IL CARBONE
lI carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile o roccia sedimentaria estratto in miniere sotterranee o a cielo aperto. La formazione del carbone risale a circa 300 milioni di anni fa, quando un clima caldo e umido e un’elevata concentrazione di CO2favorirono la crescita di alberi giganti: la loro morte (favorita da inondazioni) e la successiva degradazione, assistita da funghi e batteri, hanno portato a quelli che conosciamo come carboni fossili.
È un combustibile pronto all’uso, formatosi entro rocce sedimentarie di color nero o bruno scuro; composto principalmente da carbonio, tracce di idrocarburi, oltre a vari altri minerali accessori assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. L’inizio del suo massiccio sfruttamento è spesso associato alla Rivoluzione Industriale, ancor oggi il carbone rimane un carburante assolutamente importante, e un quarto dell’elettricità di tutto il mondo viene prodotta usando il carbone. Negli Stati Uniti circa la metà dell’elettricità è generata dal carbone. In Italia la quota è del 17%. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto, quali le locomotive e riscaldamento di edifici. Dal carbone si può ottenere il carbone attivo usato in chimica. Dal lavaggio del gas di carbone si ottiene inoltre come sottoprodotto il catrame di carbone.
LA FORMAZIONE
Il carbone è composto per più del 50% del suo peso, e più del 70% del suo volume da materiali carboniosi. Il carbone è il risultato della trasformazione di resti vegetali che sono stati compressi, alterati chimicamente e trasformati, da calore e pressione, nel corso dei tempi geologici. Dalle osservazioni paleontologiche, stratigrafiche e sedimentarie si è concluso che il carbone si sia formato prevalentemente a partire da piante cresciute in ecosistemi paludosi. Quando queste piante morirono, la loro biomassa si depositò in ambienti subacquei anaerobici, nei quali il basso livello di ossigeno presente prevenne il loro decadimento, impedì l’ossidazione, la decomposizione e rilascio di biossido di carbonio. La nascita e la morte di generazioni successive di piante formarono spessi depositi di materia organica lignea 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 dei depositi di carbone, attualmente conosciuti nel mondo, è il Carbonifero (fra i 280 e i 345 milioni di anni fa), l’era che vide l’esplosione della vita vegetale sulla terraferma e che ha preso il nome proprio per l’abbondanza di questi giacimenti originatisi rinvenibili entro formazioni geologiche appartenenti a questo periodo.
L’ESTRAZIONE
Il carbone può essere estratto, a seconda della profondità del giacimento, in cave, quando si trova in superficie, o in miniere, quando si scava nel sottosuolo. Nel primo caso, nei cantieri a cielo aperto che possono superare i 100 metri di profondità, si impiegano escavatori a pale, con benne che hanno la capacità di molti metri cubi. La coltivazione, cioè lo sfruttamento del giacimento, si esegue con lo sbancamento dello strato superficiale, sgretolando il terreno con mine e creando gradoni concentrici alti dai 10 ai 20 metri. Questi sono percorribili da autocarri di grande portata, capaci di superare grosse pendenze e di trasportare il materiale sterile rimosso per raggiungere i filoni produttivi. Se, il giacimento si trova a profondità molto elevate, diventa + economico eseguire l’estrazione in sotterraneo scavando pozzi verticali e gallerie di collegamento orizzontali. Nella miniera devono esistere due distinte vie di comunicazione fra la superficie e l’interno, per permettere la circolazione dell’aria e la possibilità di uscita in caso di emergenza.
Il minerale viene trasportato nelle gallerie entro vagoncini trainati su binario da locomotori elettrici o con motori diesel o mediante i sempre più diffusi nastri trasportatori che lo portano in superficie. Qui viene caricato sulle ferrovie. Nonostante le tecnologie di sicurezza molto evolute, il lavoro in miniera è denso di pericoli: il distacco e la caduta di blocchi o le frane causano il maggior numero di vittime. Inoltre le polveri di carbone che si depositano nelle gallerie sono altamente infiammabili e possono propagare a grande distanza la loro combustione. Un’altra causa d’incidenti è costituita da un gas altamente esplosivo che si sprigiona dal carbone nelle miniere di litantrace: il grisù. Poiché può essere innescato da una scintilla, è necessario, oltre a una buona ventilazione delle gallerie, l’impiego di lampade e di materiale elettrico di sicurezza antideflagrante. Una volta estratto, il carbone viene sottoposto al trattamento di vagliature e macinazione per ottenere le pezzature richieste dal mercato; per abbattere le polveri dovute alla sua movimentazione, cioè allo spostamento del minerale dalla miniera ai luoghi di utilizzo, viene umidificato. Inoltre i depositi di carbone non devono superare i 10 metri di altezza e si proteggono dal vento che potrebbe disperdere le loro polveri nell’aria con due sistemi: l’irrorazione con acqua e la costruzione di argini alti 15 metri, coperti da filari di alberi ad alto fusto.
