Los combustibles líquidos son moléculas combustibles o generadoras de energía que pueden aprovecharse para crear energía mecánica , generalmente produciendo energía cinética ; también deben adoptar 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 biodiésel , que también se clasifican como combustibles líquidos. Muchos combustibles líquidos desempeñan un papel principal 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 se pueden manipular 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 combustión , la temperatura a la que se producirá la combustión sostenida del vapor; punto de enturbiamiento para combustibles diésel, la temperatura a la que los compuestos cerosos disueltos comienzan a coalescer, 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 la manipulación del combustible.
La mayoría de los combustibles líquidos que se utilizan en la actualidad se producen a partir del petróleo . El más conocido de ellos es la gasolina . Los científicos generalmente aceptan que el petróleo se formó a partir de los 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 el petróleo en prácticamente todas partes, está formada por moléculas de hidrocarburos (compuestos que contienen solo hidrógeno y carbono) 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 de forma natural en la gasolina y causan los 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 en varios procesos, el más común puede ser el de las bombas de haz . 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 muy peligrosa. La gasolina que se vende en la mayoría de los países tiene un índice de octano publicado . El número de octano es una medida empírica de la resistencia de la gasolina a la combustión prematura, conocida como detonación . Cuanto mayor sea el índice de octano, más resistente es el combustible a la autoignición a altas presiones, lo que permite una mayor relación de compresión . Los motores con una relación de compresión más alta, que se utilizan comúnmente en los autos de carrera y los automóviles de producción regular de alto rendimiento, pueden producir más potencia; sin embargo, estos motores requieren un combustible de mayor octanaje. En el pasado, se ha aumentado el índice de octano agregando aditivos "antidetonantes", como el tetraetilo de plomo. Debido al impacto ambiental de los aditivos de plomo, hoy en día se aumenta el índice de octano refinando las impurezas que causan la detonación.
El diésel convencional es similar a la gasolina en el sentido de que es una mezcla de hidrocarburos alifáticos extraídos del petróleo. El diésel puede costar más o menos que la gasolina, pero en general cuesta menos producirlo porque los procesos de extracción que se utilizan son más simples. Algunos países (en particular Canadá, India e Italia) también tienen tasas impositivas más bajas para los combustibles diésel.
Después de la destilación, la fracción diésel normalmente se procesa para reducir la cantidad de azufre en el combustible. El azufre causa corrosión en los vehículos, lluvia ácida y mayores emisiones de hollín por el 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 el 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, calentar y para motores pequeños. Reemplazó al aceite de ballena para su 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 del combustible conocida como RP-1 se quema con oxígeno líquido como combustible para cohetes. Estos querosenos de grado combustible cumplen con las especificaciones de 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 encaminaba los gases de escape alrededor del tubo de admisión, calentando el queroseno hasta el punto en que se puede encender con una chispa eléctrica .
El queroseno se utiliza a veces 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 , ambos 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. El gas LP y el propano comprimido, que se utilizan habitualmente para cocinar y calentar espacios, se están utilizando cada vez más en vehículos motorizados; el propano es el tercer combustible para motores más utilizado a nivel mundial.
Los combustibles derivados del petróleo, al quemarse, 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 del diésel, por ejemplo, es C
norteyo
2nTenga 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 combustión del diésel se da por:
2 C
norteyo
2n+ 3n O
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). Por lo tanto, 12 g de carbono dan 44 g de dióxido de carbono. El diésel tiene una densidad de 0,838 kg por litro. Si sumamos todo, la masa de dióxido de carbono que se produce al quemar 1 litro de diésel se puede calcular de la siguiente manera:
La cantidad de 2,63 kg de dióxido de carbono por 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 relación de átomos de carbono e hidrógeno de aproximadamente 6 a 14, el valor estimado de emisión de carbono si se quema 1 litro de gasolina da:
Cuando el petróleo no está fácilmente disponible, se pueden utilizar procesos químicos como el proceso Fischer-Tropsch para producir combustibles líquidos a partir de carbón o gas natural . Los combustibles sintéticos a partir de carbón fueron estratégicamente importantes 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 , se puede comprimir 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, es en muchos sentidos más seguro debido a su mayor temperatura de autoignición y su baja densidad, lo que hace que se disipe cuando se libera en el aire.
