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4.3: Carbón

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    El carbón es una roca sedimentaria combustible negra o marrón negra con una alta cantidad de carbono e hidrocarburos. El carbón se clasifica en cuatro tipos principales, o se clasifica dependiendo de los tipos y cantidades de carbono presentes y de la cantidad de energía térmica que pueda producir el carbón, incluyendo antracita, bituminoso, subbituminoso y lignito (de mayor a menor clasificado, representado en la Figura\(\PageIndex{1}\)). Para que podamos utilizar la energía potencial almacenada en el carbón, primero debe extraerse del suelo. Este proceso en sí mismo utiliza una gran cantidad de recursos y tiene sus propios impactos ambientales. El carbón generalmente se somete a procesamiento para que sea adecuado para su uso en centrales eléctricas de carbón. Finalmente, el carbón procesado se quema en estas centrales eléctricas, y la energía cinética liberada de su combustión se aprovecha para la generación de electricidad u otros fines. Investigaremos cada uno de estos pasos individualmente a continuación.

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Diferentes tipos de carbón. Imágenes obtenidas de Wikimedia Commons.

    4.3.1: Minería y Procesamiento del Carbón, y Generación de Electricidad

    Existen dos métodos primarios para la minería del carbón: la minería en tiras y la minería subterránea. La minería en tiras o de superficie utiliza máquinas grandes para eliminar el suelo y las capas de roca conocidas como sobrecarga para exponer las vetas de carbón. Por lo general, se usa cuando el carbón está a menos de 200 pies bajo tierra. La remoción de la cima de la montaña es una forma de minería de superficie donde las cimas de las montañas se explotan con dinamita y se eliminan para acceder a las vetas Una vez terminada la minería, el área perturbada se puede volver a cubrir con capa superior del suelo, y el área es replantada. Sin embargo, la topografía de la montaña está permanentemente alterada.

    La minería subterránea, a veces llamada minería profunda, se utiliza cuando el carbón está varios cientos de pies por debajo de la superficie. 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.

    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.

    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 se transporta, al menos durante parte de su viaje, en tren. 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.

    Una vez en la planta de energía, el carbón se pulveriza primero en un polvo fino, luego se mezcla con aire caliente y se sopla en un horno, permitiendo la combustión más completa y el máximo calor posible. 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. La\(\PageIndex{2}\) siguiente figura es un diagrama esquemático que muestra un diseño típico de una central eléctrica de carbón. También puedes ver un breve video de un recorrido virtual de una planta de energía de carbón en la URL que se proporciona a continuación.

    Video de visita virtual a la central eléctrica de carbón https://www.youtube.com/watch?v=2IKECt4Y3RI

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    Figura\(\PageIndex{2}\): Diagrama de una central eléctrica típica de carbón de ciclo de vapor (de izquierda a derecha). Imagen de US Tennessee Valley Authority — Dominio público. www.tva.com

    4.3.2: Impactos de la minería y quema de carbón

    Impactos de la minería del carbón en el medio ambiente

    La mayor parte del carbón extraído en los Estados Unidos (aproximadamente 66%) proviene de minas superficiales o despojadas que dejan impactos muy visibles en la superficie. Las operaciones mineras en tiras generalmente implican la remoción de suelos, rocas y otros materiales para acceder a depósitos poco profundos de carbón y, por lo tanto, dejar cicatrices permanentes en el paisaje. También implica la destrucción de cantidades sustanciales de bosques y otros ecosistemas, destruyendo hábitats naturales y amenazando la biodiversidad.

    La remoción en la cima de la montaña, la forma extrema de la minería de franjas, ha afectado grandes áreas de los Montes Apalaches en Virginia Occidental y Kentucky. Las cimas de las montañas se retiran utilizando una combinación de explosivos y equipo minero y el material se deposita en valles cercanos. Esta técnica no solo altera el paisaje (Figura\(\PageIndex{3}\)) sino que afecta la salud y calidad de los arroyos cercanos al depositar rocas, suciedad y contaminantes que pueden dañar la vida silvestre acuática. Si bien la minería de remoción en la cima de las montañas existe desde la década de 1970, su uso se hizo más generalizado y polémico a partir de los noventa Las leyes estadounidenses requieren que se controle la escorrentía de polvo y agua de las áreas afectadas por las operaciones mineras de carbón, y que se recupere el área y se vuelva a cerrar a su estado original.

