V. LA ENERG�A DEL CARB�N: 300 MILLONES DE A�OS

HACE aproximadamente 300 millones de a�os se form� gran parte del carb�n mineral que existe en nuestro planeta. Esto ocurri� en el Paleozoico superior, en el periodo llamado Carbon�fero, aunque tambi�n durante los periodos P�rmico, Cret�cico, Jur�sico, Tri�sico, Pleoceno y Mioceno se formaron grandes yacimientos carbon�feros.

El carb�n se form� a partir de la descomposici�n anaer�bica de materia org�nica, principalmente plantas superiores terrestres (a diferencia del petr�leo, que es de origen marino). Debido a la acci�n de las bacterias anaer�bicas, la materia org�nica fue ganando carbono y perdiendo ox�geno e hidr�geno; este proceso, aunado a los incrementos de presi�n y temperatura con el paso del tiempo, provocaron cambios f�sicos y qu�micos en los restos org�nicos y los transformaron en lo que hoy conocemos como carb�n.

El carb�n mineral se empez� a utilizar como combustible en China hace aproximadamente 2 000 a�os. Posteriormente lo utilizaron los romanos. Lo curioso del caso es que en el siglo XI un ingl�s "redescubri�" que el carb�n pod�a 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. Tambi�n los indios hopi lo emplearon en lo que hoy es Arizona.

En 1670, el reverendo John Clayton inform� la generaci�n de un gas luminoso que se obten�a al calentar carb�n en una retorta. Un siglo despu�s, en 1792, William Murdock, iluminaba su casa en Corwall, Escocia, con gas obtenido de la destilaci�n de carb�n.

Sin embargo, no fue sino hasta la �poca de la reina Isabel I cuando este combustible empez� a utilizarse ampliamente en las ciudades inglesas, sacado de las minas de Newcastle y Cardiff. El carb�n adquiri� m�s importancia cuando Abraham Darby descubri� el proceso que permite obtener coque a partir de carb�n.⁸

Al poco tiempo el carb�n, como combustible, se convertir�a en uno de los principales protagonistas de la Revoluci�n Industrial, al lado de la m�quina de vapor inventada por James Watt, en 1765. El propio Watt dise��, en 1803, un sistema de alumbrado para las calles y las casas, en el que se aprovechaba el gas producido del carb�n; James Prescott Joule se dio cuenta de la relaci�n que exist�a entre la m�quina de vapor y el uso directo del carb�n (v�ase el recuadro 8).

Recuadro 8

James Prescott Joule y el equivalente mec�nico del calor. "El conocer la equivalencia entre el calor y la energ�a mec�nica es de gran valor para resolver gran n�mero de problemas de inter�s e importancia. En el caso de la m�quina de vapor, averiguando la cantidad de calor producida por la combusti�n de carb�n podemos determinar qu� parte de dicho calor se transforma en energ�a mec�nica e indagar as� hasta qu� punto la m�quina de vapor puede recibir nuevas mejoras. Los c�lculos que se han hecho bas�ndose en este principio han hecho ver que puede producirse cuando menos diez veces m�s energ�a de la que actualmente se obtiene mediante la combusti�n del carb�n. Otra conclusi�n interesante es que el organismo animal, aunque destinado a realizar tantos otros fines, es, en cuanto m�quina, m�s perfecto que la m�quina de vapor mejor contruida, o sea, que es capaz de realizar m�s trabajo con el mismo gasto de combustible. "JAMES PRESCOTT JOULE, 1847.

Entre 1860 y la primera Guerra Mundial el carb�n desplaz� definitivamente a la madera como combustible fundamental. A continuaci�n, entre ambas guerras mundiales el petr�leo sustituy� al carb�n como principal energ�tico y esta situaci�n se acentu� en la posguerra. Pese a ello, en 1978, el carb�n represent� el 26% de la demanda de energ�a primaria mundial.

En el caso de M�xico, seg�n cifras de 1975, se ha tenido que importar carb�n para satisfacer la demanda. Sin embargo, la producci�n ha ido aumentando. Hasta 1980 las reservas de carb�n eran de 3 275 toneladas. Asimismo, las reservas de carb�n no coquizable eran, seg�n cifras de 1982, de 645 millones de toneladas. El carb�n no coquizable (es decir, del que no se puede obtener coque) es el que se emplea para la generaci�n de energ�a el�ctrica, mientras que el carb�n coquizable —del que se obtiene coque— es el que se utiliza en la industria sider�rgica y metal�rgica para la fabricaci�n 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 carb�n en nuestro pa�s son las industrias que fabrican acero y hierro, y un peque�o porcentaje (2.2% en 1975) se emplea para la generaci�n de energ�a el�ctrica. La planta carboel�ctrica m�s importante del pa�s es la "Jos� L�pez Portillo", que se localiza en Coahuila; en sus dos unidades, R�o Escondido y Carb�n II, se generar�n 2 600 MW con carb�n no coquizable que se obtiene de las minas cercanas a Piedras Negras.

