Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que pueden aprovecharse para crear energía mecánica , produciendo generalmente energía cinética ; también deben tomar la forma de su recipiente. Son los vapores de los combustibles líquidos los que son inflamables en lugar del fluido. La mayoría de los combustibles líquidos de uso generalizado se derivan de combustibles fósiles ; sin embargo, existen varios tipos, como el combustible de hidrógeno (para usos automotrices ), el etanol y el biodiesel , que también se categorizan como combustible líquido. Muchos combustibles líquidos desempeñan un papel primordial en el transporte y la economía.
Los combustibles líquidos se contrastan con los combustibles sólidos y los combustibles gaseosos .
Algunas propiedades comunes de los combustibles líquidos son que son fáciles de transportar y pueden manipularse con relativa facilidad. Las propiedades físicas de los combustibles líquidos varían según la temperatura, aunque no tanto como las de los combustibles gaseosos. Algunas de estas propiedades son: punto de inflamación , la temperatura más baja a la que se produce una concentración inflamable de vapor; punto de incendio , la temperatura a la que se producirá la combustión sostenida del vapor; punto de turbidez de los combustibles diésel, la temperatura a la que los compuestos cerosos disueltos comienzan a fusionarse, y punto de fluidez , la temperatura por debajo de la cual el combustible es demasiado espeso para verterse libremente. Estas propiedades afectan la seguridad y el manejo del combustible.
La mayoría de los combustibles líquidos utilizados actualmente se producen a partir del petróleo . El más notable de ellos es la gasolina . Los científicos generalmente aceptan que el petróleo se formó a partir de restos fosilizados de plantas y animales muertos por exposición al calor y la presión en la corteza terrestre.
La gasolina es el combustible líquido más utilizado. La gasolina, como se la conoce en Estados Unidos y Canadá, o prácticamente en todas partes, está hecha de moléculas de hidrocarburos (compuestos que contienen hidrógeno y carbono únicamente) que forman compuestos alifáticos , o cadenas de carbonos con átomos de hidrógeno unidos. Sin embargo, muchos compuestos aromáticos (cadenas de carbono que forman anillos), como el benceno, se encuentran naturalmente en la gasolina y causan riesgos para la salud asociados con la exposición prolongada al combustible.
La producción de gasolina se logra mediante la destilación del petróleo crudo . El líquido deseable se separa del petróleo crudo en las refinerías . El petróleo crudo se extrae del suelo mediante varios procesos; los más comunes pueden ser las bombas de viga . Para crear gasolina, primero se debe extraer el petróleo del petróleo crudo.
La gasolina líquida en sí no se quema, pero sus vapores se encienden, lo que hace que el líquido restante se evapore y luego se queme. La gasolina es extremadamente volátil y se quema fácilmente, lo que hace que cualquier fuga sea potencialmente extremadamente peligrosa. La gasolina que se vende en la mayoría de los países lleva un índice de octanaje publicado . El índice de octanaje es una medida empírica de la resistencia de la gasolina a una combustión prematura, conocida como detonación . Cuanto mayor sea el octanaje, más resistente será el combustible a la autoignición bajo altas presiones, lo que permite una mayor relación de compresión . Los motores con una relación de compresión más alta, comúnmente utilizados en autos de carreras y automóviles de producción regular de alto rendimiento, pueden producir más potencia; sin embargo, estos motores requieren un combustible de mayor octanaje. En el pasado, el aumento del octanaje se lograba añadiendo aditivos "antidetonantes", como el tetraetilo de plomo. Debido al impacto ambiental de los aditivos de plomo, hoy en día el octanaje aumenta refinando las impurezas que causan el golpe.
El diésel convencional es similar a la gasolina en que es una mezcla de hidrocarburos alifáticos extraídos del petróleo. El diesel puede costar más o menos que la gasolina, pero generalmente cuesta menos producirlo porque los procesos de extracción utilizados son más simples. Algunos países (particularmente Canadá, India e Italia) también tienen tasas impositivas más bajas sobre los combustibles diesel.
Después de la destilación, la fracción diésel normalmente se procesa para reducir la cantidad de azufre en el combustible. El azufre provoca corrosión en los vehículos, lluvia ácida y mayores emisiones de hollín del tubo de escape (tubo de escape). Históricamente, en Europa se exigían por ley niveles de azufre más bajos que en los Estados Unidos. Sin embargo, una reciente legislación estadounidense redujo el contenido máximo de azufre del diésel de 3.000 ppm a 500 ppm en 2007, y a 15 ppm en 2010. También se están llevando a cabo cambios similares en Canadá, Australia, Nueva Zelanda y varios países asiáticos. Véase también Diésel con contenido ultrabajo de azufre .
Un motor diésel es un tipo de motor de combustión interna que enciende combustible inyectándolo en una cámara de combustión previamente comprimida con aire (que a su vez eleva la temperatura) en lugar de utilizar una fuente de ignición externa, como una bujía.
