Autores: Chumpitaz Vigil Héctor Sebastián Marcelo, Polo Luna Kevin Joaquín, Salazar Ceron Isabel Janis, Vásquez Bardales Henry Alexander, Zaña Chuquizuta Brayan Alberto

El hombre desde sus inicios buscó diferentes tipos de obtención de energía. Con el descubrimiento del fuego, los combustibles fundamentales para este caso eran la madera y el carbón. La sociedad se industrializaba cada vez más, aumentando las demandas de energía. La aparición de las máquinas de vapor originó que el carbón se use con mayor frecuencia y, con el descubrimiento de la electricidad se halló una energía inagotable que era la energía de los ríos, un recurso natural. Finalmente, el hallazgo del petróleo accedió a un desarrollo más eficaz de los motores de combustión que se aplica mayormente como un mecanismo de locomoción (Martinell Benito, Julio 1993).
En la actualidad, los seres humanos realizamos un uso de combustibles de manera directa, teniendo como primer caso la utilidad de los medios de transporte, por ejemplo los automóviles, motocicletas, aerolíneas, embarcaciones, entre otros. Además, el empleo de combustible lo observamos también en el hogar ya que es necesario para preparar nuestros alimentos, la terma que nos sirve para ducharnos, la calefacción en los ambientes de la casa, etc. Estos tipos de procesos dependen de la instalación de Centrales Termoeléctricas que permiten mediante la quema de combustibles la generación de Energía Eléctrica que se usará para diferentes finalidades.
“La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.), un líquido (Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el COMBURENTE, Oxígeno” (García San José, Ricardo 2001). Es decir, la combustión se da cuando le aplicamos un estímulo para que se obtenga una liberación de energía de forma violenta, luz y producción de calor. Podemos observar esta reacción inicialmente en forma de chispa y después puede llegar a transformarse en una llama dependiendo de la intensidad de la reacción. Asimismo, la reacción deja como residuo dióxido de carbono y algún otro compuesto orgánico.
Las principales propiedades de un combustible son su poder calorífico, temperatura de ignición y combustión, densidad, viscosidad, contenido de humedad y composición. Los combustibles se clasifican dependiendo de su estado en sólidos, líquidos y gaseosos.

 

El Petróleo

Del lat. Petroleum, aceite de roca. Es una mezcla homogénea de hidrocarburos, los cuales son una larga cadena de carbono ramificado por lo general con hidrógeno. Además, de hidrocarburos, el petróleo contiene otros compuestos orgánicos, entre los que destacan: sulfuros orgánicos, compuestos de nitrógeno y oxígeno, y trazas de compuestos metálicos (sodio, hierro, níquel, vanadio, plomo).

¿CÓMO SE FORMÓ?

Los organismos marinos animales y vegetales arrastrados por los ríos al morir se depositaron en los fondos del mar. Allí se mezclaron con las finas arenas y limos. Cuando los mares se secaron quedo una capa de sal sobre esa arcilla gredosa formada por los sedimentos de los organismos vivos. Los sedimentos se hicieron más espesos y se hundieron en el suelo marino bajo su propio peso. Millones de años después el cieno y la arena se endurecieron en esquisto y arenisca, los carbonatos precipitados y los restos de caparazones se transformaron en caliza, y los tejidos blandos de los organismos muertos pasaron a ser petróleo y gas natural.

COMPOSICIÓN:

Ilustración 1: (GOB.MX 2017)

Ilustración 2: (REFINEERING 2012)

CARACTERÍSTICAS:

• Es un recurso no renovable
• A temperatura ambiente es liquido
• Es inflamable
• Es un líquido de color oscuro fluorescente con reflejos verde o verde azulado.
• Su densidad varía entre 0.615 hasta 0.994 g/cm3
• Insoluble en agua y soluble en éter, benceno, cloroformo, etc.
• Tipos de petróleo en base a su densidad: liviano, mediano, pesado y extra pesado. La densidad de relaciona con el largo de cadenas de carbono que predominan en los hidrocarburos que lo componen.
• La viscosidad varía dependiendo de su densidad.
• Posee un carácter ácido

OBTENCIÓN DEL PETRÓLEO:

1. ORIGEN Y EXPLORACIÓN: Equipos móviles generan ondas sísmicas que, al rebotar sobre las diferentes capas del subsuelo, informan sobre su conformación y la presencia de petróleo
2. PERFORACIÓN: Se usan equipos de rotación y sistemas de circulación de fluidos para refrigerar y para retirar los restos de petróleo.
3. EXTRACCIÓN Y TRANSPORTE: El movimiento del petróleo tiene dos momentos definidos. El primero es el del traslado de la materia prima hasta la refinería. Y segundo es de los subproductos hasta los centros de consumo.
4. DESTILACIÓN: El petróleo se destila en refinerías. Estas son enormes complejos donde se lo somete a procesos de separación física. Del petróleo crudo se obtienen como 8 subproductos de los que se derivan hasta otros 2000 compuestos.

