Cap. 14: Recursos de energia – Combustibles fosiles Consumo de energia en E.U. - 2001

Recursos de energia: Combustibles fosiles Combustibles fosiles (fossil fuels): fuentes de energia que se formaron de los restos de organismos Petroleo (oil) Gas natural (natural gas) Carbon (coal) Lutitas bituminosas (oil shale) Arenas asfalticas (tar sand)

Fig. 13.1 Aumentos en consumo de energia per capita en diferentes sociedades uso de electricidad

Fig. 13.2 Consumo de energia en E.U.: 1949-2001 Economia con problemas – embargo de petroleo a los arabes 1 quadrillion Btu = 1015 Btu

Petroleo y gas natural Petroleo (petroleum): grupo (suite) complejo de compuestos quimicos incluyendo el petroleo liquido y el gas natural asociado a este Oil: petroleo liquido, variedad de compuestos hidrocarburos liquidos pesados (heavy liquid hydrocarbon compounds) Gas natural: compuesto hidrocarburo gaseoso; metano (CH4) es el mas comun

Formacion de petroleo y gas Materia organica, rica en C y H, se acumula y rapidamente se entierra (buried) Enterramiento rapido ayuda en el decaimiento (decay) de la materia organica, protegiendola del aire (oxigeno) y reacciones biologicas que destruirian la formacion de hidrocarburos Fuente del material organico – vida microscopica Organismos mueren y sus restos se van (settle) al suelo marino Algunos depositos de gas natural se forman del enterramiento de cantidades masivas de material vegetal/de plantas en sedimento en tierra

Cont. Formacion de petroleo y gas Factores importantes: tiempo e historia de la formacion del deposito de energia (maduracion) Calor y presion actuan para modificar las moleculas organicas Moleculas organicas grandes (hidrocarburos ‘pesados’; consistencia gruesa y casi solida del asfalto) se romperan en moleculas mas pequenas (hidrocarburos ‘livianos’; forman aceites lubricantes, gasolina, etc.) Etapas finales – mayor parte del petroleo formara moleculas gaseosas simples y livianas: gas natural

Fig. 13.3 Proceso de maduracion del petroleo en un deposito marino

Migracion de petroleo y gas Hidrocarburos liquidos y gaseosos migraran fuera de las rocas en las cuales se formaron para producir depositos economicamente utiles Roca almacen (reservoir rocks) – permeable y porosa, que suministrara petroleo y gas natural Roca de tapa impermeable (impermeable cap) - atrapan la migracion de hidrocarburos hacia arriba (si no ascenderian a la superficie)

Trampas de petroleo y gas Petroleo acumulado en un arrecife de coral fosilizado Trampa de pliegue (fold) – se acumulan en el eje del pliegue (charnela)

Trampas de petroleo y gas Trampa de falla (fault) – migracion ascendente se detiene donde esta la falla

Petroleo y gas: Tiempo Pocos depositos de hidrocarburos se encuentran en rocas de menos de 1-2 millones de años --- proceso es lento Petroleo y gas natural son recursos de energia no-renovables (nonrenewable) Material organico que cae al suelo oceanico hoy no sera util como producto de petroleo en nuestras vidas

Abastecimiento y demanda por petroleo A nivel global 500 billones de barriles de petroleo se han consumido 1 barril = 42 galones Razones (rates) de consumo reciente han aumentando rapidamente Reservas comprobadas restantes ~1 trillon de barriles No estan distribuidas a la par alrededor del mundo Mayoria del petroleo es consumido por paises industrializados

Fig. 13.5 Reservas mundiales de petroleo y gas natural (2002)

Abastecimiento de petroleo en E.U. 200 billones de barriles de petroleo se han producido y consumidos en E.U. Usa ~7 billones de barriles por año (40% energia) E.U. le restan <23 billones de barriles de reservas comprobadas Produccion ha disminuido recientemente Se consideran nuevos recursos E.U. depende mucho de importaciones de petroleo

