12.6: Carbón

El carbón (del término inglés antiguo col, que ha significado “mineral de carbono fosilizado” desde el siglo XIII) es una roca sedimentaria combustible negra o pardusca negra que suele ocurrir en estratos rocosos en capas o vetas llamadas lechos de carbón o vetas de carbón. Las formas más duras, como el carbón antracita, pueden considerarse como rocas metamórficas debido a su posterior exposición a temperaturas y presiones elevadas. El carbón está compuesto principalmente por carbono junto con cantidades variables de otros elementos, principalmente hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno.

Figura 1. Carbón bituminoso

A lo largo de la historia, el carbón ha sido utilizado como recurso energético, principalmente quemado para la producción de electricidad y/o calor, y también se utiliza para fines industriales, como refinar metales. Un combustible fósil, el carbón se forma cuando la materia vegetal muerta se convierte en turba, que a su vez se convierte en lignito, luego carbón subbituminoso, después de ese carbón bituminoso, y por último antracita. Esto implica procesos biológicos y geológicos que tienen lugar a lo largo de un largo período. La Administración de Información Energética de Estados Unidos estima las reservas de carbón en 948×10 ⁹ toneladas cortas (860 Gt). Una estimación de recursos es de 18 000 Gt.

El carbón es la mayor fuente de energía para la generación de electricidad a nivel mundial, así como una de las mayores fuentes antropogénicas mundiales de emisiones de dióxido de carbono. En 1999, las emisiones brutas mundiales de dióxido de carbono por el uso de carbón fueron de 8,666 millones de toneladas de dióxido de carbono. En 2011, las emisiones brutas mundiales por el uso de carbón fueron de 14,416 millones de toneladas. La generación de energía eléctrica a carbón emite alrededor de 2,000 libras de dióxido de carbono por cada megavatio-hora generado, lo que es casi el doble de aproximadamente 1100 libras de dióxido de carbono que libera una planta eléctrica de gas natural por megavatio-hora generada. Debido a esta mayor eficiencia de carbono de la generación de gas natural, ya que el mercado en Estados Unidos ha cambiado para reducir el carbón y aumentar la generación de gas natural, las emisiones de dióxido de carbono han caído. Los medidos en el primer trimestre de 2012 fueron los más bajos de todos los registrados para el primer trimestre de cualquier año desde 1992 En 2013, el jefe de la agencia climática de la ONU advirtió que la mayoría de las reservas mundiales de carbón deben dejarse en el suelo para evitar un calentamiento global catastrófico.

El carbón se extrae del suelo mediante la minería del carbón, ya sea bajo tierra por minería de pozos, o a nivel del suelo mediante extracción minera a cielo abierto. Desde 1983 el principal productor mundial de carbón ha sido China. En 2011 China produjo 3,520 millones de toneladas de carbón, 49.5% de 7,695 millones de toneladas de producción mundial de carbón. En 2011 otros grandes productores fueron Estados Unidos (993 millones de toneladas), India (589), Unión Europea (576) y Australia (416). En 2010 los mayores exportadores fueron Australia con 328 millones de toneladas (27.1% de la exportación mundial de carbón) e Indonesia con 316 millones de toneladas (26.1%), mientras que los mayores importadores fueron Japón con 207 millones de toneladas (17.5% de la importación mundial de carbón), China con 195 millones de toneladas (16.6%) y Corea del Sur con 126 millones toneladas (10.7%).

FORMACIÓN

En diversas épocas del pasado geológico, la Tierra tenía bosques densos en áreas de humedales bajos. Debido a procesos naturales como las inundaciones, estos bosques fueron enterrados debajo del suelo. A medida que más y más suelo se depositaba sobre ellos, se comprimieron. La temperatura también subió a medida que se hundieron cada vez más. A medida que continuaba el proceso, la materia vegetal estaba protegida de la biodegradación y oxidación, generalmente por lodo o agua ácida. Esto atrapó el carbono en inmensas turberas que finalmente fueron cubiertas y profundamente enterradas por sedimentos. Bajo alta presión y alta temperatura, la vegetación muerta se convirtió lentamente en carbón. Como el carbón contiene principalmente carbono, la conversión de la vegetación muerta en carbón se llama carbonización.

