Historia

Se formó hace unos 300 millones de años: Cuando los árboles del carbonífero morían, sus restos iban a parar al suelo que, húmedo y embarrado, carecía del oxígeno que tienen los suelos actuales. Con menos oxígeno, la putrefacción se hacía más lenta y, poco a poco, nuevas plantas morían y quedaban encima de ellas. La acción de la presión y la temperatura hizo que se produjera el carbón.

Hoy en día, el carbón es la fuente de alrededor del 25% de la energía mundial.

Composición y estructura  

El carbón es una roca compuesta por restos vegetales en mayor o menor grado de alteración, además de una serie de minerales. Está formada principalmente por grafito, incluyendo cantidades significativas de hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno.

Tipos de carbón

Carbones naturales

Antracita

 Es el carbón más puro de todos. Tiene entre un 86 y un 98% de carbono y un poder calorífico de entre 34,3 y 34,7 MJ/kg. Hay muy poca cantidad de antracita respecto a otros carbones, puesto que es el más puro y el que más tiempo tarda en formarse. Data del Carbonífero (hace 250 millones de años) y presenta un muy bajo porcentaje de humedad y materias volátiles, dado su alto contenido en carbono.

Hulla

Presenta un amplio rango de porcentajes en carbono, humedades y materias volátiles. Su porcentaje de carbono varía desde el 45% hasta el 86%. Presenta un poder calorífico de 30,6-31,4MJ/kg dado su mayor contenido en volátiles y un similar contenido en carbono. Se utiliza para la producción de energía en centrales térmicas y para la producción de coque.

Lignito

De color parduzco y baja pureza, es útil en la producción de energía. Tiene una pureza de entre un 25 y un 45% y un poder calorífico  de entre 28,4 y 29,6 MJ/kg. Como curiosidad, destacar que el azabache, una piedra semipreciosa apreciada en joyería, es una variedad de Lignito de color oscuro.

Turba

Es un material terroso, de color marrón y que tiene my baja pureza (inferior al 25% de carbono) y alta humedad (hasta el 98%). Si se deseca se puede utilizar como combustible. Es también útil en jardinería dada la alta capacidad de retención de agua. Es la primera etapa del carbón. Tiene un poder calorífico de entre 21,2 y 22,3 MJ/kg

Carbones artificiales

Coque

Combustible obtenido de la destilación de la hulla, horneando la hulla y añadiendo calcita para aislarla del aire y obtener materias volátiles. Es producto de la descomposición de los materiales bituminosos en ausencia de aire. Se utilizó mucho en la revolución industrial, pero hoy en día interesan más los subproductos que el propio coque. Su poder calorífico varía entre 29,3 y 33,7MJ/kg

Carbón vegetal

Es un carbón creado mediante combustión de la madera con otros residuos vegetales en ausencia de aire. Tiene un poder calorífico entre 29 y 35 MJ/kg, mucho mayor que el de la madera. Se dice que sin el carbón vegetal, la Edad de Hierro no habría sido posible, ya que la madera no habría proporcionado la energía necesaria para llegar a la temperatura de fusión del Hierro.

 

Explotación y transporte

Métodos de extracción

Existen dos métodos principales: Extracción subterránea y extracción a cielo abierto.

Extracción subterránea

Existen dos métodos de extracción subterránea: extracción mediante pilares y extracción por tajos largos.

En la extracción mediante pilares, el carbón se extrae formando “salas” en la vetas de carbón y se deja al carbón  actuar como “pilares” de la mina. Estos pilares se pueden extraer mas adelante, en la llamada “extracción de retirada”, en la que se extraen los pilares y se deja que el techo se derrumbe, mientras se finalizan los trabajos de extracción.

En la extracción por tajos largos, en cambio, se extrae completamente el carbón de una sección o “cara” de una veta utilizando taladros cargadores mecánicos. Estas caras pueden llegar a medir unos 350 metros. La desventaja de este método sobre el anterior es el alto coste de la maquinaria.

Extracción a cielo abierto

Éste método solo resulta rentable si la veta de carbón esta cerca del suelo. Se suele utilizar maquinaria de todo tipo: Dragadoras, excavadoras, camiones...

Este método recupera mucho más carbón que los anteriores, llegando a extraer el 90% del carbón de la veta. Pueden cubrir áreas de muchos kilómetros cuadrados.

