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11.2: Fuentes de energía no renovables

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    Combustibles Fósiles

    Los combustibles fósiles provienen de la materia orgánica de plantas, algas y cianobacterias que fueron enterradas, calentadas y comprimidas bajo alta presión durante millones de años. El proceso transformó la biomasa de esos organismos en los tres tipos de combustibles fósiles: petróleo, carbón y gas natural.

    Petróleo (petróleo)

    El treinta y siete por ciento del consumo energético mundial y el 43% del consumo energético de Estados Unidos proviene del petróleo. Científicos y formuladores de políticas a menudo discuten la cuestión de cuándo el mundo alcanzará el pico de producción de petróleo, el punto en el que la producción de petróleo está en su punto máximo y luego disminuye. Generalmente se piensa que el pico de petróleo se alcanzará a mediados del siglo XXI, aunque hacer tales estimaciones es difícil porque hay que considerar muchas variables. Actualmente las reservas mundiales son de 1.3 billones de barriles, o 45 años que quedan en el nivel actual de producción..

    Impactos ambientales de la extracción y refinación de petróleo

    El petróleo generalmente se encuentra de una a dos millas (1.6 — 3.2 km) debajo de la superficie de la Tierra, ya sea en tierra u océano. Una vez que se encuentra y extrae el petróleo, se debe refinar, lo que separa y prepara la mezcla de petróleo crudo en los diferentes tipos de gas, diesel, alquitrán y asfalto. La refinación de petróleo es una de las principales fuentes de contaminación del aire en Estados Unidos por hidrocarburos orgánicos volátiles y emisiones tóxicas, y la fuente más grande de benceno cancerígeno. Cuando el petróleo se quema como gasolina o diesel, o para hacer electricidad o para alimentar calderas para el calor, produce una serie de emisiones que tienen un efecto perjudicial sobre el medio ambiente y la salud humana:

    • El dióxido de carbono (CO 2) es un gas de efecto invernadero y fuente de cambio climático.
    • El dióxido de azufre (SO 2) causa la lluvia ácida, que daña a las plantas y animales que viven en el agua, y aumenta o causa enfermedades respiratorias y cardiopatías, particularmente en poblaciones vulnerables como niños y adultos mayores.
    • Los óxidos nitrosos (NO x) y los Carbones Orgánicos Volátiles (COV) contribuyen al ozono a nivel del suelo, que es un irritante y causa daño a los pulmones.
    • La materia particulada (PM) produce condiciones nebulosas en ciudades y áreas escénicas, y se combina con el ozono para contribuir al asma y la bronquitis crónica, especialmente en niños y ancianos. También se cree que la PM muy pequeña, o “fina”, penetra más profundamente en el sistema respiratorio y causa enfisema y cáncer de pulmón.
    • El plomo puede tener graves impactos en la salud, especialmente para los niños.

    Hay otras fuentes nacionales de petróleo que están siendo consideradas como recursos convencionales y se están agotando. Estas incluyen arenas bituminosas —depósitos de arena húmeda y arcilla con 1-2 por ciento de betún (petróleo grueso y pesado rico en carbono y pobre en hidrógeno). Éstos son removidos por la minería en tiras (ver sección más abajo sobre carbón). Otra fuente es el esquisto bituminoso, que es roca sedimentaria llena de materia orgánica que puede procesarse para producir petróleo líquido. Extraído por la minería de tiras o la creación de minas subterráneas, el esquisto bituminoso puede quemarse directamente como carbón o hornearse en presencia de hidrógeno para extraer petróleo líquido. Sin embargo, los valores netos de energía son bajos y son caros de extraer y procesar. Ambos recursos tienen graves impactos ambientales debido a la minería de franjas, dióxido de carbono, metano y otros contaminantes del aire similares a otros combustibles fósiles.

    A medida que Estados Unidos intenta extraer más petróleo de sus propios recursos cada vez menores, están perforando aún más profundamente en la tierra y aumentando los riesgos ambientales. El derrame de petróleo más grande de Estados Unidos hasta la fecha comenzó en abril de 2010 cuando ocurrió una explosión en la plataforma petrolera Deepwater Horizon matando a 11 empleados y derramando casi 200 millones de galones de petróleo antes de que se pudiera detener la fuga resultante. La vida silvestre, los ecosistemas y los medios de vida de las personas se vieron afectados negativamente. Se gastó mucho dinero y enormes cantidades de energía en los esfuerzos inmediatos de limpieza. Aún no se conocen los impactos a largo plazo. Se creó la Comisión Nacional sobre el Derrame de Petróleo y Perforación Offshore Horizon de Aguas Profundas para estudiar qué salió mal.