Gas Natural

El gas natural es una mezcla de hidrocarburos que se encuentra en el subsuelo. Puede presentarse solo, en estado “libre”, o mezclado con otros hidrocarburos u otros gases del yacimiento, en estado “asociado”. Se compone principalmente por metano, siendo este un 70-90% aproximadamente del total de la mezcla.

El gas natural se origina de la descomposición, durante miles de años, de materia orgánica enterrada con otros sedimentos en yacimientos  a grandes profundidades, altas presiones y altas temperaturas; por lo que se le considera un combustible fósil. Es un gas incoloro e inodoro cuya combustión es más limpia en comparación con otros gases ya que emite menor cantidad de CO2 y contiene bajas cantidades de NO2, CO, S, entre otros.

El gas natural es una fuente importante de energía, de tipo no renovable, que se utiliza como combustible en los sectores industrial, comercial y doméstico, así como para la generación de electricidad.

EXPLORACIÓN, EXTRACCIÓN Y PRODUCCIÓN DEL GAS NATURAL

1. Exploración: Para extraer el gas natural se realizan algunos estudios, pruebas, análisis geológicos necesarios para descubrir la presencia de hidrocarburos gaseosos; así como, para identificarlos y cuantificarlos.
2. Extracción: Una vez que se tiene ubicado el recurso se planifica su extracción lo cual consiste en una serie de actividades que permiten extraer el gas del yacimiento y separarlo, en el caso se encuentre en estado asociado. La reserva es “aprobada” cuando se determina la cantidad y calidad del gas del yacimiento, además de la duración en relación a la cantidad y la rentabilidad del proyecto; es decir, si existe una gran demanda de este, si el precio de venta es alto, etc.

Generalmente, se utiliza una técnica de perforación por rotación directa; es decir, la materia perforada se traslada a la superficie a través del interior del brazo perforador. El desarrollo reciente de las técnicas de perforación horizontal permite acceder a yacimientos más alejados desde una misma plataforma de extracción.

3. Producción: Una vez extraído el gas natural es necesario procesarlo para su transporte y comercialización, respetando los estándares de seguridad e infraestructuras en los puntos de entrega. En dicho proceso se separan aquellos gases que no aportan energía y aquellos elementos que pueden generar accidentes durante la combustión del gas natural. Finalmente se distribuye mediante el uso de los gaseoductos y tuberías que salen directamente de los tanques de almacenamiento.

El carbón

“Es una sustancia fósil, que se encuentra bajo la superficie terrestre, de origen vegetal, generada como resultado de la descomposición lenta de la materia orgánica de los bosques” (VILLALBA 2015).

“El principal componente del carbón mineral es carbono (entre un 75 a un 90 %) y algunos hidrocarburos. Aunque su uso directo es muy contaminante, actualmente se busca desarrollar tecnologías para lograr una combustión más limpia y respetuosa del medio ambiente. Pese a esto, el uso del carbón como energético es muy alto, ya que corresponde a cerca de la cuarta parte de la energía consumida de manera directa en todo el mundo” (MINEDUC 2012).

El análisis elemental es un ensayo químico que proporciona la fracción másica, modo de expresar la concentración de una disolución (la cantidad de soluto que contiene),  de cada uno de los cinco elementos que componen principalmente todos los tipos de carbón: carbono (C), nitrógeno (N), oxígeno (O), hidrógeno (H), azufre (S).

Procesos de formación

• El carbón se origina a partir de la densa vegetación que crece en lugares pantanosos. Poco se conoce acerca de las reacciones químicas que se encuentran involucradas en este proceso.
• La energía que se dispone a partir de la combustión del carbón fue almacenada durante el proceso de fotosíntesis en el vegetal.
• El tiempo y la temperatura son probablemente bastante importantes en la determinación del contenido de carbono del carbón, el cual nunca se encuentra libre.

Carbonificación

La carbonificación comprende los procesos que transforman los restos vegetales en carbón, que cuanto mayor sea esta transformación, mayor será el grado de carbonificación o rango del mismo.

• Carbonificación bioquímica:

Se comprenden aquí todas las transformaciones como consecuencia de la acción de hongos y bacterias aeróbicas en una primera etapa y en una segunda etapa, bacterias anaeróbicas. El resultado es el paso de turba a lignito.

• Carbonificación geoquímica:

Consiste en los procesos físico-químicos de transformación sufridos durante el enterramiento de la materia orgánica, donde los principales agentes transformadores son la presión (litostática y tectónica favorecen, hidrostática desfavorece), la temperatura (a mayor temperatura más rango) y el tiempo (a igualdad de otros factores más tiempo, implica más rango).

El resultado es el aumento en el poder calorífico y concentración de C, así como la pérdida de O, H, H2O y materias volátiles, aumento de la compactación, dureza, densidad y reflectancia. El rango del carbón pasa de:

Madera → turba → lignito → hulla → antracita → metantracita → grafito.

Clasificación del carbón

A medida que pasaba el tiempo, el carbón aumentaba su contenido en carbono, lo cual incrementa la calidad y poder calorífico del mismo.

Según este criterio duración y condiciones (presión y temperatura) del proceso de carbonización, el carbón se puede clasificar en los siguientes tipos:

• Turba: Tiene un porcentaje alto de humedad, bajo poder calorífico y poco carbono.
• Lignito: Mayor poder calorífico, mayor contenido en carbono y mucha humedad. Se encuentra en minas a cielo abierto y por eso, su uso suele ser rentable.
• Hulla: Alto poder calorífico y elevado porcentaje de carbono. Carbón duro, totalmente carbonizado. Color negro lustroso.
• Antracita: Es el carbón más antiguo, pues tiene más de un 90% de carbono, duro y totalmente carbonizado.

La presión y el calor adicional pueden transformar el carbón en grafito (estructura interna diferente a la del carbono).

A través de una serie de procesos, se obtienen los carbones artificiales; los más importantes son el coque y el carbón vegetal.

• Coque: Es una sustancia carbonosa, sólida, ligera, negra y lustrosa que se obtiene a partir del carbón. El resultado es un carbón con un mayor poder calorífico, además de una serie de productos volátiles (gas ciudad, amoníaco, alquitrán).
• Carbón vegetal: se obtiene por destilación seca de la madera. Puede usarse como combustible, pero su principal aplicación es como absorbente de gases.

Los reactivos para la producción de gas son el carbón, oxígeno y vapor:

2 C + O2→2 CO                  combustión; ∆H = – 214 kJ

2 CO + O2→2 CO2             combustión; ∆H = – 561 kJ

C + H2O→CO + H2             gasificación; ∆H = 131 kJ

CO + H2O→CO2+ H2         reacción con vapor de agua; ∆H = 29 kJ

Ventajas y desventajas del carbón

Aplicaciones

Poder Calorífico de los combustibles

También llamada potencia calorífica; La potencia calorífica de un combustible es la energía liberada por unidad de peso o de volumen de este. Puede determinarse por cálculo o mediante el empleo de un calorímetro y se realiza quemando una pequeña parte del combustible en una bomba calorimétrica. El calor desprendido se cede a una masa de agua en un sistema adiabático. Este calor se determina por el aumento de temperatura del agua.

Ahora veremos algunos valores de poder calorífico de los principales combustibles:

Carbón:

El contenido principal de este sólido es carbono, que va desde una concentración de 50% en la turba, hasta un 90% en la hulla y tiene un poder calorífico de aproximadamente 7000 kcal/kg (2), cantidad que aumenta o disminuye según el contenido de carbono.

