Gasóleo

El combustible diésel se originó a partir de experimentos realizados por el científico e inventor alemán Rudolf Diesel para su motor de encendido por compresión , que inventó alrededor de 1892. Inicialmente, Diesel no consideró utilizar ningún tipo específico de combustible. En cambio, afirmó que el principio de funcionamiento de su motor térmico racional funcionaría con cualquier tipo de combustible en cualquier estado de la materia. ^{[ 7 ]} El primer prototipo de motor diésel y el primer motor diésel funcional fueron diseñados únicamente para combustibles líquidos. ^{[ 8 ]}

Al principio, Diesel probó petróleo crudo de Pechelbronn , pero pronto lo reemplazó con gasolina y queroseno , porque el petróleo crudo demostró ser demasiado viscoso, ^{[ 9 ]} siendo el principal combustible de prueba para el motor Diesel el queroseno ( parafina ). ^{[ 10 ]} Diesel experimentó con tipos de aceite para lámparas de varias fuentes, así como tipos de gasolina y ligroína , que funcionaron bien como combustibles para motores Diesel. Más tarde, Diesel probó creosota de alquitrán de hulla , ^{[ 11 ]} aceite de parafina, petróleo crudo, gasolina y fueloil , que finalmente también funcionaron. ^{[ 12 ]} En Escocia y Francia, el petróleo de esquisto se usó como combustible para los primeros motores Diesel de producción de 1898 porque otros combustibles eran demasiado caros. ^{[ 13 ]} En 1900, la sociedad francesa Otto construyó un motor Diesel para usar con petróleo crudo, que se exhibió en la Exposición de París de 1900 ^{[ 14 ]} y en la Exposición Universal de París de 1911. ^{[ 15 ]} El motor en realidad funcionaba con aceite de cacahuete en lugar de petróleo crudo, y no fueron necesarias modificaciones para su funcionamiento con aceite de cacahuete. ^{[ 14 ]}

Durante sus primeras pruebas de motores diésel, Diesel también utilizó gas de alumbrado como combustible y logró construir diseños funcionales, tanto con como sin inyección piloto. ^{[ 16 ]} Según Diesel, a finales de la década de 1890 no existía una industria productora de polvo de carbón, ni se disponía comercialmente de polvo de carbón fino y de alta calidad. Esta es la razón por la que el motor diésel nunca fue diseñado ni planificado como un motor de polvo de carbón. ^{[ 17 ]} Recién en diciembre de 1899, Diesel probó un prototipo de polvo de carbón, que utilizaba formación de mezcla externa e inyección piloto de combustible líquido. ^{[ 18 ]} Este motor demostró ser funcional, pero sufrió fallas en los anillos del pistón después de unos minutos debido a la deposición de polvo de carbón. ^{[ 19 ]}

Antes de la estandarización del combustible diésel, los motores diésel solían funcionar con aceites combustibles baratos. En Estados Unidos, estos se destilaban del petróleo, mientras que en Europa se utilizaba aceite de creosota de alquitrán de hulla. Algunos motores diésel se alimentaban con mezclas de combustibles, como gasolina, queroseno, aceite de colza o aceite lubricante, que eran más baratos porque, en aquel entonces, no estaban sujetos a impuestos. ^{[ 20 ]} La introducción de los motores diésel para vehículos, como el Mercedes-Benz OM 138 , en la década de 1930, hizo necesaria la utilización de combustibles de mayor calidad con características de ignición adecuadas. Al principio, no se realizaron mejoras en la calidad del combustible diésel para vehículos. Tras la Segunda Guerra Mundial, se estandarizaron los primeros combustibles diésel modernos de alta calidad. Estas normas fueron, por ejemplo, las normas DIN 51601, VTL 9140-001 y NATO F 54. ^{[ 21 ]} En 1993, la norma DIN 51601 quedó obsoleta con la entrada en vigor de la nueva norma EN 590, que se ha utilizado en la Unión Europea desde entonces. En embarcaciones marítimas, donde la propulsión diésel se había generalizado a finales de la década de 1970 debido al aumento de los costes del combustible provocado por la crisis energética de esa década , todavía se utilizan fuelóleos pesados ​​baratos en lugar del gasóleo convencional para vehículos. Estos fuelóleos pesados ​​(a menudo denominados Bunker C ) pueden utilizarse en buques propulsados ​​por diésel y por vapor. ^{[ 22 ]}

