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16.2: Minería, Procesamiento y Generación de Electricidad

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    54662
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    Los combustibles fósiles deben extraerse o extraerse antes de su uso, y el método específico depende del tipo de combustible fósil. El carbón y el gas natural se utilizan principalmente para la generación de electricidad, mientras que el petróleo se refina para producir combustible para vehículos, aviones y calefacción, así como otros productos.

    Carbón

    Minería

    El carbón se extrae mediante dos métodos principales, de los cuales hay muchas variantes: la minería de superficie o la minería subsuperficial. La minería de superficie utiliza grandes máquinas para eliminar el suelo y las capas de roca conocidas como sobrecarga para exponer las vetas de carbón que están cerca de la superficie de la Tierra (figura\(\PageIndex{a}\)). La minería en tiras es un tipo de minería de superficie en la que la sobrecarga se elimina secuencialmente de cada tramo (franja) de tierra. Una vez que se retira la sobrecarga de la primera tira, se retira el carbón. La sobrecarga de la segunda tira se deposita entonces en la primera tira, y el carbón se retira de la segunda tira. La sobrecarga de la tercera tira se coloca luego en la primera tira, y así sucesivamente. La remoción en la cima de la montaña es un tipo de minería de superficie más destructiva en la que se elimina toda la sobrecarga con explosivos, revelando toda la veta de carbón a la vez (figura\(\PageIndex{b}\)). La gran masa de sobrecarga (la cima de la montaña) se arroja a un valle cercano, y el carbón se les quita.

    Un carbón grande, amarillo maquinas, que aparece como un polvo negro con grumos negros más grandes en él
    Figura\(\PageIndex{a}\): Minería superficial de carbón en Wyoming. Imagen por Bureau of Land Management (dominio público).
    El contorno del antiguo contorno de una montaña. La sobrecarga ha sido arrojada a un valle adyacente para revelar una veta de carbón.El árido paisaje aplanado de un sitio de remoción en la cima de una montaña
    Figura\(\PageIndex{b}\): Izquierda: La remoción en la cima de la montaña utiliza explosivos para aflojar la sobrecarga en la cima de una montaña, que luego se desplaza hacia un valle cercano (relleno de valle). Luego se extrae la veta de carbón subyacente. Un estanque de sedimentos recoge el suelo que se erosiona del relleno del valle. Imagen por EPA (dominio público). Derecha: Un sitio de remoción de cima de montaña. Imagen de JW Randolph (dominio público)

    La minería subsuperficial (minería profunda) emplea túneles subterráneos para acceder a depósitos más profundos (figura\(\PageIndex{c}\)). Algunas minas subterráneas tienen miles de pies de profundidad y se extienden por millas. Los mineros montan elevadores por pozos profundos de la mina y viajan en pequeños trenes en túneles largos para llegar al carbón. Los mineros utilizan máquinas grandes que extraen el carbón. En las minas de deriva, se cava un túnel horizontalmente en la ladera de una montaña. En minas de taludes, este túnel es diagonal. En las minas de pozo, los elevadores se utilizan para mover el carbón a través de túneles verticales.

    Sección de terreno revelando pozos de elevadores y túneles horizontales y diagonales para acceder al carbón. Instalaciones y pilas de carbón minado están en la superficie.
    Figura\(\PageIndex{c}\): La minería subsuperficial implica excavar túneles para acceder a depósitos de carbón que están bajo tierra profunda. Imagen por Proyecto Nacional de Desarrollo de Educación Energética/EIA (dominio público)

    Procesamiento de Carbón

    Una vez extraído, el carbón puede ir a una planta de preparación ubicada cerca del sitio minero donde se limpia y procesa para eliminar impurezas como rocas y suciedad, cenizas, azufre y otros materiales no deseados. Este proceso aumenta la cantidad de energía que se puede obtener de una unidad de carbón, conocida como su valor calorífico.

    Transporte de Carbón

    Por último, se debe transportar el carbón minado y procesado. El transporte puede ser más caro que extraer el carbón. Casi el 70% del carbón entregado en Estados Unidos es transportado, durante al menos parte de su viaje, en tren (cifra\(\PageIndex{e}\)). El carbón también se puede transportar en barcaza, barco o camión. El carbón también se puede triturar, mezclar con agua y enviar a través de una tubería de lodo. En ocasiones, las centrales eléctricas de carbón se construyen cerca de las minas de carbón para reducir los costos de transporte.

