Combustibili fossili

Carbone

Il carbone è una roccia sedimentaria organogena utilizzata principalmente come combustibile.

Formazione

Il processo di formazione degli attuali depositi di carbone iniziò nel periodo Carbonifero, circa 345 milioni di anni fa. Il clima caldo umido del periodo favorì largamente lo sviluppo di grandi alberi che costituirono vastissime foreste ricoprendo aree paludose e zone costiere.

I resti vegetali lasciati dalle piante si stratificarono per migliaia di anni e vennero gradualmente seppelliti nel suolo paludoso da strati di sedimenti (fango e sabbia). Si costituirono quindi la torba, un fitto intreccio di resti vegetali, e il sapropel, una fanghiglia di resti vegetali, planctonici e argille.

Con l'aumentare della stratificazione e quindi della profondità si determinò un aumento di pressione e temperatura. In questo ambiente microorganismi anaerobi attuarono una serie di trasformazioni riducendo la quantità di idrogeno, ossigeno e azoto e aumentando la concentrazione di carbonio passando così dalla torba alla lignite e litantrace fino all'antracite, in ordine per contenuto di carbonio.

L'antracite è il tipo di carbon fossile più pregiato e contiene fino al 95% di carbonio. Il carbonio puro, la grafite non è invece utilizzabile come combustibile.

Il processo può durare diversi milioni di anni e può essere interrotto se lo strato riaffiora in superficie a causa dei movimenti tettonici in quanto il materiale si degrada velocemente.

Utilizzi

Il carbone é utilizzato per la produzione di grafite artificiale tramite il processo chimico di grafitazione.

In passato veniva trasformato in gas per il riscaldamento e l'illuminazione pubblica. Nella Germania nazista il carbone veniva convertito, grazie al processo Fischer-Tropsch, in idrocarburi come benzina e gasolio per sopperire alla mancanza di petrolio.

Tuttavia l'utilizzo principale del carbone oggi è quello di combustibile solido per la produzione di energia elettrica. Il consumo globale di carbone è di circa 7.3×10¹² kg e il 40% della produzione di energia elettrica avviene grazie alla combustione del carbone (dati del 2010). L'utilizzo del carbone è in aumento e si stima possa aumentare del 48% entro il 2030.

Produzione di energia elettrica

Quando utilizzato per la produzione di energia elettrica il carbone è solitamente polverizzato e bruciato in un fornace con una caldaia. Il calore prodotto dalla combustione viene utilizzato per riscaldare l'acqua nella caldaia e produrre vapore. Il vapore poi mette in movimento delle turbine che azionano un generatore producendo corrente. L'efficienza termodinamica del processo è in genere del 25% e può raggiungere il 43% utilizzando antracite come carburante.

In un processo alternativo il carbone è convertito in syngas, una miscela di CO₂, CO e H₂, e bruciato in una turbina a gas. In questo caso l'efficienza è più alta: 40-45%.

Riserve e consumo

Il maggior estrattore di carbone è la Cina, con il 38% della produzione annua mondiale, seguita dagli stati uniti al 14%. l'85% della produzione è consumata da soli 10 paesi di cui 8 sono parte dei maggiori produttori. Solo la Cina consuma il 50% della produzione annua mondiale.

Si è stimato che la quantità di carbon fossile accessibile all'estrazione con le tecniche attuali è circa 1.5×10¹⁶ kg. Ovvero, con l'attuale consumo, l'equivalente a circa 280-300 anni di riserve.

Problemi

L'estrazione e l'utilizzo del carbone comporta una lunga serie di rischi per la salute e l'ambiente.

Le miniere a cielo aperto hanno un forte impatto ambientale e ad esse sono collegati pericoli come contaminazione delle acque, fughe di cenere volante e liquami.

Nelle minieri sotterranee invece si hanno invece rischi per la salute dei minatori che sono sottoposti ad alte temperature (anche più di 30°C) e la lunga esposizione alle polveri porta a malattie come la silicosi. Sono frequenti gli incendi nei giacimenti di carbone che possono bruciare per decenni e causare la subsidenza del suolo soprastante.

La combustione del carbone libera in aria, oltre alla CO₂, SO₂ che è un gas fortemente irritante per l'uomo e che provoca il fenomeno delle piogge acide. Il carbone può anche contenere in tracce altre sostanze pericolose come arsenico e mercurio e metalli pesanti che finiscono nei milioni di tonnellate di prodotti di scarto rilasciati dalla lavorazione e utilizzo del carbone ogni anno.

