Comparación de metanol y etanol como combustibles por energía útil y CO2
Una empresa de transporte urbano prueba dos combustibles alternativos para una flota de autobuses: metanol (CH3OH) y etanol (C2H5OH). Cada autobús dispone de un depósito de 50,0 L. Los datos disponibles son: densidad del metanol 0,792 g·mL⁻¹; densidad del etanol 0,789 g·mL⁻¹; masas molares 32,0 y 46,1 g·mol⁻¹; entalpías de combustión estándar −726 y −1367 kJ·mol⁻¹, respectivamente. Los motores no tienen el mismo rendimiento: el de metanol aprovecha el 30,0 % de la energía de combustión y el de etanol el 32,0 %. La empresa exige que el combustible elegido permita recorrer la mayor distancia posible por depósito y que, además, no aumente las emisiones de CO2 por unidad de energía útil. Se pide comparar ambos combustibles y justificar la elección con cálculos.
1. Calcule la energía útil que puede obtenerse de un depósito lleno con cada combustible.
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Metanol: volumen 50,0 L = 50 000 mL. m = 50 000 × 0,792 = 39 600 g. n = 39 600/32,0 = 1,238 × 10³ mol. Energía de combustión = 1,238 × 10³ × 726 = 8,98 × 10⁵ kJ = 898 MJ. Energía útil = 0,300 × 898 = 269 MJ.
Etanol: m = 50 000 × 0,789 = 39 450 g. n = 39 450/46,1 = 855,8 mol. Energía de combustión = 855,8 × 1367 = 1,17 × 10⁶ kJ = 1170 MJ. Energía útil = 0,320 × 1170 = 374 MJ.
El etanol proporciona 374 MJ por depósito frente a 269 MJ del metanol; es un 39 % más de energía útil.
2. Calcule los gramos de CO2 emitidos por cada MJ de energía útil para ambos combustibles.
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Las combustiones completas son: CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O y C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O.
Metanol: se produce 1 mol de CO2 por mol de metanol. n(CO2) = 1,238 × 10³ mol; m(CO2) = 1,238 × 10³ × 44,0 = 5,45 × 10⁴ g = 54,5 kg. Emisión específica = 54 450 g/269 MJ = 202 g·MJ⁻¹.
Etanol: se producen 2 mol de CO2 por mol de etanol. n(CO2) = 2 × 855,8 = 1711,6 mol; m(CO2) = 1711,6 × 44,0 = 7,53 × 10⁴ g = 75,3 kg. Emisión específica = 75 310 g/374 MJ = 201 g·MJ⁻¹.
Las emisiones por MJ útil son prácticamente iguales; el etanol emite ligeramente menos por MJ en este cálculo.
3. Con los resultados anteriores, razone qué combustible debería elegirse y señale una limitación práctica de la elección.
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Debe elegirse el etanol: con el mismo depósito de 50,0 L proporciona 374 MJ útiles frente a 269 MJ del metanol, es decir, más autonomía, y sus emisiones específicas son 201 g CO2·MJ⁻¹ frente a 202 g CO2·MJ⁻¹, por lo que no aumenta el CO2 por unidad de energía útil. Cumple las dos exigencias planteadas.
Una limitación práctica es que el etanol compite con el uso alimentario de la biomasa y requiere motores o mezclas adaptadas; además, su contenido energético por litro depende de la pureza y del agua presente. El cálculo supone combustión completa y rendimientos constantes, condiciones ideales que en un motor real no se cumplen exactamente.