Fig. 13. 6 Produccion de energia en E. U. por fuente de energia Fig. 13.6 Produccion de energia en E.U. por fuente de energia. Produccion domestica se ha nivelado a pesar de aumentos en costos y consumo. US Energy production NGPL = Natural gas plant liquids, combustibles liquidos producidos durante procesamiento/refinamiento del gas natural

Abastecimiento y demanda: gas natural Fuente de ~25% de la energia usada en E.U. ~20 trillones de ft3 consumidos la mayoria de los años 200 trillones de ft3 de reservas comprobadas Pocas reservas nuevas se encuentran cada año E.U. es un importador importante de gas natural

El futuro Con abastecimientos variados de petroleo y gas natural, se espera que aumente la exploracion Areas mas prometedoras han sido exploradas Existen campos protegidos por razones ambientales o porque no produciran cantidades significativas de petroleo y gas natural Futuro de la energia en E.U. continuira estando basada en la importacion

Recobro (recovery) de petroleo Recobro primario – limitado a bombeo (pumping) original (petroleo bajo presion y no requiere otras tecnicas) Recobro secundario – bombear agua a una reserva cuando flujo baja, para llenar poros vacios y flotar (“buoy”) hacia arriba mas petroleo (menos denso) para ser bombeado del pozo Recobro mejorado (enhanced) – usado despues que tecnicas de recobro primarias y secundarias han vaciado (depleted) su petroleo recobrable (~1/3 de petroleo en trampas).

Fuentes alternas de gas natural Zonas geopresurizadas (geopressurized) CH4 miles de metros bajo superficie (altas T y altas P), disuelto en agua, llenando los poros en las rocas Hidratos de metano (methane hydrates) CH4 y hielo solido (congelado) cristalino en aguas articas y sedimentos marinos Problema para el clima global, si el calentamiento provoca la liberacion del CH4 en los hidratos de gas en el Artico CH4 en capas de carbon (coal-bed) CH4 acumulado durante procesos de formacion de carbon

Hidrato de metano

Fig. 13.10 Cantidad de C en hidratos de gas es aproximadamente el doble del encontrado en todos los combustibles fosiles en la Tierra billones de tons de C

Conservacion Ideas de conservacion: Aumentar ‘car pooling’ Construir sistemas de transito en masa mas eficientes (energy efficient) Aumentar eficiencia en uso de combustible en autos (ej. aumentar las millas por galon) Mejorar insulacion (insulation) en edificios, casas y escuelas Aumentar uso de metodos de energia alternativa

Derrames de petroleo (oil spills) ~10,000 derrames cada año en aguas de E.U. 15 - 25 millones de galones de petroleo anualmente Fuentes (origen) de los derrames: Barcos petroleros (oil tankers) Accidentes al barrenar (drilling) (ej. barrenar un area de alta P accidentalmente, causando explosiones) Disposicion no cuidadosa del petroleo usado Destruccion intencional de tuberias (pipelines) Filtros (seeps) naturales

Fig. 13.12 Petroleo en el Golfo Persico despues de la Guerra del Golfo en 1991

Cont. Derrames de petroleo Tecnicas de control de daños: Barreras y “skimmers” flotantes ‘Mapear’ (mop up) con material absorbente Quemarlo Usar microorganismos que comen el petroleo

Por: Wilson Ramirez

Fig. 13.14 Limpieza en playa tratando de “mapear” el petroleo de la playa, Prince William Sound, Alaska

Por: Wilson Ramirez

Carbon (coal) Source: http://www.sharonaeschbach.com/Studyabroad/engineering.html

Carbon (coal) Provee ~20% del abastecimiento de energia en E.U. >50% de la energia electrica (electric power generation) Formacion de depositos de carbon Se forma de los restos de plantas terrestres Areas pantanosas con abundantes arboles y hojas Requiere condiciones anaerobicas (sin aire/oxigeno) para convertir arboles caidos y hojas muertas a carbon

