4.1: Combustibles Fósiles y Productos de Combustión

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Elementos de combustible fósil

Los combustibles fósiles son hidrocarburos compuestos principalmente por los siguientes elementos: carbono e hidrógeno y algo de azufre, nitrógeno, oxígeno y materia mineral. La materia mineral se convierte en ceniza cuando se quema.

La composición y las cantidades de estos elementos cambian para diferentes combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), pero los elementos son los mismos, como se muestra en la Figura 4.1.1. Por ejemplo, hay más hidrógeno en los combustibles líquidos que en el carbón por unidad de masa.

Figura 4.1.1. Composición de combustibles fósiles

La combustión es una rápida oxidación de los elementos del combustible fósil que resulta en la generación de calor. Cuando estos elementos se oxidan (o se combinan con oxígeno), se forman productos de combustión.

Productos de Combustión

Es posible que parte del combustible (hidrocarburo) no se queme completamente durante la combustión y, por lo tanto, se libera a la atmósfera junto con los productos. Los productos que se forman durante la combustión de combustibles fósiles se muestran en la Figura 4.1.2.

Figura 4.1.2. Productos formados durante la combustión de combustibles fósiles

Ahora veremos seis productos de combustión:

Dióxido de Carbono
Monóxido de Carbono
Dióxido de azufre
Óxidos de nitrógeno
Plomo
Materia particulada

Dióxido de carbono (CO ₂)

El dióxido de carbono es el principal producto de la combustión de combustibles fósiles ya que el carbono representa entre el 60 y el 90 por ciento de la masa de combustibles que quemamos.

China se ha convertido en el mayor emisor único de emisiones de CO ₂ relacionadas con la energía, alcanzando un máximo histórico de 8320 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono en 2010. Estados Unidos emitió alrededor de 5610 millones de toneladas métricas en 2010. La Figura 4.1.3 muestra la tendencia de las emisiones de dióxido de carbono a partir de 1980. Para Asia y Oceanía, y particularmente para China e India, se puede ver que las emisiones han aumentado significativamente en las últimas dos décadas.

Figura 4.1.3. Gráfico de las tendencias de emisión de CO ₂

Cada uno de los sectores finales (usuarios) y su contribución (%) a las emisiones globales de CO ₂ se muestra en el Cuadro 4.1.1.

Cuadro 4.1.1. Emisiones de CO ₂ relacionadas con la energía (millones de toneladas métricas) por fuente y sector para Estados Unidos en 2011

Fuentes	Residencial	Comercial	Industrial	Transportación	Energía Eléctrica	Total de la fuente
Carbón	1	5	151	0	1,718	1,874
Gas natural	256	171	419	39	411	1,296
Petróleo	78	49	345	1,802	25	2,299
Otros					11	11
Electricidad	827	767	567	4
Total del sector	1,162	992	1,482	1,845	2,166	5,481

Crédito: Administración de Información Energética de Estados Unidos

Información Adicional

En 2010, 41.9% de las emisiones de combustibles fósiles de Estados Unidos provinieron del consumo de productos derivados del petróleo, y el uso de carbón representó 35.4% de las emisiones de CO ₂ de combustibles fósiles estadounidenses. Alrededor del 22.5% de las emisiones de CO ₂ fueron resultado del uso de gas natural.

Monóxido de Carbono (CO)

El monóxido de carbono, o CO, es un gas incoloro e inodoro que se forma cuando el carbono en el combustible no se quema completamente. La Figura 4.1.4 muestra la contribución de diversas fuentes a las emisiones de CO.

Figura 4.1.4. Fuentes de emisiones de CO

El monóxido de carbono es un componente del escape de los vehículos de motor, que aporta alrededor del 55 por ciento de todas las emisiones de CO en todo Otros motores y vehículos no de carretera (como equipos de construcción y embarcaciones) aportan alrededor del 22 por ciento de todas las emisiones de CO a nivel nacional. Los niveles más altos de CO generalmente ocurren en áreas con fuerte congestión de tráfico. En las ciudades, entre el 85 y el 95 por ciento de todas las emisiones de CO pueden provenir del escape de los vehículos

Otras fuentes de emisiones de CO incluyen procesos industriales (como procesamiento de metales y fabricación química), quema de madera residencial, así como fuentes naturales como incendios forestales. Estufas de leña, estufas de gas, humo de cigarrillo y calentadores de gas y queroseno sin ventilación son fuentes de CO en interiores.

Los niveles más altos de CO en el aire exterior suelen ocurrir durante los meses más fríos del año cuando las condiciones de inversión son más frecuentes. Una inversión es una condición atmosférica que ocurre cuando los contaminantes del aire quedan atrapados cerca del suelo debajo de una capa de aire caliente.