Ogni anno in Cina muoiono più di 5000 minatori e negli Stati Uniti si registrano 24000 morti collegate alla produzione di energia dal carbone.

Densità di energia

La densità di energia del carbone è di 24 MJ/Kg. Circa la metà di quella di metano e petrolio e quasi nulla rispetto a quella dei materiali fissili. Inoltre anche nel miglior processo di combustione quasi la metà di questa energia viene persa. Il carbone è una delle fonti di energia più inefficienti tuttavia ha un costo di produzione relativamente basso e contribuisce a mantenere basso il costo di altri combustibili come il petrolio.

Petrolio

Il petrolio é una miscela di vari idrocarburi di origine naturale da cui si ricavano svariati prodotti tra cui combustibili e materiali plastici.

Formazione

Teoria Biogenica

La teoria biogenica del petrolio ipotizza che il petrolio derivi dalla trasformazione di materiale biologico in decomposizione. Il primo a sostenere tale teoria fu lo scienziato russo Lomonosov nel XVIII secolo. La conferma a tale ipotesi fu fornita da Alfred E. Treibs, che evidenziò l'analogia strutturale tra una molecola di metalloporfirina che aveva rintracciato nel petrolio nel 1930 e la molecola della clorofilla (che è invece associata a processi biologici).

Secondo tale teoria, il materiale biologico dal quale deriva il petrolio è costituito da organismi unicellulari marini vegetali e animali (fitoplancton e zooplancton) rimasti sepolti nel sottosuolo centinaia di milioni di anni fa, in particolare durante il paleozoico, quando tale materia organica era abbondante nei mari.

La materia organica viene trasformata in cherogene attraverso la decomposizione della materia organica ad opera di batteri anaerobi che porta anche alla produzione di grandi quantità di metano. Successivamente, per l'aumentare dei sedimenti, si ha un innalzamento di pressione e temperatura (fino a 65-150 °C) che porta allo sviluppo di processi chimici di degradazione termica e cracking, che trasformano il cherogene in petrolio.

Gli idrocarburi poi, per la loro bassa densità, migrano verso l'alto. Se nulla blocca la migrazione, affiorano in superficie. Le frazioni più volatili evaporano e resta un accumulo di bitume. Tuttavia nel percorso di migrazione, gli idrocarburi possono accumularsi in rocce porose, dette rocce madri, e restare bloccati da uno strato di roccia impermeabile. In questo caso si può creare una zona di accumulo, detta trappola petrolifera. È però necessario che queste rocce siano al di sotto di rocce meno permeabili (argille o evaporiti), in modo che gli idrocarburi non abbiano la possibilità di risalire in superficie. Una trappola petrolifera tipica è la conformazione geologica detta piega anticlinale. Può accadere che il petrolio si accumuli in corrispondenza di fratture tettoniche o attorno a dei giacimenti di sale.

È frequente la situazione per la quale all'interno della roccia madre si trovino tre strati: uno superiore di gas naturale, uno intermedio costituito da idrocarburi liquidi ed uno inferiore di acqua salata.

Teorie Abiogene

Secondo le teorie abiogene (o abiotiche) il petrolio si è formato attraverso processi non biologici.

Il professor Thomas Gold nel 1992 pubblicò la sua teoria della profonda biosfera calda, allo scopo di spiegare il meccanismo dell'accumulo di idrocarburi nei giacimenti profondi.

Nel 2001 J. Kenney dimostrò, secondo le leggi della termodinamica, la trasformazione a basse pressioni di materiale biologico in catene di idrocarburi non é spontaneo. Il metano non si polimerizza a basse pressioni ad alcuna temperatura. Talvolta, giacimenti di gas naturale e petrolio ritenuti in fase di esaurimento, si riempono di nuovo. Questo processo può essere alimentato solo da depositi profondi, percorrendo la sequenza di fenomeni che portò alla formazione iniziale. La teoria abiotica sostiene che tutti gli idrocarburi naturali siano di origine abiotica, ad eccezione del metano biogenico, prodotto in prossimità della superficie terrestre attraverso la degradazione batterica di materia organica.

Una teoria dell'origine abiotica del petrolio ritiene che al momento della formazione della Terra si siano formati dei significativi depositi di carbonio, ora preservati solo nel mantello superiore. Questi depositi in condizioni di elevata temperatura e pressione polimerizzare fino a formare lunghe catene idrocarburiche. Una variante di questa teoria prevede l'idrolisi delle peridotiti del mantello, che costituisce metalli catalizzatori (come nichel, cromo, cobalto) a contatto con le rocce carbonatiche superiori genererebbe idrocarburi. Questa reazione chimica ipotizzata è la stessa che avviene nel processo industriale Fischer-Tropsch.

