"Quiero hablar de un viaje que he estado haciendo, un viaje más allá de todas las fronteras conocidas..." James Cowan: "El sueño del cartógrafo", Península, 1997.

jueves, 2 de abril de 2009

Petróli, gas i carbó, combustibles fóssils

Fuente: Toni Cassany

http://usuarios.lycos.es/terrados/tema6/CTMA_06_4.html


El carbó

http://usuarios.lycos.es/terrados/tema6/CTMA_06_2.html

Els carbons són roques fosques originades per la diagènesi de masses vegetals dipositades en àrees pantanoses, lacustres o deltaiques, fora de l'acció oxidant de l'atmosfera. La seua formació comprén l'alternança en el temps de dos tipus de processos:

* Gran desenvolupament de la vegetació.
* Posterior enfonsament de la conca sedimentària i dipòsit de materials detrítics que soterren les restes vegetals i formen amb elles un estrat.

Aquestes restes vegetals sofriran un procés de diagènesi en augmentar la pressió i la temperatura. Per altra banda presenten una sèrie d'alteracions químiques gràcies a l'acció de bacteris anaeròbics consistents en un enriquiment progressiu en àtoms de carboni (carbonització): transformen les molècules orgàniques (fonamentalment cel·lulosa i lignina) en carboni i subproductes com el CO2 i CH4.

Bacteris anaeròbics--------
(C6H12O5)2n ------------------------ CO2 + CH4 + 2 C
Lignina , cel·lulosa ---------------------------Metà ----Carbó

Aquest procés bioquímic es completarà amb un altre de geològic, la maduració, consistent en una compactació, pèrdua d'aigua i expulsió de les substàncies volàtils que s'havien format prèviament. La maduració seria afavorida per factors com la pressió, temperatura creixent i temps transcorregut.

Podem diferenciar diferents tipus de carbó:


% Carboni
Poder calorífic (cal/g)

Fusta

49,64

3000-4500

Torba

55,44

4500-6000

Lignit

72,95

6000-7000

Hulla

84,24

7000-8000

Antracita

93,50

>8000

Des de la fusta a l'antracita hi ha un augment progressiu de la proporció de C (a compte d'una pèrdua dels elements volàtils com H, N, i O) i també un augment del seu poder calorífic. Els diferents carbons es troben a la natura lligats a l'edat dels materials: tindran més proporció de carboni quan més antics siguen. Així les torbes són dipòsits del quaternari, els lignits secundaris i terciaris, mentre que hulles i antracites són de l'era primària, fonamentalment del període Carbonífer.

+ La torba és poc rica en carboni (55%), és lleugera i de color marró, formada fonamentalment per briòfits (Sphagnum) i coneguda únicament als dipòsits actuals (torberes o tremedals). Combustió molt mediocre

+ El lignit (70-75% de C) és de color marró fosc , sense brillantor i amb restes vegetals que es poden reconéixer. Segueix sent mal combustible, encara que s'usa en algunes centrals tèrmiques.

+ L' hulla (85% de C) és negra i té un alt poder calorífic pel que és molt usada, per exemple en les plantes de producció d'energia. Està impregnada de substàncies bituminoses de la destil·lació de les quals s'obtenen interessants hidrocarburs aromàtics i un tipus de carbó molt usat en siderurgia anomenat coque, però també conté elevades quantitats de sofre que són font molt important de contaminació de l'aire

+ L'antracita (92-95 % de C) és negra. L’antracita és el millor dels carbons, molt poc contaminant i d'alt poder calorífic.

El carbó és un combustible d'un alt poder calorífic i un dels més abundants (es calculen reserves per a 220 anys amb l'actual ritme de consum), però també és el més brut, i com que té un alt contingut en sofre, quan es crema expulsa una gran quantitat de SO2 per la qual cosa és el principal causant de la pluja àcida. D'altra banda, les mines generen grans runams (=escorias) formats per estèrils (qualsevol producte de l'extracció diferent del carbó) que ocupen molt de terreny i produeixen un gran impacte paisatgístic, la contaminació de l'aire per la producció de grans núvols de pols i la contaminació de les aigües superficials i subterrànies per lixiviats. Els majors dipòsits de carbó estan a Amèrica del Nord, Rússia i Xina, encara que també es troba en quantitats considerables en algunes illes de l’Àrtic, Europa occidental, Índia, Àfrica del Sud, Austràlia i la zona aquest d'Amèrica del Sud. Segons la profunditat a què es troben els sediments de carbó, es poden portar a terme explotacions a cel obert o mines. Les primeres són més econòmiques, però el seu impacte ambiental i paisatgístic és major, ja que afecten grans extensions de terrenys. L'actual legislació dels països desenvolupats obliga les companyies a dur a terme restauracions un cop finalitzada l'explotació. El més normal sol ser que a mesura que van deixant una zona buida en extraure el carbó, l'emplenen i reforesten perquè no queden a la vista els grans forats, les terres remogudes i les acumulacions de materials. També és molt important controlar i depurar l'aigua de lixivació, és a dir l'aigua que, després de xopar o recórrer les acumulacions de mineral surt de la zona de la mina i flueix cap als rius o els voltants. Aquest aigua va carregada de materials contaminants. Si el jaciment es troba a més profunditat caldrà perforar una mina, cosa que augmenta els costos econòmics i socials, ja que s'incrementen els riscos, per causa del col·lapse de les galeries i de les explosions, amb la qual cosa es provoquen, a més a més, moltes malalties derivades com per exemple la silicosi.

