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Combustibles fósiles

Combustibles fósiles
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Concepto:Sustancias que se forman a través de largos y complejos procesos geológicos en el interior de la corteza terrestre.

Combustibles fósiles. Son las sustancias tales como el petróleo, el carbón mineral, el gas natural y sus variedades, formados a través de largos y complejos procesos geológicos en el interior de la corteza terrestre, que se caracterizan por liberar en el proceso de combustión, no solo la energía solar acumulada durante cientos de millones de años, sino que además, desprenden a la atmósfera enormes cantidades de CO2, gas que interviene en el calentamiento global a causa del efecto invernadero. Durante el propio proceso de combustión, se desprenden también a la atmósfera, ciertas cantidades de dióxido de azufre, lo cual da origen a la formación de las llamadas "lluvias ácidas", que afectan a la biosfera, por los daños que producen en los bosques, ríos, lagos y terenos cultivables.

Formación de los combustibles fósiles

Los yacimientos de combustibles fósiles aparecen generalmente en cuencas sedimentarias, formadas por áreas deprimidas de la corteza terrestre, que fueron en determinadas épocas geológicas, el fondo de antiguos mares, lagos y pantanos. En estos se acumularon y mezclaron junto con los sedimentos, los restos de antiguos microorganismos, animales y plantas que existieron en épocas muy remotas. De esta manera se formó un barro rico en compuestos orgánicos, constituido por grandes cantidades de carbono e hidrógeno, según el caso, acompañado de ciertas cantidades de azufre, nitrógeno, fósforo, entre otros elementos químicos.

Este barro, sepultado a cientos de metros de profundidad por capas crecientes de sedimentos depositadas durante millones de años, experimentó un incrementó paulatino de la presión y de la temperatura, gracias a la acción ejercida por las capas superiores.

De esta forma, las condiciones físicas creadas por presiones que alcanzaron valores del orden de varios millones de pascal y temperaturas del orden de cientos de grados, dieron origen al surgimiento de transformaciones químicas en el material orgánico, que permitieron almacenar la energía solar acumulada en el transcurso de millones de años, a través de la formación de las distintas variedades conocidas de petróleo, carbón mineral y gas.
Estructura geológica donde se localiza el petróleo

El petróleo se localiza por lo general en los anticlinales, domos de sal, fallas o en trampas estratigráficas de rocas impermeables, en zonas de origen sedimentario formadas por antiguos fondos de mares y lagos de aguas saladas, donde los sedimentos orgánicos estaban formados fundamentalmente por restos de plancton, algas y bacterias microscópicas. En estas cuencas sedimentarias las condiciones de presión y temperatura propiciaron un ambiente químico reductor para la degradación de los restos orgánicos por parte de bacterias anaeróbicas, dando lugar a la formación de diferentes mezclas de hidrocarburos.

El origen del carbón mineral se remonta a la época carbonífera, hace más de trescientos millones de años, época en la cual, grandes extensiones del planeta estaban cubiertas por pantanos, en los que crecía una abundante vegetación de enormes helechos, algunos de ellos tan grandes como árboles. Al morir estas plantas, quedaron sumergidas por el agua y se fueron descomponiendo gradualmente, formando capas separadas cubiertas por sedimentos. A medida que se producía la descomposición de la materia vegetal esta perdía átomos de oxígeno e hidrógeno, aumentando su contenido de carbono. Catástrofes geológicas posteriores, sepultaron definitivamente con grandes capas de rocas y tierras sedimentarias, los restos de estos pantanos, y las enormes presiones y altas temperaturas creadas por estas capas durante largo tiempo, dieron lugar al proceso de carbonización, que según su antigüedad permite obtener diferentes tipos de variedades de este mineral.

El petróleo

También llamado "oro negro", es un aceite mineral formado por una mezcla compleja, de composición variable, de numerosos hidrocarburos con diferentes pesos atómicos y temperaturas de ebullición, en los que aparecen también algunos hidrocarburos disueltos en estado sólido y gaseoso. Posee además, impurezas formadas por compuestos de oxígeno, azufre, nitrógeno, sales metálicas y agua.
Aspecto del petróleo recién extraido

El aspecto del petróleo es el de un líquido oleoso, bastante viscoso y generalmente oscuro. Es un combustible de fuerte olor característico, menos denso que el agua e insoluble en ella. Aunque se considera que la utilización industrial del petróleo comenzó en 1859 con la perforación del primer pozo en Titusville, Pensilvania, por Edwin L. Drake, en realidad el descubrimiento y utilización del petróleo se remonta aproximadamente al año 3800 a.n.e. Numerosos descubrimientos arqueológicos demuestran que en esa época los sumerios comenzaron a utilizar la brea o asfalto proveniente del petróleo que afloraba de modo natural en el valle del río Éufrates, como material aglutinante en la construcción de templos y viviendas de piedra, así como también para mantener el fuego sagrado, embalsamar cadáveres, elaborar medicamentos, calafatear las embarcaciones, el arte militar y otras actividades muy diversas.


