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Sobre las emisiones generadas por combustibles fósiles. Unos cálculos sencillos

24/11/2017 19:00 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

Además de los conocidos efectos sobre la composición de la atmósfera y el cambio climático causados por el CO2 generado por los vehículos de carretera, hay que tener en cuenta la emisión de vapor de agua y el consumo de oxígeno

Este artículo es una ampliación de los de igual título publicados el 08/10/2017 y el 22/11/2017, por lo que ha sustituido al último de ellos.

Se ha enriquecido el artículo original incorporando la información correspondiente a otros dos combustibles de automoción también de origen fósil: el gas natural comprimido (GNC) y el gas licuado de petróleo (GLP), ambos susceptibles de ser utilización en turismos, aunque su uso no esté extendido de forma significativa, sobre todo en vehículos privados.

Se han incluido también algunos datos relativos a biocombustibles, a pesar de que por su diversidad y complejidad química es mucho mayor la dificultad para estimar las emisiones que generan.

La fórmula química simplificada del GNC para automoción es: CH4, es decir, se trata de metano, y su consumo se suele medir en kg/100 km.

La combustión (oxidación) del metano (supuesta completa) consume oxígeno (O2) y genera dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

La ecuación química de la combustión es: CH4 + 2(O2) => CO2 + 2(H2O).

Trabajando con moles: 12+1*4+2(16*2)=12+16*2+2(1*2+16), es decir:

16 gr de GNC + 64 gramos de oxígeno, producen: 44 gramos de dióxido de carbono + 36 gramos de agua. Se cumple la conservación de la masa: 16+64=80=44+36.

Como 16 gramos de GNC, producen 44 gramos de CO2, un kilo de GNC emite 44/(1000/16)=2750gramos de CO2.

Un coche típico puede recorrer 25 km con un kilo de GNC (4kg/100km), por tanto, emitirá 2750/25 = 110 gramos de CO2 por km recorrido. Consumirá 64/(1000/16)/25=160 gramos/km de oxígeno y emitirá, también, 36/(1000/16)/25=90 gramos de vapor de agua por kilómetro recorrido.

El GLP (gas licuado de petróleo) utilizado en automoción está compuesto por un 70% de butano (C4H10) y un 30% de propano (C3H8) y tiene una densidad media de 560 gramos/litro.

La combustión (oxidación) del butano y del propano (supuesta completa) consume oxígeno (O2) y genera dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

La ecuación química de la combustión del butano es: 2(C4H10) + 13(O2) => 8(CO2) + 10(H2O).

La ecuación química de la combustión del propano es: C3H8 + 5(O2) => 3(CO2) + 4(H2O).

Trabajando con moles: 2(12*4+1*10)+13(16*2)=8(12+16*2)+10(1*2+16), es decir:

116 gr de butano + 416 gramos de oxígeno, producen: 352 gramos de dióxido de carbono + 180 gramos de agua. Se cumple la conservación de la masa: 116+416=532=352+180.

En el caso del propano: 12*3+1*8+5(16*2)=3(12+16*2)+4(1*2+16), es decir:

44 gr de propano + 160 gramos de oxígeno, producen: 132 gramos de dióxido de carbono + 72 gramos de agua. Se cumple la conservación de la masa: 44+160=204=132+72.

Como los dos hidrocarburos están mezclados en la proporción 70/30 en el GLP, 116*0, 7+44*0, 3 = 81, 2+13, 2=94, 4gramos de GLP/0, 56gramos/litro=0, 16857 litros de GLP, producen 352*0, 7+132*0, 3 = 286 gramos de CO2, un litro de GLP emite 286/(1/0, 16857)=1696, 7gramos de CO2.

Un coche típico puede recorrer 10 km con un litro de GLP (10litros/100km), por tanto, emitirá 1696, 7/10 = 169, 7gramos de CO2 por km recorrido. Con un desarrollo aritmético similar concluiremos que un automóvil que utilice GLP como combustible consumirá 201, 2 gramos/km de oxígeno y emitirá, también, 87, 6 gramos de vapor de agua por kilómetro recorrido.

