Combustibili fossili

Carbone

Il carbone è un combustibile fossile estratto dal terreno sia in miniere, che in miniere a cielo aperto. E’ un combustibile pronto all’uso, formato da roccia sedimentaria nera o bruna. E’ composto principalmente da carbonio e idrocarburi, oltre a vari altri elementi assortiti, compresi alcuni a base di zolfo

Composizione e creazione

Il carbone è composto per più del 50% del suo peso, e più del 70% del suo volume da materiali carboniosi (compresi alcuni composti). Il carbone è formato da resti vegetali che sono stati compressi, induriti, alterati chimicamente e trasformati da calore e pressione in tempi geologici. Si suppone che il carbone si sia formato a partire da piante cresciute in ecosistemi paludosi. Quando queste piante morirono, la loro biomassa si depositò in ambienti acquatici anaerobici, nei quali il basso livello di ossigeno prevenne il loro decadimento, ossidazione, decomposizione e rilascio di diossido di carbonio. La nascita e la morte di generazioni successive di piante formarono spessi depositi di materia organica non ossidata, in seguito ricoperti da sedimenti e compattati in depositi carbonacei come torba, bitume o antracite. Indizi sul tipo di piante che hanno originato un deposito possono essere rintracciati nelle rocce scistose o nell’arenaria che lo ricopre o, con tecniche particolari, nel carbone stesso. L’èra geologica durante la quale si formò la maggior parte del carbone fu il Carbonifero (fra i 280 e i 345 milioni di anni fa).

Utilizzi

Il carbone è una delle principali fonti di energia dell’umanità, e anche uno dei modi più inquinanti di produrla. Oggigiorno (2005) circa il 40% dell’energia elettrica mondiale è prodotto bruciando carbone, e le riserve accertate ammontano ad almeno 300 anni di produzione. Dal carbone è possibile ottenere altri tipi di combustibile, più facilmente trasportabili e con un maggior rendimento; i processi normalmente utilizzati per raffinarlo sono la gassificazione e la liquefazione.

Gassificazione

In passato, il carbone veniva convertito in gas, poi distribuito per mezzo di tubature ai clienti, per poter esser bruciato per illuminazione, riscaldamento e cucina. Oggi vengono usati gas naturali, come il metano, perché più sicuri. La gassificazione rimane comunque una possibilità per un utilizzo futuro del carbone, visto che in genere brucia a temperature più alte ed è più pulito del carbone convenzionale

Liquefazione

Il carbone può essere convertito anche in combustibili liquidi come benzina o gasolio, attraverso svariati procedimenti. Tutti questi metodi di produzione di carburante liquido rilasciano CO2 (anidride carbonica). L’isolamento della CO2 è auspicabile, per evitare di rilasciare questo gas nell’atmosfera e contribuire all’effetto serra. Visto che la produzione di CO2 è uno dei flussi principali del processo, la sua separazione è più facile di quanto non sia possibile partendo dai gas prodotti dalla combustione del carbone con l’aria, nei quali la CO2 è miscelata con azoto e altri gas.

Il  carbone è utilizzato attualmente per la produzione di energia elettrica in alcuni settori industriali ad alto consumo energetico (fabbricazione del cemento, dei materiali da costruzione, dell’alluminio) come combustibile, e in parte è convertito in altri prodotti di cui il più comune è il coke.

La produzione di energia elettrica assorbe la maggiore quantità di carbone.

I fattori che potrebbero agire come vincoli nella produzione e utilizzazione del carbone sono l’impatto socio-ambientale della produzione mineraria; la produttività e sicurezza nelle miniere sotterranee; le infrastrutture di trasporto del carbone; l’impatto ambientale della sua utilizzazione relativamente alle emissioni di prodotti inquinanti e allo smaltimento delle ceneri prodotte dalla sua combustione. Circa un quarto dell’energia consumata in tutto il mondo è fornita dal carbone: il suo contributo al fenomeno delle piogge acide e dell’effetto serra (attraverso le emissioni soprattutto di biossido di zolfo e anidride carbonica rispettivamente) è molto rilevante. La combustione del carbone infatti produce molti più inquinanti di quella del petrolio o del metano (oltre agli ossidi di carbonio e zolfo, anche quelli di azoto, idrocarburi aromatici, metalli pesanti). Data la grande ricchezza in carbone del sottosuolo, risulta conveniente investire in tecnologie che rendano questo combustibile meno inquinante. Sono stati progettati metodi di abbattimento delle polveri e delle componenti acide dai fumi emessi dalle centrali: però ciò non modifica l’emissione di anidride carbonica e il contributo all’effetto serra.

