Unidad 6 – TIC

Sustraído de: https://sites.google.com/site/combustiblesfosilesgrojo/1–introduccion/1-1-que-es-la-energia-de-los-combustibles-fosiles el día 5 de setiembre de 2018.

Grupo 9: Flavia Mercado Zevallos, Edson Huamaní Rojas, Sebastián Castañeda Trinidad, Rodrigo Tamayo Vernal, Jorge Mauricio Urbina

El presente trabajo está basado en la situación presentada por la docente del curso, la cual es la siguiente:

Dado que Perú es un país que presenta una gran diversidad de recursos, entre estos los combustibles fósiles, el gobierno está evaluando la posibilidad de fomentar la inversión de empresas transnacionales para la explotación de los mismos.

El país ha demostrado tener una gran cantidad de zonas con gran potencial para explotar petróleo en el zócalo continental, la costa y selva amazónica; gas natural en la cuenca de la zona norte (departamentos de Piura y Tumbes); y carbón en la serranía de los departamentos de La Libertad, Ancash y Amazonas, que por el momento solo han sido explotadas de manera artesanal. Es por ello que varias empresas del extranjero con gran impacto a nivel mundial han comenzado a mostrar interés en convertirse en inversores de posibles proyectos mineros para la extracción de estos recursos.

A todo esto, la empresa ENERGY Int. presenta una oferta de inversión, pero desea que para ello se le entregue un expediente con la información detallada y así poder decidir sobre un recurso para invertir y comenzar con su respectiva explotación.

El Petróleo

Origen:

Según Susana Chong ^[1], existen diversas teorías sobre el origen del petróleo, aunque la más aceptada por la comunidad científica es que se originó en la descomposición de materia orgánica. Más específicamente, se formó de restos de animales y algas microscópicas acumuladas al fondo del río. Esta materia se cubrió con capas de sedimentos que, a una determinada presión y temperatura, con el paso del tiempo se transformaron en hidrocarburos, siendo estos definidos como compuestos formados de carbón y oxígeno. Sin embargo, no eran puros, ya que contenían, en menor cantidad, azufre, oxígeno, nitrógeno y metales. Toda esta mezcla se denominó petróleo crudo. La teoría se propuso por la localización de los yacimientos petroleros y porque los compuestos que contiene el petróleo (en mayor cantidad) son característicos de los organismos vivientes (de ahí compuestos orgánicos).

Aun así, es tema de debate si lo mencionado anteriormente es verdadero debido a unos hechos algo extraños. Y es que más del 60% de los yacimientos se encuentran en el medio oriente y es poco probable que los animales hayan muerto solo en este lugar. No obstante, se ha justificado la teoría de que proviene de materia orgánica con el hecho de que el Medio Oriente contiene el cementerio más grande de animales del mundo.

Es importante mencionar que el petróleo varía mucho en su composición, pero Susana Chong concluye que contiene entre 83 y 86% de carbono y entre 11 y 13% de hidrógeno. Mientras el número de carbón sea mayor, contendrá mayores productos pesados y mientras más viejos, tendrán más contenido de hidrocarburos gaseosos y sólidos que líquidos.

Características:

Cuando el petróleo es liquido tiene una densidad menor a la del agua, El petróleo, se compone principalmente de carbono e hidrógeno en la porción 83-87% de C y de 11-14% de H. Actualmente es la principal fuente de energía. Contiene abundantes impurezas de compuestos orgánicos en los que intervienen componentes como el azufre, oxígeno, nitrógeno, alcoholes mezclados.

Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los  átomos de carbono se forman las olefinas; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos.

A diario en el planeta se consume cerca de 95 millones de barriles de petróleo. Es la materia prima principal de industrias multimillonarias como la de los combustibles, textil y el calzado ^[2].

Extracción:

La extracción del petróleo se puede dar de distintas maneras, las cuales dependen en gran parte de ciertos factores como la ubicación del yacimiento o sus características. El primer paso una vez conocido el lugar del yacimiento, es la perforación, esta suele ser la parte más sencilla del proceso. Consiste en efectivamente, perforar con un gran tubo la superficie del yacimiento, hasta una cierta profundidad a la que se encuentra el petróleo, que puede ser de unos cuantos kilómetros. Luego de ello, se introduce una especie de cañón, el cual al llegar a la profundidad delimitada, perfora el revestimiento del tubo con tal que el líquido fluya por los orificios hechos. A partir de este punto, se podría decir que la manera de transportar el petróleo a la superficie para ser recogido, se divide en dos posibles situaciones:

