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Carbone

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COME SI FORMA IL CARBONE? E QUALI SONO I SUOI CAMPI D'IMPIEGO?

CarboneIl carbone fossile è una roccia sedimentaria composta prevalentemente da carboniocarbonio
Elemento chimico costituente fondamentale degli organismi vegetali e animali. È alla base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio: sono noti più di un milione di composti del carbonio. È molto diffuso in natura, ma non è abbondante: è presente nella crosta terrestre nella percentuale dello 0,08% circa, e nell'atmosfera prevalentemente come monossido (CO) e biossido (CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

) di carbonio (anidride carbonica). Allo stato di elemento si presenta in due differenti forme cristalline: grafite e diamante.
, idrogenoidrogeno
Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell'acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l'idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell'idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell'aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).
e ossigeno.

La sua origine, risalente a circa 300 milioni di anni fa, deriva dal deposito e dalla stratificazione di vegetali preistorici originariamente accumulatisi nelle paludi. Il legno di grandi e lussureggianti foreste, è infatti progressivamente marcito nel corso delle ere geologiche e lentamente si è trasformato in carbone. La crescita dei sedimenti, insieme ai movimenti della crosta terrestre, hanno contribuito allo ‘sprofondamento’ di tali giacimenti molto in basso, dove questo materiale organicoorganico
Aggettivo applicato a qualunque sostanza abbia origine animale o vegetale.
ha subito delle trasformazioni chimico-fisiche sotto alte temperature e pressioni. Attraverso il lungo processo di carbonizzazionecarbonizzazione
Processo di trasformazione chimico-fisica che avviene ad alte temperature ed alte pressioni  e che porta alla trasformazione del materiale organico in carbone. La carbonizzazione definisce il rango del carbone, ovvero il suo grado di maturazione. Quanto più avanzata è la carbonizzazione, tanto maggiore è il "contenuto energetico" sfruttabile del carbone.
, che definisce il grado di maturazione del carbone (rango), questo fossile può evolvere dallo stato di torbatorba
Tipologia di carbone di formazione relativamente recente caratterizzato da un'elevata umidità, fino al 75%. La torba si presenta di colore marrone e di consistenza piuttosto filamentosa, ha un basso potere calorifico e non trova applicazioni energetiche.
a quello di antraciteantracite
Tipologia di carbone costituito quasi completamente da carbonio, essendo il risultato più avanzato del processo di carbonizzazione che ha avuto luogo nel corso delle ere geologiche. È di colore nero-grigiastro e possiede caratteristiche di durezza e compattezza. L'antracite, che non trova applicazioni energetiche, è un fossile impiegato in alcuni processi industriali (metallurgia, produzione zucchero etc.) ed il suo volume estrattivo è decisamente inferiore a quello delle altre tipologie.
, assumendo differenti caratteristiche fisico-chimiche che ne determinano il campo d’impiego. 

I carboni di basso rango (ovvero di formazione relativamente più recente), sono caratterizzati da un’elevata umidità e da un minor contenuto di carbonio, quindi sono ‘energeticamente’ più poveri, mentre quelli di rango più elevato hanno al contrario umidità minore e maggior contenuto di carbonio.

L’antracite, in particolare, si posiziona al primo posto nella scala del rango: è infatti la tipologia di carbone di maggiore qualità, con un elevato potere calorificopotere calorifico
Il potere calorifico è definito come il calore prodotto dalla combustione di una quantità unitaria di combustibile e si distingue tra potere calorifico superiore (pcs) e potere calorifico inferiore (pci). È misurato in genere in kcal/kg per i combustibili liquidi e solidi, e in kcal/m3 per i gas.
, al contrario della torba che, invece, non trova applicazioni energetiche.

Anche nell’aspetto è possibile riconoscere questa evoluzione: la torba, infatti, si presenta di colore marrone e di consistenza piuttosto filamentosa, mentre l’antracite è di colore nero lucido e possiede una maggiore durezza.

