Combustibles fòssils

Pila de carbó, un dels principals combustibles fòssils

Els combustibles fòssils són aquells combustibles originats per la fossilisació de matèria orgànica: el carbó, el petròleu i el gas natural. En llocs concrets de la Terra es poden trobar l'energia solar que diferents organismes vius van absorbir fa millons d'anys i que per un procés complex de transformació, es van convertir en els actuals combustibles fòssils, que s'usen actualment entre atres coses per obtindre energia tèrmica.

No són energies renovables perqué requerixen molts millons d'anys i una evolució semblant per a obtindre-los de nou de forma natural, i no és viable fer-los de manera artificial. Presenten, dons, greus problemes de sostenibilitat. No obstant, són la base del nostre creiximent econòmic i demogràfic: sense ells, el sistema colapsaria. En 2003 la combustió de carbó, petròleu i gas natural va representar 87'7% de la producció energètica mundial. També són grans contaminants, i en particular els principals responsables del canvi climàtic a causa de les emissions de diòxit de carbono.

S'han originat de forma natural per un procés de fossilisació en anòxia (manca d'oxigen) ambiental: la matèria orgànica no s'ha degradat per microorganismes (que no hi poden viure), fent-se diòxit de carbono (CO₂) i aigua (H₂O), sino que permaneix en forma de molècules orgàniques més complexes, sòlides, líquides o gas, l'energia de les quals és la que se llibera en utilisar-los com a combustible.

Primera font actual d'energia

Fonts d'energia al món l'any 2006

La Energy Information Administration va estimar el 2006 que les principals fonts primàries d'energia al món eren: el petròleu en un 35'9%, el carbó en un 27'4% i el gas natural en un 22'8%. Per tant, en un 86%, els combustibles fòssils són la font d'energia principal al món. Es poden usar directament o be en centrals tèrmiques, per a obtindre electricitat. Alguns combustibles no fòssils utilisats al món com a energies primàries en 2006 són l'energia hidroelèctrica (6'3%), considerada energia renovable, l'energia nuclear (5'9%) i en menor grau les energies solar, eòlica, geotèrmica, etc. que només sumen un 1'0% de la producció mundial total.

La tendència actual sembla ser d'usar-les cada cop més, almenys mentres siga possible. Per eixemple, en els deu anys compresos entre 1996 i 2006 la producció mundial de combustibles fòssils va aumentar una mijana del 26%, més que la nuclear (16%) i la hidroelèctrica (20%).

Origen

Els combustibles fòssils es formen per la descomposició anaeròbica de les restes d'organismes que es van depositar al fons del mar o d'un llac en grans quantitats sota condicions anòxiques, fa millons d'anys. En el pas del temps, esta matèria orgànica, barrejada amb fanc, es va enterrar sota capes pesants de sediments. Estes capes van provocar nivells alts de pressió (uns cent millons de pascals) i temperatura (de centenars de graus celsius) i van fer que la matèria orgànica s'alteres químicament: primer a un material cerós nomenat querosè, quan la temperatura és d'uns 50 °C; després, a uns 100 °C, en petroli; i finalment, en 120 °C - 150 °C, es forma el gas natural.

El carbó es forma a partir de plantes (majoritàriament arbres) terrestres que vivien en zones pantanoses o al costat del mar, que van quedar enterrades sota capes de sediments. Llavors, la matèria orgànica, que era rica en oxigen, hidrogen i petròleu, va convertir-se en més rica en carbono i pobra en hidrogen i oxigen. La majoria dels jaciments de carbó daten del carbonífer.

Els combustibles fòssils necessiten una enorme quantitat de matèria orgànica i de temps per a generar-se. Per eixemple:

• Un litro de gasolina normal el resultat acumulat d'unes 23,5 tonellades de material orgànic antic depositat al fons de l'oceà.
• El combustible fòssil total consumit l'any 1997 era l'equivalent de tota la matèria vegetal que va créixer a la superfície de la Terra i a tots els oceans al llarc de 422 anys.

