La geología como fuente de energía

Los recursos geológicos son muy variados y los empleamos para muy diversos fines, pero todos en conjunto nos sirven para recordar que la geología es imprescindible para alcanzar y mantener nuestra forma de vida. Minerales que sin ser procesados los empleamos tal cual para la fabricación de una gran variedad de productos (minerales industriales), rocas con las que construimos o revestimos fachadas (rocas ornamentales), minerales a partir de los cuales obtenemos elementos químicos que emplearemos después en un sinfín de industrias (minerales mena)… Todos tienen en común que son recursos geológicos gracias a los cuales tenemos ordenadores y móviles accesibles para casi todo el mundo en los países desarrollados, medicamentos y productos cosméticos, papel o incluso prendas sintéticas muy aislantes como el neopreno. Pero los recursos geológicos también sirven para otra función más importante para las sociedades actuales: la producción de energía.

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Imagen de la Central Termoeléctrica de Bocamina II, en Chile (fuente: terram.cl)

El carbón, lo que fue vida ahora es energía

Uno de los recursos geológicos más usados a lo largo de la historia de la humanidad ha sido el carbón, en algunos sitios llamado carbón mineral para distinguirlo del carbón vegetal (en algunas regiones llamado cisco) y que no es carbón en realidad, solo madera calentada. Porque el término carbón se refiere a un grupo de rocas sedimentarias combustibles que se producen en las turberas a partir de materia orgánica, principalmente de origen vegetal, que ha sufrido una serie de procesos físicos, químicos y biológicos. El resultado de todos esos procesos es una roca más o menos compacta y negra que posee un poder calorífico que será más alto cuanto mayor haya sido el grado de transformación, que es lo que conocemos como rango.

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El carbón es una roca organomineral formada por restos vegetales que han sufrido una serie de procesos físico-químicos (fuente: carbones-valencia.es)

El carbón por tanto se produce a partir de un proceso que recibe el nombre de carbonificación, mediante el cual la materia orgánica se transforma en carbón. Pero para que esto suceda primero es necesario que los restos vegetales se preserven de la destrucción oxidativa y microbiana, ya que no toda la materia orgánica vegetal va a transformarse en carbón. Esto ocurre especialmente en zonas pantanosas donde el agua cubre la materia orgánica en descomposición y la protege de su destrucción, de manera que si las condiciones son las adecuadas con el tiempo esa materia orgánica pasará a ser lo que conocemos como turba. Y aunque muchas veces oímos decir que la turba es un carbón de mala calidad, en realidad la turba no es un tipo de carbón, sino que se trata del primer paso para la formación de carbón. El lugar donde se produce la turba lo conocemos como turbera, y puede ser de tres tipos dependiendo de dónde se localiza, ya que podemos tener turberas parálicas si se encuentran en la costa, turberas límnicas si las tenemos en los márgenes de un lago o turberas telmáticas si están en la llanura de inundación de un río. En todas ellas, si las transformaciones continúan, podremos tener carbones en el futuro, ya que la carbonificación va a depender de tres parámetros principales asociados con el enterramiento: la temperatura, ya que a mayor temperatura mayor rango tendrá un carbón; la presión, porque de nuevo a mayor presión mayor rango, aunque este parámetro es menos importante que la temperatura; y el tiempo, ya que independientemente de los dos parámetros anteriores, a igualdad de condiciones tiene más rango el carbón que más tiempo lleve bajo esas condiciones. La carbonificación es compleja, pero es crucial para entender qué es un carbón y qué carbones existen.

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Esquema de la carbonificación, el proceso por el cuál los residuos vegetales se transforman con el tiempo en carbón, un proceso que se acelera cuanta mayor sea la presión y la temperatura (fuente: bonsaimenorca.com)

Existen varias formas de clasificar los carbones, de entre las que destacan dos. La primera es a partir de la composición, en cuyo caso hablaremos de tipos de carbones, que no es muy usada. La segunda, que es la que seguiremos en esta entrada, clasifica los carbones en función de su rango, es decir del grado de transformación y por tanto muy útil para conocer también el poder calorífico, que en definitiva es lo que nos interesa de un carbón. En este sentido distinguimos siete clases principales de carbones agrupadas en tres, si dejamos de lado la turba, que ya hemos dicho que no es un carbón propiamente dicho. La primera clase es la de los lignitos, que son los de menor rango y también los de menor poder calorífico (hasta 7000 kcal/kg), de entre los que tres variedades (Lignito A, Lignito B y Lignito C). La segunda clase es la de las hullas, también llamadas como carbones bituminosos, que tienen un poder calorífico de hasta 8650 kcal/kg. Las hullas las podemos dividir en sub-bituminosas y bituminosas. Por último tenemos las antracitas, con un poder calorífico similar a las hullas pero con menos componente volátiles, por lo que con su quema no liberamos tanto azufre. Las antracitas las dividimos en semiantracitas, antracitas propiamente dichas y meta-antracitas.