Figura 2. Exposición costera de la costura Point Aconi (Nueva Escocia)

Los mares anchos y poco profundos del Período Carbonífero proporcionaron condiciones ideales para la formación de carbón, aunque el carbón es conocido de la mayoría de los períodos geológicos. La excepción es la brecha de carbón en el evento de extinción Pérmico-Triásico, donde el carbón es raro. El carbón se conoce de los estratos precámbricos, que son anteriores a las plantas terrestres; se presume que este carbón se originó a partir de residuos de algas.

CLASIFICA

A medida que los procesos geológicos aplican presión al material biótico muerto a lo largo del tiempo, en condiciones adecuadas, su grado metamórfico aumenta sucesivamente en:

• La turba, considerada precursora del carbón, tiene importancia industrial como combustible en algunas regiones, por ejemplo, Irlanda y Finlandia. En su forma deshidratada, la turba es un absorbente altamente efectivo para derrames de combustible y petróleo en tierra y agua. También se utiliza como acondicionador para el suelo para que sea más capaz de retener y liberar lentamente el agua.
• El lignito, o lignito, es el rango más bajo de carbón y se utiliza casi exclusivamente como combustible para la generación de energía eléctrica. El azabache, una forma compacta de lignito, a veces se pule y se ha utilizado como piedra ornamental desde el Paleolítico Superior.
• El carbón subbituminoso, cuyas propiedades van desde las del lignito hasta las del carbón bituminoso, se utiliza principalmente como combustible para la generación de energía eléctrica a vapor y es una fuente importante de hidrocarburos aromáticos ligeros para la industria de síntesis química.
• El carbón bituminoso es una roca sedimentaria densa, generalmente negra, pero a veces marrón oscuro, a menudo con bandas bien definidas de material brillante y opaco; se utiliza principalmente como combustible en la generación de energía eléctrica de vapor, con cantidades sustanciales utilizadas para aplicaciones de calor y energía en la fabricación y para hacer coque.
• El “carbón de vapor” es un grado entre el carbón bituminoso y la antracita, una vez ampliamente utilizado como combustible para locomotoras de vapor. En este uso especializado, a veces se le conoce como “carbón de mar” en Estados Unidos. Se utilizó carbón de vapor pequeño (nueces de vapor pequeñas secas o DSSN) como combustible para el calentamiento de agua doméstica.
• La antracita, el rango más alto de carbón, es un carbón negro más duro y brillante que se utiliza principalmente para la calefacción de espacios residenciales y comerciales. Se puede dividir aún más en carbón bituminoso metamorfo alterado y “petróleo petrificado”, a partir de los yacimientos en Pensilvania.
• El grafito, técnicamente el rango más alto, es difícil de encender y no se usa comúnmente como combustible, se usa principalmente en lápices y, cuando se pulveriza, como lubricante.

La clasificación del carbón generalmente se basa en el contenido de volátiles. Sin embargo, la clasificación exacta varía entre países. Según la clasificación alemana, el carbón se clasifica de la siguiente manera:

Clasificación Alemana	Denominación Inglesa	% Volátiles%	C Carbono%	H Hidrógeno%	O Oxígeno%	S Azufre%	Contenido de calor kJ/kg
Braunkohle	Lignito (lignito)	45—65	60—75	6.0—5.8	34-17	0.5-3	<28,470
Flammkohle	Carbón de llama	40-45	75-82	6.0-5.8	>9.8	~1	<32,870
Gasflammkohle	Carbón de llama de gas	35-40	82-85	5.8-5.6	9.8-7.3	~1	<33,910
Gaskohle	Carbón de gas	28-35	85-87.5	5.6-5.0	7.3-4.5	~1	<34,960
Fettkohle	Carbón Grasa	19-28	87.5-89.5	5.0-4.5	4.5-3.2	~1	<35,380
Esskohle	Forja de carbón	14-19	89.5-90.5	4.5-4.0	3.2-2.8	~1	<35,380
Magerkohle	Carbón sin hornear	10-14	90.5-91.5	4.0-3.75	2.8-3.5	~1	35,380
Antracita	Antracita	7-12	>91.5	<3.75	<2.5	~1	<35,300
Tenga en cuenta que los porcentajes son por ciento en masa de los elementos indicados

Los seis grados medios de la tabla representan una transición progresiva del carbón subbituminoso en inglés al carbón bituminoso, mientras que la última clase es un equivalente aproximado a la antracita, pero más inclusiva (la antracita estadounidense tiene < 6% de volátiles).