L'exagerat consum d'estes combustibles per part dels humans des de la revolució industrial, és a dir, de les darreres quatre generacions de persones, fins a quasi esgotar-los per complet, genera un greu problema de sostenibilitat i capacitat de càrrega. Se calcula que estes s'esgotaran en uns cinquanta anys com a màxim i no en sabem produir.

Tipos de combustibles fòssils

Carbó

Artícul principal → Carbó.

Mina de carbó a Estercuel Aragó

Este combustible fòssil és una roca sedimentària d'orige orgànic que prové de restes vegetals que creixien a les marasmes i que van quedar enterrades pel fanc. A causa de l'absència d'oxigen no es van poder degradar i en el pas del temps i la pressió del pes de les capes de terra va fer que es fossilisaren fins a transformar-se en carbó. La seua formació data de fa uns 350 millons d'anys, a l'Era Primària. A les centrals termoelèctriques es transforma en electricitat.

Segons la seua estructura química es classifiquen en diferents tipos de carbó segons la seua composició mineralògica en quatre grans grups:

• Torba: És el més recent i que aporta menys calor perqué té una alta proporció d'oxigen i hidrogen en relació al carbono (60%). Sovint es poden apreciar a ull nu les estructures vegetals que el conformen.
• Lignit: És recent i no té tant poder calorífic a causa del seu baix contingut en carbono. Conté un 50% de carbono.
• Hulla: És un dels més antics i alt poder calorífic. És el carbó més comercialisat i el que més s'utilisa, per eixemple, a les centrals tèrmiques. Conté un 80% de carbono.
• Antracita: el més antic i en més proporció de carbono (95%), pel que té el més alt poder calorífic.

S'usa sobretot a calderes industrials i a centrals termoelèctriques. També existix el carbó vegetal, que s'obté artificialment, per mijà de la piròlisis, o combustió parcial de la llenya en poca o gens presència d'oxigen (anaeròbia). El carbó es pot gasificar per a obtindre hidrogen i per a ser utilisat com a combustible d'una atra manera (gas natural sintètic, GNS). No s'ha de confondre el carbó gasificat en el grisú, que és un gas que surt a les mines de carbó i que s'elimina per seguritat, ya que pot provocar incendis i explosions. També es pot convertir en un combustible líquit, que duplicarà la seua potència calorífica, per mijà de la liquació del carbó, que pot ser directa o indirecta. A partir de la destilació seca del carbó es poden obtindre atres productes, com el carbó de coc, el gas ciutat, olis o alquitrà.

Petroli

Artícul principal → Petroli.

thumb|Extracció de petroli a Sicília

Combustible fòssil líquit i viscós que prové de matèria orgànica acumulada durant milions d'anys. Es creu que es va formar fa uns cinquanta millons d'anys després que el plàncton quedés cobert per diferents materials sedimentaris i a una certa pressió i temperatura i per l'acció de microorganismes fins a formar-se el petròleu. El que s'obté directament del jaciment és el que se nomena petròleu cru. Per a poder utilisar l'energia que aporta ha de passar per un procés de transformació, anomenat refinament.

thumb|left|Injecció en un motor de combustió El refinament del petròleu té lloc a les plantes petroquímiques, també nomenades refineries. Primer de tot cal netejar el petròleu cru abans que sigui conduït a les unitats de fraccionament. Un cop netejat de les restes d'aigua i sorra comença el procés de destilació fraccionada a dues torres de destilació, una a pressió atmosfèrica i altra al buit, que poden arribar a mesurar cinquanta metres d'alçada. El cru s'escalfa a uns 320 °C - 340°C i es convertix en gas, este va pujant per la torre a mesura que els diferents components arriben al seu punt d'ebullició i segons van pujant es van refredant i condensant a diferents nivells (platets).

Un cop condensats es van recollint, per orde, els següents productes: butà i atres gasos liquats del petroli (GLP), benzina, querosè, gasoil i subproductes utilisats per a fabricar fuel, olis lubrificants i quitrà. Altres processos típics del petroli són el cracking, per tallar les cadenes d'hidrocarburs en altres més petites i en el qual es produïx el gas ciutat, per exemple; la polimerització, que, al contrari, transforma les cadenes curtes en llargues, unint-les; el reforming, per a modificar les característiques de les benzines; etc.

