1.13: Fuentes de energía no renovables

INTRODUCCIÓN

Las fuentes de energía suficientes y confiables son una necesidad para las naciones industrializadas. La energía se utiliza para calefacción, cocción, transporte y fabricación. La energía puede clasificarse generalmente como no renovable y renovable. Más del 85% de la energía utilizada en el mundo proviene de suministros no renovables. La mayoría de las naciones desarrolladas dependen de fuentes de energía no renovables como los combustibles fósiles (carbón y petróleo) y la energía nuclear. Estas fuentes se denominan no renovables porque no pueden renovarse o regenerarse con la suficiente rapidez para seguir el ritmo de su uso. Algunas fuentes de energía son renovables o potencialmente renovables. Ejemplos de fuentes de energía renovables son: solar, geotérmica, hidroeléctrica, biomasa y eólica. Las fuentes de energía renovables son más comúnmente utilizadas en los países en desarrollo.

Las sociedades industrializadas dependen de fuentes de energía no renovables. Los combustibles fósiles son los tipos de energía no renovable más utilizados. Se formaron cuando la materia vegetal y animal incompletamente descompuesta fue enterrada en la corteza terrestre y convertida en material rico en carbono que es útil como combustible. Este proceso ocurrió a lo largo de millones de años. Los tres tipos principales de combustibles fósiles son el carbón, el petróleo y el gas natural. Otras dos fuentes menos utilizadas de combustibles fósiles son las lutitas petrolíferas y las arenas bituminosas.

CARBÓN

El carbón es el combustible fósil más abundante del mundo con una reserva estimada de un billón de toneladas métricas. La mayoría de las reservas mundiales de carbón existen en Europa del Este y Asia, pero Estados Unidos también tiene reservas considerables. El carbón se formó lentamente durante millones de años a partir de los restos enterrados de antiguas plantas pantanosas. Durante la formación del carbón, la materia carbonosa se comprimió primero en un material esponjoso llamado “turba”, que es aproximadamente 90% de agua. A medida que la turba se enterró más profundamente, el aumento de la presión y la temperatura la convirtieron en carbón.

Diferentes tipos de carbón resultaron de las diferencias en la presión y temperatura que prevalecieron durante la formación. El carbón más suave (alrededor del 50% de carbono), que también tiene la menor producción de energía, se llama lignito. El lignito tiene el mayor contenido de agua (aproximadamente 50%) y cantidades relativamente bajas de azufre causante de humo. Al aumentar la temperatura y la presión, el lignito se transforma en carbón bituminoso (aproximadamente 85% de carbono y 3% de agua). La antracita (casi 100% de carbono) es el carbón más duro y también produce la mayor energía cuando se quema. Menos del 1% del carbón que se encuentra en Estados Unidos es antracita. La mayor parte del carbón que se encuentra en Estados Unidos es bituminoso. Desafortunadamente, el carbón bituminoso tiene el mayor contenido de azufre de todos los tipos de carbón. Cuando se quema el carbón, el contaminante dióxido de azufre se libera a la atmósfera.

La minería del carbón crea varios problemas ambientales. El carbón se extrae más barato de depósitos cercanos a la superficie utilizando técnicas de minería en tiras. La minería en tiras causa daños ambientales considerables en forma de erosión y destrucción del hábitat. La minería subsuperficial de carbón es menos perjudicial para el ambiente de la superficie, pero es mucho más peligrosa para los mineros debido a los colapsos de túneles y explosiones de gas. Actualmente, el mundo está consumiendo carbón a una tasa de alrededor de 5 mil millones de toneladas métricas por año. El uso principal del carbón es para la generación de energía, ya que es una forma relativamente económica de producir energía.

El carbón se utiliza para producir más del 50% de la electricidad en Estados Unidos. Además de la producción eléctrica, el carbón se utiliza a veces para calentar y cocinar en los países menos desarrollados y en las zonas rurales de los países desarrollados. Si el consumo continúa a la misma tasa, las reservas actuales durarán más de 200 años. La quema de carbón resulta en una contaminación atmosférica significativa. El azufre contenido en el carbón forma dióxido de azufre cuando se quema. Los óxidos de nitrógeno nocivos, los metales pesados y el dióxido de carbono también se liberan al aire durante la quema de carbón. Las emisiones dañinas se pueden reducir instalando depuradores y precipitadores electrostáticos en las chapas de humos de las centrales eléctricas. La ceniza tóxica que queda después de la quema del carbón también es una preocupación ambiental y generalmente se desecha en los vertederos.