Métodos de transporte

Se utiliza un método de transporte u otro según la distancia a recorrer. Los más utilizados son los camiones (distancias cortas), los trenes y barcazas para distancias medias y los barcos para distancias largas.

Medidas de seguridad en la explotación

Entre otras, las medidas de seguridad e higiene procedentes son las siguientes:

• Instalar sistemas que impidan la acumulación de gases inflamables
• Efectuar un apuntalamiento adecuado para evitar derrumbes
• Utilizar tecnologías adecuadas
• Instruir a los mineros sobre el cumplimiento de la seguridad
• Disponer de personal sanitario y equipos de rescate para casos de emergencia

Aplicaciones

Entre otras, las aplicaciones del carbón son las siguientes:

Generación de energía eléctrica

Las centrales térmicas de carbón, o de ciclo combinado, aportan la mayoría de la energía eléctrica mundial.

Coque

Además de los usos mencionados anteriormente, se utiliza también para fabricar acero.

Siderurgia

Según las proporciones de hierro y carbono, se forman distintos aceros o hierros.

Industrias varias

Se utiliza en industrias que necesitan mucha energía, como las fábricas de cemento  ladrillos.

Uso doméstico

Se utiliza como combustible para la calefacción en los países en vías de desarrollo.

Carboquímica

Practicada sobre todo en Sudáfrica y China. Mediante la gasificación del carbón se obtiene el llamado “gas de síntesis”, compuesto principalmente por hidrógeno y monóxido de carbono. Este gas es una materia prima básica con la que fabricar productos como Amoníaco, Metanol o incluso Gasolina de automoción.

Petróleo sintético

Mediante licuefacción directa, se puede  obtener un crudo similar al petróleo, aunque hoy en día no existen plantas de producción a escala industrial.

Impacto medioambiental

Las extracciones a cielo abierto tienen un fuerte impacto sobre el terreno por el hecho de que la tierra, y con ella todas las capas del suelo, se elimina para poder extraer el carbón. Debido a ello, cuando se finaliza la extracción del material se debe restituir el suelo a su estado original y repoblar la zona con el fin de minimizar el impacto. Además de ello, se tiene que solucionar el problema de la polución del agua provocada por la extracción y la pérdida de biodiversidad que supone la eliminación de la flora.

Uno de los problemas con los que hay que lindar en las explotaciones subterráneas es el hundimiento de suelos provocado por las perforaciones, puesto que tanto la fauna como la flora puede resultar altamente perjudicada por estos hundimientos, las bolsas de agua subterránea son también puestas en peligro, y puede suponer grandes pérdidas para cualquier persona que tenga una propiedad en la zona hundida.

El otro de los impactos medioambientales a los que se enfrenta el carbón es el efecto invernadero. La explotación produce metano en grandes cantidades, y este metano ha de ser eliminado de otra forma que no sea liberarlo a la atmósfera. Últimamente están creando explotaciones con capacidad de utilizar el metano liberado en ellas para su uso posterior. Por otra parte, el CO₂ que se libera mediante la quema de combustibles fósiles representa otro desafío medioambiental. Se están desarrollando estrategias para poder reducir y, en algún momento, eliminar esas emisiones.

PETRÓLEO

Historia

El hombre ha utilizado el petróleo desde hace 6000 años, cuando en algunas zonas de Oriente Medio salía a la superficie de forma natural. El petróleo se utilizaba para pegar ladrillos, calafatear barcos o en la medicina. En Egipto se utilizó para engrasar pieles, las tribus precolombinas pintaron con petróleo y en China ya se utilizaba como combustible.

La primera destilación de petróleo se atribuye al sabio árabe del s. IX Al-Razi, que gracias al alambique obtuvo queroseno y otros destilados para usos médicos y militares, aunque durante la edad media se utilizó principalmente para usos médicos.

A partir del s. XVIII se empezarían a mejorar los métodos de refinado, con lo que se obtuvo aceite para engrasar máquinas. Ya en el s. XIX se obtuvieron aceites fluidos que se usarían para el alumbrado público, y en 1846 se encontraría el queroseno, y en 1859 se perforó el primer pozo en Pensilvania.

Con la aparición de los motores de combustión interna se da un nuevo uso al petróleo y derivados, como la gasolina, desechada hasta entonces.