Gas natural

Artícul principal → Gas natural.

[[Fitxer:Plataforma La Gaviota.jpg|thumb|Plataforma d'extracció de gas natural "La Gaviota", prop de Bermeo a Biscaia]] És producte de la matèria orgànica acumulada durant millons d'anys. La seua composició majoritària és de metà i està present en la majoria de jaciments petrolífers. Les dificultats tècniques del seu tractament, de la construcció d'una xàrcia de gaseoductes i dels sistemes de distribució i transport necessaris van començar a ser rendables gràcies a l'aument del preu del petròleu. Un cop s'extreu del jaciment, es tracta en una sèrie de processos i després es transporta fins al lloc de consum. Aquest transport es pot dur a terme de dos maneres:

• Gaseoductes: que són canonades molt grans per on circula el gas bombejat a pressió, impulsat per bombes de pressió. El gaseoducte Magreb-Europa i el Medgaz en són dos eixemples.
• Vaixells: el gas s'hi transporta liquat en cisternes, perqué se'n puga transportar més quantitat.

thumb|left|Gas natural com a combustible Un dels processos més importants al que se somet el gas natural és l'odorisció, al qual se li afegixen una série d'aditius que li donen olor per tal de fer evidents i facilitar la localisació de les fuites. El gas general es pot usar per a generar electricitat i especialment en tecnologies d'alt rendiment, com són els cicles combinats; també en el sector de la refrigeració; i com a combustible d'autobusos urbans, coches, vaixells, etc.; com a combustible de gasodomèstics: llavadores, llavaveixells, etc.; per a obtindre calor domèstica: forn, calefacció, calfament d'aigua sanitària, etc.; o com a matèria primera per a la producció industrial.

Avantatges

thumb|Els combustibles fòssils produïxen una bona part de l'electricitat que usem per a iluminació, climatització, refrigeració d'aliments i de computadores, per a aparells elèctrics i electrònics, etc. Els combustibles fòssils permeten una obtenció d'energia molt concentrada que ha obert el camí als canvis tecnològics que diferencien la vida quotidiana actual de la d'abans de la Revolució Industrial. Cal recordar que l'electricitat és una energia obtinguda per transformació a partir d'energies primàries, i que la majoria d'estes, en percentage, al món, a Espanya, són combustibles fòssils.

thumb|left|Tenim accés a productes no locals gràcies al seu transport usant combustibles fòssils De la mateixa manera que la majoria de motors d'automòvil s'han desenrollat al llarc d'un segle només a partir de l'Otto i del Dièsel, deixant de banda el Wankel, per eixemple; en general s'han desenrollat poques tecnologies que usen combustibles diferents dels inicials, és a dir, no fòssils. A la producció d'energia mereixen un cas a part les centrals nuclears, i recentment l'esforç que hom està fent en les energies renovables. No obstant, cap d'estes energies s'usen habitualment de manera principal als transports, a la indústria o de manera domèstica a les llars. Per tant, els combustibles fòssils són actualment els més cómodes i que requerixen menor inversió i menor risc econòmic.

Són a més la font d'electricitat, i d'energia en general, més barata. Encara que els combustibles siguen cars, l'única font competitiva econòmicament és l'energia nuclear. Un kWh d'energia provinent de combustibles fòssils costava en 1995 als Estats Units entre 0'001$ i 0'005$, mentres que un d'energia solar, per eixemple, en costava 0'160$ i un d'eòlica 0'115$.

A la producció de combustibles fòssils s'elaboren també nombrosos productes d'alt interès econòmic, com per exemple medicaments, plàstics, fertilitzants, pintures, materials de construcció, etc. El carbó i especialment el petroli són matèries primeres importants per a molts productes químics.

Inconvenients

thumb|esquerra|Els països sense gas natural, en gris, són econòmicament dependents dels productors, en verd. thumb|esquerra|Distribució desigual del petroli. Un dels principals inconvenients és que es tracta de productes que no poden produir els humans, que la natura triga milions d'anys a formar i que ja hem pràcticament esgotat. En queda molt poca quantitat i per a quan es torni a formar el que hem utilisat ya no existiran els humans. Es tracta doncs d'un greu problema de sostenibilitat.

