Usos y abusos de las gasolinas

Isaac Schifter, Esteban López Salinas

• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Año: 2013
• ISBN del libro electrónico: 9786071603883
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería química y bioquímica

Una discusión acerca de las gasolinas y los carburantes en general, de los que existen hoy en día y de aquellos que en el futuro tendrán un papel preponderante. Los carburantes automovilísticos cuentan entre los productos más importantes que se generan, y lo seguirán siendo hasta bien avanzado el siglo XXI. Por esto, los autores se preguntan: ¿podrá nuestro planeta soportar los 80 millones de toneladas de azufre que arrojamos a la atmósfera anualmente? La importancia que reviste hoy este tema hace de la lectura de este libro una necesidad esencial.

II. La energía

EN PRIMER término hay que darse cuenta de que los sistemas industriales están ligados a la energía. En la figura 19 se observa lo que sucede al crecer la población y los productos en un sistema natural como la Tierra. El crecimiento poblacional crea más demandas y, para mantener los recursos renovables, no pueden extraerse a una velocidad mayor que la de su propia generación. Por otra parte, los recursos no renovables, como el petróleo, no deberán exceder la velocidad a la cual se renuevan por fuentes que los sustituyan. Claro que esto último no puede realizarse como se desearía, de ahí que el reciclaje de los desechos, sumado al ahorro de energía y materiales, es la única manera de reducir la magnitud del problema.

El concepto de energía es uno de los más empleados en la ciencia, se asocia con cualquier tipo de actividad y a través de él se explica la inmensa mayoría de los fenómenos naturales y artificiales. Durante los siglos XVIII y XIX se hicieron descubrimientos muy importantes en todas las ramas del saber, lo que hizo surgir la necesidad de explicarlos. Una manera es definir el significado de energía. El descubrimiento de la electricidad, la invención de la pila eléctrica o el hecho de que la corriente eléctrica sea capaz de descomponer las sustancias o poner un imán en movimiento, hizo que se pensase que todos estos fenómenos pudieran deberse a una misma causa. Es así como aparece el término de energía como algo que puede producir los cambios. A través de los años, el hombre ha perfeccionado la capacidad de hacer trabajos que requieren grandes esfuerzos físicos, para dejar a las máquinas las tareas pesadas y dedicarse a labores intelectualmente más productivas. Esto ha traído como consecuencia que el consumo de energía por habitante sea cada vez mayor.

Figura 19. El ecosistema finito global comparado con el crecimiento de los subsistemas económicos y de población.

EL TRABAJO Y LA ENERGÍA

Existen muchos procesos en los que una fuerza mueve un objeto, decimos entonces que se ha producido un trabajo. La capacidad para realizar un trabajo se llama energía. La cantidad de energía que se transfiere depende de la intensidad de la fuerza y del desplazamiento de dicha fuerza, la magnitud que mide esta transferencia de energía es lo que conocemos por trabajo. Cuando se habla de las máquinas se menciona la potencia. ¿Qué significa este término? Pues que el tiempo es fundamental en el trabajo que realiza una máquina, por eso se introdujo el concepto de potencia que se define como la rapidez con que se realiza un trabajo o como la energía por unidad de tiempo, medida en vatios. El término de caballo de fuerza es una invención de J. Watt en 1782. Supuso que un caballo era capaz de jalar un peso de 180 libras y que sujeto a un malacate, daba 150 vueltas por hora recorriendo en 2.5 minutos un círculo de 24 pies de diámetro, lo cual rinde un trabajo que, haciendo las transformaciones de unidades pertinentes, resulta en 745 vatios. ¿Cuántos caballos de fuerza tiene su automóvil? Compare ese valor con un pistón de 1712 que poseía un cilindro de 0.5 m de diámetro y 2 m de largo capaz de producir 12 golpes por minuto, si le aplicamos los cálculos que conocemos actualmente, el “poderoso” aparato daba alrededor de 5.5 caballos de fuerza.

FUENTES DE ENERGÍA

Cuando aludimos a las fuentes de energía, nos referimos a su origen. Una fuente de energía como la que se obtiene del petróleo puede producir energía calorífica, mecánica, química o eléctrica. Cuando hablamos de fuentes implícitamente decimos que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser humano puede utilizar para sus actividades. Existen los siguientes tipos de fuentes de energía según su origen y aprovechamiento:

1) Energía del petróleo, gas y carbón. La energía química se convierte en calor para posteriormente transformarse en electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que proporcionan el petróleo, gas o el carbón se obtiene en grandes cantidades, se transforma en energía eléctrica a través de las centrales termoeléctricas o carboeléctricas. En el caso de los transportes, la energía se transforma en cinética o mecánica o bien en energía calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa.

2) Energía hidráulica. Para producirla se aprovechan las caídas del agua, por lo tanto se trata de energía potencial. Los griegos fueron los primeros en usarla, por medio de la rueda hidráulica para bombear agua que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.c. La energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial y después cinética.