Trasformazione

Abitualmente il greggio viene sottoposto ad un primo trattamento direttamente sul posto in cui viene estratto dal sottosuolo. L'acqua e le componenti minerali sono principalmente tramite distillazione. L'acqua separata viene reiniettata nel sottosuolo del giacimento, per mantenerne stabile la pressione e quindi produzione petrolifera.

Dopo il processo di estrazione, il petrolio viene trasportato nelle raffinerie, dove avvengono le molteplici operazioni di trasformazione che permettono di ottenere prodotti di uso comune. Il processo di raffinazione può essere suddiviso in tre fasi principali:

• Separazione fisica dei componenti che costituiscono il petrolio
• Miglioramento qualitativo dei tagli ottenuti
• Purificazione dei prodotti finali

Scendendo più nel particolare, le principali lavorazioni sono:

• decantazione, e separazione dell'acqua
• dissalazione
• distillazione
• reforming
• desolforazione (eliminazione di SOₓ particolarmente inquinanti);
• cracking, alchilazione, isomerizzazione

I gas che si formano (metano, etano, propano...) vengono raccolti ed usati per produrre energia per il funzionamento della raffineria o esportati. Vi sono anche altre lavorazioni per recuperare paraffine e cere, usate anche nella cosmetica. Lo scarto finale costituisce il bitume usato per la pavimentazione stradale. Un ulteriore prodotto è lo zolfo ottenuto dal processo di desolforazione. Va infine ricordato che il petrolio è anche materia prima per la produzione di plastiche.

Prodotti del petrolio

Dal petrolio si possono ottenere molti prodotti, da alcuni dei più diffusi combustibili (benzina, gasolio,...) e molte materie plastiche. I quattro idrocarburi più usati sono l'etilene, il propilene, il butadiene e il benzene. La loro molecola li rende particolarmente adatti a ricomporsi in lunghe catene organizzate.

L'etilene è la sostanza di partenza più utilizzata al mondo (5 milioni di tonnellate all’anno). Da solo viene usato per far maturare la frutta più rapidamente e per produrre detergenti con poca schiuma. Mediante polimerizzazione, si ottiene il polietilene (PE), presente in numerosi imballaggi, oggetti stampati e rivestimenti. Combinando l'etilene con acqua si ottiene l'alcol etilico, usato come solvente. Combinandolo con il benzene, si ottiene il polistirolo (PS), usato come isolante in edilizia e materia prima per imballaggi delicati e giocattoli. Combinandolo con il cloro si ottiene il polivinilcloruro (PVC), anch'esso molto utilizzato nel settore edile e per realizzare tessuti impermeabili. Il propilene è il punto di partenza per numerose sostanze chimiche, tra cui l'isoprene, la glicerina e l'acetone. Combinando tra loro più molecole di propilene si ottiene il polipropilene (PP), ideale per imballaggi e altri manufatti resistenti.

Il butadiene viene usato soprattutto nella preparazione di gomme sintetiche, succedanei del cuoio e come solvente.

Infine il benzene, dal quale si ricavano importanti prodotti intermedi come il fenolo, l'anilina, lo stirene e il clorobenzene, utilizzati per coloranti, fibre, resine, materie plastiche, prodotti farmaceutici e fibre tessili.

I derivati del petrolio sono poi utilizzati come combustibili nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica e in impianti di riscaldamento domestico e di produzione di acqua calda.

benzina jet

Prodotto petrolifero	Utilizzi
metano e altri gas	combustibili di raffineria
propano	combustibile per autotrazione o per riscaldamento
butano
etere di petrolio	solvente
nafta leggera	componente di combustibile per automobili
nafta pesante
benzina	combustibile per motori
cherosene	combustibile
gasolio leggero	carburante per motori Diesel / riscaldamento
gasolio pesante	materia prima per cracking catalitico
olio lubrificante	olio per motori
bitume, asfalto	pavimentazione stradale

Aspetti Positivi e Negativi

Positivi

• Il costo del petrolio è di per sè basso (nonostanze il recente rialzo), nel senso che si tratta di una componente presente in grandi quantità e che per le tecnologie di oggi è facilmente estraibile dal giacimento (insieme al gas e alla legna di una delle risorse più sfruttate durante tutto il '900).
• Carburanti funzionanti
• Materiali plastici leggeri, pratici e resistenti
• Utilizzati per produrre elettricità
• Contiene una grandissima energia nei legami delle molecole di carbonio e idrogeno e questo fa si che sia possibile trasportarla sui sistemi di trasporto per poter alimentare i cicli di combustione nei motori delle automobili, degli aerei, delle navi...