Di seguito vengono indicate le caratteristiche che differenziano le varie tipologie di carbone (su base secca):

Tipologie carbone

La tipologia più diffusa è quella del carbone bituminoso, all’interno della quale si riconoscono i carboni da vapore (‘steam coal’) utilizzati soprattutto nelle centrali elettriche e nei cementifici.

Fra i carboni bituminosi vanno evidenziati anche i carboni metallurgici (‘coking coal’) ovvero quei carboni che, avendo caratteristiche agglomeranti, se distillati (ovvero sottoposti ad alte temperature in assenza di ossigeno) danno luogo al cokecoke
Prodotto derivante dal riscaldamento di carbone bituminoso ad alte temperature in assenza di aria, nell'indutria siderurgica. Il coke ha un alto contenuto di carbonio e caratteristiche fisiche (resistenza meccanica e porosità) tali da poter essere utilizzato in altoforni per la conversione del minerale di ferro in ghisa. Nell'industria petrolifera si produce anche un coke (definito "petroleum coke" o "pet coke") a partire dalla condensazione di residui petroliferi pesanti.
. Il coke è pertanto un derivato del carbone che svolge un ruolo fondamentale negli alto-forni per la produzione di acciaio.

Nel corso dei secoli la storia dell’uomo è stata notevolmente influenzata dalla possibilità di poter disporre di carbone per le varie attività.

Il carbone è stato usato sin dai tempi dell’uomo primitivo prevalentemente per scopi di riscaldamento. Gli archeologi hanno trovato tracce di un suo utilizzo in Inghilterra da parte dei Romani tra il 100 e il 200 a.C..

I cinesi, che attualmente sono i maggiori produttori e consumatori di carbone, mille anni prima della nostra era lo usavano per cuocere la porcellana.

A partire dalla seconda metà del 1700, il carbone è divenuto il combustibile simbolo della rivoluzione industriale, perché fu proprio nel 18° e nel 19° secolo che la richiesta di carbone subì un rapidissimo incremento, spinto dall’introduzione della macchina a vapore nel sistema produttivo.

Il carbone veniva anche utilizzato per produrre gas che a sua volta era impiegato per l’illuminazione delle città, fino all’avvento dell’elettricità.

Ad oggi il carbone provvede a coprire il 25% della domanda di energia primariaenergia primaria
Energia riferita direttamente al combustibile impiegato nelle centrali di produzione elettrica. È definita primaria perché deriva direttamente dallae caratteristiche della fonte, così come si trova in natura, senza trasformazioni in nessun'altra forma.
nel mondo e il 40% della produzione elettrica (fonte WCI) e secondo l’IEA il suo impiego nell’ambito della “power generation” nei prossimi 2 decenni crescerà di più in termini assoluti rispetto alle altre fonti primarie (soprattutto a causa della domanda di Paesi emergenti come Cina e India).

Circa il 13% del carbone estratto viene impiegato nelle acciaierie e la produzione globale di acciaio è per il 70% dipendente dal carbone.

Il carbone, oltre ad essere la prima fonte energetica per produrre elettricità nel mondo con le centrali termoelettriche, viene utilizzato per produrre ferro e acciaio, cemento e combustibili per il trasporto o altri sottoprodotti come solventi o plastiche. Altri importanti utilizzatori di carbone sono le cartiere, le raffinerie di alluminaallumina
Materiale ceramico che ha formula chimica Al2O3. L'allumina presenta ottime caratteristiche di isolamento termico, elettrico, di resistenza all'usura e di resistenza alla corrosione. Tali proprietà la rendono adatta ad un'ampia gamma di applicazioni per esempio in campo elettronico, meccanico e biomedico.
, le industrie chimiche e persino farmaceutiche. Lo sapevate infatti che il sapone, l’aspirina, le tinture, i cosmetici, i filtri per purificare l’aria e/o l’acqua, contengono carbone o sottoprodotti derivatiderivati
Prodotti finanziari il cui valore deriva dall'andamento del valore di una determinata attività (definita "sottostante del prodotto derivato"). I derivati vengono utilizzati principalmente con finalità di copertura dal rischio oppure con finalità di speculazione (intesa nel senso di esposizione ad un rischio per ricavare profitto).
dalla lavorazione del carbone?