ACEITE

El petróleo crudo o petróleo líquido, es un combustible fósil que se refina en muchos productos energéticos diferentes (por ejemplo, gasolina, combustible diesel, combustible para aviones, combustible para calefacción). El petróleo se forma bajo tierra en rocas como el esquisto, que es rico en materiales orgánicos. Después de que se forma el petróleo, migra hacia arriba hacia la roca porosa de yacimiento, como la arenisca o la piedra caliza, donde puede quedar atrapado por una roca de capa impermeable superpuesta. Se perforan pozos en estos depósitos de petróleo para eliminar el gas y el petróleo. Más del 70 por ciento de los campos petroleros se encuentran cerca de los límites de las placas tectónicas, debido a que las condiciones allí son propicias para la formación

La recuperación de petróleo puede implicar más de una etapa. La etapa primaria consiste en bombear petróleo desde yacimientos bajo la presión normal del yacimiento. Alrededor del 25 por ciento del petróleo en un reservorio se puede eliminar durante esta etapa. La etapa secundaria de recuperación consiste en inyectar agua caliente en el reservorio alrededor del pozo. Esta agua obliga al petróleo restante hacia la zona del pozo del que se puede recuperar. En ocasiones se utiliza un método terciario de recuperación para eliminar la mayor cantidad de petróleo posible. Esto implica bombear vapor, gas dióxido de carbono o gas nitrógeno en el yacimiento para forzar el petróleo restante hacia el pozo. La recuperación terciaria es muy costosa y puede costar hasta la mitad del valor del petróleo eliminado. El dióxido de carbono utilizado en este método permanece secuestrado en el reservorio profundo, mitigando así su potencial efecto invernadero sobre la atmósfera. El proceso de refinación requerido para convertir el petróleo crudo en compuestos hidrocarbonados usables implica hervir el crudo y separar los gases en un proceso conocido como destilación fraccionada. Además de su uso como fuente de energía, el petróleo también proporciona material base para plásticos, proporciona asfalto para carreteras y es una fuente de químicos industriales.

Más del 50 por ciento del petróleo mundial se encuentra en el Medio Oriente; en América del Norte se producen reservas adicionales considerables. La mayoría de las reservas de petróleo conocidas ya están siendo explotadas, y el petróleo se está utilizando a un ritmo que supera la tasa de descubrimiento de nuevas fuentes. Si la tasa de consumo continúa aumentando y no se encuentran nuevas fuentes significativas, los suministros de petróleo pueden agotarse en otros 30 años más o menos.

A pesar de su suministro limitado, el petróleo es una fuente de combustible relativamente económica. Es una fuente de combustible preferida sobre el carbón. Una cantidad equivalente de petróleo produce más kilovatios de energía que el carbón. También se quema más limpio, produciendo alrededor de 50 por ciento menos de dióxido de azufre.

Sin embargo, el petróleo sí causa problemas ambientales. La quema de petróleo libera contaminantes atmosféricos como dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. Estos gases son precursores de smog que contaminan el aire y gases de efecto invernadero que contribuyen al calentamiento global. Otro tema ambiental asociado con el uso del petróleo es el impacto de la perforación petrolera. Substanciales reservas de petróleo se encuentran bajo el océano. Los accidentes por derrames de petróleo con plataformas de perforación matan organismos marinos y aves. Algunas reservas como las del norte de Alaska ocurren en áreas silvestres. La construcción de carreteras, estructuras y ductos para apoyar las operaciones de recuperación de petróleo puede impactar severamente la vida silvestre en esas áreas naturales.

GAS NATURAL

La producción de gas natural suele ser un subproducto de la recuperación de petróleo, ya que los dos suelen compartir depósitos subterráneos. El gas natural es una mezcla de gases, siendo el más común el metano (CH4). También contiene algo de etano (C2H5), propano (C3H8) y butano (C4H10). El gas natural no suele estar contaminado con azufre y, por lo tanto, es el combustible fósil de combustión más limpia. Después de la recuperación, el propano y el butano se retiran del gas natural y se convierten en gas licuado de petróleo (GLP). El GLP se envía en tanques presurizados especiales como fuente de combustible para áreas que no son directamente atendidas por gasoductos (por ejemplo, comunidades rurales). El gas natural restante se refina aún más para eliminar las impurezas y el vapor de agua, y luego se transporta en tuberías presurizadas. Estados Unidos tiene más de 300,000 millas de gasoductos naturales. El gas natural es altamente inflamable y es inodoro. El olor característico asociado al gas natural es en realidad el de cantidades diminutas de un compuesto de azufre maloliente (etil mercaptano) que se agrega durante el refinamiento para advertir a los consumidores de fugas de gas.

El uso del gas natural está creciendo rápidamente. Además de ser una fuente de combustible de combustión limpia, el gas natural es fácil y económico de transportar una vez que las tuberías están en su lugar. En los países desarrollados, el gas natural se utiliza principalmente para calentar, cocinar y alimentar vehículos. También se utiliza en un proceso para la elaboración de fertilizantes amoniacales. La estimación actual de las reservas de gas natural es de unos 100 millones de toneladas métricas. En los niveles de uso actuales, esta oferta durará aproximadamente 100 años. La mayor parte de las reservas mundiales de gas natural se encuentran en Europa del Este y Medio Oriente.