El diésel de petróleo es el tipo más común de combustible diésel. Se produce mediante la destilación fraccionada de petróleo crudo entre 200 y 350 °C (392 y 662 °F) a presión atmosférica , lo que da como resultado una mezcla de cadenas de carbono que normalmente contienen entre 9 y 25 átomos de carbono por molécula . ^{[ 23 ]} Esta fracción se somete a hidrodesulfuración .  

Por lo general, el diésel de destilación directa es insuficiente en suministro y calidad, por lo que se mezcla con otras fuentes de combustible diésel. Una fuente importante de combustible diésel adicional se obtiene mediante el craqueo de fracciones más pesadas, utilizando viscorreducción y coquización. Esta tecnología convierte fracciones menos útiles, pero el producto contiene olefinas ( alquenos ) que requieren hidrogenación para obtener los hidrocarburos saturados deseados. Otra corriente de refinería que contribuye al combustible diésel es el hidrocraqueo . Finalmente, se añade queroseno para modificar su viscosidad. ^{[ 24 ]}

El diésel sintético puede producirse a partir de diversos precursores carbonosos, pero el gas natural es el más importante. Las materias primas se transforman en gas de síntesis que, mediante el proceso Fischer-Tropsch , se convierte en diésel sintético. ^{[ 25 ]} El diésel sintético producido de esta manera generalmente se compone principalmente de parafinas con bajo contenido de azufre y aromáticos. Este material suele mezclarse con el diésel derivado del petróleo mencionado anteriormente. ^{[ 24 ]}

El biodiésel se obtiene a partir de aceites vegetales o grasas animales (biolípidos ) que se transesterifican principalmente con metanol para formar ésteres metílicos de ácidos grasos (FAME). Puede producirse a partir de muchos tipos de aceites, siendo los más comunes el aceite de colza (éster metílico de colza, RME) en Europa y el aceite de soja (éster metílico de soja, SME) en EE. UU. El metanol también puede sustituirse por etanol en el proceso de transesterificación, lo que da como resultado la producción de ésteres etílicos. Los procesos de transesterificación utilizan catalizadores, como hidróxido de sodio o de potasio, para convertir el aceite vegetal y el metanol en biodiésel y los subproductos indeseables glicerina y agua, que deberán eliminarse del combustible junto con los restos de metanol. El biodiésel puede utilizarse puro (B100) en motores donde el fabricante lo apruebe, pero se utiliza con mayor frecuencia mezclado con diésel, B XX, donde XX es el porcentaje de biodiésel. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

El FAME utilizado como combustible está especificado en las normas DIN EN 14214 ^{[ 28 ]} y ASTM D6751. ^{[ 29 ]}

La principal medida de la calidad del gasóleo es su índice de cetano . El índice de cetano mide el tiempo de retardo de la ignición del gasóleo. ^{[ 32 ]} Un índice de cetano más alto indica que el combustible se enciende con mayor facilidad al ser rociado en aire comprimido caliente. ^{[ 32 ]} El gasóleo para carretera europeo (norma EN 590) tiene un índice de cetano mínimo de 51. En algunos mercados se encuentran disponibles combustibles con índices de cetano más altos, normalmente gasóleos "premium" con agentes limpiadores adicionales y cierto contenido sintético.

