Los Combustibles fósiles

Combustibles fósiles, sustancias ricas en energía que se han formado a partir de plantas y microorganismos enterrados durante mucho tiempo. Los combustibles fósiles, que incluyen el petróleo, el carbón y el gas natural, proporcionan la mayor parte de la energía que mueve la moderna sociedad industrial. La gasolina o el gasóleo que utilizan nuestros automóviles, el carbón que mueve muchas plantas eléctricas y el gas natural que calienta nuestras casas son todos combustibles fósiles.

Químicamente, los combustibles fósiles consisten en hidrocarburos, que son compuestos formados por hidrógeno y carbono; algunos contienen también pequeñas cantidades de otros componentes. Los hidrocarburos se forman a partir de antiguos organismos vivos que fueron enterrados bajo capas de sedimentos hace millones de años. Debido al calor y la presión creciente que ejercen las capas de sedimentos acumulados, los restos de los organismos se transforman gradualmente en hidrocarburos. Los combustibles fósiles más utilizados son el petróleo, el carbón y el gas natural. Estas sustancias son extraídas de la corteza terrestre y, si es necesario, refinadas para convertirse en productos adecuados, como la gasolina, el gasóleo y el queroseno. Algunos de esos hidrocarburos pueden ser transformados en plásticos, sustancias químicas, lubricantes y otros productos no combustibles.

Los geólogos han identificado otros tipos de depósitos ricos en hidrocarburos que pueden servir como combustibles. Esos depósitos, que incluyen los esquistos petrolíferos, las arenas alquitranadas y los gases hidratados, no son muy utilizados, ya que la extracción y el refinado resultan muy costosos.

La mayoría de los combustibles fósiles se utilizan en el transporte, las fábricas, la calefacción y las industrias de generación de energía eléctrica. El petróleo crudo es refinado en gasolina, gasóleo y combustible para reactores, que mueven el sistema de transporte mundial. El carbón es el combustible más utilizado para generar energía eléctrica y el gas natural es empleado sobre todo en la calefacción, la generación de agua caliente y el aire acondicionado de edificios comerciales y residenciales.

En 1996 se consumieron en el mundo 72 millones de barriles de petróleo, 12,8 millones de toneladas de carbón y 6.400 millones de metros cúbicos de gas natural al día.

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FORMACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES

Los yacimientos de combustibles fósiles que existen en la actualidad se formaron a partir de antiguos organismos que murieron y fueron enterrados bajo capas de sedimentos acumulados. Como sobre esos depósitos orgánicos se formaron capas adicionales de sedimentos, el material estuvo sujeto a temperaturas y presiones crecientes. Durante millones de años, esas condiciones físicas transformaron químicamente el material orgánico en hidrocarburos.

La mayoría de los derrubios orgánicos son destruidos en la superficie de la tierra por oxidación o por la acción de microorganismos. El material orgánico que sobrevive y es enterrado bajo sedimentos o depositado en otros ambientes pobres en oxígeno inicia una serie de transformaciones químicas y biológicas, que acaban transformándolo en petróleo, gas natural o carbón. Muchos depósitos se forman en cuencas sedimentarias (áreas deprimidas de la corteza terrestre en las que se acumulan los sedimentos) y a lo largo de capas continentales. Los sedimentos pueden acumularse a varios cientos de metros de profundidad, ejerciendo presiones superiores a un millón de pascales y originando temperaturas de cientos de grados en el material orgánico. A lo largo de millones de años, estas condiciones pueden transformar químicamente el material en petróleo, gas natural, carbón u otros tipos de combustibles fósiles.

2.1

Formación del petróleo

El petróleo se formó principalmente a partir de antiguas plantas y bacterias microscópicas que vivieron en el océano y en mares de agua salada. Cuando esos microorganismos murieron y cayeron al fondo marino, se mezclaron con arena y sedimentos y formaron un barro rico en compuestos orgánicos. A medida que las capas de sedimentos se iban acumulando sobre ese fango orgánico, el barro se iba calentando y poco a poco se iba comprimiendo en un esquisto o lodolita, transformándose químicamente el material orgánico en petróleo y gas natural.