RISERVE E GEOPOLITICA

Agli attuali ritmi di produzione le riserve provate di carbone sono stimate durare intorno ai 150-200 anni, un lasso di tempo che può ulteriormente prolungarsi con il miglioramento delle tecniche di esplorazione di giacimenti e di estrazione, permettendo così di sfruttare giacimenti che magari attualmente non sono considerati a causa dei costi elevati.

Tra i combustibili fossili il carbone è il più diffuso e meglio distribuito sul Pianeta; giacimenti importanti di carbone, infatti, sono presenti in 70 Paesi ed in tutti i Continenti (con le riserve più consistenti in USA, Russia, Cina e India), in aree diverse da quelle in cui sono invece concentrati gli idrocarburiidrocarburi
Composti chimici formati da carbonio e idrogeno che costituiscono il petrolio e il gas naturale. Esistono diverse classificazioni degli idrocarburi a seconda dei legami chimici presenti nelle molecole.
(prevalentemente Medio Oriente ed ex-Unione Sovietica). 

Il commercio internazionale di “steam coal” è diviso in 2 regioni: quella Atlantica, che principalmente vede Colombia, Russia e Stati Uniti fornire il carbone ai paesi Europei, Nord Africani e bacino Mediterraneo e quella Pacifica in cui hanno luogo il 60% delle transazioni globali di carbone soprattutto dalla Russia, Australia e Indonesia verso i paesi Asiatici.

I SISTEMI DI ESTRAZIONE E DI TRASPORTO DEL CARBONE

Le operazioni precedenti all’estrazione prevedono una serie di attività di esplorazione che implicano una mappatura geologica dell’area e approfondite indagini geochimiche e geofisiche sulla natura delle riserve per valutarne la fattibilità economica.

In base alla sua collocazione nel sottosuolo, il carbone può essere estratto da miniere sotterranee (“underground mining”, generalmente più oneroso e pertanto adatto a carboni più pregiati come l'antracite ed il “coking coal”) o da miniere a cielo aperto (“surface mining” che riguarda la maggior parte del carbone estratto ed utilizzato per produrre elettricità “steam coal”).

Trasporto del carboneL’underground mining è impiegato quando il carbone si trova in profondità nel sottosuolo (talvolta anche diverse centinaia di metri) ed ha quindi costi più elevati (per motivi legati ad una maggiore complessità delle operazioni di estrazione) rispetto al surface mining. Quest’ultimo è impiegato quando il giacimento di carbone è relativamente vicino alla superficie e lo strip ratio (rapporto fra lo strato di terreno e roccia sovrastante da romuovere -overburden- e lo spessore del filone soggiacente - seam-) non è eccessivo. Tale tecnica di coltivazionecoltivazione
Insieme delle attività che consentono l'estrazione di idrocarburi (petrolio o gas naturale) dai giacimenti.
mineraria permette di recuperare quantitativi maggiori di carbone rispetto all’underground mining. Per poter procedere all’estrazione, si asporta o si fa esplodere lo strato di terriccio o di roccia sovrastante e, quando il carbone “viene alla luce”, lo si estrae con escavatori.

Il carbone così prodotto è successivamente trasportato negli impianti dove subisce tutta una serie di trattamenti più o meno complessi per eliminare le impurità (processo di lavaggio), per frantumarlo in pezzi più piccoli e maneggevoli, migliorando così la qualità complessiva e riducendo le sostanze inquinanti.