1. La primera situación se da cuando elementos en el yacimiento como son la presión o el gas y agua que suelen acompañar al petróleo, permiten que el líquido salga prácticamente por si solo hasta la superficie. En este caso, en la parte superior se instala un equipo al que se conoce como “árbol de navidad” que consiste en un conjunto de válvulas que ayudan a controlar la salida del petróleo.
2. La segunda situación se da cuando la energía del yacimiento no es la suficiente como para que el petróleo pueda salir naturalmente. Para esta situación, la técnica más empleada es la del conocido balancín, que mediante un permanente balanceo acciona una bomba en lo profundo que permite que el líquido suba.

Como se mencionó anteriormente, el petróleo de un yacimiento suele estar acompañado de elementos como gas natural y agua, por lo que debe realizarse un proceso de acondicionamiento antes de extraer el líquido. En esta etapa se aprovechan los recursos anteriormente mencionados, por ello el gas suele ser enviado mediante gaseoductos a centros en los que se trabaja este combustible. Finalmente, el petróleo crudo ya aislado es enviado a refinerías, en las que se trabaja la industrialización del recurso. Cabe resaltar que en un yacimiento petrolífero nunca puede aprovecharse el 100% de este combustible, es más, como máximo se llega a un 50% o 60% ^[3].

Usos y aplicaciones:

Actualmente, el petróleo es una fuente de energía muy importante, ya que, se le atribuyen un montón de usos debido a su capacidad de generar energía a partir de este. A este recurso se le atribuyen las siguientes aplicaciones en este mundo moderno ^[4]:

• Transporte

La mayoría de sistemas de transporte del mundo funciona en base a los derivados del petróleo, los cuales, mediante una serie de reacciones, generan movimiento.

• Industria

En la industria moderna, cuando se realizan procesos de manufacturación de algún producto se usan máquinas, las cuales funcionan a base de los derivados del petróleo, lo que hace que sea un producto muy demandado en la actualidad.

• Calefacción e iluminación

El petróleo también sirve para la calefacción de tiendas, oficinas, hogares, entre otros. Asimismo, se usa para generar luz, la cual está presente en todas las ciudades del mundo.

• Lubricantes

Los lubricantes se usan para cualquier tipo de máquinas y todos los tipos de lubricantes se obtienen a partir del petróleo.

• Agricultura

El petróleo también está presente en este sector; ya que, a través de este recurso, se puede producir amoniaco, que sirve como fuente de nitrógeno para la fertilización agrícola. Este uso se incrementó debido a Fritz Haber, ya que, inventó un método para producir amoniaco a nivel industrial.

• Plástico

El plástico es un elemento muy usado en la vida moderna y estos se pueden obtener a partir del petróleo. Algunos de los plásticos obtenidos son los siguientes: poliestireno, cloruro de polivinilo (PVC) y nylon.

• Productos Farmacéuticos

Los productos farmacéuticos son moléculas orgánicas de gran complejidad; por ello, para formar estas moléculas, se necesitan los subproductos del petróleo, los cuales contienen variedad de moléculas orgánicas con las que se puede trabajar y formar el producto farmacéutico.

Impacto ambiental:

El derrame de petróleo provoca efectos desfavorables sobre el medio ambiente, directa o indirectamente. De forma directa afecta al suelo, aire, agua, flora y fauna.

En el caso de los suelos, este desbordamiento de petróleo genera una perturbación en el sustrato original, muchas veces dejándolo inutilizable durante muchos años.

Los efectos sobre el aire son muy frecuentes debido a que a la hora de extraer el hidrocarburo líquido siempre presenta gas. La atracción del gas está definido por la relación gas/petróleo, si el valor es elevado, el gas es percibido y si es poco, es ventilado o quemado por medio de antorchas. El gas natural está constituido por hidrocarburos livianos y puede comprender dióxido de carbono, monóxido de carbono y ácido sulfhídrico. Si el gas producido contiene estos gases, se quema,  pero si es dióxido de carbono, se lo ventea.

El vertido de petróleo en las aguas superficiales reduce la capacidad de oxígeno, además de aportar sólidos y sustancias orgánicas e inorgánicas que perjudican la vida submarina. Por otro lado, en las aguas subterráneas, el aumento de la salinidad (cantidad de sales disueltas en el agua del mar) por la contaminación de las capas con el agua de producción de petróleo con gran contenido salino.

Además, el mar es considerado y utilizado como un barato almacén de componentes contaminantes, pero existen derrames accidentales que sufren grandes barcos que contienen petróleo. Este derramamiento de petróleo en el mar representa una de las mayores causas de contaminación oceánica. Pueden producir en los animales marinos muerte por asfixia, envenenamiento (absorción o contacto) y por exposición a los componentes tóxicos del petróleo; destrucción de los componentes jóvenes o recién nacidos; disminución de la resistencia o aumento de infecciones en especies;  no se produce ni propagan la flora y fauna marina y destrucción de las fuentes alimenticias de las especies superiores.

La especie más afectada son las aves,  pues el petróleo se les impregna en las plumas, lo cual les puede causar ceguera y todo lo mencionado anteriormente debido a que el agua presenta una falsa apariencia limpia, ya que queda cristalina por la muerte de fitoplancton. También aquellos que dependen de algas y plantas, las cuales debido a que el petróleo forma una capa sobre la superficie marina y no deja entrar luz no pueden realizar su fotosíntesis y mueren ^[5].

El Gas Natural

Origen:

Por definición, el gas natural es un compuesto no tóxico que se origina, al igual que el petróleo, en procesos de descomposición de la materia orgánica de hace mucho tiempo. Estas materias se fueron acumulando en el fondo marino y fueron enterradas bajo capas de tierra por fenómenos naturales. Con el pasar del tiempo, sus compuestos fundamentales fueron descomponiéndose en ausencia de oxígeno por acción de las bacterias. La diferencia de presión generó gases que ascendieron hasta llegar a capas de terreno impermeable, quedando atrapadas y originando yacimientos de donde se extrae. Este proceso es parecido a cuando tiramos desecho orgánico, que al descomponerse produce un gas parecido al gas natural.

El gas natural está compuesto por una mezcla de hidrocarburos en la que el principal componente es el metano. Al igual que el petróleo, su composición química varía dependiendo de donde se encuentre, hasta puede estar en contacto con otras moléculas como el ácido sulfhídrico, entre otros ^[6].

Características:

Combustible fósil incoloro y es menos contaminante que el gas licuado ya que emite menos gases contaminantes (CO₂, CH₄ y SO₂). Su componente principal es el metano. Es un gas liviano, más ligero que el aire. Su poder calorífico es el doble del gas manufacturado. Es un gas seco, eficiente y abundante, además no es corrosivo. No produce envenenamiento al ser inhalado; es decir, no es tóxico.

Extracción:

Para dar inicio a la extracción del gas, primero deben realizarse diversos análisis que permitan obtener una localización precisa del yacimiento, el cual puede encontrarse tanto en la superficie terrestre como bajo el mar. El gas dentro de un yacimiento puede encontrarse en dos diferentes estados, a los que se les llama “libre” y “asociado”; cuando un gas se encuentra en estado libre significa que su extracción se puede darse de manera independiente; en cambio cuando se encuentra asociado a otros elementos como el petróleo o el carbón, debe realizarse una purificación.

Una vez que ya se tiene la certeza de la ubicación de un yacimiento de gas natural, se procede a la perforación del mismo. La técnica de perforación más empleada es la de rotación directa, que consiste en emplear un brazo perforador que a medida que va bajando, traslada la materia perforada hacia la superficie mediante su interior hueco. Sin embargo, recientemente se están desarrollando técnicas de perforación horizontal que permitirían el acceso a yacimientos más alejados sin tener que cambiar de plataforma.

Aunque actualmente se están aprovechando más tipos de yacimientos, como en las pizarras y esquistos, en arenas de baja permeabilidad o en capas de carbón; estos en general van ligados con la extracción de lo que se conoce como gas no convencional ^[7].

Usos y aplicaciones:

Inicialmente, el gas natural solo podía ser usado como alumbrado; sin embargo, con el paso del tiempo, las tecnologías fueron mejorando y, con ello, el poder de manipulación del hombre sobre la naturaleza. Por lo tanto, el gas natural empezó a ser de usado para, mediante tecnología, generar luz, calor, frío y electricidad. Se le empezó a dar más importancia a este recurso debido al control que tenemos sobre este ^[8].

Con lo dicho anteriormente, el gas natural puede ser usado para múltiples propósitos, entre ellos tenemos:

• En el hogar

Mediante este nuevo recurso pasamos de usar equipos electrodomésticos a equipos gasodomésticos. Estos nuevos aparatos nos permiten cocinar, lavar y secar con gas natural. Otro uso puede ser el de la terma de la ducha así como la calefacción de la casa usando las conocidas calderas de calefacción que funcionan a base de gas natural.