ESQUISTO BITUMINOSO Y ARENAS BITUMINOSAS

El esquisto bituminoso y las arenas bituminosas son las fuentes de combustibles fósiles menos utilizadas. El esquisto bituminoso es una roca sedimentaria con poros muy finos que contienen querógeno, una sustancia cerosa a base de carbono. Si el esquisto se calienta a 490º C, el querógeno se vaporiza y luego se puede condensar como aceite de esquisto, un líquido viscoso espeso. Este aceite de esquisto generalmente se refina adicionalmente en productos petrolíferos utilizables. La producción de petróleo de esquisto requiere grandes cantidades de energía para extraer y procesar el esquisto. De hecho, se requiere alrededor de medio barril de petróleo para extraer cada barril de petróleo de esquisto. El esquisto bituminoso es abundante, con reservas estimadas por un total de 3 billones de barriles de petróleo de esquisto recuperable. Estas reservas por sí solas podrían satisfacer las necesidades petroleras del mundo durante unos 100 años. Los problemas ambientales asociados con la recuperación de esquisto bituminoso incluyen: grandes cantidades de agua necesaria para su procesamiento, eliminación de aguas residuales tóxicas y alteración de grandes áreas de tierras superficiales.

La arena alquitranada es un tipo de roca sedimentaria que está impregnada con un crudo muy espeso. Este crudo espeso no fluye fácilmente y por lo tanto no se pueden utilizar métodos normales de recuperación de petróleo para extraerlo. Si las arenas bituminosas están cerca de la superficie, se pueden extraer directamente. Sin embargo, para extraer el petróleo de arenas alquitranadas profundas, se debe inyectar vapor en el yacimiento para que el petróleo fluya mejor y lo empuje hacia el pozo de recuperación. El costo de energía para producir un barril de arena de alquitrán es similar al del esquisto bituminoso. El depósito de alquitrán y arena más grande del mundo se encuentra en Canadá y contiene suficiente material (unos 500 mil millones de barriles) para abastecer al mundo de petróleo durante unos 15 años. Sin embargo, debido a preocupaciones ambientales y altos costos de producción, estos campos de arena de alquitrán no están siendo completamente utilizados.

ENERGÍA NUCLEAR

En la mayoría de las centrales eléctricas, el agua se calienta y se convierte en vapor, lo que impulsa una turbina-generador para producir electricidad. Las centrales eléctricas de combustibles fósiles producen calor quemando carbón, petróleo o gas natural. En una central nuclear, la fisión de átomos de uranio en el reactor proporciona el calor para producir vapor para generar electricidad.

Varios diseños de reactores comerciales están actualmente en uso en los Estados Unidos. El diseño más utilizado consiste en un recipiente a presión de acero pesado que rodea el núcleo de un reactor. El núcleo del reactor contiene el combustible de uranio, que se forma en pellets cerámicos cilíndricos y se sella en largos tubos metálicos llamados barras de combustible. Miles de barras de combustible forman el núcleo del reactor. El calor se produce en un reactor nuclear cuando los neutrones golpean los átomos de uranio, lo que hace que se dividan en una reacción en cadena continua. Las barras de control, las cuales están hechas de un material como el boro que absorbe neutrones, se colocan entre los conjuntos combustibles.

Cuando las barras de control de absorción de neutrones se extraen del núcleo, hay más neutrones disponibles para la fisión y la reacción en cadena se acelera, produciendo más calor. Cuando se insertan en el núcleo, hay menos neutrones disponibles para la fisión, y la reacción en cadena se ralentiza o se detiene, reduciendo el calor generado. El calor se elimina del área del núcleo del reactor por el agua que fluye a través de él en un circuito cerrado a presión. El calor se transfiere a un segundo circuito de agua a través de un intercambiador de calor. El agua también sirve para ralentizar, o “moderar” los neutrones que es necesario para sostener las reacciones de fisión. El segundo bucle se mantiene a una presión más baja, permitiendo que el agua hierva y cree vapor, que se utiliza para alimentar la turbina-generador y producir electricidad.

Originalmente, se esperaba que la energía nuclear fuera una fuente de energía limpia y barata. La fisión nuclear no produce contaminación atmosférica ni gases de efecto invernadero y sus proponentes esperaban que la energía nuclear fuera más barata y durara más que los combustibles fósiles. Desafortunadamente, debido a los sobrecostos de construcción, la mala gestión y numerosas regulaciones, la energía nuclear terminó siendo mucho más cara de lo previsto. Los accidentes nucleares en Three Mile Island en Pensilvania y la Central Nuclear de Chernobyl en Ucrania plantearon preocupaciones sobre la seguridad de la energía nuclear. Además, el problema de la eliminación segura del combustible nuclear gastado sigue sin resolverse. Estados Unidos no ha construido una nueva instalación nuclear en más de veinte años, pero con continuas crisis energéticas en todo el país esa situación puede cambiar.