Matthew R. Fisher y editor
Combustibles fósilesproviene de la materia orgánica de plantas, algas y cianobacterias que fue enterrada, calentada y comprimida bajo alta presión durante millones de años. El proceso transformó la biomasa de esos organismos en los tres tipos de combustibles fósiles: petróleo, carbón y gas natural.
Petróleo (petróleo)
El treinta y siete por ciento del consumo de energía del mundo y el 43% del consumo de energía de los Estados Unidos proviene del petróleo. Los científicos y los responsables de la formulación de políticas debaten a menudo la cuestión de cuándo llegará el mundo apico de producción de petróleo, el punto en el que la producción de petróleo es máxima y luego declina. En general, se piensa que el pico del petróleo se alcanzará a mediados del siglo XXI, aunque hacer tales estimaciones es difícil porque se deben considerar muchas variables. Actualmente, las reservas mundiales son de 1,3 billones de barriles, o quedan 45 años en el nivel actual de producción.
Impactos ambientales de la extracción y refinación de petróleo
Aceitese encuentra generalmente de una a dos millas (1,6 a 3,2 km) por debajo de la superficie de la Tierra, ya sea en tierra firme o en el océano. Una vez que se encuentra y extrae el petróleo, se debe refinar, lo que separa y prepara la mezcla de petróleo crudo en los diferentes tipos para gas, diesel, alquitrán y asfalto. La refinación de petróleo es una de las principales fuentes de contaminación del aire en los Estados Unidos por hidrocarburos orgánicos volátiles y emisiones tóxicas, y la mayor fuente individual de benceno cancerígeno. Cuando el petróleo se quema como gasolina o diésel, o para producir electricidad o para alimentar calderas de calor, produce una serie de emisiones que tienen un efecto perjudicial sobre el medio ambiente y la salud humana:
- Dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero y una fuente de cambio climático.
- Dióxido de azufre (SO2) provoca lluvia ácida, que daña plantas y animales que viven en el agua, y aumenta o provoca enfermedades respiratorias y enfermedades del corazón, particularmente en poblaciones vulnerables como niños y ancianos.
- Óxidos nitrosos (NOX) y los carbonos orgánicos volátiles (COV) contribuyen al ozono a nivel del suelo, que es irritante y daña los pulmones.
- El material particulado (PM) produce condiciones nebulosas en ciudades y áreas escénicas, y se combina con el ozono para contribuir al asma y la bronquitis crónica, especialmente en niños y ancianos. También se cree que las partículas muy pequeñas, o “PM finas”, penetran más profundamente en el sistema respiratorio y causan enfisema y cáncer de pulmón.
- El plomo puede tener impactos severos en la salud, especialmente para los niños.
Hay otras fuentes nacionales de petróleo que se están considerando como recursos convencionales y se están agotando. Éstas incluyenArenas bituminosas– depósitos de arena húmeda y arcilla con 1-2 por ciento de betún (petróleo espeso y pesado rico en carbono y pobre en hidrógeno). Estos se eliminan mediante la minería a cielo abierto (consulte la sección a continuación sobre el carbón). Otra fuente esesquisto bituminoso,que es roca sedimentaria llena de materia orgánica que puede procesarse para producir petróleo líquido. Extraído mediante minería a cielo abierto o creando minas subterráneas, el esquisto bituminoso puede quemarse directamente como el carbón o hornearse en presencia de hidrógeno para extraer petróleo líquido. Sin embargo, los valores netos de energía son bajos y son costosos de extraer y procesar. Ambos recursos tienen graves impactos ambientales debido a la minería a cielo abierto, el dióxido de carbono, el metano y otros contaminantes del aire similares a otros combustibles fósiles.
A medida que Estados Unidos trata de extraer más petróleo de sus propios recursos cada vez más escasos, perfora aún más profundamente en la tierra y aumenta los riesgos ambientales. El derrame de petróleo más grande de los Estados Unidos hasta la fecha comenzó en abril de 2010 cuando ocurrió una explosión en la plataforma petrolera Deepwater Horizon que mató a 11 empleados y derramó casi 200 millones de galones de petróleo antes de que se pudiera detener la fuga resultante. La vida silvestre, los ecosistemas y los medios de subsistencia de las personas se vieron afectados negativamente. Se gastó mucho dinero y enormes cantidades de energía en los esfuerzos de limpieza inmediatos. Los impactos a largo plazo aún no se conocen. La Comisión Nacional sobre el Derrame de Petróleo y la Perforación en alta mar de Deepwater Horizon se creó para estudiar qué salió mal.