• En el comercio y la industria

El gas natural, además del uso doméstico, está presente en el sector comercial, siendo relevante en entidades públicas como hospitales, colegios, hoteles, entre otros. Siendo útil en la generación de calor o frío para estas entidades.

Asimismo, en el sector industrial, se aprovecha el poder calorífico de este recurso para obtener energía. Esto se refleja en los sectores de textilería, metalurgia, vidrio y cerámica. Además, en el área de la química, se utiliza como fuente de hidrocarburos e hidrógeno.

• En la electricidad

En esta área, el gas natural, debido a su rendimiento energético y menor impacto ambiental, es considerado como una buena fuente para generar electricidad. Entre las centrales usadas para generar energía, podemos considerar 3 tipos.

• Centrales térmicas convencionales

Se usa un sistema caldera-turbina de vapor con un rendimiento del 33%.

• Centrales de cogeneración termoeléctrica

Se aprovechan del calor residual de motores y turbinas con un rendimiento alrededor del 55%.

• Centrales de ciclo combinado

Combina una turbina de gas y una turbina de vapor y su rendimiento es del 57%.

Impacto ambiental:

Es un combustible  más limpio que el carbón y el petróleo, ya que se produce mínimas cantidades de azufre, mercurio y otras partículas, y se suele utilizar como el sustituto del carbón, considerado el combustible fósil con menor impacto ambiental, esto debido a que los pocos residuos de su combustión son utilizados como energía en el sector terciario, estos gases contaminantes (CO₂, SO₂, NO₂ Y CH₄) poseen menores emisiones por unidad de energía producida. Además se puede emplear como combustible para vehículos, mejorando la calidad medioambiental del aire en las grandes ciudades ^[9].

Sin embargo, el desarrollo del gas no convencional puede afectar la calidad del aire, en algunas áreas se han experimentado grandes concentraciones de contaminación ambiental. Una exposición mayor antes este gas puede producir problemas respiratorios, cardiovasculares y hasta cáncer ^[10].

El Carbón

Origen:

El origen del carbón comenzó durante la era conocida como el periodo carbonífero hace unos 290 y 360 millones de años. La acumulación de lodo y sedimentos, añadiendo fenómenos naturales, han estado enterrando humedales a grandes profundidades. Mientras más profundo era este entierro, el material vegetal se sometía a altas temperaturas y presiones, lo que ocasionó los cambios físicos y químicos que lo transformaron en carbón.

Específicamente, la erosión provoca que se separen pequeños fragmentos de rocas, vegetales, siendo transportados a otros lugares como el mar o el océano, donde se acumula y forma sedimentos (puede pasar que no se transporte y que se sedimente en el mismo lugar, también generando carbón). Con el paso del tiempo, el peso de los materiales hacía que se aplaste los materiales inferiores y que se unan, generando una roca sedimentaria. El carbón es la roca sedimentaria que se genera por la acumulación de restos vegetales ^[11].

Características:

Está constituido por rocas sedimentarias. Mediante la activación  puede purificar el agua. Su color puede variar desde pardo oscuro hasta el negro. Rica en carbono principalmente compuesta por hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno. Es inflamable al contacto en un cierto porcentaje con elementos volátiles. Es uno de los elementos fundamentales para la generación de electricidad, la producción de acero y la fabricación de cemento. Consume calor de la parte combustible y debilita su estructura física. Se la utiliza como calefacción en los hogares domésticos.

Extracción:

Los yacimientos de carbón pueden encontrarse en capas no muy profundas y por tanto cercanas a la superficie; esto significa que se puede establecer una mina a cielo abierto. Una mina a cielo abierto es aquella que no se hace cavando túneles bajo la tierra, sino que se perfora la superficie en una especie de círculos que disminuyen su tamaño a medida que la profundidad es mayor. Generalmente poseen un gran diámetro de varios kilómetros y una profundidad de otros cuantos, aunque demoran un tiempo considerable en conseguir tales dimensiones. Las minas a cielo abierto son las que mejor aprovechan el recurso que se extrae, en este caso el carbón, dado que la extracción es prácticamente directa, con el uso de maquinaria pesada únicamente para transportar el material hasta la superficie.

Sin embargo, en otros casos los yacimientos de carbón se encuentran a una mayor profundidad por lo que una mina a cielo abierto no es la opción más viable. Para estos casos se establece una mina subterránea, que generalmente consiste en un conjunto de túneles que van sujetos por pilares de madera u otro material para evitar el colapso del techo. En este tipo de minas el trabajo es más arduo ya que se realiza casi todo el proceso de extracción manualmente y el transporte suele ser a través de vagones.

