NOTA TECNICAEl Carbón Mineral

Una Respuesta a nuestros problemas de Energía o unacontribución a la contaminación del ambiente

1. Introducción

El carbón mineral es una roca sedimentaria utilizada comocombustible fósil, de color negro, muy rico en carbono.Estácompuesto principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y

nitrógeno. Suele localizarse bajo una capade pizarra y sobre una capa de arena ytiza. Se cree que la mayor parte delcarbón fue formada durante la eracarbonífera (hace 280 a 345 millones deaños).

Es una roca cuyo origen proviene de laacumulación y alteración físico-química demateria vegetal. Las acumulacionesoriginales de la vegetación

(primordialmente plantas leñosas) dan por resultado la formaciónde turba, sustancia precursora del carbón. La turba se convierteen carbón después de quedar sepultada y con un incremento depresión y temperatura, alternando estas de forma progresiva secomprimen y endurecen hasta alterar la materia y convertirse engrafito.

2. Origen

En eras geológicas remotas, en el periodo carbonífero, grandesextensiones del planeta estaban cubiertas por una vegetaciónabundante que crecía en pantanos. Al morir las plantas, quedabansumergidas por el agua y se descomponían poco a poco. A medida quese producía esa descomposición, la materia vegetal perdía átomosde oxígeno e hidrógeno, con lo que quedaba un depósito con unelevado porcentaje de carbono. Así se formaron las toberas. Con el

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paso del tiempo, la arena y el lodo se fueron acumulando sobrealguna de esas toberas. La presión de las capas superiores, asícomo los movimientos de la corteza terrestre, en ocasiones, elcalor volcánico, comprendieron y endurecieron los depósitos hastaformar carbón.

La carbonificación es un proceso de des hidrogenación incompleta,con una cinética muchísimo más lenta que la de la carbonización(eliminación de los volátiles de la materia orgánica porcalentamiento en ausencia de aire). La carbonificación no es unafosilización ya que en el caso de la fosilización la materiaorgánica se sustituye gradualmente por materia mineral mientrasque en el caso de la carbonización el carbón mineral resultantesigue siendo un compuesto orgánico.

En la carbonificación existen dos grandes etapas: la diagénesis,en la que tiene lugar descomposición de la materia orgánica por

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las bacterias hasta formar la turba y el metamorfismo en el que secontinúa carbonificación por la acción del calor y la presión.

Durante la diagénesis ocurren procesos de descomposición de lamateria orgánica debido al ataque de las bacterias aeróbicas, loque sucede cuando los restos vegetales están cubiertosparcialmente por agua o a poca profundidad donde aun hay oxígenopara que puedan existir estas bacterias. Durante esta etapa seproduce una reducción de volumen de hasta un 50%. Una vez que lasbacterias consumen todo el oxígeno esta etapa finaliza y comienzala descomposición de la materia orgánica restante por lasbacterias anaeróbicas. En esta etapa continua la descomposición dela materia orgánica produciéndose ácidos húmicos, los cuales vanacidificando el medio hasta llegar a un pH 4 en el cual mueren lasbacterias anaeróbicas. De esta forma se forma la turba sobre lacual se van depositando más restos vegetales que a su vez formanmás turba, lo que hace que la temperatura de las capas inferioresvaya aumentando comenzando las transformaciones por metamorfismocuando la temperatura alcanza los 100 ºC. Con el transcurso demiles de años, más acumulaciones de turba y sedimentos vanenterrando cada vez más el carbón mineral que se está formando.Debido al aumento de la temperatura y la presión el carbón mineralva evolucionando desde el lignito hasta la antracita, liberándosegases, sustancias volátiles y aceites, y enriqueciéndose cada vezmás en carbono el carbón mineral formado.

La gran mayoría de los depósitos de carbón mineral se formarondurante el período geológico del Carbonífero. Otros depósitosimportantes se formaron durante el Pérmico. Existen tambiéndepósitos, menos abundantes pero significantes, formados duranteel Triásico y el Jurásico y en menor cantidad en el Cretácico.