Existen variedades de petróleo crudo según los distintos tipos de yacimientos e, incluso, en ocasiones, varían las características del petróleo de un pozo a otro dentro de un mismo yacimiento, tanto en las propiedades físicas como la densidad y la viscosidad, como en la composición química de los hidrocarburos derivados que se pueden obtener en mayor proporción. Según esto, los crudos se clasifican para su uso según su composición en:

  • Crudos ligeros, en los que prevalecen los hidrocarburos volátiles que poseen buenos rendimientos en la obtención de combustibles.
  • Crudos medios de base parafínica, en los que predominan altos rendimientos en aceites ligeros y lubricantes que producen abundantes residuos de parafinas.
  • Crudos pesados o asfálticos, con altos contenidos de azufre, en los que resalta el rendimiento en aceites combustibles, fuel oil, alquitranes, asfalto y azufre.

La necesidad creciente de obtener diferentes tipos de combustibles, grasa y aceites lubricantes derivados del petróleo, impulsado fundamentalmente por el desarrollo del transporte, propició poco a poco el desarrollo de la industria de la refinación.

Existen evidencias de que la refinación del petróleo ya se realizaba de forma primitiva a finales de la Edad Media, en Transcaucasia y Ucrania, para obtener aceite de alumbrado, aunque su verdadero desarrollo se fomentó en Titusville, en 1859, donde se inventaron, aplicaron y perfeccionaron, gran parte de los procedimientos de refinación del petróleo que más tarde se difundieron y mejoraron rápidamente en distintas partes del mundo.
Refinería de petróleo

Formado por una mezcla densa de hidrocarburos gaseosos, constituida fundamentalmente por el 98% del primero de los hidrocarburos de la serie saturada, el metano (CH4), acompañada de otros gases como son el etano (C2H6), el propano (C3H8), el butano (C4H10) y el sulfuro de hidrógeno (SH2), asociados a yacimientos fósiles de carbón y petróleo.

Para su uso es necesario eliminar el sulfuro de hidrógeno, que es un gas tóxico, mal oliente y altamente corrosivo, cuya depuración produce cantidades considerables de azufre.

En realidad, el gas natural se viene explotando a gran escala desde la segunda mitad del pasado siglo XX, ya que en las primeras perforaciones petroleras, no se consideraba como un producto útil, por el alto riesgo de explosión que implicaba su uso y se expulsaba al aire generalmente al quemarlo. Superado este problema, se ha demostrado que el gas natural es de gran utilidad, pues constituye el combustible fósil más limpio, al poseer el más bajo porcentaje de elementos contaminantes, derivado de su composición molecular rica en hidrógeno y pobre en carbono (cuatro átomos de hidrógeno por cada uno de carbono); además, posee un bajo contenido de azufre. Por ser un gas no puede

contaminar directamente ni los ríos ni los mares.
Gas natural expulsado a la atmósfera

A modo de ejemplo, si se compara las cantidades de CO2 emitidas en la combustión de cierta cantidad de gas natural, carbón y petróleo, de forma tal, que generen igual cantidad de energía, obtendremos como resultado que el gas natural emite solamente el 50 % de CO2 generado por la combustión del carbón y el 75 % del CO2 emitido por la combustión del petróleo.

Es por ello, que el gas natural se comenzó a utilizar en la economía tanto doméstica como industrial de muchos países, de forma tal que su empleo ha provocado profundas modificaciones en su industria y economía. Todo esto se debe al poder calorífico del gas 88,8 MJ/m3, su limpieza, su cómodo empleo, y su fácil y económica distribución a través de largos gasoductos que amortizan en pocos meses de explotación, la inversión inicial. No obstante, es necesario en el proceso de extracción y utilización del metano, evitar escapes de gas a la atmósfera sin quemarlo, pues produce un efecto invernadero 20 veces superior al que produce la misma cantidad de CO2.