    La dependencia global del transporte del petróleo

    Dos tercios del consumo de petróleo se dedican al transporte, proporcionando combustible para automóviles, camiones, trenes y aviones. Para Estados Unidos y las sociedades más desarrolladas, el transporte se entreteje en el tejido de nuestras vidas, una necesidad tan central para las operaciones diarias como la comida o el refugio. La concentración de reservas de petróleo en algunas regiones o en el mundo hace que gran parte del mundo dependa de la energía importada para el transporte. El alza del precio del petróleo en la última década hace que la dependencia de la energía importada para el transporte sea un tema económico así como energético. Estados Unidos, por ejemplo, ahora gasta más de 350 mil millones de dólares anuales en petróleo importado, una fuga de recursos económicos que podrían utilizarse para estimular el crecimiento, crear empleos, construir infraestructura y promover avances sociales en el hogar.

    Carbón

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    Figura\(\PageIndex{1}\). El gráfico histórico de producción de carbón de Estados Unidos muestra la producción de carbón estadounidense de 1950-2010. Fuente: Administración de Información Energética de Estados Unidos

    A diferencia del petróleo, el carbón es un sólido. Debido a su costo y abundancia relativamente bajos, el carbón se utiliza para generar aproximadamente la mitad de la electricidad consumida en Estados Unidos. El carbón es la mayor fuente de energía producida a nivel nacional. La producción de carbón se ha duplicado en Estados Unidos durante el último sesenta año (Figura\(\PageIndex{1}\)). Las reservas mundiales actuales se estiman en 826,000 millones de toneladas, con casi 30% de eso en Estados Unidos. Es un importante recurso de combustible que Estados Unidos controla a nivel nacional.

    El carbón es abundante y económico, cuando se mira solo el costo del mercado en relación con el costo de otras fuentes de electricidad, pero su extracción, transporte y uso produce una multitud de impactos ambientales que el costo del mercado realmente no representa. El carbón emite dióxido de azufre, óxido de nitrógeno y mercurio, que se han relacionado con la lluvia ácida, el smog y los problemas de salud. La quema de carbón emite mayores cantidades de dióxido de carbono por unidad de energía que el uso de petróleo o gas natural. El carbón representó el 35% del total de emisiones estadounidenses de dióxido de carbono liberadas a la atmósfera terrestre en 2010. La ceniza generada por la combustión contribuye a la contaminación del agua. Algunas minas de carbón tienen un impacto negativo en los ecosistemas y la calidad del agua, y altera los paisajes y las vistas panorámicas (como con la minería en la cima de la montaña).

    También hay importantes efectos y riesgos para la salud de los mineros del carbón y quienes viven en las inmediaciones de las minas de carbón. La minería subterránea tradicional es riesgosa para los trabajadores mineros debido al riesgo de atrapamiento o muerte. En los últimos 15 años, la Administración de Salud y Seguridad Minera de Estados Unidos ha publicado el número de muertes de trabajadores mineros y ha variado entre 18 y 48 por año. Veintinueve mineros murieron el 6 de abril de 2010 en una explosión en la mina de carbón Upper Big Branch en West Virginia, contribuyendo al repunte de muertes entre 2009 y 2010. En otros países, con menos regulaciones de seguridad, los accidentes ocurren con mayor frecuencia. En mayo de 2011, por ejemplo, tres personas murieron y 11 quedaron atrapadas en una mina de carbón en México durante varios días. También existe el riesgo de contraer enfermedad pulmonar negra (neumoconiosis). Se trata de una enfermedad de los pulmones causada por la inhalación de polvo de carbón durante un largo periodo de tiempo. Causa tos y dificultad para respirar. Si se detiene la exposición, el resultado es bueno. Sin embargo, la forma complicada puede causar dificultad para respirar que empeora cada vez más.

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    Figura\(\PageIndex{2}\). Extracción de la cima de la montaña Minería de carbón en el condado de Martin, Kentucky La fotografía muestra minería de remoción de carbón en la cima de la montaña Fuente: Flashdark.