El biodiésel es similar al diésel, pero tiene diferencias similares a las que existen entre la gasolina y el etanol. Por ejemplo, el biodiésel tiene un índice de cetano más alto (45-60 en comparación con el 45-50 del diésel derivado del petróleo crudo) y actúa como agente limpiador para eliminar la suciedad y los depósitos. Se ha sostenido que sólo resulta económicamente viable por encima de los 80 dólares (40 libras esterlinas o 60 euros a finales de febrero de 2007) por barril de petróleo. Sin embargo, esto depende de la localidad, la situación económica, la postura del gobierno respecto del biodiésel 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 ordinario. De manera análoga al uso de relaciones de compresión más altas que se utilizan en los motores que queman alcoholes de mayor octanaje y gasolina en los motores de encendido por chispa, aprovechar el alto índice de cetano del biodiésel puede potencialmente superar el déficit energético en comparación con el diésel ordinario de número 2.
En general, el término alcohol se refiere al etanol, el primer compuesto químico orgánico producido por los seres humanos, [2] pero cualquier alcohol puede quemarse como combustible. El etanol y el metanol son los más comunes, ya que son lo suficientemente económicos como para resultar útiles.
El metanol es el alcohol más ligero y simple , producido a partir del componente del gas natural metano . Su aplicación es limitada principalmente debido a su toxicidad (similar a la gasolina), pero también debido a su alta corrosividad y miscibilidad con el agua. Se utilizan pequeñas cantidades en algunos tipos de gasolina para aumentar el índice de octano . Los combustibles a base de metanol se utilizan en algunos autos de carrera y aeromodelos.
El metanol también se denomina 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, generalmente en combinación con gasolina. En su mayor parte, se utiliza en una proporción de 9:1 de gasolina y etanol para reducir los efectos ambientales negativos de la gasolina. [ cita requerida ]
Existe un creciente interés 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 de combustible más alto que la mayoría de los tipos de gasolina premium. Cuando se utiliza en un vehículo de combustible flexible moderno , ofrece un mayor rendimiento que la gasolina que reemplaza a expensas de un mayor consumo de combustible debido al menor contenido de energía específica del etanol. [3]
El etanol utilizado en gasolina y con fines industriales puede considerarse un combustible fósil porque a menudo se sintetiza a partir del producto derivado del petróleo, etileno , que es más barato que la producción a partir de la fermentación de granos o de caña de azúcar .
El butanol es un alcohol que se puede utilizar 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 la biomasa por la bacteria Clostridium acetobutylicum (también conocida como el organismo de Weizmann). Este proceso fue descrito 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 índice de octano (más de 100) y su alto contenido energético, sólo un 10% más bajo que la gasolina, y por consiguiente un 50% más denso energéticamente 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 (hay que tener 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 desagradable. El organismo de 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 medioambiental del uso del petróleo frustran el propósito de los combustibles alternativos. El coste del butanol es de unos 1,25-1,32 dólares por kilogramo (0,57-0,58 dólares por libra o 4 dólares 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 al año a partir de remolacha azucarera. DuPont se propuso competir con el petróleo a un precio de 30 a 40 dólares por barril (0,19 a 0,25 dólares por litro) sin subsidios, por lo que la brecha de precios con el etanol se está reduciendo.
El hidrógeno licuado es el estado líquido del elemento hidrógeno . Es un combustible líquido común para cohetes y se puede utilizar como combustible en un motor de combustión interna o en una pila de combustible . Se han propuesto varios vehículos de hidrógeno con menor energía volumétrica, por lo que los volúmenes de hidrógeno necesarios para la combustión son grandes. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898.
El amoniaco (NH3 ) se ha utilizado como combustible 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 (en comparación con los 10 del hidrógeno, los 18 del metanol, los 21 del dimetiléter y los 34 de la gasolina). Debe comprimirse o enfriarse para ser un combustible líquido, aunque no requiere enfriamiento criogénico como el hidrógeno para ser licuado. [4]
Medios relacionados con Combustibles líquidos en Wikimedia Commons