Il problema dell’inquinamento ambientale conseguente all’utilizzazione di carbone ad alto tenore di zolfo può essere affrontato con parecchi sistemi. Se si interviene prima della combustione, si può usare un trattamento fisico o chimico, la liquefazione e la gassificazione a basso potere calorifico; se invece si agisce durante la combustione, si utilizzano le caldaie a letto fluido; se infine l’intervento avviene dopo la combustione, il sistema messo in pratica è la desolforazione dei fumi alla ciminiera.

Si può inoltre far ricorso a ciminiere elevate che però non rimuovono lo zolfo ma riducono le concentrazioni delle sostanze inquinanti al suolo.

Una misura preventiva è l’uso di carbone a basso tenore di zolfo: è importante conoscere comunque il suo valore perché il biossido di zolfo può reagire con l’acqua di condensazione dell’impianto, dando liquidi acidi e corrosivi.

Altre tecnologie in fase di sperimentazione prevedono l’uso di polvere di carbone in miscela con acqua (come possibile sostituto del petrolio) e del carbone gassificato: questo gas da carbone promette un buon impiego nelle celle a combustibile (produrrebbe la metà di anidride carbonica rispetto alla tradizionale combustione) e nella tecnologia Mhd (magnetoidrodinamica).

Il contenuto di ceneri del carbone a seconda della sua qualità può andare dal 3í·5% al 15í·18%. Le ceneri prodotte dalla combustione del carbone sono di tre tipi: ceneri volanti, costituite da particelle finissime trascinate dai fumi e raccolte nelle tramogge prima dell’immissione dei fumi nell’atmosfera; ceneri pesanti, raccolte nella tramoggia della camera di combustione di caldaie alimentate con carbone polverizzato; ceneri fuse, prodotte nelle caldaie del tipo a ceneri fuse. Sono costituite essenzialmente da silice, alluminio, ferro, polvere e varie sostanze basiche: sono inerti, ma se il loro punto di fusione non è troppo alto (al di sotto dei 1300 ºC) diventano scorie fluide che possono saldarsi sulle griglie delle fornaci e bloccare il carbone ostruendole oppure danneggiare i refrattari. Le ceneri trovano attualmente due impieghi di una certa rilevanza: nei cementifici e nei lavori stradali.

Effetti nocivi della combustione del carbone

La combustione del carbone, come quella di ogni altro composto del carbonio, produce anidride carbonica (CO2), oltre a quantità variabili di anidride solforosa, a seconda del luogo dal quale è stato estratto. L’anidride solforosa reagisce con l’acqua, formando acido solforico. Se l’anidride solforosa viene rilasciata nell’atmosfera, reagisce con il vapore acqueo ed eventualmente torna sulla terra in forma di pioggia acida.

Le emissioni della combustione di carbone in centrali elettriche rappresenta la più grande fonte artificiale di diossido di carbonio, che secondo la maggior parte degli studiosi del clima è causa primaria del riscaldamento globale. Oltre a questo, nelle emissioni degli impianti sono presenti molti altri inquinanti. Alcuni studi dichiarano che le emissioni delle centrali elettriche a carbone siano responsabili della morte prematura di decine di migliaia di persone, solo negli Stati Uniti. Inoltre, queste emissioni sono le principali responsabili delle piogge acide di alcune nazioni. le centrali elettriche moderne utilizzano varie tecniche per limitare la nocività dei loro scarichi e per aumentare l’efficienza della combustione, anche se queste tecniche non sono utilizzate in molti paesi, visto che gravano sul costo degli impianti. Per ridurre le emissioni sono state proposte tecniche di “sequestro” della CO2, ma non in larga scala.

