16.1: Tipos de Combustibles Fósiles y Formación

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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Los combustibles fósiles son fuentes de energía no renovables formadas a partir de la materia orgánica de plantas y microorganismos que vivieron hace millones de años. Esta energía fue capturada originalmente a través de la fotosíntesis por organismos vivos como plantas, algas y bacterias fotosintéticas. A veces esto se conoce como energía solar fósil ya que la energía del sol en el pasado se ha convertido en la energía química dentro de un combustible fósil. Como se discutió en Cadenas Alimentarias y Telas Alimentarias y Materia, las moléculas orgánicas almacenan energía química, que se libera cuando los enlaces de mayor energía (menos estables) en estas moléculas se rompen para formar enlaces de menor energía (más estables). Los combustibles fósiles no son renovables porque su formación tardó millones de años. Además, una mayor productividad en el entorno antiguo permitió una mayor acumulación de combustibles fósiles, lo que significa que las reservas de combustibles fósiles disponibles ahora no necesariamente podrían regenerarse millones de años en el futuro.

Los combustibles fósiles están compuestos principalmente de hidrocarburos (moléculas de solo carbono e hidrógeno), pero contienen cantidades menores de nitrógeno, azufre, oxígeno y otros elementos también. Las estructuras químicas precisas varían según el tipo de combustible fósil (carbón, petróleo o gas natural). Las moléculas en el carbón tienden a ser más grandes que las del petróleo y el gas natural. Por lo tanto, el carbón es sólido a temperatura ambiente, el petróleo es líquido y el gas natural está en fase gaseosa. Específicamente, el carbón es un combustible fósil sólido negro o marrón oscuro que se encuentra como vetas de carbón en capas de roca formadas a partir de la antigua vegetación pantanosa Tanto el petróleo como el gas natural son combustibles fósiles encontrados bajo tierra que se formaron a partir de microorganismos marinos. El petróleo (petróleo) es un combustible fósil líquido y consiste en una variedad de hidrocarburos, mientras que el gas natural es un combustible fósil gaseoso que consiste principalmente en metano y otros hidrocarburos pequeños.

Carbón

El carbón es producto de pantanos fosilizados, aunque se presume que algunos depósitos de carbón más antiguos que son anteriores a las plantas terrestres provienen de acumulaciones de algas. El carbón se formó cuando el material vegetal se entierra, calienta y comprime en condiciones pobres en oxígeno durante un largo período de tiempo (figura\(\PageIndex{a}\)). Hace millones de años, los continentes se encontraban en diferentes lugares con diferentes climas, y la vegetación pantanosa cubría muchas regiones. Cuando la vegetación murió, no pudo descomponerse completamente debido a las malas condiciones de oxígeno. En cambio, formó turba (una sustancia marrón con alto contenido orgánico). La turba fue enterrada y formó carbón después de millones de años de alta presión y temperatura. La presión fue del peso de los sedimentos así como de las colisiones continentales.

Hay varios tipos diferentes de carbón que varían en calidad (figura\(\PageIndex{b}\)). Cuanto más calor y presión sufra el carbón durante la formación, mayor es su valor de combustible y más deseable es el carbón. La secuencia general de un pantano que se convierte en las distintas etapas del carbón son las siguientes:

Pantano → Turba → Lignto → Carbón subbituminoso → Carbón bituminoso → Carbón antracita → Grafito

Gráfico que muestra los tipos de carbón en función del contenido de energía y el contenido de carbono — Figura\(\PageIndex{b}\): Las clasificaciones de carbón dependen del contenido de energía, medido como el poder calorífico bruto (cuánta energía se libera de la combustión) y el contenido de carbono que se puede quemar (porcentaje de carbono fijo). El carbón antracita (naranja) es el carbón de la más alta calidad, con alto contenido de energía y carbono. Lo siguiente en calidad es el carbón bituminoso (gris), el carbón subbituminoso (verde) y el lignito (amarillo). Los tres tienen menos contenido de carbono que el carbón antracita. El carbón bituminoso conserva un alto contenido energético, pero el carbón subbitminoso y el lignito tienen menor contenido energético. Imagen por USGS (dominio público).

Específicamente, la turba se compacta para formar roca sólida a través de un proceso llamado litificación, produciendo lignito (lignito, una forma de carbón de baja calidad). Al aumentar el calor y la presión, el lignito se convierte en carbón subbituminoso y carbón bituminoso. El lignito, el carbón subbituminoso y el carbón bituminoso se consideran rocas sedimentarias porque provienen de sedimentos compactados. A muy altas temperaturas y presiones, el carbón bituminoso se transforma en antracita, un carbón de alta calidad que es el carbón más deseable ya que proporciona la mayor producción de energía (cifra\(\PageIndex{c}\)). La antracita se considera una roca metamórfica porque ha sido compactada y transformada en la medida en que es más densa que las otras formas de carbón y ya no contiene capas laminares de sedimentos. Con aún más calor y presión expulsando todos los componentes que se evaporan fácilmente y dejando carbono puro, la antracita puede convertirse en grafito.

