III. LOS CARBURANTES ALTERNOS
LAS SUSTANCIAS OXIGENADAS COMO ADITIVOS
EL USO de aditivos oxigenados en la gasolina, como los alcoholes, comenz� en los a�os veinte cuando se descubri� su cualidad de elevar el octano de los carburantes entonces disponibles. Fue en los a�os setenta cuando se volvi� a hablar de los alcoholes, ca�dos en desuso al aumentar el precio del petr�leo. Los �teres tambi�n empezaron a usarse por el mismo tiempo y el empleo de los dos tipos de mol�culas se ha incrementado y extendido en muchos pa�ses dado que los refinadores encontraron un producto capaz de aumentar el octano en tiempos en que el crudo era escaso por asuntos pol�ticos: tambi�n vieron en ellos una fuente importante para aumentar el octano cuando muchos pa�ses, entre ellos M�xico, iniciaron una campa�a para desaparecer el tetraetilo de plomo de las gasolinas vendidas. Desde el punto de vista econ�mico, los compuestos oxigenados han tenido un papel importante en estabilizar los precios del mercado del petr�leo. M�s recientemente los beneficios de los productos oxigenados al reducir las emisiones contaminantes de mon�xido de carbono y de hidrocarburos han hecho que en muchos pa�ses se haga obligatorio a�adir un m�nimo de ellos a la gasolina.
La mayor�a de los aditivos oxigenados son alcoholes o �teres y contienen de uno a seis �tomos de carbono. En particular los alcoholes se han empleado en la gasolina desde los a�os treinta. De los �teres existe una variedad de la cual hablaremos adelante. Daremos primero la f�rmula de los m�s representativos. De los alcoholes y a�adidos en concentraciones superiores a 1 o 2%, los m�s usados son metanol, etanol, isopropanol, terbutanol y mezclas de alcoholes con uno a cinco carbones. De los �teres, los m�s empleados son: el �ter metil-terbut�lico (EMTB), el metil-teram�lico (EMTA) y el etil-terbut�lico (EETB) de los cuales presentamos sus f�rmulas:
EMTB, EMTA y EETB
De los �teres m�s empleados el EMTB es tal vez el n�mero uno, pues se mezcla muy bien con los hidrocarburos de la gasolina; la demanda parece crecer sobre todo en los pa�ses en los cuales se ha ido sustituyendo paulatinamente el plomo en la gasolina. Su manufactura comercial se inici� en Europa, espec�ficamente en Alemania e Italia, alcanzando gran popularidad en los a�os setenta a ra�z del conflicto petrolero. La s�ntesis del �ter se realiza catal�ticamente en las refiner�as, mezclando el isobuteno (producto gaseoso que se obtiene del proceso de la desintegraci�n catal�tica y del que ya hablamos) con el metanol:
Aunque en algunos pa�ses se permite adicionar EMTB hasta un 15% en volumen, por lo general, se a�ade entre 6 y 10% aunque el valor puede elevarse en los lugares que requieren ox�geno para mejorar la combusti�n. El EMTB empleado en altas concentraciones puede aumentar el octano hasta en tres n�meros. No es tan sensible al agua como los alcoholes, y la volatilidad de la gasolina, punto que hay que cuidar con mucho cuidado, no se ve incrementada. El EMTA, qu�micamente conocido como el �ter etil-teram�lico, se obtiene por reacci�n entre el metanol con el isoamileno:
Como su predecesor, los fabricantes de gasolina lo han empezado a experimentar con el fin de aumentar el octano y proveer ox�geno. Se considera que tiene propiedades parecidas al EMTB y se a�ade a la gasolina hasta en 17% en volumen aunque en la realidad se le adiciona en menor cantidad. En su m�xima concentraci�n eleva el octano en tres n�meros y una gasolina que lo contiene posee 2.7 % en peso de ox�geno. El EETB o �ter etil-terbut�lico, tambi�n se puede a�adir hasta en 17% en volumen con incrementos de octano en esas condiciones de tres n�meros de octano, seg�n la gasolina en cuesti�n. Como el EMTA, su adici�n provoca que la presi�n de vapor de la gasolina se vea disminuida. Su obtenci�n se hace a partir de etanol con isobuteno
De lo que hemos visto podemos concluir que los oxigenados tienen altos valores de octano. De hecho antes de que se introdujeran a la gasolina para mejorar la combusti�n, el etanol y el EMTB se a�ad�an para aumentar el octano y no el contenido de ox�geno. Hay que hacer notar que la adici�n de oxigenados a la gasolina se hace con el prop�sito de reducir las emisiones t�xicas aunque no las reduce todas. S�lo son eficientes si se modifica cuidadosamente la f�rmula, de lo contrario su efecto puede incrementar las emisiones nocivas. A�adir oxigenados a los autom�viles sin un buen control de la relaci�n carburante/aire, hace que se muevan hacia la regi�n de mezcla "pobre", en la cual se produce menos mon�xido de carbono, CO, un producto t�xico como veremos.
La adici�n de compuestos oxigenados ha creado, seg�n nuestro criterio, gran confusi�n y se manipulan mitos y leyendas de todo tipo que trataremos de aclarar. Queda claro que los oxigenados mejoran el octano en la gasolina a la que no se le a�ade plomo y aumentan la capacidad de combusti�n, pero muchos t�cnicos tienen a�n dudas sobre tantas bondades. En primer t�rmino no pueden darse valores absolutos de octano obtenido al mezclar los oxigenados ya que la calidad que se obtenga depender� de los otros componentes presentes.
Suponga que tiene un autom�vil moderno y de pronto al encenderlo observa que el marcador de gasolina est� baj�simo. Como Sherlock Holmes empieza a conjeturar: 1) fui a la gasoliner�a y me vieron la cara, 2) el tanque tiene fugas, 3) alguien us� el autom�vil.
La explicaci�n m�s probable es la siguiente: una gasolina com�n contiene en promedio 1.5 veces m�s calor�as por litro que el etanol. Si compara esa relaci�n concluye que si se le a�adi� 10% en volumen de etanol tendr� una reducci�n del 3.4 % de energ�a por litro. En los veh�culos con controles de combusti�n refinados, a�adir gasolina que contiene compuestos oxigenados produce menos calor ya que el ox�geno no contribuye con energ�a. As�, para obtener la misma eficiencia se deber� consumir mayor cantidad de combustible.
Cuando se empez� a experimentar con los compuestos oxigenados se observ� que la volatilidad de los carburantes se incrementaba en demas�a. Esto hizo que mucha gente atribuyera a los oxigenados, especialmente al etanol, el problema del calentamiento de los autos. Diremos que la presi�n de vapor de la gasolina al adicionarse los compuestos oxigenados no se incrementa y hay casos, ya lo dijimos para el EMTA y EETB, en que disminuye. En resumen, la presencia o ausencia de oxigenados no es necesariamente una indicaci�n de la capacidad del carburante para vaporizar bien o no, esto depender� del conjunto de componentes de la gasolina.
�SE VA A DISOLVER MI AUTOM�VIL?
