15.8: Combustibles fósiles agotables

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 70088

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Hidrocarburos de Pozos

Actualmente, las fuentes de energía más utilizadas son los hidrocarburos líquidos y gaseosos provenientes del subsuelo. Se ve fácilmente por qué el petróleo líquido y el gas natural se hicieron tan populares porque son tan fáciles de obtener a partir de agujeros perforados en el suelo, fáciles de transportar por tubería y fáciles de usar, especialmente en hornos domésticos (gas natural) y motores de combustión interna (petróleo refinado). Pero estas fuentes sufren dos grandes desventajas: (1) Eventualmente se acabarán y (2) aportan gas de efecto invernadero con dióxido de carbono a la atmósfera.

El petróleo líquido se presenta en poros de roca que tienen una porosidad de 10-30%, más de la mitad de los cuales normalmente está ocupada por agua. La recuperación primaria normalmente elimina aproximadamente 30% del petróleo crudo. técnicas de recuperación más avanzadas mediante la inyección de agua o dióxido de carbono presurizado pueden eliminar alrededor del 50% del petróleo crudo. Una técnica muy sustentable es quemar petróleo en una atmósfera de oxígeno puro para generar electricidad, recolectar el producto relativamente puro de CO ₂ e inyectarlo de nuevo en la formación que contiene petróleo para eliminar más petróleo. Mediante el uso de técnicas avanzadas que recuperan hasta 60% del petróleo disponible, los yacimientos petrolíferos que han sido agotados por procesos utilizados anteriormente pueden recibir una segunda vida y producir tanto más petróleo como originalmente.

El desarrollo relativamente reciente más emocionante en la utilización de hidrocarburos bombeados desde debajo del suelo consiste en el desarrollo de métodos para eliminar el gas natural (CH ₄) de formaciones de esquisto estrecho como los depósitos de Marcellus Shale ricos en gas natural que se extienden por 600 millas a través de secciones de Virginia , Virginia Occidental, Ohio, Pensilvania y Nueva York. Se han desarrollado métodos para la fracturación hidráulica (“hidrofracking”) de estas formaciones y permitir el flujo de gas natural inyectando agua que contiene aditivos en las formaciones bajo presiones muy altas. El desarrollo generalizado de estas fuentes desde aproximadamente el año 2000 ha llevado a una abundancia relativa de gas natural. Además, desde aproximadamente 1990 se ha extraído gas natural de vetas de carbón, muchas de las cuales no son adecuadas para la minería. Hay problemas ambientales que involucran el agua con ambos métodos de extracción de gas natural. Existe cierto potencial con las formaciones de esquisto hidrofracking para contaminar el agua de pozo con gas natural y una búsqueda en Internet puede traer imágenes bastante espectaculares de “agua ardiente” en la que el gas natural que sale de un grifo de agua puede encenderse dando como resultado una llama sustancial. El gas natural extraído de las vetas de carbón suele mezclarse con abundantes cantidades de agua que en algunos casos está contaminada.

Combustibles fósiles excavados desde debajo del suelo

Grandes cantidades de combustibles fósiles se excavan desde debajo del suelo, ya sea de minas subterráneas o de pozos superficiales. La mayor fuente de petróleo que se importa a Estados Unidos es de arenas bituminosas en la provincia canadiense de Alberta. Se trata de depósitos de arena cubiertos con petróleo crudo pesado que son extraídos de fosas y transportados por enormes camiones a lugares donde el petróleo es extraído por agua caliente o vapor dejando inmensas cantidades de arena relativamente limpia.

Otro sustituto del petróleo que se puede obtener por la minería es el petróleo de esquisto, un material unido a la roca de esquisto bituminoso en forma de material orgánico complejo de origen biológico llamado querógeno. El petróleo de esquisto se elimina de estas rocas calentando en ausencia de aire. Se cree que hasta 1.8.billones de barriles de petróleo de esquisto podrían recuperarse de depósitos en Colorado, Wyoming y Utah. Se cuenta la historia que el esquisto bituminoso fue descubierto en esta región por un colono anterior que construyó una chimenea y chimenea en una cabaña a partir del esquisto y quedó muy angustiado cuando el primer incendio en la instalación de calefacción resultó en su quema, junto con la cabaña circundante. Aunque grandes cantidades de sustituto del petróleo podrían recuperarse del esquisto bituminoso, no es probable que este recurso se desarrolle a gran escala porque la pirólisis libera enormes cantidades de dióxido de carbono de gases de efecto invernadero y deja un residuo de ceniza del que se lixivian fácilmente sales como el sulfato de sodio. Además, el producto de aceite de esquisto líquido contiene un alto contenido de compuestos organonitrógenos potencialmente cancerígenos.