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3. Propiedades

El carbón se evalúa de acuerdo con ciertas propiedades. Las másimportantes son:

Potencia calorífica: Es la más importante, ya que el calorpotencial es la mercancía objeto de compraventa. Depende dela cantidad de humedad y de cenizas, así como de lacomposición de la materia orgánica.

Humedad: Componente no combustible que aumenta el peso muertodel carbón, consume calor de la parte combustible y debilitasu estructura física.

Ceniza: Materia mineral inorgánica que queda como residuo dela combustión. En la mayoría de las minas de carbón funcionanplantas de lavado para la separación de la materia inútil.

Azufre: Impureza inorgánica del carbón. Es perjudicial ya queen la combustión se forman ácidos corrosivos.

Temperatura de fusión de las cenizas: Los carbones pobresproducen cenizas fundidas que ocasionan graves averías alobstruir los pasos de aire de las parrillas.

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Tamaño: Determinado por el grado de rotura que sufre en lamanipulación, pero regulado por la trituración que se realizadurante el proceso.

Triturabilidad: Propiedad de interés principal para lafabricación de cemento y de las instalaciones que utilicencarbón en polvo. Los carbones se diferencian en su dureza,pero la pizarra o pirita (minerales duros), aumenta ladificultad de trituración.

Desmenuzamiento: Propiedad parecida a la triturabilidad, peroperjudicial para los carbones destinados a usos domésticos.

Características de coquificación: Es muy significativa en laclasificación del carbón destinado a los hornos de coque y ala predicción de la eficacia en las parrillas.

Tendencia a formar escorias: Función derivada de lacomposición de las cenizas y de las condiciones demanipulación. Para la fácil extracción de las cenizas, éstasdeben ser granuladas.

Grado de Ignición: Depende de las propiedades del carbón einfluye en la velocidad de combustión.

Uniformidad de calidad: Un carbón de calidad pobre perouniforme puede ser preferible a otro de calidad más elevadapero variable.

4. Clasificación

La carbonificación es el proceso geológico de formación demateriales con contenido creciente en carbono (turbas y carbonesminerales) a partir de materiales orgánicos que se encuentran enla corteza terrestre por transformación gradual a temperaturasmoderadas (alrededor de 250 ºC) y a alta presión.

Existen diferentes tipos de carbones minerales en función delgrado de carbonificación que haya experimentado la materia vegetalque originó el carbón. Estos van desde la turba, que es el menosevolucionado y en que la materia vegetal muestra poca alteración,hasta la antracita que es el carbón mineral con una mayorevolución. Esta evolución depende de la edad del carbón, así comode la profundidad y condiciones de presión, temperatura, entorno,

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etc., en las que la materia vegetal evolucionó hasta formar elcarbón mineral.

El rango de un carbón mineral se determina en función de criteriostales como su contenido en materia volátil, contenido en carbonofijo, humedad, poder calorífico, etc. Así, a mayor rango, mayor esel contenido en carbono fijo y mayor el poder calorífico, mientrasque disminuyen su humedad natural y la cantidad de materiavolátil. Existen varias clasificaciones de los carbones según surango. Una de las más utilizadas divide a los carbones de mayor amenor rango en:

Antracita Bituminoso bajo en volátiles Bituminoso medio en volátiles Bituminoso alto en volátiles Sub-bituminoso Lignito Turba

Cuando se clasifica el carbón mineral según sucontenido de carbono, por el grado detransformación que han experimentado en suproceso y por el uso al que se adapta, seestablecen cinco clases: antracita, hulla,turba, lignito y coque.

Antracita: La antracita es el carbón mineral demás alto rango y el que presenta mayor contenido en carbono, hastaun 95%. Es negro, brillante y muy duro, con irisaciones y sonoropor percusión. Su densidad oscila entre 1,2 y 1,8 gr/cm3.

Debido a su bajo contenido en materia volátil, la antracitapresenta una ignición dificultosa. Arde dando una llama azul cortay sin apenas humos. Su poder calorífico oscila entre 23 y 33MJ/kg, ligeramente inferior al de los carbones bituminosos.

