Carbone (energia)

Il carbone è un combustibile fossile estratto dal terreno sia in miniere, che in miniere a cielo aperto. È un combustibile pronto all'uso, formato da roccia sedimentaria nera o bruna. È composto principalmente da carbonio e idrocarburi, oltre a vari altri elementi assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Spesso associato alla Rivoluzione Industriale, il carbone rimane un carburante assolutamente importante, e la maggiore fonte di energia per generare elettricità in tutto il mondo. La metà dell'energia elettrica prodotta dagli Stati Uniti, ad esempio, deriva dal carbone. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto, quali le locomotive.

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Carbone

Etimologia e folklore

La parola "carbone" deriva dalla parola latina carbo, a sua volta originata dal greco karpho, che significa rendere asciutto, arido. La radice car significa ardere. Il carbone non fu estratto che a partire dal tardo Medio Evo.

Viene associato al segno astrologico del Capricorno. Veniva portato indosso dai ladri compe protezione dall'individuazione e come aiuto alla fuga durante gli inseguimenti. Fa parte di rituali popolari associati alla notte di capodanno. Sognare di bruciare carbone è segno di disappunto, problemi, afflizione e perdita, a meno che esso non bruci luminosamente, nel qual caso è promessa di incoraggiamento e progressione.

Babbo Natale e la Befana lasciano un blocco di carbone, al posto dei regali, ai bambini che si sono comportati male durante l'anno. chiamatemiiii il numero é3491345928

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 gasificazione 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, perchè più sicuri. La gassificazione rimane comunque una possibilità pèr un utilizzo futuro del carbone, visto che in genere brucia a temperature più alte ed è più pulito del carbone convenzionale.famme na sega

Liquefazione

Il carbone può essere convertito anche in combustibili liquidi come benzina o gasolio, attraverso svariati procedimenti. Il processo Fisher-Tropsch di sintesi indiretta di idrocarburi liquidi fu usato nella Germania nazista, e per svariati anni in Sud Africa; in entrambi i casi la motivazione fu che questi regimi furono isolati politicamente, e quindi impossibilitati ad acquistare petrolio greggio sui mercati internazionali. Il carbone veniva gassificato in modo da produrre syngas (una mistura purificata e bilanciata di CO e H2), che veniva poi fatto condensare utilizzando un catalizzatore Fischer-Tropsch per produrre idrocarburi leggeri, poi trasformati in benzina e gasolio. Il Syngas può essere inoltre convertito in metanolo, un ulteriore carburante o additivo a carburanti, che può essere ulteriorimente riconvertito in benzina tramite il processo M-gas della Mobil.

Esiste anche un processo di liquefazione diretta processo Bergius (liquefazione attraverso idrogenazione), mai usato al di fuori della Germania, che lo sfruttò durante la Prima e la Seconda Guerra Mondiale. In Sud Africa fece qualche esperimento in questa direzione la compagnia SASOL.

Un ulteriore procedimento per ottenere idrocarburi liquidi dal carbone è la low temperature carbonzation (LTC), o carbonizzazione a bassa temperatura. Il carbone viene trasformato in coke a temperature fra i 450 e i 700°C, invece degli 800-1000° del coke utilizzato in metallurgia. Questa temperatura facilita la produzione di catrami più ricchi di idrocarburi leggeri dei catrami normali. Il catrame viene poi trasformati in carburante. Questo processo fu sviluppato da Lewis Kerrick, un tecnico specializzato in argilliti petrolifere, all'ufficio minerario degli Stati Uniti negli anni 1920. [1] (en)

Tutti questi metodi di produzione di carburante liquido rilasciano CO₂ ([[anidride carbonica). L'isolamento della CO₂ è auspicabile, per evitare di rilasciare quetso 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.