Carbón y lignito

El carbón y los sólidos relacionados son combustibles fósiles carbonosos sólidos formados por la biodegradación parcial de biomasa antigua seguida de procesos geoquímicos que involucran calor y altas presiones. El carbón se diferencia en gran medida por el rango del carbón basado en el porcentaje de carbono fijo, el porcentaje de materia volátil y el valor calorífico. Aunque el “carbón” da la apariencia de ser carbono puro, en realidad es un material complejo similar a un hidrocarburo, típicamente con una fórmula empírica de alrededor de CH _0.8 y que contiene de 1 a varios por ciento de azufre, nitrógeno y oxígeno. De estos elementos, el azufre unido a la molécula de carbón orgánico y mezclado con carbón como pirita mineral, FeS ₂, presenta importantes problemas ambientales debido a la producción de dióxido de azufre contaminante del aire durante la combustión. Gran parte de los FeS ₂ se pueden eliminar físicamente del carbón antes de la combustión y el dióxido de azufre se puede eliminar del gas de chimenea mediante diversos procesos de depuración. El lignito y el lignito de rango inferior suelen tener altos contenidos de humedad y oxígeno unido. Más comúnmente, el carbón clasificado como lignito es relativamente más cercano en su constitución a la vegetación a partir de la cual se formó.

La mayor fracción de la producción de electricidad a nivel mundial es desde carbón quemado en calderas hasta elevar el vapor que hace funcionar turbinas conectadas a generadores eléctricos. El potencial es alto para la contaminación del aire de esta técnica incluyendo especialmente las cenizas volantes y el dióxido de azufre. Estos dos contaminantes están ahora generalmente bien controlados. Sin embargo, la quema de carbón libera más dióxido de carbono de gases de efecto invernadero por unidad de producción de energía que cualquier otro proceso de producción de energía y esta liberación solo puede controlarse por medios extraordinarios (y costosos).

Conversión de Carbón

Un enfoque sustentable para utilizar el recurso energético del carbón es la conversión de carbón en la que el carbón se convierte en combustibles gaseosos o líquidos o sólidos bajos en azufre. Comenzando con la casa de William Murdocks en Redruth, Cornualles, Inglaterra, iluminada con gas de carbón en 1792, la conversión del carbón tiene a lo largo de la historia. Pall Mall en Londres se encendió con gas del primer sistema municipal de carbón-gas en1807. La industria del gas carbón comenzó en Estados Unidos en 1816. Las primeras plantas de gas de carbón operaban calentando carbón en ausencia de aire dejando un residuo sólido consistente principalmente en carbono (que podría usarse como combustible de estufa) y producían un combustible rico en hidrocarburos especialmente efectivo para la iluminación. Durante la década de 1800 se desarrolló un proceso de gasificación en el que el vapor reaccionó con carbón caliente para producir una mezcla compuesta principalmente por H ₂ y CO (gas de síntesis) a la que fue necesario agregar hidrocarburos volátiles para hacer el combustible adecuado para la iluminación. Había 11 mil gasificadores de carbón operando en Estados Unidos en la década de 1920 y la industria alcanzó su punto máximo en 1947, después de lo cual fue rápidamente reemplazada por abundantes fuentes de gas natural. Durante la Segunda Guerra Mundial Alemania fabricó petróleo sintético a partir del gas de síntesis, alcanzando una capacidad de 100.000 barriles diarios en 1944. La mayor planta de combustibles sintéticos a base de carbón que opera hoy en día se encuentra en Sasol, Sudáfrica, y ahora produce hidrocarburos y materias primas equivalentes a aproximadamente 150,000 barriles de petróleo por día.

Aunque la conversión del carbón podría desarrollarse como sustituto del petróleo, no es de ninguna manera un proceso verde considerando los costos ambientales de la minería del carbón, la producción de subproductos tóxicos de alquitrán de hulla y las enormes cantidades de dióxido de carbono generadas durante el proceso de conversión. Como se discute en la siguiente sección, el subproducto dióxido de carbono puede ser capturado y bombeado bajo tierra donde puede ayudar en la recuperación de petróleo.