    Autos de un tren lleno de carbón en forma de trozos negros
    Figura\(\PageIndex{e}\): Un tren de carga cargado con briquetas de carbón, formado a partir de polvo de carbón comprimido, en Morwell, Victoria, Australia. Imagen y subtítulo (modificado) por CSIRO (CC-BY).

    Generación de Electricidad a partir de Carbón

    Una vez en la planta de energía, el carbón se pulveriza primero en un polvo fino y luego se mezcla con aire caliente y se sopla en un horno (figura\(\PageIndex{f}\)). Esto permite la combustión (quema) más completa y la máxima liberación de calor. El agua purificada, bombeada a través de tuberías dentro de una caldera, se convierte en vapor por el calor de la combustión del carbón. La alta presión del vapor que empuja contra una serie de álabes gigantes de turbina gira el eje de la turbina. El eje de la turbina está conectado al eje del generador, donde los imanes giran dentro de bobinas de alambre para producir electricidad. Después de hacer su trabajo en la turbina, el vapor es aspirado a un condensador, una gran cámara en el sótano de la central eléctrica. En este importante paso, millones de galones de agua fría de una fuente cercana (como un río o lago) se bombean a través de una red de tubos que atraviesan el condensador. El agua fría en los tubos convierte el vapor de nuevo en agua que se puede utilizar una y otra vez en la planta. El agua de refrigeración se devuelve a su fuente sin ninguna contaminación excepto a una temperatura más alta que cuando se extrae por primera vez del río o lago.

    Humo liberado de una central eléctrica de carbón marrón y metálico en una colinaLa sección de a través de una central eléctrica de carbón muestra la combustión de carbón en un horno, produciendo vapor, que gira una turbina para generar electricidad.
    Figura\(\PageIndex{f}\): Izquierda: Planta de carbón en Helper, Utah. Derecha: Diagrama de una planta eléctrica típica de carbón de ciclo de vapor (procediendo de izquierda a derecha). El carbón ingresa a la caldera (horno), donde se quema. Esto hierve agua, produciendo vapor. El vapor hace girar una turbina, alimentando un generador. La electricidad resultante se pasa a través de un transformador (que cambia el voltaje) y luego se envía a través de líneas de transmisión. El vapor se enfría y se condensa de nuevo en agua líquida en el condensador. Esto es facilitador enfriando el agua de un río cercano. Imagen derecha por Tennessee Valley Authority (dominio público).

    Este video muestra cómo se puede utilizar la energía térmica para generar electricidad.

     

    Petróleo y Gas Natural

    Extracción de Petróleo Convencional y Gas Natural

    El petróleo convencional y el gas natural están contenidos bajo una trampa (roca de tapa). Debido a que el gas natural consiste en moléculas más ligeras que se encuentran en forma gaseosa a temperaturas moderadas, se encuentra encima del petróleo, que puede estar flotando en las aguas subterráneas. Para acceder al petróleo convencional y al gas natural, primero se perfora la trampa. Inicialmente, están bajo una presión lo suficientemente alta, y esto los expulsa del pozo (recuperación primaria). A continuación, se inyecta agua (o gas) para forzar la salida de más combustibles fósiles (recuperación secundaria). Finalmente, la recuperación mejorada de petróleo (recuperación terciaria) puede usarse para extraer más petróleo aplicando calor (inyectando vapor) o inyectando dióxido de carbono, otros gases o moléculas más grandes. Por ejemplo, el dióxido de carbono hace que el aceite se diluya y se expanda, lo que facilita su extracción de las rocas. Tenga en cuenta que la recuperación secundaria simplemente aumenta la presión dentro del reservorio mientras que la recuperación terciaria cambia las propiedades del petróleo, facilitando la extracción (figura\(\PageIndex{g}\)). Cada etapa de recuperación es cada vez más costosa, y la extracción de un pozo continúa mientras siga siendo rentable.

    Pozos de inyección para la eliminación de agua y para mejorar la recuperación de petróleo. El petróleo sube a través de un pozo de producción.
    Figura\(\PageIndex{g}\): Los pozos de inyección transfieren agua, dióxido de carbono u otras sustancias a un depósito de petróleo incrementan la presión o cambian las propiedades del petróleo, facilitando la extracción. A la derecha está el pozo de producción, a través del cual fluye el petróleo extraído. Esto se ve facilitado por un pozo de inyección para mejorar la recuperación. A la izquierda se encuentra un pozo de inyección para su eliminación a través de agua residual (agua producida) que se almacena bajo tierra. Varias formaciones confinantes atrapan sustancias bajo tierra. Más cerca de la cima se encuentra la base de fuentes subterráneas de agua potable, lo que significa que toda el agua potable se extrae de arriba de este punto. Imagen por Oficina de Responsabilidad Gubernamental (dominio público).