El carbón de cannel (a veces llamado “carbón de vela”) es una variedad de carbón de grano fino de alto rango con un contenido significativo de hidrógeno. Consiste principalmente en macerales “exinitos”, ahora denominados “liptinita”.

Ley de Hilt

La ley de Hilt es un término geológico que establece que, en un área pequeña, cuanto más profundo es el carbón, mayor es su rango (grado). La ley es cierta si el gradiente térmico es completamente vertical, pero el metamorfismo puede provocar cambios laterales de rango, independientemente de la profundidad.

CONTENIDO

Contenido promedio

Sustancia	Contenido
Mercurio (Hg)	0.10±0.01 ppm
Arsénico (As)	1.4 — 71 ppm
Selenio (Se)	3 ppm

UTILIZA HOY

Carbón como combustible

El carbón se utiliza principalmente como combustible sólido para producir electricidad y calor a través de la combustión. El consumo mundial de carbón fue de alrededor de 7.250 millones de toneladas en 2010 (7.99 mil millones de toneladas cortas) y se espera que aumente 48% a 9.05 mil millones de toneladas (9.98 mil millones de toneladas cortas) para 2030. China produjo 3.47 mil millones de toneladas (3.83 mil millones de toneladas cortas) en 2011. India produjo alrededor de 578 millones de toneladas (637,1 millones de toneladas cortas) en 2011. El 68.7% de la electricidad de China proviene del carbón. Estados Unidos consumió alrededor del 13% del total mundial en 2010, es decir, 951 millones de toneladas (1.05 mil millones de toneladas cortas), utilizando 93% de ella para la generación de electricidad. El 46% de la energía total generada en Estados Unidos se realizó utilizando carbón.

Figura 3. Planta de energía Castle Gate cerca de Helper, Utah, Estados Unidos

Cuando el carbón se utiliza para la generación de electricidad, generalmente se pulveriza y luego se quema (quema) en un horno con caldera. El calor del horno convierte el agua de la caldera en vapor, que luego se usa para hacer girar turbinas que hacen girar los generadores y crear electricidad. La eficiencia termodinámica de este proceso se ha mejorado con el tiempo; algunas centrales eléctricas de carbón más antiguas tienen eficiencias térmicas cercanas al 25%, mientras que las turbinas de ciclo de vapor supercríticas y “ultra-supercríticas” más nuevas, que operan a temperaturas superiores a 600 °C y presiones superiores a 27 MPa (más 3900 psi), prácticamente puede lograr eficiencias térmicas superiores al 45% (base LHV) usando combustible antracita, o alrededor del 43% (base LHV) incluso cuando se usa combustible de lignito de grado inferior. También se pueden lograr mejoras adicionales en la eficiencia térmica mediante el secado previo mejorado (especialmente relevante con combustibles de alta humedad como el lignito o la biomasa) y tecnologías de enfriamiento.

Figura 4. Carriles de carbón

Un enfoque alternativo de uso del carbón para la generación de electricidad con mayor eficiencia es la central eléctrica de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC). En lugar de pulverizar el carbón y quemarlo directamente como combustible en la caldera generadora de vapor, el carbón se puede gasificar primero (ver gasificación de carbón) para crear gas de síntesis, que se quema en una turbina de gas para producir electricidad (al igual que el gas natural se quema en una turbina). Los gases de escape calientes de la turbina se utilizan para elevar el vapor en un generador de vapor de recuperación de calor que alimenta una turbina de vapor suplementaria. Las eficiencias térmicas de las centrales eléctricas actuales de IGCC oscilan entre 39-42% (base HHV) o ~ 42-45% (base LHV) para carbón bituminoso y suponiendo la utilización de tecnologías de gasificación convencionales (Shell, GE Gasifier, CB&I). Las centrales eléctricas IGCC superan a las plantas convencionales de carbón pulverizado en términos de emisiones contaminantes y permiten una captura de carbono relativamente fácil.

Al menos el 40% de la electricidad mundial proviene del carbón, y en 2012, alrededor de un tercio de la electricidad de Estados Unidos provino del carbón, por debajo de aproximadamente 49% en 2008. A partir de 2012 en Estados Unidos, el uso del carbón para generar electricidad estaba disminuyendo, ya que el suministro abundante de gas natural obtenido por la fracturación hidráulica de formaciones de esquisto apretado se hizo disponible a precios bajos.