Mucha gente piensa que los autom�viles se corroen a causa de los oxigenados. Debe recordarse que la corrosi�n de los autos se debe a la presencia de agua o de compuestos �cidos. La gasolina es corrosiva y por ello en la refiner�a se le adicionan sustancias que evitan la corrosi�n. El EMTB es ligeramente soluble en agua y puede aumentar la capacidad de la gasolina de atraparla pero el incremento es peque�o. En el caso de los alcoholes la situaci�n es diferente pues son m�s solubles en agua, pero en general las concentraciones de anticorrosivos neutralizan este efecto. En lo que concierne a los elast�meros presentes en partes del auto no se puede generalizar su compatibilidad con los oxigenados. Al iniciarse la oxigenaci�n de las gasolinas se inform� que muchos materiales sufr�an deformaciones, especialmente con los alcoholes, pero esto se ha ido corrigiendo. Hay que recordar que en Brasil m�s de 5 000 000 de autos emplean etanol puro y a la gasolina se a�ade hasta 22% de etanol, por lo que la incompatibilidad de los materiales puede deberse a su uso en modelos muy antiguos.
El contenido de ox�geno de la gasolina puede llegar hasta 3.5% en peso, todo depende del tipo y concentraci�n empleados. Aquellos con esp�ritu de mec�nicos se preguntar�n si no habr� que modificar la relaci�n aire/carburante. La respuesta es negativa para esos rangos de concentraciones; en los modelos recientes esta relaci�n se regula mediante sensores de ox�geno computarizados instalados a la salida del m�ltiple del auto, que compensan los posibles cambios debidos al contenido de carburante y a la densidad del aire. Si tiene un autom�vil que carece de estas maravillas puede notarlo al observar los s�ntomas caracter�sticos de funcionar con una mezcla pobre de aire: el auto se para y no camina ni rog�ndole. Pero para que se entere le damos unos datos t�picos de la relaci�n aire/carburante:
• Gasolina sin oxigenados = 14.6
En la figura 30 resumimos los diferentes tipos de oxigenantes y el contenido de ox�geno expresado en el porcentaje en peso que proveen para los alcoholes y los �teres.
OTROS CARBURANTES ALTERNOS A LA GASOLINA
�Cu�l es el mejor sustituto para el motor de pist�n? La mayor�a de los especialistas consideran que �ste prevalecer� por muchos a�os, tanto por consideraciones t�cnicas como econ�micas. El principio de siglo estuvo marcado por una revoluci�n en el transporte, cuando la m�quina t�rmica reemplaz� a la bestia. El inmenso �xito del autom�vil, debido a su bajo costo y m�ltiples usos, cre� una inmensa industria que satisface dicha demanda: veh�culos, carreteras, equipamiento y carburantes. En tal situaci�n es necesario empezar a adelantar las futuras estrategias de evoluci�n. Queda mucho por lograr en el campo de la tecnolog�a de los autos. No debe olvidarse la necesidad de revolucionar el campo de los carburantes. En el futuro cercano ser� necesario pensar en transportes que no generen emisiones de ning�n tipo a la atm�sfera, pero esos cambios no se pueden dar de la noche a la ma�ana. Revisemos qu� alternativas de carburantes tenemos a mano o en el horizonte. La b�squeda de nuevos combustibles ha sido materia de estudio y se tienen identificados, con sus pros y contras. Se considera que es tiempo de impulsar el uso de otras fuentes de energ�a debido al deterioro del ambiente y por el uso de combustibles f�siles. En Estados Unidos se gasta mucho dinero por asuntos de salud relacionados con la contaminaci�n del aire. En muchos pa�ses se hacen cuentas del costo de importar el petr�leo y se buscan alternativas, veamos cu�les son �stas.
CONTENIDO DE OX�GENO (% EN PESO)
Figura 30. Contenido de ox�geno para varios alcoholes y �teres que se mezclan con gasolina.
• Gas natural. El gas natural, despu�s de la hulla, es el carburante f�sil m�s abundante; lo constituye una mezcla de hidrocarburos y peque�as cantidades de no hidrocarburos. Existe en estado gaseoso o mezclado con petr�leo crudo en los dep�sitos subterr�neos y es recuperable como gas en condiciones atmosf�ricas de presi�n y temperatura. El gas natural comprimido contiene entre 70 y 90% de metano, 10 a 20% de etano, 2 a 8% de propano y cantidades menores de hidrocarburos m�s pesados que llegan hasta el butano. En el mundo hay reservas importantes, y se le clasifica seg�n se encuentre en el yacimiento como gas no asociado si no est� en contacto con el petr�leo crudo y como gas asociado si est� en contacto con aqu�l, ya sea como gas natural libre o como disuelto en petr�leo.
Como carburante tiene un alto �ndice de octano adem�s de que al ser quemado sus emisiones nocivas son menores. Comparado con la gasolina, el �ndice de octano es de unos 130; es decir que no existen desventajas t�cnicas siempre y cuando la instalaci�n del tanque que lo contiene sea correcta. �Cu�l es el "pero", entonces? Pues la capacidad de un auto de cargar grandes cantidades: los veh�culos necesitar�an de 1 a 3 cilindros de 90 a 120 litros de capacidad y aun as� esto representar�a 50% del trabajo que provee la gasolina. En resumen podr�amos decir que transformar un autom�vil dise�ado para usar gasolina, para emplear gas es muy costoso. En M�xico no se cuenta con una red de gaseras lo suficientemente amplia para recargar los tanques. Este carburante se ha empleado extensamente en Italia y Nueva Zelanda, en este �ltimo pa�s exist�an en 1987 130 000 autos que pod�an usar gas o gasolina y 380 estaciones de servicio; se estima que hoy en d�a a nivel mundial operan aproximadamente un mill�n de veh�culos a gas y para 2010 s�lo en Estados Unidos se considera que circular�n 11 millones. La econom�a tiene un papel importante en su uso si se le compara con la gasolina. Al convertir un auto que usa gas, se generar� una p�rdida de alrededor de 15% en la potencia, lo que repercutir� en el bolsillo del consumidor, sobre todo si el precio de la gasolina se mantiene bajo. Su ventaja principal respecto a la gasolina es la emisi�n menor de contaminantes y t�xicos si el veh�culo cuenta con convertidor catal�tico, aparato del que hablaremos m�s adelante.
• Gas de petr�leo licuado. El gas licuado es esencialmente propano en mayor proporci�n que butano e isobutano. En muchos pa�ses el gas grado para autos est� constituido por entre 90 y 95% de propano y el resto de butano. A principios de siglo exist�an ya m�quinas movidas a propano y el inter�s de emplearlo como carburante se ha incrementado en los �ltimos a�os sobre todo para el transporte masivo. Circulan actualmente unos 3.5 millones de veh�culos con este carburante y podemos decir que ocupa el tercer lugar despu�s de la gasolina y el diesel. Una ventaja sobre el gas natural comprimido es que los tanques no tienen que resistir presiones tan altas y el carburante se guarda en forma l�quida. Desde el punto de vista del medio ambiente es uno de los carburantes m�s limpios y se usa extensamente en las flotillas de taxis de varios pa�ses asi�ticos. Lo anterior lo da el hecho de que al ser un gas en lugar de un l�quido, no tiene que pasar la etapa de vaporizaci�n lo que permite que el autom�vil no emita muchos contaminantes al estar fr�o. Tambi�n es un producto de alto octanaje. Comparado con los autom�viles convencionales se requiere aproximadamente entre 20 a 25% m�s carburante de no ser que la m�quina sea especialmente modificada para emplearlo, con lo cual no disminuye la potencia o se incrementa el consumo. Veamos algunos datos comparativos entre los dos carburantes que hemos mencionado hasta el momento comparados con el isooctano.
