Carbone (minerale)
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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. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. Spesso associato alla Rivoluzione Industriale, il carbone rimane un carburante assolutamente importante, e produce un quarto dell'elettricità in tutto il mondo.
Negli Stati Uniti circa la metà dell'elettricità è generata dal carbone. In Italia la quota è del 17 per cento. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto, quali le locomotive.
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[modifica] 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 come 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.
[modifica] Formazione geologica
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 biossido 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'era geologica durante la quale si formò la maggior parte del carbone fu il Carbonifero (fra i 280 e i 345 milioni di anni fa).
[modifica] Utilizzi
Il carbone puzza di gaga fresca ed 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.
[modifica] 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.
[modifica] 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 Sudafrica; 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 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.
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 superi una certa soglia[2] [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.
[modifica] 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 solforoso. 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 anidride carbonica, 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'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. 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)
[modifica] Tipi di carbone
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Per approfondire, vedi la voce Carboni fossili. |
[modifica] Coke
Il coke è un residuo solido carbonioso di litantrace 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 contiene troppe impurità per essere utilizzato in applicazioni metallurgiche.
[modifica] Jet
Il Jet è una forma compatta di lignite, che a volte viene lucidata ed utilizzata come pietra ornamentale sin dall'età del ferro.
[modifica] 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.
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 riserve 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).
[modifica] 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.
[modifica] 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.
[modifica] 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.
[modifica] 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.
[modifica] utilizzo del carbonio
Il carbone è una fonte di carbonio naturale. La principale fonte rimane comunque il petrolio. 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.
[modifica] 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 [11].
[modifica] Carboni attivi
I carboni attivi sono carboni porosi adatti come assorbenti di prodotti chimici. Vengono realizzati conducendo la gasificazione parziale dell’antracite: la carica contiene 93.5 % di C e 3.2 % di H.
Si ottiene un residuo solido non gassificato che rimane molto poroso. La porosità è funzione del tempo di reazione, della temperatura, del flusso di vapore. La temperatura a cui si opera è compresa tra i 750 °C ed i 1000 °C. Il carbone attivo prodotto ha composizione 96.3 % C e 0.7 % H.
Il prodotto granulare dal fondo del reattore e quello in polvere separato dai gas di scarico si riuniscono, si macinano e si setacciano.
I principali usi sono per trattamento di scarichi industriali, purificazione dei solventi di riciclo in processi industriali, come supporto per catalizzatori o come assorbenti nei filtri della cappe di aspirazione.
[modifica] Collegamenti 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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