El carbón es una roca sedimentaria combustible de color negro o marrón-negro , formada como estratos rocosos llamados vetas de carbón . El carbón es principalmente carbono con cantidades variables de otros elementos , principalmente hidrógeno , azufre , oxígeno y nitrógeno . [1] El carbón es un tipo de combustible fósil , que se forma cuando la materia vegetal muerta se descompone en turba que se convierte en carbón por el calor y la presión del entierro profundo durante millones de años. [2] Vastos depósitos de carbón se originan en antiguos humedales llamados bosques de carbón que cubrían gran parte de las áreas terrestres tropicales de la Tierra durante los tiempos Carbonífero tardío ( Pensilvaniano ) y Pérmico . [3] [4]
El carbón se utiliza principalmente como combustible. Si bien el carbón se conoce y se utiliza desde hace miles de años, su uso fue limitado hasta la Revolución Industrial . Con la invención de la máquina de vapor , el consumo de carbón aumentó. [5] En 2020, el carbón suministró aproximadamente una cuarta parte de la energía primaria del mundo y más de un tercio de su electricidad . [6] Algunos procesos industriales, como la fabricación de hierro y acero , queman carbón.
La extracción y quema de carbón daña el medio ambiente , causando muerte prematura y enfermedades, [7] y es la mayor fuente antropogénica de dióxido de carbono que contribuye al cambio climático . Catorce mil millones de toneladas de dióxido de carbono se emitieron por la quema de carbón en 2020, [8] lo que representa el 40% de las emisiones totales de combustibles fósiles [9] y más del 25% de las emisiones totales mundiales de gases de efecto invernadero . [10] Como parte de la transición energética mundial , muchos países han reducido o eliminado su uso de energía a base de carbón . [11] [12] El Secretario General de las Naciones Unidas pidió a los gobiernos que dejaran de construir nuevas plantas de carbón para 2020. [13]
El uso mundial de carbón fue de 8.300 millones de toneladas en 2022, [14] y se prevé que se mantenga en niveles récord en 2023. [15] Para cumplir el objetivo del Acuerdo de París de mantener el calentamiento global por debajo de los 2 °C (3,6 °F), el uso de carbón debe reducirse a la mitad entre 2020 y 2030, [16] y la "reducción gradual" del carbón se acordó en el Pacto Climático de Glasgow .
El mayor consumidor e importador de carbón en 2020 fue China , que representa casi la mitad de la producción anual mundial de carbón, seguida de India con aproximadamente una décima parte. Indonesia y Australia son los que más exportan, seguidos de Rusia . [17] [18]
La palabra originalmente tomó la forma col en inglés antiguo , del protogermánico reconstruido * kula ( n ), de la raíz protoindoeuropea * g ( e ) u-lo- "carbón vivo". [19] Los cognados germánicos incluyen el frisón antiguo kole , el holandés medio cole , el holandés kool , el alto alemán antiguo chol , el alemán Kohle y el nórdico antiguo kol . El irlandés gual también es un cognado a través de la raíz indoeuropea. [19]
La conversión de la vegetación muerta en carbón se denomina carbonización. En varias épocas del pasado geológico, la Tierra tuvo bosques densos [20] en áreas bajas. En estos humedales, el proceso de carbonización comenzó cuando la materia vegetal muerta se protegió de la oxidación , generalmente con barro o agua ácida, y se convirtió en turba . Las turberas resultantes , que atraparon inmensas cantidades de carbono, finalmente fueron enterradas profundamente por sedimentos. Luego, durante millones de años, el calor y la presión del enterramiento profundo causaron la pérdida de agua, metano y dióxido de carbono y aumentaron la proporción de carbono. [21] El grado de carbón producido dependía de la presión y temperatura máximas alcanzadas, con lignito (también llamado "carbón pardo") producido en condiciones relativamente suaves, y carbón subbituminoso , carbón bituminoso o carbón antracita (también llamado "carbón duro" o "carbón negro") producido a su vez con el aumento de la temperatura y la presión. [2] [22]
De los factores que intervienen en la carbonización, la temperatura es mucho más importante que la presión o el tiempo de enterramiento. [23] El carbón subbituminoso puede formarse a temperaturas tan bajas como 35 a 80 °C (95 a 176 °F), mientras que la antracita requiere una temperatura de al menos 180 a 245 °C (356 a 473 °F). [24]
Aunque se conoce carbón de la mayoría de los períodos geológicos , el 90% de todos los yacimientos de carbón se depositaron en los períodos Carbonífero y Pérmico . [25] Paradójicamente, esto fue durante la cámara de hielo del Paleozoico tardío , una época de glaciación global . Sin embargo, la caída del nivel del mar global que acompañó a la glaciación expuso plataformas continentales que anteriormente habían estado sumergidas, y a estas se agregaron amplios deltas fluviales producidos por el aumento de la erosión debido a la caída del nivel de base . Estas áreas extendidas de humedales proporcionaron condiciones ideales para la formación de carbón. [26] La rápida formación de carbón terminó con la brecha de carbón en el evento de extinción del Pérmico-Triásico , donde el carbón es raro. [27]
La geografía favorable por sí sola no explica los extensos yacimientos de carbón del Carbonífero. [28] Otros factores que contribuyeron a la rápida deposición de carbón fueron los altos niveles de oxígeno , superiores al 30%, que promovieron intensos incendios forestales y la formación de carbón que era prácticamente indigerible para los organismos en descomposición; los altos niveles de dióxido de carbono que promovieron el crecimiento de las plantas; y la naturaleza de los bosques del Carbonífero, que incluían árboles de licofitas cuyo crecimiento determinado significaba que el carbono no estaba ligado al duramen de los árboles vivos durante largos períodos. [29]