3) Energía nuclear. Es la que une el núcleo de los átomos. Se transforma primero en energía calorífica y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica. Los protones y los neutrones constituyen el llamado núcleo de los átomos y los electrones gravitan a su al rededor. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, su núcleo se rompe o se fisiona liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones y si éstos son dos o tres, chocarán con otros átomos produciéndose una reacción en cadena que produce la energía nuclear.

4) Energía geotérmica. Desde tiempos remotos, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos fines. En México, el temascal se utilizó desde la época precolombina. Existen pozos geotérmicos, es decir, formaciones rocosas que han atrapado agua y ésta se calienta por la temperatura de la Tierra pudiendo estar en forma de vapor, de mezcla vapor-líquido o líquido caliente.

5) Energía solar. La constituye la radiación solar y se emplea para producir calor o electricidad. Una forma de aprovechar la energía del Sol es mediante los llamados colectores, que convierten la energía solar en calor. En nuestro país existen regiones en Sonora y Baja California con altísimos promedios de radiación por año donde es posible construir centrales de energía solar para satisfacer la demanda local.

6) Energía eólica. Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, puede aprovecharse como tal o convertirse en electricidad. Uno de sus primeros usos fue hace unos 3 500 años cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Una aplicación familiar son los molinos de viento, cuya historia se remonta a la antigua Persia y que han sido usados para bombear agua y moler granos.

7) Energía de la biomasa. Resulta de la materia viva y los desechos orgánicos cuando se les usa como combustible, por lo tanto se trata de energía química que se puede transformar en cualquier forma de energía. En el uso de la biomasa como fuente energética se emplean principalmente árboles, plantas, desechos animales y vegetales. El ejemplo más conocido de utilización de la biomasa es la madera.

¿CUÁNTOS AUTOS ANDAN RODANDO?

Pudiera uno pensar que en un principio las carreteras pavimentadas se construyeron atendiendo al uso del automóvil, pero fueron construidas para atender los vehículos tirados por caballos. En un trabajo de 1974 escrito por E. Montroll y W. Badger se llegó a la conclusión que de haberse seguido construyendo carreteras con este fin se hubiera producido un desastre ecológico, aunque desde el punto de vista tecnológico el carro era una innovación tecnológica maravillosa. Veamos los cálculos de estos autores. El que se refiere a desperdicio sólido se basa en el cálculo de una producción promedio de 16 kg por día con un recorrido de 40 km diarios, mientras que el cálculo para los contaminantes líquidos se basa en suponer unos 7.5 kg por día para una travesía de 40 km diarios. Se consideran los estándares que prevalecían en 1980.

En 1950 circulaban en el mundo 53 millones de automóviles; para 1988 la cantidad total de vehículos excedió los 500 millones y en 1990 se calculaba que circulaban 675 millones de vehículos, de los cuales los automóviles representan 65%, los camiones ligeros 15%, las motocicletas 15% y el resto camiones pesados. Desde 1950 el promedio anual de crecimiento ha sido de 9.5 millones, es decir 5.9% anual. Para acabar con las estadísticas diremos que la población de vehículos ha crecido más rápidamente que la humana. Para el año 2000 se espera que en los países desarrollados dicho crecimiento no se incremente notablemente, pero este patrón no será el mismo para el resto del mundo donde se espera mayor crecimiento de la población y mayor urbanización. Esto lleva a predecir que la flota de vehículos alcanzará 900 millones de unidades en 2010. Más grave es la cifra que nos expresa el número de kilómetros recorridos por vehículos de motor anuales: 8 000 000 000 000. ¿A qué se debe esto?

La respuesta se relaciona con el incremento de la urbanización. Las ciudades crecen más horizontal que verticalmente, lo que provoca que las tierras rurales pasen a ser urbanas. La distancia de los lugares residenciales al centro del comercio de las ciudades crece, e induce a que el número de kilómetros recorridos también crezca.

PREDICCIONES SOBRE EL CONSUMO DE CARBURANTE

El crudo y sus derivados se han convertido desde el inicio de su explotación en la fuente energética primaria de mayor importancia. En 1991 de los 57232 millones de barriles de petróleo equivalente, es decir energía expresada como barriles de petróleo, 41% provino del crudo, 22% del gas y el resto de otras formas de energía como la nuclear, la hidráulica y la geotérmica.

En México para el mismo año, las proporciones son todavía más dependientes del crudo: de 883 millones de barriles, 61% proviene del crudo, 29% del gas y 10% de otros (figura 20).

En el pasado, la gasolina era considerada un producto secundario de los procesos de refinación, y su obtención carecía de importancia. Ahora es el producto principal que mueve al transporte en el mundo. Para México, la figura 21 nos muestra el consumo nacional de energía destinado al transporte.