Il carbone contiene anche tracce di altri elementi, compresi l’arsenico e il mercurio, che sono pericolosi se rilasciati nell’ambiente. Il carbone contiene anche tracce di uranio e altri isotopi radioattivi naturali, che rilasciati nell’ambiente possono comportare una contaminazione radioattiva. Sebbene queste sostanze siano presenti solo in tracce, bruciando grandi volumi di carbone ne vengono rilasciate quantità significative.

Il futuro del Carbone

Esistono tecnologie che permettono di utilizzare il carbone in modo pulito. In Italia esistono centrali a carbone vicine ai centri abitati che, grazie a un sistema di abbattimento e controllo delle emissioni, non disturbano la popolazione. Inoltre esistono soluzioni, non ancora pronte per il mercato, che consentono rendimenti fino al 50%, come ad esempio gli impianti IGCC (Integrati per Gassificazione e Ciclo Combinato) e gli impianti integrati gassificazione/celle a combustibile (MCFC, o SOFC).

Queste considerazioni permettono ad associazioni di consumatori [8] e associazioni ambientaliste [9] di considerare questa fonte di energia accettabile, ma solo in un’ottica di transizione verso l’utilizzo di fonti di energia rinnovabili.

Sul piatto della bilancia, però, vanno messi anche aspetti negativi che vanno al di là dell’inquinamento prodotto dalla combustione.

pericolosità delle miniere

Le miniere a cielo aperto hanno un enorme impatto ambientale. Quelle tradizionali, invece, solitamente si spingono a più di 200 metri di profondità, in cunicoli polverosi e con alte temperature (intorno ai 30°C). Questo comporta, anche con le più moderne tecnologie minerarie, forti rischi per la salute dei minatori, sia per la possibilità di contrarre malattie come la silicosi, che per incidenti dovuti all’incendio dei gas prodotti dal carbone, innescati anche solo da una piccola scintilla. Ogni anno, solo in Cina, muoiono più di 5000 minatori. Inoltre, i gas prodotti dall’attività della miniera comportano un effetto serra 23 volte maggiore della CO2 rilasciata dalla combustione del carbone estratto.

convenienza dell’estrazione

Le dichiarazioni sulle riserve mondiali di carbone generano anche qualche perplessità. Molti giacimenti si trovano fra i 1500 e i 2000 metri di profondità, quindi l’estrazione del carbone sarebbe economicamente svantaggioso, rispetto a metano e petrolio. Questo ridurrebbe le riserve vantaggiose a 250 miliardi di tonnellate. Questo significa, ad esempio, che solo il 15% del carbone disponibile nel nord America sarebbe conveniente da estrarre. Inoltre più della metà dei giacimenti di carbone sono costituiti da materiale di scarsa qualità (torba, lignite e litantrace sub-bituminoso) a relativamente basso contenuto di carbonio, in favore invece di sostanze inquinanti e prodotti della decomposizione, come il gas metano. Tutti questi aspetti ridimensionerebbero notevolmente le scorte effettive di carbone utilizzabile, portandole a un livello non molto più alti di quello del gas naturale e del petrolio.

smaltimento delle sostanze filtrate

Sebbene le tecnologie più recenti consentano di abbattere buona parte delle sostanze inquinanti e di sequestrare parte della CO2 prodotta, bisogna considerare che i filtri e i materiali di consumo utilizzati dovranno essere in qualche modo smaltiti e conservati in discariche, rimettendo comunque in circolo, anche in forma diversa, i composti nocivi. Inoltre la combustione di carbone produce due volte e mezzo la quantità di CO2 generata, ad esempio, dalla combustione di metano. E il processo di sequestro di un grande volume di anidride carbonica è oggi ancora molto costoso.

utilizzo del carbonio

Il carbone è la principale, se non l’unica, fonte di carbonio naturale. Le tecnologie moderne sembrano dimostrare che da questo elemento si possano ricavare prodotti chiave per lo sviluppo, come le fibre di carbonio e le nanostrutture, per cui sarebbe insensato continuare ad utilizzare queste riserve solo per bruciarle.