Una roca negra y brillante — Figura\(\PageIndex{c}\): Carbón antracita, el grado más alto de carbón.

Petróleo y Gas

Petróleo y gas natural formado a partir del antiguo microorganismo marino (plancton). Cuando el plancton murió, fueron enterrados en sedimentos. Al igual que con el carbón, las condiciones pobres en oxígeno limitaron la descomposición. A medida que los sedimentos continuaban acumulándose, los organismos muertos fueron enterrados aún más. La alta temperatura y presión a lo largo de millones de años finalmente produjeron petróleo y gas natural a partir de estos organismos muertos.

A medida que la roca se forma a partir de los sedimentos que originalmente atraparon el plancton, el petróleo y el gas salen de la roca fuente debido al aumento de la presión y la temperatura, y migran a una unidad de roca diferente más alta en la columna de roca. Si la roca es una roca porosa y permeable, entonces esa roca puede actuar como reservorio para el petróleo y el gas. 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 trampa es una combinación de una estructura geológica subsuperficial y una capa impermeable que ayuda a bloquear el movimiento de petróleo y gas y lo concentra para su posterior extracción humana. Las trampas agrupan los combustibles fósiles fluidos en una configuración en la que es más probable que la extracción sea rentable, y dichos combustibles fósiles se denominan petróleo convencional y gas natural (figura\(\PageIndex{e}\)). La extracción de petróleo o gas fuera de una trampa (petróleo y gas natural no convencionales) es menos eficiente y más costosa; a veces no es económicamente viable en absoluto (no produce ganancias). Ejemplos de combustibles fósiles no convencionales incluyen esquisto bituminoso, petróleo y gas estancos, arenas bituminosas (arenas petrolíferas) y metano carbonoso.

Sección de la Tierra mostrando diversas reservas de petróleo y gas natural, algunas convencionales y otras poco convencionales. — Figura\(\PageIndex{e}\): Los depósitos convencionales de petróleo y gas natural quedan atrapados bajo roca impermeable (gris). El gas natural convencional puede estar asociado con petróleo o no asociado. El metano en lecho de carbón y el gas estanco que se encuentran en el esquisto y la arenisca son ejemplos de combustibles fósiles no convencionales. Imagen de USGS/EIA (dominio público)

Esquisto bituminoso

El esquisto bituminoso es una roca sedimentaria de grano fino que a veces contiene querógeno, un material sólido a partir del cual finalmente se pueden fabricar productos derivados del petróleo. Para extraer los combustibles fósiles, el material tiene que ser extraído y calentado, lo que es costoso y típicamente tiene un impacto negativo en el medio ambiente.

Petróleo y Gas Natural

El petróleo apretado y el gas natural también están atrapados en roca de esquisto, rocas sedimentarias de grano fino con porosidad relativamente alta y baja permeabilidad. Se diferencian del esquisto bituminoso en que pueden extraerse a través de un proceso llamado fracturación hidráulica (fracking).

De igual manera, el fracking se puede utilizar para extraer gas natural de arenas estancas, que son areniscas o carbonatos de grano fino que contienen gas (rocas hechas de minerales que contienen carbonato, CO ₃ ² ^-) con baja permeabilidad.

Arenas de Tar

Las arenas bituminosas, o arenas petrolíferas, son areniscas que contienen productos derivados del petróleo que son altamente viscosos (como el alquitrán), y por lo tanto, no se pueden perforar y bombear fuera del suelo, a diferencia del petróleo convencional (figura\(\PageIndex{f}\)). El combustible fósil en cuestión es el betún, el cual se puede bombear como fluido sólo a tasas de recuperación muy bajas y sólo cuando se calienta o se mezcla con disolventes. Así, las inyecciones de vapor y disolvente o la minería de las arenas bituminosas para su posterior procesamiento pueden ser utilizadas para extraer el alquitrán de las arenas. (Ver información relacionada sobre la minería en tiras con respecto al carbón en Minería, Procesamiento y Generación de Electricidad.) Alberta, Canadá es conocido por tener las mayores reservas de arenas bituminosas del mundo.

La arenisca tiene un aspecto granuloso y es negra con alquitrán. — Figura\(\PageIndex{f}\): Arenisca alquitranada de la Formación Mioceno Monterrey de California.

Metano Coalbed

También se encuentra algo de gas natural asociado con yacimientos de carbón (metano en lecho de carbón), que consiste en metano producido durante la formación del carbón.

Atribuciones

Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:

Desafíos e impactos del uso de energía y fuentes de energía no renovables de la biología ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
Los combustibles fósiles de una introducción a la geología por Chris Johnson et al. (licenciado bajo CC-BY-NC-SA)
Gas de esquisto 101. Oficina de Energía Fósil. Departamento de Energía de Estados Unidos. Accedido 12-01-2021. (dominio público)
El Proceso de Producción de Gas Natural No Convencional. 2021. Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. Accedido 12-01-2021. (dominio público)