Negativi

• Si tratta di una fonte non rinnovabile, ne è presente una quantità limitata sulla terra e il ciclo che l'ha generata attraverso i residui fossili ha impiegato milioni di anni per generarla
• Materie plastiche difficili da riciclare
• Prodotti di scarto rilasciati nell'ambiente
• Squilibri negli ecosistemi
• Non essendo equamente distribuita, rende i paesi che non la possiedono fortemente dipendenti da quelli che l'hanno, di solito in grandissime quantità (es. medioriente)
• Per poter sfruttare l'energia presente negli idrocarburi è necessario compiere cicli termodinamici altamente inefficienti

Ambiente

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 luoghi. 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 e di altri gas nell'atmosfera, incidendo sull'aumento dell'effetto serra.

Potenzialità rispetto al fabbisogno mondiale

Le evidenze scientifiche (a causa soprattutto dell’esagerato uso che si è fatto di tale risorsa) non sono favorevoli a procrastinare ulteriormente questa dipendenza, perché diventa sempre più difficile e meno conveniente estrarlo ed è una risorsa che, nel suo processo di combustione e trasformazione in energia, ha un forte impatto ambientale in termini di inquinamento atmosferico.

I primi 15 Paesi nel mondo per riserve di petrolio

Paese	# barili (mld)	Rapporto R/P*
Arabia Saudita	264,5	72,4
Venezuela	211,2	100,0
Iran	137,0	88,4
Iraq	115,0	100,0
Kuwait	101,5	100,0
E.A.U	97,8	94,1
Russia (Federazione)	77,4	20,6
Libia	46,4	76,7
Kazakhstan	39,8	62,1
Nigeria	37,2	42,4
Canada	32,1	26,3
Stati Uniti	30,9	11,3
Qatar	25,9	145,2
Cina	14,8	9,9
Brasile	14,2	18,3
Mondo	1.383,2	46,2

*R/P: stima la vita residua (in termini di anni) di tali riserve Fonte: ns elaborazione su dati BP Statistical Review of World Energy June 2011

A che punto siamo con il petrolio?

I prezzi petroliferi sono stabili ormai da qualche anno intorno ai 100 dollari al barile. Non molti anni fa, questi livelli sarebbero stati considerati una catastrofe planetaria ma, apparentemente, oggi la cosa non fa più notizia. Tuttavia, è un disastro per il nostro paese che, nel 2012, ha speso oltre 66 miliardi per importare energia fossile. La produzione mondiale di petrolio convenzionale si mantiene costante o in lieve declino. In sostanza, negli ultimi anni, l’industria dei combustibili fossili si è trovata in difficoltà a mantenere la tendenza alla crescita che era state normale fino ad allora. Tuttavia, gli alti prezzi hanno dato origine a una vera "corsa all’oro nero" che ha permesso di evitare il declino, riuscendo anche a incrementare la produzione in certe regioni, come gli Stati Uniti. Quanto questa tendenza potrà durare, è difficile dire; di certo però non all’infinito e forse non più di qualche anno. La supremazia del petrolio dipende da tante variabili tra cui lo sviluppo di risorse rinnovabili e la scoperta di nuove fonti energetiche. Se dovessero mancare fonti alternative ad esso, ad un certo punto la sua estrazione diverrebbe tanto costosa da essere antieconomica.

Gas naturale

Per gas naturale si intende un combustibile fossile composto da una miscela di idrocarburi, il cui componente principale è il gas metano con una composizione del 90/95%. Tuttavia è possibile trovarvi anche gas più pesanti fra cui etano, propano, butano e pentano.

Formazione

Il gas naturale si è formato, insieme al petrolio, centinaia di milioni di anni grazie alla decomposizione chimica di sostanze organiche (come, ad es. alghe, plancton) in assenza di ossigeno. Così, dopo essersi formato, esso tende a risalire verso la superficie terrestre: una parte viene dispersa nell'atmosfera, un'altra parte rimane invece intrappolata in formazioni geologiche (es. strati di roccia sedimentaria). Si formano quindi dei giacimenti sotterranei. Questi giacimenti vengono individuati grazie alla propagazione delle onde sismiche, successivamente vengono costruiti gli impianti di estrazione necessari e tramite la trivellazione dei pozzi, si estre il gas naturale.