A pesar de la reciente utilización a gran escala del gas natural, su conocimiento por el hombre se remonta a épocas muy lejanas. En los primeros asentamientos humanos en diferentes lugares de Mesopotamia, los hombres contemplaban con temor y adoración el fuego que brotaba espontánea y permanentemente de la tierra, al emanar e inflamarse el gas natural proveniente de los abundantes yacimientos de petróleo que existen en esa región del planeta.

El carbón mineral

El carbón mineral (cuyo nombre vulgar es el de "carbón de piedra"), es un término genérico que se utiliza para designar a un grupo de minerales sólidos de origen vegetal con elevado contenido de carbono, en cuya composición química se encuentra este elemento químico en proporciones variables. El carbón mineral posee además hidrógeno, nitrógeno, azufre y fósforo, entre otros elementos químicos, y las diferentes variedades del mismo están en dependencia del tiempo transcurrido en su formación.

Su uso se remonta a algunos siglos atrás, época en la cual se utilizaba ampliamente en las herrerías y en alguna que otra pequeña industria; un ejemplo de esto, es que a finales del siglo XVI Inglaterra exportaba a Francia y a los países Bajos grandes cantidades de carbón mineral extraído de sus minas. Pero en realidad, se considera que la verdadera era del carbón comenzó a principios del siglo XVIII. El carbón constituyó la principal fuente de energía que sustentó el desarrollo de la era industrial, hasta que fue sustituido por el petróleo gracias al desarrollo del transporte automotor.

Las variedades del carbón mineral son las siguientes:

  • La turba: También llamada "carbón pardo"; es un carbón de formación reciente, en el cual puede distinguirse en su masa, la estructura de los vegetales que lo forman. Se caracteriza por ser esponjosa y ligera. Además, contiene la proporción más baja de carbono con un alto índice de humedad, y deja una gran cantidad de cenizas en su combustión. Después de secada, la turba desprende entre 12,5 y 16,7 MJ/kg. Los yacimientos de este combustible fósil en Cuba estan localizados en la zona de la Ciénaga de Zapata. Se ha decidido no explotar estos yacimientos por razones de protección ambiental.
  • El lignito: Es más pobre en carbono que la hulla. Posee entre el 25 y 30 % de carbono y su color es negro mate, se caracteriza por manchar los dedos al tocarlo y dejar una proporción elevada de cenizas al arder. Las mejores variedades del lignito desprenden hasta 27,1 MJ/kg.
  • La hulla: Es de calidad y poder calorífico inferior a la antracita. Deja al arder mayor cantidad de cenizas y posee del 75 al 90 % de carbono. Su poder calorífico oscila entre 29,2 y 33,4 MJ/kg.
  • La antracita: Entre todas las variedades de carbón es la de mejor calidad. Posee entre el 90 y el 97 % de carbono y es el de más antigua formación, constituido por un mineral negro, brillante y sonoro a la percusión, que arde sin dejar humo y deja poca ceniza o materias inertes; un kilogramo de este mineral desprende en su combustión completa entre 33,4 y 37,2 MJ.
    Mina de carbón a cielo abierto

El mineral de carbón por lo general se encuentra a grandes profundidades en el subsuelo, en ocasiones superiores a los mil metros, en forma de filones o capas que poseen espesores variables. Por tales razones, la extracción del carbón se realiza generalmente por el sistema de pozos y galerías subterráneas, cuya construcción y mantenimiento son siempre costosos y en los cuales es necesario tomar muchas medidas de seguridad para evitar accidentes. De forma excepcional en el mundo existen minas de carbón donde el mineral se extrae a cielo abierto, lo cual hace más barato el proceso de extracción. Además, este tipo de mina requiere de un importante trabajo y de considerables gastos económicos para restablecer las condiciones ambientales normales (suelo, vegetación) al terminar la fase de extracción.

Otros combustibles fósiles

Hace varios años, los geólogos identificaron depósitos de otros hidrocarburos, como gases hidratados, arenas alquitranadas y esquistos petrolíferos. Los gases hidratados contienen las moléculas de metano encerradas en una estructura cristalina, con moléculas de agua. Las arenas alquitranadas son hidrocarburos pesados parecidos al asfalto, que se forman en los depósitos de arena o arenisca a los cuales emigró el petróleo y donde fueron degradados en un asfalto más pesado. Por su parte, los esquistos petrolíferos son rocas de grano fino que contenían una alta concentración de material orgánico y que a pesar de haber recibido altas presiones y temperaturas, estas no fueron suficientes para dar lugar a la formación de un petróleo más fluido.