En ocasiones, el petróleo y el gas natural podían llenar lentamente los pequeños agujeros de las rocas porosas cercanas, que los geólogos llaman rocas almacén. Como esas rocas, por lo general, estaban llenas de agua, el líquido y los hidrocarburos gaseosos (que son menos densos y más ligeros que el agua) ascendían a través de la corteza de la Tierra, recorriendo a veces largas distancias. Una parte de esos hidrocarburos podía encontrar una capa impermeable (no porosa) de roca en un anticlinal, un domo de sal, una trampa de falla o una trampa estratigráfica. La roca impermeable puede aprisionar los hidrocarburos, creando un depósito de petróleo y gas natural. Los geólogos buscan esas formaciones subterráneas, ya que suelen contener depósitos recuperables de petróleo. Los fluidos y los gases capturados en esas trampas geológicas suelen estar separados en tres capas: agua (densidad más alta, capa inferior), petróleo (capa media) y gas natural (densidad baja, capa superior).

2.2

Formación del carbón

Cómo se forma el carbón

El carbón que hoy utilizamos se formó a partir de generaciones de plantas que murieron en antiguos pantanos y ciénagas, y que se fueron asentando bajo sedimentos. Este material vegetal formó primero un material orgánico compacto denominado turba. Con el paso del tiempo, la presión y el calor que ejercían la acumulación y el engrosamiento de las capas de sedimentos sobre la turba provocaban la salida gradual de la humedad. Esto aumentaba el contenido de carbono de la turba, que al final se convertía en carbón.

El carbón es un combustible fósil sólido, formado a partir de antiguas plantas —incluyendo árboles, helechos y musgos— que crecieron en pantanos y ciénagas o a lo largo de las costas. Generaciones de esas plantas murieron y fueron enterradas gradualmente bajo capas de sedimentos. A medida que el peso de los sedimentos aumentaba, el material orgánico experimentaba un incremento de temperatura y de presión que provocaba en él una serie de estados de transición. El material orgánico originario, que era rico en carbono, hidrógeno y oxígeno, se hacía más rico en carbono e hidrógeno y más pobre en oxígeno. Las sucesivas etapas en la formación del carbón son turba (materia vegetal parcialmente carbonizada), lignito (carbón blando de color pardusco o negro con un bajo contenido en carbono), carbón subbituminoso (carbón blando con un contenido medio de carbono), carbón bituminoso (carbón blando con un contenido más alto en carbono y más bajo en humedad que el carbón subbituminoso) y antracita (carbón duro con un contenido muy alto en carbono y muy bajo en humedad). Como la antracita es el carbón más rico en carbono y con menor contenido de humedad, es el de más alto valor energético.

Las zonas carboníferas en España se encuentran localizadas en diferentes regiones. En Asturias, León, Palencia, Burgos, Ciudad Real y Córdoba se extraen hulla y antracita; en La Coruña, Teruel y Barcelona, lignito, y en Zaragoza, Lleida y Girona, antracita y lignito.

2.3

Formación del gas natural

La mayor parte del gas natural se ha formado a partir del plancton —pequeños organismos acuáticos, incluyendo algas y protozoos— acumulado en el lecho oceánico. Esos organismos fueron enterrados y comprimidos lentamente bajo capas de sedimentos. A lo largo de millones de años, la presión y el calor generados por los sedimentos acumulados convirtieron ese material orgánico en gas natural. El gas natural se compone principalmente de metano y otros hidrocarburos ligeros. Como ya se ha dicho, el gas natural suele emigrar con el petróleo a través de los poros y fracturas de la roca almacén y se acumula en depósitos subterráneos. Debido a su densidad (menor que la del petróleo), se sitúa por encima del petróleo. El gas natural también se puede formar en depósitos de carbón, donde a menudo se encuentra disperso en los poros y fracturas del lecho de carbón.

2.4

Otros combustibles fósiles

Los geólogos han identificado inmensos depósitos de otros hidrocarburos, como gases hidratados (metano y agua), arenas alquitranadas y esquistos petrolíferos. Se encuentran vastos depósitos de gases hidratados en sedimentos oceánicos y en suelos polares poco profundos. En esos ambientes marinos y polares, las moléculas de metano están encerradas en una estructura cristalina con moléculas de agua. Ese sólido cristalino es conocido como gas hidratado. Como la tecnología para la extracción comercial de estos gases no se ha desarrollado aún, este tipo de combustible fósil no se incluye en la mayoría de las estimaciones sobre las fuentes de energía mundial.

