16.2: Minería, Procesamiento y Generación de Electricidad
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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\(\PageIndex{i}\)).
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\(\PageIndex{j}\)).
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\(\PageIndex{k}\)).
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.
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.
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.
Atribuciones
Modificado por Melissa Ha de las siguientes fuentes:
- Fuentes de Energía No Renovables de Biología Ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado bajo CC-BY)
- Los combustibles fósiles y la minería a partir de una introducción a la geología por Chris Johnson et al. (licenciado bajo CC-BY-NC-SA)
- Capítulo 4: Energía no renovable de la introducción a la ciencia ambiental: 2a edición (2018) Libros de texto abiertos de ciencias biológicas de Zehnder, Caralyn; Manoylov, Kalina; Mutiti, Samuel; Mutiti, Christine; VanDevoort, Allison; y Bennett, Donna (licenciado bajo CC-BY-NC-SA) .
- Guía de Estudio de Energía Fósil: Gas Natural. 2014. Departamento de Energía de Estados Unidos. Accedido 01-12-2021.
- Guía de Estudio de Energía Fósil: Petróleo. 2013. Departamento de Energía de Estados Unidos. Accedido 01-12-2021.