Como la tecnología para la extracción comercial de estos hidrocarburos no se ha desarrollado aún, su recuperación es más costosa y difícil. Es por eso que estos combustibles fósiles no se incluyen en la mayoría de las estimaciones sobre las fuentes y los recursos energéticos mundiales.

El uranio

El uranio es un elemento metálico radiactivo miembro de los actínidos. Se simboliza por la letra U y ocupa el lugar 92, por su peso atómico, en la tabla periódica. En estado puro, está formado por más del 99 % del isótopo uranio 238 y menos del 1 % del isótopo de uranio 235 fisible. Además posee también cantidades menores de uranio 234, formado por la desintegración natural del isótopo 238.

Del uranio se conocen además otros isótopos, producidos artificialmente como el 233, el 237 y el 239, y otros con números másicos comprendidos entre 222 y 242.

Del uranio se conocen además otros isótopos, algunos producidos artificialmente como el 233, el 237 y el 239, y otros con números másicos comprendidos entre 222 y 242.

Su masa atómica es de 238,029 uma (unidad de masa atómica) y su densidad es de 19,05 g/cm3 a 25 0C. Su punto de fusión es de 1 132 oC y su punto de ebullición es de 3 818 oC. Se presenta siempre en tres formas cristalinas diferentes, una de las cuales es maleable y dúctil.

En la naturaleza el uranio siempre se encuentra formando parte de óxidos y sales complejas de minerales tales como la pechblenda y la carnotita, presentándose de forma general con una proporción media de unas 2 partes por millón en la corteza terrestre. Ocupa el lugar 48 entre los elementos químicos por su abundancia natural.

La pechblenda, compuesto formado por dióxido de uranio (UO2), es un mineral de color negro opaco, parecido al alquitrán, cuya dureza es de 5,5 y su densidad relativa que es muy alta, varía entre 9,0 y 9,7. Este mineral se encuentra generalmente en formaciones masivas de rocas graníticas o como mineral secundario asociado con las menas de plata, plomo o cobre.

El uranio fue descubierto por el químico de origen alemán Martin Heinrich Klaproth en 1789, en el mineral pechblenda, quien le puso este nombre por la coincidencia con el descubrimiento del planeta Urano y fue aislado por primera vez en estado metálico en 1841. Sus propiedades radiactivas fueron descubiertas por el físico francés Antoine Henri Becquerel en 1896, cuando accidentalmente se percató de que las radiaciones provenientes de sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográftca, aunque esta estuviera separada por una lámina de vidrio y protegida por completo de la radiación luminosa.

En 1938, los científicos Otto Hahn y Fritz Strassman descubrieron la fisión nuclear, al bombardear núcleos de uranio con neutrones lentos. Un año después, Lise Meitner (colaboradora de Hahn) y Otto R. Frish, ofrecieron una explicación teórica de la fisión nuclear. Desde el descubrimiento de la radiactividad natural hasta la obtención de materiales radiactivos de manera artificial, las energías relativamente grandes liberadas en estos procesos, se convirtieron en foco de especulaciones. Esto condujo a que se efectuaran intensos debates acerca de cómo emplear esta energía.

Al producirse la fisión de 1 kg de uranio se obtiene una cantidad de energía semejante a la obtenida durante la quema de 2 800 t de carbón, para cuya transportación se requieren 45 vagones de ferrocarril.
Planta nuclear

Las transformaciones de unos núcleos atómicos en otros, pueden conducir a que la masa de los núcleos obtenidos sea menor que la suma de las masas de los núcleos iniciales. Esa reducción de la masa se corresponde con la liberación de cierta cantidad de energía, de acuerdo con la ecuación de Einstein. Se descubrió que cuando un neutrón choca con el núcleo de uranio, provoca su división en dos fragmentos que se desprenden con velocidades que van desde 3 000 hasta 4 000 km/s. Además de los fragmentos, el núcleo de uranio al dividirse emite entre dos y tres neutrones secundarios, los cuales se mueven a velocidades que oscilan entre 10 000 y 15 000 km/s.Con esta colosal velocidad, los neutrones secundarios pueden provocar la fisión de otros núcleos de uranio, posibilitando lo que se conoce como "reacción en cadena". Si la porción de uranio es pequeña, entonces la mayoría de los neutrones secundarios recorren el camino, desde el lugar donde fueron emitidos hasta el límite del material, sin provocar la fisión de otros núcleos. Esto determina que exista cierta cantidad de masa, llamada "masa crítica", a partir de la cual se puede producir la reacción nuclear en cadena. Esta "masa crítica", que es de algunas decenas de kilogramos, ocupa un pequeño volumen, aproximadamente como el de una esfera de 10 cm de radio, teniendo en cuenta que la densidad del uranio es alta.