    La minería en la cima de la montaña (MTM), si bien es menos peligrosa para los trabajadores, tiene efectos particularmente perjudiciales en los recursos terrestres. MTM es una práctica minera de superficie que involucra la remoción de cimas de montañas para exponer vetas de carbón y la eliminación de los desechos mineros asociados en valles adyacentes. Esta forma de minería es muy dañina para el medio ambiente porque literalmente elimina las cimas de las montañas, destruyendo el hábitat existente. Adicionalmente, los escombros de MTM se vierten en valles que entierran arroyos y otros hábitats importantes.

    Gas Natural

    El gas natural satisface el 20% de las necesidades energéticas mundiales y el 25% de las necesidades de Estados Unidos. El gas natural está compuesto principalmente por metano (CH 4) y es un gas de efecto invernadero muy potente. Hay dos tipos de gas natural. El gas biogénico se encuentra a poca profundidad y surge de la descomposición anaeróbica de la materia orgánica por bacterias, como el gas de vertedero. El gas termogénico proviene de la compresión de materia orgánica y calor profundo bajo tierra. Se encuentran con petróleo en rocas reservorio y con depósitos de carbón, y estos combustibles fósiles se extraen juntos.

    El gas natural se libera a la atmósfera desde minas de carbón, pozos de petróleo y gas, tanques de almacenamiento de gas natural, ductos y plantas de procesamiento. Estas fugas son la fuente de alrededor del 25% del total de las emisiones de metano en Estados Unidos, lo que se traduce en el tres por ciento del total de las emisiones de gases Cuando se produce gas natural pero no puede capturarse y transportarse económicamente, se “quema” o se quema en sitios de pozos, lo que lo convierte en CO 2. Esto se considera más seguro y mejor que liberar metano a la atmósfera porque el CO 2 es un gas de efecto invernadero menos potente que el metano.

    En los últimos años se ha identificado una nueva reserva de gas natural: los recursos de esquisto. Estados Unidos posee 2,552 billones de pies cúbicos (Tcf) (72.27 billones de metros cúbicos) de recursos potenciales de gas natural, con recursos de esquisto que representan 827 Tcf (23.42 tcm). A medida que aumentaron los precios del gas natural se ha vuelto más económico extraer el gas del esquisto. La figura\(\PageIndex{3}\) muestra la producción de gas natural estadounidense pasada y pronosticada y las diversas fuentes. Las reservas actuales son suficientes para durar alrededor de 110 años a la tasa de consumo estadounidense de 2009 (alrededor de 22.8 Tcf por año -645.7 bcm por año).

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    Figura\(\PageIndex{3}\). Suministro de gas natural de Estados Unidos, 1990-2035 El gráfico muestra la producción histórica y proyectada de gas natural estadounidense de diversas fuentes. Fuente: Administración de Información Energética de Estados Unidos

    El gas natural es un combustible fósil preferido al considerar sus impactos ambientales. Específicamente, cuando se quema, se omiten mucho menos dióxido de carbono (CO 2), óxidos de nitrógeno y dióxido de azufre que de la combustión de carbón o petróleo. Tampoco produce cenizas ni emisiones tóxicas.

    La producción de gas natural puede resultar en la producción de grandes volúmenes de agua contaminada. Esta agua tiene que ser manejada, almacenada y tratada adecuadamente para que no contamine la tierra y los suministros de agua. La extracción de gas de esquisto es más problemática que las fuentes tradicionales debido a un proceso apodado fracking, o fracturación de pozos, ya que requiere grandes cantidades de agua (Figura\(\PageIndex{4}\)). La técnica utiliza fluidos de alta presión para fracturar los depósitos de esquisto normalmente duro y liberar gas y petróleo atrapados dentro de la roca. Para promover el flujo de gas fuera de la roca, se incluyen pequeñas partículas de sólidos en los líquidos de fracturación para alojarse en las grietas de esquisto y mantenerlas abiertas después de que los líquidos sean despresurizados. El uso considerable del agua puede afectar la disponibilidad de agua para otros usos en algunas regiones y esto puede afectar los hábitats acuáticos. Si se administra mal, el fluido de fracturación hidráulica puede ser liberado por derrames, fugas o varias otras vías de exposición. El fluido contiene sustancias químicas potencialmente peligrosas como ácido clorhídrico, glutaraldehído, destilado de petróleo y etilenglicol. Los riesgos del fracking se han destacado en la cultura popular en el documental, Gasland (2010).

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    Figura\(\PageIndex{4}\). El gráfico ilustra el proceso de fracturación hidráulica. Fuente: Al Granberg, ProPublica.