Dióxido de Azufre (SO ₂)

El dióxido de azufre, o SO ₂, pertenece a la familia de los gases de óxido de azufre (SO _x). Estos gases se disuelven fácilmente en el agua. El azufre es prevalente en todas las materias primas, incluyendo petróleo crudo, carbón y minerales que contienen metales comunes, como aluminio, cobre, zinc, plomo y hierro.

Los gases SO _x se forman cuando se quema combustible que contiene azufre, como carbón y petróleo, y cuando se extrae gasolina del petróleo, o se extraen metales del mineral. En la Figura 4.1.5 se muestra una distribución de las emisiones. SO ₂ se disuelve en vapor de agua para formar ácido e interactúa con otros gases y partículas en el aire para formar sulfatos y otros productos que pueden ser dañinos para las personas y su medio ambiente.

Figura 4.1.5. Fuentes de emisiones de SO ₂

Óxidos de nitrógeno (NO _x)

Óxidos de nitrógeno, o NO _x, es el término genérico para un grupo de gases altamente reactivos, todos los cuales contienen nitrógeno y oxígeno en cantidades variables. Muchos de los óxidos de nitrógeno son incoloros e inodoros.

Los óxidos de nitrógeno se forman cuando el combustible se quema a altas temperaturas, como en un proceso de combustión. Las fuentes primarias de NO _x son vehículos de motor, servicios eléctricos y otras fuentes industriales, comerciales y residenciales que queman combustibles como se muestra en la Figura 4.1.6.

Figura 4.1.6. Fuentes de NO _x emisiones

Aunque muchos de los óxidos de nitrógeno son incoloros e inodoros, un contaminante común, el dióxido de nitrógeno (NO ₂) junto con las partículas en el aire, a menudo pueden verse como una capa de color marrón rojizo en muchas áreas urbanas, como se muestra en la Figura 4.1.7.

Figura 4.1.7. Smog sobre Los Ángeles

Plomo (Pb)

Las principales fuentes de emisiones de plomo han sido históricamente los vehículos de motor (como automóviles y camiones) y las fuentes industriales.

Debido a la eliminación gradual de la gasolina con plomo, el procesamiento de metales es la principal fuente de emisiones de plomo al aire hoy en día. Los niveles más altos de plomo en el aire generalmente se encuentran cerca de las fundiciones de plomo (dispositivos que procesan minerales de plomo). Otras fuentes estacionarias son incineradores de desechos, servicios públicos y fabricantes de baterías de plomo-ácido. La Figura 4.1.8 muestra numerosas cajas de plomo.

Figura 4.1.8. El plomo es un metal que se encuentra naturalmente en el medio ambiente, así como en los productos manufacturados

Dato divertido

El plomo se utiliza en la fabricación de muchos artículos, incluyendo vidrio, caucho, pintura, baterías, insecticidas, plomería y blindaje protector para rayos X.

Materia particulada (PM)

La materia particulada (PM) es el término general utilizado para describir una mezcla de partículas sólidas y gotitas líquidas que se encuentran en el aire. Algunas partículas son lo suficientemente grandes como para ser vistas como polvo o suciedad. Otros son tan pequeños que solo se pueden detectar con un microscopio electrónico.

Los diferentes tamaños de partículas incluyen:

PM 2.5 describe las partículas “finas” que son menores o iguales a 2.5 µm (micro metro) de diámetro.
Las partículas de “fracción gruesa” son mayores de 2.5 µm, pero menores o iguales a 10 µm de diámetro.
PM 10 se refiere a todas las partículas menores o iguales a 10 µm de diámetro (aproximadamente una séptima parte del diámetro de un cabello humano). El PM puede emitirse directamente o formarse en la atmósfera.

Las diferentes fuentes de partículas incluyen:

Las partículas “primarias" se forman a partir de fuentes de combustión y se emiten directamente a la atmósfera. Ejemplos de partículas primarias son el polvo de las carreteras o el carbón negro (hollín).
Las partículas “secundarias" se forman en la atmósfera a partir de emisiones gaseosas primarias. Ejemplos de partículas secundarias son sulfatos formados a partir de emisiones de SO ₂ de plantas de energía e instalaciones industriales; nitratos formados a partir de emisiones de NO _x de centrales eléctricas, automóviles y otras fuentes de combustión; y carbono formado a partir de emisiones de gases orgánicos de automóviles y instalaciones industriales.

Información Adicional

La composición química del PM depende de la ubicación, época del año y clima. Generalmente, las partículas primarias constituyen PM gruesa y las partículas secundarias constituyen la mayor parte de PM fina.

Efectos sobre la salud y el medio ambiente de contaminantes primarios

Los contaminantes que se emiten directamente de un proceso de combustión —o los productos de la combustión— se denominan “contaminantes primarios”. Acabamos de describir estos productos antes en la lección, ahora veremos su impacto en el medio ambiente y la salud humana.