    El petróleo se obtiene principalmente por perforación ya sea en tierra (tierra adentro) o en el océano (costa afuera). La perforación temprana en alta mar se limitó generalmente a áreas donde el agua tenía menos de 300 pies de profundidad. Las plataformas de perforación de petróleo y gas natural ahora operan en aguas tan profundas como dos millas. Las plataformas flotantes se utilizan para la perforación en aguas más profundas (figura\(\PageIndex{h}\)). Estas embarcaciones autopropulsadas están unidas al fondo del océano mediante cables y anclajes grandes. Se perforan pozos de estas plataformas que también se utilizan para bajar el equipo de producción al fondo del océano. Algunas plataformas de perforación se apoyan sobre patas similares a pilotes que están incrustadas en el fondo del océano. Estas plataformas albergan todo el equipo de perforación requerido, así como áreas de alojamiento y almacenamiento para los equipos de trabajo. La producción offshore es mucho más cara que la producción terrestre.

    Cuatro pilares rojos sostienen una plataforma que emerge del océano, apoyando la perforación en alta mar
    Figura\(\PageIndex{h}\): Plataforma para perforación petrolífera en alta mar. Imagen de Pixabay/KeridJackson (licencia Pixabay).

    Extracción de Petróleo y Gas Natural No Convencionales

    El petróleo apretado y el gas natural atrapados en esquisto, así como el gas natural en arenas apretadas, se extraen a través de fracturación hidráulica, informalmente conocida como “fracking”. Este proceso utiliza explosivos para crear nuevas fracturas en estas rocas de baja permeabilidad, así como aumentar el tamaño, extensión y conectividad de las fracturas existentes y luego aplicar fluido de alta presión. Primero, un taladro impregna las capas de roca y luego avanza horizontalmente. Los explosivos luego fracturan rocas, liberando petróleo y gas natural. Finalmente, agua, arena, y productos químicos e inyectados, que eliminan petróleo y gas natural (figura\(\PageIndex{i}\)).

    Sección de la Tierra que muestra la relación entre el fracking, la actividad sísmica y el agua subterránea en acuíferos poco profundos y profundos.Sección de la Tierra con cinco pasos en el proceso de fracking
    Figura\(\PageIndex{i}\): Dos diagramas de fracking. El agua se mezcla con arena y productos químicos y luego se inyecta en esquisto atrapando petróleo y gas natural o arena hermética. Esto elimina los combustibles fósiles de las fisuras que antes eran creadas por explosivos. Arriba: Esta sección muestra cuatro capas subterráneas. De arriba a abajo, son el acuífero poco profundo, el acuicludio (capa impermeable), el acuífero profundo y otro acuicludio. El fluido de fracking se inyecta bajo tierra a través de un pozo rodeado de entubado en la formación de gas. El metano (flechas rojas) podría escapar de las fracturas hidráulicas en esta formación. Adicionalmente, cuando las fracturas se cruzan con una falla preexistente, es posible la sismicidad inducida (sismos). El fluido de fracking sobre el suelo se almacena en estanques de aguas residuales. Las flechas azules y los signos de interrogación indican lugares donde las aguas residuales tóxicas pueden escapar y contaminar las aguas subterráneas, como las de contenedores de almacenamiento, estanques de aguas residuales, revestimiento o fallas. Fondo: Se necesita un tratamiento adecuado y disposición de las aguas residuales para limitar el impacto ambiental. 1: Se adquiere agua. 2: Se mezclan los productos químicos. 3: Se inyecta fluido de fracking en el pozo. Aquí, el gas natural fluye desde las fisuras hacia el pozo. 4: El fracking da como resultado un flujo de retorno y agua producida (aguas residuales). 5: Las aguas residuales se someten a tratamiento y disposición. Imagen inferior por USGS (dominio público).