I sistemi di trasporto del carbone dipendono fondamentalmente dalla distanza da coprire. Per le brevi distanze il carbone viene trasportato mediante nastri trasportatori o camion mentre per le distanze più lunghe generalmente si impiegano treni o navi. Sistemi alternativi prevedono l’aggiunta di acqua per trasportare il carbone sottoforma di slurry (una sorta di fanghiglia semisolida) attraverso delle tubazioni. In certi casi, quando le miniere si trovano a notevole distanza dalla costa, i costi dovuti al trasporto interno ferroviario da miniera a porto di caricazionepossono arrivare ad incidere per il 70% sul costo finale del carbone.

Quasi tutto il commercio internazionale del carbone avviene con trasporto via mare (è infatti una delle principali merci trasportata per vie marittime) e questo è un fattore importante anche ai fini della salvaguardia ambientale, perché il carbone è un combustibile “non esplosivo e non velenoso” e qualora versato in mare non produrrebbe danni ambientali rilevanti, diversamente dagli idrocarburi. Questa è anche una delle principali ragioni per le quali, spesso, le centrali termoelettriche che lo utilizzano per produrre l’elettricità sono spesso localizzate sulle aree costiere, dove vi è altresì maggiore disponibilità di acqua per il raffreddamento degli impianti di combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
.

IL CARBONE NEL MONDO ED IN ITALIA

I top 10 produttori di carbone al mondo sono distribuiti su tutti i continenti, anche se più della metà è concentrata in Cina e India:

 

PRINCIPALI PRODUTTORI DI CARBONE 2017

(Fonte: Key World Energy Statistics - IEA -2018 Edition) 

Paese

produttoreproduttore
Secondo quanto stabilito dal decreto legislativo n. 79/99, il produttore è la persona fisica o giuridica che produce energia elettrica indipendentemente dalla proprietà dell'impianto.

TM

(in migliaia)

     %  

 

Cina 3.376 44,70
India 730 9,70
USA 702 9,30
Australia 501 6,60
Indonesia 488 6,50
Russia 387 5,10
Sudafrica 257 3,40
Germania 175 2,30
Polonia 127 1,70
Kazakistan 106 1,40
Altri 700 9,30
Totale mondiale        7.549

Il più grande mercato del carbone si trova senza dubbio in Asia: in questa area (soprattutto in Cina) si concentra il 54% del consumo globale di questa risorsa, sia per quanto riguarda il cosiddetto “steam coal” (cioè il carbone impiegato per generare elettricità), che per il “coking coal” (cioè il carbone normalmente impiegato nella produzione dell’acciaio).

Il carbone ha un ruolo importante nel mondo sia come fonte primaria energetica (26%) ma soprattutto è la fonte principale di generazione elettrica (38% del fabbisogno elettrico mondiale). 

 

CONSUMO MONDIALE DI ENERGIAENERGIA
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
PRIMARIA 2016 (13.761 Mtoe)

CONSUMO MONDIALE DI ENERGIA PRIMARIA 2016

 

FONTI PER LA GENERAZIONE ENERGIA ELETTRICAENERGIA ELETTRICA
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
MONDO 2016 (25.082 TWh)

FONTI PER LA GENERAZIONE ENERGIA ELETTRICA MONDO 2016

 

EVOLUZIONE 1985-2017: GENERAZIONE ENERGIA ELETTRICA MONDIALE - PER FONTE

EVOLUZIONE 1985-2017: GENERAZIONE ENERGIA ELETTRICA MONDIALE PER FONTE

 

Nel fuel mix elettrico italiano il ruolo del carbone è molto inferiore al livello mondiale ed a quello europeo, attestandosi intorno al 10-11%. 

FUEL MIX 2016 - 2017 ITALIA

(Fonte: TERNA)

FUEL MIX 2016-2017 ITALIA


 

 

 

Se vuoi approfondire...

Clean Coal Technologies


Cattura e sequestro CO2

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Approfondimento: The Role of Coal in the present and the future European power mix

 

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