Las arenas alquitranadas son hidrocarburos pesados, parecidos al asfalto, que se encuentran en la arenisca. Se forman donde emigra el petróleo, en depósitos de arena o arenisca consolidada. Cuando el petróleo se expone al agua y a las bacterias presentes en la piedra arenisca, los hidrocarburos suelen degradarse en un betún más pesado, con aspecto de asfalto. Los esquistos petrolíferos son rocas de grano fino que contienen altas concentraciones de un material orgánico y cerúleo conocido como kerógeno. Se forman en el fondo de lagos y océanos, donde murieron algas, esporas y otros microorganismos hace millones de años y se acumularon en barros y lodos. El aumento de temperatura y de presión creados por la acumulación de sedimentos transforman el material orgánico en kerógeno y compactan el barro y el lodo en esquistos petrolíferos. No obstante, esa presión y esa temperatura fueron insuficientes para descomponer químicamente el kerógeno en petróleo. Como los hidrocarburos contenidos en las arenas alquitranadas y en los esquistos petrolíferos no son fluidos, su recuperación es más costosa y difícil que la del petróleo líquido.

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EXTRACCIÓN Y REFINADO DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES

Los geólogos utilizan una gran variedad de sofisticados instrumentos para localizar el petróleo subterráneo, el gas natural y los depósitos de carbón. Esos instrumentos permiten a los científicos interpretar la composición geológica, la historia y la estructura de cuencas sedimentarias de la corteza terrestre. Una vez localizados, el petróleo y el gas natural son extraídos mediante pozos perforados hasta el depósito. Para extraer el carbón se realizan excavaciones.

3.1

Petróleo y gas natural

Para localizar los depósitos de petróleo y de gas natural, los geólogos buscan regiones geológicas con las características necesarias para la formación del petróleo: rocas ricas en compuestos orgánicos, temperaturas lo suficientemente altas para generar petróleo a partir de material orgánico y formaciones rocosas que aprisionen el petróleo.

Cuando se identifican formaciones geológicas potencialmente ricas en petróleo, se excavan pozos en la cuenca sedimentaria. Si un pozo perfora una roca de almacén porosa que contenga depósitos significativos de petróleo y gas natural, la presión en el interior de la trampa puede hacer que los hidrocarburos líquidos salgan espontáneamente a la superficie. No obstante, esta presión suele disminuir, de forma que el petróleo debe ser bombeado hasta la superficie.

Una vez extraído el petróleo, se transporta por medio de oleoductos, camiones o petroleros a una refinería, donde se separan los componentes líquidos y gaseosos. El crudo es calentado para que los hidrocarburos se separen por destilación según su masa molecular. Las moléculas más ligeras se refinan en gasolina y otros combustibles, mientras las moléculas más pesadas se utilizan como lubricantes, asfalto, ceras y otros productos. Debido a que la demanda de combustible excede con mucho la demanda de productos fabricados con hidrocarburos más pesados, en las refinerías se suelen descomponer las moléculas pesadas en otras más pequeñas, que pueden ser utilizadas como gasolina. Esto se lleva a cabo mediante unos procesos llamados craqueo térmico y craqueo catalítico.

3.2

Carbón

Debido a su gran tamaño, los yacimientos más extensos del mundo ya han sido identificados. En la actualidad, los científicos e ingenieros están trabajando para encontrar los medios económicamente más eficaces de extraer el carbón. Durante el siglo XX, la minería de carbón ha sufrido una completa transformación en la mayoría de los países: de ser una industria con mucha mano de obra, ha pasado a ser una moderna industria mecanizada, que utiliza algunos de los equipos de excavación más grandes y sofisticados jamás desarrollados.

La minería subterránea moderna suele emplear unas máquinas para extraer el carbón que utilizan tambores rotatorios dotados de picos para arrancar el carbón de la veta en grandes pedazos.

En la minería de superficie se utilizan palas de enormes dimensiones para extraer el carbón. Estas palas retiran antes la tierra y las rocas superiores, para que las vetas puedan ser extraídas. El carbón que se extrae se carga en grandes camiones para ser transportado.

