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%).

Orige

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 baix condicions anòxiques, fa millons d'anys. En el pas del temps, esta matèria orgànica, barrejada en fanc, es va enterrar baix 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; despuix, a uns 100 °C, en petròleu; 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 baix 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.

Petròleu

Artícul principal → Petròleu.

Extracció de petròleu en Sicília

Combustible fòssil líquit i viscós que prové de matèria orgànica acumulada durant millons d'anys. Es creu que es va formar fa uns cinquanta millons d'anys despuix que el plàncton quedara 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, nomenat refinament.

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 siga conduït a les unitats de fraccionament. Un cop netejat de les restes d'aigua i sorra comença el procés de destilació fraccionada a dos torres de destilació, una a pressió atmosfèrica i atra al buit, que poden arribar a mesurar cinquanta metros d'alçada. El cru se calfa 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 petròleu (GLP), benzina, querosè, gasoil i subproductes utilisats per a fabricar fuel, olis lubrificants i alquitrà. Atres processos típics del petròleu són el cracking, per tallar les cadenes d'hidrocarburs en atres més chicotetes i en el qual es produïx el gas ciutat, per eixemple; la polimerisació, 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.

Plataforma d'extracció de gas natural "La Gaviota", prop de Bermeo a Viscaya.

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'extrau del jaciment, es tracta en una série de processos i despuix es transporta fins al lloc de consum. Este 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.

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.

Aventages

Els combustibles fòssils produïxen una bona part de l'electricitat que usem per a allumenació, climatisació, 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.

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 numerosos productes d'alt interés econòmic, com per eixemple medicaments, plàstics, fertilisants, pintures, materials de construcció, etc. El carbó i especialment el petròleu són matèries primeres importants per a molts productes químics.

Inconvenients

Els països sense gas natural, en gris, són econòmicament dependents dels productors, en vert.

Archiu:Reservaspetróleo.gif

Distribució desigual del petròleu.

Un dels principals inconvenients és que es tracta de productes que no poden produir els humans, que la natura tria millons d'anys a formar i que ya hem pràcticament esgotat. En queda molt poca quantitat i per a quan es torne a formar el que hem utilisat ya no existiran els humans. Es tracta dons d'un greu problema de sostenibilitat.

Un atre gran problema és el de l'impacte ambiental derivat del seu us. Per la seua composició, rica en carbono i hidrogen, i la seua forma d'us, la combustió, o reacció química en l'oxigen de l'aire; utilisar combustibles fòssils comporta inherentment la producció d'òxits de carbono. El monòxit de carbono (CO), que és tòxic, és abundant en casos de combustions incompletes (males combustions, en poc aire), i el diòxit de carbono (CO₂) es forma massivament en combustions completes (normals, en prou aire). Hom culpa a les excessives emissions d'este gas del canvi climàtic i en general de la contaminació atmosfèrica i, via l'aire, la boira fotoquímica i la pluja àcida, del mig aquós i marí. També s'emeten atres gasos contaminants en efectes negatius per a la salut i per a l'ecosistema, de fet el 80% d'emissions de diòxit de carbono, diòxit de sofre i òxits de nitrogen són causats per estos combustibles. Estos 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 esta fa que també els països que hi pertanyen depenguen econòmicament de les empreses productores a països estrangers. És el cas d'Espanya, per eixemple, que a la pràctica que depén completament d'Algèria per a l'abastiment de gas natural, i d'atres països per al carbó i el petr+oleu.

Contaminant

Els combustibles fòssils són els principals causants de la boira fotoquímica

Els combustibles fòssils es consideren contaminants perqué la seua combustió desprén gasos d'efecte hivernàcul, que són "radioactius" en el sentit que absorbixen fotons d'alta energia i desprenen fotons de baixa energia, és a dir, infrarroigs. Estos combustibles provoquen localment la boira fotoquímica i globalment l'efecte Callendar. Per a obtindre energia a partir d'estos combustibles cal cremar-los, llavors es produïxen reaccions que donen la calor que volem, i que es pot fer servir directament o transformar en electricitat, per eixemple, pero també contaminants atmosfèrics, que cal tractar en filtres i ciclons abans de deixar-los anar a l'aire. De tota manera, una part dels contaminants surt inevitablement a l'atmòsfera terrestre i s'expandix per tot arreu.

Els residus sòlits que es generen també s'han de tractar. La temperatura de l'aire i de l'aigua presos de la natura o de la xàrcia als processos que concernixen estos combustibles s'han de retornar a unes temperatures "no molt alluntades" de la temperatura a la qual van estar agafats, este tractament és obligat per llei perqué incorpora un aument de cost econòmic que en principi l'empresa no voldria assumir. Atres culs contaminants fan referència al paisage, tant a l'extracció, com a les plantes de tractament, el transport i les centrals tèrmiques.

Sostenibilitat

Artícul principal → Desenroll sostenible.