Aproximadamente el 86,1 % de la masa del gasóleo es carbono, y al quemarse, ofrece un poder calorífico neto de 43,1  MJ/kg, frente a los 43,2  MJ/kg de la gasolina. Debido a su mayor densidad, el gasóleo ofrece una mayor densidad energética volumétrica: la densidad del gasóleo EN 590 se define entre 0,820 y 0,845 kg/L (6,84 y 7,05 lb/US gal) a 15 °C (59 °F) , entre un 9,0 % y un 13,9 % más que la de la gasolina EN 228, que es de 0,720 a 0,775 kg/L ( 6,01 a 6,47 lb/US gal) a 15 °C, lo que debe tenerse en cuenta al comparar los precios volumétricos del combustible. Las emisiones _de CO₂ del gasóleo son de 73,25 g/MJ, ligeramente inferiores a las de la gasolina, que son de 73,38 g/MJ. ^{[ 33 ]}         

El combustible diésel es generalmente más sencillo de refinar a partir del petróleo que la gasolina. Se requiere un refinado adicional para eliminar el azufre, lo que contribuye a un costo a veces más alto. En muchas partes de los Estados Unidos y en todo el Reino Unido y Australia, ^{[ 34 ]} el combustible diésel puede tener un precio más alto que la gasolina por galón o litro . ^{[ 35 ] [ 36 ]} Las razones del precio más alto del diésel incluyen el cierre de algunas refinerías en el Golfo de México , la desviación de la capacidad de refinación masiva a la producción de gasolina y una transferencia reciente al diésel de ultrabajo contenido de azufre (ULSD), que causa complicaciones de infraestructura. ^{[ 37 ]} En Suecia, también se está vendiendo un combustible diésel designado como MK-1 (diésel ambiental clase 1). Este es un ULSD que tiene un contenido de aromáticos más bajo, con un límite del 5%. ^{[ 38 ]} Este combustible es ligeramente más caro de producir que el ULSD regular. En Alemania, el impuesto sobre el combustible diésel es aproximadamente un 28% más bajo que el impuesto sobre el combustible gasolina.

El gasóleo es similar al gasóleo de calefacción , que se utiliza en la calefacción central . En Europa, Estados Unidos y Canadá, los impuestos sobre el gasóleo son más altos que sobre el gasóleo de calefacción debido al impuesto sobre los combustibles , y en esas zonas, el gasóleo de calefacción se marca con colorantes y sustancias químicas traza para prevenir y detectar el fraude fiscal . El gasóleo "sin impuestos" (a veces llamado "gasóleo todoterreno" o "gasóleo rojo" por su colorante rojo) está disponible en algunos países para su uso principalmente en aplicaciones agrícolas, como combustible para tractores, vehículos recreativos y utilitarios u otros vehículos no comerciales que no circulan por vías públicas . Este combustible puede tener niveles de azufre que superan los límites para su uso en carretera en algunos países (por ejemplo, EE. UU.).

Este diésel no gravado se tiñe de rojo para su identificación, ^{[ 39 ]} y el uso de este combustible diésel no gravado para un propósito típicamente gravado (como el uso para conducir) puede ser multado (por ejemplo, US$10,000 en EE. UU.). En el Reino Unido, Bélgica y los Países Bajos, se conoce como diésel rojo (o gasóleo), y también se usa en vehículos agrícolas , tanques de calefacción doméstica, unidades de refrigeración en furgonetas/camiones que contienen artículos perecederos como alimentos y medicamentos, y para embarcaciones marítimas. El combustible diésel, o gasóleo marcado, se tiñe de verde en la República de Irlanda y Noruega. El término "vehículo de carretera con motor diésel" (DERV) se usa en el Reino Unido como sinónimo de combustible diésel de carretera no marcado. En India, los impuestos sobre el combustible diésel son más bajos que sobre la gasolina, ya que la mayor parte del transporte de grano y otros productos básicos en todo el país funciona con diésel.

