เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ หรือ เชื้อเพลิงฟอสซิล (อังกฤษ: fossil fuel; เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์เป็นศัพท์ทางธรณีวิทยา ส่วนเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นศัพท์ทางวิศวกรรมเครื่องกล) หรือแร่เชื้อเพลิง (อังกฤษ: mineral fuel) เป็นเชื้อเพลิงอันเกิดแต่ซากดึกดำบรรพ์ซึ่งได้แก่ไฮโดรคาร์บอนที่พบจากช่วงชั้นดิน (layer) ด้านบนสุดของเปลือกโลก
เชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์มีตั้งแต่แร่สารระเหยสูง (volatile material) ซึ่งมีอัตราคาร์บอนต่อไฮโดรเจนต่ำ เป็นต้นว่า แก๊สมีเทน ไปจนถึงปิโตรเลียมเหลว (liquid petroleum) และแร่ไร้สารระเหย (nonvolatile material) ซึ่งแร่ไร้สารระเหยนี้มักประกอบด้วยคาร์บอนบริสุทธิ์ เป็นต้นว่า ถ่านแอนทราไซต์ (anthracite coal) ทั้งนี้ แก๊สมีเทนอันมีในแร่สารระเหยสูงเช่นว่าสามารถพบได้ในสารจำพวกไฮโดรคาร์บอนเพียงจำพวกเดียวก็ได้ ในสารจำพวกไฮโดรคาร์บอนประสมกับน้ำมันก็ได้ หรือในรูปมีเทนผังหนา (methane clathrate) ก็ได้
ใน พ.ศ. 2548 องค์การข้อมูลข่าวสารด้านพลังงานแห่งสหรัฐอเมริกา (United States Energy Information Administration) ได้ประเมินว่าในบรรดาผลิตผลจากพลังงานในโลกนี้ ร้อยละแปดสิบหกมีต้นกำเนิดจากการเผาผลาญเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ ร้อยละหกจุดสามกำเนิดแต่พลังงานไฟฟ้าจากน้ำ (hydroelectric) และร้อยละหกจากพลังงานนิวเคลียร์ ส่วนร้อยละศูนย์จุดเก้าที่เหลือจากแหล่งพลังงานอื่น ๆ เป็นต้นว่า ความร้อนจากธรณีภาค (geothermal) พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานจากไม้ และพลังงานจากของใช้แล้ว
ถ่านหิน
ถ่านหิน (Coal) ถ่านหิน เป็นหินตะกอนที่กำเนิดมาจากซากพืช ลักษณะแข็งแต่เปราะ มีสีน้ำตาลถึงดำ มีทั้งชนิดผิวมันและผิวด้าน องค์ประกอบหลักในถ่านหินคือธาตุคาร์บอน และธาตุอื่น ๆ เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน แลกำมะถัน นอกจากนี้อาจพบธาตุที่มีปริมาณน้อย เช่น ปรอท สารหนู ซีลีเนียม โครเมียม นิกเกิล ทองแดง และแคดเมียม ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญที่ก่อให้เกิดปัญหากับสุขภาพและสิ่งแวดล้อม
ปริมาณสำรอง ประกอบด้วยปริมาณที่พิสูจน์แล้วและปริมาณที่ยังไม่ได้พิสูจน์ ปริมาณสำรองที่พิสูจน์แล้วคือปริมาณที่ค้นพบแล้ว และจะสามารถผลิตขึ้นมาใช้ให้คุ้มค่าได้ค่อนข้างแน่นอน ปริมาณสำรองของถ่านหินที่มีอยู่ในปัจจุบันทั่วโลกจะใช้ได้อีก 250 ปี
1.1 การเกิดถ่านหิน
พืชในยุคโบราณเมื่อประมาณ 350 ถึง 280 ล้านปีที่ผ่านมา เมื่อตายลงแล้วเกิดการทับถมและเน่าเปื่อยผุพังอยู่ใต้แหล่งน้ำและโคลนตม เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของผิวโลก เช่น แผ่นดินไหว หรือภูเขาไฟระเบิด ซากพืชเหล่านี้จะจมลงไปในผิวโลก ภายใต้ความร้อนและความดันสูง ซากพืชเหล่านี้ซึ่งอยู่ในภาวะที่ขาดออกซิเจนหรือมีออกซิเจนขำกัดจะเกิดการย่อยสลายอย่างช้า ๆ โครงสร้างของพืชซึ่งประกอบด้วยเซลลูโลส น้ำ และลิกนิน ซึ่งมีธาตุองค์ประกอบเป็นคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจน เมื่อถูกย่อยสลายให้มีขนาดโมเลกุลเล็กลง คาร์บอนจะเปลี่ยนแปลงเป็นสารประกอบอินทรีย์ที่มีปริมาณคาร์บอนตั้งแต่ร้อยละ 50 โดยมวล หรือมากกว่าร้อยละ 70 โดยปริมาตร ส่วนไฮโดรเจนและออกซิเจนจะเกิดเป็นสารประกอบอื่นแยกออกไป
ปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของถ่านหิน การที่สมบัติทางกายภาพและทางเคมีของถ่านหินตามแหล่งต่าง ๆ แตกต่างกัน เป็นผลจากปัจจัยหลายอย่างดังนี้ 1. ชนิดของพืช 2. การเน่าเปื่อยที่เกิดขึ้นการถูกฝังกลบ 3. ปริมาณสารอนินทรีย์ที่ปนเปื้อนในขั้นตอนการเกิด 4. อุณหภูมิและความดันในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลง
ประเภทของถ่านหิน
1. พีต (Peat)
2. ลิกไนต์ (Lignite) หรือถ่านหินสีน้ำตาล
3. ซับบิทูมินัส (Sub–bituminous)
4. บิทูมินัส (bituminous)
5. แอนทราไซต์ (Anthracite)
ปริมาณร้อยละของธาตุองค์ประกอบและความชื้นของถ่านหินชนิดต่าง ๆ เทียบกับไม้
| ชนิดของสาร | ปริมาณขององค์ประกอบ (ร้อยละโดยมวล) | |||||
| C | H | O | N | S | ความชื้น | |
| ไม้ | 50 | 6 | 43 | 1 | - | * |
| พีต | 50 – 60 | 5 – 6 | 35 – 40 | 2 | 1 | 75 – 80 |
| ลิกไนต์ | 60 – 75 | 5 – 6 | 20 – 30 | 1 | 1 | 50 – 70 |
| ซับบิทูมินัส | 75 – 80 | 5 – 6 | 15 – 20 | 1 | 1 | 25 – 30 |
| บิทูมินัส | 80 – 90 | 4 – 6 | 10 – 15 | 1 | 5 | 5 – 10 |
| แอนทราไซต์ | 90 – 98 | 2 – 3 | 2 – 3 | 1 | 1 | 2 – 5 |
* ขึ้นอยู่กับชนิดของ พันธุ์ไม้
แกรไฟต์เมื่อเผาไหม้จะให้พลังงาน 32.8 kJ/g แต่การเผาถ่านหินจะให้พลังงานความร้อนเฉลี่ย30.6 kJ/g แสดงว่าพลังงานความร้อนที่ได้จากการเผาถ่านหินจะขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบในถ่านหิน ดังนั้น การเผาไหม้ถ่านหินแต่ละชนิดที่มีมวลเท่ากันจะให้พลังงานความร้อนแตกต่างกันตามปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่ในถ่านหินซึ่งมีลำดับจากมากไปหาน้อยดังนี้คือแอนทราไซต์บิทูมินัส ซับบิทูมินัส ลิกไนต์ และพีต
1.2 การใช้ประโยชน์จากถ่านหิน
1. ถ่านหิน ถูกนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานมากกว่า 3000 ปี ประเทศจีนเป็นประเทศแรก ๆ ที่นำถ่านหินมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในการถลุงทองแดง ปัจจุบันการใช้ประโยชน์จากถ่านหินส่วนใหญ่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้า การถลุงโลหะ การผลิตปูนซีเมนต์ และอุตสาหกรรมที่ใช้เครื่องจักรไอน้ำ การผลิตกระแสไฟฟ้าทั่วโลกใช้พลังงานจากถ่านหินประมาณร้อยละ 39
2. แหล่งถ่านหินในประเทศไทยมีมากที่เหมืองแม่เมาะ จังหวัดลำปาง คิดเป็น 97% ของปริมาณสำรองที่มีอยู่ในประเทศไทย รองลงมาคือเหมืองกระบี่ จังหวัดกระบี่ ส่วนใหญ่เป็นลิกไนต์และซับบิทูมินัส ซึ่งมีคุณภาพต่ำ ให้ปริมาณความร้อนไม่สูงมากนัก
3. ถ่านหินยังนำมาทำเป็น ถ่านกัมมันต์ (Activated carbon) เพื่อใช้เป็นสารดูดซับกลิ่นในเครื่องกรองน้ำ เครื่องกรองอากาศ หรือในเครื่องใช้ต่าง ๆ ทำคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นวัสดุที่มีความแข็งแกร่ง แต่นำหนักเบา สำหรับใช้ทำอุปกรณ์กีฬา เช่น ด้ามไม้กอล์ฟ ไม้แบดมินตัน ไม้เทนนิส