La liquefazione del carbone è una delle tecnologie che limita la crescita del prezzo del petrolio. Le stime del costo della produzione di carburanti liquidi partendo dal carbone suggeriscono che essa diventi competitiva quando il prezzo del petrolio arrivi attorno a 35 dollari al barile [2], decisamente sopra le medie storiche, ma ritornato verosimile dopo il picco dei prezzi degli anni 2004-2005. [3] (en)

Avendo tecnologie commercialmente mature, il vantaggio economico della liquefazione indiretta del carbone, rispetto a quella diretta, fu reso noto da William e Larson, nel 2003. Le stime riportano che per alcuni siti in Cina il prezzo di soglia per la liquefazione del carbone possa variare fra 25 e 25 dollari per barile di petrolio.

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 pioggie acide di alcune nazioni. le centrali elettriche moderne utilizzano varie tecniche per limitare la nocività dei loro scarichi e per aumentare l'efficenza 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. Una centrale a carbone, durante il suo funzionamento, emette nell'aria più radioattività di quella che emette una centrale nucleare di pari potenza. (vedi [4] (en) e [5] (en) per numeri e dettagli)

Tipi di carbone

Mano a mano che processi geologici applicano pressione alla torba, questa si trasforma nel tempo in lignite, poi in liantrace sub-bituminoso, liantrace bituminoso e infine in antracite.

Lignite

[[Immagine:ZecheDoehlen.jpg|frame|right|Miniera di lignite a Leipzig-Döhlen]] La lignite, detta anche carbone marrone, è il livello qualitativo di carbone più basso, ed è usata quasi esclusivamente come carburante per centrali elettriche a trubina. È marrone-nerastra ed ha un alto contenuto di umidità, a volte più del 45%. È difficile da immagazzinare e trasportare perchè presenta un forte rishio di combustione, e all'aria aperta tende a polverizzarsi. Il calore generato dalla lignite varia fra i 9 e i 17 millioni di Btu/ton (da 10 a 20 MJ/kg), per materiale umido e privo di componenti minerali. Il calore generato da lignite negli Stati Uniti è in media di 13 milioni di Btu/ton (15 MJ/kg).

Liantrace sub-bituminoso

Le prooprietà di questo materiale sono intermedie fra quelle della lignite e del liantrace bituminoso. Viene utilizzato prevalentemente come combustibile nelle centrali elettriche a turbina, bruciando genera molto fumo, e si polverizza abbastanza lentamente. Può variare a seconda del livello al quale viene estratto: cedevole al tatto, friabile, marrone scuro o nerastro negli strati inferiori, oppure più chiaro, legnoso e relativamente duro negli strati superiori. Il liantrace sub-bituminoso può contenere umidità dal 20 al 30% del suo peso. Il calore generato da questo materiale varia dai 17 ai 24 milioni di Btu/ton (dai 20 ai 21 MJ/kg), partendo da materiale grezzo. La maggior produzione di liantrace sub-bituminoso degli Stati Uniti è il bacino del Powder River, nello stato del Wyoming.

Liantrace bituminoso

Il liantrace bituminoso è un carbone denso, generalmente nero, a volte marrone scuro, spesso con strisce ben definite di materiale chiaro e friabile, usato principalmente nelle centrali elettriche a trubina, ma in quantità non trascurabili per riscaldamento e in impianti di produzione per ottenere coke. Produce fumo durante la combustione, e si decompone facilmente se esposto all'aria. Il liantrace bituminoso è il carbone più prodotto negli Stati Uniti. Il suo tasso di umidità è inferiore al 20%, quando non addirittura del 12% per la qualità seaborne trade, adatta al trasporto via mare. Il suo calore specifico varia dai 21 ai 30 milioni di Btu/ton (da 24 a 35 MJ/kg) per il materiale puro. Questa qualità di carbone negli Stati Uniti genera in media 24 milioni di Btu/ton (28 MJ/kg), allo stato grezzo.