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CONSUMO DE COMBUSTIBLES FÓSILES

En 1996 se consumieron en el mundo 26.100 millones de barriles de petróleo, 2,32 billones de metros cúbicos de gas natural y cerca de 4.700 millones de toneladas de carbón. Si se trasladan esas cifras a unidades de energía, se puede decir que el consumo de energía mundial en ese año fue de 137 billones de julios de petróleo, 88 billones de julios de carbón y 77 billones de julios de gas natural.

5

APLICACIONES COMERCIALES

Una vez extraído y procesado el combustible fósil, puede ser quemado para usos directos, como impulsar automóviles o calentar edificios, o para generar energía eléctrica.

5.1

Combustión directa

Los combustibles fósiles son quemados fundamentalmente para producir energía. Esa energía se utiliza para impulsar automóviles, camiones, aeroplanos, trenes y barcos en todo el mundo; en los procesos industriales, y para proporcionar calor, luz y aire acondicionado a hogares y empresas.

Para su uso como combustible en el transporte, el petróleo es refinado en gasolina, combustible para reactores, gasóleo y otros derivados utilizados en los automóviles, camiones y otros tipos de transporte.

La demanda de gas natural, considerado históricamente como un subproducto de desecho del petróleo y del carbón, ha crecido en las empresas y las industrias debido a que es un combustible más limpio. El gas natural, que puede ser conducido directamente a plantas comerciales o residencias individuales y regulado a gusto del consumidor, es utilizado sobre todo para la calefacción y el aire acondicionado.

5.2

Generación de electricidad

Además de la combustión directa con fines comerciales, los combustibles fósiles son quemados para generar la mayor parte de la energía eléctrica del mundo. Las plantas alimentadas con carbón producen el 37% de la energía eléctrica mundial, mientras el petróleo y el gas natural generan entre los dos el 25%. No obstante, desde finales de la década de 1970, la proporción total de electricidad generada por combustibles fósiles ha descendido en todo el mundo, del 71 al 62%. En 1996, el 38% restante de la electricidad fue generado por una combinación de fisión nuclear (17%), energía hidroeléctrica (19%), y energía solar, geotérmica y de otros tipos (2%).

6

EFECTOS MEDIOAMBIENTALES DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES

La lluvia ácida y el calentamiento global son dos de los más serios problemas medioambientales relacionados con la utilización a gran escala de los combustibles fósiles. Otros problemas de este tipo, como la contaminación del suelo y el vertido de petróleo, están relacionados directamente con la extracción y el transporte de los combustibles fósiles.

6.1

Lluvia ácida

Planta industrial provista de depuradores de aire

Los depuradores de aire instalados en las chimeneas de las plantas que queman carbón separan las partículas contaminantes de las emisiones gaseosas. Estos depuradores impiden que muchas de estas partículas lleguen a la atmósfera, donde ocasionarían daños ambientales graves, como la lluvia ácida.

Cuando los combustibles fósiles son quemados, el azufre, el nitrógeno y el carbono desprendidos se combinan con el oxígeno para formar óxidos. Cuando estos óxidos son liberados en el aire, reaccionan químicamente con el vapor de agua de la atmósfera, formando ácido sulfúrico, ácido nítrico y ácido carbónico, respectivamente. Esos vapores de agua que contienen ácidos —conocidos comúnmente como lluvia ácida— entran en el ciclo del agua y, por tanto, pueden perjudicar la calidad biológica de bosques, suelos, lagos y arroyos.

Depurador de aire

En un depurador de aire, las partículas contaminantes de las emisiones de gas se separan mediante la pulverización de un líquido de lavado. Este líquido rodea las partículas contaminantes, que son conducidas junto con el gas al interior de un cilindro separador. Mientras el gas se mueve de forma cíclica ascendente a través del cilindro, las partículas cubiertas de líquido caen en un depósito inferior contenido en el mismo cilindro.

Algunos países cuentan con leyes medioambientales que exigen el uso de equipos que reduzcan la contaminación, como los depuradores de aire. Son aparatos instalados en el interior de las chimeneas de las plantas que queman carbón, que separan los vapores de dióxido de azufre y otros compuestos antes de que estas sustancias contaminantes entren en la atmósfera.