Procede de la transformación de la hulla y se formó hace unos 250millones de años, durante los períodos Carbonífero y Pérmico, en

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la era Primaria. Es por tanto el carbón más antiguo y casi siempreestá metamorfizado.

Los principales yacimientos de antracita se encuentran en China yRusia.

Hulla: Combustible fósil con una riqueza entre 75 y 90 % decarbono y un contenido en volátiles que oscila entre 20 y 35 %.

Es dura y quebradiza, estratificada, decolor negro y brillo mate o graso. Arde condificultad con una llama amarillenta. Sediferencia del lignito, por su mayor podercalorífico (entre 30 y 36 MJ/Kg). Es el máscomún de los carbones. Presenta mayorproporción de carbono, menor porcentaje dehumedad y mayor poder calorífico que el

lignito. Se encuentra a más profundidad que éste.

En la revolución industrial se le llamo carbón de piedra, seempleaba como combustible y en la siderurgia. Ha sido sustituidapor el petróleo y el gas natural. Todavía persisten dosaplicaciones: (i) Combustible en centrales térmicas; y (ii) en laObtención de coque mediante calcinación en hornos cerrados

Turba: Material orgánico compacto, de color pardo amarillento anegro. Se produce así una carbonificación lenta, en la que laturba es la primera etapa de la transformación del tejido vegetalen carbón. El contenido en carbono aumenta del 40% en el materialvegetal original, al 60% en la turba. Tiene un poder caloríficoinferior a 8.4 MJ/Kg.

La formación de una turbera esrelativamente lenta comoconsecuencia de una escasaactividad microbiana, debida ala acidez del agua o la bajaconcentración de oxígeno. Elpaso de los años va

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produciendo una acumulación de turba que puede alcanzar variosmetros de espesor, a un ritmo de crecimiento que se calcula deentre medio y diez centímetros cada cien años. Contiene 59% decarbono; 6% de hidrogeno; 33% de oxigeno: 2% de nitrógeno y 60% dematerias volátiles.

Lignito: Variedad del carbón de calidad intermedia entre el carbónde turba y el bituminoso. Suele tener color negro pardo yestructura fibrosa o leñosa. Tiene capacidad calorífica inferior(17,200 KJ/Kg) a la del carbón común debido al contenido en agua(43,4%) y bajo de carbono (37,8%). El alto contenido de materiavolátil (18,8%) provoca la desintegración del lignito expuesto alaire. Tiene la característica de no producir coque cuando se calcina envasos cerrados. La variedad negra y brillante se denominaazabache, que por ser dura se puede pulir y tallar. Se emplea enjoyería y objetos decorativos.

Coque: Tiene un color gris negruzco y un brillo metálico.Contiene, en su mayor parte carbono (92%) y el resto ceniza (8%).Su valor calorífico es muy elevado.

El coque es un combustibleobtenido de la destilación de lahulla calentándola a temperaturasmuy altas en hornos cerrados quela aíslen del aire, y sólocontiene una pequeña fracción delas materias volátiles que formanparte de la misma. Es producto dela descomposición térmica decarbones bituminosos en ausenciade aire. Cuando la hulla se

calienta desprende gases que son muy útiles industrialmente;entonces nos queda el carbón de coque. Es liviano y poroso.

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Durante la Revolución industrial sustituyó al carbón vegetal comoreductor y fuente de energía en los altos hornos. Facilitó eldesarrollo de la industria siderúrgica que dependía hasta entoncesde un recurso muy limitado como es la leña.

El carbón de coque es muy importante para la fabricación delhierro y el acero; y su utilización es muy práctica en hogarespara calefacción pues su combustión no produce humo y genera menoscontaminación

5. Formas de Extracción

Para la extracción del mineral se utilizan dos tipos de minas:minas de cielo abierto y laboreo subterráneo.

Mina a cielo abierto: Es en la que el carbón se encuentra cerca dela superficie y se extrae mediante pozos descubiertos. Se necesitauna elevada inversión en maquinaria. Casi todas las minas seencuentran a pocos centímetros, algunas alcanzan 25 metros.

Mina de carbón a cielo abierto en Garzweiler, Alemania.