4. นักวิทยาศาสตร์พยายามเปลี่ยนถ่านหินให้เป็นแก๊ส และแปรสภาพถ่านหินให้เป็นของเหลว เพื่อเพิ่มคุณค่าทางด้านพลังงานและความสะดวกในการขนส่งด้วยระบบท่อส่ง เชื้อเพลิงแก๊สหรือของเหลวนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์เคมีอื่น ๆ ที่มีประโยชน์ รวมทั้งเป็นการช่วยเสริมปริมาณความต้องการใช้เชื้อเพลิงธรรมชาติจากปิโตรเลียมด้วย
5. การเผาไหม้ของถ่านหิน จะได้ผลิตภัณฑ์เป็นแก๊สที่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของถ่านหิน ได้แก่ CO2 , CO , SO2 , NO2
- CO2 เป็นสาเหตุของสภาวะเรือนกระจก
- CO เป็นแก๊สไม่มีสีและไม่มีกลิ่น เป็นแก๊สพิษ เมื่อสูดดมเข้าไปมากจะทำให้มึนงง คลื่นไส้ อาจหมดสติถึงตายได้
- SO2 และ NO2 ทำให้เกิดการระคายเคืองต่อระบบหายใจและปอด เป็นสาเหตุสำคัญของภาวะมลพิษในอากาศ เป็นสาเหตุของฝนกรด ทำให้น้ำในแหล่งน้ำต่าง ๆ มีความเป็นกรดสูงขึ้น ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของทั้งพืชและสัตว์
6. ของเสียที่เป็นเถ้าถ่านและฝุ่นจากการเผาถ่านหินจะมีพวกโลหะต่าง ๆ ปนออกมาด้วย ถ้ากำจัดไม่ถูกต้องจะมีผลเสียต่อส่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม เถ้าพวกนี้กำจัดได้โดยผสมกับซีเมนต์เพื่อใช้ในการก่อสร้าง ใช้ถมถนน หรือนำไปผ่านกระบวนการเพื่อแยกโลหะออกมาใช้ประโยชน์ สำหรับฝุ่นที่เกิดขึ้น ถ้าไม่มีกระบวนการกำจัดที่ดีจะฟุ้งกระจายไปในบรรยากาศ ปัจจุบันใช้อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพโดยใช้หลักการทางไฟฟ้าสถิตเพื่อดูดจับฝุ่นเหล่านี้ไว้ 7. การลดผลกระทบที่เกิดจาก SO2 ทำได้โดยกำจัดกำมะถันออกไปก่อนการเผาไหม้ถ่านหิน นอกจากนี้ยังต้องมีการกำจัดสารที่เป็นพิษ เช่น ปรอท ข้อเสียของการกำจัดโดยวิธีนี้คือจะสูญเสียสารอินทรีย์ที่มีประโยชน์ออกไปด้วย การกำจัดอีกวิธีหนึ่งเป็นกำจัดหลังผาไหม้ โดยการฉีดหรือพ่นหินปูนเข้าไปในเตาเผาที่มีอุณหภูมิสูง หินปูนจะสลายตัวได้เป็น CaO ซึ่งเมื่อทำปฏิกิริยากับแก๊ส SO2 จะได้ CaSO3 เป็นวิธีลงทุนที่ถูกกว่าและนิยมใช้
น้ำมันดิบ
เป็นแร่เชื้อเพลิงที่มีสถานะเป็นของเหลว มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นสารประกอบของไฮโดรเจนและคาร์บอน จึงถูกเรียกว่าเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่พบบ่อยที่สุด ที่มีสีน้ำตาลแกมเขียว แต่อาจพบสีอื่นบ้าง เช่น สีเหลืองเข้ม น้ำตาลเกือบดำ ประกอบอยู่ด้วย เช่น กำมะถัน (S), ไนโตรเจน (N), ออกซิเจน (O) เป็นต้น ด้วยเหตุนี้น้ำมันดิบที่ขุดขึ้นมาจะยังไม่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ทันที ต้องมีการนำมาแยกสารประกอบไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ ออกเป็นกลุ่ม ๆ ก่อน จึงจะสามารถนำไปใช้ประโยชน์ตามชนิดของสารได้ โดยการวิธีการแยกสารที่ปนอยู่ในน้ำมันดิบออกจากกันนี้ เรียกว่า การกลั่นน้ำมันดิบ เมื่อนำน้ำมันดิบมากลั่นแยกจะได้น้ำมันเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่นสำหรับเครื่องยนต์ ประเภทต่าง