diversi utilizzi delle miniere

Tecnologie collaudate ed efficienti consentono di sfruttare le miniere di carbone esistenti per produrre carburante in modi alternativi, ad esempio recuperando il metano generato dalla decomposizione del carbone. Questo consentirebbe di ottimizzare la quantità di carbonio estratto da una miniera, e nel frattempo limitare il rilascio del gas nell’atmosfera ed il conseguente effetto serra [10]. Questo comporterebbe anche la custodia degli impianti dismessi, prevenendo l’innesco di giganteschi incendi sotterranei che oggi, in tutto il mondo, sono fonte considerevole di inquinamento, gas serra e gas tossici

Petrolio

Il petrolio (dal latino petrus-roccia e oleum-olio), anche detto oro nero, è un liquido infiammabile, denso di colore marrone scuro o verdognolo, che si trova in alcuni punti negli strati superiori della crosta terrestre. E’ composto da una mistura di vari idrocarburi, in prevalenza alcani, ma possono esserci variazioni nell’aspetto nella composizione e nelle proprietà del petrolio.

Formazione

La teoria biogenetica, supportata dalla maggior parte dei geologi petroliferi, dice che il petrolio deriva da materia organica rimasta sepolta, che si scompone in un materiale ceroso noto come Cherosene, che sotto l’influenza di elevato calore e pressione si trasforma in idrocarburi. La differenza di densità e la ridotta viscosità consentono agli idrocarburi di migrare dalla roccia madre, più profonda, alla roccia serbatoio dove permane per effetto di trappole sedimentarie (luoghi in cui si trovano dei depositi di petrolio a grande profondità) dando luogo ai giacimenti petroliferi attuali.

Composizione

Il petrolio deriva da depositi di carbonio ed idrogeno esposti ad elevate pressioni e ad elevato calore. Sia la fase liquida oleosa (petrolio) che la fase gassosa (gas naturali) tendono a migrare attraverso le rocce porose finché incontrano strati impermeabili del terreno dove tendono a raccogliersi. Dopo il processo di estrazione, il petrolio greggio viene raffinato attraverso la distillazione. Il prodotto finale include cherosene, benzene, benzina, paraffina, asfalto, ecc…

Propriamente parlando, il petrolio consiste per la maggior parte di idrocarburi alifatici sia lineari che ramificati e di idrocarburi aromatici (mono-, bi- e poli- ciclici) composti quasi esclusivamente da idrogeno e carbonio. Sono tuttavia presenti quantità di composti solforati (solfuri e disolfuri), azotati (chinoline e piridine) e ossigenati (acidi grassi, acidi naftenici e fenoli) anche se la loro percentuale, complessivamente, difficilmente supera il 7 %. Nel petrolio si trovano anche metalli come Ni, V, Co, Cr, Cd, Pb, As, Hg, ecc.

Impieghi

Nelle moderne società industrializzate, la gran parte dei derivati del petrolio viene utilizzata come carburante per motori a combustione interna e, in diverse forme, come combustibile per il riscaldamento domestico, per gli impianti industriali, per la produzione di energia elettrica. I derivati del petrolio costituiscono anche buona parte delle materie prime impiegate nell’industria delle materie plastiche e nell’industria chimica in generale, per la produzione di fertilizzanti, materiali da costruzione, fibre tessili, vernici e coloranti, sostanze e additivi alimentari.

L’attuale civiltà industriale dipende in larga misura dai derivati del petrolio: l’insediamento delle comunità suburbane intorno alle grandi città è il risultato della mobilità permessa dai mezzi di trasporto moderni, e quindi della disponibilità di grandi quantità di petrolio a basso costo. Anche le principali strategie economiche dei paesi in via di sviluppo, mirate a sfruttare le risorse naturali per fornire derrate alimentari alle popolazioni in rapida crescita demografica, sono basate sul presupposto della disponibilità di petrolio.