La fórmula química simplificada de la gasolina de automoción es: C8H18 y su densidad media 680 gramos/litro.

La ecuación química de la combustión (supuesta completa) de la gasolina es: 2(C8H18) + 25(O2) => 16(CO2) + 18(H2O).

Trabajando con moles: 2(12*8+1*18)+25(16*2)=16(12+16*2)+18(1*2+16), es decir: 228gramos de gasolina + 800gramos de oxígeno, producen: 704gramos de dióxido de carbono + 324gramos de agua. Nuevamente comprobamos la conservación de la masa: 228+800=1028=704+324.

Si 228gramos/0, 680=0, 3353 litros de gasolina, producen 704gramos de CO2, un litro de gasolina emite 704/(1/0, 3353)=2100gramos de CO2.

Un coche típico puede recorrer 16 km con un litro de gasolina (6, 25litros/100km), por tanto, emitirá 2100/18=131gramos de CO2 por km recorrido. Consumirá 800/0, 3353/18=149gramos de oxígeno y emitirá, también, 324/0, 3353/18=60gramos de vapor de agua por kilómetro recorrido.

En el caso del combustible diesel, la fórmula química simplificada del gasoil de automoción es: C12H26 y su densidad media 845 gramos/litro.

La ecuación química de la combustión (supuesta completa) del gasoil es: 2(C12H26) + 37(O2) => 24(CO2) + 26(H2O).

Trabajando con moles: 2(12*12+1*26)+37(16*2)=24(12+16*2)+26(1*2+16), es decir: 340gramos de gasoil + 1184gramos de oxígeno, producen: 1056gramos de dióxido de carbono + 468gramos de agua. Nuevamente comprobamos la conservación de la masa: 340+1184=1524=1056+468.

Si 340gramos/0, 845=0, 4024 litros de gasoil, producen 1056gramos de CO2, un litro de gasoil emite 1056/(1/0, 4024)=2624gramos de CO2.

Un coche típico puede recorrer 18 km con un litro de gasoil (5, 55litro/100km), por tanto, emitirá 2624/18=146gramos de CO2 por km recorrido. Consumirá 1184/0, 4024/18=163gramos de oxígeno y emitirá, también, 468/0, 4024/18=65gramos de vapor de agua por kilómetro recorrido.

Se incluyen a continuación datos relativos a los biocombustibles, aunque es importante tener en cuenta que por su diversidad y complejidad química es mucho mayor la dificultad para englobarlos en un solo grupo, así como para estimar las emisiones que generan.

En el caso de biocombustible, la fórmula química simplificada del denominado B100 (biocombustible puro) es: C2H3O2 y su densidad media 880 gramos/litro.

La ecuación química de la combustión (supuesta completa) del biodiesel B100 es: 4(C2H3O2) + 7(O2) => 8(CO2) + 6(H2O).

Trabajando con moles: 4(12*2+1*3+16*2)+7(16*2)=8(12+16*2)+6(1*2+16), es decir: 236gramos de biodiesel B100 + 224gramos de oxígeno, producen: 352gramos de dióxido de carbono + 108gramos de agua. Nuevamente comprobamos la conservación de la masa: 236+224=460=352+108.

Si 236gramos/0, 880=0, 268 litros de biodiesel, producen 352gramos de CO2, un litro de biodiesel emite 352/(1/0, 268)=1313gramos de CO2.

Un coche típico puede recorrer 18 km con un litro de biodiesel (5, 55litro/100km), por tanto, emitirá 1313/18=73gramos de CO2 por km recorrido. Consumirá 224/0, 268/18=46gramos de oxígeno y emitirá, también, 108/0, 268/18=22gramos de vapor de agua por kilómetro recorrido.