En 1994 se consumieron 502000 barriles diarios que seguramente llegarán a 586 000 en 2005, como se muestra en la figura 22. En el mundo, en 1994, se consumieron 800 millones de toneladas.

¿Por qué hacemos tanto hincapié en el consumo de gasolina? La explicación tiene que ver con el desperdicio que se genera en un coche por la poca eficiencia de la combustión, que es uno de los grandes motivos de investigación en el mundo, ya que se trata de elevarla al máximo.

EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO

La energía obtenida del carbón, petróleo, gas, biomasa, energía hidráulica y calor generado en un reactor nuclear es la energía primaria, que no se utiliza en forma directa sino trasformada en energía secundaria. La ventaja de ésta es que tiene una amplia gama de utilización y comodidad de uso: electricidad, gasolina, gas avión, etc. La energía secundaria se suministra como energía finaly otra parte es rechazada y devuelta a la naturaleza como “calor residual”. Las consideraciones acerca de la eficiencia energética se centran en la que se deriva de la explotación, transporte y tratamiento de la energía primaria para su conversión, almacenaje de la secundaria, sistemas de distribución, redes de transporte y, finalmente, en la transformación útil para el consumo final, y en los medios de conversión como focos, cocinas o motores de vehículos.

Figura 20. Comparación del consumo de energía primaria en México vs otros lugares del mundo. Millones de barriles de petróleo equivalentes.

Figura 21. Consumo en México de energía en el sector transporte, 1994.

Figura 22. Evolución de la demanda de gasolina en México, a) con plomo, b) sin plomo.

EL RENDIMIENTO DE ALGUNAS MÁQUINAS

Antes de seguir con los motores, veamos una máquina popular, la bicicleta, muy popular en todo el mundo. Los científicos la estudian intrigados por lo simple de su tecnología, su gran eficiencia y su equilibrio. Su pariente más lejano es la rueda, inventada hace unos 5 000 años. Fue Harry Lawson, en 1879, quien la diseñó tal como la conocemos: transmisión por cadena, piñones y cuadro. ¿Hay algo interesante que decir acerca de la bicicleta a más de un siglo de creada? Parece que no, pero hay un punto de sumo interés: resulta que la bici es uno de los medios de transporte con más alto rendimiento energético. La energía que gasta un individuo, animal o vehículo para desplazarse depende de la velocidad con que lo hace, pero uno puede comparar los diferentes movimientos con la velocidad habitual promedio. Cuando uno realiza esos cálculos resulta que comparados entre sí, por kilómetro y gramo transportado, los menos eficientes son la serpiente, la rata, la mosca, seguidas del conejo, helicóptero, avión, el hombre, el caballo, el automóvil y el salmón. Un ciclista gasta cinco veces menos energía (0.15 calorías por gramo y kilómetro recorrido) que un marchista (0.75 calorías/km y gramo). ¿Por qué? Para contestar esto debemos pensar en la potencia que la máquina humana puede dar y cómo se usa.

LA COMBUSTIÓN DE LA GASOLINA

La combustión en un auto es muy diferente de las combustiones simples y continuas que se suceden en otro tipo de aparatos como las turbinas de gas. Es intermitente y se da bajo condiciones complejas y variables. La eficiencia de la combustión es muy sensible a la calidad del carburante y éste depende a su vez en forma estrecha de las condiciones de operación.

Para destacar la importancia del adelanto técnico, diremos que en el siglo x el enganchar la collera en los homóplatos de los animales de tiro los salvó de la semiasfixia que les producía llevarla al cuello. En los vehículos automotores, la energía química contenida en los combustibles se transforma en movimiento y como subproducto se genera calor y gases de combustión. Es importante hacer notar que el contenido energético teórico de la gasolina al ser quemada en presencia del aire, está relacionado directamente con el contenido de carbono e hidrógeno. La energía es liberada cuando el hidrógeno y el carbono son oxidados (quemados) para formar agua y bióxido de carbono. El octano de la gasolina no está relacionado con el contenido energético y son sólo los hidrocarburos presentes en la mezcla los que determinan la liberación de energía y que no se produzcan detonaciones indeseables. Las dos reacciones importantes son:

C + O₂ → = CO₂

H₂+1/2O₂ →H₂O

La masa o volumen de aire requerido para proveer suficiente oxígeno con el cual se alcance la combustión completa es un valor preciso. Pueden darse dos condiciones, la primera que la cantidad de aire sea insuficiente, los científicos hablan entonces de que la mezcla es “rica”; la segunda, que se da cuando la masa es excesiva, se dice entonces que la mezcla es “deficiente”. Como regla, un auto funciona con el máximo de potencia cuando la mezcla es ligeramente “rica” pero la e...

Índice

• Portada
• Índice
• Prefacio
• I. Sobre aire y máquinas
• II. La energía
• III. Los carburantes alternos
• IV. Los carburantes y la contaminación
• Glosario
• Bibliografía