Una teoría sugirió que hace unos 360 millones de años, algunas plantas desarrollaron la capacidad de producir lignina , un polímero complejo que hizo que sus tallos de celulosa fueran mucho más duros y leñosos. La capacidad de producir lignina condujo a la evolución de los primeros árboles . Pero las bacterias y los hongos no desarrollaron inmediatamente la capacidad de descomponer la lignina, por lo que la madera no se descompuso por completo, sino que quedó enterrada bajo sedimentos y finalmente se convirtió en carbón. Hace unos 300 millones de años, los hongos y otros hongos desarrollaron esta capacidad, poniendo fin al principal período de formación de carbón de la historia de la Tierra. [30] [31] [32] Aunque algunos autores señalaron alguna evidencia de degradación de lignina durante el Carbonífero y sugirieron que los factores climáticos y tectónicos eran una explicación más plausible, [33] la reconstrucción de enzimas ancestrales mediante análisis filogenético corroboró la hipótesis de que las enzimas degradadoras de lignina aparecieron en hongos aproximadamente hace 200 MYa. [34]
Un factor tectónico probable fue la cordillera Pangea central , una enorme cadena montañosa que corre a lo largo del ecuador y que alcanzó su mayor elevación cerca de esta época. Los modelos climáticos sugieren que la cordillera Pangea central contribuyó a la deposición de grandes cantidades de carbón a finales del Carbonífero. Las montañas crearon una zona de fuertes precipitaciones durante todo el año, sin una estación seca típica de un clima monzónico . Esto es necesario para la preservación de la turba en los pantanos de carbón. [35]
Se sabe que el carbón proviene de estratos precámbricos , anteriores a las plantas terrestres. Se presume que este carbón se originó a partir de residuos de algas. [36] [37]
A veces, las vetas de carbón (también conocidas como capas de carbón) se intercalan con otros sedimentos en un ciclotema . Se cree que los ciclotemas tienen su origen en ciclos glaciares que produjeron fluctuaciones en el nivel del mar , que alternativamente expusieron y luego inundaron grandes áreas de la plataforma continental. [38]
El tejido leñoso de las plantas está compuesto principalmente de celulosa, hemicelulosa y lignina. La turba moderna es principalmente lignina, con un contenido de celulosa y hemicelulosa que varía de 5% a 40%. También están presentes varios otros compuestos orgánicos, como ceras y compuestos que contienen nitrógeno y azufre. [39] La lignina tiene una composición de peso de aproximadamente 54% de carbono, 6% de hidrógeno y 30% de oxígeno, mientras que la celulosa tiene una composición de peso de aproximadamente 44% de carbono, 6% de hidrógeno y 49% de oxígeno. El carbón bituminoso tiene una composición de aproximadamente 84,4% de carbono, 5,4% de hidrógeno, 6,7% de oxígeno, 1,7% de nitrógeno y 1,8% de azufre, en base al peso. [40] El bajo contenido de oxígeno del carbón muestra que la carbonización eliminó la mayor parte del oxígeno y gran parte del hidrógeno, un proceso llamado carbonización . [41]
La carbonización se produce principalmente por deshidratación , descarboxilación y desmetanización. La deshidratación elimina las moléculas de agua del carbón en maduración mediante reacciones como [42]
La descarboxilación elimina el dióxido de carbono del carbón en maduración: [42]
Mientras que la desmetanización procede por reacción tal como
En estas fórmulas, R representa el resto de una molécula de celulosa o lignina a la que están unidos los grupos reactivos.
La deshidratación y la descarboxilación tienen lugar al principio de la carbonización, mientras que la desmetanización comienza solo después de que el carbón ya ha alcanzado el rango bituminoso. [43] El efecto de la descarboxilación es reducir el porcentaje de oxígeno, mientras que la desmetanización reduce el porcentaje de hidrógeno. La deshidratación hace ambas cosas y (junto con la desmetanización) reduce la saturación de la cadena principal de carbono (aumentando el número de enlaces dobles entre el carbono).
A medida que avanza la carbonización, los compuestos alifáticos se convierten en compuestos aromáticos . De manera similar, los anillos aromáticos se fusionan en compuestos poliaromáticos (anillos enlazados de átomos de carbono). [44] La estructura se asemeja cada vez más al grafeno , el elemento estructural del grafito.
Los cambios químicos van acompañados de cambios físicos, como la disminución del tamaño medio de los poros. [45]
Los macerales son partes de plantas carbonizadas que conservan la morfología y algunas propiedades de la planta original. En muchas carbonizadas, los macerales individuales se pueden identificar visualmente. Algunos macerales incluyen: [46]
En la carbonización, la huminita se reemplaza por vitrinita vítrea (brillante) . [47] La maduración del carbón bituminoso se caracteriza por la bitumenización , en la que parte del carbón se convierte en betún , un gel rico en hidrocarburos. [48] La maduración a antracita se caracteriza por la desbitumenización (a partir de la desmetanización) y la creciente tendencia de la antracita a romperse con una fractura concoidea , similar a la forma en que se rompe el vidrio grueso. [49]
A medida que los procesos geológicos aplican presión sobre el material biótico muerto a lo largo del tiempo, en condiciones adecuadas, su grado o rango metamórfico aumenta sucesivamente en:
Existen varias normas internacionales para el carbón. [50] La clasificación del carbón se basa generalmente en el contenido de volátiles . Sin embargo, la distinción más importante es entre el carbón térmico (también conocido como carbón vapor), que se quema para generar electricidad a través del vapor; y el carbón metalúrgico (también conocido como carbón de coque), que se quema a alta temperatura para fabricar acero .
La ley de Hilt es una observación geológica que establece que (dentro de un área pequeña) cuanto más profundo se encuentra el carbón, mayor es su rango (o grado). Se aplica si el gradiente térmico es completamente vertical; sin embargo, el metamorfismo puede causar cambios laterales de rango, independientemente de la profundidad. Por ejemplo, algunas de las vetas de carbón del yacimiento de carbón de Madrid, Nuevo México, se convirtieron parcialmente en antracita por metamorfismo de contacto a partir de un umbral ígneo, mientras que el resto de las vetas permanecieron como carbón bituminoso. [51]
El uso más antiguo reconocido es del área de Shenyang en China, donde hacia el 4000 a. C. los habitantes neolíticos habían comenzado a tallar adornos de lignito negro. [52] El carbón de la mina Fushun en el noreste de China se utilizó para fundir cobre ya en el año 1000 a. C. [53] Marco Polo , el italiano que viajó a China en el siglo XIII, describió el carbón como "piedras negras... que arden como troncos", y dijo que el carbón era tan abundante que la gente podía tomar tres baños calientes a la semana. [54] En Europa, la primera referencia al uso del carbón como combustible es del tratado geológico Sobre las piedras (Lap. 16) del científico griego Teofrasto (c. 371-287 a. C.): [55] [56]
Entre los materiales que se extraen por su utilidad, los llamados carbones , que están hechos de tierra y, una vez encendidos, arden como el carbón vegetal. Se encuentran en Liguria... y en Élide, cuando se llega a Olimpia por el camino de la montaña; y los utilizan quienes trabajan los metales.
— Teofrasto, Sobre las piedras (16) [57]
El carbón de afloramiento se utilizó en Gran Bretaña durante la Edad del Bronce (3000-2000 a. C.), donde formaba parte de piras funerarias . [58] [59] En la Britania romana , con la excepción de dos campos modernos, "los romanos explotaban carbón en todos los principales yacimientos de carbón de Inglaterra y Gales a fines del siglo II d. C.". [60] Se han encontrado evidencias de comercio de carbón, que datan de aproximadamente el año 200 d. C., en el asentamiento romano de Heronbridge , cerca de Chester ; y en Fenlands de East Anglia , donde el carbón de Midlands se transportaba a través del Car Dyke para su uso en el secado de grano. [61] Se han encontrado cenizas de carbón en los hogares de villas y fortalezas romanas , particularmente en Northumberland , que datan de alrededor del año 400 d. C. En el oeste de Inglaterra, los escritores contemporáneos describieron la maravilla de un brasero permanente de carbón en el altar de Minerva en Aquae Sulis (la actual Bath ), aunque de hecho el carbón de superficie de fácil acceso de lo que se convirtió en el yacimiento de carbón de Somerset era de uso común en viviendas bastante humildes a nivel local. [62] Se ha encontrado evidencia del uso del carbón para trabajar el hierro en la ciudad durante el período romano. [63] En Eschweiler , Renania , los romanos usaban depósitos de carbón bituminoso para la fundición de mineral de hierro . [60]
No existe evidencia de que el carbón fuera de gran importancia en Gran Bretaña antes de aproximadamente el año 1000 d. C., la Alta Edad Media . [64] El carbón comenzó a denominarse "carbón marino" en el siglo XIII; el muelle donde llegaba el material a Londres se conocía como Seacoal Lane, identificado así en una carta del rey Enrique III otorgada en 1253. [65] Inicialmente, el nombre se dio porque mucho carbón se encontraba en la costa, habiendo caído de las vetas de carbón expuestas en los acantilados de arriba o arrastrado por afloramientos de carbón submarinos, [64] pero en la época de Enrique VIII , se entendió que derivaba de la forma en que era llevado a Londres por mar. [66] En 1257-1259, el carbón de Newcastle upon Tyne fue enviado a Londres para los herreros y caleros que construían la Abadía de Westminster . [64] Seacoal Lane y Newcastle Lane, donde el carbón se descargaba en los muelles a lo largo del río Fleet , todavía existen. [67]
Estas fuentes de fácil acceso se habían agotado en gran medida (o no podían satisfacer la creciente demanda) en el siglo XIII, cuando se desarrolló la extracción subterránea mediante pozos o galerías . [58] El nombre alternativo era "carbón de pozo", porque provenía de minas.
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Cocinar y calentar el hogar con carbón (además de leña o en lugar de ella) se ha hecho en varias épocas y lugares a lo largo de la historia de la humanidad, especialmente en épocas y lugares donde el carbón superficial estaba disponible y la leña era escasa, pero una dependencia generalizada del carbón para los hogares domésticos probablemente nunca existió hasta que tal cambio en los combustibles ocurrió en Londres a fines del siglo XVI y principios del XVII. [68] La historiadora Ruth Goodman ha rastreado los efectos socioeconómicos de ese cambio y su posterior propagación por toda Gran Bretaña [68] y ha sugerido que su importancia en la conformación de la adopción industrial del carbón ha sido subestimada anteriormente. [68] : xiv–xix
El desarrollo de la Revolución Industrial condujo al uso a gran escala del carbón, ya que la máquina de vapor sustituyó a la rueda hidráulica . En 1700, cinco sextas partes del carbón del mundo se extraían en Gran Bretaña. Gran Bretaña se habría quedado sin sitios adecuados para molinos de agua en la década de 1830 si el carbón no hubiera estado disponible como fuente de energía. [69] En 1947 había unos 750.000 mineros en Gran Bretaña, [70] pero la última mina de carbón profunda en el Reino Unido cerró en 2015. [71]
Un grado entre el carbón bituminoso y la antracita se conocía antiguamente como "carbón de vapor", ya que se utilizaba ampliamente como combustible para locomotoras de vapor . En este uso especializado, a veces se lo conoce como "carbón marino" en los Estados Unidos. [72] El "carbón de vapor" pequeño, también llamado carbón de vapor pequeño seco (DSSN), se utilizaba como combustible para calentar agua doméstica .
El carbón desempeñó un papel importante en la industria en los siglos XIX y XX. La predecesora de la Unión Europea , la Comunidad Europea del Carbón y del Acero , se basaba en el comercio de este producto. [73]
El carbón sigue llegando a las playas de todo el mundo, tanto por la erosión natural de las vetas de carbón expuestas como por los derrames provocados por el viento desde los buques de carga. Muchos hogares de esas zonas recogen este carbón como fuente importante, y a veces primaria, de combustible para calefacción. [74]
El carbón está constituido principalmente por una mezcla negra de diversos compuestos orgánicos y polímeros. Por supuesto, existen varios tipos de carbón, con colores oscuros variables y composiciones variables. Los carbones jóvenes (lignito, lignito) no son negros. Los dos principales carbones negros son el bituminoso, que es más abundante, y el antracita. El porcentaje de carbono en el carbón sigue el orden antracita > bituminoso > lignito > lignito. El valor combustible del carbón varía en el mismo orden. Algunos depósitos de antracita contienen carbono puro en forma de grafito .