Antes de explotar la mina, se hace un reconocimiento preliminardel terreno para ver si el yacimiento tiene el grosor adecuado ysi las capas justifican ese tipo de mina. También se reconoce sihay carreteras, pozos petrolíferos, gas natural... La extracciónde muestras permite saber las características del terreno ydeterminar la situación del sumidero (excavación practicada en el

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fondo de la zona carbonera para recoger el agua de la mina). Elsistema de vías se debe colocar lo más cerca posible.

Si el terreno es grueso se extrae parte del terreno con una palaexcavadora y se hace un corte de 0,90 a 1,20 m. de anchura, hastaun punto determinado encima del carbón. Después la pala carboneraexcava una faja de carbón, dejando un hueco en la parte superiorpara que la pala haga su viaje de regreso. La pala deposita elescombro excavado y se continúa la operación hasta que se agote elcarbón. El equipo mecánico puede ser accionado por motores dieselo eléctricos. Se utiliza una aplanadora en combinación con palasmayores para mover la parte final del recubrimiento. Los pozos quequedan después del laboreo a cielo abierto, suelen ser niveladosde forma que el terreno se utilice para fines agrícolas.

Laboreo subterráneo: El trazado deuna mina subterránea bien explotada,con sus vías principales y calleslaterales, se asemeja al de unaciudad moderna. Algunas de lasmayores minas de este tipo seextienden sobre una zona de más de 15Km en cuadro. Una vez que se han colocado losfilones de carbón que van a serexplotados, se hacen accesibles a lasoperaciones de laboreo, para lo quese cavan galerías, taludes o pozos.Las galerías son más económicas quelos taludes o pozos, por eso se

trabaja normalmente con galerías. Tiene que haber, como mínimo,dos aperturas conectadas con la mina con objeto de facilitar lacirculación del aire y establecer una segunda salida, en el casode que la otra esté taponada por un desprendimiento de tierra. Lospozos suelen ser de corte transversal rectangular, aunque a vecesson cilíndricos.

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6. Localización de los yacimientos

El carbón se encuentra en casi todas las regiones del mundo, peroen la actualidad los únicos depósitos de importancia comercialestán en Europa, Asia, Australia y América del Norte.

En Gran Bretaña, que fue el líder mundial en producción de carbónhasta el siglo XX, existen yacimientos en el sur de Escocia,Inglaterra y Gales. En Centroeuropa hay yacimientos en Polonia larepública checa y Hungría. El yacimiento de carbón más extenso yvalioso de la ex Unión Soviética es el situado en la cuenca deDonet, en Liberia Occidental.

Hablando de la clasificación de los tipos de carbón: El lignito, es muy frecuente en los países de Europa del este y España. Los principales productores de antracita son: China, Corea del Norte, Corea del Sur, España, Alemania y EE.UU.

Productores de carbón bituminoso y antracita1 Producción deminas a cielo abierto2

PAÍS Producción (Tm)China 2,482

E.E.U.U 990India 427

Australia 309Sur África 244

Rusia 233Indonesia 169Polonia 95

1 Las reservas de carbón se encuentran muy repartidas, con 70 países con yacimientosaprovechables. Al ritmo actual de consumo se calcula que existen reservas seguras para 147años, por 41 y 63 del petróleo y el gas, respectivamente. Además, el 68% de las reservas depetróleo y el 67% de las de gas se encuentran en Oriente Medio y Rusia.

2 El hombre extrae carbón desde la Edad Media. En los yacimientos poco profundos laexplotación es a cielo abierto. Sin embargo, por lo general las explotaciones de carbón sehacen con minería subterránea ya que la mayoría de las capas se encuentran a cientos demetros de profundidad.

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Kazajistán 92Colombia 64

Fuente: World Coal Institute - * Estimaciones

7. Reservas de carbón

Las reservas mundiales de carbón son enormes. La cantidad decarbón recuperado desde un punto de vista técnico y económico,proporcionaría cinco veces más energía que las reservas delpetróleo crudo.

Según el Consejo Mundial de la Energía, las reservas recuperablesde antracita y carbón bituminoso ascendían a finales del 2004 amás de 1.2 billones de toneladas. De ese carbón recuperable, Chinatenía aproximadamente un 43%, EE.UU. un 17%, la Unión soviética un12%, Sudáfrica un 5% y Australia un 4%.