Para usarlo directamente, el autom�vil debe sufrir modificaciones. El propano comparado volumen a volumen con la gasolina, genera 20% menos energ�a as� que para tener un radio de manejo equivalente al de los autos a gasolina se requiere que la cantidad guardada en el tanque sea mayor.
• El hidr�geno. Se ha hablado mucho de este gas que sigue siendo un tema a futuro y altamente explosivo. En los pr�ximos diez a�os su peor aplicaci�n ser�a en las m�quinas de combusti�n, ya que es mejor emplearlo como reactivo en varios procesos de refinaci�n que generan carburantes m�s limpios. Sin embargo los estudios para desarrollar una tecnolog�a que funcione con m�quinas de combusti�n interna no ha cesado desde principios de siglo. El hidr�geno tiene alta velocidad de flama (3.24 a 4.4 m/s), inflamabilidad en amplios rangos (desde 4 a 75% en volumen), alta temperatura de autoignici�n (520�C) y temperaturas de flama de 2 050�C. Todo apunta a que es un gran carburante para el transporte, pero el problema fundamental reside en generar un sistema de almacenaje que satisfaga todos los requisitos de seguridad. Para oxidar el hidr�geno, el ox�geno es obviamente el candidato adecuado, sin embargo la mayor�a se inclina por el aire. Desafortunadamente esa temperatura de flama es lo suficientemente elevada para disociar el nitr�geno atmosf�rico y generar �xidos de nitr�geno indeseables. Adem�s, al ser la velocidad de la flama tan r�pida hay que considerar la posibilidad de que la flama pase r�pidamente por los inyectores sin ser detenida causando una ignici�n previa, no deseada. Se podr�a pensar que lo anterior se mitigar�a si se inyecta un chorro de agua, que tiene el beneficio adicional de aumentar la eficiencia t�rmica, aunque sin duda har� disminuir la temperatura de combusti�n. En resumen, el asunto tiene sus ventajas y desventajas que sin duda ser�n resueltas en el futuro.
• La electricidad. La mayor�a de la energ�a que empleamos se obtiene de procesos de conversi�n como el siguiente :
energ�a qu�mica ® calor ® energ�a el�ctrica ® trabajo mec�nico
energ�a qu�mica ® calor ® trabajo mec�nico
Estas rutas proveen las bases para la operaci�n de turbinas de vapor, plantas el�ctricas y m�quinas de combusti�n interna. Sin embargo, hay otros m�todos de obtener energ�a �til que no incluyen como intermediario al calor. Hasta finales del siglo XVIII se conoc�a un solo tipo de electricidad, la est�tica que se obten�a por frotamiento. Se hab�a demostrado que hab�a cuerpos que conduc�an electricidad y otros no, pero exist�a un particular inter�s en estudiar los pescados que daban "toques" porque los investigadores hab�an llegado a la conclusi�n de que la naturaleza de esos toques era el�ctrica. En 1780, Luigi Galvani (1737-1798) en Bolo�a, Italia realiz� una observaci�n fortuita que public� en sus memorias once a�os despu�s: "ten�amos una rana disecada en una mesa en la que hab�a cerca una m�quina el�ctrica. Uno de mis asistentes, por casualidad, toc� uno de los nervios de la pata con un bistur�. El m�sculo se agit� en convulsiones violentas, otro de mis asistentes crey� haber visto salir al mismo tiempo una chispa de la m�quina." Galvani realiz� muchos experimentos m�s para descubrir cu�l era el principio escondido en todo esto, tambi�n demostr� lo contrario, la contracci�n del m�sculo produc�a el fen�meno el�ctrico. Galvani siempre crey� que esta "electricidad animal" era de car�cter �nico, inclusive se le llam� a este efecto "galvanismo", pero estaba equivocado. Alessandro Volta (1745-1827) profesor de la Universidad de Pavia, atra�do por los resultados de Galvani sigui� profundizando en los experimentos. Encontr� que la descarga el�ctrica no s�lo produce la contracci�n muscular sino tambi�n que hay sensaci�n. �C�mo demostr� esto? La forma es simple: si uno coloca la lengua entre dos placas met�licas de naturaleza diferente que est�n conectadas por un alambre, hay sensaci�n o no de cosquilleo seg�n el tipo de metal y por tanto hay metales conductores y aislantes. El siguiente paso fue m�s simple, a principios de 1800 invent� un aparato que produc�a un flujo de corriente el�ctrica para lo cual utiliz� recipientes con una soluci�n conteniendo una sal y conectados por arcos met�licos, una junta se met�a en un recipiente y la otra en el siguiente. El aparato, conocido ahora como pila de Volta, fue la primera bater�a de la historia. El 20 de noviembre de 1801, Volta present� su aparato a Napole�n Bonaparte quien le otorg� una medalla de oro. La historia de Volta tiene antecesores, ya que en 1745 se invent� un aparato en el cual la carga el�ctrica pod�a almacenarse. Hoy en d�a un aparato de ese tipo se llama capacitor, pero el vaso de Leyden, inventado por Petrus van Musschenbroek, fue objeto de curiosidad en toda Europa y la gente viajaba de lugares muy alejados para observar c�mo produc�a electricidad. Consist�a en un vaso de cristal forrado de metal en su interior, donde se encontraba una varilla clavada a un corcho. Esto pod�a almacenar grandes cantidades de carga el�ctrica est�tica que se le suministraba de una m�quina en que la carga se produc�a por frotamiento. Si el vaso se acercaba a alg�n metal, cruzaba el aire una chispa min�scula.