Un altre gran problema és el de l'impacte ambiental derivat del seu ús. Per la seva composició, rica en carboni i hidrogen, i la seva forma d'ús, la combustió, o reacció química amb l'oxigen de l'aire; utilitzar combustibles fòssils comporta inherentment la producció d'òxids de carboni. El monòxid de carboni (CO), que és tòxic, és abundant en casos de combustions incompletes (males combustions, en poc aire), i el diòxid de carboni (CO₂) es forma massivament en combustions completes (normals, amb prou aire). Hom culpa a les excessives emissions d'aquest gas del canvi climàtic i en general de la contaminació atmosfèrica i, via l'aire, la boira fotoquímica i la pluja àcida, del medi aquós i marí. També s'emeten altres gasos contaminants amb efectes negatius per a la salut i per a l'ecosistema, de fet el 80% d'emissions de diòxid de carboni, diòxid de sofre i òxids de nitrogen són causats per aquests combustibles. Aquests inconvenients són directament proporcionals al problema de la capacitat de càrrega de les persones a la Terra.

Els combustibles fòssils no estan repartits per igual a tot el món, i la dependència de la societat occidental actual vers aquesta fa que també els països que hi pertanyen depenguin econòmicament de les empreses productores a països estrangers. És el cas d'Espanya, per exemple, que a la pràctica que depèn completament d'Algèria per a l'abastiment de gas natural, i d'altres països per al carbó i el petroli.

Contaminant

[[Fitxer:Santiago30std.jpg|thumb|Els combustibles fòssils són els principals causants de la boira fotoquímica]]

Els combustibles fòssils es consideren contaminants perquè la seva combustió desprèn gasos d'efecte hivernacle, que són "radioactius" en el sentit que absorbeixen fotons d'alta energia i desprenen fotons de baixa energia, és a dir, infraroigs. Aquests combustibles provoquen localment la boira fotoquímica i globalment l'efecte Callendar. Per a obtenir energia a partir d'aquests combustibles cal cremar-los, aleshores es produeixen reaccions que donen la calor que volem, i que es pot fer servir directament o transformar en electricitat, per exemple, però també contaminants atmosfèrics, que cal tractar amb filtres i ciclons abans de deixar-los anar a l'aire. De tota manera, una part dels contaminants surt inevitablement a l'atmosfera terrestre i s'expandeix per tot arreu.

Els residus sòlids que es generen també s'han de tractar. La temperatura de l'aire i de l'aigua presos de la natura o de la xarxa als processos que concerneixen aquests combustibles s'han de retornar a unes temperatures "no gaire allunyades" de la temperatura a la qual van estar agafats, aquest tractament és obligat per llei perquè incorpora un augment de cost econòmic que en principi l'empresa no voldria assumir. Altres culs contaminants fan referència al paisatge, tant a l'extracció, com a les plantes de tractament, el transport i les centrals tèrmiques.

Sostenibilitat

Artícul principal → Desenvolupament sostenible.

[[Fitxer:Esquema-desenvolupament-sostenible.png|thumb|La sostenibilitat no fa referència únicament al medi ambient, sinó que dóna igual importància al benestar social i a l'economia. Per tant, un problema de sostenibilitat l'és també econòmic.]] Els combustibles fòssils es troben repartits de manera molt irregular a l'escorça terrestre: hi ha hagut zones on el carbó es recollia amb les mans, en cistelles, a la vora de la platja; hi ha zones i països petits amb molt més petroli i gas natural del que utilitzen; i hi ha grans extensions de territoris, que inclouen molts països sencers, que no disposen de cap tipus d'aquests combustibles. El 75% de les reserves de petroli mundials estan en mans de tan sols nou països. El seu comerç i transport requereix grans quantitats d'energia però sobretot crea un greu conflicte d'interessos que ha portat a unes quantes guerres, explotació de persones i altres activitats no gaire ètiques.