En Dinamarca, se ha obtenido una eficiencia eléctrica neta de > 47% en la planta de cogeneración de carbón Nordjyllandsværket y una eficiencia general de la planta de hasta 91% con cogeneración de electricidad y calefacción urbana. La planta de cogeneración Avedøreværket de combustión múltiple a las afueras de Copenhague puede lograr una eficiencia eléctrica neta de hasta 49%. La eficiencia general de la planta con cogeneración de electricidad y calefacción urbana puede llegar hasta el 94%.

Una forma alternativa de combustión de carbón es como combustible de lodo de carbón-agua (CWS), el cual fue desarrollado en la Unión Soviética. CWS reduce significativamente las emisiones, mejorando el valor calorífico del carbón. Otras formas de usar el carbón son la cogeneración combinada de calor y energía y un ciclo de cobertura MHD.

El total de depósitos conocidos recuperables por las tecnologías actuales, incluyendo tipos de carbón altamente contaminantes y de bajo contenido energético (es decir, lignito, bituminoso), es suficiente por muchos años. Sin embargo, el consumo va en aumento y la producción máxima podría alcanzarse en décadas (ver las reservas mundiales de carbón, a continuación). Por otro lado, puede que haya que dejar mucho en el suelo para evitar el cambio climático.

Carbón de Coquización y Uso de Coca Cola

Figura 5. Horno de coque en una planta de combustible sin humo en Gales, Reino Unido

El coque es un residuo carbonoso sólido derivado del carbón bituminoso bajo en cenizas y bajo contenido de azufre del cual los componentes volátiles son expulsados horneando en un horno sin oxígeno a temperaturas tan altas como 1,000 °C (1,832 °F), por lo que el carbono fijo y la ceniza residual se funden entre sí. El coque metalúrgico se utiliza como combustible y como agente reductor en la fundición de mineral de hierro en un alto horno. El resultado es arrabio, y es demasiado rico en carbono disuelto, por lo que debe tratarse más para fabricar acero. El carbón de coquización debe ser bajo en azufre y fósforo, por lo que no migran al metal. Con base en el porcentaje de cenizas, el carbón de coquización se puede dividir en varios grados. Estas calificaciones son:

• Acero Grad—I (No superior al 15%)
• Acero Grado—II (Superior al 15% pero no superior al 18%)
• Grado de lavado: I (superior al 18% pero no superior al 21%)
• Grado de lavado II (superior al 21% pero no superior al 24%)
• Lavado grado III (superior al 24% pero inferior o igual al 28%)
• Lavado Grado IV (Superior al 28% pero no superior al 35%)

El coque debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir el peso de la sobrecarga en el alto horno, razón por la cual el carbón de coquización es tan importante en la fabricación de acero utilizando la ruta convencional. Sin embargo, la ruta alternativa es el hierro reducido directo, donde cualquier combustible carbonoso puede ser utilizado para hacer hierro esponjoso o peletizado. El coque del carbón es gris, duro y poroso y tiene un valor calorífico de 24.8 millones de BTU/tonelada (29.6 MJ/kg). Algunos procesos de elaboración de coque producen subproductos valiosos, como el alquitrán de hulla, el amoníaco, los aceites ligeros y el gas de carbón.

El coque de petróleo es el residuo sólido obtenido en la refinación de petróleo, que se asemeja al coque, pero contiene demasiadas impurezas para ser útil en aplicaciones metalúrgicas.

Gasificación

La gasificación de carbón se puede utilizar para producir gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H ₂) gas. A menudo, el gas de síntesis se utiliza para disparar turbinas de gas para producir electricidad, pero la versatilidad del gas de síntesis también permite que se convierta en combustibles de transporte, como gasolina y diesel, a través del proceso Fischer-Tropsch; alternativamente, el gas de síntesis se puede convertir en metanol, que se puede mezclar en combustible directamente o convertido a gasolina a través del proceso de metanol a gasolina. ^[59] La gasificación combinada con la tecnología Fischer-Tropsch es utilizada actualmente por la compañía química Sasol de Sudáfrica para fabricar combustibles para vehículos de motor a partir de carbón y gas natural. Alternativamente, el hidrógeno obtenido de la gasificación se puede usar para diversos fines, tales como impulsar la economía de hidrógeno, hacer amoníaco o mejorar los combustibles fósiles.