I TIPI DI CARBONE
La torba non è un vero e proprio carbone fossile, in quanto deriva da piante erbacee che hanno subito una trasformazione parziale. Ha un aspetto spugnoso o addirittura filamentoso e un colore scuro. Si trova in giacimenti superficiali detti “torbieri”, da cui viene estratta con una draga (macchina da scavo). Contiene molta acqua e ha un alto contenuto di ceneri. Viene usata soprattutto in agricoltura, per arricchire il suolo con sostanze ricche di humus. È leggera, spugnosa, con colorazione dal bruno chiaro al nerastro. Si è formata dalla decomposizione di vegetali in zone paludose con clima umido temperato o freddo, ma non caldo (la velocità di evaporazione dell’acqua e la decomposizione veloce e totale non consentono la formazione di torba ad alte temperature; alcune di queste zone sono la Terra del Fuoco, le Falkland, l’Islanda, la Germania, l’Olanda, l’Austria). Anche in Italia ci sono giacimenti di torba: sulle Alpi, in particolare colle del Moncenisio, passo del San Gottardo, colle del Piccolo San Bernardo, nelle valli del Brenta, del Piave, ad Alice Superiore presso Ivrea, a Iseo, Varese, Verona, Udine; alle foci di fiumi come Po, Adige,Arno, Tevere, esse ammontano a circa 36 milioni di tonnellate.
Antracite
È il carbone più antico; contiene una percentuale di carbonio pari al 90% ed ha un potere calorifico di 8500 kcal/kg. Questo tipo di carbone risale a circa 400 milioni di anni fa. Ha colore nero e lucentezza metallica, dà una fiamma corta, con poco fumo, sviluppa moltissimo calore; essendo il carbone più antico è il più ricco di carbonio, ma viene utilizzato molto poco perché assai costoso, essendo difficilmente reperibile. 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%.
Lignite
Ha un contenuto di carbonio di circa 70% e un potere calorifico di 4500-6000 kcal/kg; la sua formazione risale a circa 80 milioni di anni fa. Questo carbone presenta ancora la struttura del legno da cui ha avuto origine. I giacimenti si trovano prevalentemente in superficie e pertanto viene estratto in miniere a cielo aperto. Non è un buon combustibile e quindi economicamente poco conveniente; viene di solito utilizzata per alimentare centrali elettriche o per produrre gas, ammoniaca, petrolio sintetico. La lignite è un carbon fossile di formazione relativamente recente, originatosi da foreste del secondario e del terziario. È un sedimento fossile, organico e combustibile; si presenta con colore da bruno a nero e pertanto viene chiamato anche carbone marrone. La lignite possiede un’umidità relativa piuttosto elevata, mediamente superiore al 21% (può superare anche il 45%) e la sua carbonificazione non è mai del tutto completa, ciò ne fa un combustibile di limitato pregio. Ha un potere calorifico superiore inferiore a 24 MJ/kg, considerando la sostanza senza ceneri.
Litantrace
Il litantrace è il carbone fossile inteso nel senso vero e proprio del termine. Ha un contenuto di carbonio tra il 75% e il 90% e un potere calorifico di 7000-8500 kcal/kg; la sua formazione risale a circa 250 milioni di anni fa e si trova in strati compressi tra rocce di composizione diversa. È il carbone più diffuso in natura e il più utilizzato a livello industriale e per la produzione di energia elettrica. Da esso si ottiene anche un carbone artificiale compatto e resistente impiegato negli altiforni.