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Tabla de clasificación de los carbones según la ASTM (American Society for Testing Materials) (imagen tomada de es.slideshare.net)

El carbón en la actualidad se utiliza principalmente para obtención de energía en las centrales termoeléctricas, aunque cada vez su explotación se está reduciendo en favor de los hidrocarburos, en parte por la cantidad de gases nocivos que liberamos en su quema. E cualquier caso, el carbón es el combustible fósil del que existe mayor cantidad de recursos en el planeta (recordemos que recurso es una concentración natural de algo de interés y reserva es la parte del recurso que en un momento dado es económicamente viable su explotación). Además, a diferencia del petróleo, tiene una amplia distribución geográfica que hace que se conozcan yacimientos en prácticamente todos los países del mundo, aunque no en todos tenemos carbón con la misma calidad. Por ejemplo, en España la mayoría de carbones son hullas y antracitas, aunque en algunos lugares también tenemos lignitos negros (en  Teruel y A Coruña). En cuanto a la energía producida a partir de ellos, en el año 2014 España produjo un total de 41.352 Gwh, la mayoría a partir de hullas (datos del Ministerio de Industria, Energía y Turismo).

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El carbón está ampliamente distribuido por el mundo y eso lo hace muy independiente frente a crisis políticas como las que regulan el precio del petróleo (fuente: recap.asia)

El petróleo, mucho más que gasolinas y plásticos

Una de las grandes revoluciones del s. XIX fue el inicio del empleo del petróleo como fuente de energía, aunque en realidad este no fue el inicio de su uso, ya que desde tiempos muy remotos se ha empleado petróleo para diferentes fines. Por ejemplo, muy probablemente el famoso fuego griego de la flota bizantina estaba formado por petróleo (junto con otras sustancias), pero es que además en la Edad Media el petróleo se empleaba con fines curativos. ¿Pero qué es el petróleo? Se define con este concepto al sedimento orgánico compuesto por hidrocarburos, ya se encuentren en estado sólido, líquido o gaseoso. En este caso la materia orgánica dispersa, por lo general restos de animales acuáticos aunque también puede haberlos vegetales, ha sufrido una serie de procesos de maduración con los que los componentes orgánicos originales (aminoácidos, azúcares y lípidos) pasan a constituir geopolímeros (kerógeno y bitumen) que acabarán por dar primero petróleo y por último gas natural.

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El petróleo es actualmente el recurso energético más empleado en el mundo, ya que de él obtenemos un sinfín de productos, tales como gasolinas o gasóleos (fuente: desconocido)

Igual que ocurría con el carbón, para que tengamos petróleo en un lugar necesitamos primero que haya una elevada producción de materia orgánica que se acumule en el sedimento bajo condiciones reductoras (para que no se pueda oxidar y destruir). Este sedimento deberá sufrir un enterramiento rápido para facilitar aún más la preservación de la materia orgánica, de manera que con el tiempo pasará a constituir una roca a la que llamamos roca madre. Una vez que tengamos ya la materia orgánica constituyendo el hidrocarburo (petróleo y/o gas natural) necesitamos que este sea accesible, por lo que la roca madre ha de estar en contacto con una roca porosa y permeable que le permita migrar y almacenarse, que es lo que llamamos roca almacén. Pero no terminan nuestros requisitos aquí, ya que normalmente este petróleo en su desplazamiento debe encontrar un obstáculo que le impida seguir avanzando y le permita acumularse, que es lo que llamamos una trampa petrolífera, que puede ser estructural (causada por una falla o un pliegue) o estratigráfica (por ejemplo un cambio de facies). Con todo esto ya tenemos un yacimiento petrolífero convencional, muy diferente a los que se explotan mediante la técnica de la fracturación hidráulica, que recordemos que son conocidos como yacimientos no convencionales.