En 1960 se establece en Bagdad la OPEP.

Composición

Generalmente, el petróleo crudo está compuesto de Hidrógeno, Carbono, Oxígeno, Azufre y Nitrógeno, además de trazas metálicas. Su composición porcentual aproximada es de alrededor de 85% Carbono, 12% Hidrógeno y 3% de Azufre, Oxígeno y Nitrógeno (en total).

Tras el refinado, se obtienen distintos tipos de carburantes, variando desde el Gas de refinería y el GLP hasta residuos asfálticos.

Obtención y transporte

Obtención

 

Se basa en unos tubos largos acoplados unos a otros que, gracias a un motor, giran y perforan hacia abajo. En el extremo hay una broca con dientes para romper la roca, cuchillas para separarla y diamante para destrozarla. Mediante unas poleas móviles, se consigue que no caiga todo el peso sobre la broca.

Para aumentar la rentabilidad de un yacimiento, se suele inyectar agua o vapor en el yacimiento para aumentar la presión y que salga el petróleo. Además, el vapor reduce la viscosidad del petróleo.

Transporte

Para transportar el petróleo se suelen utilizar oleoductos de gran caudal y petroleros de hasta 500.000 toneladas de capacidad.

Los oleoductos son la mejor manera de transportar petróleo en tierra. Tienen mayor capaciad y son más baratos que los trenes. Los oleoductos son enormes tubos de plástico o acero, de entre 30 y 120 cm de diámetro. Suelen construirse sobre la superficie mientras se pueda, mientras que en ciudades, zonas de alta riqueza floral o, simplemente, zonas desarrolladas, se entierran a una profundidad de 1 m.

Los petroleros son barcos diseñados para transportar petróleo. Tienen capacidades desde 50.000t (buques Panamax) hasta 564.763t (Knock Nevis, el barco más grande del mundo). Se suelen diseñar con doble casco, en detrimento de los antiguos buques monocasco, porque son más seguros.

 

 

 

 Proceso de refinado

 

El refinado del petróleo se lleva a cabo en las torres de refinamiento. Su finalidad principal es convertir el petróleo crudo en productos útiles para el uso  cotidiano. Esos productos  son, entre otros, la gasolina, el gasoil, el asfalto y el combustible para aviones (queroseno).

El proceso es el siguiente: Al llegar a la refinería, los petróleos se separan en barriles, generalmente por cantidad de azufre y proceso de tratamiento. Generalmente, se empieza tratando los petróleos con menor contenido en azufre para después pasar a los de mayor contenido. Se hace así para evitar los residuos en las siguientes destilaciones.

La primera parte del tratamiento en sí es la destilación atmosférica simple, que es la mostrada en el dibujo. En este proceso se introduce el petróleo en la torre de destilación y se calienta, obteniendo distintas fracciones según la temperatura de ebullición de los materiales. A partir de ahí se obtienen cuatro fracciones principales: Los gases, la gasolina, el queroseno y el gasoil, y en el fondo se quedan los residuos asfálticos.

En la segunda parte del proceso, cada una de las fracciones es tratada para por separado para obtener todos los componentes que utilizamos hoy en día (gas ciudad, gasolina de calefacción, combustibles de aviación…)

En la tercera parte, los residuos asfálticos son tratados de diferentes maneras para obtener nuevos productos. Si esta parte del proceso no se realizara, se diría que el proceso es poco eficiente, porque esos residuos asfálticos representan alrededor del 45% del crudo introducido en la torre, y los residuos, como su nombre indica, sirven para hacer asfalto y poco más.

Aplicaciones

El petróleo tiene diferentes aplicaciones, entre las que se encuentra la farmacología, los combustibles, los aceites, los tejidos sintéticos, los plásticos, los gases y los fertilizantes entre otros.

Entre las aplicaciones farmacológicas, algunas medicinas y algunos antiinflamatorios que utilizamos hoy en día son realmente derivados del benceno, que a su vez es un derivado del petróleo. Entre ellos se encuentra el ibuprofeno, antiinflamatorio por excelencia.