A principios de siglo exist�an tres sistemas de tracci�n: a vapor, a electricidad mediante acumuladores y a petr�leo. No obstante, en Francia, en 1881, un autob�s el�ctrico equipado con 9 toneladas de acumuladores circulaba por las calles parisinas. En 1899 el belga Jenatzy levant� 105 km/h y bati� el r�cord de velocidad. En 1901, en Francia, Krieger recorri� la distancia Par�s-Chatellerault (307 km) a 19 km/h sin recargar la bater�a. Del modelo Krieger de 1905 fueron vendidas 2 400 unidades. Los autom�viles de bater�as hasta el momento, no superan a los de motor de combusti�n interna en su capacidad de carga, radio de acci�n y otras ventajas. Este modelo de auto que hemos presentado podr� en un futuro vencer dichas desventajas aunque ahora no es econ�micamente competitivo. En Estados Unidos el primer veh�culo el�ctrico de cuatro neum�ticos fue construido en 1892. Pod�a funcionar 13 horas antes de ser recargado y viajaba a la fabulosa velocidad de 23 kil�metros por hora. A finales del siglo los veh�culos el�ctricos dominaban el mercado automovil�stico con autonom�a promedio de 80 km. En 1900, 38% de los nuevos autos estadunidenses usaban bater�as y por 1912 unos 6 000 autos el�ctricos y camiones eran producidos por 20 compa��as diferentes. En muchos pa�ses hay la convicci�n de que para finales de siglo los veh�culos deber�n emitir cero contaminantes. La soluci�n sin duda son los autom�viles el�ctricos: en el plano t�cnico el principal obst�culo para comercializar veh�culos confiables es la insuficiencia de la fuente de energ�a que porta el auto. Las bater�as disponibles de n�quel/cadmio y de plomo son las primeras muy costosas y las segundas tienen poca capacidad para almacenar energía. Otro reto a vencer es que las bater�as no adicionen peso muerto al coche y mantengan la potencia de aceleraci�n suficiente. Para dar una idea, el equivalente de 48 litros de gasolina ser�a una bater�a de plomo de 2 800 kilos. La General Electric considera que una bater�a puede alcanzar una vida de unos 35 000 km. Las compa��as de electricidad han sido, claro, las promotoras del auto el�ctrico, las razones son evidentes y la estrategia empleada ha sido construir veh�culos con las t�cnicas disponibles y ponerlos a funcionar a fin de crear una disposici�n favorable de la sociedad, pero no todo es color de rosa y hay problemas a�n no resueltos, en particular en lo que concierne a la generaci�n de la energ�a el�ctrica. Si en el futuro se produce a partir de hulla, se emitir�n contaminantes a la atm�sfera. Lo importante es que la tecnolog�a de los autom�viles el�ctricos mejora cada d�a. Se encuentran autos de dos asientos que pueden desplazarse de 0 a 90 km/h en 8.5 segundos y mantener una velocidad crucero de 120 km/h. La industria deber� incrementar la vida de la bater�a a dos o tres a�os y su periodo de trabajo sin recarga a 160 kil�metros.
• Las celdas de combustible. El principal inconveniente de los acumuladores es su poca capacidad de almacenamiento pero tambi�n cuenta mucho el tiempo de recarga que suele ser de varias horas para las bater�as de plomo y las de n�quel-hierro. El problema se encuentra en el nivel de poder el�ctrico instalado en el punto de recarga. Expliquemos esto con un ejemplo: un contador de 30 amperes bajo 220 voltios env�a 6.6 kilovatios por hora. Se necesitan de 12 a 15 kilovatios por hora para asegurar a un coche de una tonelada de peso una autonom�a de 100 km. Tal vez la soluci�n pr�ctica sean las celdas de combustible recargables manualmente. Las pilas de combustible transforman directamente la energ�a qu�mica en electricidad. Sin embargo, a diferencia del acumulador que necesita ser recargado, la pila es alimentada continuamente con combustible guardado fuera de la celda, hidr�geno o compuestos ricos en hidr�geno. El principio de la pila descansa en la reacci�n inversa de la electr�lisis: una corriente el�ctrica descompone el agua en hidr�geno y ox�geno, una nueva combinaci�n del hidr�geno y del ox�geno bajo ciertas condiciones produce electricidad y agua. El principio es conocido desde 1839 y en 1951 un investigador ingl�s (Bacon) produjo la primera pila de un kilovatio que fue seguida por otras de mayor potencia, la investigaci�n la llevaba Estados Unidos que buscaba generadores de corriente para sus naves espaciales. Para que la reacci�n suceda, un material reacciona en el electrodo positivo mientras que el otro lo hace en el negativo. M�s a�n, hay que impedir que lo hagan directamente ya que esto provoca un tipo de cortocircuito qu�mico del cual no resulta la generaci�n de energ�a el�ctrica y s�lo aparece energ�a t�rmica. Existen muchos tipos de reacciones qu�micas �tiles para este tipo de celdas, sin embargo las que han tenido mayor atenci�n son las reacciones de combusti�n. El oxidante generalmente es el ox�geno del aire y el carburante preferido el hidr�geno pero ha habido poco �xito cuando se emplean celdas con otros carburantes a baja temperatura que permitan la oxidaci�n directa de los hidrocarburos. Tienen la ventaja de no producir emisiones contaminantes y son tal vez los candidatos m�s serios para remplazar a las m�quinas de combusti�n interna convencionales, debido a que tienen gran eficiencia de transformaci�n de carburante en electricidad, del orden de 40 a 60%. Su costo es alto, pues requieren de carburantes muy limpios exentos de cloro, azufre o amoniaco que las inhabilita y tienen tambi�n corta vida de operaci�n, pero el tiempo lo dir� todo.
• Veh�culos con un poquito de todo. No es descabellado por tanto pensar en un sistema de veh�culo tipo Frankenstein en el que se unan:
1) Una fuente primaria de poder, que puede ser el generador proveniente de una m�quina de combusti�n interna la cual opera solamente en la mejor secci�n de su eficiencia, es decir el cociente de energ�a �til producida dividido por la energ�a aplicada; una alternativa puede ser las celdas de potencia que acabamos de ver o una turbina.
2) Una unidad capaz de acumular energ�a, como una bater�a que funciona de la siguiente manera desde el punto de vista qu�mico
al cargarse la bater�a se produce plomo (Pb) y �xido de plomo (PbO2) los cuales reaccionan en presencia del �cido sulf�rico (H2SO4) para generar electricidad en la etapa de "descarga" de la bater�a. Las bater�as qu�micas fabricadas cuando Volta las invent� s�lo serv�an una vez. El f�sico franc�s Gast�n Plant� construy� la primera bater�a recargable en 1859 y, esencialmente, sigue emple�ndose hoy en d�a.
3) Una unidad de manejo casi siempre se piensa en un motor el�ctrico que pueda usarse como generador.
Los autos de bater�a hasta el momento no superan al motor de combusti�n interna en su capacidad de carga, radio de acci�n y otras ventajas. El modelo de autom�vil que hemos presentado podr� en un futuro vencer dichas desventajas aunque ahora no es competitivo.
• El amoniaco. El amoniaco (NH3) se obtiene de la reacci�n entre el nitr�geno y el hidr�geno. La mezcla de ambos gases se hace pasar a trav�s de un material catal�tico especialmente preparado a base de hierro a temperaturas de entre 450 y 520�C. Hay que hacer notar que la reacci�n requiere te�ricamente de tres mol�culas de hidr�geno por cada mol�cula de nitr�geno, Adem�s, ya que este material no tiene �tomos de carbono no producir� bi�xido de carbono como producto de la combusti�n. El amoniaco, al ser oxidado, produce la siguiente reacci�n:
gener�ndose energ�a en el proceso, sin embargo su uso como carburante no convence mucho a�n debido al alto calor de vaporizaci�n que requiere entonces de una etapa de vaporizaci�n previa, adem�s de que son necesarias temperaturas relativamente elevadas para provocar su descomposici�n.
• El agua. Hay quien afirma que una parte de gasolina con dos de agua produce en una m�quina de combusti�n interna el mismo poder que si emplease s�lo gasolina. La energ�a proviene de la disociaci�n del agua mediante un catalizador introducido en la c�mara de combusti�n con lo que, si lo meditamos, volvemos al principio de tener disponible hidr�geno.