Durante la gasificación, el carbón se mezcla con oxígeno y vapor a la vez que se calienta y presuriza. Durante la reacción, las moléculas de oxígeno y agua oxidan el carbón en monóxido de carbono (CO), al tiempo que liberan gas hidrógeno (H ₂). Este proceso se ha llevado a cabo tanto en minas subterráneas de carbón como en la producción de gas municipal.

C (como Carbón) + O ₂ + H ₂ O → H ₂ + CO

Si el refinador quiere producir gasolina, el gas de síntesis se recoge en este estado y se dirige a una reacción de Fischer-Tropsch. Sin embargo, si el hidrógeno es el producto final deseado, el gas de síntesis se alimenta a la reacción de desplazamiento de gas de agua, donde se libera más hidrógeno.

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂

En el pasado, el carbón se convertía para hacer gas de carbón (gas de la ciudad), que se canalizaba a los clientes para quemarlo para iluminar, calentar y cocinar.

Licuefacción

El carbón también se puede convertir en combustibles sintéticos equivalentes a la gasolina o al diesel mediante varios procesos directos diferentes (que no requieren intrínsecamente gasificación o conversión indirecta). En los procesos de licuefacción directa, el carbón es hidrogenado o carbonizado. Los procesos de hidrogenación son el proceso Bergius, los procesos SRC-I y SRC-II (Solvente Refined Coal), el proceso de hidrogenación NUS Corporation y varios otros procesos de una sola etapa y dos etapas. En el proceso de carbonización a baja temperatura, el carbón se coquiza a temperaturas entre 360 y 750 °C (680 y 1,380 °F). Estas temperaturas optimizan la producción de alquitrán de carbón más ricos en hidrocarburos más ligeros que el alquitrán de hulla normal El alquitrán de hulla se procesa posteriormente en combustibles. Se dispone de una visión general de la licuefacción del carbón y su potencial futuro.

Los métodos de licuefacción del carbón implican emisiones de dióxido de carbono (CO ₂) en el proceso de conversión. Si la licuefacción del carbón se realiza sin emplear tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CCS) o mezcla de biomasa, el resultado son huellas de gases de efecto invernadero del ciclo de vida que generalmente son mayores que las liberadas en la extracción y refinamiento de la producción de combustible líquido a partir del petróleo crudo. Si se emplean tecnologías de CCS, se pueden lograr reducciones de 5— 12% en plantas de Carbón a Líquido (CTL) y se puede lograr una reducción de hasta 75% al cogasificar carbón con niveles comercialmente demostrados de biomasa (30% de biomasa en peso) en plantas de carbón/biomasa a líquidos. Para futuros proyectos de combustibles sintéticos, se propone el secuestro de dióxido de carbono para evitar la liberación de CO ₂ a la atmósfera. El secuestro se suma al costo de producción.

Carbón Refinado

El carbón refinado es el producto de una tecnología de mejora del carbón que elimina la humedad y ciertos contaminantes de los carbones de rango inferior, como los carbones subbituminosos y de lignito (marrón). Es una forma de varios tratamientos y procesos de precombustión para el carbón que alteran las características del carbón antes de ser quemado. Los objetivos de las tecnologías de precombustión del carbón son aumentar la eficiencia y reducir las emisiones cuando se quema el carbón. Dependiendo de la situación, la tecnología de precombustión se puede utilizar en lugar o como complemento de las tecnologías de postcombustión para controlar las emisiones de las calderas alimentadas con carbón.

Procesos Industriales

El carbón bituminoso finamente molido, conocido en esta aplicación como carbón de mar, es un constituyente de la arena de fundición. Mientras el metal fundido está en el molde, el carbón se quema lentamente, liberando gases reductores a presión, evitando así que el metal penetre en los poros de la arena. También está contenido en “lavado de moldes”, una pasta o líquido con la misma función aplicada al molde antes de colar. El carbón marino se puede mezclar con el revestimiento de arcilla (el “cuerpo”) utilizado para el fondo de un horno de cúpula. Cuando se calienta, el carbón se descompone y el cuerpo se vuelve ligeramente friable, lo que facilita el proceso de romper agujeros abiertos para perforar el metal fundido.