Luego de la extracción se transporta el carbón a las plantas para que sea procesado y preparado para su industrialización y comercialización ^[12].

Usos y aplicaciones:

El carbón es de mucha utilidad en el mundo moderno y esto se refleja en que los cinco mayores consumidores de este recurso (China, EEUU, India, Rusia y Japón) son potencias actuales ^[15]. Este combustible es seguro y fácil de almacenar; por ello, las reservas y producción de carbón es 2.6 veces mayor que la del petróleo y 1.9 veces mayor que la del gas natural. A continuación, presentaremos sus usos y aplicaciones en el mundo actual ^[13].

• Generación de energía eléctrica

La energía eléctrica en base al carbón se produce en centrales térmicas de carbón pulverizado.

• Coque

Es el producto de la pirolisis del carbón en ausencia del aire. Se utiliza como combustible en muchas industrias, especialmente en altos hornos.

• Siderurgia

A través del carbón y su mezcla con otros minerales, podemos formar aleaciones cuyas propiedades ofrecen mayor resistencia y elasticidad. Algunas aleaciones son el hierro dulce, el acero y la fundición.

• Industria

Se utiliza especialmente en fábricas de cemento y ladrillo, donde se requiere bastante energía.

• Uso doméstico

El carbón fue usado inicialmente como combustible en el hogar y, además, para la calefacción; sin embargo, este ha sido desplazado por fuentes de menor impacto ambiental.

• Carboquímica

Mediante la gasificación, se obtiene un gas del carbón llamado gas de síntesis, el cual se puede transformar en productos químicos como el amoniaco, el etanol, la gasolina y gasóleo.

Impacto ambiental:

El carbón, a pesar de que no parezca, genera grandes impactos en el ambiente en su combustión debido a la liberación de gases, además de los líquidos que sueltan, normalmente, al mar durante el proceso. Así, considerándose uno de los gases más contaminantes del medio ambiente que existen.

La liberación de gases provoca las lluvias ácidas; el efecto invernadero, generando el calentamiento global, aumentando el nivel del mar y los fenómenos de erosión y salinización en zonas costeras; y la formación de smog. Asimismo, las especies que no estén aptos para adaptarse a las altas temperaturas o movilizarse hacia lugares más fríos, morirán y se extinguirán ^[14].

Según la Organización Mundial de Salud (OMS), la contaminación que genera la utilización de carbón en hogares, ha traído enfermedades y llegado hasta la muerte de seres humanos en 21 países. Estos contaminantes traen enfermedades cardiacas y crónicas del aparato respiratorio inferior, cáncer y accidentes cerebro-vasculares ^[15].

Poder Calorífico

Definición:

El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía que se libera en la reacción de combustión, o específicamente referida a la masa de combustible. La cantidad de calor que entre un kilogramo o un metro cúbico de combustible al oxidarse completamente ^[16].

Valores relativos:

El petróleo tiene un poder calorífico de 44000 kJ/kg

El gas natural tiene un poder calorífico de 42000 kJ/kg

El carbón tiene un poder calorífico de 27000 kJ/kg

Postura grupal

Luego de discutir lo expuesto y realizar las investigaciones necesarias sobre el origen, las características, la extracción, los usos y aplicaciones, y el impacto ambiental de los tres combustibles presentados: petróleo, gas natural y carbón, como grupo hemos llegado a la conclusión que el hidrocarburo en el que la empresa Energy Int. debería invertir sería el gas natural.

Nuestra postura se debe a que el gas natural es la fuente de energía más ventajosa, ya que es un combustible limpio, porque se produce mínimas cantidades de azufre, mercurio y otras partículas, además es competencia directa en la generación eléctrica del petróleo y el carbón. Desde otro punto de vista está lo económico, pues tiene un bajo costo y los generadores eléctricos que usan petróleo y carbón se irán reemplazando por unos que utilicen gas natural.

Por otro lado, el impacto ambiental que genera el gas natural es mucho menor que el del petróleo y del carbón, puesto que los gases contaminantes (CO₂, SO₂, NO₂ y CH₄) poseen menores emisiones de unidad por energía que las de los demás combustibles presentados anteriormente.

Además, la eficiencia del gas natural, comparado con el de los otros combustibles, la hace tener una ventaja por la mínima cantidad de energía perdida.