El queroseno se utiliza en lámparas de queroseno y como combustible para cocinar, calefacción y motores pequeños. Desplazó al aceite de ballena para uso en iluminación. El combustible para motores a reacción se fabrica en varios grados ( Avtur , Jet A , Jet A-1 , Jet B , JP-4 , JP-5 , JP-7 o JP-8 ) que son mezclas de tipo queroseno. Una forma de combustible conocida como RP-1 se quema con oxígeno líquido como combustible para cohetes. Estos querosenos de grado combustible cumplen con las especificaciones para puntos de humo y puntos de congelación.
A mediados del siglo XX, el queroseno o "TVO" (Tractor Vaporising Oil) se utilizaba como combustible barato para los tractores. El motor arrancaba con gasolina y luego cambiaba a queroseno una vez que se calentaba. Una "válvula de calor" en el colector dirigiría los gases de escape alrededor del tubo de admisión, calentando el queroseno hasta el punto en que pueda encenderse mediante una chispa eléctrica .
A veces se utiliza queroseno como aditivo en el combustible diésel para evitar la gelificación o la formación de cera en temperaturas frías. Sin embargo, esto no es aconsejable en algunos motores diésel de vehículos recientes, ya que hacerlo puede interferir con el equipo de regulación de emisiones del motor.
El gas LP es una mezcla de propano y butano , los cuales son gases fácilmente comprimibles en condiciones atmosféricas estándar. Ofrece muchas de las ventajas del gas natural comprimido (GNC), pero no se quema de forma tan limpia, es más denso que el aire y se comprime mucho más fácilmente. Comúnmente utilizados para cocinar y calentar espacios, el gas LP y el propano comprimido están experimentando un uso cada vez mayor en vehículos motorizados; El propano es el tercer combustible para motores más utilizado a nivel mundial.
Los combustibles derivados del petróleo, cuando se queman, liberan dióxido de carbono que es necesario para el crecimiento de las plantas, pero que (dada la gran escala de las emisiones globales) es potencialmente perjudicial para el clima mundial. La cantidad de dióxido de carbono que se libera cuando se quema un litro de combustible se puede estimar: [1] Como buena aproximación, la fórmula química de, por ejemplo, el diésel es C
norteh
2n. Tenga en cuenta que el diésel es una mezcla de diferentes moléculas. Como el carbono tiene una masa molar de 12 g/mol y el hidrógeno (¡atómico!) tiene una masa molar de aproximadamente 1 g/mol, la fracción en peso de carbono en el diésel es aproximadamente 12/14. La reacción de la combustión diésel viene dada por:
2 tazas
norteh
2n+ 3nO
2⇌ 2n CO
2+ 2nH
2oh
El dióxido de carbono tiene una masa molar de 44 g/mol, ya que está formado por 2 átomos de oxígeno (16 g/mol) y 1 átomo de carbono (12 g/mol). Entonces, 12 g de carbono producen 44 g de dióxido de carbono. El diésel tiene una densidad de 0,838 kg por litro. En conjunto, la masa de dióxido de carbono que se produce al quemar 1 litro de diésel se puede calcular como:
La cantidad de 2,63 kg de dióxido de carbono de 1 litro de diésel se acerca a los valores encontrados en la literatura.
Para la gasolina, con una densidad de 0,75 kg/L y una proporción de átomos de carbono e hidrógeno de aproximadamente 6 a 14, el valor estimado de las emisiones de carbono si se quema 1 litro de gasolina da:
Cuando el petróleo no es fácil de conseguir, se pueden utilizar procesos químicos como el proceso de Fischer-Tropsch para producir combustibles líquidos a partir de carbón o gas natural . Los combustibles sintéticos derivados del carbón fueron de importancia estratégica durante la Segunda Guerra Mundial para el ejército alemán. Hoy en día se fabrican combustibles sintéticos producidos a partir de gas natural, para aprovechar el mayor valor de los combustibles líquidos en el transporte.
El gas natural , compuesto principalmente de metano , puede comprimirse hasta convertirse en líquido y utilizarse como sustituto de otros combustibles líquidos tradicionales. Su combustión es muy limpia en comparación con otros combustibles de hidrocarburos , pero el bajo punto de ebullición del combustible requiere que se mantenga a altas presiones para mantenerlo en estado líquido. Aunque tiene un punto de inflamación mucho más bajo que combustibles como la gasolina, en muchos sentidos es más seguro debido a su mayor temperatura de autoignición y su baja densidad, lo que hace que se disipe cuando se libera al aire.
El biodiesel es similar al diésel pero tiene diferencias similares a las de la gasolina y el etanol. Por ejemplo, el biodiésel tiene un índice de cetano más alto (45-60 en comparación con 45-50 del diésel derivado del petróleo crudo) y actúa como agente de limpieza para eliminar la suciedad y los depósitos. Se ha argumentado que sólo resulta económicamente viable por encima de los precios del petróleo de 80 dólares (40 libras esterlinas o 60 euros a finales de febrero de 2007) por barril. Sin embargo, esto depende de la localidad, la situación económica, la postura del gobierno sobre el biodiesel y una serie de otros factores, y se ha demostrado que es viable a costos mucho más bajos en algunos países. Además, produce aproximadamente un 10% menos de energía que el diésel normal. De manera análoga al uso de relaciones de compresión más altas utilizadas en motores que queman alcoholes de mayor octanaje y gasolina en motores de encendido por chispa, aprovechar el alto índice de cetano del biodiesel puede potencialmente superar el déficit de energía en comparación con el diésel número 2 ordinario.