    Como se mencionó anteriormente, el betún en las arenas bituminosas se puede extraer inyectando vapor, o bien pueden extraerse para su posterior procesamiento. Las arenas bituminosas pueden extraerse a través de la minería en tiras o a cielo abierto, un tipo de minería de superficie que implica formar un agujero progresivamente más profundo. Las paredes de la fosa son tan empinadas como se puede manejar de manera segura. Una pared empinada significa que hay menos sobrecarga de desechos que eliminar y es un equilibrio de ingeniería entre la minería eficiente y el desperdicio masivo. El esquisto bituminoso se extrae mediante la minería en tiras, la creación de minas subsuperficiales o la minería a cielo abierto. El esquisto bituminoso puede quemarse directamente como carbón o hornearse en presencia de hidrógeno para extraer petróleo líquido (figura\(\PageIndex{j}\)).

    Equipo amarillo subterráneo recoge esquisto bituminoso. Las capas de roca en el fondo están en capas.
    Figura\(\PageIndex{j}\): Minería subterránea de esquisto bituminoso en Estonia.

    Refinación de petróleo crudo

    El resultado de la recuperación de petróleo es el petróleo crudo (petróleo), que contiene muchos tipos de hidrocarburos así como algunas sustancias no deseadas como azufre, nitrógeno, oxígeno, metales disueltos y agua, todos mezclados entre sí. Por lo tanto, el petróleo crudo sin procesar no es generalmente útil en aplicaciones industriales y primero debe separarse en diferentes productos utilizables (petroquímicos) en una refinería. Gasolina (gasolina), diesel, alquitrán y asfalto son ejemplos de petroquímicos.

    La destilación fraccionada es el proceso clave utilizado en las refinerías de petróleo para separar los componentes del petróleo crudo. Durante la destilación fraccionada, el petróleo crudo se calienta y luego se deja enfriar. Los compuestos más pesados se hunden hasta el fondo como residuos. Los componentes del crudo vaporizado se condensan a diferentes niveles en la columna de destilación dependiendo de sus puntos de ebullición, lo que se debe principalmente a sus tamaños moleculares. Los compuestos más pesados (se condensan cerca del fondo de la columna, donde la temperatura sigue siendo alta. Los compuestos más ligeros se condensan a temperaturas más frías más altas en la columna. Algunos compuestos permanecen como gases en la parte superior de la columna (figura\(\PageIndex{k}\)).

    Una columna de destilación muestra petroquímicos separados por punto de ebullición
    Figura\(\PageIndex{k}\): El proceso de destilación fraccionada implica calentar petróleo crudo y permitir que los componentes se enfríen. A medida que suben por la columna de destilación, se condensan a diferentes niveles en función de sus puntos de ebullición. Los compuestos más pesados tienen los puntos de ebullición más altos y se condensan en la parte inferior de la columna mientras que los compuestos más ligeros (bajo punto de ebullición) se condensan en la parte superior. De menor a mayor punto de ebullición los petroquímicos producidos son fuelóleo residual (1050 °F), gasóleo pesado (650-1050 °F), gasóleo y gasóleo para calefacción (450-650 °F), queroseno y combustible para aviones (350-450 °F), nafta (utilizada para fabricar gasolina, solventes, soluciones de limpieza, etc.; 185-350 °F), componentes de mezcla de gasolina (85- 185 °F) y butano y productos más ligeros (< 85 °F). Imagen de la Administración de Información Energética de Estados Unidos (dominio público).

    El siguiente video explica el proceso de destilación fraccionada. La columna de destilación etiquetada a las 3:00 muestra petróleo crudo calentado (400 °C) separándose en diversos petroquímicos. De abajo hacia arriba, son betún (> 350 °C), diésel (250-350 °C), queroseno (160-250 °C), nafta (70-160 °C), gasolina (20-70 °C) y gas (< 20 °C).

    La conversión es el procesamiento químico en el que algunas de las fracciones (producidas a partir de la destilación fraccionada) se transforman en otros productos. Por ejemplo, una refinería puede convertir el combustible diesel en gasolina dependiendo de la demanda de gasolina. La conversión puede implicar romper cadenas de hidrocarburos más grandes en cadenas más pequeñas (craqueo), combinar cadenas más pequeñas en cadenas más grandes (unificación) o reorganizar las moléculas para crear los productos deseados (alteración).

    El tratamiento se realiza a las fracciones para eliminar impurezas como azufre, nitrógeno y agua entre otras. Las refinerías también combinan las diversas fracciones (procesadas y no procesadas) en mezclas para elaborar los productos deseados. Por ejemplo, diferentes mezclas de cadenas de hidrocarburos pueden crear gasolinas con diferentes grados de octanaje, con y sin aditivos, aceites lubricantes de diversos pesos y grados (WD-40, 10W-40, 5W-30, etc.), aceite para calefacción, y muchos otros. Los productos se almacenan in situ hasta que pueden ser entregados a diversos mercados como gasolineras, aeropuertos y plantas químicas.