Producción de Productos Químicos

El carbón es una materia prima importante en la producción de una amplia gama de fertilizantes químicos y otros productos químicos. La ruta principal hacia estos productos es la gasificación de carbón para producir gas de síntesis. Los químicos primarios que se producen directamente a partir del gas de síntesis incluyen metanol, hidrógeno y monóxido de carbono, que son los bloques de construcción químicos a partir de los cuales se fabrica todo un espectro de productos químicos derivados, incluyendo olefinas, ácido acético, formaldehído, amoníaco, urea y otros. La versatilidad del gas de síntesis como precursor de productos químicos primarios y derivados de alto valor ofrece la opción de usar carbón relativamente económico para producir una amplia gama de productos valiosos.

Históricamente, la producción de productos químicos a partir del carbón se ha utilizado desde la década de 1950 y se ha establecido en el mercado. De acuerdo con la Base de Datos Mundial de Gasificación 2010, una encuesta de gasificadores actuales y planeados, de 2004 a 2007 la producción química incrementó su participación de productos de gasificación de 37% a 45%. De 2008 a 2010, 22% de las nuevas adiciones de gasificadores fueron para la producción química.

Debido a que la pizarra de productos químicos que se puede hacer a través de la gasificación de carbón en general también puede usar materias primas derivadas del gas natural y el petróleo, la industria química tiende a usar cualquier materia prima que sea más rentable. Por lo tanto, el interés por el uso del carbón tiende a aumentar por los precios más altos del petróleo y del gas natural y durante periodos de alto crecimiento económico global que pueden tensar la producción de petróleo y gas. Además, la producción de productos químicos a partir del carbón es de mucho mayor interés en países como Sudáfrica, China, India y Estados Unidos donde hay abundantes recursos de carbón. La abundancia de carbón combinada con la falta de recursos de gas natural en China es un fuerte incentivo para la industria del carbón a los productos químicos que allí se persigue. En Estados Unidos, el mejor ejemplo de la industria es Eastman Chemical Company, que ha estado operando con éxito una planta de carbón a químicos en su sitio Kingsport, Tennessee, desde 1983. De manera similar, Sasol ha construido y operado instalaciones de carbón a químicos en Sudáfrica.

Los procesos de carbón a químicos requieren cantidades sustanciales de agua. A partir de 2013 gran parte de la producción de carbón a químicos se encontraba en la República Popular China donde la regulación ambiental y la gestión del agua era débil.

CARBÓN COMO MERCANCÍA COMERCIALIZADA

En Norteamérica, los contratos de futuros de carbón de los Apalaches Centrales se negocian actualmente en la Bolsa Mercantil de Nueva York (símbolo comercial QL). La unidad de negociación es de 1,550 toneladas cortas (1,410 t) por contrato, y se cotiza en dólares estadounidenses y centavos por tonelada. Dado que el carbón es el principal combustible para generar electricidad en Estados Unidos, los contratos de futuros de carbón proporcionan a los productores de carbón y a la industria de energía eléctrica una herramienta importante para la cobertura y la gestión de riesgos.

Además del contrato NYMEX, el InterContinentalExchange (ICE) tiene futuros de carbón europeos (Rotterdam) y sudafricanos (Richards Bay) disponibles para el comercio. La unidad de negociación para estos contratos es de 5 mil toneladas (5 mil 500 toneladas cortas), y también se cotizan en dólares estadounidenses y centavos por tonelada.

El precio del carbón aumentó de alrededor de $30.00 por tonelada corta en 2000 a alrededor de $150.00 por tonelada corta a septiembre de 2008. A octubre de 2008, el precio por tonelada corta había descendido a 111.50 dólares. Los precios disminuyeron aún más a $71.25 a octubre de 2010. A principios de 2015, se cotizaba cerca de 56 dólares por tonelada.