    El gas crudo de un pozo puede contener muchos otros compuestos además del metano que se busca, incluido el sulfuro de hidrógeno, un gas muy tóxico. El gas natural con altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno generalmente se quema, lo que produce CO 2, monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y muchos otros compuestos. Los pozos y tuberías de gas natural a menudo tienen motores para hacer funcionar equipos y compresores, que producen contaminantes adicionales del aire y ruido.

    Aportes de Carbón y Gas Natural a la Generación Eléctrica

    En la actualidad los combustibles fósiles utilizados para la generación de electricidad en Estados Unidos son predominantemente carbón (44%) y gas natural (23%); el petróleo representa aproximadamente 1%. La electricidad del carbón tiene sus orígenes a principios del siglo XX, cuando era el combustible natural para las máquinas de vapor dada su abundancia, alta densidad energética y bajo costo. El gas natural es una adición posterior a la mezcla de electricidad fósil, llegando en cantidades significativas después de la Segunda Guerra Mundial y con su mayor crecimiento desde 1990. De los dos combustibles, el carbón emite casi el doble de dióxido de carbono que gas natural para la misma producción de calor, lo que lo hace significativamente mayor contribuyente al calentamiento global y al cambio climático.

    El futuro del gas natural y el carbón

    El desarrollo futuro del carbón y del gas natural depende del grado de preocupación pública y regulatoria por las emisiones de carbono, y del precio relativo y la oferta de los dos combustibles. Los suministros de carbón abundan en Estados Unidos, y la cadena de transporte de las minas a las centrales eléctricas está bien establecida. El principal factor desconocido es el grado de presión pública y regulatoria que se colocará sobre las emisiones de carbono. Una fuerte presión regulatoria sobre las emisiones de carbono favorecería el retiro del carbón y la adición de centrales eléctricas de gas natural. Esta tendencia se ve reforzada por la reciente expansión dramática de las reservas de gas de esquisto en Estados Unidos debido a los avances en la tecnología de perforación. La producción de gas natural de esquisto ha aumentado 48% anualmente en los años 2006 — 2010, con mayores incrementos esperados. Una mayor producción de gas de esquisto en Estados Unidos reducirá gradualmente las importaciones y eventualmente podría convertir a Estados Unidos en un exportador neto de gas natural.

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    Figura\(\PageIndex{5}\). Ciclo global del carbono, 1990 El ciclo global del carbono para la década de 1990, mostrando los principales flujos anuales en GtC año-1: flujos preindustriales 'naturales' en negro y flujos 'antropogénicos' en rojo. Fuente: Cambio climático 2007: La base de la ciencia física: Contribución del Grupo de Trabajo I al Cuarto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático, Cambridge University Press, figura 7.3

    Energía Nuclear

    La energía nuclear es la energía liberada de la desintegración radiactiva de elementos, como el uranio, que libera grandes cantidades de energía. Las centrales nucleares no producen dióxido de carbono y, por lo tanto, a menudo se consideran un combustible alternativo (combustibles distintos a los combustibles fósiles). Actualmente, la producción mundial de electricidad a partir de la energía nuclear es de unos 19.1 billones de kWh, con Estados Unidos produciendo y consumiendo cerca de 22% de eso. La energía nuclear proporciona alrededor del 9% de la electricidad en Estados Unidos (Figura\(\PageIndex{7}\)).

    Hay retos ambientales con la energía nuclear. La extracción y refinación de mineral de uranio y la fabricación de combustible para reactores exigen mucha energía. Además, las centrales nucleares son muy caras y requieren grandes cantidades de metal, concreto y energía para construirse. El principal desafío ambiental para la energía nuclear son los desechos, incluidos los relaves de uranio, el combustible gastado (usado) del reactor y otros desechos radiactivos. Estos materiales tienen una larga vida media radiactiva y, por lo tanto, siguen siendo una amenaza para la salud humana durante miles de años. La semivida de un elemento radiactivo es el tiempo que tarda el 50% del material en descomponerse radiactivamente. La Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos regula el funcionamiento de las centrales nucleares y el manejo, transporte, almacenamiento y disposición de materiales radiactivos para proteger la salud humana y el medio ambiente.