El proceso de combustión en la automoción detrae cada año unas 5 partes por millón del total de oxígeno existente en la atmósfera

En el caso de vehículos que utilicen la mezcla denominada B85, con un 85% de biocombustible y un 15% de gasoil, las emisiones de CO2 y vapor de agua y el consumo de oxígeno serían: 84, 29 y 64 gramos por kilómetro recorrido, respectivamente. Análogamente, para la mezcla denominada B5 (5% bio y 95% gasoil), las cifras resultantes serían: CO2: 142, H2O: 63 y O2: 158, en gramos por kilómetro recorrido.

Como se sabe, los combustibles de automoción no son productos puros, si no que incorporan, en diferentes cantidades, siempre pequeñas, otros compuestos y determinados aditivos e impurezas. Por ello, las emisiones procedentes de su combustión, además de CO2 y agua contienen otros contaminantes como óxidos de nitrógeno y azufre, residuos no quemados, metales pesados, etc.

A partir de los datos anteriores se puede establecer una comparación entre los cuatro combustibles en relación con sus emisiones de CO2 y agua y su consumo de oxígeno, de la forma siguiente:

Gasolina: CO2=131gr/km; H2O=60gr/km; O2=-149gr/km (consumo, signo menos)

Gasoil: CO2=146gr/km; H2O=65gr/km; O2=-163gr/km (consumo, signo menos)

GNC: CO2=110gr/km; H2O=90gr/km; O2=-160gr/km (consumo, signo menos)

GLP: CO2=170gr/km; H2O=88gr/km; O2=-201gr/km (consumo, signo menos)

Biocombustible B100: CO2=73gr/km; H2O=22gr/km; O2=-46gr/km(consumo)

Biocombustible B85: CO2=84gr/km; H2O=29gr/km; O2=-64gr/km(consumo)

Biocombustible B5: CO2=142gr/km; H2O=63gr/km; O2=-158gr/km(consumo)

 

Centrándonos en las emisiones de CO2, los párrafos anteriores confirman que los vehículos diesel introducen en la atmósfera del orden de un 10% más de dióxido de carbono que los de gasolina, por kilómetro recorrido. Sin embargo, el GLP aumenta las emisiones en casi un 30% respecto a la gasolina. A estos efectos, dejando aparte los biocombustibles, el combustible menos contaminante, con diferencia sería el GNC, con un 16% menos de emisiones de CO2 por kilómetro que la gasolina.

También conviene destacar que los combustibles de automoción generan emisiones de vapor de agua en una cuantía del orden de la mitad de la del dióxido de carbono, como vemos en los párrafos anteriores, excepto para el GNC en que supera el 80% del peso de CO2 emitido.

Este hecho tiene importancia, pues el vapor de agua en sí mismo es un gas de efecto invernadero que potencia las consecuencias de otros gases en este efecto. Los gases de efecto invernadero elevan las temperaturas al atrapar y retener el calor dentro de la atmósfera. Este calentamiento también incrementa la acumulación de vapor de agua atmosférico, el gas de efecto invernadero más abundante. Esta acumulación retiene calor adicional y eleva aún más las temperaturas.

Un estudio de 2014 fue el primero en mostrar que el aumento de la concentración de vapor de agua en la atmósfera es un resultado directo de la actividad humana. Este estudio, además, ha confirmado que los niveles crecientes de vapor de agua en la franja alta de la troposfera intensificarán los impactos negativos del cambio climático en las próximas décadas.

Por otra parte, hemos visto que los combustibles de automoción al quemarse en los motores consumen oxígeno atmosférico en cantidad de, aproximadamente, un 15% más que las emisiones de CO2 generadas en el proceso, a excepción del GNC que consume un 45% más oxígeno que el CO2 que emite.

Lo expuesto hasta ahora pone claramente de manifiesto que, cualquiera que sea su naturaleza, los combustibles de automoción basados en hidrocarburos inyectan en la atmósfera gases de efecto invernadero, CO2 y vapor de agua, y extraen oxígeno. Si establecemos un indicador sencillo consistente en la suma de las tres magnitudes que hemos considerado (tomando el consumo de oxígeno con signo más), el combustible menos agresivo, dejando de nuevo aparte los biocombustibles, sería la gasolina, con un valor del indicador de 131+60+149=340, seguido del GNC (360), el gasoil (374) y el GLP (459), significativamente más agresivo que el gasoil y, por tanto, que cualquiera de los otros tres combustibles.