6.2

Cenizas

La combustión de combustibles fósiles produce unas partículas sólidas no quemadas llamadas cenizas. Las plantas que queman carbón emiten grandes cantidades de cenizas a la atmósfera. Sin embargo, las regulaciones actuales existentes en muchos países exigen que las emisiones que contengan cenizas sean limpiadas o que las partículas sean controladas de otra manera para reducir esa fuente de contaminación atmosférica. Aunque el petróleo y el gas natural generan menos cenizas que el carbón, la contaminación del aire producida por las cenizas del combustible de los automóviles puede ser un problema en ciudades en las que se concentra un gran número de vehículos de gasolina y diesel.

6.3

Calentamiento global

El dióxido de carbono es el principal subproducto de la combustión de los combustibles fósiles. Es lo que los científicos llaman un gas invernadero. Los gases invernadero absorben el calor del Sol reflejado en la superficie de la Tierra y lo retienen, manteniendo la Tierra caliente y habitable para los organismos vivos. No obstante, el rápido desarrollo industrial de los siglos XIX y XX ha provocado un incremento de las emisiones procedentes de la combustión de combustibles fósiles, elevando el porcentaje de dióxido de carbono en la atmósfera en un 28%. Este dramático incremento ha llevado a algunos científicos a predecir un escenario de calentamiento global que puede causar numerosos problemas medioambientales, como la destrucción de los modelos climáticos y la fusión del casquete polar.

Aunque es extremadamente difícil atribuir los cambios globales de temperatura a la combustión de los combustibles fósiles, algunos países están trabajando de manera conjunta para reducir las emisiones de dióxido de carbono procedentes de estos combustibles. Una de las propuestas consiste en establecer un sistema para que las compañías que emitan dióxido de carbono por encima del nivel establecido tengan que pagar por ello. Ese pago podría producirse de diversas formas, incluyendo: (1) pagar una cantidad a una compañía cuyas emisiones de dióxido de carbono sean inferiores al nivel establecido; (2) comprar y preservar bosques, que absorben dióxido de carbono; (3) pagar para mejorar una planta de emisión de dióxido de carbono en un país menos desarrollado, para que sus emisiones desciendan.

6.4

Recuperación y transporte del petróleo

Se producen problemas medioambientales al perforar pozos y extraer fluidos porque el petróleo bombeado desde las profundas rocas almacén suele ir acompañado de grandes volúmenes de agua salada. Esa salmuera contiene numerosas impurezas, por lo que debe ser llevada de nuevo a las rocas almacén o destruida en la superficie.

El petróleo es transportado a la refinería —situada a menudo a grandes distancias— en camiones o en petroleros, y en ocasiones se producen vertidos accidentales. Estos vertidos, especialmente los de gran volumen, pueden resultar muy perjudiciales para la vida salvaje y el hábitat.

6.5

Extracción de carbón

Las operaciones de extracción de carbón en la superficie, en las llamadas minas a cielo abierto, utilizan palas macizas para retirar la tierra y las rocas que hay por encima del carbón, perturbando el paisaje natural. Sin embargo, las nuevas medidas de protección del suelo existentes en algunos países exigen que las compañías mineras devuelvan al paisaje un aspecto similar al que tenían en un principio. Véase Restauración (ecología).

Otro problema medioambiental asociado con la extracción del carbón se produce cuando vetas de carbón recientemente excavadas son expuestas al aire. Los compuestos de azufre que contiene el carbón se oxidan en presencia de agua, formando ácido sulfúrico. Si esa disolución de ácido sulfúrico sale a la superficie o entra en contacto con aguas subterráneas, puede perjudicar la calidad del agua y de la vida acuática. En la actualidad, se están realizando esfuerzos para eliminar el ácido sulfúrico antes de que alcance los ríos, los lagos y los arroyos. Por ejemplo, los científicos están estudiando si determinados pantanos artificiales son capaces de neutralizar esa disolución de ácido sulfúrico.

7

EXISTENCIAS MUNDIALES DE COMBUSTIBLES FÓSILES

Como la economía mundial está movida por los combustibles fósiles, es de gran importancia saber cuánto durarán las reservas mundiales. No obstante, hacer una estimación de estas reservas requiere manejar un gran volumen de información, en el que se incluyen exhaustivos mapas geológicos de las cuencas sedimentarias, modelos de sistemas de producción de energía y datos que muestren los modelos y tendencias en el consumo de energía mundial.