Impatti ambientali del petrolio

La presenza dell’industria petrolifera ha significativi impatti sociali e ambientali, da incidenti e da attività di routine come l’esplorazione sismica, perforazioni e scarti inquinanti. L’estrazione petrolifera è costosa e spesso danneggia l’ambiente. La ricerca e l’estrazione di petrolio offshore disturbano l’ambiente marino circostante. L’estrazione può essere preceduta dal dragaggio che danneggia il fondo marino e le alghe, fondamentali nella catena alimentare marina. Il greggio e il petrolio raffinato che fuoriescono da navi petroliere incidentate, hanno danneggiato fragili ecosistemi in Alaska, nelle Isole Galapagos, in Spagna e in molti altri posti.
Infine, la combustione, su tutto il pianeta, di enormi quantità di petrolio (centrali elettriche, mezzi di trasporto) risulta essere tra i maggiori responsabili dell’incremento riscontrato delle percentuali di anidride carbonica nell’atmosfera, con fortissima incidenza sul problema dell’effetto serra.

Processi di Raffinazione del Petrolio

Il petrolio greggio che arriva nelle raffinerie deve innanzitutto essere ripulito dall’acqua salata e dalle sostanze indesiderate come lo zolfo (presente fino al 3%) e i composti azotati e ossigenati. Dopo questo trattamento si può procedere alla separazione dei vari tipi di idrocarburi presenti in esso, che avviene per distillazione frazionata atmosferica. Ulteriori processi di distillazione effettuati a pressioni inferiori a quella atmosferica vengono detti distillazione frazionata sottovuoto (vacuum).

Distill’azione frazionata del petrolio

Lo scopo della distillazione è il frazionamento di una miscela complessa nelle componenti di diversa volatilità. La separazione dei vari componenti di una miscela liquida avviene riscaldando il liquido fino al punto di ebollizione. I vari componenti, che evaporano a temperature differenti, vengono recuperati singolarmente per condensazione. Nello specifico, una soluzione ideale di due liquidi in quantità equimolare bolle a una temperatura che è data esattamente dalla media dei punti di ebollizione delle due sostanze pure. Il grado di separazione ottenuto con un singolo stadio di distillazione dipende esclusivamente dalla differenza tra i loro punti di ebollizione. In particolare, minore è la differenza tra i punti di ebollizione delle sostanze pure, minore è la separazione ottenibile con un singolo stadio. La distillazione viene detta frazionata quando viene realizzata in più stadi, sottoponendo le frazioni che si formano nelle prime fasi del processo a più distillazioni successive.

I componenti idrocarburici del petrolio vengono in gran parte separati per distillazione primaria (topping), processo che avviene immettendo il greggio a circa 360°C in una torre di distillazione a piatti. La miscela con cui si presenta il petrolio è composta da più sostanze, che è possibile spillare a diverse altezze della colonna di frazionamento; le torri di distillazione industriale del petrolio hanno più di 100 piatti e 10 punti in cui è possibile estrarre le diverse frazioni.

La torre di frazionamento

La torre di frazionamento è composta da una torre cilindrica in acciaio alta circa 30 m e larga 3,50 m. All’interno della torre ad intervalli regolari si trovano dei piatti orizzontali forati, muniti di appositi passaggi , alcuni dei quali sormontati da coperchi detti campane di gorgogliamento. La temperatura della torre è elevata alla base e va diminuendo con l’altezza. Il petrolio che entra alla base della torre è preriscaldato in un forno fino a 360°C. I componenti che hanno punto di ebollizione inferiore a quella temperatura, salgono la torre sotto forma di vapore. Incontrando i piatti e le campane di gorgogliamento che sono al di sotto della temperatura di ebollizione, condensano e si depositano sul piatto allo stato liquido. Apposite tubazioni possono raccogliere queste frazioni liquide e allontanarle dalla torre. Le frazioni ad elevato punto di ebollizione che non evaporano entrando nella torre, si spostano alla base, e data lelevata temperatura, passano allo stato aeriforme, e condensando, si raccolgono sui piatti inferiori.