La dependencia global del transporte del petróleo
Dos tercios del consumo de petróleo se dedican al transporte, proporcionando combustible para automóviles, camiones, trenes y aviones. Para los Estados Unidos y las sociedades más desarrolladas, el transporte está entretejido en el tejido de nuestras vidas, una necesidad tan central para las operaciones diarias como la comida o el refugio. La concentración de las reservas de petróleo en unas pocas regiones del mundo hace que gran parte del mundo dependa de la energía importada para el transporte. El aumento del precio del petróleo en la última década hace que la dependencia de la energía importada para el transporte sea un problema tanto económico como energético. Estados Unidos, por ejemplo, ahora gasta más de $350 mil millones al año en petróleo importado, una pérdida de recursos económicos que podrían usarse para estimular el crecimiento, crear empleos, construir infraestructura y promover avances sociales en el país.
Carbón
A diferencia del petróleo,carbónes un sólido. Debido a su costo y abundancia relativamente bajos, el carbón se utiliza para generar aproximadamente la mitad de la electricidad que se consume en los Estados Unidos. El carbón es la mayor fuente de energía producida en el país. La producción de carbón se ha duplicado en los Estados Unidos durante los últimos sesenta años (Figura 1). Las reservas mundiales actuales se estiman en 826.000 millones de toneladas, con casi el 30% de eso en los Estados Unidos. Es un importante recurso de combustible que Estados Unidos controla internamente.
El carbón es abundante y económico, cuando se observa únicamente el costo de mercado en relación con el costo de otras fuentes de electricidad, pero su extracción, transporte y uso produce una multitud de impactos ambientales que el costo de mercado no representa realmente. El carbón emite dióxido de azufre, óxido de nitrógeno y mercurio, que se han relacionado con la lluvia ácida, el smog y problemas de salud. La quema de carbón emite mayores cantidades de dióxido de carbono por unidad de energía que el uso de petróleo o gas natural. El carbón representó el 35 % de las emisiones totales de dióxido de carbono liberadas en los Estados Unidos a la atmósfera terrestre en 2010. La ceniza generada por la combustión contribuye a la contaminación del agua. Algunas actividades mineras de carbón tienen un impacto negativo en los ecosistemas y la calidad del agua, y alteran los paisajes y las vistas panorámicas (como ocurre con la minería en la cima de una montaña).
También existen efectos y riesgos significativos para la salud de los mineros del carbón y de quienes viven en las inmediaciones de las minas de carbón. La minería subterránea tradicional es riesgosa para los trabajadores mineros debido al riesgo de atrapamiento o muerte. Durante los últimos 15 años, la Administración de Salud y Seguridad Minera de EE. UU. ha publicado el número de muertes de trabajadores mineros y ha variado entre 18 y 48 por año. Veintinueve mineros murieron el 6 de abril de 2010 en una explosión en la mina de carbón Upper Big Branch en Virginia Occidental, lo que contribuyó al aumento de muertes entre 2009 y 2010. En otros países, con menos normas de seguridad, los accidentes ocurren con mayor frecuencia. En mayo de 2011, por ejemplo, tres personas murieron y 11 quedaron atrapadas en una mina de carbón en México durante varios días. También hay riesgo de contraerenfermedad del pulmon negro(neumoconiosis). Esta es una enfermedad de los pulmones causada por la inhalación de polvo de carbón durante un largo período de tiempo..Provoca tos y dificultad para respirar. Si se detiene la exposición, el resultado es bueno. Sin embargo, la forma complicada puede causar dificultad para respirar que empeora cada vez más.