Usos del carbó

El principal ús del carbó és la seua combustió en les centrals tèrmiques per produir electricitat (el 30% de l'energia elèctrica mundial prové d'aquesta font). La calor resultant d'aquesta combustió s'empra per obtenir vapor d'aigua que farà girar unes turbines, que al seu torn mouran uns alternadors que transformaran l'energia mecànica en elèctrica (Fig. 3)

Fig.3: Esquemes d’una central tèrmica. Fotografia torre refrigeració d'una central tèrmica

Actualment és impossible eliminar les centrals tèrmiques, però s'estan realitzant esforços amb l'objectiu de minimitzar els seus múltiples impactes. D'una banda, es preprocessa el combustible, matxucant-lo i rentant-lo per eliminar la major quantitat que siga possible de sofre. Amb aquesta finalitat existeixen dissenys de centrals tèrmiques més eficients, que eliminen els components sulfurats abans d'emetre els gasos de la combustió. Una de les maneres de reduir l'impacte que aquestes emissions generen és mitjançant la construcció de xemeneies de gran alçada que augmenten l'efecte de dispersió i dilució. L'aplicació de filtres electrostàtics o precipitadors que retinguen bona part de les partícules volàtils a l'interior de la central, també és un mètode molt utilitzat.

En relació a la contaminació tèrmica generada en les centrals, s’instal·len torres de refrigeració que disminueixen la temperatura de l'aigua abans de ser retornada al curs hídric original.

El petroli

El petroli és un líquid fosc que desprén una forta olor i és més lleuger que l'aigua. Tot i que no és un mineral o una roca en el sentit estricte, està intimament associat a roques sedimentàries detritiques. No forma estrats, sinó que es troba omplint els porus o fractures d'aquestes roques , de manera semblant com ho fan les aigües subterrànies.
Tot i que la paraula petroli (Oli de pedra) ens fa pensar en una substància eminentment líquida , realment és una barreja de substàncies sòlides, liquides i gasos que pertanyen al grup dels hidrocarburs constituïts fonamentalment per C i H però on poden apareixen quantitats variables de N, O i S. A la taula podem observar els principals tipus d'hidrocarburs que conté el petroli :

Estat físic
Exemples
Gasós
Metà, butà
Líquid
Bencé
Sòlids
Resines i asfats

Origen del petroli

El petroli s'origina a les conques marines poc profundes on proliferen grans quantitats de plancton , conjunt d'organismes microscòpics que viuen en suspensió a les capes superficials del mar. Quan moren els microorganismes, s'acumula una gran quantitat de matèria orgànica que queda entre el fang del fons de la conca sedimentària. Si aquests organismes romanen massa temps sobre el fons marí sofriran un procés d’oxidació. Altrament, si queden fora del contacte amb l'oxigen dissolt a l'aigua marina en ser soterrats per un sediment inorgànic impermeable sofrirà un procés diagenètic en condicions d'anaerobiosi on participa l'augment de pressió i temperatura juntament amb l'acció de bacteris anaerobis que transformen la materia orgànica en hidrocarburs. El següent esquema resumeix aquest procés complex:

En una primera fase, que té lloc alhora que la compactació i litificació del sediment. els bacteris degraden els principis immediats dels organismes vius amb els quals s'alimenten, i transformen els residus en una substància insoluble orgànica amb estructures cícliques que rep el nom de querogen i que constitueix la matèria prima del petroli. El petroli en si, es produeix per la transformació dels àcids grassos del querogen que es transformen en hidrocaburs pesats que posteriorment en un procés de maduració es trenquen i originen hidrocarburs líquids i gasosos.