En 1946 se construyó bajo la dirección de Enrico Fermi, el primer reactor rápido de uranio en el laboratorio Nacional de Los Álamos, Nuevo México, en los Estados Unidos. Esto implicó que la pechblenda, que al principio tenía solamente importancia comercial, como fuente de radio, se convertiria de manera rápida en un mineral estratégico. En 1954, en Obninski, Unión Soviética, se puso en funcionamiento el primer reactor nuclear para generar electricidad a partir del uranio en el Reino Unido. Desde este momento se incrementó el empleo de los reactores nucleares para la generación de energía eléctrica. Francia, Alemania, Japón, India, China y otros, construyeron sus propios reactores nucleares.

Sin embargo, los problemas relacionados con la seguridad de las plantas y el almacenaje de los desechos radiactivos, unidos al límite finito de los recursos minerales con contenido de uranio económicamente factibles de explotar, imponen ciertas limitaciones para la explotación futura de la energía nuclear en la generación eléctrica.

El cíclo del combustible nuclear.

Se denomina "combustible nuclear" a los isótopos radiactivos de algunos elementos químicos que emiten gran cantidad de energía en el proceso de fisión de sus núcleos y que emiten además otras partículas que dan lugar a una reacción en cadena, automantenida y controlable, a partir de cierta cantidad de masa llamada "masa crítica".

El ciclo del combustible de uranio empleado en las centrales nucleares comienza en las minas, con el proceso de extracción del mineral, que posee 0,7 % de U235. Posteriormente, el mineral se tritura en las plantas de beneficio para concentrar el metal, que luego se transforma en el gas hexafluoruro de uranio (UF6), el cual, mediante un proceso de enriquecimiento isotópico por difusión, logra alcanzar hasta el 3 % de U235. El producto enriquecido se procesa para convertir el UF6 en óxido de uranio en polvo, con el cual se elaboran los bloques de cerámica que forman parte de las barras combustibles resistentes a la corrosión, que se utilizan en la central nuclear.

Al cabo de un año, producto del agotamiento del U235 y la acumulación de productos de fisión que absorben neutrones, se sustituye la tercera parte de los elementos combustibles, que se caracterizan por ser fuertemente radiactivos. Por ello desprenden gran cantidad de energía y es necesario depositarlos en una piscina llena de agua, por uno o dos años más, hasta su enfriamiento. De esta forma, los elementos combustibles ya casi agotados por completo se sitúan en contenedores blindados y se transportan a una instalación de almacenamiento permanente o a una planta de reprocesamiento químico, donde se recupera el uranio no empleado, el plutonio (Pu239) producido en el reactor, algunos isótopos de interés para la industria y se concentran los desechos radiactivos.

En todos los procesos del ciclo del combustible nuclear existen riesgos radiológicos, desde el gas radón en las minas, pasando por las operaciones de procesamiento del mineral y las grandes cantidades de residuos radiactivos que se producen durante la generación de la electricidad. Estos residuos deben ser conservados debidamente en fosas impermeables y cubiertos por capas de gran espesor de tierra durante miles de años, para evitar la contaminación de la biosfera.

El último paso del ciclo, el de los residuos, es el más polémico de todos, ya que estos mantienen altísimos niveles de radiactividad durante miles de años. A pesar de los avances logrados en los niveles de seguridad de las plantas nucleares y en la tecnología para manipular y almacenar los residuos, existe una notoria desconfianza en esta fuente no renovable de energía. Para muchos no es lo suficientemente segura como para tener la confianza absoluta, de que las generaciones futuras estarán bien protegidas de los dañinos y hasta mortales efectos de los niveles de radiactividad que poseen los residuos nucleares. Esta situación crea en la actualidad una fuerte incertidumbre sobre la continuidad del programa nuclear a escala global, aunque sus defensores han logrado incluirla como una de las fuentes de energía a tener en cuenta para cumplir con los compromisos de reducir las emisiones de CO2, previstos en el Protocolo de Kyoto.

Véase también

Fuente

  • Libro del Programa de Ahorro de Electricidad en Cuba para la enseñanza media.