Il gas naturale si trova quindi allo stato fossile, per poi essere estratto. I più grandi giacimenti conosciuti si trovano nel Golfo Persico (Qatar e Iran), ma il paese che singolarmente possiede le maggiori riserve conosciute è la Russia.

Vantaggi e svantaggi

Come per ogni fonte di energia, esistono vantaggi e svantaggi legati al suo utilizzo. Vediamo ora i principali vantaggi di questa fonte di energia:

• Può essere immediatamente sfruttata così come viene estratta
• Impiego minimo di energia per estrazione, depurazione e trasporto
• Rendimento superiore al 90% come solo l'energia idroelettrica
• Sono presenti riserve per altri 100 anni
• Privo di zolfo
• Combinazione semplice con energie rinnovabili
• Basse emissioni di CO₂

Passiamo ora a vedere quali sono gli svantaggi:

• L'estrazione del gas naturale genera una diminuzione di pressione nella riserva sotterranea portando ad una subsidenza del terreno che, a sua volta, può danneggiare l'ecosistema e perfino le fondamenta degli edifici
• Durante la sua combustione, esso genera gas serra che contribuiscono al surriscaldamento del pianeta. Lo stesso gas metano è un gas serra più pericoloso rispetto all'anidride carbonica.

In generale, si tratta comunque di una valida forma di energia.

Utilizzo

Il gas naturale è un gas di fondamentale importanza, dal momento che esso è costantemente impiegato in numerosissime attività quotidiane in diversi settori.

Di seguito sono elencate le principali attività che hanno a che vedere con il gas naturale:

• È il combustibile fossile maggiormente legato al riscaldamento delle abitazioni
• Sempre in ambito residenziale esso è utilizzato per la preparazione di cibi e per la produzione di acqua calda tramite caldaie
• Viene utilizzato per produrre energia elettrica ed è sfruttato da Centrali a turbogas, a ciclo combinato e impianti di cogenerazione
• È sempre più richiesto come combustibile per autoveicoli, perciò la domanda di vetture alimentate a gas è sempre più crescente
• L’utilizzo del gas naturale nei processi produttivi industriali (combustione, saldatura, essiccamento, ecc) coinvolge moltissimi settori industriali: dall’industria alimentare a quella metallurgica, dalla produzione di laterizi alla tessitura fino alla lavorazione di carta e vetro
• È molto utilizzato anche nel settore chimico per la produzione di molte materie fra cui plastiche, farmaci e coloranti

È quindi facile vedere come questa fonte di energia, pur essendo esauribile, porti numerosi vantaggi all'uomo in diversi settori ed in diverse attvità. La crescente domanda per il suo impiego la rende a tutti gli effetti un elemento di sostentamento fondamentale per l'uomo. Le sue potenzialità sono enormi, per ciò è molto probabile che nei prossimi anni assumerà un ruolo ancor più dominante nella nostra vita.

Potenzialità rispetto al fabbisogno

Il gas naturale svolge un ruolo fondamentale per quanto riguarda l'equilibrio energetico mondiale, dal momento che rappresenta circa un quinto della quantità totale di energia impiegata. Recentemente, il consumo di gas naturale è aumentato in maniera vertiginosa, e si stima attualmente a più di 3 mila miliardi di metri cubi annui. Si prevede che il consumo di gas naturale continuerà ad aumentare in modo rapido, guidato in particolar modo dall’aumento del fabbisogno nei settori della produzione di energia elettrica e dei trasporti. L’alto grado di efficienza, l’economicità a lungo termine e la disponibilità di questa materia prima sono fattori che, in tali settori, potranno contribuire a far pendere la bilancia a suo favore.

Tutti questi fattori fanno sì che le potenzialità del gas naturale rispetto al fabbisogno siano ottime e consentano di soddisfare le richieste.

Altre informazioni

Oltre all'estrazione del gas naturale tramite gli appositi impianti precedentemente citati,è possibile che esso venga ricavato attraverso metodi alternativi. Esistono quindi altre diverse fonti:

• La prima di esse è rappresentata dalle discariche. In esse, infatti,è possibile che il gas naturale si formi tramite la decomposizione dei rifiuti. In questo caso si parla di biogas
• In Ontario e Danimarca si sta pensando di portare a termine un progetto che prevede 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 (250 MW). Questo metodo può essere ulteriormente migliorato aggiungendo altro materiale organico come la parte organica dei rifiuti domestici.