La conclusión es que la utilización de gas natural (GNC) como combustible tampoco aporta una mejora sustancial respecto a los combustibles tradicionales (gasolina y gasoil). Sí que parece claro, sin embargo, que el GLP (mezcla de butano y propano) es una peor solución que cualquiera de las otras tres, tanto por emisiones de CO2 y H2O: entre un 16 y un 54% más y entre un -2% y un 47% más, respectivamente, que los otros tres combustibles, como por consumo de O2: entre un 23 y un 35% más que los otros tres combustibles.

En el caso de los biocombustibles, el B100 y el B85 ofrecen valores del índice citado en el párrafo anterior de 73+22+46=141 y 84+29+64=177, menores de la mitad que el mejor de los anteriores, mientras que para el B5, el índice se sitúa en 142+63+158=363, comparable al de la gasolina. Sin embargo, el posible uso masivo de los biocombustibles presenta implicaciones de gran complejidad como su coste, la adaptación de los motores y, sobre todo, la producción de los mismos que podría tener efectos potencialmente catastróficos sobre el medio agrícola.

De acuerdo con datos del Banco Mundial, las emisiones mundiales de CO2 en 2015 fueron de más de 36.000 millones de toneladas, de las que un 13%, es decir, unos 4.700 millones (4, 7x10E9) de toneladas fueron generadas por el subsector del transporte por carretera (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC)). En consecuencia, además, la automoción inyecta a la atmósfera alrededor de 2.300 millones (2, 3x10E9) de toneladas de vapor de agua y consume del orden de 4, 7*1, 15 = 5, 4x10E9 toneladas de oxígeno.

El contenido de carbono en la atmósfera se estima en 750 gigatoneladas (750x10E9 toneladas), por lo que la inyección de 4, 7 gigatoneladas de CO2 implica la de 4, 7/44*12=1, 3 gigatoneladas de carbono, es decir una aportación anual del 0, 17% de su contenido de carbono, un porcentaje nada despreciable.

La masa de la atmósfera es de 5, 1x10E15 toneladas y su contenido de oxígeno es el 21% de esa masa, es decir, 1, 07x10E15 toneladas, luego cada año se detrae por el proceso de combustión de la automoción 5, 05x10E-6 del oxígeno de la atmósfera, es decir unas 5 partes por millón del total de oxígeno existente en ella.

Asimismo, el contenido medio de agua en la atmósfera se estima en un 4%, es decir unas 2x10E14 toneladas, luego cada año se inyectan por el proceso de combustión de la automoción algo más de 10 partes por millón de vapor de agua.

Además de lo ya conocido sobre los efectos del CO2 en la atmósfera, lo indicado en los dos párrafos anteriores respecto al agua y al oxígeno, sin duda, ha de tener alguna repercusión sobre la biosfera, aunque tal repercusión no haya sido todavía descrita ni analizada en profundidad por la comunidad científica.

En todo caso, un análisis riguroso no puede limitarse a las emisiones en el vehículo, sino que debe abarcar toda la cadena de producción, transformación, distribución y uso de cada alternativa, mediante un análisis “del pozo a la rueda” (“Well to Wheels”), en el que, además de las emisiones de gases de efecto invernadero, se analice cuánta energía es necesaria emplear (eficiencia energética) y los aspectos medioambientales y económicos de cada una de las alternativas.

Además de las emisiones y las consideraciones mencionadas en el párrafo anterior, existen otras actividades (fabricación de vehículo y gestión de los residuos generados durante su uso y al final de su vida útil) que deberían tenerse en cuenta para un análisis completo de las emisiones en el ciclo de vida de las diferentes alternativas.

 


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