Generalmente, el término alcohol se refiere al etanol, la primera sustancia química orgánica producida por los humanos, [2] pero cualquier alcohol puede quemarse como combustible. El etanol y el metanol son los más comunes y son lo suficientemente económicos como para ser útiles.
El metanol es el alcohol más ligero y simple , producido a partir del metano, componente del gas natural . Su aplicación es limitada principalmente por su toxicidad (similar a la gasolina), pero también por su alta corrosividad y miscibilidad con el agua. Se utilizan pequeñas cantidades en algunos tipos de gasolina para aumentar el octanaje . Los combustibles a base de metanol se utilizan en algunos coches de carreras y modelos de aviones.
Al metanol también se le llama alcohol metílico o alcohol de madera , este último porque antiguamente se producía a partir de la destilación de la madera. También se le conoce con el nombre de hidrato de metilo .
El etanol , también conocido como alcohol de grano o alcohol etílico, se encuentra comúnmente en las bebidas alcohólicas . Sin embargo, también se puede utilizar como combustible, normalmente en combinación con gasolina. En su mayor parte, se utiliza en una proporción de gasolina y etanol de 9:1 para reducir los efectos ambientales negativos de la gasolina. [ cita necesaria ]
Hay un interés creciente en el uso de una mezcla de 85% de etanol combustible mezclado con 15% de gasolina. Esta mezcla de combustible llamada E85 tiene un octanaje más alto que la mayoría de los tipos de gasolina premium. Cuando se utiliza en un vehículo moderno de combustible flexible , ofrece más rendimiento a la gasolina que reemplaza a expensas de un mayor consumo de combustible debido al menor contenido de energía específica del etanol. [3]
El etanol para uso en gasolina y fines industriales puede considerarse un combustible fósil porque a menudo se sintetiza a partir del etileno, un producto del petróleo , que es más barato que la producción a partir de la fermentación de cereales o de la caña de azúcar .
El butanol es un alcohol que puede utilizarse como combustible en la mayoría de los motores de combustión interna de gasolina sin necesidad de modificar el motor. Normalmente es un producto de la fermentación de biomasa por la bacteria Clostridium acetobutylicum (también conocida como organismo Weizmann). Este proceso fue delineado por primera vez por Chaim Weizmann en 1916 para la producción de acetona a partir de almidón para fabricar cordita , una pólvora sin humo.
Las ventajas del butanol son su alto octanaje (más de 100) y su alto contenido energético, sólo alrededor de un 10% menos que la gasolina y, posteriormente, alrededor de un 50% más denso en energía que el etanol, un 100% más que el metanol. Las únicas desventajas importantes del butanol son su alto punto de inflamación (35 °C o 95 °F), su toxicidad (tenga en cuenta que existen niveles de toxicidad pero no están confirmados con precisión) y el hecho de que el proceso de fermentación del butanol renovable emite un olor fétido. El organismo Weizmann sólo puede tolerar niveles de butanol de hasta un 2% aproximadamente, en comparación con el 14% del etanol y la levadura. La fabricación de butanol a partir del petróleo no produce ese olor, pero el suministro limitado y el impacto ambiental del uso del petróleo anulan el propósito de los combustibles alternativos. El costo del butanol es de aproximadamente $ 1,25 a $ 1,32 por kilogramo ($ 0,57 a $ 0,58 por libra o $ 4 aproximadamente por galón estadounidense). El butanol es mucho más caro que el etanol (aproximadamente 0,40 dólares por litro o 1,50 por galón) y el metanol.
El 20 de junio de 2006, DuPont y BP anunciaron que estaban reconvirtiendo una planta de etanol existente para producir 9 millones de galones (34.000 metros cúbicos) de butanol por año a partir de remolacha azucarera. DuPont se propuso ser competitivo con el petróleo a 30 o 40 dólares por barril (entre 0,19 y 0,25 dólares por litro) sin subsidios, por lo que la diferencia de precios con el etanol se está reduciendo.
El hidrógeno licuado es el estado líquido del elemento hidrógeno . Es un combustible líquido para cohetes común para aplicaciones de cohetes y puede usarse como combustible en un motor de combustión interna o celda de combustible . Varios conceptos de vehículos de hidrógeno han tenido un menor consumo de energía y los volúmenes de hidrógeno necesarios para la combustión son grandes. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898.
El amoníaco (NH 3 ) se ha utilizado como combustible antes en épocas en las que no había gasolina disponible (por ejemplo, para los autobuses en Bélgica durante la Segunda Guerra Mundial). Tiene una densidad energética volumétrica de 17 megajulios por litro (frente a 10 del hidrógeno, 18 del metanol, 21 del dimetiléter y 34 de la gasolina). Debe comprimirse o enfriarse para ser un combustible líquido, aunque no requiere enfriamiento criogénico como sí lo requiere el hidrógeno para ser licuado. [4]
Medios relacionados con los combustibles líquidos en Wikimedia Commons
