5.6 KiB
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.