    Un barril de 42 galones estadounidenses de petróleo crudo produce alrededor de 45 galones de productos derivados del petróleo debido a la ganancia de procesamiento de refinería (figura\(\PageIndex{l}\)). Este aumento de volumen es similar a lo que sucede con las palomitas de maíz cuando se hace estallar. La gasolina constituye la mayor fracción de todos los productos derivados del petróleo obtenidos. Otros productos incluyen combustible diesel y combustible para calefacción, combustible para aviones, materias primas petroquímicas (para fabricar plásticos, caucho sintético u otros productos químicos), ceras, aceites lubricantes y asfalto.

    Las bandas coloreadas que llenan un barril de aceite se escalan para representar galones de cada producto hecho a partir de él.
    Figura\(\PageIndex{l}\): Principales productos (medidos en galones) elaborados a partir de un barril de petróleo crudo en 2019. Estos incluyen fuelóleo residual (0.9 galones), gas hidrocarburo (1.5), otros productos (6.0), combustible para aviones (4.4), destilado (12.5) y gasolina (19.4). Nota: Un barril de 42 galones (EE.UU.) de petróleo crudo produce alrededor de 45 galones de productos derivados del petróleo debido a la ganancia de procesamiento de refinería. La suma de las cantidades de producto en la imagen puede no ser igual a 45 debido al redondeo independiente. Imagen por EIA (dominio público).

    Transporte de Petróleo y Gas Natural

    Después de la refinería, la gasolina y otros combustibles creados están listos para ser distribuidos para su uso. Un sistema de ductos corre por todo Estados Unidos para transportar petróleo y combustibles de un lugar a otro. Hay ductos que transportan petróleo crudo desde el pozo petrolífero hasta la refinería. En la refinería, hay tuberías adicionales que transportan el producto terminado a diversas terminales de almacenamiento donde luego se puede cargar en camiones para su entrega, como a una gasolinera.

    Una vez que se produce gas natural a partir de formaciones rocosas subterráneas, se envía por tuberías a las instalaciones de almacenamiento y luego al usuario final. Estados Unidos tiene una vasta red de gasoductos que transporta gas desde y hacia casi cualquier ubicación en los 48 estados inferiores. Hay más de 210 sistemas de gasoductos de gas natural, utilizando más de 300,000 millas de tuberías de transmisión interestatales e intraestadas (figura\(\PageIndex{m}\)). Estaciones compresoras que mantienen la presión sobre el gas natural para mantenerlo en movimiento a través del sistema. Hay más de 400 instalaciones subterráneas de almacenamiento de gas natural que pueden retener el gas hasta que sea necesario de nuevo en el sistema para su entrega.

    Se desplaza el suelo y se ensambla un tubo grueso de color azul pálido (Dakota Access Pipeline).
    Figura\(\PageIndex{m}\): Construcción del polémico Dakota Access Pipeline, que se extiende desde Dakota del Norte hasta Illinois. La parte fotografiada del oleoducto se encuentra en el centro de Iowa. Puedes conocer más sobre las protestas de 2016 contra este gasoducto aquí. Imagen de Dakota Access Pipe Line (CC-BY).

    Generación de Electricidad a partir de Petróleo o Gas Natural

    El gas natural se quema para producir electricidad siguiendo el mismo proceso general utilizado en una central de carbón (figura\(\PageIndex{n}\)). El petróleo también se utiliza ocasionalmente para generar electricidad.

    Una cámara de combustión y turbina. Las líneas de petróleo y gas natural alimentan la cámara de combustión.
    Figura\(\PageIndex{n}\): Esta cámara de combustión quema gas natural o petróleo. El combustible fluye a través de una línea de gas natural o desde el almacenamiento de petróleo hacia la cámara de combustión. El aire pasa a través de la entrada de aire y se comprime en el compresor. El gas natural y el aire comprimido se mezclan con aire comprimido en la cámara de combustión y se queman. Los gases de combustión a alta presión hacen girar la turbina, que impulsa el generador. La corriente eléctrica resultante se hace pasar a través de un transformador, el cual altera la tensión. Imagen y subtítulo (modificado) por Tennessee Valley Authority (dominio público).

    Atribuciones

    Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes: