combustibles fósiles

Bacterias que producen un combustible fósil alternativo.

coliInvestigadores del Imperial College en Londres han logrado modificar genéticamente a una bacteria para que produzca propano, un combustible fósil. “Los combustibles fósiles son un recurso finito y conforme nuestra población sigue creciendo tendremos que recurrir a nuevas formas de cumplir con las crecientes demandas de energía,” comenta Patrik Jones, el coordinador del estudio, para el sitio de noticias de su universidad.

 Jones y su equipo modificaron el metabolismo de la bacteria Escherichia coli (vieja conocida de la ciencia y de los sistemas digestivos humanos): aprovechan la forma en que la bacteria produce ácidos grasos y los integra en su membrana celular, para agregar algunas enzimas al proceso y terminar con un producto diferente, el propano.

 Por ahora, el estudio sólo logró producir una cantidad muy pequeña, insuficiente para comenzar a generarla a nivel industrial, pero el propano conseguido es prácticamente igual al que se usa en la industria. “Aunque esta investigación está en una etapa muy temprana, nuestro estudio proporciona un método de producción renovable de un combustible que anteriormente sólo era accesible a partir de reservas fósiles”, agrega Jones.

 Además, los investigadores comentan que siguiendo esta línea de investigación podrían llegar a la producción de combustibles a partir de la energía solar: usando bacterias fotosintéticas en lugar de E. coli.

Fuentes:

Nota fuente en ScienceDaily | Artículo original en Nature | Nota original en el Blog de Historias Cienciacionales | Imagen

Una breve historia del petróleo y la sociedad que decidió explotarlo

Durante los primeros meses de 1991, fuerzas iraquíes encendieron fuego a cientos de pozos petroleros en Kuwait en respuesta a la intervención de las fuerzas de la Coalición de la Guerra del Golfo. Los incendios petroleros de Kuwait fueron totalmente controlados en noviembre del mismo año. La invasión de Irak a Kuwait fue motivada por conflictos petroleros. http://bit.ly/VQfsAx  

Hace algunos meses un grupo de hackers de la comunidad musulmana, bajo el nombre de AnonGhost, lanzó el primero de lo que prometió sería una serie de ataques contra corporaciones occidentales y ciertos gobiernos de países árabes; la campaña #OpPetrol es un ataque dirigido a la industria petrolera que, en palabras de los activistas, “ha deshumanizado la economía y ha creado un nuevo orden mundial basado en el Petro Dólar”. Del otro lado del mundo, un grupo de ecologistas es arrestado por protestar contra la construcción de las primeras minas para explotar arenas de petróleo en Estados Unidos que, siguiendo el ejemplo de Canadá, busca extraer hidrocarburos por vías poco ortodoxas, como respuesta al agotamiento de otro tipo de yacimientos.

En México se invierten cantidades exorbitantes en la exploración y explotación de yacimientos petroleros en aguas profundas aún cuando la sombra del desastre provocado por el hundimiento de la plataforma Deepwater Horizon en 2010 no se ha disipado del todo.

No cabe duda que el mundo se mueve con combustibles fósiles y es un hecho que la reserva mundial de estos hidrocarburos está menguando; día con día somos testigos de las implicaciones políticas, económicas y sociales que se desprenden de este hecho. Pero, ¿qué sabemos realmente del petróleo?, ¿de dónde viene?, ¿cuándo comenzamos a explotarlo?, ¿por qué parece haber tan poco? y ¿cómo pasó de ser una solución energética a ser un problema mundial? Para darle respuesta a estas preguntas tenemos que comenzar el relato hace algunos millones de años, cuando la Tierra era muy diferente a lo que conocemos ahora.

 

Un puré de microorganismos a presión

Contrario a la creencia popular, hay muy poco de dinosaurios en nuestro petróleo; la mayor parte de él tuvo su origen en las aguas tibias y someras de mares antiguos, donde las condiciones ambientales favorecieron una explosión de vida microscópica (algas verde azules, foraminíferos y diatomeas), pero un océano floreciente de vida es también un océano lleno de muerte; cuando estos microorganismos partían al cielo de las diatomeas, sus restos se depositaron por millones sobre el lecho marino; en ocasiones la velocidad de este proceso era tal, que el piso oceánico acumulaba restos con mayor velocidad que la necesaria para iniciar el proceso de descomposición. A esta receta sólo tenemos que agregarle unos cuantos millones de años de temperatura y presión elevadas y listo: nuestro coctel de microorganismos se ha transformado en petróleo.