En el caso del carbón bituminoso, la composición elemental en base seca y sin cenizas es de 84,4 % de carbono, 5,4 % de hidrógeno, 6,7 % de oxígeno, 1,7 % de nitrógeno y 1,8 % de azufre, en base al peso. [40] Esta composición refleja en parte la composición de las plantas precursoras. La segunda fracción principal del carbón es la ceniza, una mezcla indeseable y no combustible de minerales inorgánicos. La composición de la ceniza se suele analizar en términos de óxidos obtenidos después de la combustión en el aire:
De particular interés es el contenido de azufre del carbón, que puede variar desde menos del 1% hasta tanto como el 4%. La mayor parte del azufre y la mayor parte del nitrógeno se incorpora a la fracción orgánica en forma de compuestos organosulfurados y compuestos organonitrógenos . Este azufre y nitrógeno están fuertemente ligados dentro de la matriz de hidrocarburos. Estos elementos se liberan como SO2 y NOx durante la combustión. No se pueden eliminar, al menos económicamente, de otra manera. Algunos carbones contienen azufre inorgánico, principalmente en forma de pirita de hierro (FeS2 ) . Al ser un mineral denso, se puede eliminar del carbón por medios mecánicos, por ejemplo, mediante flotación por espuma . Algo de sulfato se presenta en el carbón, especialmente en muestras meteorizadas. No se volatiliza y se puede eliminar mediante lavado. [46]
Los componentes menores incluyen:
Los minerales Hg, As y Se no son problemáticos para el medio ambiente, sobre todo porque son solo componentes traza. Sin embargo, se vuelven móviles (volátiles o solubles en agua) cuando se queman.
Aunque la mayor parte del carbón se utiliza como combustible, existen otras aplicaciones a gran escala.
El coque es un residuo carbonoso sólido derivado del carbón de coque (un carbón bituminoso con bajo contenido de cenizas y azufre, [79] también conocido como carbón metalúrgico ), que se utiliza en la fabricación de acero y otros productos que contienen hierro. [79] El coque se produce cuando el carbón de coque se cuece en un horno sin oxígeno a temperaturas de hasta 1000 °C, eliminando los componentes volátiles y fusionando el carbono fijo y la ceniza residual. El coque metalúrgico se utiliza como combustible y como agente reductor en la fundición de mineral de hierro en un alto horno . [80] El monóxido de carbono producido por su combustión reduce la hematita (un óxido de hierro ) a hierro.
También se produce arrabio , que es demasiado rico en carbono disuelto.
El coque debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir el peso de la capa de recubrimiento en el alto horno, por lo que el carbón de coque es tan importante para fabricar acero mediante la ruta convencional. El coque de carbón es gris, duro y poroso y tiene un poder calorífico de 29,6 MJ/kg. Algunos procesos de fabricación de coque generan subproductos, entre ellos alquitrán de hulla , amoníaco , aceites ligeros y gas de hulla .
El coque de petróleo (petcoke) es el residuo sólido obtenido en la refinación del petróleo , que se parece al coque pero contiene demasiadas impurezas para ser útil en aplicaciones metalúrgicas.
Desde la década de 1950 se han producido productos químicos a partir del carbón. El carbón se puede utilizar como materia prima en la producción de una amplia gama de fertilizantes químicos y otros productos químicos. La principal ruta para estos productos era la gasificación del carbón para producir gas de síntesis . Los productos químicos primarios que se producen directamente a partir del gas de síntesis incluyen metanol , hidrógeno y monóxido de carbono , que son los bloques químicos a partir de los cuales se fabrica todo un espectro de productos químicos derivados, incluidas olefinas , ácido acético , formaldehído , amoníaco, urea y otros. La versatilidad del gas de síntesis como precursor de productos químicos primarios y productos derivados de alto valor brinda la opción de usar carbón para producir una amplia gama de productos básicos. Sin embargo, en el siglo XXI, el uso de metano de lecho de carbón está cobrando mayor importancia. [81]
Dado que la gama de productos químicos que se pueden fabricar mediante la gasificación del carbón también puede utilizar, en general, materias primas derivadas del gas natural y del petróleo , la industria química tiende a utilizar las materias primas que resulten más rentables. Por lo tanto, el interés por el uso del carbón tendió a aumentar cuando los precios del petróleo y del gas natural eran más altos y durante períodos de alto crecimiento económico mundial que podrían haber afectado a la producción de petróleo y gas.
Los procesos de transformación de carbón en productos químicos requieren cantidades sustanciales de agua. [82] Gran parte de la producción de carbón en productos químicos se realiza en China [83] [84] , donde las provincias que dependen del carbón, como Shanxi , luchan por controlar su contaminación. [85]
El carbón se puede convertir directamente en combustibles sintéticos equivalentes a la gasolina o al diésel mediante hidrogenación o carbonización . [86] La licuefacción del carbón emite más dióxido de carbono que la producción de combustible líquido a partir del petróleo crudo . La mezcla con biomasa y el uso de CCS emitirían ligeramente menos que el proceso del petróleo, pero a un alto costo. [87] La empresa estatal China Energy Investment tiene una planta de licuefacción de carbón y planea construir dos más. [88]
La licuefacción del carbón también puede referirse al peligro de la carga durante el transporte de carbón. [89]
La gasificación de carbón, como parte de una central eléctrica de carbón de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC), se utiliza para producir gas de síntesis , una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H 2 ) gaseoso para alimentar turbinas de gas y producir electricidad. El gas de síntesis también se puede convertir en combustibles para el transporte, como gasolina y diésel , mediante el proceso Fischer-Tropsch ; como alternativa, el gas de síntesis se puede convertir en metanol , que se puede mezclar directamente en combustible o convertir en gasolina mediante el proceso de metanol a gasolina. [90] La gasificación combinada con la tecnología Fischer-Tropsch fue utilizada por la empresa química Sasol de Sudáfrica para fabricar productos químicos y combustibles para vehículos de motor a partir de carbón. [91]
Durante la gasificación, el carbón se mezcla con oxígeno y vapor mientras se calienta y se presuriza. Durante la reacción, las moléculas de oxígeno y agua oxidan el carbón y lo convierten en monóxido de carbono (CO), al tiempo que liberan gas hidrógeno (H2 ) . Esto solía hacerse en minas de carbón subterráneas y también para producir gas de ciudad , que se enviaba por tuberías a los clientes para quemarlo para iluminación, calefacción y cocina.