Dentro de los diferentes tipos de carbones se tiene:

	PCI (GJ/t)	PCI (kWh/Kg)	PCI (kcal/Kg)	PCI (tep/t)
Antracita eléctrica	19.23	5.34	4,594	0.4594
Antracita industrial	24.40	6.78	5,829	0.5829
Antracita otros sectores de consumo final	26.10	7.25	6,235	0.6235
Hulla eléctrica	22.60	6.28	5,399	0.5399
Hulla coquizable	29.55	8.21	7,059	0.7059
Hulla altos hornos	26.20	7.28	6,259	0.6259
Hulla industrial	24.10	6.69	5,757	0.5757
Hulla otros sectores de consumo final	26.86	7.46	6,417	0.6417
Carbón subbituminoso	13.37	3.71	3,194	0.3194
Lignito	13.34	3.71	3,195	0.3195
Coque de coquería	26.80	3.71	3,195	0.3195
Alquitrán de hulla	38.00	3.71	3,195	0.3195

Ilustración 5: (Eurosta  2013)

Petróleo:

Combustible natural líquido formado por una mezcla de hidrocarburos y obtenido de la transformación de plancton, por acción de bacterias y tiene ventaja en poder calorífico con respecto al carbón, con un valor que ronda las 10000 kcal/kg (Corinto 2011).

Aunque se pueden obtener distintos valores de acuerdo con sus tipos y derivados:

	PCI (GJ/t)	PCI (kWh/Kg)	PCI (kcal/Kg)	PCI (tep/t)
Petróleo Bruto	42.55	11.82	10,190	1.0190
Materias primas de refinería	39.88	11.08	9,550	0.9550
GLP	45.89	12.75	10,990	1.0990
Propano	46.20	12.83	11,063	1.1063
Butano	44.78	12.44	10,723	1.0723
Queroseno	42.89	11.91	10,270	1.0270
Gasolina	43.89	12.19	10,510	1.0510
Gasolina aviación	43.89	12.19	10,510	1.0510
Gasóleo automoción	42.47	11.80	10,170	1.0170
Otros gasóleos	42.47	11.80	10,170	1.0170
Fuelóleo	39.88	11.08	9,550	0.9550
Alquitrán	39.88	11.08	9,550	0.9550
Nafta	43.89	12.19	10,510	1.0510
Lubricantes	39.88	11.08	9,550	0.9550
Coque de petróleo	31.90	8.86	7,640	0.7640

Ilustración 6: (Eurosta  2013)

Gas natural:

El gas natural está formado principalmente por metano, aunque puede contener pequeñas cantidades de otros compuestos como el etano y dado que contiene poca cantidad de otros compuestos, tiene una combustión más limpia con un poder calorífico que ronda las 1000 kcal/m³ (Corinto 2011).

Valores de poder calorífico de sus compuestos y similares (gas de refinería):

	PCI (GJ/t)	PCI (kWh/Kg)	PCI (kcal/Kg)	PCI (tep/t)
GNL	45.10	12.53	10,800	1.0800
Metano	50.00	13.89	11,973	1.1973
Etano	47.51	13.20	11,350	1.1350
Gas de refinería	49.36	13.71	11,820	1.1820

Ilustración 7: (Eurosta  2013)

BIBLIOGRAFÍA

• BLOG DEL PETRÓLEO

2017                           Blog del petróleo: conceptos fundamentales. Consulta: 01 de marzo del 2018

http://blogdelpetroleo.blogspot.pe/

• CORINTO

2011                          Química General. Consulta: 02 de marzo de 2018.

http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/51-principales-fuentes-de-energia-quimica.html

• ECOPETROL

2017                          ¿Qué es el gas natural? Consulta: 02 de marzo de 2018

https://www.ecopetrol.com.co/wps/portal/es/ecopetrol-web/productos-y-servicios/productos/gas-natural/Informaci%C3%B3n%20General/que-es-el-gas-natural/!ut/p/z0/04_Sj9CPykssy0xPLMnMz0vMAfIjo8ziLQIMHd09DQy9DZwt3QwcjTwsQxw9g4I8nIz0C7IdFQEONbdQ/

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2016                  “Combustibles fósiles e hidrógeno”. España. Consulta 28 de marzo de 2018.

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• ESPAÑA, Universidad de Oviedo

2016                  “Combustibles industriales”. España. Consulta 29 de marzo de 2018.

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• GAMALLO GARCÍA Martín, FERNANDEZ Martín y CAÑOTO Aida

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• GARCÍA SAN JOSÉ, Ricardo

2001                          Combustión y Combustible. Consulta: 29 de marzo de 2018

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• LA GUÍA DE LA QUÍMICA

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2017                  Catalizadores químicos para convertir gas natural en combustible líquido. Consulta 1 de abril de 2018

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2017                  Los combustibles convencionales sobre los alternativos. Consulta 1 de abril de 2018.

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Fuentes de las imágenes

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