Antracite

L'antracite è il carbone di qualità superiore, usato principalmente per il riscaldamento domestico. È duro, fragile e nero lucido, contiene un'alta percentuale di carbonio fissato e una bassa percentuale di materia volatile. L'umidità contenuta nell'antracite appena estratta è in genere inferiore al 15%. Il calore specifico dell'antracite pura varia dai 22 ai 28 milioni di Btu/ton (da 26 a 33 MJ/kg). L'antracite consumata negli Stati Uniti contiene in media 25 milioni di Btu/ton (29 MJ/kg). A partire dagli anni 1980, gli scarti e i detriti di antracite vengono usati per la generazione di energia elettrica. Questo carburante in media contiene 15 milioni di Btu/ton (17 MJ/kg), o meno.

Coke

Il coke è un residuo solido carbonioso di liantrace bituminoso con bassi livelli di cenere e di solfuri, dal quale le componenti volatili siano state estratte attraverso la cottura in fornaci alla temperatura di 1000°C e in assenza di ossigeno. Questo procedimento permette di fondere insieme il carbonio fissato e le ceneri. Il coke è utilizzato come carburante e come agente di riduzione nelle fornaci per la fusione dei minerali metalliferi. È grigio, duro e poroso, e ha capacità di riscaldamento di 24.8 milioni di Btu/ton (29.6 MJ/kg). I sottoprodotti della conversione del carbone in coke sono catrame o pece, ammoniaca, oli leggeri e "carbone gassificato", o "gas di carbone".

Il coke ottenuto come residuo dei processi di raffinazione del petrolio può assomigliare a quello proveniente dal carbone, ma cvontiene troppe impurità per essere utilizzato in applicazioni metallurgiche.

Jet

Il Jet è una forma compatta di lignite, che a volte viene lucidata ed utilizzata come pietra ornamentale sin dall'età del ferro.

Riserve mondiali di carbone

Nel 1996 è stato stimato che le riserve mondiali di carbone economicamente accessibile con le tecniche minerarie conosciute oggi ammontino a circa 15 bilioni di tonnellate, la metà delle quali di antracite. L'energia contenuta nel carbone di tutto il mondo supera ampiamente i 100.000 biliardi di Btu (100 zettajoules). Le riserve probabilmente dureranno meno di altri 300 anni.

frame|right|Giacimenti di carbone accertati. Tra parentesi sono indicate le quantità di antracite e di litantrace bituminoso, in miliardi di tonnellate. Il Dipartimento per l'Energia degli Stati Uniti stima le riserve nazionali in 1.081.279 milioni di tonnellate, corrispondenti a circa 4.786 BBOE (barili di petrolio equivalenti) ([6]). La quantità di carbone bruciata nel corso del 2001 ammonta a 2,337 GTOE (gigatonnellate equivalenti di petrolio), corrispondenti a 46 MBOED (milioni di barili di petrolio equivalenti giornalieri). ([7]). Con questo andamento, le riserver dureranno 285 anni. In confronto, nel corso del 2001, il gas naturale fornì 51 MBOED, e il petrolio 76 MBD (milioni di barili al giorno).

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 rilascita 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 vantaggiosae 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 liantrace 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 comunqe 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 efficenti consentono di sfruttere 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 [11].

Carbone attivo

Si tratta di un particolare tipo di carbone macinato finemente, caratterizzato da un enorme numero di pori nei quali possono essere adsorbite (Adsorbimento) sostanze liquide o gassose. Viene impiegato nell'industria dei filtri per la depurazione di gas e liquidi tossici e nocivi, per l'abbattimento di odori, e per altri usi tecnici.

Vedere anche

Comunità europea del carbone e dell'acciaio.

Link esterni

rapporto dell'emittente televisiva MSNBC sugli effetti dell'inquinamento da carbone sulla sanità pubblica degli Stati Uniti (en)
Considerazioni sul futuro ruolo del carbone
Geologia.com
WWF italiano, a proposito dell'utilizzo di carbone come fonte di energia

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