Si la refinería quiere producir gasolina, el gas de síntesis se envía a una reacción de Fischer-Tropsch, conocida como licuefacción indirecta del carbón. Sin embargo, si el producto final deseado es hidrógeno, el gas de síntesis se introduce en la reacción de conversión de agua en gas , donde se libera más hidrógeno:
La densidad energética del carbón es de aproximadamente 24 megajulios por kilogramo [92] (aproximadamente 6,7 kilovatios-hora por kg). Para una central eléctrica de carbón con una eficiencia del 40%, se necesitan aproximadamente 325 kg (717 lb) de carbón para alimentar una bombilla de 100 W durante un año. [93]
En 2017, el 27,6% de la energía mundial fue suministrada por carbón y Asia utilizó casi tres cuartas partes de ella. [94]
El carbón refinado es el producto de una tecnología de mejora del carbón que elimina la humedad y ciertos contaminantes de los carbones de menor rango, como el carbón subbituminoso y el lignito (marrón). Es una forma de varios tratamientos y procesos de precombustión para el carbón que modifican las características del carbón antes de que se queme. Se pueden lograr mejoras en la eficiencia térmica mediante un presecado mejorado (especialmente relevante con combustibles con alto contenido de humedad, como el lignito o la biomasa). [95] Los objetivos de las tecnologías de precombustión del carbón son aumentar la eficiencia y reducir las emisiones cuando se quema el carbón. La tecnología de precombustión a veces se puede utilizar como complemento de las tecnologías de poscombustión para controlar las emisiones de las calderas alimentadas con carbón.
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El carbón que se quema como combustible sólido en las centrales eléctricas de carbón para generar electricidad se denomina carbón térmico . El carbón también se utiliza para producir temperaturas muy altas mediante la combustión. Se ha estimado que las muertes prematuras debido a la contaminación del aire son 200 por GW-año, sin embargo, pueden ser más altas alrededor de las centrales eléctricas donde no se utilizan depuradores o más bajas si están lejos de las ciudades. [96] Los esfuerzos en todo el mundo para reducir el uso del carbón han llevado a algunas regiones a cambiar al gas natural y a la electricidad de fuentes con menos carbono.
Cuando se utiliza carbón para generar electricidad , normalmente se pulveriza y luego se quema en un horno con una caldera (véase también Caldera de carbón pulverizado ). [97] El calor del horno convierte el agua de la caldera en vapor , que luego se utiliza para hacer girar turbinas que hacen girar generadores y crean electricidad. [98] La eficiencia termodinámica de este proceso varía entre aproximadamente el 25% y el 50% dependiendo del tratamiento de precombustión, la tecnología de la turbina (por ejemplo, generador de vapor supercrítico ) y la edad de la planta. [99] [100]
Se han construido algunas plantas de energía de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC), que queman carbón de manera más eficiente. En lugar de pulverizar el carbón y quemarlo directamente como combustible en la caldera generadora de vapor, el carbón se gasifica para crear gas de síntesis , que se quema en una turbina de gas para producir electricidad (al igual que el gas natural se quema en una turbina). Los gases de escape calientes de la turbina se utilizan para generar vapor en un generador de vapor de recuperación de calor que alimenta una turbina de vapor complementaria . La eficiencia general de la planta cuando se utiliza para proporcionar calor y energía combinados puede alcanzar hasta el 94%. [101] Las plantas de energía IGCC emiten menos contaminación local que las plantas convencionales alimentadas con carbón pulverizado; sin embargo, la tecnología para la captura y almacenamiento de carbono (CCS) después de la gasificación y antes de la quema ha demostrado hasta ahora ser demasiado cara para usar con carbón. [102] [103] Otras formas de utilizar el carbón son como combustible de lechada de carbón y agua (CWS), que se desarrolló en la Unión Soviética , o en un ciclo de cobertura MHD . Sin embargo, estos no se utilizan ampliamente debido a la falta de ganancias.
