Il carbone è una roccia sedimentaria organogena utilizzata
principalmente come combustibile.
Il carbone è una roccia sedimentaria organogena utilizzata
principalmente come combustibile.
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.
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.
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%.
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.
L'estrazione e l'utilizzo del carbone comporta una lunga serie di rischi per la salute e l'ambiete.
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 tonnelate 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.
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.
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 (confermata nel 1877 da Mendeleev). Ulteriore 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.
In un primo stadio, tale materia organica viene trasformata in cherogene attraverso una serie di processi biologici e chimici; in particolare la decomposizione della materia organica ad opera di batteri anaerobi (cioè che operano in assenza di ossigeno) porta alla produzione di ingenti quantità di metano. Successivamente, a causa della continua crescita dei sedimenti, si ha un innalzamento della temperatura (fino a 65-150 °C) che porta allo sviluppo di processi chimici di degradazione termica e cracking, che trasformano il cherogene in petrolio. Tale processo di trasformazione del cherogene in petrolio avviene alla sua massima velocità quando il deposito ha raggiunto profondità intorno a 2.000-2.900 metri.
Una volta generati, gli idrocarburi migrano verso l'alto attraverso i pori della roccia in virtù della loro bassa densità. Se nulla blocca la migrazione, questi idrocarburi affiorano in superficie. A questo punto le frazioni più volatili evaporano e resta un accumulo di bitume, che è pressoché solido a pressione e temperatura atmosferica. Storicamente gli accumuli naturali di bitume sono usati per usi civili (impermeabilizzare il legno) o militari (come il fuoco greco). 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" (o reservoir). Perché le rocce porose possano costituire un reservoir, è necessario che queste rocce siano al di sotto di rocce meno permeabili (normalmente argille o evaporiti), in maniera tale che gli idrocarburi non abbiano la possibilità di risalire sino alla superficie terrestre.
Una conformazione geologica che costituisce un caso tipico di trappola petrolifera è la piega anticlinale. Questo tipo di configurazione costituisce di gran lunga il caso più frequente di "trappola petrolifera", anche se può accadere che il petrolio si accumuli in corrispondenza di fratture tettoniche o attorno a dei giacimenti di sale. All'interno del reservoir si viene quindi a trovare una miscela di idrocarburi liquidi e gassosi (in proporzioni variabili). Gli idrocarburi gassosi costituiscono gas naturale (metano ed etano) e riempiono le porosità superiori. Quelli liquidi (nelle condizioni di pressione esistenti nel giacimento, cioè svariate centinaia di atmosfere) occupano le zone inferiori del reservoir. In virtù dell'origine marina della materia organica all'origine del petrolio, quasi inevitabilmente gli idrocarburi sono associati ad acqua; 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. Nelle operazioni di messa in produzione di un giacimento si presta notevole attenzione alla profondità alla quale si situa lo strato di acqua perché questa informazione è necessaria per calcolare il rendimento teorico del giacimento. È frequente la situazione per la quale il giacimento di idrocarburi contiene unicamente metano ed etano. In questo caso si parlerà di giacimento di gas naturale. Se gli idrocarburi liquidi più pesanti presenti nel giacimento non superano i dodici-quindici atomi di carbonio (C12 - C15), si parlerà di giacimento di condensato, sovente associato a gas naturale. Se negli idrocarburi liquidi presenti sono rappresentate molecole più lunghe si è in presenza di un giacimento di petrolio propriamente detto.
Secondo le teorie abiogene (o abiotiche) il petrolio si è formato attraverso processi non biologici.
Fra i teorici dell'origine abiogena c'è il professor Thomas Gold che 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 che secondo le leggi della termodinamica non sarebbe possibile la trasformazione a basse pressioni di carboidrati o altro materiale biologico in catene idrocarburiche. Infatti il potenziale chimico dei carboidrati varia da -380 a -200 kcal/mol, mentre il potenziale chimico degli idrocarburi è maggiore di 0 kcal/mol. Siccome le trasformazioni termodinamiche evolvono verso condizioni a potenziale chimico più basso, la trasformazione citata non può avvenire. 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 (spesso chiamato gas di palude), che è prodotto in prossimità della superficie terrestre attraverso la degradazione batterica di materia organica sedimentata.
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, trovandosi in condizioni di elevata temperatura e pressione, catalizzerebbero la polimerizzazione di molecole di metano, fino a formare lunghe catene idrocarburiche. Una variante di questa teoria prevede l'idrolisi di peridotiti del mantello, con conseguente formazione di un fluido ricco in idrogeno e con metalli catalizzatori (come nichel, cromo, cobalto o vanadio), che risalendo, dilaverebbe le rocce carbonatiche superiori, generando idrocarburi. Questa reazione chimica ipotizzata è la stessa che si avrebbe nel processo industriale della sintesi di Fischer-Tropsch.
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 le prime ad essere separate, prima di inviare il petrolio alla raffinazione, principalmente tramite distillazione o metodi gravitativi, cicloni, ecc. L'acqua separata, solitamente ha un certo contenuto di sali disciolti (principalmente cloruro di sodio) e quindi non utilizzabile per scopi agricoli, industriali o civili, quasi sempre viene reiniettata nel sottosuolo entro l'acquifero del giacimento, per mantenerne la pressione e quindi tenere stabile la produzione petrolifera, oppure in livelli rocciosi permeabili, che quindi l'assorbono facilmente, individuati nel sistema geologico in cui si trova il giacimento.