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Esquema de los diferentes tipos de yacimientos de petróleo que existen, incluyendo los denominados yacimientos no convencionales (fuente: web.ecologia.unam.mx)

Un petróleo está compuesto por moléculas orgánicas de diferentes tipos, aunque en conjunto todas ellas poseen, además de carbono e hidrógeno (fundamentales para hablar de moléculas orgánicas), cantidades importantes de nitrógeno, azufre, oxígeno e incluso metales, motivo por el que durante años las gasolinas emitían compuestos de azufre y de plomo. Estas moléculas las podemos tener en cualquiera de los tres estados de la materia en función de lo largas que sean las cadenas que definen los átomos de carbonos, ya que las hay sólidas si tienen más de 15 carbonos (resinas y asfaltos), líquidas si tienen entre 15 y 5 carbonos (bencenos) y gaseosas si están compuestas por menos de 5 carbonos (parafinas y naptenos). Esto del tamaño de las cadenas de carbonos es muy importante porque es lo que está detrás de que, cuando refinamos un petróleo, del mismo obtengamos propano y butano (gases), gasolinas y gasóleos (líquidos) o breas (sólidos).

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Izquierda: Composición química elemental del petróleo (fuente: modernd.site40.net). Derecha: Principales sustancias que forman parte de un crudo típico (fuente: refineering.wordpress.com)

En el mundo hay unos 4.000 campos petrolíferos de importancia, la gran mayoría en Oriente Medio y en muchos casos en países conflictivos, lo que ocasiona que el petróleo tenga tanta influencia en la economía mundial. Pero también tenemos yacimientos de petróleo convencional en otras partes del mundo, como es el caso de los yacimientos de Estados Unidos, del Mar del Norte o incluso de España, donde tenemos el campo petrolífero de Ayoluengo (Burgos) y ya para gas natural diversas concesiones en la Cuenca del Guadalquivir y en la costa de Tarragona. De hecho en España en el año 2014 se produjo, a apartir de diversos derivados del petróleo y gas natural, un total de 26.123 GWh, la mayoría procedente del gas natural (datos del Ministerio de Industria, Energía y Turismo).

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Balance de distribución del petróleo por el mundo, desde las áreas productoras en marrón hasta las áreas de consumo en azul (fuente: energyfuse.org)

Uranio, ¿el futuro energético?

Lo que hemos visto hasta ahora, tanto el carbón como el petróleo y el gas natural, son lo que denominamos como combustibles fósiles por ser sustancias que proceden de organismos del pasado y que “quemamos” para obtener energía. Pero existe otro tipo de recurso geológico energético que no requiere de su combustión: los minerales radiactivos. Porque todo elemento radiactivo, en su desintegración libera una cantidad de energía determinada, pero además, si optamos por bombardearlos con neutrones se libera muchísima más energía que si controlamos nos puede servir para producir electricidad, si no la controlamos estamos hablando de una explosión como las de las bombas nucleares. En este sentido, el mineral radiactivo más importante es la uraninita, un óxido de uranio de color negro que es la principal mena de este metal (ver qué son los minerales mena) y que cuando se altera da colores amarillos. De hecho lo normal es encontrarlo como una variedad en forma de masas terrosas que recibe el nombre de pechblenda.

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La uraninita es la principal mena de uranio. La imagen corresponde con un ejemplar encontrado en la Sierra de Albarrana, en Córdoba, que podemos encontrar en el Museo Don Felipe de Borbón y Grecia (fuente: uned.es)

Los átomos de uranio son muy grandes y eso hace que sea extremadamente raro que vayan a entrar en la red cristalina de los minerales, que es lo que en geología llamamos un elemento incompatible. Pero cuando tenemos un fundido magmático, a medida que se va enfriando va solidificando, pero no todo por igual, sino que poco a poco se van formando minerales con los elementos más compatibles en lo que conocemos como cristalización fraccionada. De esta manera, a final de la historia de ese fundido magmático tenemos un residuo muy enriquecido en elementos incompatibles que también solidificará, de manera que esos elementos pasan a formar parte de la red cristalina de minerales extraños formados por esos elementos que normalmente no encontramos en otros minerales. ¿Y cuál es la última roca en formarse en este proceso de diferenciación magmática? Los granitos. Estas rocas, compuestas principalmente por cuarzo, feldespato y micas, tienen minerales con elementos radiactivos como los circones, de gran importancia para conocer la edad del planeta, constituidos por elementos muy grandes como el circonio (de que les viene el nombre) con el que puede ir uranio (gracias al cuál podemos datar con ellos). Por tanto, los principales yacimientos de uranio los vamos a tener en áreas graníticas, aunque también hay otros tipos de explotaciones de uranio en otras litologías, pero normalmente el granito es una parte importante (de ahí las minas de uranio de oeste salmantino). Independientemente del tipo de roca explotada, una mina de uranio no es cualquier tontería, ya que en su explotación los trabajadores estarán expuestos a dosis importantes de radiactividad, motivo por el que una mina de estas características es también una instalación nuclear en la que hay que cumplir una serie de medidas especiales, entre ellas un correcto tratamiento de lo que no nos vamos a llevar de ella, el estéril. En cuanto al material que sí nos llevamos, el transporte es también delicado, ya que lo debemos llevar, normalmente por carretera, a una planta especial en la que fabricaremos con él el combustible nuclear que emplearemos en las centrales para producción de energía.