En 2017, el 38% de la electricidad mundial procedía del carbón, el mismo porcentaje que 30 años antes. [104] En 2018, la capacidad instalada mundial fue de 2 TW (de los cuales 1 TW está en China), lo que representó el 30% de la capacidad total de generación de electricidad. [105] El país más dependiente es Sudáfrica, con más del 80% de su electricidad generada por carbón; [106] pero China por sí sola genera más de la mitad de la electricidad generada a partir de carbón del mundo. [107]
El uso máximo de carbón se alcanzó en 2013. [108] En 2018, el factor de capacidad de las centrales eléctricas a carbón promedió el 51%, es decir, funcionaron durante aproximadamente la mitad de sus horas operativas disponibles. [109]
Anualmente se producen alrededor de 8.000 Mt de carbón, de las cuales aproximadamente el 90% es carbón duro y el 10% lignito. A partir de 2018, [update]poco más de la mitad proviene de minas subterráneas. [110] La industria minera del carbón emplea a casi 2,7 millones de trabajadores. [111] Ocurren más accidentes durante la minería subterránea que en la minería a cielo abierto. No todos los países publican estadísticas de accidentes mineros , por lo que las cifras mundiales son inciertas, pero se cree que la mayoría de las muertes ocurren en accidentes de minería de carbón en China : en 2017 hubo 375 muertes relacionadas con la minería de carbón en China. [112] La mayor parte del carbón extraído es carbón térmico (también llamado carbón de vapor, ya que se utiliza para producir vapor para generar electricidad), pero el carbón metalúrgico (también llamado "carbón metálico" o "carbón de coque", ya que se utiliza para hacer coque para fabricar hierro) representa entre el 10% y el 15% del uso mundial de carbón. [113]
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China extrae casi la mitad del carbón del mundo, seguida por la India con aproximadamente una décima parte. [114] Australia representa aproximadamente un tercio de las exportaciones mundiales de carbón, seguida por Indonesia y Rusia , [18] mientras que los mayores importadores son Japón y la India. Rusia está orientando cada vez más sus exportaciones de carbón de Europa a Asia a medida que Europa hace la transición a la energía renovable y somete a Rusia a sanciones por su invasión de Ucrania. [18]
El precio del carbón metalúrgico es volátil [115] y mucho más alto que el precio del carbón térmico porque el carbón metalúrgico debe tener un menor contenido de azufre y requiere más limpieza. [116] Los contratos de futuros de carbón proporcionan a los productores de carbón y a la industria de energía eléctrica una herramienta importante para la cobertura y la gestión de riesgos .
En algunos países, la nueva generación de energía eólica o solar terrestre ya cuesta menos que la energía a carbón de las plantas existentes. [117] [118] Sin embargo, en el caso de China, esto se prevé para principios de la década de 2020 [119] y en el sudeste asiático, no hasta finales de esa década. [120] En la India, construir nuevas plantas no es rentable y, a pesar de estar subvencionadas, las plantas existentes están perdiendo cuota de mercado frente a las energías renovables. [121]
De los países productores de carbón , China es el que más extrae, casi la mitad del carbón mundial, seguida por la India, con menos del 10%. China es también, con diferencia, el mayor consumidor de carbón. Por tanto, las tendencias del mercado internacional dependen de la política energética china . [122] Aunque el esfuerzo del gobierno por reducir la contaminación del aire en China significa que la tendencia mundial a largo plazo es quemar menos carbón, las tendencias a corto y medio plazo pueden diferir, en parte debido a la financiación china de nuevas centrales eléctricas a carbón en otros países. [105]
Se muestran los países con una producción anual superior a 300 millones de toneladas.
Se muestran los países con un consumo anual superior a 500 millones de toneladas. Las proporciones se basan en datos expresados en toneladas equivalentes de petróleo.
Los exportadores corren el riesgo de una reducción de la demanda de importaciones de India y China. [129] [18]
El uso de carbón como combustible causa problemas de salud y muertes. [133] La minería y el procesamiento del carbón causan contaminación del aire y del agua. [134] Las plantas alimentadas con carbón emiten óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre, contaminación por partículas y metales pesados, que afectan negativamente a la salud humana. [134] La extracción de metano de los yacimientos de carbón es importante para evitar accidentes mineros.
El mortífero smog de Londres se debió principalmente al uso excesivo de carbón. Se estima que, a nivel mundial, el carbón causa 800.000 muertes prematuras cada año, [135] principalmente en India [136] y China. [137] [138] [139]
La quema de carbón contribuye en gran medida a las emisiones de dióxido de azufre , que crea partículas PM2.5 , la forma más peligrosa de contaminación del aire. [140]
Las emisiones de las chimeneas de carbón causan asma , accidentes cerebrovasculares , reducción de la inteligencia , bloqueos arteriales , ataques cardíacos , insuficiencia cardíaca congestiva , arritmias cardíacas , envenenamiento por mercurio , oclusión arterial y cáncer de pulmón . [141] [142]
Se estima que los costes sanitarios anuales en Europa derivados del uso de carbón para generar electricidad pueden alcanzar los 43.000 millones de euros. [143]
En China, las mejoras en la calidad del aire y la salud humana aumentarían con políticas climáticas más estrictas, principalmente porque la energía del país depende en gran medida del carbón, y habría un beneficio económico neto. [144]
Un estudio de 2017 publicado en el Economic Journal concluyó que, en Gran Bretaña, durante el período 1851-1860, "un aumento de una desviación estándar en el uso de carbón aumentó la mortalidad infantil entre un 6 y un 8 % y que el uso de carbón industrial explica aproximadamente un tercio de la penalización por mortalidad urbana observada durante este período". [145]
La inhalación de polvo de carbón provoca neumoconiosis o "pulmón negro", llamada así porque el polvo de carbón literalmente vuelve negros los pulmones. [146] Solo en los EE. UU., se estima que 1.500 ex empleados de la industria del carbón mueren cada año por los efectos de la inhalación de polvo de las minas de carbón. [147]
Anualmente se producen enormes cantidades de cenizas de carbón y otros desechos. El uso de carbón genera cientos de millones de toneladas de cenizas y otros productos de desecho cada año. Estos incluyen cenizas volantes , cenizas de fondo y lodos de desulfuración de gases de combustión , que contienen mercurio , uranio , torio , arsénico y otros metales pesados , junto con no metales como el selenio . [148]
Alrededor del 10% del carbón es ceniza. [149] La ceniza de carbón es peligrosa y tóxica para los seres humanos y otros seres vivos. [150] La ceniza de carbón contiene los elementos radiactivos uranio y torio . La ceniza de carbón y otros subproductos sólidos de la combustión se almacenan localmente y se liberan de diversas formas que exponen a quienes viven cerca de las plantas de carbón a la radiación y a los tóxicos ambientales. [151]
La minería del carbón , los desechos de la combustión del carbón y los gases de combustión están causando importantes daños ambientales. [152] [153]