Como combustibles, se pueden encontrar muchos, como la gasolina, el queroseno de aviación, el diesel, el turbocombustible para “jets”, el fuel-oil para hornos, el cocinol, que es un tipo de gasolina para cocinas…

En el campo de los plásticos y tejidos sintéticos, también existen muchos, y la mayoría se extraen del petróleo (menos el de las bolsas de patata del Carrefour y poco más). Son los polímeros más conocidos del petróleo. Los plásticos se utilizan prácticamente para todo: Chubasqueros, plástico de burbujas para embalar, coches, tuberías… Los tejidos sintéticos, obviamente, se utilizan para diferentes tipos de ropa. Entre ellos se encuentran el Nylon, el poliéster, el elastano…

En los gases encontramos, principalmente, a los gases propano y butano, muy utilizados en los hogares para las cocinas (aunque ya se está empezando a sustituir por gas natural)

Entre los fertilizantes, encontramos la urea y el fosfato de amonio como derivados del petróleo más utilizados.

Impacto Medioambiental

Como sabemos, el petróleo es, desde mediados del siglo XIX, la fuente principal de energía para la humanidad. Esto ha provocado un gran número de recursos no disponibles anteriormente, pero también ha ocasionado recursos malgastados o residuos. El plástico, por ejemplo, tarda 400 años en descomponerse. El petróleo, además, genera una gran contaminación cuando escapa de los depósitos que lo contienen. Un ejemplo de ello es el caso del Prestige que, debido a una fuga de Fuel-Oil en el buque que lo transportaba, se extendió una marea negra por todo el Cantábrico y parte del resto del Atlántico. Los coches, además, generan CO₂ al quemar el combustible, y con los coches también los aviones, los barcos, las centrales eléctricas…

Como ya hemos dicho, el plástico tarda años en descomponerse. Pero su quema tampoco mejora la situación, y no todos se pueden reciclar fácilmente. El uso de gas butano o propano en las cocinas también genera grandes cantidades de CO y CO₂.

Todo esto se intenta paliar mediante catalizadores en los coches, reciclado y reutilización para los plásticos, o campanas extractoras en cocinas.

GAS NATURAL

Composición

Básicamente, el gas natural es una mezcla de gases que contiene metano en grandes cantidades, junto con pequeñas cantidades de etano, propano y butano. Suele encontrarse junto a los yacimientos de petróleo o mezclado con éste. Su composición centesimal varía según la zona, pero es normal encontrar gases naturales con más del 90% de gas metano. A veces contiene “impurezas”, como vapor de agua o dióxido de carbono.

 

 

Obtención y Transporte

Obtención

El gas natural se extrae de forma parecida al petróleo: Perforando y bombeando. También suele suceder que el gas natural se encuentre en una bolsa de petróleo.

Transporte

El gas natural se transporta de 2 maneras: A través de gasoductos o mediante buques, previa licuefacción del gas.

El primer método es bastante simple, sólo se tiene que bombear el gas a través del gasoducto desde el origen hasta el destino. Su gran inconveniente es que resulta caro para largas distancias, por ello se utilizan buques para largas distancias.

El transporte mediante buque resulta algo difícil. Primero hay que licuar el gas para convertirlo en líquido. Tras eso, se tiene que enfriar para que no se evapore, y después se introduce en unos tanques especiales para bajas temperaturas. Finalmente, se introduce en el buque para transportarlo hacia el punto de destino. Allí, se regasifica para llevarlo mediante gasoductos a las zonas de consumo.

Impacto mediambiental

El gas natural tiene la ventaja de ser tremendamente más limpio que la gasolina en casi todas las emisiones. Produce la quinta parte de las emisiones que dañan la capa de ozono, CO y óxidos de nitrógeno; la mitad de las emisiones de formaldehídos y apenas produce emisiones de Benceno. Sin embargo, su altísimo contenido en metano hace que produzca un 1000% de las emisiones de este gas con respecto a la gasolina. En cambio, los escapes de depósitos en los buques, además de ser muy poco probables, se saldan sin mayor impacto que su quema ya que, al ser gas, se libera rápidamente.

CENTRAL TÉRMICA

Esquema, partes y funcionamiento

El combustible se almacena en zonas circundantes a la central, desde donde se transporta con cintas transportadoras (1) hacia el molino (3) donde se tritura. Tras triturarse, se introduce, junto con aire caliente a presión, en la caldera (4), donde se quema.