thumb|left|L'eix horitzontal correspon als anys. A dalt es mostra l'evolució de la quantitat de CO₂ a l'aire, la corba s'assembla a la blava de sota, que indica la quantitat de combustibles fòssils cremats D'altra banda, es tracta de productes que no es poden fabricar de manera viable, ja que hom necessitaria més energia per a fer-ho de la que després donarien en ser cremats. L'home és doncs un recol·lector d'aquests combustibles, però no en pot produir. La seva generació es deixa en mans de la natura, que necessita centenars de milions d'anys i unes circumstàncies molt especials per a poder-ho fer. Tanmateix, el consum d'aquests per part dels humans és molt més ràpid: el carbó s'ha utilitzat en quantitats relativament petites des de l'Edat Mitjana, en quantitats industrials a partir de la Revolució Industrial i ja era massa escàs perquè el seu ús fos econòmicament rendible al segle XX. En 1859 es va excavar el primer pou de petroli, a l'inici del segle XX es van començar a fabricar els primers automòbils amb motor alimentat per combustibles fòssils i a partir de mitjans del mateix segle la majoria de famílies dels països industrialitzats en tenien un. Hom estima que el petroli s'esgotarà abans de la fi del segle XXI. El gas natural, per la seva part, encara que tampoc no veurà el segle XXII sembla que és en quantitats tals que sobreviurà al petroli, però també és perquè només es fa servir massivament fins als anys 60 del segle XX.

El desenvolupament dels països del segon i tercer món va associat a una major demanda d'aquests productes. Això també ocorre als països desenvolupats, sense tenir en compte la sostenibilitat de les seves tecnologies, que haurien d'estar encaminades a crear i potenciar altres fonts d'energia alternatives abans que no quedi cap reserva de combustibles fòssils i que això provoqui una aturada mundial del transport, la indústria i l'economia tal com la coneixem ara. Per exemple, l'extracció de petroli mundial està caient un 6'4% anual, i d'aquí al 2030 farà falta 7 vegades la producció d'Aràbia Saudita per cobrir el creixement de la demanda. Sabem que la solució als problemes energètics no vindrà d'una sola font d'energia ni tecnologia, a causa de la irregularitat de les fonts d'energia renovables, per això cal disposar d'una bona combinació de fonts d'energia.

Nivells i fluxos

thumb|Els deu països amb més reserves de petroli Els nivells de les fonts d'energia primàries són les reserves que hi ha sota terra, sense tenir en compte les ja extretes i emmagatzemades, per exemple. Els nivells poden augmentar si es descobreixen nous llocs on hi ha un combustible fòssil, tot i que cada cop és més difícil trobar-ne de nous. Els nivells inclouen la quantitat total, de la qual cal restar la quantitat que no és tècnicament viable d'extreure i, tot i que això pot canviar segons la demanda i l'augment de preus, la que no és econòmicament viable d'extreure.

Els fluxos són la producció, la quantitat que se n'extreu en un temps determinat. La part més important de les fonts d'energia primàries són les fonts d'energia basades en el carboni. El petroli, el carbó i el gas natural representen el 79'6% de la producció d'energia primària durant el 2002.[on?]

Nivells (reserves assegurades) durant el 2005-2007:

• Petroli: 1.119-1.317 milions de barrils (178.000-209.000 milions de m³)
• Gas natural: 175-181 bilions de m³, 1.161 milions equivalents en barrils de petroli (BBOE)
• Carbó: 905.000 milions de tones, 4.416 BBOE

Fluxos (producció diària) durant el 2006

• Petroli: 84 milions de barrils per dia (13 milions de m³)
• Gas: 2,960 bilions de m³, 19 milions equivalents en barrils de petroli per dia (MBOED)
• Carbó: 9.280 tones, 29 MBOED

Anys de producció restants sota terra segons les aproximacions de reserves assegurades més optimistes (Oil & Gas Journal, World Oil)

• Petroli: 43 anys
• Gas: 167 anys
• Carbó: 417 anys

Noteu que aquest càlcul assumeix que la producció es mantindrà a un nivell constant durant aquest nombre d'anys i que totes les reserves assegurades es podrien recuperar. En realitat, el consum de tots tres recursos ha anat augmentant. Encara que això suggereix que cada recurs s'esgotarà més ràpidament, en realitat, la corba de producció és més similar a una corba de campana. En algun moment, la producció de cada recurs en una àrea, país o al món arribarà a un valor màxim, després del qual la producció disminuirà fins que arribi a un punt on no sigui prou factible econòmicament o físicament possible de produir. Noteu que les estimacions de reserves assegurades no inclouen reserves estratègiques, que tenen una quantitat global de 4.100 milions de barrils.