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Imagen del exterior de una mina de uranio con el típico cartel de peligro nuclear (fuente: izca.net)

La energía nuclear no goza de mucha aceptación por parte de la sociedad debido a los riesgos que entraña si no se hacen las cosas bien, pero no podemos negar que es altamente productiva. Una pastilla de combustible nuclear, que no es muy grande (5 g de peso), es capaz de producir la misma cantidad de energía que 810 kg de carbón, lo que nos deja bastante claro cuál es el pode energético de este recurso. Pero claro, tanta energía tiene su precio, y es que cualquier error puede suponer una catástrofe como la de Chernobil, que fue una clara negligencia, o como la de Fukushima. De hecho, tal es la productividad que en España en el año 2014, con tan solo 7 unidades nucleares instaladas, se produjeron 57.299 GWh, un 21% del total de la energía producida en el país, de manera que al menos ese año se convirtió en la segunda forma de energía del país, solo por detrás de la térmica (datos del Ministerio de Industria, Energía y Turismo).

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La energía nuclear no goza de buena imagen en la sociedad por los riesgos que entraña, a pesar de que es una forma de energía altamente rentable (fuente: wikipedia.org)

La energía geotérmica, una alternativa al alcance de unos pocos

En las últimas décadas las sociedades han evolucionado hacia una cada vez menor dependencia de los combustibles fósiles, lo que supone un incremento en el uso de otras formas de energía, en especial la energía nuclear pero también lo que llamamos como energías renovables. Dentro de este tipo de energías tenemos la energía geotérmica, de gran importancia desde el punto de vista de la geología porque tiene un origen geológico, ya que aprovecha el gradiente geotérmico de la Tierra, es decir, el aumento de la temperatura con la profundidad (que de media son 25-30º C por cada kilómetro de profundidad).

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Los géiseres son manifestaciones geotérmicas que nos muestran el verdadero potencial del calor interno del planeta en determinadas regiones (fuente: mortgagecalculator.org)

La energía geotérmica es bastante sencilla de entender, ya que emplea el calor del interior del planeta para calentar agua que mueva unas turbinas con las que se genera energía. Actualmente clasificamos los recursos geotérmicos en dos tipos en función de la temperatura del agua que hay en ellos (hay un tercer tipo sin presencia de agua): los recursos geotérmicos de alta temperatura, en los que el agua supera los 150 ºC de temperatura, a veces incluso alcanza los 400º C; y los recursos geotérmicos de baja y media temperatura, que son en los que el agua no alcanza los 150 ºC. De estos dos tipos el primero es evidentemente el más rentable, y lo vamos a tener sobre todo en regiones con un gradiente geotérmico anormalmente alto, como son las zonas con actividad volcánica. Pero esa forma de energía no es exclusiva de estas áreas, ya que también podemos aprovechar el gradiente no en superficie sino en profundidad. Eso es lo que hace un par de años propusieron unos investigadores de la Universidad de Valladolid, que habían estimado cuánta electricidad se podría obtener con el calor que se almacena bajo los diez primeros kilómetros de corteza dentro del territorio peninsular. Según dicho estudio, la Península Ibérica tendría en su subsuelo una energía que de aprovecharse quintuplicaría la producción del país, solo perforando hasta entre 3 y 10 km para inyectar un fluido a esas profundidades, que al calentarse generaría dicha energía.

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Esquema de los tres tipos de recursos geotérmicos existentes: de alta temperatura (izquierda), de media temperatura (centro) y de baja temperatura (derecha)

Hoy en día existen instalaciones para producir electricidad a partir de fluidos geotérmicos con una potencia total instalada en el mundo de más de 8.300 MWe. Las explotaciones de baja temperatura con aprovechamiento directo de calor alcanzan una potencia instalada superior a 15.000 MWt, ello sin contar los aprovechamientos en baños termales, que superan los 6.500 MWt (datos del IGME). En España no existe todavía ninguna planta geotermoeléctrica, pero teniendo en cuenta que en Canarias tenemos actividad volcánica, y además hay toda esa energía disponible en el subsuelo peninsular, esta energía es una alternativa interesante para compensar el déficit energético de país, porque como ya dijimos al principio de esta entrada: la geología también puede ser energía.

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Mapa de energía geotérmica en el mundo, indicando en rojo los países que la emplean para generar electricidad, en naranja los que la aprovechan para otros fines y en ocre los que no la emplean de ninguna forma (fuente: energy-101.org)

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