Dentro de la caldera se produce el vapor que hace girar los rotores de las turbinas de alta, media y baja presión (12, 13 y 14, respectivamente), que mueven también los rotores del generador (19) donde se genera la electricidad, que se transporta a través de las líneas de alta tensión (20).

El vapor, tras salir del generador, se licua en el condensador (15). Después se somete a diferentes fases de calentamiento (16) para reinyectarse en el generador y obtener el máximo rendimiento.

El agua utilizada para la refrigeración del condensador se refrigera en las torres de refrigeración (17)

Para minimizar los efectos de la combustión del carbón, las centrales utilizan altas chimeneas (11) que dispersan los contaminantes en las capas altas de la atmósfera, y precipitadores (10) que retienen los contaminantes en la central.

Esquema con las transformaciones de energía

 

 

 

 

 

Centrales Termoeléctricas Clásicas en España

A finales de los 90, España contaba con 160 centrales eléctricas. Hoy en día hay unas 200, con más de 27000 MW de potencia generada. 6 de las centrales cuentan con más de 1000 MW de potencia: As Pontes de García Rodriguez (1400+ MW, Galicia), Compostilla (1312 MW, León), Litoral de Almería (1100 MW), Castellón (1083 MW), Teruel (1050 MW) y San Adrián (1050 MW, Barcelona). Entre las 6 representan la cuarta parte de la potencia térmica de España, y el 12% de la potencia eléctrica.

Se suelen localizar en zonas cercanas a cuencas mineras, a la costa y/o a los centros urbanos a abastecer. En el siguiente mapa se muestran las centrales termoeléctricas con más de 20 MW de potencia:

 

 

1.- ¿Qué ventajas e inconvenientes presenta la explotación del carbón a cielo abierto, en comparación con el laboreo subterráneo?

La explotación a cielo abierto tiene la gran ventaja de que permite recuperar mucho más carbón, prácticamente todo se puede extraer. En cambio, el laboreo subterráneo necesita que haya carbón en las paredes para poder sujetar la mina, y eso hace que no se pueda extraer todo. Además, no se suele necesitar tanta maquinaria.

El principal inconveniente es que se tiene que planificar una recuperación del suelo al finalizar la explotación, además de que sólo resulta rentable si la veta de carbón se encuentra cercana al suelo.

2.- ¿Qué es el coque metalúrgico? ¿para qué se utiliza?

El coque metalúrgico es un tipo de carbón artificial, formado a partir de la destilación de carbones bituminosos. Se utiliza en la industria metalúrgica para formar hierros y aceros de gran contenido en carbono, y se utilizaba como combustible para chimeneas en los hogares, porque su quema no produce humo y es menos contaminante.

3.- ¿Por qué es necesario destilar el petróleo?

Porque el petróleo en sí no es más que una mezcla de hidrocarburos, que contiene desde gases hasta residuos asfálticos, y que en crudo tiene muy pocas aplicaciones aparte de la destilación y el calafateo de barcos.

4.- ¿Qué es el cracking con relación al petróleo?

El cracking es el proceso de quebrado de moléculas para poder combinarse los elementos en otras moléculas distintas. Esto, llevado al campo del petróleo, suele significar un aumento considerable del rendimiento del barril. Esto hace que el cracking se convierta, principalmente, en un proceso de obtención de gasolina.

5.- Diferencia entre Gas Natural y Gas Ciudad

Entre otras diferencias, la que engloba a todas es la diferencia de composición: Mientras el gas natural contiene cantidades de hasta 98% de metano y casi ninguna impureza, el gas ciudad contiene sólo un 45% de hidrógeno y 35% de metano, lo que hace que tenga menor poder calorífico y contamine más.

6.- ¿Cuál de los cuatro tipos de carbón natural tiene mayores aplicaciones industriales?

La hulla, dado su alto poder calorífico, su contenido en materiales bituminosos y su posible uso en la producción de coque.

7.- ¿En qué consiste la lluvia ácida?

En la acidificación del agua tras reaccionar químicamente con óxidos de nitrógeno o óxidos de azufre. Cuando el agua de lluvia reacciona con esos compuestos, se acidifica y puede destruir cosechas, estatuas o edificios antiguos.

8.- ¿Qué es el poder calorífico?

La cantidad de energía que un material puede producir por unidad de masa.