• El �xido de propileno. Veamos antes su f�rmula:
Aparentemente ha sido empleado como carburante en las carreras de autom�viles y algunos osados pilotos hablan de �l. Es un carburante de buenas propiedades en lo que concierne a volatilidad, inflamabilidad y autoignici�n. Cuando se usa en las m�quinas modificadas para obtener gran potencia siempre que se hallen en una zona ligeramente rica en lo que compete a la relaci�n aire:combustible. As�, la mezcla alcanza alta volatilidad, alta temperatura de autoignici�n y alto octanaje, adem�s de que la velocidad de la flama se incrementa, con lo que aumenta la eficiencia de la quema de hidrocarburos. El incremento en poder —sin grandes modificaciones en la m�quina—, hay que apuntar, se debe a que aumenta la eficiencia volum�trica y se requiere menos ox�geno. El �xido de propileno debe manejarse con extremo cuidado pues se sospecha que es cancer�geno.
• El �xido nitroso. El �xido nitroso se obtiene calentando el nitrato de amonio:
Es un gas incoloro e inodoro. Cuando se le respira por corto tiempo provoca una especie de risa hist�rica; de �l se dice que condujo a que se le llamase gas hilarante. Estuvo de moda en las fiestas de sociedad hacer uso de este gas cuando no hab�a nada mejor que hacer. Una inhalaci�n m�s prolongada motiva un estado de inconsciencia, por eso este gas, mezclado con aire u ox�geno, se emplea como anest�sico general. El �xido contiene 33% en volumen de ox�geno, en consecuencia se puede pensar que la c�mara de combusti�n estar� ocupada con menos cantidad de nitr�geno in�til y m�s carburante se puede inyectar a la c�mara de combusti�n. Su ventaja es que su velocidad de flama puede ser manejada por los motores de combusti�n interna cuando se emplean hidrocarburos o alcoholes.
Durante muchos a�os se han dedicado grandes recursos a la investigaci�n y desarrollo de m�todos para enriquecer el contenido de ox�geno del aire, con el prop�sito fundamental de hacer m�s eficiente la combusti�n ya que la temperatura de la flama ser�a m�s elevada y habr�a menos nitr�geno presente. La concentraci�n �ptima de ox�geno para los autom�viles oscila entre 30-40%. Una manera de alcanzar el enriquecimiento necesario es utilizar una membrana. Para dar una idea acerca de las membranas y sus funciones hay que pensar en las membranas semipermeables de los sistemas biol�gicos; de hecho, son barreras capaces de redistribuir los componentes de un sistema. La fuerza que impulsa este proceso puede ser la diferencia de presi�n, de concentraci�n o una diferencia de potencial el�ctrico. El problema de instalar un equipo con membrana en un autom�vil no est� resuelto, se requiere una superficie muy grande para producir la cantidad necesaria de aire enriquecido en ox�geno de la m�quina de combusti�n interna. Entonces, la membrana deber� enrollarse dentro de la m�quina con lo cual se requiere cierta cantidad de poder para forzar al aire a cruzar toda la membrana.
• P�ngale un coco a su autom�vil. En Manila, Filipinas; Toronto,
Canad� y Dakota, EUA, es com�n que los agricultores extraigan del
girasol un aceite para consumo de sus tractores. Pruebas semejantes se han hecho
con aceite de soya, coco, algod�n, etc. Ya en 1912 Diesel propuso emplear aceite
de girasol. En la segunda Guerra Mundial los alemanes, aislados en �frica, empezaron
a sustituirlo por aceites filtrados de palma. Terminada la guerra, el inter�s
por buscar sustitutos decay�. Pero los aceites tienen futuro. El biodiesel,
por ejemplo, tiene entre sus caracter�sticas ser renovable, no ser t�xico, y
no causar da�os al medio ambiente. En un principio se emplearon aceites vegetales,
sin modificaci�n, desafortunadamente presentaban problemas porque suelen descomponerse,
adem�s de ser sumamente viscosos lo que dificulta la atomizaci�n del carburante
que trae como consecuencia una combusti�n incompleta y la formaci�n de dep�sitos
carbonosos en varias partes de la m�quina. Una primera soluci�n en lo que concierne
a la viscosidad fue disminuirla diluyendo el aceite en gas�leo, pero esto era
sacarle el bulto al problema. La soluci�n reside en desarrollar un derivado
de un aceite vegetal, o de la grasa animal, con las propiedades del diesel.
Recientemente la ruta del biodiesel se ha reactivado por las siguientes razones:
1) una modificaci�n qu�mica del material de partida genera un mejor producto,
y 2) existe amplia variedad de aceites vegetales utilizables. Presentamos
c�lculos de 1990 acerca de la producci�n mundial de varios aceites vegetales.
Esencialmente la reacci�n que se lleva a cabo consiste en hacer reaccionar el aceite vegetal con metanol lo que genera un �ster y glicerina. Si se emplea el metanol como alcohol, el derivado ser� el �ster met�lico y, si es el etanol, ser� el �ster et�lico. La reacci�n se lleva a cabo en presencia de un catalizador. En la reacci�n se parte de un aceite que tiene un peso molecular de unos 700 a 900 y se fabrican tres mol�culas m�s ligeras de pesos moleculares entre 230 a 300
| aceite vegetal | + | metanol | ® | ésteres | + | glicerina |
| 1 tonelada | 0.1 t. | 1 t. | 0.1 t. |
donde los �steres producidos presentan cadenas de hidrocarburos que oscilan entre 13 y 19 �tomos de carbono si se emplea metanol y de 14 a 20 �tomos en los �steres de etanol. El producto tiene propiedades muy parecidas al diesel. Otras fuentes pueden ser la grasa animal y el aceite vegetal gastado. Las ventajas del biodiesel son que no tiene azufre, o arom�ticos, y que su mol�cula contiene ox�geno. Adem�s es un producto renovable. Las pruebas a�n no son concluyentes y es necesaria m�s investigaci�n. Una estrategia inicial ha sido a�adir al diesel entre 10 y 40% de biodiesel y seguir su comportamiento.
• Si no hay diesel, use anest�sicos. Si bien a�n est� en etapa de
experimentaci�n, se podr� optar en el futuro por el dimetil-�ter (DME)
el mismo que emple� el dentista William Morton para extraer muelas. La idea fue de Charles Jackson quien se autoanestesi� e instruy� a Morton en el mejor m�todo de administrarlo. El �ter ha sido propuesto como sustituto del diesel. Comparemos algunas de sus propiedades con las del diesel, en la siguiente tabla.
El carburante tiene sus pros y contras. A favor est� que no genera humo. Tambi�n disminuye el ruido. Las emisiones de sustancias t�xicas quedar�n dentro de los l�mites de los criterios internacionales. Los problemas a�n no resueltos surgen de la necesidad de dise�ar nuevos sistemas de inyectores pues con los actuales se dan fugas, aunque el DME puede ser transportado y guardado como l�quido igual que el gas licuado. Adem�s, el DME como otros carburantes alternos tiene un contenido energ�tico en volumen menor al diesel o la gasolina. De lo anterior se desprende que se necesitan mayores vol�menes para dar al consumidor el mismo rango de operaci�n. Comparado con la gasolina el volumen de DME requerido para viajar una cierta distancia es muy similar.