Minería en la cima de la montaña(MTM), si bien es menos peligroso para los trabajadores, tiene efectos particularmente perjudiciales para los recursos de la tierra. MTM es una práctica de minería a cielo abierto que involucra la eliminación de cimas de montañas para exponer vetas de carbón y la eliminación de los desechos mineros asociados en valles adyacentes. Esta forma de minería es muy dañina para el medio ambiente porque literalmente remueve las cimas de las montañas, destruyendo el hábitat existente. Además, los escombros del MTM se vierten en los valles, enterrando arroyos y otros hábitats importantes.
Gas natural
El gas natural satisface el 20% de las necesidades energéticas mundiales y el 25% de las necesidades de Estados Unidos.Gas naturalse compone principalmente de metano (CH4) y es un gas de efecto invernadero muy potente. Hay dos tipos de gas natural.Gas biogénicose encuentra a poca profundidad y surge de la descomposición anaeróbica de la materia orgánica por bacterias, como el gas de vertedero.Gas termogénicoproviene de la compresión de la materia orgánica y el calor profundo bajo tierra. Se encuentran con el petróleo en las rocas del yacimiento y con los depósitos de carbón, y estos combustibles fósiles se extraen juntos.
El gas natural se libera a la atmósfera desde las minas de carbón, los pozos de petróleo y gas, y los tanques de almacenamiento, tuberías y plantas de procesamiento de gas natural. Estas fugas son la fuente de aproximadamente el 25 % de las emisiones totales de metano de EE. UU., lo que se traduce en el tres por ciento de las emisiones totales de gases de efecto invernadero de EE. UU. Cuando se produce gas natural pero no se puede capturar y transportar económicamente, se “quema en antorcha” o se quema en pozos, lo que lo convierte en CO2. Esto se considera más seguro y mejor que liberar metano a la atmósfera porque el CO2es un gas de efecto invernadero menos potente que el metano.
En los últimos años se ha identificado una nueva reserva de gas natural: los recursos de esquisto. Estados Unidos posee 2552 billones de pies cúbicos (Tcf) (72,27 billones de metros cúbicos) de recursos potenciales de gas natural, y los recursos de esquisto representan 827 Tcf (23,42 tcm). A medida que aumentaron los precios del gas natural, se volvió más económico extraer el gas del esquisto. La Figura 3 muestra la producción pasada y pronosticada de gas natural de EE. UU. y las diversas fuentes. Las reservas actuales son suficientes para durar unos 110 años a la tasa de consumo de EE. UU. de 2009 (alrededor de 22,8 Tcf por año -645,7 bcm por año).
El gas natural es un combustible fósil preferido cuando se consideran sus impactos ambientales. Específicamente, cuando se quema, mucho menos dióxido de carbono (CO2), se omiten los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre que de la combustión de carbón o petróleo. Tampoco produce cenizas ni emisiones tóxicas.
La producción de gas natural puede resultar en la producción de grandes volúmenes de agua contaminada. Esta agua debe manejarse, almacenarse y tratarse adecuadamente para que no contamine la tierra ni los suministros de agua. La extracción de gas de esquisto es más problemática que las fuentes tradicionales debido a un proceso apodadofracking,o fracturamiento de pozos, ya que requiere grandes cantidades de agua (Figura 4). La técnica utiliza fluidos a alta presión para fracturar los depósitos de esquisto normalmente duros y liberar el gas y el petróleo atrapados dentro de la roca. Para promover el flujo de gas fuera de la roca, se incluyen pequeñas partículas de sólidos en los líquidos de fracturamiento para que se alojen en las grietas de lutita y las mantengan abiertas después de que se despresuricen los líquidos. El uso considerable de agua puede afectar la disponibilidad de agua para otros fines. usos en algunas regiones y esto puede afectar los hábitats acuáticos. Si se maneja incorrectamente, el fluido de fracturación hidráulica puede liberarse por derrames, fugas u otras vías de exposición. El fluido contiene productos químicos potencialmente peligrosos, como ácido clorhídrico, glutaraldehído, destilado de petróleo y etilenglicol. Los riesgos del fracking se han destacado en la cultura popular en el documental Gasland (2010).