Formacion de carbon Etapas de formacion de carbon (en orden): (1) Acumulacion de restos vegetales (2) Turba (peat): descomposicion parcial de restos vegetales en un pantano pobre en O2 crea esta capa superficial de material marron y blando (3) Lignito (lignite): carbon blando y marron que se forma lentamente con el enterramiento somero

Cont. Formacion de carbon (4) Carbono fijado (bituminous coal): a medida que aumenta la carga por el deposito de una cantidad cada vez mayor de sedimentos sobre el carbon en desarrollo, el agua y los volatiles escapan y aumenta el carbono fijado; mas duro (5) Antracita (anthracite) – variedad mas dura de carbon; metamorfizado Carbon es otro recurso no-renovable

Etapas de formacion de carbon I

Etapas de formacion de carbon II

Yacimientos de carbon de E.U.

Reservas y recursos de carbon Reservas mundiales ~ 1 trillon de tons Estimado de 10 trillones de tons en recurso total Reservas en E.U. >270 billones de tons de carbon recobrable Se estima 2.7 trillones de toneladas en recurso total

Fig. 13. 16 Reservas mundiales de carbon Fig. 13.16 Reservas mundiales de carbon. Suma de antracita y carbon fijado en parentesis.

Limitaciones del carbon No es actualmente un sustituto para petroleo/gas natural No es limpio para minar, quemar o tratar No es producido en forma util para propositos de transportacion Carbon se puede convertir en combustible liquido (gasolina) o gaseoso (gas natural) haciendo que el carbon reaccione con vapor o hidrogeno gaseoso a altas temperaturas (produce combustible mas limpio) Licuefaccion (liquefaction) Gasificacion (gasification)

Impactos ambientales del carbon Produce CO2 abundante cuando se quema CO2 es un gas invernadero (greenhouse gas) Libera S como SO2 a la atmosfera al quemarse Lluvia acida (acid rain): SO2 es toxico y reacciona con H2O en la atmosfera para formar acido sulfurico; acidifica rios y suelos, disolucion de rocas Se liberan cenizas (ash) cuando se quema carbon Ceniza es ~20% del volumen de carbon A menudo contiene metales toxicos como selenio y uranio

Ejemplo de mineria superficial de carbon http://www.cargolaw.com/

Fig. 13.19 Fuego fuera de control en mina subterranea de carbon abandonada en Wyoming

Fig. 13.22 Mina de carbon abandonada con piscinas de acido en sus “spoil banks” (Utah)

Lutitas bituminosas (oil shale) Combustible en las lutitas bituminosas (roca sedimentaria) es un hidrocarburo solido ceroso (waxy) llamado kerogen, formado de restos de plantas, algas y bacterias Se rompen y queman para destilar el combustible Recurso abundante en E.U.: ~2 - 5 trillones de barriles de petroleo de lutita bituminosa No es aun viable economicamente para explotar: muy costoso, requiere mineria superficial, se obtiene poca cantidad de la mineria de mucha roca (gran volumen de desperdicios), requiere grandes cantidades de agua.

Fig. 13.24 Distribucion de depositos de lutitas bituminosas en E.U. Green River Formation – deposito mas rico

Fig. 13.25 Afloramientos de lutitas bituminosas, Green River Formation, Colorado

Arenas asfalticas (tar sand) Rocas sedimentarias que contienen un petroleo muy grueso, semisolido – alquitran negro conocido como bitumen (tar-like) Pueden representar depositos de petroleo inmaduros No es aun viable economicamente para explotar, porque debe minarse, romperse la roca y calentarse para extraer el petroleo, que se debe refinar en varios combustibles (problemas similares a lutitas bituminosas). Recurso de energia principal en Canada

Fig. 13.26 Localizacion de depositos de petroleo en el oeste de Canada -Yacimiento Athabasca

Fig. 13.27 Recursos de petroleo en Canada Canadian reserves