Consum

Espanya va consumir en 2000 126 Mtep d'energia primària, dels quals el 84'8% provenia de combustibles fòssils. Gairebé la meitat del consum d'energia final va ser per al transport, seguit de la indústria, el domèstic, els serveis i l'agricultura. La tendència de consum és una lleugera davallada del petroli a canvi d'un augment del consum de gas natural. En 2007 Espanya importa el 85% d'energia consumida. S'haurà de competir internacionalment pels recursos energètics. S'estima que en 2030 el 90% del creixement de la demanda energètica al món es farà amb combustibles fòssils i que la Unió Europea augmentarà les importacions energètiques des del 56% actual fins al 65% l'any 2030. Fins a l'any 2030 l'increment de consum energètic a Europa serà del 12%, als Estats Units del 25%, a Xina del 109%, a l'Índia del 93% i a tot el món del 53%.

Catalunya en 2003 va consumir 25.948 ktoe d'energia primària. L'any 2003, els combustibles fòssils van contribuir amb un 71% al subministrament d'energia primària (petroli 48%, gas natural 22% i carbó 1%). Un 25% provenia de l'energia nuclear i l'energia provinent de les renovables contribuïa amb un 3%. La tendència de consum és una davallada del carbó, el consum del qual és ja molt baix, un augment lleu del consum del petroli i un augment major de gas nuclear. La tendència per als combustibles fòssils en conjunt és d'una alça en el seu consum. L'energia final es gasta sobretot al transport de persones i de mercaderies, el segueix el consum domèstic a les llars, que suma amb el transport més de la meitat d'energia consumida total. El segueixen usos industrials, sobretot químics i de fabricació de ciment, agricultura i serveis.

Límits i alternatives

[[Fitxer:GlobalPeakOilForecast.jpg|thumb|L'Associació per l'Estudi del Pic del Petroli i del Gas estimava en 2004 que a partir de 2010 la producció mundial de petroli aniria disminuint]]

Artícul principal → Pic petrolier.

Segons el principi de l'oferta i la demanda sembla que a mesura que les reserves de combustibles fòssils vagin disminuint, els seus preus aniran pujant. A mesura que els preus d'aquests combustibles siguin més elevats, l'avantatge comparatiu d'altres fonts d'energia, com per exemple les energies renovables, s'anirà fent més gran, fins a arribar un moment en què siguin econòmicament més interessants que els combustibles fòssils.

Així, per exemple, les gasolines artificials, que avui no són rendibles perquè la seva producció és més cara que la dels combustibles derivats del petroli, poden esdevenir econòmicament viables en un futur pròxim. També sortiran guanyant les energies renovables, com l'energia hidràulica, l'eòlica i la solar, i en alguns casos la geotèrmica. Per a la producció d'electricitat, la que es troba en millor posició, en termes estrictament econòmics, és l'energia obtinguda a centrals nuclears, que ja té un cost d'un ordre semblant a l'obtinguda a les centrals tèrmiques amb hidrocarburs.

Enllaços externs

• [[Archiu:{{#switch:Energia|20px|Vore el portal sobre Energia]] Portal:Energia. Contingut relacionat en Energia.

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Combustibles fòssils.
• L'energia dels fòssils Museu de la Ciència i la Tècnica de Catalunya, 2008
• S'estan esgotant els combustibles fòssils? Reserves de carbó, gas natural i petroli de Miquel Àngel Rodríguez-Arias. Laboratori de Recerca del Clima, al Parc Científic de Barcelona. Publicat a Sostenible?
• Animació sobre la formació del petroli i el gas natural The University of Waikato, publicat a The Science Learning Hub en 2008 (anglés)