V. LA ENERGÍA DEL CARBÓN: 300 MILLONES DE AñOS

HACE aproximadamente 300 millones de años se formó gran parte del carbón mineral que existe en nuestro planeta. Esto ocurrió en el Paleozoico superior, en el periodo llamado Carbonífero, aunque también durante los periodos Pérmico, Cretácico, Jurásico, Triásico, Pleoceno y Mioceno se formaron grandes yacimientos carboníferos.

El carbón se formó a partir de la descomposición anaeróbica de materia orgánica, principalmente plantas superiores terrestres (a diferencia del petróleo, que es de origen marino). Debido a la acción de las bacterias anaeróbicas, la materia orgánica fue ganando carbono y perdiendo oxígeno e hidrógeno; este proceso, aunado a los incrementos de presión y temperatura con el paso del tiempo, provocaron cambios físicos y químicos en los restos orgánicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como carbón.

El carbón mineral se empezó a utilizar como combustible en China hace aproximadamente 2 000 años. Posteriormente lo utilizaron los romanos. Lo curioso del caso es que en el siglo XI un inglés "redescubrió" que el carbón podía arder. Sin embargo, desde el siglo XIII, los ingleses lo empezaron a explotar y lo transportaban en barco a Londres, donde lo utilizaban para producir calor. También los indios hopi lo emplearon en lo que hoy es Arizona.

En 1670, el reverendo John Clayton informó la generación de un gas luminoso que se obtenía al calentar carbón en una retorta. Un siglo después, en 1792, William Murdock, iluminaba su casa en Corwall, Escocia, con gas obtenido de la destilación de carbón.

Sin embargo, no fue sino hasta la época de la reina Isabel I cuando este combustible empezó a utilizarse ampliamente en las ciudades inglesas, sacado de las minas de Newcastle y Cardiff. El carbón adquirió más importancia cuando Abraham Darby descubrió el proceso que permite obtener coque a partir de carbón.⁸

Al poco tiempo el carbón, como combustible, se convertiría en uno de los principales protagonistas de la Revolución Industrial, al lado de la máquina de vapor inventada por James Watt, en 1765. El propio Watt diseñó, en 1803, un sistema de alumbrado para las calles y las casas, en el que se aprovechaba el gas producido del carbón; James Prescott Joule se dio cuenta de la relación que existía entre la máquina de vapor y el uso directo del carbón (véase el recuadro 8).

Recuadro 8

James Prescott Joule y el equivalente mecánico del calor. "El conocer la equivalencia entre el calor y la energía mecánica es de gran valor para resolver gran número de problemas de interés e importancia. En el caso de la máquina de vapor, averiguando la cantidad de calor producida por la combustión de carbón podemos determinar qué parte de dicho calor se transforma en energía mecánica e indagar así hasta qué punto la máquina de vapor puede recibir nuevas mejoras. Los cálculos que se han hecho basándose en este principio han hecho ver que puede producirse cuando menos diez veces más energía de la que actualmente se obtiene mediante la combustión del carbón. Otra conclusión interesante es que el organismo animal, aunque destinado a realizar tantos otros fines, es, en cuanto máquina, más perfecto que la máquina de vapor mejor contruida, o sea, que es capaz de realizar más trabajo con el mismo gasto de combustible. "JAMES PRESCOTT JOULE, 1847.

Entre 1860 y la primera Guerra Mundial el carbón desplazó definitivamente a la madera como combustible fundamental. A continuación, entre ambas guerras mundiales el petróleo sustituyó al carbón como principal energético y esta situación se acentuó en la posguerra. Pese a ello, en 1978, el carbón representó el 26% de la demanda de energía primaria mundial.

En el caso de México, según cifras de 1975, se ha tenido que importar carbón para satisfacer la demanda. Sin embargo, la producción ha ido aumentando. Hasta 1980 las reservas de carbón eran de 3 275 toneladas. Asimismo, las reservas de carbón no coquizable eran, según cifras de 1982, de 645 millones de toneladas. El carbón no coquizable (es decir, del que no se puede obtener coque) es el que se emplea para la generación de energía eléctrica, mientras que el carbón coquizable —del que se obtiene coque— es el que se utiliza en la industria siderúrgica y metalúrgica para la fabricación de hierro y acero. El acero, por ejemplo, tiene entre 0.2 y 2% de carbono que se obtiene del coque.