Coke
Il coke è un residuo solido carbonioso di litantrace bituminoso con bassi livelli di cenere e disolfuri, dal quale le componenti volatili siano state estratte attraverso la cottura in forno alla temperatura di 1000 °C e in assenza di ossigeno. Questo procedimento permette di fondere il carbonio fisso con le ceneri. È grigio, duro e poroso, e ha potere calorifico pari a 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 cokeria”. Il coke è utilizzato come combustibile e come agente riducente nei forni fusori dei minerali metalliferi, quindi negli altoforni; l coke è ottenuto da dei processi di raffinazione del petrolio in impianti chiamati cokerie, solitamente fan parte del complesso di un impianto siderurgico.
IMPIEGHI
Il carbone è utilizzato attualmente per la produzione di energia elettrica in alcuni settori industriali ad alto consumo energetico (fabbricazione del cemento, dei materiali da costruzione, dell’alluminio) come combustibile, e in parte è convertito in altri prodotti di cui il più comune è il coke. La produzione di energia elettrica assorbe la maggiore quantità di carbone. I fattori che potrebbero agire come vincoli nella produzione e utilizzazione del carbone sono l’impatto socio-ambientale della produzione mineraria; la produttività e sicurezza nelle miniere sotterranee; le infrastrutture di trasporto del carbone; l’impatto ambientale della sua utilizzazione relativamente alle emissioni di prodotti inquinanti e allo smaltimento delle ceneri prodotte dalla sua combustione. Circa un quarto dell’energia consumata in tutto il mondo è fornita dal carbone: il suo contributo al fenomeno delle piogge acide e dell’effetto serra (attraverso le emissioni soprattutto di biossido di zolfo e anidride carbonica rispettivamente) è molto rilevante. La combustione del carbone infatti produce molti più inquinanti di quella del petrolio o del metano (oltre agli ossidi di carbonio e zolfo, anche quelli di azoto, idrocarburi aromatici, metalli pesanti). Data la grande ricchezza in carbone del sottosuolo, risulta conveniente investire in tecnologie che rendano questo combustibile meno inquinante. Sono stati progettati metodi di abbattimento delle polveri e delle componenti acide dai fumi emessi dalle centrali: però ciò non modifica l’emissione di anidride carbonica e il contributo all’effetto serra. Il problema dell’inquinamento ambientale conseguente all’utilizzazione di carbone ad alto tenore di zolfo può essere affrontato con parecchi sistemi. Se si interviene prima della combustione, si può usare un trattamento fisico o chimico, la liquefazione e la gassificazione a basso potere calorifico; se invece si agisce durante la combustione, si utilizzano le caldaie a letto fluido; se infine l’intervento avviene dopo la combustione, il sistema messo in pratica è la desolforazione dei fumi alla ciminiera.
Una misura preventiva è l’uso di carbone a basso tenore di zolfo: è importante conoscere comunque il suo valore perché il biossido di zolfo può reagire con l’acqua di condensazione dell’impianto, dando liquidi acidi e corrosivi. Altre tecnologie in fase di sperimentazione prevedono l’uso di polvere di carbone in miscela con acqua (come possibile sostituto del petrolio) e del carbone gassificato.
TECNOLOGIA E IMPATTO AMBIENTALE:
La principale incertezza circa l’utilizzo del carbone è legata ai vincoli ambientali. In passato questi riguardavano soprattutto i limiti alle emissioni di SO2, di NOx e di polveri. I limiti sono stati ridotti drasticamente nel corso degli ultimi 20 anni, ma le emissioni di carbone rimangono alte relativamente a quelle degli impianti a ciclo combinato che impiegano gas. Negli ultimi anni, inoltre, ha assunto maggior peso il problema delle emissioni di CO2, il principale gas che causa l’effetto serra. L’implementazione della tecnologia del carbone pulito ha buone possibilità di minimizzare il rischio di investimento e di dare una maggior spinta alla domanda di carbone, in quanto migliora l’efficienza termica della produzione e dell’utilizzo e riduce le emissioni. Il carbone potrebbe continuare ad essere una fonte di generazione elettrica a basso costo compatibile con un ambiente che limita l’emissione di carbonio. In ragione della lunga vita media di un impianto di generazione a carbone e dell’alto costo della costruzione di impianti avanzati, le nuove infrastrutture potranno diventare operative solo in modo molto graduale. Utilizzando le tecnologie a disposizione e quelle in fase di sviluppo, il governo degli Stati Uniti in collaborazione con l’industria ha programmato la costruzione di un prototipo d’impianto di generazione a carbone a zero emissioni.
Fonte: Wikipedia.it