ๆ ให้พลังงานความร้อนและแสงสว่าง ส่วนที่เหลือจากการกลั่นน้ำมัน และก๊าซหุงต้มแล้ว นำไปใช้เป็นวัตถุดิบของอุตสาหกรรมปิโตรเคมิคัลนำมาใช้ ประดิษฐ์ของใช้สำเร็จรูปอื่น ๆ อีกประมาณ 300 ชนิด เช่น สารพวกพลาสติก ไนลอน เส้นใยสังเคราะห์ ปุ๋ย ยารักษาโรค สีผงซักฟอก เป็นต้นกากที่เหลือตกค้างซึ่งเป็นส่วน ที่หนักที่สุดจะได้แก่ ยางมะตอยซึ่งนิยมนำมาทำผิวถนนลาดยาง น้ำมันดิบเกิดจากการทับถมของสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ในสมัยอดีต มีหินปูน ดินเหนียว ทรายและอื่น ๆ ตกตะกอนทับถมมาเป็นชั้น ๆ ต่อมาเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงทางด้าน ของแรงกดดันและอุณหภูมิในชั้นหิน ทำให้เกิดการแปรสภาพทางเคมีและฟิสิกส์ กลายเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนเป็นน้ำมันดิบแทรกตัวอยู่ในเนื้อของหินดินดาน หินทรายและหินปูนที่มีเนื้อพรุน แหล่งที่พบมาก คือ อำเภอฝาง จังหวัดเชียงใหม่และในอ่าวไทย
ก๊าซธรรมชาติ
เกิดเช่นเดียวกับน้ำมันและถ่านหินเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่อยู่ในสถานะของก๊าซส่วนใหญ่ประกอบไปด้วยก๊าซมีเทนก๊าซนี้นอกจากจะได้จาก แหล่งธรรมชาติแล้วยังได้จากการกลั่นน้ำมันและอาจกลั่นหรือสกัดจากขยะหรือ โรงกำจัดของเสียต่าง ๆ แต่ได้ปริมาณน้อย สามารถนำมาใช้เป็นพลังงานแทนน้ำมันดิบได้ การใช้ก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิงหุงต้ม ประกอบอาหารหรือให้ความอบอุ่นหรืออื่น ๆ ต้องใช้ความระมัดระวังถ้าเกิดการรั่วอาจติดไฟและระเบิดได้ง่าย การเจาะหาแหล่งน้ำมันในอ่าวไทยปรากฏพบก๊าซธรรมชาติเป็นจำนวนมาก และสามารถนำมาใช้ได้ตั้งแต่เดือนกันยายน พ.ศ. 2524 ถึงปัจจุบัน ก๊าซธรรมชาติเมื่อถูกอัดด้วยความดันสูงและส่งผ่านท่อจากบ่อน้ำมัน หรือถูกทำให้เป็นของเหลวและเก็บเป็น LPG (Liguefied Petroleum Gas) จัดเป็นก๊าซธรรมชาติซึ่งได้จากการกลั่นแล้วบรรจุในภาชนะในสภาพ ที่เป็นของเหลวภายใต้ความดันสูง มีองค์ประกอบที่สำคัญคือโพรเพนและบิวเทน ซึ่งมีชื่อเรียกทางการค้าหลายชื่อ เช่น ก๊าซปิโตรเลียมเหลว ก๊าซหุงต้ม ก๊าซเหลว เป็นต้น ใช้ในครัวเรือนและวงการอุตสาหกรรมมาก ปกติ LPG เป็นก๊าซที่ไม่มีกลิ่น ฉะนั้นเพื่อความปลอดภัย จึงเติมกลิ่นลงไปเพื่อเตือนให้ทราบในกรณีที่ก๊าซรั่ว สารที่เติมลงไป คือ Ethyl mercaptan, Thiophane sulphide เป็นต้น โดยเติม 680 กรัมต่อ 1,000 แกลลอนของ LPG
แร่นิวเคลียร์
หมายถึง แร่ที่มีการแตกตัวของนิวเคลียสของธาตุซึ่งไม่เสถียร เนื่องจากมีพลังงานส่วนเกินอยู่ภายในนิวเคลียสมากจึงต้องถ่ายเทพลังงานส่วนเกินนี้ ออกมาเพื่อให้กลายเป็นอะตอมของธาตุที่เสถียร แร่นิวเคลียร์มี 2 ชนิดคือแร่กัมมันตภาพรังสี เป็นแร่ที่มีสมบัติในการปล่อยรังสีออกจากตัวเองอย่างต่อเนื่องตลอดเวลา ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้เนื่องจากกัมมันตภาพรังสีที่ปล่อยออกมาเป็นคลื่นสั้น ได้แก่ ยูเรเนียม ทอเรียม ส่วนอีกชนิดหนึ่งเป็นแร่ที่ไม่ส่งกัมมันตภาพรังสีออกมาใช้ประโยชน์ ในการควบคุมการแตกตัวของนิวเคลียสของแร่กัมมันตภาพรังสี ได้แก่ เมอริลและโคลัมเนียม