EFECTOS AMBIENTALES

Existen varios efectos adversos para la salud y el medio ambiente de la quema de carbón, especialmente en las centrales eléctricas, y de la minería del carbón, entre ellos:

• Las centrales eléctricas de carbón causan casi 24,000 muertes prematuras anualmente en Estados Unidos, incluyendo 2,800 por cáncer de pulmón. Los costos anuales de salud en Europa por el uso del carbón para generar electricidad son de 42.8 mil millones de euros, o 55 mil millones de dólares.
• Generación de cientos de millones de toneladas de productos de desecho, incluyendo cenizas volantes, cenizas de fondo y lodos de desulfuración de gases de combustión, que contienen mercurio, uranio, torio, arsénico y otros metales pesados
• Lluvia ácida del carbón con alto contenido de azufre
• Interferencia con niveles de agua subterránea y nivel freático debido a la minería
• Contaminación de tierras y vías fluviales y destrucción de hogares por derrames de cenizas volantes, como el derrame de lodo de cenizas volantes de carbón de Kingston Fossil Plant
• Impacto del uso del agua en los caudales de los ríos e impacto consecuente en otros usos del suelo
• Molestia por polvo
• Subsidencia sobre túneles, a veces dañando la infraestructura
• Incontrolable fuego de veta de carbón que puede arder durante décadas o siglos
• Las centrales eléctricas de carbón sin sistemas efectivos de captura de cenizas volantes son una de las mayores fuentes de exposición a la radiación de fondo causada por el ser humano.
• Las centrales eléctricas de carbón emiten mercurio, selenio y arsénico, que son perjudiciales para la salud humana y el medio ambiente.
• La liberación de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, provoca el cambio climático y el calentamiento global, según el IPCC y la EPA. El carbón es el mayor contribuyente al aumento de CO ₂ hecho por el ser humano en la atmósfera.
• Aproximadamente 75 Tg/S por año de dióxido de azufre (SO ₂) se libera de la quema de carbón. Después de su liberación, el dióxido de azufre se oxida a H ₂ SO ₂ gaseoso que dispersa la radiación solar, de ahí que su incremento en la atmósfera ejerce un efecto refrescante sobre el clima que enmascara parte del calentamiento causado por el aumento de los gases de efecto invernadero. La liberación de SO ₂ también contribuye a la acidificación generalizada de los ecosistemas.

BIORREMEDIACIÓN

El hongo de podredumbre blanca Trametes versicolor puede crecer y metabolizar el carbón natural. Se ha encontrado que la bacteria Diplococcus degrada el carbón, elevando su temperatura.

DENSIDAD ENERGÉTICA E IMPACTO DE CARBONO

La densidad energética del carbón, es decir, su valor calorífico, es de aproximadamente 24 megajulios por kilogramo (aproximadamente 6.7 kilovatios-hora por kg). Para una planta de energía de carbón con una eficiencia del 40%, se necesita un estimado de 325 kg (717 lb) de carbón para alimentar una bombilla de 100 W durante un año.

A partir de 2006, la eficiencia promedio de las centrales eléctricas generadoras de electricidad era de 31%; en 2002, el carbón representaba cerca de 23% del suministro total de energía global, un equivalente a 3.4 mil millones de toneladas de carbón, de las cuales 2.8 mil millones de toneladas se utilizaron para la generación de electricidad.

El informe de 1999 de la Agencia de Información Energética de Estados Unidos sobre las emisiones de CO ₂ para la generación de energía cita un factor de emisión de 0.963 kg CO ₂ /kWh para la energía del carbón, en comparación con 0.881 kg CO ₂ /kWh (petróleo), o 0.569 kg CO ₂ /kWh (gas natural).

INCENDIOS SUBTERRÁNEOS

Miles de incendios de carbón están ardiendo en todo el mundo. Aquellos que se queman bajo tierra pueden ser difíciles de localizar y muchos no se pueden extinguir. Los incendios pueden hacer que el suelo de arriba disminuya, sus gases de combustión son peligrosos para la vida, y salir a la superficie puede iniciar incendios forestales en la superficie. Las vetas de carbón se pueden prender fuego por combustión espontánea o contacto con un incendio de mina o fuego superficial. Los rayos son una fuente importante de ignición. El carbón continúa ardiendo lentamente de nuevo en la costura hasta que el oxígeno (aire) ya no puede alcanzar el frente de la llama. Un incendio de pasto en una zona de carbón puede incendiar docenas de vetas de carbón. Los incendios de carbón en China queman aproximadamente 120 millones de toneladas de carbón al año, emitiendo 360 millones de toneladas métricas de CO ₂, lo que equivale al 2— 3% de la producción mundial anual de CO ₂ a partir de combustibles fósiles. En Centralia, Pensilvania (un municipio ubicado en la Región del Carbón de los Estados Unidos), una veta expuesta de antracita se encendió en 1962 debido a un incendio de basura en el relleno sanitario del municipio, ubicado en una mina abandonada de antracita. Los intentos de extinguir el fuego no tuvieron éxito, y sigue ardiendo bajo tierra hasta el día de hoy. Originalmente se creía que elAustralian Burning Mountain era un volcán, pero el humo y la ceniza provienen de un incendio de carbón que ha estado ardiendo desde hace unos 6.000 años.