• La combusti�n perpetua. Hemos llegado al punto en el cual la obsesi�n
consiste en realizar la combusti�n perfecta, que de todas maneras genera bi�xido
de carbono y provoca da�os a nuestro planeta que ser�n motivo de las reflexiones
del pr�ximo cap�tulo. Antes de seguir el inflamable tema de la gasolina, contaremos
el cuento de las l�mparas de combusti�n perpetuas como lo narra A. Ord-Hume
en su libro acerca del movimiento perpetuo:
Como sabemos el proceso de combusti�n es una forma de consumir energ�a
y una l�mpara perpetua tendr�a la capacidad de crear m�s combustible que el
que consume, a menos que tuviera una fuente prodigiosa. Las l�mparas y la combusti�n
que generan han creado tanta m�stica, magia y mito que no es sorprendente encontrarlas
en los ritos sepulcrales de los antiguos, donde vemos en muchos monumentos l�mparas
que permanentemente est�n encendidas. Una primera referencia a las l�mparas
se encuentra en �xodo, 27, donde se dan detalles de lo que los israelitas deb�an
hacer para construir el tabern�culo: "Y comandar�s a los hijos de Israel que
traigan el aceite puro de oliva para alumbrar, para provocar que la l�mpara
se queme permanentemente". Son numerosos los relatos de l�mparas encontradas
en tumbas que ard�an al penetrar en ellas. En la Tumba de Pallas asesinado por
Turnus en la guerra de Troya (1184 a.C.) se encontr� una l�mpara ardiente en
el a�o de Nuestro Se�or 1401. Si hacemos n�meros, se trata de una l�mpara que
ardi� 2 600 a�os. Una explicaci�n es que resulta bien conocido que las sustancias
fosforescentes son producto de la descomposici�n de los animales y vegetales
y su existencia pudo dar la impresi�n, al abrir la tumba, de que la l�mpara
ard�a. Nadie explica, aceptando la existencia de un carburante inextinguible,
de d�nde sal�a el aire necesario para la combusti�n. Aunque pudi�ramos pensar
el f�sforo y sus sales como una explicaci�n (elemento descubierto en 1669 por
Brandt en Hamburgo) de la luminosidad de algunos materiales, no se puede uno
tragar la p�ldora de que hayan estado encendidas por cientos o miles de a�os,
sobre todo si su explicaci�n es tan absurda como las dadas para las m�quinas
de movimiento perpetuo inexistentes, que violan los principios fundamentales
de las leyes de la termodin�mica. A falta de una tecnolog�a disponible que incluyera
la refracci�n de la luz por lentes o fibras �pticas o la degradaci�n radiactiva,
debemos concluir a nuestro pesar de que est�n basadas en observaciones err�neas.
Otra explicaci�n proviene del informe acerca de una l�mpara eterna encontrada
en la isla de Nesis, en la bah�a de N�poles, que seg�n Luciano, el aire de la
isla ol�a horrible y era peligroso. �Era este gas de origen volc�nico y por
ende sulfuroso o bien podr�a ser tambi�n metano y la fisura del gas natural
manten�a encendida la l�mpara? Si uno considera las enormes reservas de gas
natural del Mar del Norte, una peque�a fisura que alimentara el reservorio de
la l�mpara podr�a mantenerla viva durante m�s de un mill�n de a�os.
Recapitulemos lo hasta aqu� dicho. En los pr�ximos 40 a�os la energ�a ser� uno de los problemas calientes de la sociedad a medida que los carburantes f�siles disminuyan. Nuevas oportunidades de investigaci�n y desarrollo tecnol�gico se vislumbran para aplicar la qu�mica a la recuperaci�n mejorada del crudo, a su m�s eficiente explotaci�n, a desarrollar otros carburantes f�siles y crear tecnolog�as que promuevan la conservaci�n o el incremento de la eficiencia de los combustibles. Pero a largo plazo, la �nica tecnolog�a capaz de sustituir a los carburantes f�siles es la energ�a nuclear. Si �sta vuelve a ser aceptada como fuente de poder, el reemplazo de hidrocarburos l�quidos por la electricidad como fuente energ�tica crear� miles de oportunidades para desarrollar mejores bater�as y materiales el�ctricamente funcionales. La fabricaci�n de peque�os reactores nucleares seguros puede hacer a la electroqu�mica y la qu�mica de altas temperaturas atractiva para nuevos procesos.
LA REFORMULACI�N DE LAS GASOLINAS
Para ser sinceros, en las �ltimas tres d�cadas los esfuerzos por controlar el da�o ambiental que causan los autom�viles y la gasolina se han convertido en algo sumamente complejo y no todo lo exitoso que se desea. Entre 1982 y 1991 s�lo disminuyeron 8% las concentraciones de ozono —un contaminante peligroso que no es emitido directamente por los autos— a pesar de los programas de control. La reformulaci�n a gran escala para disminuir las emisiones t�xicas de los autom�viles fue propuesta por la General Motors en 1972, sin embargo la crisis del petr�leo de 1973 detuvo todo intento de modificar la composici�n de la gasolina. Curiosamente la combinaci�n de la falta de gasolina por el embargo, aunada a la disminuci�n paulatina del contenido de plomo, hizo que se olvidara el problema del medio ambiente que creaba la gasolina y cre� m�s problemas ambientales de los que se pretend�a superar.
As�, con el fin de aumentar la cantidad de gasolina se construyeron m�s plantas de desintegraci�n catal�tica que generaron mayor cantidad de olefinas ligeras, extremadamente da�inas a la atm�sfera. Esto trajo como consecuencia mayor producci�n de butanos lo que permiti� a los productores incrementar su rendimiento en gasolina pero la presi�n de vapor se elev�, lo que tambi�n es nocivo.
La producci�n de arom�ticos a partir del proceso de reformaci�n de nafta gener� mayor contenido de productos arom�ticos que compensaban el octanaje perdido por la eliminaci�n de plomo. Sabemos hoy que los arom�ticos son m�s difíciles de quemar.
Esfuerzos adicionales se hicieron en los autom�viles para controlar sus emisiones mediante dispositivos simples, como la ventilaci�n de las v�lvulas, los convertidores catal�ticos, la recirculaci�n de los gases del escape y aparatos que impiden la evaporaci�n de la gasolina. Sigui� el empleo de sistemas de control computarizado para mantener relaciones aire/gasolina constantes, reducir el tama�o de los autos, disminuir su cilindraje. Se han logrado reducciones importantes de emisiones nocivas, pero el lector se dar� cuenta que las enumeradas se centran en mejorar la tecnolog�a de los veh�culos m�s que en producir gasolinas que contaminen menos. Diremos que las bater�as se han encaminado a la adici�n de aditivos, disminuci�n de la volatilidad, disminuci�n del contenido de azufre, de arom�ticos y de olefinas en la f�rmula, que se iniciaron con la eliminaci�n de plomo en la gasolina.
Este programa es producto de la presi�n de los gobiernos y grupos ambientalistas, aunado a que las grandes empresas petroleras se han visto "amenazadas" por la competencia de carburantes alternativos como los que vimos en este cap�tulo, Esto ha impulsado el desarrollo de una nueva generaci�n de gasolina, mejor conocido como programa de "reformulaci�n de gasolina".
Las metas fundamentales son disminuir los contaminantes nocivos, la evaporaci�n de la gasolina y no generar compuestos que reaccionan en la atm�sfera creando productos nocivos. Los componentes hidrocarburos de la gasolina reformulada son muy diferentes de la fracci�n de hidrocarburos presente en las gasolinas oxigenadas.