Una vegada formats els hidrocarburs a l'interior del sediment i la seua transformació al llarg de la diagènesi poden ocòrrer dues coses:

a) Que el petroli es quede a l'interior de la roca o sediment on es va formar (roca-mare) que normalment és impermeables i de textura fina. Són les anomenades pissarres bituminoses la explotació comercial de les quals no és massa rentable, ja que cal realitzar processos d'excavació, trituració i destil·lació de grans quantitats de roques fins a poder obtenir petroli líquid. Es tracta de processos que requereixen una gran quantitat d'aigua i generen una gran quantitat de residus rocosos (gran impacte ecològic). Els jaciments més importants de l'Estat Español es troben a Puertollano (Ciudad Real)

b) Migració del petroli. Si la roca mare ha quedat soterrada a gran profunditat és molt possible que el petroli s'escape, per causa de la forta compactació, cap a zones superiors fins un altre material de major porositat i permeabilitat. que rep el nom de roca magatzem, la qual està limitada per roques impermeables que aturen la migració formant les anomenades trampes petrolíferes que poden correspondre a geometries molt diverses i estan associades a plecs, fractures, etc. El petroli no és troba en un determinat tipus de roca sinó que impregna qualsevol roca que siga prou porosa (fonamentalment gresos i calcàries de gra gruixut). A més del petroli també trobem en aquestes roques, metà (a sobre del petroli) i aigua salada (a sota del petroli) provimnents del seu proces de formació.

Fig.4: Torre d’extracció de petroli

El petroli s'extrau en forma de cru, format per una mescla d'hidrocarburs gasosos, líquids i sòlids, que no té cap aplicació directa. Per tant, per a la seua aplicació ha de passar per un seguit de processos de refinació, coneguts amb el nom de destil·lació fraccionada, en els quals es va pujant la temperatura per separar les diferents fraccions de menor a major punt d'ebullició: en primer lloc se separen els productes gasosos (metà, età, butà, etc.) i tot seguit els líquids (gasolina, nafta, querosè, etc.), de manera que finalment queden dipositats els sòlids (quitrans i betums). Els hidrocarburs que s'obtenen així encara no són aptes per al consum i hauran de sotmesos a més tractaments.







El petroli es transporta a través dels coneguts oleoductes, però la forma més habitual són els grans petroliers, que presenten un elevat risc d'accidents, amb conseqüències d'enormes dimensions (per exemple, el naufragi del petrolier Exon Valdéz i els successos que van tenir lloc durant la guerra del Golf). Com que és més lleuger que l'aigua, si es produeix una fuita es pot estendre per les superfícies marines, de forma que impedeix l'entrada d'oxigen i elimina tota vida existent (marees negres). Altres riscos provocats pel seu ús són els derivats de la combustió, que incrementen la pol.lució desprenen grans quantitats de CO2 a l'atmosfera.

La problemàtica principal associada al petroli prové dels abocaments de cru al medi marí com a conseqüència de diferents fonts: l'extracció del cru, els accidents dels petrolers, els vessaments o les explosions dels tancs on s'emmagatzema, etc.

El fenomen és puntual però el seu impacte és molt persistent. Al ser una substància hidròfoba té tendència a estendre’s per la superfície hídrica, enlloc d'agafar profunditat. En les 48h posteriors a un vessament s'haurà volatilitzat el 50% dels components del cru (les fraccions més lleugeres). Un altre tant per cent s'incorporarà també a l'atmosfera arrossegada per l'aerosol marí. De la resta, una part es dissoldrà al medi i l'altra es mantindrà en suspensió formant una emulsió que servirà com a font d'alimentació per a determinats tipus d'organismes o acabarà sedimentant o degradant-se, en el millor dels casos.

A nivell general però, els efectes sobre l'ecosistema marí depenen de molts factors, des del tipus de oli (cru o refinat), fins a condicions climatològiques (època de l'any, règim de precipitacions, temperatura, etc.). No obstant, els hidrocarburs orgànics volàtils despresos del vessament eliminen un gran nombre d'organismes aquàtics ja des del primer moment, especialment les formes larvàries que són més vulnerables.
La pel·lícula formada per l'emulsió que resta a la superfície podrà generar puntualment una variació en les característiques del medi en eutrofitzar les aigües i impedir el pas de llum. A més a més, s’adherirà a les plomes dels ocells i a la pell dels mamífers marins dificultant la seua mobilitat i entorpint el seu aïllament tèrmic, provocant que s'ofeguin o moren a conseqüència de les pèrdues de temperatura corpora
l.