 

Las diatomeas son algas unicelulares que forman una proporción importante del fitoplancton. Poco queda de sus espectaculares diseños después de que el tiempo, la presión y las elevadas temperaturas las transforman en hidrocarburos. Ilustración de Ernst Haeckel.

 

 

Las condiciones adecuadas para la formación de petróleo no son exclusivas de una era geológica; distintas circunstancias pudieron haber generado situaciones similares a las expuestas anteriormente para formar los yacimientos que tanto nos esforzamos en localizar hoy en día. Un elemento constante para que sea exitosa la transformación del plancton en un potencial combustible de avión, es el paso del tiempo. Las condiciones de temperatura y presión necesarias para que esto suceda se logran mediante la acumulación lenta y sostenida de sedimentos que aumentan gradualmente la presión de las capas más bajas y provocan que éstas eleven su temperatura al estar más cerca del manto terrestre. Esto sólo sucede con el paso de millones y millones de años. En este proceso, además de petróleo, también se genera gas natural.

El carbón, el tercer elemento en nuestro imperio de combustibles fósiles, se generó mediante un proceso similar, pero éste utilizó materia vegetal “macro” -troncos y ramas- como materia prima. Estudios recientes han sugerido que la abundancia de depósitos de carbón con más de trescientos millones de años de antigüedad puede estar relacionada con la ausencia de hongos capaces de descomponer la lignina de los troncos. ¿De qué sirve comer madera si no se ha “inventado” la madera aún?

Existe un teoría alternativa respecto a la formación de petróleo y otros combustibles fósiles por la descomposición de materia viva: la teoría abiótica. Los defensores de esta teoría argumentan que el origen del petróleo, el carbón y el gas natural podrían estar ligados a procesos que ocurren naturalmente en las capas más profundas de la corteza terrestre, cerca del manto, sin necesidad de la intervención de materia viva. Existe una gran controversia con respecto a esta teoría, pero no puede eliminarse debido al simple hecho de que nadie ha presenciado la formación de petróleo de forma natural. Si la teoría abiótica tuviera fundamentos, esto implicaría que existe más –mucho más- petróleo, gas y carbón en la Tierra del que tenemos previsto; sin embargo, esto también implica que dichos recursos podrían estar a profundidades y condiciones tales que su explotación es prácticamente inviable bajo los esquemas de extracción actuales. Independientemente de quién tenga la razón, en términos de aprovechamiento de recursos, quedamos en las mismas.

 

El surgimiento de una economía petrolera

El petróleo se ha utilizado de forma más o menos constante por varias civilizaciones humanas. Existen registros de su uso por griegos, chinos y persas, quienes utilizaban el recurso para labores de construcción y, por su carácter inflamable, como materia prima para lámparas y otras pirotecnias. Su historia moderna empieza a mediados del siglo XIX, cuando pasó de ser un remedio casero para curar dolores reumáticos a ser el principal combustible utilizado en la iluminación.

El queroseno –un aceite producido a partir de una destilación simple del petróleo- sustituyó rápidamente al aceite de ballena como principal fuente de iluminación, debido a su bajo costo y aparente abundancia; esta industria fundamenta el éxito temprano de la explotación petrolera. Pronto se comenzaron a construir refinerías a gran escala para solucionar la demanda del combustible y procesar el nuevo recurso que “brotaba de la tierra”. John D. Rockefeller aprovechó la fiebre del oro negro y fundó Standard Oil, la compañía que capitalizó el aprovechamiento del hidrocarburo hasta principios del siglo XX.

En 1879 Thomas Alva Edison presenta al mundo el primer foco de luz incandescente, capaz de comercializarse a gran escala y el imperio del queroseno llega a su fin. Sin embargo, los procesos de refinación petrolera habían generado un sinnúmero de productos aprovechables y el petróleo no tardó en encontrar un nuevo mejor amigo: el motor de combustión interna.

A partir de aquí, la historia es fácil de recapitular: Henry Ford hace que el motor de combustión interna se vuelva uno de los bienes más comunes en los hogares estadounidenses y en el mundo, la demanda mundial de petróleo aumenta exponencialmente durante el siglo XX y se empiezan a aprovechar nuevos subproductos de la refinación del petróleo crudo, principalmente en la forma de polímeros plásticos.

Los primeros síntomas de agotamiento se hacen evidentes y para los años sesenta, Estados Unidos no puede sostener una producción capaz de satisfacer la demanda y se convierte en un fuerte importador del hidrocarburo. El mismo destino aqueja a muchos países industrializados y los conflictos bélicos por el recurso limitante empiezan a hacerse evidentes.