En primer t�rmino, se ha librado una batalla en favor de los carburantes "renovables" aquellos cuyo carb�n proviene de biomasa reciente y por tanto no aumenta las emisiones de bi�xido de carbono. La batalla se ha dado entre los que apoyan el etanol y el EETB de origen vegetal contra los que producen el metanol y el EMTB, petroqu�micos provenientes de la transformaci�n de componentes del petr�leo.
El programa de reformulaci�n de gasolina en EUA fue delineado en 1990 con el "Acta del Aire Limpio" cuyas metas eran disminuir el ozono mediante el empleo de gasolina menos contaminante. El programa que entrar�a en vigor en 1995, insist�a en que en las �reas m�s contaminadas se deb�a usar por fuerza gasolina que abatiera los contaminantes sobre todo el ozono y el mon�xido de carbono. Tambi�n a partir de 1990 se prohibi� en EUA la fabricaci�n y venta de gasolina con plomo, se estableci� un m�nimo de ox�geno de 2% en peso, un contenido de benceno no mayor de 1 % en volumen y un m�ximo de 25% en volumen de compuestos arom�ticos.
Un punto importante es que la presi�n de vapor, es decir, lo que mide la volatilidad de la gasolina, resulta tambi�n menor, lo que significa que se adicionan menos componentes vol�tiles ligeros introduci�ndose un programa de dos fases: en verano y en invierno.
En 1990 el valor m�nimo era de 8.7 libras/pulgada² y el m�ximo de 11.5. En 1995 entra en vigor un m�nimo de 7.2 y un m�ximo de 8.1, pero en California son m�s estrictos y para 1996 el valor aceptado es de 7, valor del cual los fabricantes de autom�viles se quejan pues dicen que puede causar problemas de arranque y de manejo del auto en donde el invierno es fr�o.
En 1992 se delimitaron 39 zonas que exced�an los l�mites del mon�xido de carbono y que deb�an utilizar gasolina con 2.7% en peso de ox�geno. En 1993 se vuelve a bajar el contenido de ox�geno en algunas ciudades a 2% en peso de ox�geno a partir de 1995. Este a�o entr� en vigor un modelo de mezcla de gasolina en refiner�a y se determinaron l�mites al contenido de ox�geno, benceno y arom�ticos en la gasolina. Tomando como a�o de referencia 1990, se exigi� que en 1995 deber�a reducirse en 15% la emisi�n de compuestos vol�tiles y en 17% las emisiones t�xicas. En 1998 las refiner�as utilizar�n un modelo provisto por la Agencia de Protecci�n Ambiental para formular la gasolina. El modelo matem�tico incluye datos como contenido de azufre, tipo de oxigenante y contenido de olefinas y con �l se puede predecir las emisiones a partir de la formulaci�n mediante una serie de ecuaciones que definen la relaci�n entre varias caracter�sticas f�sicas y qu�micas de la gasolina y el efecto en la emisi�n que tendr� el veh�culo. Para el a�o 2000 la fase segunda del programa exige reducciones de hasta 29% para los compuestos vol�tiles, 22% en las emisiones t�xicas y 5 a 7% en los compuestos de nitr�geno t�xicos.
En M�xico la norma Nom-086 fue publicada por el Instituto Nacional de Ecolog�a en diciembre de 1994 y establece la calidad de los combustibles f�siles l�quidos y gaseosos. Hay en el mercado dos tipos de gasolina oxigenada que contienen un m�nimo de 1 % en peso de ox�geno y un m�ximo de 2%. Se obliga asimismo al consumo de gasolinas oxigenadas en la zona metropolitana de la ciudad de M�xico, lo que se extender� en 1998 a las zonas metropolitanas de Guadalajara y Monterrey. El gobierno ha puesto en marcha un programa para mejorar la calidad del aire en el valle de M�xico que se extiende hasta el a�o 2000, y dos de las estrategias ah� marcadas ata�en a los energ�ticos. En primer t�rmino se dice que se revisar� progresivamente la legislaci�n de gasolina y diesel en forma permanente hasta finales del siglo pero de inmediato —segundo semestre de 1996— se deber�n reducir los componentes t�xicos y reactivos de la gasolina para lo cual:
• los arom�ticos pasan de 30 % en volumen del total de la gasolina a 25 %
• las olefinas bajan de 15 a 10 %
• el benceno de 2 % disminuye a 1 %
• la presi�n de vapor baja de 8.5 a 7.8
Hay que hacer notar que como en los pa�ses que tienen programas de reformulaci�n, los arom�ticos disminuyen y tambi�n el benceno arom�tico que se obtiene de las mismas fracciones del petr�leo. Se preguntar� c�mo eliminar el benceno del resto de los arom�ticos en una corriente de refiner�a que contiene miles de ellos. Todo es asunto de ciencia y dinero para realizarlo. Hemos dicho que la principal fuente de arom�ticos es el proceso de reformaci�n, que toma una parafina lineal y la cierra como anillo. Quedan dos opciones, eliminar la corriente de parafinas lineales de seis carbonos (por destilaci�n) para impedir que se forme benceno, o transformar el benceno formado despu�s de la reformaci�n, por ejemplo realizando reacciones de alquilaci�n, con lo cual sucede lo siguiente, en el caso del etileno:
benceno + etileno --->etilbenceno.
Existen por tanto dos fuentes principales de emisiones de un veh�culo de motor, las que salen por el escape y las evaporativas. Veamos primero las segundas.
�C�MO DISMINUIR LA EVAPORACI�N DE LA GASOLINA?
Se da un creciente inter�s en disminuir las emisiones y entre ellas cuentan mucho las generadas por la evaporaci�n durante la distribuci�n, llenado de veh�culos en las gasoliner�as, las que se evaporan y las que se fugan del autom�vil. La manera de impedirlo es reduciendo la presi�n de vapor Reid de la gasolina. Estudiosos europeos han calculado recientemente que 40% de los compuestos vol�tiles org�nicos que produce el hombre provienen de los autos: las emisiones evaporativas ocupan el tercer lugar despu�s de la evaporaci�n de los diferentes solventes y de las emisiones del escape de los autom�viles. Son motivo de preocupaci�n la gran cantidad de vapores de gasolina a que continuamente quedan expuestos los trabajadores de las estaciones de servicio, y en muchas partes del mundo, incluyendo M�xico, se legisla para que cuenten con sistemas de recuperaci�n de vapores. �sta debe contemplar las terminales de almacenamiento y distribuci�n de combustibles durante la transferencia del combustible del autotanque al tanque de almacenamiento de la estaci�n de servicio y durante el despacho cuando los vapores que emite el dispensario son aspirados por bombas y reinyectados nuevamente a los tanques de almacenamiento o, en su defecto, son incinerados lo m�s eficientemente posible. En lo que concierne al autom�vil se le han instalado recipientes con carb�n que absorbe los puestos org�nicos, subsecuentemente los arroja para ser inyectados al resto del carburante. All� se quemar�n durante la operaci�n normal cuando el auto alcanza cierta temperatura. Deben tomarse en consideraci�n dos tipos de evaporaci�n en los autom�viles: la est�tica cuando se halla estacionado y que depende de la temperatura ambiente y las p�rdidas del tanque cuando el auto est� en marcha. En este caso se ha determinado que la temperatura del tanque puede aumentar hasta 14�C sobre la temperatura ambiente. En el caso del diesel, constituido por mol�culas menos vol�tiles, el problema de evaporaci�n es muy limitado. En la figura 31 se esquematiza el sistema de control de la evaporaci�n de carburante mediante carb�n activado.