Entre les principals utilitats del petroli podríem esmentar els gasos liquats (d'ús domèstic i industrial en calefaccions i calderes), gasolina (automòbils), nafta i querosè (per a la indústria química i com a combustibles per als avions), gasoils (per a vehicles dièsel i calefaccions domèstiques), fuel (a les centrals tèrmiques per generar electricitat i als generadors de calor industrial). I altres productes(utilitzables com a matèries primeres per a la indústria química, fertilitzants, pesticides, plàstics, fibres sintètiques, pintures, medecines, etc.).
Però el principal ús que es fa del combustible és per als transports, que necessiten una ingent infraestructura inamovible (les gasolineres) per a la seua distribució. El fet de plantejar l'ús de nous combustibles alternatius s'enfronta amb la inèrcia d'aquesta infraestructura, ja que no s'admeten fàcilment les novetats. Malgrat les fluctuacions del preu, encara hi ha dificultats per substituir-lo per un altre tipus d'energia. Si comencés a escassejar o si afegírem tots els ''costos ocults'' econòmics, ecològics i militars, que van lligats al seu ús, el preu es dispararia

Importància econòmica del petroli

Es pot trobar petroli en tots els continents distribuïts de forma molt irregular. Enormes camps petrolífers que contenen al voltant de la meitat del petroli mundial es troben en l'Orient Pròxim. També existeixen grans quantitats de petroli en el Golf de Mèxic, Mar del Nord i l'Àrtic (tant en Alaska com a Rússia). Es pensa que deu haver notables reserves en les plataformes continentals, encara que per diveros problemes la majoria d'ells no estan encara localitzats i explotats.

És molt difícil estimar per a quants anys tenim petroli ja que aquest càlcul perquè depèn de moltes variables desconegudes. No sabem quants dipòsits nous es van a descobrir. Tampoc com va a ser el ritme de consum, perquè és probable que quan vagen escasejant i els seus preus pugen s'utilitzen més generalitzadament altres fonts alternatives d'energia i el seu ritme de consum disminuisca. Per això, les xifres que se solen donar són molt poc fiables. En 1970 havia reserves conegudes de petroli per a uns 30 anys (fins l'any 2000). En canvi en 1990 havia suficients dipòsits localitzats de petroli per a altres 40 anys (fins el 2030); és a dir, en aquests anys s'ha descobert més del que s'ha consumit. Per tot això es pot dir que hi ha reserves per a un temps comprès entre diverses desenes i uns 100 anys.


Reservas [ R ]

miles de millones de barriles

Producción [ P ]

millones de barriles diarios

R/P

en años


1981

1991

2001

1991

2001

2001

Amèrica del Nord

102,0

93,0

63,9

14,2

14,0

13,5

Europa

27,9

16,3

18,7

4,7

6,8

7,8

Orient Mitjà

362,6

661,6

685,6

17,3

22,2

86,8

OPEP

435,2

767,1

818,4

24,7

30,2

76,6

Total Mundial

678,7

1.000,9

1.050,0

65,1

74,5

40,3

Taula 6: Reserves Provades: Producci, Horitzó de Producció de Petroli . Font: "Statistical Review of World Energy, BP 2002"

Altre important problema relacionat amb el petroli és que es consumeix majoritàriament en regions on no es produeix. Així entre Estats Units i Europa occidental es consumeix gairebé la meitat del petroli mundial. Els països del Golf Pèrsic que només consumeixen el 5% mundial produeixen, en canvi, el 26%.. Aquesta diferència s'agreujarà en el futur perquè la major part de les noves reserves s'estan descobrint en els països menys consumidors. Així es calcula que Estats Units té reserves per a uns 13 anys o Europa per a uns 10, mentre que els països del Golf acumulen més de 2/3de les reserves conegudes.

Fig 7: Balanç del petroli : producció i despeses

El gas natural

El gas natural prové de la fermentació de la matèria orgànica acumulada entre els sediments. Es compon d'una barreja d'hidrogen, metà, butà, propà i d'altres gasos en proporcions variables. Es troba s ota terra, sotmès a grans pressions, en forma de gas natural pur o formant part d'un pou de petroli. Els principals productors són: Unió Soviètica, Canadà, Països Baixos, Regne Unit, Romania, Algèria i Indonèsia .