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    Figura\(\PageIndex{3}\): A) Mina de tiras para carbón lignito en Garzweiler cerca de Koln, Alemania. Imagen de Wikimedia commons https://commons.wikimedia.org/wiki/F...strip.mine.jpg B) Retiro de la cima de la montaña en Eunice WV, foto de Roston, obtenida de https://commons.wikimedia.org/wiki/F...niceblast3.JPG

    Uno de los mayores impactos ambientales de la minería subterránea puede ser el gas metano que debe ser ventilado de las minas para hacer de las minas un lugar seguro para trabajar. El metano es un gas de efecto invernadero, lo que significa que mejora el efecto invernadero que se produce naturalmente en nuestra atmósfera y contribuye al calentamiento global y al cambio climático global. Su potencial de calentamiento global, o capacidad relativa para producir el efecto invernadero, es mayor que el del dióxido de carbono (ver capítulo 7). Otros impactos de la minería subterránea incluyen el colapso del suelo sobre los túneles mineros y el drenaje de agua ácida de minas abandonadas hacia arroyos cercanos. El agua ácida disminuye el pH (resultando en un aumento de la acidez), lo que es perjudicial para los organismos acuáticos. Este drenaje ácido de la mina es un impacto ambiental asociado tanto a la minería subterránea como a la minería en tiras.

    Impactos de la quema de carbón en el medio ambiente y la salud humana

    En Estados Unidos y en la mayor parte del mundo, la mayor parte del carbón que se consume se utiliza como combustible para generar electricidad. La quema de carbón produce emisiones como dióxido de azufre (SO 2) y óxidos de nitrógeno (NO x) que están asociadas con la lluvia ácida (más sobre esto en el capítulo 6). El dióxido de carbono (CO 2), otra emisión resultante de la quema de carbón, es un importante gas de efecto invernadero que está asociado con el calentamiento global (ver capítulo 7).

    La ceniza (incluidas las cenizas volantes y las cenizas de fondo) es un residuo creado cuando se quema carbón en las centrales eléctricas. En el pasado, las cenizas volantes se liberaban al aire a través de la chimenea, donde contribuirían a la contaminación del aire por materia particulada (ver capítulo 6). Las leyes requieren ahora que gran parte de las cenizas volantes ahora deben ser capturadas por dispositivos de control de la contaminación, como depuradores. En Estados Unidos, las cenizas volantes generalmente se almacenan en centrales eléctricas de carbón o se colocan en vertederos. La lixiviación de la contaminación del almacenamiento de cenizas y los vertederos a las aguas subterráneas y la ruptura de varios grandes embalses de cenizas son preocupaciones ambientales.

    La quema de carbón produce emisiones que también impactan la salud humana. Emisiones como dióxido de azufre (SO 2), óxidos de nitrógeno (NO x) y partículas contribuyen a enfermedades respiratorias. Las partículas también contribuyen a una afección entre los mineros del carbón y otros trabajadores del carbón conocida como neumoconiosis de los trabajadores del carbón (CWP) o enfermedad pulmonar negra, que resulta de una larga exposición al polvo de carbón. El polvo de carbón inhalado se acumula progresivamente en los pulmones y es incapaz de ser eliminado por el cuerpo; esto conduce a inflamación, fibrosis y, en el peor de los casos, muerte tisular (necrosis).

    El carbón es la mayor fuente de mercurio y también una fuente de otros metales pesados, muchos de los cuales se han relacionado con problemas neurológicos y de desarrollo en humanos y otros animales. Las concentraciones de mercurio en el aire suelen ser bajas y de poca preocupación directa. Sin embargo, cuando el mercurio ingresa al agua, ya sea directamente o por deposición desde el aire, los procesos biológicos lo transforman en metilmercurio, un químico altamente tóxico que se acumula en los peces y los animales (incluidos los humanos) que comen pescado.

    4.3.3: Reducir los impactos ambientales del uso del carbón

    Reglamentos como la Ley de Aire Limpio y la Ley de Agua Limpia requieren que las industrias reduzcan los contaminantes liberados al aire y al agua. A continuación se presentan algunas acciones que se han tomado para reducir los impactos negativos del carbón en la salud humana y ambiental:

    • Tecnología de carbón limpio: La industria ha encontrado varias formas de reducir el azufre, NO x y otras impurezas del carbón antes de quemarlo.
    • Los consumidores de carbón han cambiado hacia un mayor uso del carbón bajo en azufre.
    • Las centrales eléctricas utilizan depuradoras para limpiar SO 2, NO x, partículas y mercurio del humo antes de que salga de sus chimeneas. Además, la industria y el gobierno de Estados Unidos han cooperado para desarrollar tecnologías que hagan que el carbón sea más eficiente energéticamente por lo que menos necesita ser quemado.
    • Se están realizando investigaciones para abordar las emisiones de dióxido de carbono de la combustión del carbón. La captura y secuestro de carbono separa el CO 2 de las fuentes de emisiones y lo recupera en una corriente concentrada. El CO 2 puede entonces ser secuestrado, lo que pone CO 2 en almacenamiento, posiblemente bajo tierra, donde permanecerá permanentemente (ver capítulo 7)
    • La reutilización y el reciclaje también pueden reducir el impacto ambiental del carbón. Los terrenos que anteriormente se utilizaban para la minería del carbón pueden ser recuperados y utilizados para aeropuertos, vertederos y campos de golf. Los productos de desecho capturados por los depuradores se pueden utilizar para producir productos como cemento y yeso sintético para paneles de yeso.

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