Bensiin või maagaas?
Kaks perekonda vaidlevad, kumb auto on keskkonnasõbralikum. Bensiiniauto keskmine kütusekulu on 6,8 l/100 km, bensiini tihedus 0,74 kg/l ja seda võib vaadelda oktaanina C₈H₁₈. Metaaniga (CNG) sõitev auto tarbib 4,6 kg metaani 100 km kohta. Mõlemad autod on sama suured ja läbivad aastas 15 000 km. CNG-auto müüja reklaamib: „Maagaas põleb puhtalt, heitgaasis on peamiselt veeaur ja süsinikdioksiid, seega on see auto keskkonnasõbralik.“ Perekond tahab teada, kui suur on tegelik erinevus süsinikdioksiidi heites ühe kilomeetri kohta ja kas reklaamil on alust. Arvutustes võib kasutada aatommasse: C 12, H 1, O 16. Lisaks teatakse, et metaani 100 aasta globaalse soojenemise potentsiaal on ligikaudu 28 korda suurem kui süsinikdioksiidil ja et maagaasi tarneahelas võib osa metaani õhku lekkida. Mõlemad pered sõidavad peamiselt linnas ja maanteel ning hooldusvälp on sama.
1. Arvuta mõlema auto süsinikdioksiidiheide grammides ühe kilomeetri kohta ja võrdle neid protsentides.
Read the worked answer
Bensiin (oktaan C₈H₁₈, M = 114 g/mol):
- kütus 100 km kohta: 6,8 l · 0,74 kg/l = 5,03 kg
- põlemine: C₈H₁₈ + 12,5O₂ → 8CO₂ + 9H₂O, seega 1 mol oktaani annab 8 mol CO₂
- CO₂ 1 kg kütuse kohta: 8 · 44 g / 114 g = 3,09 kg
- CO₂ 100 km kohta: 5,03 kg · 3,09 = 15,5 kg → 155 g/km
Metaan (CH₄, M = 16 g/mol):
- CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
- CO₂ 1 kg metaanist: 44/16 = 2,75 kg
- CO₂ 100 km kohta: 4,6 kg · 2,75 = 12,7 kg → 127 g/km
Erinevus: 155 − 127 = 28 g/km, mis on 28/155 ≈ 18% vähem. Aastas (15 000 km) teeb see bensiinil umbes 2,33 t ja maagaasil 1,90 t CO₂, vahe ligikaudu 0,43 t.
2. Selgita keemiliselt, miks annab metaan ühe kg kütuse kohta vähem süsinikdioksiidi kui oktaan, kuigi mõlema põlemisel tekib CO₂ ja veeaur.
Read the worked answer
Põhjus on vesiniku ja süsiniku suhtes kütuses.
- Oktaanis C₈H₁₈ on H:C = 18:8 = 2,25.
- Metaanis CH₄ on H:C = 4:1 = 4.
Mida rohkem vesinikku süsinikuühiku kohta, seda suurem osa kütuse energiast tuleb vesiniku oksüdeerimisest veeks, mille käigus süsinikdioksiidi ei teki. Seetõttu eraldub metaanist 1 kg kohta 2,75 kg CO₂, oktaanist aga 3,09 kg – sama energiaga saab vähem heidet. Metaani suurem eripõlemissoojus (umbes 50 MJ/kg vs 44 MJ/kg vedelkütusel) süvendab seda eelist.
Mõlema puhul on heitgaasi põhikomponendid tõesti CO₂ ja H₂O, seega ei ole müüja väide keemiliselt vale. Kuid „peamiselt veeaur ja süsinikdioksiid“ ei tähenda „ilma süsinikdioksiidita“: ka maagaasiauto paiskab õhku ligi 127 g CO₂ kilomeetri kohta. Vähenenud on tahked osakesed, süsinikmonooksiid ja osa lämmastikoksiide, mitte süsinikdioksiid.
3. Hinda müüja reklaami tervikuna, arvestades ka metaani lekkimist tarneahelas. Too välja, millistel tingimustel oleks väide „keskkonnasõbralik“ õigustatud.
Read the worked answer
Reklaam on osaliselt tõene, kuid eksitav. Õige on see, et maagaas põleb puhtamalt kohaliku õhukvaliteedi mõttes: vähem tahma, CO-d ja lämmastikoksiide. Eksitav on jätta mulje, et heide on „puhas“ – süsinikdioksiidi tekib endiselt ligi 127 g/km.
Metaanileke muudab pildi oluliselt. Metaani soojenemispotentsiaal on 28 korda suurem kui CO₂-l. Kui tarneahelas ja autos lekib 1% tarbitavast gaasist, siis 100 km kohta on see 0,046 kg metaani, mis vastab 0,046 · 28 ≈ 1,3 kg CO₂-ekvivalenti ehk lisaks umbes 13 g/km. Eelis bensiini ees kahaneb 28 g/km-lt umbes 15 g/km-le. Suurema lekke korral (mõned hinnangud pakuvad paar protsenti) võib eelis praktiliselt kaduda.
Väide oleks õigustatud, kui lisaks öeldaks: milline on CO₂-heide km kohta, kui suur on metaani leke tarneahelas, ja et eelis kehtib ainult hästi hooldatud süsteemi puhul. Keskkonnahinnangut ei saa teha ühe omaduse põhjal.