La sostenibilitat no fa referència únicament al mig 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 en les mans, en cistelles, a la vora de la plaja; hi ha zones i països chicotets en molt més petròleu i gas natural del que utilisen; i hi ha grans extensions de territoris, que inclouen molts països sancers, que no disponen de cap tipo d'estos combustibles. El 75% de les reserves de petròleu mundials estan en mans de tan sols nou països. El seu comerç i transport requerix grans quantitats d'energia pero sobretot crea un greu conflicte d'interessos que ha portat a unes quantes guerres, explotació de persones i atres activitats no molt ètiques.

L'eix horisontal 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 baix, que indica la quantitat de combustibles fòssils cremats

D'atra banda, es tracta de productes que no es poden fabricar de manera viable, ya que hom necessitaria més energia per a fer-ho de la que despuix donarien en ser cremats. L'home és dons un recolector d'estos combustibles, pero no en pot produir. La seua generació es deixa en mans de la natura, que necessita centenars de millons d'anys i unes circumstàncies molt especials per a poder-ho fer. No obstant, el consum d'estos per part dels humans és molt més ràpit: el carbó s'ha utilisat en quantitats relativament chicotetes des de l'Edat Mijana, en quantitats industrials a partir de la Revolució Industrial i ya era massa escàs perqué el seu us fos econòmicament rendable al segle XX. En 1859 es va excavar el primer pou de petròleu, a l'inici del segle XX es van començar a fabricar els primers automòvils en motor alimentat per combustibles fòssils i a partir de mijos del mateix segle la majoria de famílies dels països industrialisats en tenien un. Hom estima que el petròleu s'esgotarà abans de la fi del segle XXI. El gas natural, per la seua part, encara que tampoc no vorà el segle XXII sembla que és en quantitats tals que sobreviurà al petròleu, pero també és perqué només es fa servir massivament fins als anys 60 del segle XX.

El desenroll dels països del segon i tercer món va associat a una major demanda d'd'estes productes. Això també ocorre als països desenrollats , sense tindre en conte la sostenibilitat de les seues tecnologies, que haurien d'estar encaminades a crear i potenciar atres fonts d'energia alternatives abans que no quede cap reserva de combustibles fòssils i que això provoque una aturada mundial del transport, la indústria i l'economia tal com la coneixem ara. Per eixemple , 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 fluixos

Els deu països en més reserves de petròleu

Els nivells de les fonts d'energia primàries són les reserves que hi ha baix terra, sense tindre en conte les ya extretes i almagasenades, per eixemple. Els nivells poden aumentar si es descobrixen 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'extraure i, tot i que això pot canviar segons la demanda i l'aument de preus, la que no és econòmicament viable d'extraure.

Els fluixos són la producció, la quantitat que se n'extrau en un temps determinat. La part més important de les fonts d'energia primàries són les fonts d'energia basades en el carbono. El petròleu, 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:

• Petròleu: 1.119-1.317 millons de barrils (178.000-209.000 millons de m³)
• Gas natural: 175-181 billons de m³, 1.161 millons equivalents en barrils de petròleu (BBOE)
• Carbó: 905.000 millons de tones, 4.416 BBOE

Fluixos (producció diària) durant el 2006

• Petròleu: 84 millons de barrils per dia (13 millons de m³)
• Gas: 2,960 billons de m³, 19 millons equivalents en barrils de petròleu per dia (MBOED)
• Carbó: 9.280 tonellades , 29 MBOED

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

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

Noteu que este càlcul assumix que la producció es mantindrà a un nivell constant durant este número d'anys i que totes les reserves assegurades es podrien recuperar. En realitat, el consum de tots tres recursos ha anat aumentant. Encara que això sugerix 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, despuix del qual la producció disminuirà fins que arribe a un punt on no siga 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 millons de barrils.

Consum

Espanya va consumir en 2000 126 Mtep d'energia primària, dels quals el 84'8% provenia de combustibles fòssils. Quasi la mitat del consum d'energia final va ser per al transport, seguit de la indústria, el domèstic, els servicis i l'agricultura. La tendència de consum és una llaugera devallada del petròleu a canvi d'un aument 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 creiximent de la demanda energètica al món es farà en combustibles fòssils i que la Unió Europea aumentarà les importacions energètiques des del 56% actual fins al 65% l'any 2030. Fins a l'any 2030 l'increment de consum energètic en Europa serà del 12%, en el sEstats Units del 25%, en China del 109%, en l'Índia del 93% i a tot el món del 53%.

Límits i alternatives

L'Associació per l'Estudi del Pic del Petròleu i del Gas estimava en 2004 que a partir de 2010 la producció mundial de petròleu aniria disminuint

Artícul principal → Pic petroler.

Segons el principi de l'oferta i la demanda sembla que a mesura que les reserves de combustibles fòssils vagen disminuint, els seus preus aniran pujant. A mesura que els preus d'estos combustibles siguen més elevats, la ventaja comparativa d'atres fonts d'energia, com per eixemple les energies renovables, s'anirà fent més gran, fins a arribar un moment en qué siguen econòmicament més interessants que els combustibles fòssils.

Aixina, per eixemple, les gasolines artificials, que hui no són rendables perqué la seua producció és més cara que la dels combustibles derivats del petròleu, poden convertir-se en econòmicament viables en un futur pròxim. També eixiran 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 ya té un cost d'un orde semblant a l'obtinguda a les centrals tèrmiques en 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)