8. Usos

El carbón suministra el 25% de la energía primaria consumida en elmundo, sólo por detrás del petróleo. Además es de las primerasfuentes de energía eléctrica, con 40% de la producción mundial.Las aplicaciones principales del carbón son:

Generación de energía eléctrica. Las centrales térmicas decarbón pulverizado constituyen la principal fuente mundial deenergía eléctrica. En los últimos años se han desarrolladootros tipos de centrales que tratan de aumentar elrendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entreellas las centrales de lecho fluido a presión. Otratecnología en auge es la de los ciclos combinados queutilizan como combustible gas de síntesis obtenido mediantela gasificación del carbón.

Coque. El coque es el producto de la pirolisis del carbón enausencia de aire. Es utilizado como combustible y reductor endistintas industrias, principalmente en los altos hornos(coque siderúrgico). Dos tercios del acero mundial se

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PAÍSES % CarbónChecoslovaquia 43,4

Rep. Fed. Alemana 40,1Canadá 33,7España 28,2E.E.U.U 25Australia 19,1

India 13,6China 10,6

Reino Unido 5,2Francia 1,6

producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12%de la producción mundial de carbón.

Siderurgia. Mezclando minerales de hierro con carbón seobtiene una aleación en la que el hierro se enriquece encarbono, obteniendo mayor resistencia y elasticidad.Dependiendo de la cantidad de carbono, se obtiene:

Hierro dulce: menos del 0,2 % de carbono Acero: entre 0,2% y 1,2% de carbono Fundición: más del 1,2% de carbono

Industrias varias. Se utiliza en las fábricas que necesitanmucha energía en sus procesos, como las fábricas de cemento yde ladrillos.

Uso doméstico. Históricamente el primer uso del carbón fuecomo combustible doméstico. Aun hoy sigue siendo usado paracalefacción, principalmente en los países en vías dedesarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sidodesplazados por otras fuentes más limpias de calor (gasnatural, propano, butano, energía eléctrica) para rebajar elíndice de contaminación.

9. Contaminación

Ciertos productos de la combustión del carbón pueden tener efectosperjudiciales sobre el medio ambiente. Al quemar carbón, seproduce dióxido de carbono entre otros compuestos. Debido al usoextendido del carbón, la cantidad de CO2 en la atmósfera terrestrepodría aumentar hasta el punto de provocar cambios en el clima dela tierra. También, el azufre y nitrógeno del carbón forman óxidosdurante la combustión que pueden contribuir a la lluvia ácida. Laminería subterránea puede provocar silicosis en los mineros,hundimientos del suelo situado sobre las minas y filtraciones deácido a los acuíferos. La minería a cielo abierto exige unarestauración del entorno para que la tierra vuelva a serproductiva y el paisaje se recupere.

En 1990, la preocupación del calentamiento de la tierra comoresultado del efecto invernadero, hizo que se tomaran medidas parareducir las emisiones de CO2 provocada por el carbón. La solución

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a estos problemas es costosa y esto hace que el consumo de carbóncrezca con lentitud.

La quema de carbón en las centrales térmicas produce cenizas conciertos niveles de radiación. Parte de ellas escapan al medioambiente constituyendo un riesgo para los que viven cerca.

En las últimas décadas se han realizado una serie de estudiossobre el subproducto de la quema de carbón (las cenizas) y suradioactividad asociada. El mineral que se quema en las centralesno es carbono puro, contiene impurezas. Algunas de ellas no sequeman, constituyendo las cenizas. Al parecer estas cenizas puedenllegar a liberar al medio ambiente hasta 100 veces más residuosradiactivos que las centrales nucleares.