El gas crudo de un pozo puede contener muchos otros compuestos además del metano que se busca, incluido el sulfuro de hidrógeno, un gas muy tóxico. El gas natural con altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno generalmente se quema en antorcha, lo que produce CO2, monóxido de carbono, dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y muchos otros compuestos. Los pozos y tuberías de gas natural a menudo tienen motores para hacer funcionar equipos y compresores, que producen más contaminantes del aire y ruido.
Aportes del Carbón y del Gas Natural a la Generación Eléctrica
En la actualidad, los combustibles fósiles utilizados para la generación de electricidad en EE. UU. son predominantemente carbón (44%) y gas natural (23%); el petróleo representa aproximadamente el 1%. La electricidad del carbón tiene sus orígenes a principios del siglo XX, cuando era el combustible natural de las máquinas de vapor dada su abundancia, alta densidad energética y bajo coste. El gas natural es una adición posterior a la mezcla de electricidad fósil, llegando en cantidades significativas después de la Segunda Guerra Mundial y con su mayor crecimiento desde 1990. De los dos combustibles, el carbón emite casi el doble de dióxido de carbono que el gas natural para la misma producción de calor, por lo que Es un contribuyente significativamente mayor al calentamiento global y al cambio climático.
El futuro del gas natural y el carbón
El desarrollo futuro del carbón y el gas natural depende del grado de preocupación pública y normativa por las emisiones de carbono, y el precio relativo y el suministro de los dos combustibles. Los suministros de carbón son abundantes en los Estados Unidos y la cadena de transporte desde las minas hasta las centrales eléctricas está bien establecida. El principal factor desconocido es el grado de presión pública y regulatoria que se ejercerá sobre las emisiones de carbono. La fuerte presión regulatoria sobre las emisiones de carbono favorecería el retiro del carbón y la adición de centrales eléctricas de gas natural. Esta tendencia se ve reforzada por la reciente expansión espectacular de las reservas de gas de esquisto en los Estados Unidos debido a los avances en la tecnología de perforación. La producción de gas natural de esquisto ha aumentado un 48 % anual entre los años 2006 y 2010, y se esperan más aumentos. Una mayor producción de gas de esquisto en los Estados Unidos reducirá gradualmente las importaciones y eventualmente podría convertir a los Estados Unidos en un exportador neto de gas natural.
La energía nucleares la energía liberada por la descomposición radiactiva de elementos, como el uranio, que libera grandes cantidades de energía. Las plantas de energía nuclear no producen dióxido de carbono y, por lo tanto, a menudo se las considera unacombustible alternativo(combustibles distintos de los combustibles fósiles).Actualmente, la producción mundial de electricidad a partir de la energía nuclear es de aproximadamente 19,1 billones de KWh, y Estados Unidos produce y consume aproximadamente el 22% de eso. La energía nuclear proporciona alrededor del 9% de la electricidad en los Estados Unidos (Figura 7).
Hay desafíos ambientales con la energía nuclear. La extracción y el refinado de mineral de uranio y la fabricación de combustible para reactores exigen mucha energía. Además, las plantas de energía nuclear son muy costosas y requieren grandes cantidades de metal, concreto y energía para su construcción. El principal desafío ambiental para la energía nuclear son los desechos, incluidos los desechos de la molienda de uranio, el combustible gastado (usado) del reactor y otros desechos radiactivos. Estos materiales tienen vidas medias radiactivas prolongadas y, por lo tanto, siguen siendo una amenaza para la salud humana durante miles de años. Elmedia vidade un elemento radiactivo es el tiempo que tarda el 50% del material en desintegrarse radiactivamente. La Comisión Reguladora Nuclear de EE. UU. regula el funcionamiento de las plantas de energía nuclear y el manejo, transporte, almacenamiento y eliminación de materiales radiactivos para proteger la salud humana y el medio ambiente.
Por volumen,los desechos producidos por la extracción de uranio, llamadosrelaves del molino de uranio,es el desecho más grande y contiene el elemento radiactivo radio, que se descompone para producir radón, un gas radiactivo.Residuos radiactivos de actividad altaconsiste en combustible de reactor nuclear usado. Este combustible se presenta en forma sólida que consiste en pequeñas pastillas de combustible en tubos largos de metal y debe ser almacenado y manipulado con contención múltiple, primero enfriado por agua y luego en contenedores especiales para exteriores de hormigón o acero enfriados por aire. No existe una instalación de almacenamiento a largo plazo para este combustible en los Estados Unidos.