Los impuestos sobre el biodiésel en EE. UU. varían entre los estados. Algunos estados (Texas, por ejemplo) no aplican impuestos al biodiésel y solo un impuesto reducido a las mezclas de biodiésel equivalente a la cantidad de biodiésel en la mezcla, de modo que el combustible B20 tributa un 20 % menos que el diésel de petróleo puro. ^{[ 40 ]} Otros estados, como Carolina del Norte, gravan el biodiésel (en cualquier configuración de mezcla) igual que el diésel de petróleo, aunque han introducido nuevos incentivos para los productores y usuarios de todos los biocombustibles. ^{[ 41 ]}

Los camiones y autobuses , que a menudo funcionaban con motores Otto entre las décadas de 1920 y 1950, ahora funcionan casi exclusivamente con diésel. Debido a sus características de ignición, el diésel se utiliza ampliamente en estos vehículos. Dado que el diésel no es adecuado para los motores Otto, los turismos, que suelen usar motores Otto o derivados de ellos, normalmente funcionan con gasolina en lugar de diésel. Sin embargo, especialmente en Europa e India, muchos turismos, debido a su mayor eficiencia, ^{[ 43 ]} utilizan motores diésel y, por lo tanto, funcionan con diésel convencional.

El diésel sustituyó al carbón y al fueloil en los vehículos de vapor durante la segunda mitad del siglo XX, y actualmente se utiliza casi exclusivamente en los motores de combustión de los vehículos ferroviarios autopropulsados ​​(locomotoras y automotores). ^{[ 44 ] [ 45 ]}

En general, los motores diésel no son adecuados para aviones y helicópteros. Esto se debe a su relativamente baja relación potencia-masa , lo que significa que suelen ser bastante pesados, una desventaja en las aeronaves. Por lo tanto, hay poca necesidad de usar diésel en aviones, y este combustible no se utiliza comercialmente como combustible de aviación. En su lugar, se utilizan gasolina ( Avgas ) y combustible para reactores (por ejemplo, Jet A-1). Sin embargo, especialmente en las décadas de 1920 y 1930, se fabricaron numerosos motores diésel de aviación en serie que funcionaban con fuelóleo, debido a sus ventajas: bajo consumo de combustible, fiabilidad, baja propensión a incendiarse y mínimo mantenimiento. La introducción de la inyección directa de gasolina en la década de 1930 superó estas ventajas, y los motores diésel de aviación cayeron rápidamente en desuso. ^{[ 46 ]} Gracias a las mejoras en la relación potencia-masa de los motores diésel, varios motores diésel de carretera se han adaptado y certificado para su uso en aeronaves desde principios del siglo XXI. Estos motores suelen funcionar con combustible aeronáutico Jet A-1 (aunque también pueden funcionar con diésel). El Jet A-1 tiene características de ignición similares a las del diésel, por lo que es adecuado para ciertos motores diésel (pero no para todos). ^{[ 47 ]}

Hasta la Segunda Guerra Mundial, varios vehículos militares, especialmente aquellos que requerían un alto rendimiento del motor ( vehículos blindados de combate , por ejemplo, el M26 Pershing o los tanques Panther ), utilizaban motores Otto convencionales y funcionaban con gasolina. Desde la Segunda Guerra Mundial, se han fabricado varios vehículos militares con motores diésel, capaces de funcionar con combustible diésel. Esto se debe a que los motores diésel son más eficientes en el consumo de combustible y el combustible diésel es menos propenso a incendiarse. ^{[ 48 ]} Algunos de estos vehículos diésel (como el Leopard 1 o el MAN 630 ) todavía funcionaban con gasolina, y algunos vehículos militares todavía se fabricaban con motores Otto (por ejemplo, Ural-375 o Unimog 404 ), incapaces de funcionar con combustible diésel.

Los tractores y la maquinaria pesada actuales funcionan mayoritariamente con diésel. Entre los tractores, solo los de menor tamaño pueden ofrecer también motores de gasolina. La dieselización de tractores y maquinaria pesada comenzó en Alemania antes de la Segunda Guerra Mundial, pero fue poco común en Estados Unidos hasta después de la guerra. Durante las décadas de 1950 y 1960, también se extendió en Estados Unidos. El diésel se utiliza habitualmente en equipos de extracción de petróleo y gas, aunque en algunas zonas se emplean equipos eléctricos o de gas natural.