De hecho el carbón contiene uranio y torio natural, que sonelementos radiactivos. Estos elementos sólo representan trazas enel mineral original, pero se concentran hasta diez veces máscuando, una vez quemado todo el carbono, queda sólo la ceniza. Lopeor es que parte de estas cenizas se escapan como partículas ensuspensión a la atmósfera, caen sobre la tierra y se filtran a losacuíferos cercanos a las centrales térmicas. Afectan a loscultivos y llegan finalmente a la gente directa e indirectamente.Las personas que viven a una distancia de 0,8 a 1,6 kilómetros deuna de estas centrales puede que estén ingiriendo pequeñascantidades de elementos radiactivos. Además, a veces, el grueso delas cenizas que no escapan no son convenientemente tratadas oprocesadas y se abandonan en determinados lugares, constituyendoun peligro potencial para la gente que viva cerca.

Un estudio de finales de los 80 realizado por J. P. McBride, ypublicado en Science, comparaba los niveles radiación recibidospor personas que vivían cerca de centrales térmicas de carbón ypor las que vivían cerca de centrales nucleares, llegando a laconclusión de que las primeras recibían más radiación. Laradiación recibida por los huesos era en ese caso de 18milirems/año mientras que la gente que vivía cerca de la centralnuclear recibía sólo 6 milirems/año. El nivel de contaminación

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radiactiva de los cultivos destinados al consumo humano era de un50% a un 200% superior en las áreas cercanas a centrales térmicasque en las cercanías de centrales nucleares.Se estimó que un individuo que vive cerca de una central térmicarecibe 1,9 milirems de ceniza flotante al año3.

Organizaciones ambientalistas internacionales han rechazado demanera categórica y sostenida la explotación del carbón, alegandoque es una práctica obsoleta que crea grandes problemas decontaminación en su proceso de extracción y en su procesamientopara generar energía.

Estos grupos aseguran que el carbón es la más sucia de lasprácticas para obtención de electricidad, pues es la que libera lamayor cantidad de dióxido de carbono -principal causante delefecto invernadero- a la atmósfera. El antropólogo Lusbi Portillo,director de la ONG Homo et Natura, que funciona en el estadoZulia, región que cuenta con el 80% de las reservas de estemineral en Venezuela, afirma que la explotación de este recurso seencuentra en declive desde finales de 1960, debido principalmentea sus efectos negativos para el medio ambiente.

La utilización del carbón en la generación de energía tambiénimplica una gran carga contaminante. Este mineral es quemado paragenerar calor o calentar agua, que hacen funcionar unas turbinasgeneradoras de electricidad y puede liberar, según señalaPortillo- gases que colaboran con el calentamiento global y agregaque por esa razón la explotación carbonífera ha descendido en lospaíses desarrollados, especialmente en Europa.

10. Posibilidades sin contaminación

Al contrario de quienes resaltan los aspectos negativos para elmedio ambiente de la actividad del carbón, han surgido otras voces

3 Como comparación se puede decir que los seres humanos recibimos 360 milirems anuales de fuentes naturales presentes en la corteza terrestre, de la radiación cósmica y de las pruebas de bombas nucleares.

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que propugnan una alternativa más amiga con el entorno.

Estas alternativas se engloban en el término “Tecnologías limpiasde carbón”, y tienen como fin mejorar la eficiencia y latolerancia ambiental en la extracción, preparación y uso de estemineral.

En lo referente a los procedimientos utilizados en la industriaeléctrica, se encuentra el de gasificación integrada, que consisteen colocar al carbón en contacto con vapor y oxígeno, y así crearun gas combustible que puede ser empleado en turbinas degeneración de electricidad.

Este proceso logra una eficiencia energética del 80% en latransformación del carbón, reduce en un 75% la emisión de CO2 yelimina casi en su totalidad el resto de contaminantes químicos.Esto según el informe “Carbón limpio: Creando un futuro a través ala tecnología”, publicado en 2005 por el Instituto Mundial delCarbón.

Por su parte, el Instituto Nacional del Carbón de España señalaque también existen “sistemas híbridos”, en los que se fusionantécnicas de gasificación y combustión (quema del carbón), en dosetapas: primero se gasifica el mineral para mover una turbina degas, y luego se queman los restos para producir vapor, quealimenta un sistema termoeléctrico. Este método se ha calculadoque genera una eficiencia de 50% en el aprovechamiento delmaterial, lo que se traduce en efectividad en el uso de losrecursos.

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