Existen muchas otras precauciones reglamentarias que rigen la concesión de permisos, la construcción, el funcionamiento y el desmantelamiento de centrales nucleares debido a los riesgos de una reacción nuclear descontrolada. El potencial de contaminación del aire, el agua y los alimentos es alto si ocurre una reacción incontrolada. Incluso cuando se planifica para los peores escenarios, siempre existen riesgos de eventos inesperados. Por ejemplo, el terremoto de marzo de 2011 y el posterior tsunami que azotó Japón provocaron la fusión del reactor en la central nuclear de Fukushima Daiichi, causando daños masivos en el área circundante.
Debatiendo sobre la energía nuclear
Desde una perspectiva de sostenibilidad, la electricidad nuclear presenta un dilema interesante. Por un lado, la electricidad nuclear no produce emisiones de carbono, una gran ventaja sostenible en un mundo que enfrenta un cambio climático antropogénico. Por otro lado, la electricidad nuclear produce desechos peligrosos que i) deben almacenarse fuera del medio ambiente durante miles de años, ii) puede producir plutonio y uranio aptos para bombas que podrían ser desviados por terroristas u otros para destruir ciudades y envenenar el medio ambiente. , y iii) amenaza el medio ambiente natural y construido a través de fugas accidentales de radiación de larga duración. Los científicos reflexivos, los legisladores y los ciudadanos deben sopesar el beneficio de esta fuente de electricidad libre de carbono frente al riesgo ambiental de almacenar combustible gastado, el riesgo social de la proliferación nuclear y el impacto de la liberación accidental o deliberada de radiación. pocos ejemplos de humanos que tienen el poder de cambiar permanentemente la dinámica de la tierra. El cambio climático global de las emisiones de carbono es un ejemplo, y la radiación de la explosión de un número suficiente de armas nucleares es otro. La electricidad nuclear toca ambas oportunidades, en el lado positivo para reducir las emisiones de carbono y en el lado negativo por el riesgo de proliferación nuclear.
La electricidad nuclear apareció en la escena energética con notable rapidez. Tras el desarrollo de la tecnología nuclear al final de la Segunda Guerra Mundial con fines militares, la energía nuclear adquirió rápidamente un nuevo camino en tiempos de paz para la producción económica de electricidad. Once años después del final de la Segunda Guerra Mundial, un tiempo muy corto en términos energéticos, el primer reactor nuclear comercial produjo electricidad en Calder Hall en Sellafield, Inglaterra. El número de reactores nucleares creció constantemente a más de 400 en 1990, cuatro años después del desastre de Chernobyl en 1986 y once años después de Three Mile Island en 1979. Desde 1990, el número de reactores en funcionamiento se ha mantenido aproximadamente estable, con nuevas construcciones equilibrando el desmantelamiento. debido a la renuencia del público y del gobierno a proceder con los planes de expansión de la electricidad nuclear.
El resultado de este debate determinará si el mundo experimenta un renacimiento nuclear que se ha gestado durante varios años. El debate mundial se ha visto fuertemente afectado por el improbable accidente nuclear en Fukushima, Japón, en marzo de 2011. El desastre nuclear de Fukushima fue causado por un terremoto y un tsunami que deshabilitaron el sistema de refrigeración de un complejo de energía nuclear que consiste en reactores nucleares en funcionamiento y piscinas de almacenamiento para el almacenamiento submarino de combustible nuclear gastado provoca en última instancia una fusión parcial de algunos de los núcleos del reactor y la liberación de una cantidad significativa de radiación. Este evento, 25 años después de Chernobyl, nos recuerda que la seguridad y la confianza del público son especialmente importantes en la energía nuclear; sin ellos no se producirá la expansión de la energía nuclear.
Atribución
Fundamentos de la ciencia ambientalporKamala Dornertiene licencia bajoCC POR 4.0.Modificadodel original de Matthew R. Fisher.