 

 El petróleo hoy

El panorama actual no es muy alentador. Existen fuentes muy optimistas y otras muy pesimistas sobre la cantidad de combustibles fósiles que quedan a nuestra disposición, pero la realidad es que el acceso a estos recursos, independientemente de la cantidad que quede, es cada vez más difícil y costoso. Prácticas altamente cuestionadas por sus repercusiones ambientales como el fracking y la explotación de arenas bituminosas ocupan las primeras planas en muchos países. A estos problemas, es necesario sumar que el aprovechamiento de combustibles fósiles es, en buena parte, responsable de los problemas de contaminación prevalecientes en las ciudades modernas y la mayor fuente de los gases invernadero de origen antropogénico que juegan un papel importante en el cambio climático. La época en la que el petróleo brotaba de la tierra sin mayores consecuencias ha quedado atrás.

Mientras muchos países siguen discutiendo medidas sobre cómo mantener las políticas energéticas vigentes, otros como Dinamarca han puesto manos a la obra en la búsqueda de alternativas. Dinamarca planea sustentar 70% del consumo energético nacional con recursos renovables (mediante el aprovechamiento de energía eólica) para 2020 y ser totalmente sustentable para mediados de siglo.

La granja de viento de Middelgrunden en Dinamarca es una parte de los esfuerzos de este país por volverse energéticamente sustentable en el corto plazo. Imagen por Kim Hansen. Procesada digitalmente por Richard Bartz y Kim Hansen. (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0).

 

Basar la economía global, de un país o de un pueblo en recursos no renovables no es una buena inversión a largo plazo. Quiero cerrar este artículo contándoles la historia de Pithole City, Pennsylvania; esta ciudad se estableció en 1965, en medio de la fiebre petrolera estadounidense. A unos meses de haberse realizado el trazo urbano, ya contaba con la oficina de correos más grande del estado, más de cincuenta hoteles, un periódico propio y una población superior a los quince mil habitantes. La producción petrolera que enriqueció a muchos de los habitantes de la ciudad cayó más de 70% en menos de un año y para 1977 la ciudad estaba completamente abandonada. Hoy, Pithole City prevalece como un museo donde se puede admirar la historia de los primeros días de la industria petrolera americana.

 

Si quieren conocer más detalles sobre la industrial petrolera, la historia del petróleo y los procesos químicos detrás de su refinación y aprovechamiento, aquí les dejó un link al libro Petroquímica y Sociedad de Susana Chow Pangtay. Si quieren algo más de información sobre el mercado y la situación global de la industria petrolera les recomiendo el libro Oil 101 de Morgan Downey. Y si quieren una buena lectura en el contexto del nacimiento de la industria petrolera americana, échenle un ojo a Oil! De Upton Sinclair o a su adaptación cinematográfica por Paul Thomas Anderson There Will Be Blood. ¡Ambos son muy recomendables!

Los clatratos en tiempos de la reforma energética

Buen día a todos los lectores del Uroboro de Kekulé y de Más Ciencia por México. En esta ocasión, me permito escribir en el contexto de los tiempos que anteceden a la toma de una de las decisiones más importantes de México en materia de energéticos. Como es de esperarse, una gran cantidad de espacio en los medios de comunicación nacionales e internacionales se ha destinado al análisis de la iniciativa a la reforma energética. Lo anterior no es de sorprenderse; cualquier libro de texto de ciencias naturales describe a México como un país rico en recursos naturales, entre los cuales, los yacimientos de petróleo sirven como uno de sus principales activos económicos (Figura 1).

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Figura 1. Mapa con las reservas de petróleo mundiales (expresadas en billones de barriles) [1]. En este ámbito, el sitio oficial del gobierno de la república llama a considerar la prestación de contratos de "utilidad compartida" entre PEMEX y empresas privadas, en su mayoría extranjeras, para la exploración y extracción del petróleo y gas. El modelo que resulte de la decisión final será trascendental para las futuras generaciones como lo analiza el Dr. Antonio del Río Portilla en su blog.

Uno de los argumentos centrales del modelo energético es la obtención inmediata de los yacimientos de petróleo en aguas con profundidad mayor a los 500 metros, mismos que sobrepasan los límites de las aguas someras a las que la paraestatal PEMEX tiene acceso. Otro punto relevante es la extracción de gas encontrado en cuencas con lutitas (en inglés shale gas). La Administración de Información de Energía del gobierno de los E.E.U.U. prevé que en el año 2035, esta práctica produzca el 46% de la totalidad del gas natural en todo el país norteamericano, información que no debemos pasar por alto [2]. Sin embargo, ¿son estas opciones las únicas fuentes de energía en juego en la reforma energética?