Dopo il processo di estrazione, il petrolio viene trasportato verso stabilimenti (raffinerie di petrolio), dove avvengono le operazioni di trasformazione che permettono di produrre a partire dal grezzo petrolifero una serie di prodotti di uso comune. Le operazioni attraverso le quali il grezzo petrolifero viene trasformato sono molteplici e di diversa natura. A grandi linee, il processo di raffinazione può essere suddiviso in tre fasi principali:
Scendendo più nel particolare, le principali lavorazioni sono:
Ogni taglio petrolifero è costituito da molecole di lunghezza comparabile. Poiché l'operazione di distillazione non può essere perfetta, ogni taglio petrolifero contiene un po' del taglio più leggero ed un po' del taglio più pesante. Per questo motivo gli intervalli di ebollizione di un taglio "ricoprono" parzialmente quelli del taglio immediatamente più leggero ed immediatamente più pesante. I gas che si formano nelle varie parti di impianto (metano, etano, propano e butano) vengono raccolti ed usati per produrre energia per il funzionamento della raffineria o valorizzati come prodotti finiti. Il taglio che costituisce la benzina dovrà subire varie lavorazioni, in quanto la benzina da topping presenta uno scarso numero di ottano, pertanto si ricorre ai processi di isomerizzazione, reforming. La parte pesante viene inviata al vacuum per recuperare i combustibili liquidi rimasti nel fondo della colonna da topping:
Vi sono poi altre lavorazioni per recuperare le paraffine e le cere (vasellina), usate anche nella cosmetica. Lo scarto finale costituisce il bitume usato, una volta miscelato con pietrisco fine e sabbia, per la pavimentazione stradale. Nel novero dei prodotti di raffineria rientra anche lo zolfo ottenuto dal processo di desolforazione. Va infine ricordato che il petrolio (nel taglio della virgin nafta) è anche materia prima per l'industria petrolchimica per la produzione di plastiche. I prodotti finali del processo di trasformazione includono dunque: GPL, benzina, cherosene, gasolio, oli lubrificanti, bitumi, cere e paraffine.
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 e di altri gas nell'atmosfera, incidendo sull'aumento dell'effetto serra.
| Paese | consumo (barili/giorno) | Anno |
|---|---|---|
| Stati Uniti | 19 150 000 | 2010 |
| Cina | 9 400 000 | 2011 |
| Giappone | 4 452 000 | 2010 |
| India | 3 182 000 | 2010 |
| Arabia Saudita | 2 643 000 | 2010 |
| Germania | 2 495 000 | 2010 |
| Canada | 2 209 000 | 2010 |
| Russia | 2 199 000 | 2010 |
| Corea del Sud | 2 195 000 | 2011 |
| Messico | 2 073 000 | 2010 |
| Brasile | 2 029 000 | 2012 |
| Francia | 1 861 000 | 2010 |
| Iran | 11 845 000 | 2010 |
| Gran Bretagna | 1 622 000 | 2010 |
| Italia | 1 528 000 | 2010 |
| Spagna | 1 441 000 | 2010 |
Dal petrolio si possono ottenere molti prodotti, da alcuni dei più diffusi combustibili (la benzina, il gasolio e altre sostanze dette derivati del petrolio) a molte delle materie plastiche utilizzate dall'uomo. Gli idrocarburi semplici di cui è composto il petrolio sono, infatti, la materia prima essenziale per produrre materie plastiche che danno una risposta alle molteplici esigenze di materiali plastici con caratteristiche specifiche: resistenza, plasticità, durezza, elasticità, biodegradabilità, indeformabilità, aderenza, impermeabilità, malleabilità, ecc. 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. La complessità delle sostanze petrolchimiche viene ricostruita con numerosi passaggi e diversi percorsi produttivi attraverso i quali si giunge a un'infinita varietà di prodotti. 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, un solvente per profumi, cosmetici, pitture, saponi, coloranti, fibre tessili e materie plastiche. Combinandolo con il benzene, si ottiene il polistirolo (PS), usato come isolante in edilizia, nonché 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, gomme sintetiche, prodotti farmaceutici, insetticidi, detersivi, 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.
| Prodotto petrolifero | Utilizzi |
|---|---|
| metano e altri gas | combustibili di raffineria |
| propano | combustibile per autotrazione o per riscaldamento |
| butano | utilizzato per aumentare la volatilità della benzina |
| etere di petrolio | solvente |
| nafta leggera | componente di combustibile per automobili |
| nafta pesante | materia prima per il reforming, combustibile per jet |
| 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 |
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.
Vediamo ora le principali caratteristiche di questa fonte di energia
È necessario precisare che 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.
Come per ogni fonte di energia,esistono vantaggi e svantaggi legati al suo utilizzo. Vediamo ora i principali vantaggi di questa fonte di energia:
Passiamo ora a vedere quali sono gli svantaggi:
In generale, si tratta comunque di una valida fonte di energia.
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:
E' 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 effenti 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.
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.
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: