16.1: Tipos de combustíveis fósseis e formação

Os combustíveis fósseis são fontes não renováveis de energia formadas a partir da matéria orgânica de plantas e microrganismos que viveram há milhões de anos. Essa energia foi originalmente capturada por meio da fotossíntese por organismos vivos, como plantas, algas e bactérias fotossintéticas. Às vezes, isso é conhecido como energia solar fóssil, pois a energia do sol no passado foi convertida em energia química dentro de um combustível fóssil. Conforme discutido em Cadeias Alimentares e Teias Alimentares e Matéria, as moléculas orgânicas armazenam energia química, que é liberada quando as ligações de maior energia (menos estáveis) nessas moléculas são quebradas para formar ligações de menor energia (mais estáveis). Os combustíveis fósseis não são renováveis porque sua formação levou milhões de anos. Além disso, a maior produtividade no ambiente antigo permitiu mais acúmulo de combustível fóssil, o que significa que as reservas de combustível fóssil disponíveis agora não poderiam necessariamente ser regeneradas milhões de anos no futuro.

Os combustíveis fósseis são compostos principalmente de hidrocarbonetos (moléculas apenas de carbono e hidrogênio), mas também contêm quantidades menores de nitrogênio, enxofre, oxigênio e outros elementos. As estruturas químicas precisas variam dependendo do tipo de combustível fóssil (carvão, petróleo ou gás natural). As moléculas do carvão tendem a ser maiores do que as do petróleo e do gás natural. O carvão é, portanto, sólido à temperatura ambiente, o óleo é líquido e o gás natural está em uma fase gasosa. Especificamente, o carvão é um combustível fóssil sólido preto ou marrom escuro encontrado como camadas de carvão em camadas rochosas formadas a partir da antiga vegetação pantanosa. Tanto o petróleo quanto o gás natural são combustíveis fósseis encontrados no subsolo que se formaram a partir de microrganismos marinhos. O petróleo (petróleo) é um combustível fóssil líquido e consiste em uma variedade de hidrocarbonetos, enquanto o gás natural é um combustível fóssil gasoso que consiste principalmente em metano e outros pequenos hidrocarbonetos.

Carvão

O carvão é o produto de pântanos fossilizados, embora se presuma que alguns depósitos de carvão mais antigos que são anteriores às plantas terrestres venham do acúmulo de algas. O carvão foi formado quando o material vegetal é enterrado, aquecido e comprimido em condições pobres em oxigênio por um longo período de tempo (figura\(\PageIndex{a}\)). Há milhões de anos, os continentes estavam em locais diferentes com climas diferentes, e a vegetação semelhante a um pântano cobria muitas regiões. Quando a vegetação morreu, ela não conseguiu se decompor totalmente devido às condições de falta de oxigênio. Em vez disso, formou turfa (uma substância marrom com alto teor orgânico). A turfa foi enterrada e formou carvão após milhões de anos de alta pressão e temperatura. A pressão era do peso dos sedimentos, bem como das colisões continentais.

Figura\(\PageIndex{a}\): O carvão foi formado quando grandes plantas em pântanos morreram há 300 milhões de anos (antes dos dinossauros). Ao longo de milhões de anos, essa vegetação foi enterrada sob a água e a sujeira (há 100 milhões de anos). Eventualmente, o calor e a pressão transformaram as plantas mortas em carvão, que é encontrado sob camadas de rocha e sujeira. Imagem da Administração de Informações sobre Energia dos EUA/Projeto Nacional de Desenvolvimento da Educação Energética (domínio público).

Existem vários tipos diferentes de carvão que variam em qualidade (figura\(\PageIndex{b}\)). Quanto mais calor e pressão o carvão sofre durante a formação, maior é seu valor de combustível e mais desejável é o carvão. A sequência geral de um pântano se transformando nos vários estágios do carvão é a seguinte:

Pântano → Turfa → Lignite → Carvão subbetuminoso → Carvão betuminoso → Carvão antracítico → Grafite

Figura\(\PageIndex{b}\): As classificações do carvão dependem do conteúdo de energia, medido como valor calorífico bruto (quanta energia é liberada da combustão) e conteúdo de carbono que pode ser queimado (porcentagem de carbono fixo). O carvão antracítico (laranja) é o carvão da mais alta qualidade, com alto teor de energia e carbono. O próximo em qualidade é o carvão betuminoso (cinza), o carvão subbetuminoso (verde) e a linhita (amarelo). Todos os três têm menos teor de carbono do que o carvão antracítico. O carvão betuminoso retém alto teor de energia, mas o carvão subbitminoso e a linhita têm menor teor de energia. Imagem do USGS (domínio público).

Especificamente, a turfa se compacta para formar rocha sólida por meio de um processo chamado litificação, produzindo linhite (carvão marrom, uma forma de carvão de baixa qualidade). Com o aumento do calor e da pressão, a linhite se transforma em carvão subbetuminoso e carvão betuminoso. Lignite, carvão subbetuminoso e carvão betuminoso são considerados rochas sedimentares porque provêm de sedimentos compactados. Em calor e pressão muito altos, o carvão betuminoso é transformado em antracito, um carvão de alta qualidade que é o carvão mais desejável, pois fornece a maior produção de energia (figura\(\PageIndex{c}\)). O antracito é considerado uma rocha metamórfica porque foi compactada e transformada na medida em que é mais densa do que as outras formas de carvão e não contém mais camadas de sedimentos semelhantes a folhas. Com ainda mais calor e pressão expulsando todos os componentes que evaporam facilmente e deixando carbono puro, o antracito pode se transformar em grafite.

Figura\(\PageIndex{c}\): Carvão antracítico, o mais alto grau de carvão.

Petróleo e gás

Petróleo e gás natural formados a partir de microrganismos marinhos antigos (plâncton). Quando o plâncton morreu, eles foram enterrados em sedimentos. Assim como no carvão, condições pobres em oxigênio limitaram a decomposição. À medida que os sedimentos continuavam a se acumular, os organismos mortos foram ainda mais enterrados. A alta temperatura e a pressão ao longo de milhões de anos acabaram produzindo petróleo e gás natural a partir desses organismos mortos.

Figura\(\PageIndex{d}\): Petróleo (petróleo) e gás natural foram formados a partir de microrganismos marinhos. (O texto da imagem menciona pequenas plantas marinhas, mas elas eram principalmente algas e bactérias fotossintéticas, em vez de plantas.) Eles foram cobertos por camadas de lodo e areia há 300-400 milhões de anos. Ao longo de milhões de anos, os restos mortais foram enterrados cada vez mais fundo. Eles são fotografados há 100 milhões de anos. O enorme calor e a pressão transformaram os restos em petróleo e gás natural. Agora, depósitos de petróleo e gás natural são encontrados no subsolo e podem ser extraídos por meio de perfuração nas camadas de areia, lodo e rocha. Imagem da Administração de Informações sobre Energia dos EUA/Projeto Nacional de Desenvolvimento da Educação Energética (domínio público).

À medida que a rocha se forma a partir dos sedimentos que originalmente aprisionaram o plâncton, o óleo e o gás vazam da rocha fonte devido ao aumento da pressão e da temperatura e migram para uma unidade de rocha diferente no topo da coluna de rocha. Se a rocha for porosa e permeável, essa rocha pode atuar como um reservatório para o petróleo e o gás. O petróleo geralmente é encontrado de uma a duas milhas (1,6 a 3,2 km) abaixo da superfície da Terra, seja na terra ou no oceano.

Uma armadilha é uma combinação de uma estrutura geológica subterrânea e uma camada impermeável que ajuda a bloquear o movimento de petróleo e gás e os concentra para posterior extração humana. As armadilhas agrupam os combustíveis fósseis fluidos em uma configuração na qual a extração tem maior probabilidade de ser lucrativa, e esses combustíveis fósseis são chamados de petróleo convencional e gás natural (figura\(\PageIndex{e}\)). A extração de petróleo ou gás fora de uma armadilha (petróleo e gás natural não convencionais) é menos eficiente e mais cara; às vezes não é economicamente viável (não gera lucro). Exemplos de combustíveis fósseis não convencionais incluem xisto betuminoso, petróleo e gás estreitos, areias betuminosas (areias betuminosas) e metano do leito de carvão.

Figura\(\PageIndex{e}\): Depósitos convencionais de petróleo e gás natural estão presos sob rocha impermeável (cinza). O gás natural convencional pode estar associado ao petróleo ou não associado. O metano do leito de carvão e o gás estanque encontrados no xisto e no arenito são exemplos de combustíveis fósseis não convencionais. Imagem do USGS/EIA (domínio público)

Xisto betuminoso

O xisto betuminoso é uma rocha sedimentar de granulação fina que às vezes contém querogênio, um material sólido do qual os produtos petrolíferos podem ser fabricados. Para extrair os combustíveis fósseis, o material precisa ser extraído e aquecido, o que é caro e normalmente tem um impacto negativo no meio ambiente.

Petróleo e gás natural apertados

Petróleo e gás natural restritos também estão presos em rochas de xisto, rochas sedimentares de granulação fina com porosidade relativamente alta e baixa permeabilidade. Eles diferem do xisto betuminoso porque podem ser extraídos por meio de um processo chamado fraturamento hidráulico (fraturamento).

Da mesma forma, o fraturamento pode ser usado para extrair gás natural de areias apertadas, que são arenitos ou carbonatos de granulação fina contendo gás (rochas feitas de minerais contendo carbonato, CO ₃ ^{2 -}) com baixa permeabilidade.

Areias bet

As areias betuminosas, ou areias betuminosas, são arenitos que contêm produtos petrolíferos altamente viscosos (como o alcatrão) e, portanto, não podem ser perfurados e bombeados para fora do solo, ao contrário do óleo convencional (figura\(\PageIndex{f}\)). O combustível fóssil em questão é o betume, que só pode ser bombeado como fluido em taxas muito baixas de recuperação e somente quando aquecido ou misturado com solventes. Assim, injeções de vapor e solvente ou mineração das areias betuminosas para processamento posterior podem ser usadas para extrair o alcatrão das areias. (Veja informações relacionadas sobre mineração em tiras com relação ao carvão na mineração, processamento e geração de eletricidade.) Alberta, Canadá, é conhecida por ter as maiores reservas de areias betuminosas do mundo.

Figura\(\PageIndex{f}\): Arenito de alcatrão da Formação Miocena de Monterrey, na Califórnia.

Metano do leito de carvão

Algum gás natural também é encontrado associado a depósitos de carvão (metano do leito de carvão), consistindo em metano produzido durante a formação do carvão.

Atribuições

Modificado por Melissa Ha a partir das seguintes fontes:

• Desafios e impactos do uso de energia e fontes de energia não renováveis da biologia ambiental por Matthew R. Fisher (licenciado sob CC-BY)
• Combustíveis fósseis de uma introdução à geologia, de Chris Johnson et al. (licenciado sob CC-BY-NC-SA)
• Gás de xisto 101. Escritório de Energia Fóssil. Departamento de Energia dos EUA. Acessado em 01/12/2021. (domínio público)
• O processo de produção não convencional de gás natural. 2021. Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos. Acessado em 01/12/2021. (domínio público)