El carb�n mineral est� compuesto de carbono, hidr�geno, nitr�geno, azufre, cenizas y otros elementos en menor cantidad (potasio, calcio, sodio, magnesio, etc�tera).

La calidad del carb�n se mide de acuerdo con las siguientes caracter�sticas: porcentaje de materia vol�til, porcentaje de carbono fijo, azufre, cenizas, ox�geno, hidr�geno, humedad y, finalmente, poder calor�fico. Como se utilizan diferentes clasificaciones, tendremos que mencionar, aunque sea brevemente, las m�s comunes.

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

El t�rmino bituminoso se refiere al grado de poder calor�fico que tiene el carb�n. Seg�n esta clasificaci�n, el carb�n que posee un poder calor�fico m�s alto (esto es, las kilocalor�as por kilogramo que puede proporcionar en la combusti�n) es, a pesar de ser una redundancia, el carb�n bituminoso, como la hulla, que tiene un bajo contenido de materia vol�til (8 500 kca/kg); despu�s le sigue el carb�n subituminoso con un contenido medio de materia vol�til (8 200 kcal/kg), luego la antracita, despu�s el bituminoso con alto contenido de materia vol�til (7 000), a continuaci�n los carbones subituminosos (5 500) y finalmente el lignito (3 500).

En tiempos geol�gicos primero se form� la turba, posteriormente el carb�n caf�; �ste se convirti� en lignito, que a su vez pas� a ser carb�n subituminoso; este �ltimo se transform� en carb�n bituminoso, que incluye a la hulla (el carb�n que se usa para cocinar) y finalmente en antracita, que es el carb�n m�s antiguo. Todos �stos son los diferentes tipos de carb�n.

El carb�n se utiliza en la industria sider�rgica, como coque, la industria metal�rgica, los sistemas de calefacci�n central, la producci�n de gas y otros combustibles sint�ticos y en las centrales carboel�ctricas.

Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de destilaci�n se elimina la materia vol�til del carb�n, quedando un carb�n de muy buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria sider�rgica (producci�n de hierro y acero, este �ltimo es precisamente una aleaci�n de hierro y carbono) y metal�rgica.

Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se realiza la combusti�n, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las centrales carboel�ctricas, como la de R�o Escondido, en Coahuila.

El carb�n se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterr�neas. Uno de los grandes problemas en la extracci�n del carb�n de las minas subterr�neas es que se produce un gas muy venenoso, conocido como gas gris� (metano) que al mezclarse con el aire en una proporci�n superior a 6% puede explotar. Otro gran problema de las minas carbon�feras son las condiciones de trabajo a las que est�n expuestos los mineros, pues al inhalar part�culas de s�lice (SiO₂) del cuarzo cristalizado o amorfo de las minas pueden contraer una enfermedad mortal llamada silicosis.

Cuando se descubre una veta de carb�n, se requiere conocer tanto el volumen del yacimiento como la profundidad, ya que estos factores determinan el hecho de que la explotaci�n de la mina sea econ�micamente rentable.

Una vez que se obtiene el carb�n, se lava para quitarle el azufre (en las centrales carboel�ctricas puede utilizarse sin lavar), despu�s se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuber�as, suspendido en agua y posteriormente se recupera por centrifugaci�n.

En una central carboel�ctrica el carb�n 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. Ah�, los productos de combusti�n se aprovechan para calentar nuevamente el aire, eliminando las cenizas mediante una malla cargada el�ctricamente que las atrae.

Por otro lado, el vapor se utiliza para mover una turbina que, unida a un generador, produce energ�a el�ctrica.

Uno de los problemas de las centrales carboel�ctricas es que entre los productos de la combusti�n que se liberan a la atm�sfera est� el bi�xido de carbono y el di�xido de azufre; este �ltimo es un contaminante bastante peligroso. Por ello, las termoel�ctricas que trabajan con carb�n, como la de R�o Escondido, tienen filtros que evitan que estas sustancias salgan a la atm�sfera.