Los principales consumidores de carbón en nuestro país son las industrias que fabrican acero y hierro, y un pequeño porcentaje (2.2% en 1975) se emplea para la generación de energía eléctrica. La planta carboeléctrica más importante del país es la "José López Portillo", que se localiza en Coahuila; en sus dos unidades, Río Escondido y Carbón II, se generarán 2 600 MW con carbón no coquizable que se obtiene de las minas cercanas a Piedras Negras.

El carbón mineral está compuesto de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, cenizas y otros elementos en menor cantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etcétera).

La calidad del carbón se mide de acuerdo con las siguientes características: porcentaje de materia volátil, porcentaje de carbono fijo, azufre, cenizas, oxígeno, hidrógeno, humedad y, finalmente, poder calorífico. Como se utilizan diferentes clasificaciones, tendremos que mencionar, aunque sea brevemente, las más comunes.

En cuanto al porcentaje de carbono fijo, el lignito tiene entre 50 y 69%, el carbón bituminoso de 69 a 86% y la antracita de 92 a 98%. De acuerdo con el porcentaje de materia volátil, el lignito tiene entre 40 y 50%, el carbón bituminoso entre 14 y 31% y la antracita de 2 a 8 por ciento.

El término bituminoso se refiere al grado de poder calorífico que tiene el carbón. Según esta clasificación, el carbón que posee un poder calorífico más alto (esto es, las kilocalorías por kilogramo que puede proporcionar en la combustión) es, a pesar de ser una redundancia, el carbón bituminoso, como la hulla, que tiene un bajo contenido de materia volátil (8 500 kca/kg); después le sigue el carbón subituminoso con un contenido medio de materia volátil (8 200 kcal/kg), luego la antracita, después el bituminoso con alto contenido de materia volátil (7 000), a continuación los carbones subituminosos (5 500) y finalmente el lignito (3 500).

En tiempos geológicos primero se formó la turba, posteriormente el carbón café; éste se convirtió en lignito, que a su vez pasó a ser carbón subituminoso; este último se transformó en carbón bituminoso, que incluye a la hulla (el carbón que se usa para cocinar) y finalmente en antracita, que es el carbón más antiguo. Todos éstos son los diferentes tipos de carbón.

El carbón se utiliza en la industria siderúrgica, como coque, la industria metalúrgica, los sistemas de calefacción central, la producción de gas y otros combustibles sintéticos y en las centrales carboeléctricas.

Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilación se elimina la materia volátil del carbón, quedando un carbón de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una aleación de hierro y carbono) y metalúrgica.

Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se realiza la combustión, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las centrales carboeléctricas, como la de Río Escondido, en Coahuila.

El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterráneas. Uno de los grandes problemas en la extracción del carbón de las minas subterráneas es que se produce un gas muy venenoso, conocido como gas grisú (metano) que al mezclarse con el aire en una proporción superior a 6% puede explotar. Otro gran problema de las minas carboníferas son las condiciones de trabajo a las que están expuestos los mineros, pues al inhalar partículas de sílice (SiO₂) del cuarzo cristalizado o amorfo de las minas pueden contraer una enfermedad mortal llamada silicosis.

Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer tanto el volumen del yacimiento como la profundidad, ya que estos factores determinan el hecho de que la explotación de la mina sea económicamente rentable.

Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre (en las centrales carboeléctricas puede utilizarse sin lavar), después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuberías, suspendido en agua y posteriormente se recupera por centrifugación.

En una central carboeléctrica el carbón pulverizado se transporta por medio de un ventilador a la caldera, en la cual se mezcla con aire caliente. Una vez en la caldera se quema para calentar agua y producir vapor. Ahí, los productos de combustión se aprovechan para calentar nuevamente el aire, eliminando las cenizas mediante una malla cargada eléctricamente que las atrae.

Por otro lado, el vapor se utiliza para mover una turbina que, unida a un generador, produce energía eléctrica.

Uno de los problemas de las centrales carboeléctricas es que entre los productos de la combustión que se liberan a la atmósfera está el bióxido de carbono y el dióxido de azufre; este último es un contaminante bastante peligroso. Por ello, las termoeléctricas que trabajan con carbón, como la de Río Escondido, tienen filtros que evitan que estas sustancias salgan a la atmósfera.