Il futuro del petrolio

Lo sfruttamento di nuovi giacimenti, che saranno presumibilmente scoperti nei prossimi anni, e l’incremento della percentuale di petrolio estratto dalle riserve già note, che verrà reso possibile dal miglioramento delle tecnologie, fanno ritenere che il petrolio estratto sarà sufficiente a soddisfare i fabbisogni energetici dell’umanità fino al 2030-2040. Gli esperti sono però scettici riguardo al fatto che l’entità dei nuovi giacimenti, o l’invenzione di tecnologie particolarmente innovative per il loro sfruttamento, possano consentire di superare considerevolmente tale data.

Gas naturale

Il gas naturale è un gas prodotto dalla decomposizione anaerobica di materiale organico. Solitamente si trova insieme al petrolio e in giacimenti di gas naturale, ma si genera anche in paludi (in questo caso viene chiamato anche gas di palude), in discariche, e durante la digestione negli animali.

Composizione chimica

Il principale componente del gas naturale è il metano (CH4), la più breve e leggera fra le molecole degli idrocarburi. Può anche contenere idrocarburi gassosi più pesanti come etano (C2H6), propano (C3H8) e butano (C4H10), e altri gas, in varie quantità. Solfuro di idrogeno (H2S) e mercurio (Hg) sono contaminanti comuni nel gas, che devono essere rimossi prima di qualsiasi utilizzo.

Stoccaggio e trasporto

La principale difficoltà nell’utilizzo del gas naturale è il trasporto. I gasdotti sono economici, ma non permettono l’attraversamento di oceani. Vengono utilizzate anche navi per il trasporto di gas naturale liquefatto, ma hanno costi più alti e problemi di sicurezza. In molti casi, come ad esempio nei pozzi petroliferi in Arabia Saudita, il gas naturale che viene recuperato durante l’estrazione del petrolio, non potendo essere venduto con profitto, viene bruciato direttamente sul posto. Questa dispendiosa pratica è illegale in molti stati, poiché rilascia nell atmosfera terrestre gas serra. Invece di venire bruciato, il gas, viene re-iniettato nel terreno in attesa di una eventuale futura estrazione e per mantenere alta la pressione sotterranea durante il pompaggio del petrolio. Il gas naturale viene spesso compresso per essere immagazzinato.

Usi

Generazione di energia elettrica

Il gas naturale è una delle principali fonti utilizzate per la produzione di energia elettrica tramite l’utilizzo di turbine a gas e turbine a vapore.

Veicoli a gas

Il gas naturale compresso (assieme al GPL) viene usato come alternativa meno inquinante ad altri carburanti per automobili. Nel 2003, gli stati con il maggior numero di veicoli a gas erano Argentina, Brasile, Pakistan, Italia, e India.

Uso domestico, commerciale, industriale

Il gas naturale viene fornito alle abitazioni, alle attività commerciali ed agli impianti industriali dove viene utilizzato in cucina, per il riscaldamento e per il funzionamento di specifiche installazioni industriali.

Fonti

Il gas naturale viene estratto insieme al petrolio e in giacimenti di gas

Possibili fonti future

Un’ altra fonte di gas naturale, ancora in fase sperimentale, sono le discariche da cui viene estratto il gas metano, che si forma con la decomposizione dei rifiuti, per fornire energia elettrica e riscaldamento alle città.

In Ontario e in Danimarca è in progetto l’estrazione di metano dal letame prodotto da allevamenti di animali (principalmente maiali e bovini) per generare energia elettrica, con uno di questi impianti a biogas si riesce a produrre elettricità sufficiente per una piccola città (2500 MW). Questo metodo può essere ulteriormente migliorato aggiungendo altro materiale organico come la parte organica dei rifiuti domestici.

Impatti ambientali del gas naturale

La combustione di gas genera, anche se in misura minore rispetto agli altri combustibili fossili, gas serra che contribuiscono al surriscaldamento del pianeta. L’ estrazione di gas (ma anche di petrolio) porta a una diminuzione della pressione nella riserva sotterranea. Ciò può portare ad una sussidenza del terreno che può danneggiare l’ecosistema, i corsi d’ acqua, la rete idrica e fognaria e causare cedimenti nelle fondamenta degli edifici. L’ estrazione e il trasporto del gas possono inoltre generare ulteriore inquinamento.

di Daniel MIgliozzi