Los sistemas hídricos se ven afectados por la minería de carbón. [154] Por ejemplo, la minería de carbón afecta los niveles de las aguas subterráneas y del nivel freático y la acidez. Los derrames de cenizas volantes, como el derrame de lodo de cenizas volantes de carbón de la planta fósil de Kingston , también pueden contaminar la tierra y las vías fluviales y destruir viviendas. Las centrales eléctricas que queman carbón también consumen grandes cantidades de agua. Esto puede afectar los flujos de los ríos y tiene impactos consecuentes en otros usos de la tierra. En áreas de escasez de agua , como el desierto de Thar en Pakistán , la minería de carbón y las centrales eléctricas de carbón contribuyen al agotamiento de los recursos hídricos. [155]
Uno de los primeros impactos conocidos del carbón en el ciclo del agua fue la lluvia ácida . En 2014, se liberaron aproximadamente 100 Tg /S de dióxido de azufre (SO2 ) , más de la mitad de los cuales se originaron por la quema de carbón. [156] Después de la liberación, el dióxido de azufre se oxida a H2SO4 que dispersa la radiación solar, por lo que su aumento en la atmósfera ejerce un efecto de enfriamiento sobre el clima. Esto enmascara de manera beneficiosa parte del calentamiento causado por el aumento de los gases de efecto invernadero. Sin embargo, el azufre se precipita fuera de la atmósfera como lluvia ácida en cuestión de semanas, [157] mientras que el dióxido de carbono permanece en la atmósfera durante cientos de años. La liberación de SO2 también contribuye a la acidificación generalizada de los ecosistemas. [158]
Las minas de carbón abandonadas también pueden causar problemas. Pueden producirse hundimientos por encima de los túneles, lo que provoca daños a la infraestructura o a las tierras de cultivo. La minería del carbón también puede provocar incendios duraderos, y se ha estimado que en un momento dado se están produciendo miles de incendios en vetas de carbón . [159] Por ejemplo, Brennender Berg lleva ardiendo desde 1668 y sigue ardiendo en el siglo XXI. [160]
La producción de coque a partir de carbón produce amoníaco, alquitrán de hulla y compuestos gaseosos como subproductos que, si se descargan en la tierra, el aire o las vías fluviales, pueden contaminar el medio ambiente. [161] La acería de Whyalla es un ejemplo de una instalación de producción de coque en la que se descargaba amoníaco líquido al medio marino. [162]
La intensidad de las emisiones es el gas de efecto invernadero emitido durante la vida útil de un generador por unidad de electricidad generada. La intensidad de las emisiones de las centrales eléctricas de carbón es alta, ya que emiten alrededor de 1000 g de CO2eq por cada kWh generado, mientras que el gas natural tiene una intensidad de emisiones media, alrededor de 500 g de CO2eq por kWh. La intensidad de las emisiones del carbón varía según el tipo y la tecnología del generador y supera los 1200 g por kWh en algunos países. [163]
Miles de incendios de carbón arden en todo el mundo. [164] Los que arden bajo tierra pueden ser difíciles de localizar y muchos no se pueden extinguir. Los incendios pueden hacer que el suelo se hunda, sus gases de combustión son peligrosos para la vida y, al salir a la superficie, pueden iniciar incendios forestales superficiales . Las vetas de carbón pueden incendiarse por combustión espontánea o por contacto con un incendio en una mina o en la superficie. Los rayos son una fuente importante de ignición. El carbón continúa ardiendo lentamente de regreso a la veta hasta que el oxígeno (aire) ya no puede llegar al frente de la llama. Un incendio de pasto en una zona de carbón puede incendiar docenas de vetas de carbón. [165] [166] Los incendios de carbón en China queman aproximadamente 120 millones de toneladas de carbón al año, emitiendo 360 millones de toneladas métricas de CO 2 , lo que equivale al 2-3% de la producción mundial anual de CO 2 de combustibles fósiles . [167] [168] En Centralia, Pensilvania (un distrito ubicado en la región carbonífera de los EE. UU.), una veta expuesta de antracita se incendió en 1962 debido a un incendio de basura en el vertedero del distrito, ubicado en una mina de antracita abandonada . Los intentos de extinguir el incendio no tuvieron éxito y continúa ardiendo bajo tierra hasta el día de hoy . Originalmente se creía que la Montaña Ardiente australiana era un volcán, pero el humo y las cenizas provienen de un incendio de carbón que ha estado ardiendo durante unos 6000 años. [169]
En Kuh i Malik, en el valle de Yagnob , Tayikistán , los depósitos de carbón han estado ardiendo durante miles de años, creando vastos laberintos subterráneos llenos de minerales únicos, algunos de ellos muy hermosos.
La roca de limo rojiza que cubre muchas crestas y colinas en la cuenca del río Powder en Wyoming y en el oeste de Dakota del Norte se llama porcelanita , que se parece al "clinker" de desecho de la quema de carbón o a la " escoria " volcánica. [170] El clinker es una roca que se ha fundido por la quema natural de carbón. En la cuenca del río Powder se quemaron aproximadamente entre 27 y 54 mil millones de toneladas de carbón en los últimos tres millones de años. [171] La expedición de Lewis y Clark , así como los exploradores y colonos de la zona, informaron sobre incendios forestales de carbón en la zona . [172]
El efecto más importante y de más largo plazo del uso del carbón es la liberación de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero que causa el cambio climático . Las centrales eléctricas a carbón fueron las principales contribuyentes al crecimiento de las emisiones globales de CO2 en 2018, [174] el 40% de las emisiones totales de combustibles fósiles, [9] y más de una cuarta parte de las emisiones totales. [8] [nota 1] La minería del carbón puede emitir metano, otro gas de efecto invernadero. [175] [176]
En 2016, las emisiones brutas mundiales de dióxido de carbono derivadas del uso del carbón fueron de 14,5 gigatoneladas. [177] Por cada megavatio-hora generado, la generación de energía eléctrica a partir de carbón emite alrededor de una tonelada de dióxido de carbono, que es el doble de los aproximadamente 500 kg de dióxido de carbono liberados por una planta eléctrica a gas natural . [178] En 2013, el director de la agencia climática de la ONU recomendó que la mayoría de las reservas de carbón del mundo deberían dejarse en el suelo para evitar un calentamiento global catastrófico. [179] Para mantener el calentamiento global por debajo de 1,5 °C o 2 °C, será necesario retirar cientos, o posiblemente miles, de plantas de energía a carbón de forma anticipada. [180]
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La mitigación de la contaminación por carbón , a veces denominada carbón limpio, es una serie de sistemas y tecnologías que buscan mitigar el impacto en la salud y el medio ambiente de la quema de carbón para generar energía. La quema de carbón libera sustancias nocivas que contribuyen a la contaminación del aire, la lluvia ácida y las emisiones de gases de efecto invernadero . La mitigación incluye enfoques de precombustión, como la limpieza del carbón, y enfoques de poscombustión, como la desulfuración de gases de combustión , la reducción catalítica selectiva , los precipitadores electrostáticos y la reducción de cenizas volantes . Estas medidas tienen como objetivo reducir el impacto del carbón en la salud humana y el medio ambiente.