Entre las décadas de 1920 y 1940, los tractores y la maquinaria pesada solían funcionar con varios combustibles , ya fueran motores de encendido por chispa y baja compresión, motores Akroyd o motores diésel. Por lo tanto, muchos tractores agrícolas de la época podían quemar gasolina, alcohol , queroseno y cualquier tipo de gasóleo ligero, como gasóleo de calefacción o aceite para vaporización de tractores , según cuál fuera el más asequible en cada región. En las granjas estadounidenses de la época, el término "destilado" se refería a cualquiera de los combustibles ligeros mencionados. Los motores de encendido por chispa no arrancaban bien con destilado, por lo que normalmente se utilizaba un pequeño depósito auxiliar de gasolina para el arranque en frío, y las válvulas de combustible se ajustaban minutos después, tras el calentamiento, para pasar al destilado. También se utilizaban accesorios como vaporizadores y cubiertas para radiadores , ambos con el fin de capturar el calor, ya que cuando un motor de este tipo funcionaba con destilado, rendía mejor cuando tanto el motor como el aire que aspiraba estaban más calientes que a temperatura ambiente. La dieselización, mediante motores diésel específicos (de alta compresión con inyección mecánica de combustible y encendido por compresión), sustituyó a dichos sistemas e hizo un uso más eficiente del combustible diésel que se quemaba.

Se ha utilizado gasóleo de baja calidad como agente de extracción para la extracción líquido-líquido de paladio a partir de mezclas de ácido nítrico. ^{[ 49 ]} Se ha propuesto este uso como medio para separar el paladio, producto de fisión, del refinado PUREX procedente del combustible nuclear usado . ^{[ 49 ]} En este sistema de extracción por solventes, los hidrocarburos del gasóleo actúan como diluyente, mientras que los disulfuros de alquilo actúan como extractante. ^{[ 49 ]} Esta extracción funciona mediante un mecanismo de solvatación . ^{[ 49 ]} Hasta la fecha, no se ha construido ni una planta piloto ni una planta a gran escala para recuperar paladio, rodio o rutenio de los residuos nucleares generados por el uso de combustible nuclear . ^{[ 50 ]}

El gasóleo se utiliza a menudo como ingrediente principal en los fluidos de perforación a base de aceite. ^{[ 51 ]} La ventaja de usar gasóleo es su bajo coste y su capacidad para perforar una amplia variedad de estratos difíciles, incluyendo formaciones de esquisto, sal y yeso. ^{[ 51 ]} El lodo de gasóleo se suele mezclar con hasta un 40 % de agua salobre. ^{[ 52 ]} Debido a preocupaciones de salud, seguridad y medioambientales, el lodo de gasóleo se suele sustituir por fluidos de perforación a base de aceite vegetal, mineral o sintético de grado alimenticio, aunque el gasóleo todavía se utiliza ampliamente en ciertas regiones. ^{[ 53 ]}

Durante el desarrollo de motores de cohete en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial, el combustible diésel J-2 se utilizó como componente de combustible en varios motores, incluido el BMW 109-718 . ^{[ 54 ]} El combustible diésel J-2 también se utilizó como combustible para motores de turbina de gas. ^{[ 54 ]}

En Estados Unidos, el diésel derivado del petróleo se compone de aproximadamente un 75 % de hidrocarburos saturados (principalmente parafinas, incluidas las n , iso y cicloparafinas ) y un 25 % ^de hidrocarburos aromáticos (incluidos naftalenos y alquilbencenos ). ^{[ 55 ]} La fórmula química promedio del diésel común es C ₁₂ H ₂₃ , con un rango aproximado de C ₁₀ H ₂₀ a C ₁₅ H _28. [ ^{56 ]}