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Figura 2. Depósito oceánico de clatrato de metano. El gas metano se encuentra "atrapado" por moléculas de agua.

La respuesta a esta pregunta involucra una de las moléculas más atractivas de la química supramolecular: los clatratos. Como su nombre lo indica, la química supramolecular es la química más allá de las moléculas. En otras palabras, la química supramolecular estudia las interacciones de una molécula formada por dos o más elementos. En este caso en particular, los clatratos de metano son una molécula de metano "atrapada" en una esfera cristalina formada por varias moléculas de agua altamente ordenadas, resultando en un sólido parecido al hielo de nuestros congeladores (Figura 2). Las condiciones idóneas para crear un clatrato de metano con moléculas de agua son bajas temperaturas y altas presiones. ¿Pueden imaginar algún lugar que cumpla con estas características?

Los lugares naturales predilectos para la formación de estos compuestos, aparte de rocas en lugares muy fríos como los polos, son los sedimentos oceánicos a profundidades mayores que 300 metros. El Golfo de México y la zona sur del Océano Pacífico son regiones potenciales para la formación de estos sólidos; sin embargo, ¿qué hace tan interesante a los clatratos de metano en materia de energía?

El gas natural, principalmente metano, es un combustible excelente por un conjunto de razones [3].

  1. El metano produce menos dióxido de carbono que cualquier otro combustible fósil.
  2. Podría reducir las emisiones generadas por el hombre de dióxido de carbono y a su vez mitigar el avance del efecto invernadero.
  3. La cantidad de metano en clatratos es mayor que el doble que todos los otros combustibles fósiles combinados (Figura 3).

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Figura 3. Distribución de carbono orgánico en la Tierra (excluyendo carbono orgánico disperso). Unidades: 10^15 g de carbono [4].

Sumado a esto, el proceso de separación del gas metano del material cristalino es es relativamente conocido y puede realizarse en al menos tres maneras distintas: inyección termal (aumento de temperatura), reducción de presión y minería convencional [5]. No obstante, el bajo punto de fusión (-164 °C) del metano debido a su bajo peso molecular, le convierte en un gas inestable e inflamable, por lo que su tratamiento debe ser cuidadoso (Figura 4). De hecho, existe una creciente preocupación debido a los picos de temperatura registrados en las regiones con permafrost, ya que las altas temperaturas podrían desestabilizar a los clatratos encontrados en los mismos y al mismo tiempo liberar el metano al ambiente, potenciando así un aumento al cambio climático del 10 al 25% en los peores escenarios [6]. Debido a lo expuesto, un aprovechamiento de estos recursos en dichas regiones geográficas podría reducir significativamente el daño ambiental derivado de su relegación en nuestro planeta.

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Figura 4. Hielo flameante: combustión del gas metano en clatrato.

Habiendo analizado las ventajas de los clatratos de metano, no es sorpresa que recientemente algunos países, como Japón, hayan tomado la iniciativa de explotar su potencial como una nueva fuente de energía [7]. En este momento, resultaría un ejercicio muy benéfico y saludable que las autoridades mexicanas encargadas de dictaminar una resolución reevalúen los nuevos alcances que una posible reforma energética podría significar para todos los mexicanos, sin considerar únicamente las alternativas publicadas por el gobierno de la república y advirtiendo nuevas fuentes rentables de energía como los clatratos de gas metano.

Referencias:

[1].- Mapa generado por Organization of Petroleoum Exporting Countries [2].- Stevens, Paul. "The ‘shale gas revolution’: Developments and changes."Chatham House Briefing Paper (2012). [3].- Sloan, E. D. (2003). Fundamental principles and applications of natural gas hydrates. Nature, 426(6964), 353-363. [4].- Lee, S. Y., & Holder, G. D. (2001). Methane hydrates potential as a future energy source. Fuel Processing Technology, 71(1), 181-186. [5].- MacDonald, G. J. (1990). The future of methane as an energy resource. Annual Review of Energy, 15(1), 53-83. [6].- Harvey, L. D., & Huang, Z. (1995). Evaluation of the potential impact of methane clathrate destabilization on future global warming. Journal of Geophysical Research, 100(D2), 2905-2926. [7].- "Japan extracts gas from methane hydrate in world first" ; "Methane Clathrates: The next fossil fuel?"

Acerca del Autor

Gonzalo Campillo Alvarado es Químico Farmacobiólogo egresado de la Universidad Veracruzana y actualmente cursa su maestría en el Centro de Investigaciones Químicas de la Facultad de Ciencias UAEM. Su proyecto consiste en el diseño de arquitecturas supramoleculares de boro para el almacenamiento de combustibles.