La combustión del carbón libera diversos productos químicos al aire. Los principales productos son agua y dióxido de carbono, al igual que la combustión del petróleo. También se liberan dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, así como algo de mercurio. El residuo que queda después de la combustión, la ceniza de carbón , a menudo contiene arsénico, mercurio y plomo. Finalmente, la quema de carbón, especialmente antracita , puede liberar materiales radiactivos. [181]En 2018, se invirtieron 80 mil millones de dólares en el suministro de carbón, pero casi todo para mantener los niveles de producción en lugar de abrir nuevas minas. [182] A largo plazo, el carbón y el petróleo podrían costarle al mundo billones de dólares por año. [183] [184] El carbón solo puede costarle a Australia miles de millones, [185] mientras que los costos para algunas empresas o ciudades más pequeñas podrían ser del orden de millones de dólares. [186] Las economías más dañadas por el carbón (a través del cambio climático) pueden ser India y los EE. UU., ya que son los países con el mayor costo social del carbono . [187] Los préstamos bancarios para financiar el carbón son un riesgo para la economía india. [136]
China es el mayor productor de carbón del mundo y el mayor consumidor de energía del mundo, y el carbón en China suministra el 60% de su energía primaria. Sin embargo, se estima que dos quintas partes de las centrales eléctricas de carbón de China son deficitarias. [119]
La contaminación del aire causada por el almacenamiento y la manipulación del carbón le cuesta a los Estados Unidos casi 200 dólares por cada tonelada adicional almacenada, debido a las PM2,5. [188] La contaminación por carbón le cuesta a los EE. UU. 43.000 millones de euros cada año. [189] Las medidas para reducir la contaminación del aire benefician económicamente a las personas y a las economías de países [190] [191] como China. [192]
Los subsidios para el carbón en 2021 se han estimado en US$19 mil millones , sin incluir los subsidios a la electricidad, y se espera que aumenten en 2022. [193] A partir de 2019, los países del G20 proporcionan al menos US$63,9 mil millones [174] de apoyo gubernamental por año para la producción de carbón, incluida la energía a base de carbón: muchos subsidios son imposibles de cuantificar [194] pero incluyen US$27,6 mil millones en finanzas públicas nacionales e internacionales, US$15,4 mil millones en apoyo fiscal y US$20,9 mil millones en inversiones de empresas estatales (SOE) por año. [174] En la UE, la ayuda estatal a nuevas plantas de carbón está prohibida a partir de 2020, y a las plantas de carbón existentes a partir de 2025. [195] A partir de 2018, la financiación gubernamental para nuevas plantas de energía a carbón fue proporcionada por el Banco Exim de China , [196] el Banco Japonés para la Cooperación Internacional y los bancos del sector público indio. [197] El carbón en Kazajstán fue el principal beneficiario de subsidios al consumo de carbón por un total de 2 mil millones de dólares estadounidenses en 2017. [198] El carbón en Turquía se benefició de subsidios sustanciales en 2021. [199][update]
Algunas centrales eléctricas de carbón podrían convertirse en activos varados ; por ejemplo, China Energy Investment , la mayor empresa eléctrica del mundo, corre el riesgo de perder la mitad de su capital. [119] Sin embargo, las empresas eléctricas estatales como Eskom en Sudáfrica, Perusahaan Listrik Negara en Indonesia, Sarawak Energy en Malasia, Taipower en Taiwán, EGAT en Tailandia, Vietnam Electricity y EÜAŞ en Turquía están construyendo o planificando nuevas plantas. [200] A partir de 2021, esto puede estar ayudando a provocar una burbuja de carbono que podría causar inestabilidad financiera si estalla. [201] [202] [203]
Los países que construyen o financian nuevas centrales eléctricas de carbón, como China, India, Indonesia, Vietnam, Turquía y Bangladesh, enfrentan crecientes críticas internacionales por obstruir los objetivos del Acuerdo de París . [105] [204] [205] En 2019, las naciones insulares del Pacífico (en particular Vanuatu y Fiji ) criticaron a Australia por no reducir sus emisiones a un ritmo más rápido que ellos, citando preocupaciones sobre las inundaciones y la erosión costeras. [206] En mayo de 2021, los miembros del G7 acordaron poner fin al nuevo apoyo gubernamental directo a la generación internacional de energía a carbón. [207]
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El carbón es el mineral oficial del estado de Kentucky , [208] y la roca oficial del estado de Utah [209] y Virginia Occidental . [210] Estos estados de EE. UU. tienen un vínculo histórico con la minería del carbón.
Algunas culturas sostienen que los niños que se portan mal recibirán únicamente un trozo de carbón de Papá Noel en sus medias de Navidad , en lugar de regalos.
En Escocia y el norte de Inglaterra también es costumbre y se considera que trae buena suerte regalar carbón el día de Año Nuevo . Esto se hace como parte del inicio del año y representa calidez para el año que comienza.
China generó el 53% de la energía generada a carbón en el mundo en 2020, nueve puntos porcentuales más que cinco años antes
pico de producción en 2013