Extraure'l és molt senzill, ja que per causa de la pressió exercida pels sediments que el contenen, el gas flueix per si mateix, per la qual cosa la seua explotació resulta molt econòmica. El transport es realitza principalment mitjançant gasoductes, que tot i que requereixin una forta inversió, són molt senzills i amb poc risc. Un perill associat és la fuita de metà, que, com ja sabem, és un gas d'efecte hivemacle molt més potent que el CO2

Un altre mètode de transport del gas natural consisteix a liquar-lo a baixes temperatures i a traslladar-lo en vaixells similars als petroliers, com passa al Japó. Aquests mitjans són perillosos, ja que hi ha la possibilitat d'un accident, encara que remot, que tindria conseqüències terribles per l'explosió d'un núvol de gas que faria que pugés la temperatura i consumiria tot l’oxigen de la zona.

El gas natural s'utilitza directament a les cases (calefacció, cuines, etc.) i a la indústria, i a les centrals tèrmiques comença a substituir el carbó. Si bé és cert que els dos emeten a l'atmosfera la mateixa quantitat de CO2, el gas no produeix contaminants sulfurats, cosa que sí que fa el carbó. Molts analistes creuen que el gas natural és el combustible ideal que s'ha d'utilitzar fins que es produeixi la transició cap a d'altres fonts d'energia renovables (com l'hidrogen, que podria reutilitzar la infraestructura de distribució del gas natural). Es tracta d'una solució temporal, ja que es pensa que les reserves actuals només duraran uns seixanta-dos anys si s'utilitzés com a substitució dels altres combustibles fòssils.

Reserves de petroli i de gas natural

fig.6: distribució de les reserves de petroli i gas

Impactes provocats pels combustibles fòssils (resum)

La generació d'energia mitjançant la crema de combustibles fòssils genera impactes en les diferents fases de la seua obtenció:

* Durant la fase d'extracció es detecta un augment considerable de la quantitat de sòlids en suspensió en l'aire al voltant de les zones d'extracció, degut a l'activitat minera. Les modificacions en el medi físic també són molt habituals, així com la contaminació química de les aigües, especialment en les refineries.

* Durant el seu transport les canalitzacions per a traslladar els hidrocarburs fins al centre de tractament poden provocar el vessament accidental al sòl i els dipòsits mòbils o cisternes, que persegueixen la mateixa finalitat poden també vessar el seu contingut accidentalment en el medi marí o en carretera.

* La construcció de les infrastructures necessàries per a dur a terme tot el procés d'obtenció d'energia, des que s'extrau del medi natural fins que es consumeix en els diferents punts de distribució implica tota una sèrie d'alteracions del paisatge, que acaben generant un gran impacte estètic o visual.

* No obstant, tots aquests impactes relativament petits no són res en comparació als generats durant la fase de funcionament de les centrals tèrmiques amb font de carbó o petroli. Alguns dels més significatius són els següents:

* Emissió i generació de contaminants, tals com:

* Partícules no cremades
* Diòxid de sofre
* Òxids de nitrogen
* Monòxid de carboni
* Cendres

* Contaminació tèrmica de les aigües superficials, en evacuar les aigües del procés directament a la xarxa natural, a unes temperatures que inhibeixen la vida aquàtica en un radi més o menys gran, al voltant del punt de sortida.
* La quantitat de CO2 que estem emetent a l'atmosfera al cremar els combustibles fòssils. Com estudiem amb detall, aquest gas té un important efecte hivernacle i es podria estar provocant un escalfament global de tot el planeta amb canvis en el clima que podrien ser catastròfics.
* Altre impacte negatiu associat a la crema de combustibles fòssils és la pluja àcida, en el cas del carbó per la producció d'òxids de sofre i en el cas del petroli i el gas natural, per la producció d'òxids de nitrogen.
* Contaminació del sòl, per ser el receptor final dels contaminants abocats tant al medi hídric com al medi atmosfèric.
* Sorolls i vibracions, provocats per l'activitat de la central.

* Impacte durant el transport de l'energia produïda fins als diferents punts de consum. Els impactes ambientals derivats de les línies elèctriques d'alta tensió són encara avui dia motiu de disputa entre els diferents grups socials implicats

* Problemàtica associada als recursos naturals no renovables utilitzats: carbó i petroli. Les pautes de comportament consumistes de l'Estat del Benestar, que confonen un nivell de vida elevat amb una constant despesa de productes, provoquen una disminució en els estocs de moltes matèries primeres que el medi és incapaç de restituir. Aquests productes són anomenats recursos no renovables, perquè el medi ha trigat milions d'anys a produir-los i a mesura que es consumeixen s'esgoten inevitablement les seves reserves.