�Y A TODO ESTO, C�MO SE MIDE EL DESEMPE�O DE LA GASOLINA ?
Con el fin de evaluar en forma cuantitativa las emisiones producidas por los veh�culos automotores, se han desarrollado procedimientos que tratan de reproducir las condiciones reales de operaci�n en el laboratorio. Las emisiones gaseosas reglamentadas en los automotores son: hidrocarburos no quemados, mon�xido de carbono y �xidos de nitr�geno. La prueba DGN-AA-II-1980 es un procedimiento federal de prueba empleado para certificar los autom�viles nuevos a partir de los modelos de 1975. As�, los fabricantes de autom�viles deben entregar al Gobierno Federal una prueba certificada de la cantidad de contaminantes que emiten sus autos. Esto no quiere decir que todos los autom�viles nuevos pasan la prueba, sino que cada a�o deben hacerlo sobre todo si se trata de modelos nuevos o modificaciones a los existentes. La prueba proporciona la caracterizaci�n m�s representativa disponible de emisiones de escape y econom�a urbana de combustible. Se realiza en una celda de ambiente controlado donde la temperatura y otras condiciones pueden mantenerse dentro de l�mites espec�ficos. Durante este proceso el veh�culo se conduce en un dinam�metro de chas�s con un programa de manejo de paro y marcha a una velocidad de aproximadamente 35 km/h. Mediante el uso de volantes de inercia y un freno de agua, se reproducen las cargas que el veh�culo experimentar�a en el camino. Los gases de escape del veh�culo se recolectan, diluyen y se mezclan completamente con el aire filtrado circundante a un flujo de volumen constante conocido. Las emisiones recolectadas incluyen un arranque en fr�o del motor y uno en caliente una vez que el auto ha recorrido 12 km y descansado 10 minutos. El dinam�metro de chas�s reproduce la inercia del veh�culo con volantes, y la carga del camino con un freno de agua. Para cada clase de peso de inercia se especifica una carga de camino que toma en consideraci�n la resistencia aerodin�mica promedio del veh�culo. Un d�a antes del arranque en fr�o programado, el veh�culo debe permanecer en reposo cuando menos 12 horas a temperatura entre 20 y 30�C. En el momento de la prueba el auto se empuja sobre el dinam�metro sin arrancar el motor y se conecta el sistema de correlaci�n de emisiones al tubo de escape, un ventilador de enfriamiento funciona de acuerdo con el motor abierto. El sistema de muestreo de emisiones y el veh�culo de prueba arrancan simult�neamente, de modo que las emisiones se recolecten durante el arranque del motor, el conductor sigue un programa de manejo controlado, el Programa Urbano de Manejo en Dinam�metro, creado para representar el manejo urbano en promedio. El ciclo de manejo dura 1 374 segundos y cubre una distancia de 12 km. Las emisiones de escape que se miden cubren tres reg�menes de operaci�n del motor. Las de escape, en los primeros 505 segundos de la prueba, son las emisiones transitorias fr�as, cuando el veh�culo se calienta gradualmente a medida que se maneja en el ciclo. Las emisiones mostrar�n entonces los efectos de operaci�n de arranque en fr�o y las caracter�sticas del calentamiento del veh�culo. Cuando pasan los 869 segundos restantes del ciclo, se considera que ya se ha "calentado" el auto y las emisiones son las llamadas "estabilizadas". El regimen final de la prueba tras la saturaci�n en caliente es la secci�n "no transitoria" y muestra los efectos del arranque en caliente. Las emisiones de cada una de las pruebas se recogen en bolsas separadas, para analizar cuantitativamente su composici�n. Finalmente se cuenta la masa emitida de cada contaminante en gramos por kil�metro recorrido. La econom�a del combustible se mide en un dinam�metro de chas�s que reproduce las velocidades y cargas t�picas del manejo urbano y en carretera. La econom�a de combustible se calcula a partir de los datos de las emisiones de descarga, en el caso de carretera la velocidad promedio es de 78 km/h.
Figura 31. Esquema de un sistema a base de carb�n para evitar la emisi�n de los hidrocarburos que se evaporan de la gasolina.
En la figura 32 mostramos un esquema general del equipo de prueba de emisiones en autom�viles.
�CU�L ES EL FUTURO DEL CRUDO Y LOS CARBURANTES ALTERNOS?
Hacer diagn�sticos de lo que va a acontecer, es arriesgado, pero debemos actuar antes que el futuro nos alcance. Lo que acontezca con los crudos repercutir� en las gasolinas y los carburantes alternos. Existe un l�mite a la cantidad de crudo que podemos extraer de la tierra, las reservas disminuyen y los descubrimientos de yacimientos gigantescos se hacen cada vez menos frecuentes. Podr�a ocurrir que el metanol aumentara su cobertura mundial como carburante alterno por las ventajas que ofrece de no afectar la calidad del aire. Se avizora que nos veremos forzados, M�xico en particular, a emplear crudos m�s pesados, m�s baratos que los ligeros pero que requieren de procesos de desintegraci�n catal�tica m�s profunda para obtener gasolina y diesel que desde luego no tendr�n la misma composici�n qu�mica que los actuales. Habr� que adaptar estos productos a que cumplan las especificaciones precisas, por ejemplo al desintegrar m�s las mol�culas la estabilidad hacia la oxidaci�n se ve reducida por la presencia de m�s olefinas y ser� necesario a�adir nuevos aditivos antioxidantes. Si los precios del crudo suben, la econom�a del combustible pasar� a primer plano y es probable el uso de veh�culos a diesel, aunque en los autos de gasolina que emplean buj�as todav�a queda mucho por hacer: incrementar el cociente de compresi�n, esto requerir� mayor octanaje y dispositivos que protejan la m�quina para que no se da�e por la ignici�n.
Figura 32. Esquema de un sistema de evaluaci�n de las emisiones de autom�viles.
El uso de carburantes alternos sin embargo se ir� incrementando. En t�rminos generales podemos afirmar que se desea que la transici�n a los nuevos carburantes se realice sin contratiempos. Adem�s, la calidad del aire cuenta mucho ya que varios carburantes alternos no generan tantos productos nocivos.
Una alternativa, conocida desde 1925, es fabricar hidrocarburos que sirvan sint�ticamente corno carburantes. �C�mo? Empleando el proceso de s�ntesis de Fischer-Tropsch que parte del mon�xido de carbono, CO, y el hidr�geno. La mezcla de mon�xido de carbono e hidr�geno se suele llamar "gas de s�ntesis" y se puede obtener de diversas fuentes que incluyen el carbono y el gas natural. La reacci�n se realiza en presencia de un catalizador y los productos de reacci�n son hidrocarburos que var�an en funci�n de las condiciones de reacci�n, destilados intermedios, querosinas, gas�leos, que pueden ser posteriormente procesados por los m�todos disponibles en una refiner�a.
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