Energipedia - Tutto sull'EnergiaEnergipedia - Tutto sull'EnergiaFonti per generazione elettricaCombustibili FossiliCarbone

Carbone

    Come si forma il carbone e quali sono i suoi campi d’impiego?

    CarboneIl carbone fossile è una roccia sedimentaria composta prevalentemente da carbonio, idrogeno 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 organico ha subito delle trasformazioni chimico-fisiche sotto alte temperature e pressioni. Attraverso il lungo processo di carbonizzazione che definisce il grado di maturazione del carbone (rango), questo fossile può evolvere dallo stato di torba a quello di antracite, 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 calorifico, 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 ègrave; 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 coke, 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 &eegrave; 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 primaria 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 allumina, 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 derivati 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 idrocarburi (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 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 ad esempio 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 rimuovere – overburden – e lo spessore del filone soggiacente – seam) non è eccessivo. In genere tale tecnica di coltivazione 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) frantumarlo in pezzi più piccoli e maneggevoli, migliorarando 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 alporto di caricazione possono 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 le centrali termoelettriche che lo utilizzano per produrre l’elettricità sono spesso localizzate su aree costiere, dove vi è altresì maggiore disponibilità di acqua per il raffreddamento degli impianti di combustione. Questo fatto permette altresì di avere un minore impatto sul territorio (eventualmente dovuto al trasporto del combustibile all’interno di un Paese) ed una migliore distribuzione degli impianti in presenza di estensioni costiere estese.

    Il carbone nel mondo ed in Italia

    Fonte: 2018 Key World Energy Statistics – International Energy Agency (IEA)

     

    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:

    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).

     

     

     

     

    Fonti di energia primaria mondo (Fonte: 2018 Key World Energy Statistics – International Energy Agency (IEA)

     

    Fonti per generazione elettrica mondo (Fonte: 2018 Key World Energy Statistics – International Energy Agency (IEA)

     

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

    Fuel mix Italia 2016 e 2017 (Fonte: Terna)
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