-fyllda luftskepp trupper och stödförband runt fientliga ubåtar. På 1950-talet användes helium vid svetsning när rymdraketer konstruerades och som drivgas för att trycka raketens bränsle in i motorn.

Raket bränsleMänniskans intåg i rymden med de första provraketerna avfyrade på 1920-talet, de första kommunikationssateliter på 1950-talet och de återanvändbara rymdskeppen på 1980-talet, är alla exempel på lysande ingenjörskonst. För att lyckas ta sig ut i rymden måste raketen ha tillräcklig hastighet för att övervinna jordens dragningskraft. Den första raketen avfyrades 1926 och använde sig av bensin och flytande syre. Därefter har olika bränslen använts i fast eller flytande form. De återanvändbara rymdskeppen använder flytande väte som bränsle medan själva startraketerna använder ett fast bränsle bland annat bestående av aluminium och ammoniumperklorat.

Konstruktionsmaterial för flygplan och rymdraketerFlygplanens utveckling från trä- och tyg-konstruktioner till farkoster bestående av sofistikerade material har varit möjligt tack vare nya landvinningar inom kemiområdet. Metalligeringar innehållande aluminium och titan utvecklades för att ge styrka och lätthet, samt beständighet mot höga temperaturer och rost hos flygplanen. Rymdraketer har speciella materialkrav på grund av de extrema påfrestningar de utsätts för. Ett exempel är det speciella lager som täcker vissa delar av rymdskeppen och som skyddar dem från den höga friktionsvärme som uppstår då de går tillbaka in i jordens atmosfär. Efter att först ha prövat ett exotiskt zirkonium-material används nu silikonfibrer utvecklade från vanlig sand.

Hindenburg katastrofen (1937)