7.1

Reservas y recursos

Cuando los expertos realizan estimaciones sobre las existencias mundiales de combustibles fósiles, distinguen entre reservas y recursos. Se consideran reservas los depósitos de combustibles fósiles que ya han sido descubiertos y pueden ser utilizados de manera inmediata. Los recursos son depósitos que los geólogos sitúan en ciertas cuencas sedimentarias, pero que aún no han sido descubiertos. Las estimaciones de los recursos son menos exactas que las estimaciones de las reservas porque las primeras están basadas en la localización, extensión y formación de depósitos recuperados en cuencas geológicamente similares. En cualquier caso, ambas estimaciones son revisadas a medida que surgen datos sobre depósitos nuevos o ya existentes.

Las reservas de combustibles fósiles pueden dividirse en reservas probadas y reservas inferidas. Las reservas probadas son depósitos que ya han sido medidos, examinados y evaluados para la producción. Las reservas inferidas han sido descubiertas, pero no han sido medidas ni evaluadas.

El concepto de recursos de combustibles fósiles puede reducirse a recursos técnicamente recuperables. Ese concepto no toma en consideración si la extracción del depósito es económicamente viable, sino sólo si el combustible fósil puede ser recuperado utilizando la tecnología existente. Por definición, las existencias mundiales de combustibles fósiles aumentan a medida que los avances tecnológicos permiten que recursos que no eran recuperables sean extraídos y tratados.

7.2

Datos mundiales sobre la energía

Los depósitos mundiales de combustibles fósiles son finitos. Algunos expertos utilizan datos sobre los depósitos para estimar cuántos años durarán las reservas mundiales de energía, teniendo en cuenta el consumo actual y el que se prevé para el futuro.

En 1997 las reservas mundiales de petróleo se estimaban entre 1,02 y 1,16 billones de barriles (entre 134.000 y 152.000 millones de toneladas). En 1996 el consumo mundial de petróleo había alcanzado 26.100 millones de barriles al año. Las reservas mundiales de gas natural en 1997 fueron estimadas entre 1.510 y 1.580 billones de metros cúbicos. En 1996 el consumo mundial de gas natural había alcanzado los 2,32 billones de metros cúbicos al año. En 1997 las reservas mundiales de carbón fueron estimadas en 1,04 billones de toneladas, y en 1996 el consumo mundial de carbón había alcanzado 4.690 millones de toneladas al año. Se estima que el consumo total de energía en el mundo subirá un 2,2% al año entre 1995 y 2015.

Se pueden desarrollar modelos teóricos para estimar cuántos años durarán las existencias mundiales de combustibles fósiles. Sin embargo, esos modelos están condicionados por los avances tecnológicos en la producción de energía, los descubrimientos inesperados de nuevos depósitos de combustibles fósiles y diversos factores políticos, sociales y económicos, que influyen en la producción y el consumo de energía.

Como los combustibles fósiles se están consumiendo con mucha mayor rapidez de la que se producen en la corteza terrestre, la humanidad acabará agotando esas fuentes no renovables. Sigue siendo incierto cuándo llegará ese día, pero hay evidencias de que en algunas regiones se están agotando ciertos tipos de combustibles fósiles.

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FUENTES ALTERNATIVAS DE ENERGÍA

La posibilidad de reducir la dependencia mundial de los combustibles fósiles plantea problemas. Existen energías alternativas como la energía nuclear, la energía hidráulica, la energía solar, la energía eólica y la energía geotérmica, pero en la actualidad el conjunto de esas fuentes de energía sólo alcanza el 14% del consumo mundial de energía. Hasta la fecha, la utilización de energías alternativas se ha visto frenada por dificultades tecnológicas y medioambientales. Por ejemplo, aunque el uranio que se utiliza en la fisión nuclear es abundante, el riesgo de accidentes nucleares y las dificultades asociadas con el almacenamiento de los residuos radiactivos, han provocado el declive de la energía nuclear. En cambio, las energías solar y eólica parecen seguras desde un punto de vista medioambiental, pero son poco fiables como fuentes de energía estables. Como el consumo global de energía crece cada año, el desarrollo de ciertas fuentes alternativas de energía se hace cada vez más importante.