En Kuh i Malik en el valle de Yagnob, Tayikistán, los yacimientos de carbón han estado ardiendo durante miles de años, creando vastos laberintos subterráneos llenos de minerales únicos, algunos de ellos muy hermosos. La gente local alguna vez utilizó este método para extraer el amoníaco. Este lugar es bien conocido desde la época de Herodoto, pero los geógrafos europeos malinterpretaron las descripciones del griego antiguo como evidencia del vulcanismo activo en Turquestán (hasta el siglo XIX, cuando el ejército ruso invadió la zona).

La roca de limo rojizo que cubre muchas crestas y colillas en la cuenca del río Powder en Wyoming y en el oeste de Dakota del Norte se llama porcelanita, que se asemeja a los desechos de combustión de carbón “clinker” o “escoria” volcánica. El clinker es una roca que ha sido fundida por la quema natural del carbón. En la cuenca del río Powder se quemaron aproximadamente de 27 a 54 mil millones de toneladas de carbón en los últimos tres millones de años. Los incendios de carbón silvestre en la zona fueron reportados por la Expedición Lewis y Clark, así como por exploradores y colonos de la zona.

TENDENCIAS DE PRODUCCIÓN

En 2006, China fue el principal productor de carbón con 38% de participación seguido por Estados Unidos e India, según el Servicio Geológico Británico. A partir de 2012 la producción de carbón en Estados Unidos estaba cayendo a una tasa de 7% anual con muchas centrales eléctricas que utilizan carbón cerradas o convertidas a gas natural; sin embargo, parte de la menor demanda interna fue absorbida por el aumento de las exportaciones con cinco terminales de exportación de carbón que se propusieron en el noroeste del Pacífico para exportar carbón de la cuenca del río Powder a China y otros mercados asiáticos; sin embargo, a partir de 2013, la oposición ambiental iba en aumento. El carbón de alto contenido de azufre extraído en Illinois, que era invendible en Estados Unidos, encontró un mercado listo en Asia ya que las exportaciones alcanzaron los 13 millones de toneladas en 2012.

Reservas Mundiales de Carbón

Las 948 mil millones de toneladas cortas de reservas de carbón recuperables estimadas por la Administración de Información Energética equivalen a alrededor de 4,196 BBOE (mil millones de barriles equivalentes de petróleo). La cantidad de carbón quemado durante 2007 se estimó en 7.075 mil millones de toneladas cortas, o 133.179 cuatrillones de BTU, lo que representa un promedio de 18.8 millones de BTU por tonelada corta. En términos de contenido de calor, esto es alrededor de 57,000,000 de barriles (9,100,000 m ³) de equivalente de petróleo por día. En comparación en 2007, el gas natural aportó 51,000,000 de barriles (8,100,000 m ³) de equivalente de petróleo por día, mientras que el petróleo aportó 85 mil 800,000 barriles (13 mil 640 mil m ³) diarios.

British Petroleum, en su informe de 2007, estimó al final de 2006 que había 147 años de relación reservas-producción basada en reservas probadas de carbón a nivel mundial. Esta cifra sólo incluye reservas clasificadas como “probadas”; los programas de perforación de exploración de empresas mineras, particularmente en áreas poco exploradas, están proporcionando continuamente nuevas reservas. En muchos casos, las empresas están al tanto de yacimientos de carbón que no han sido suficientemente perforados para calificar como “probados”. Sin embargo, algunas naciones no han actualizado su información y asumen que las reservas permanecen en los mismos niveles incluso con retiros.

Figura 6. Una mina de carbón en Wyoming, Estados Unidos. Estados Unidos tiene las mayores reservas de carbón del mundo.

De los tres combustibles fósiles, el carbón tiene las reservas más ampliamente distribuidas; el carbón se extrae en más de 100 países, y en todos los continentes excepto la Antártida. Las mayores reservas se encuentran en Estados Unidos, Rusia, China, Australia e India.

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