La mayoría de los combustibles diésel se congelan a temperaturas invernales comunes, aunque estas varían considerablemente. ^{[ 57 ]} El petrodiesel se congela normalmente a temperaturas de alrededor de −8,1 °C (17,4 °F) , mientras que el biodiesel se congela entre 2 y 15 °C (36 y 59 °F) . ^{[ 57 ]} La viscosidad del diésel aumenta notablemente a medida que disminuye la temperatura, convirtiéndose en un gel a temperaturas de −19 a −15 °C (−2 a 5 °F) , que no puede fluir en los sistemas de combustible. Los combustibles diésel convencionales se vaporizan a temperaturas entre 149 °C y 371 °C. ^{[ 32 ]}        

Los puntos de inflamación del diésel convencional varían entre 52 y 96  °C, lo que lo hace más seguro que la gasolina e inadecuado para motores de encendido por chispa. ^{[ 58 ]} Debido a la forma en que los motores diésel inician la combustión inyectando combustible una vez que la carga del cilindro ha alcanzado temperaturas muy superiores al punto de inflamación del combustible, el punto de inflamación preciso de un combustible diésel tiene (a diferencia de la gasolina) poca relación con su rendimiento en un motor ni con su comportamiento de autoignición. ^{[ 32 ]}

En el pasado, el gasóleo contenía mayores cantidades de azufre . Las normas europeas de emisiones y la tributación preferencial obligaron a las refinerías de petróleo a reducir drásticamente el nivel de azufre en el gasóleo. En la Unión Europea, el contenido de azufre se ha reducido drásticamente durante los últimos 20 años. El gasóleo para automoción se rige en la Unión Europea por la norma EN 590. En la década de 1990, las especificaciones permitían un contenido máximo de 2000 ppm de azufre, reducido a un límite de 350  ppm a principios del siglo XXI con la introducción de las especificaciones Euro 3. El límite se redujo con la introducción de la norma Euro 4 en 2006 a 50  ppm ( ULSD , gasóleo de ultrabajo contenido de azufre). La norma para el gasóleo vigente en Europa desde 2009 es la Euro 5, con un contenido máximo de 10  ppm. ^{[ 60 ]}

En Estados Unidos, se han adoptado normas de emisiones más estrictas con la transición al diésel de ultrabajo contenido de azufre (ULSD) que comenzó en 2006 y se volvió obligatoria el 1 de junio de 2010 (véase también emisiones de diésel ).

Ha habido mucha discusión y malentendidos sobre las algas en el combustible diésel. Las algas necesitan luz para vivir y crecer. Como no hay luz solar en un tanque de combustible cerrado, ninguna alga puede sobrevivir, pero algunos microbios pueden sobrevivir y alimentarse del combustible diésel. ^{[ 61 ]}

Estos microbios forman una colonia que vive en la interfaz entre el combustible y el agua. Crecen con bastante rapidez a temperaturas cálidas. Incluso pueden crecer en climas fríos cuando se instalan calentadores en los tanques de combustible. Partes de la colonia pueden desprenderse y obstruir las tuberías y los filtros de combustible. ^{[ 62 ]}

El agua en el combustible puede dañar la bomba de inyección . Algunos filtros de combustible diésel también retienen agua. La contaminación por agua en el combustible diésel puede provocar su congelación en el tanque. El agua congelada que satura el combustible a veces obstruye la bomba de inyección. ^{[ 63 ]} Una vez que el agua dentro del tanque de combustible comienza a congelarse, es más probable que se produzca la gelificación. Cuando el combustible está gelificado, no es efectivo hasta que se eleva la temperatura y vuelve a su estado líquido.

El diésel es menos inflamable que la gasolina . Sin embargo, debido a que se evapora lentamente, cualquier derrame en la carretera puede representar un peligro de resbalón para los vehículos. ^{[ 64 ]} Después de que las fracciones ligeras se han evaporado, queda una capa resbaladiza y grasienta en la carretera que reduce el agarre y la tracción de los neumáticos , y puede hacer que los vehículos derrapen. La pérdida de tracción es similar a la que se encuentra en el hielo negro , lo que resulta en situaciones especialmente peligrosas para los vehículos de dos ruedas, como motocicletas y bicicletas , en las rotondas .