    Por volumen, los desechos producidos por la minería de uranio, llamados relaves de molino de uranio, son los desechos más grandes y contienen el elemento radiactivo radio, que se descompone para producir radón, un gas radiactivo. Los desechos radiactivos de alto nivel consisten en combustible usado para reactores nucleares. Este combustible se encuentra en una forma sólida consistente en pequeñas pastillas de combustible en tubos largos de metal y debe ser almacenado y manejado con contención múltiple, primero enfriado por agua y posteriormente en contenedores especiales de concreto o acero al aire libre que se enfrían por aire. No hay ninguna instalación de almacenamiento a largo plazo para este combustible en Estados Unidos.

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    Figura\(\PageIndex{7}\). U.S. Energy Consumption by Energy Source, 2009 La energía renovable constituye el 8% del consumo de energía de Estados Unidos. Fuente: Administración de Información Energética de Estados Unidos

    Existen muchas otras precauciones regulatorias que rigen los permisos, la construcción, la operación y el desmantelamiento de centrales nucleares debido a los riesgos de una reacción nuclear incontrolada. El potencial de contaminación del aire, el agua y los alimentos es alto en caso de que se produzca una reacción incontrolada. Incluso cuando se planifica para los peores escenarios, siempre hay riesgos de eventos inesperados. Por ejemplo, el terremoto de marzo de 2011 y el posterior tsunami que azotó a Japón dieron como resultado la fusión de reactores en la Central Nuclear Fukushima Daiichi, causando daños masivos en la zona circundante.

    Debate sobre Energía Nuclear

    Desde una perspectiva de sustentabilidad, la electricidad nuclear presenta un dilema interesante. Por un lado, la electricidad nuclear no produce emisiones de carbono, una importante ventaja sustentable en un mundo que enfrenta el cambio climático antropogénico. Por otro lado, la electricidad nuclear produce desechos peligrosos que i) deben ser almacenados fuera del medio ambiente durante miles de años, ii) pueden producir plutonio y uranio de grado bomba que podrían ser desviados por terroristas u otros para destruir ciudades y envenenar el medio ambiente, y iii) amenaza lo natural y ambiente construido a través de fugas accidentales de radiación de larga duración. Los científicos reflexivos, los responsables políticos y los ciudadanos deben sopesar el beneficio de esta fuente de electricidad libre de carbono contra el riesgo ambiental de almacenar combustible gastado, el riesgo social de proliferación nuclear y el impacto de la liberación accidental o deliberada de radiación. Hay muy pocos ejemplos de humanos que tengan el poder de cambiar permanentemente la dinámica de la tierra. El cambio climático global a partir de las emisiones de carbono es un ejemplo, y la radiación de la explosión de un número suficiente de armas nucleares es otro. La electricidad nuclear toca ambas oportunidades, en el lado positivo para reducir las emisiones de carbono y en el lado negativo por el riesgo de proliferación nuclear.

    La electricidad nuclear llegó a la escena energética notablemente rápido. Tras el desarrollo de la tecnología nuclear al final de la Segunda Guerra Mundial con fines militares, la energía nuclear rápidamente adquirió un nuevo camino en tiempos de paz para la producción económica de electricidad. Once años después del final de la Segunda Guerra Mundial, muy poco tiempo en términos energéticos, el primer reactor nuclear comercial produjo electricidad en Calder Hall en Sellafield, Inglaterra. El número de reactores nucleares creció de manera constante a más de 400 en 1990, cuatro años después del desastre de Chernobyl en 1986 y once años después de Three Mile Island en 1979. Desde 1990, el número de reactores operativos se ha mantenido aproximadamente plano, con nuevas construcciones equilibrando el desmantelamiento debido a la renuencia pública y gubernamental a continuar con los planes de expansión de la electricidad nuclear.

    El resultado de este debate determinará si el mundo experimenta un renacimiento nuclear que se está gestando desde hace varios años. La discusión global se ha visto fuertemente impactada por el improbable accidente nuclear en Fukushima, Japón, en marzo de 2011. El desastre nuclear de Fukushima fue causado por un terremoto y tsunami que inhabilitó el sistema de enfriamiento para un complejo de energía nuclear consistente en operar reactores nucleares y piscinas de almacenamiento para el almacenamiento subacuático del combustible nuclear gastado, lo que finalmente provocó una fusión parcial de algunos de los núcleos del reactor y liberación de radiación significativa. Este evento, 25 años después de Chernobyl, nos recuerda que la seguridad y la confianza pública son especialmente importantes en la energía nuclear; sin ellas la expansión de la energía nuclear no va a suceder.

    Colaboradores y Atribuciones


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