Procesos de combustión: el futuro de los combustibles fósiles

Encender una cerilla o poner en funcionamiento la cocina de gas de una vivienda son dos ejemplos de la reacción química exotérmica conocida como combustión. Además del carbono e hidrógeno y azufre, es habitual que se generen otros gases como el dióxido de carbono (CO2) y elementos químicos como el carbono. El fuego, por ejemplo, no es más que una oxidación violenta de materia combustible.

La combustión es un proceso muy sencillo de llevar a cabo. Tanto es así que existen multitud de mezclas reactivas (la mayoría de ellas con el oxígeno como uno de sus componentes) en un precario equilibrio. De este modo, simplemente basta con una pequeña reacción en forma de chispa para que se inicie y se propague una combustión formando un frente luminoso que conocemos como llama.

Fases del proceso de combustión: del punto de ignición a la llama

El proceso de la combustión puede dividirse en varias fases:

• Fase de calentamiento: para que cualquier combustible pueda arder se necesita una temperatura mínima que se conoce como punto de ignición. Para ello, el combustible se expone a una fuente de calor externa que eleva su temperatura hasta alcanzar el punto de ignición.

• Fase de ignición: En este momento, el combustible comienza a arder de forma visible, liberando luz y calor. Se inicia la reacción exotérmica.

• Fase de combustión completa: El oxígeno disponible reacciona con todos los elementos combustibles, generando dióxido de carbono (CO₂), vapor de agua (H₂O) y una alta cantidad de energía. Esta es la fase más eficiente energéticamente.

• Fase de combustión incompleta (si ocurre): Si no hay suficiente oxígeno, se generan subproductos como monóxido de carbono (CO), hollín o residuos sólidos, lo que reduce el rendimiento energético y aumenta la contaminación.

Por regla general, los materiales que son combustibles tienen un punto de ignición bajo de manera que, con aparente facilidad, entran en combustión. Sin embargo, cada combustible al quemarse genera su propia cantidad de calor, es decir, una energía calórica diferente. Actualmente esta energía es aprovechada por muchas fábricas e industrias para funcionar, además de ser el origen de la principal fuente de energía que hoy consumimos a través de los hidrocarburos.

Gracias a los combustibles fósiles, principalmente petróleo, gas natural y carbón, se obtiene la energía térmica, cuya principal cualidad es que posee un alto nivel calorífico. Desde hace más de dos siglos, coincidiendo con el inicio de la Revolución Industrial, la extensión de su uso permitió incrementar la productividad de numerosas fábricas, dando lugar a un despegue económico sin precedentes. Sin embargo, su utilización a gran escala conlleva dos grandes problemas: la contaminación de los ecosistemas y el agotamiento de estos recursos naturales cuya naturaleza es finita.

Tipos de combustión y sus aplicaciones energéticas

Existen muchos tipos de combustión. Según el uso por parte de los seres humanos, podría hablarse de cuatro.

• Combustión completa o perfecta, que principalmente tiene aplicaciones industriales. En ella, se oxida y se consume por completo el combustible y se producen una serie de compuestos oxigenados como dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2) o (H2O). En general, se trata de un proceso muy difícil de conseguir.
• Combustión incompleta propia de muchas centrales térmicas. A través de ella aparecen compuestos que no se oxidaron completamente en los gases de combustión, como monóxido de carbono, partículas de carbono o hidrógeno. En el caso de la mayoría de los combustibles, como el diésel o el carbón, se produce un efecto antes de esta combustión, conocido como pirólisis, que es la descomposición termoquímica del material orgánico y que, entre otras consecuencias, provoca que se contamine el humo con partículas y gases nocivos.
• Combustión turbulenta, que es la propia de las turbinas de gas y que tiene, también, fines industriales (como, por ejemplo, que se puedan mover las turbinas de gran tamaño).
• Combustión rápida, que es en la que se libera más rápidamente una gran cantidad de calor y de energía luminosa provocando una llama, como es el caso de las armas explosivas.

¿Tiene futuro el uso de combustibles fósiles?

Desde el siglo XIX, el liderazgo de las energías fósiles en las actividades humanas ha sido incuestionable. Con la llegada de la Revolución Industrial, y hasta el final de la Segunda Guerra Mundial, el carbón era el combustible líder, fundamental para la máquina de vapor. A partir de esa fecha, el petróleo ocupó su lugar gracias, sobre todo, a que resultaba más barato su uso para, por ejemplo, producir electricidad. En paralelo al auge del oro negro, se fue utilizando también el gas como fuente energética, mientras se desarrollaban paulatinamente invenciones como el motor de combustión interna que sirvió para extender y popularizar por todo el mundo nuevos sistemas de transporte como el avión o el automóvil.

Tras la crisis del petróleo de 1973, la necesidad del mundo desarrollado de seguir manteniendo sus niveles de actividad propició el impulso de la energía nuclear y de las energías renovables. En las dos últimas décadas, la mayor preocupación por el cambio climático y la sostenibilidad ha favorecido el crecimiento de las energías renovables en una tendencia global imparable que, por ejemplo, en la Unión Europea, se ha traducido en el compromiso para que en el año 2050 la economía del Viejo Continente sea, por completo, neutral en cuanto al uso del carbono. Recientemente, países como China o Estados Unidos también han mostrado en público su compromiso en favor de la descarbonización.

Alternativas sostenibles: del hidrógeno a la energía renovable

Entre las posibles alternativas al uso de los combustibles fósiles hay dos bien posicionadas. Por un lado el hidrógeno, el elemento más abundante en el universo y que está en el centro de todas las miradas como principal en la próxima generación de vehículos eléctricos. Cada año se producen más de 70.000 millones de toneladas de hidrógeno, sobre todo, gracias al gas natural. ¿El problema? Que el coste ambiental de su generación es de alrededor de 800 millones de toneladas de CO2.

Por otro lado está el desarrollo de las renovables. El World Energy Outlook de la Agencia Internacional de la Energía (AIE) estima que en 2040 la energía eólica y solar generarán más de la mitad de la electricidad del planeta.

Innovaciones como los combustibles sintéticos (e-fuels), los biocombustibles avanzados o la captura de carbono refuerzan este cambio hacia un sistema energético más sostenible.