ORIGINE

Storia economica. Il carbone diventa una risorsa importante con la rivoluzione industriale in Inghilterra del Settecento, il fattore trainante dello sviluppo economico. Il carbone veniva utilizzato in particolare per il riscaldamento domestico, purtroppo ad oggi viene ancora utilizzato per questo scopo in alcune parti del mondo. A questo uso del carbone è legata la tragedia del 1953-54 di Londra nella quale morirono migliaia di persone a causa dello smog (smoke-fog, fumo-nebbia). Fino agli anni ’90 la regina Elisabetta regalava carbone alle classi meno abbienti perché era un bene di consumo importante. Il carbone veniva utilizzato nelle industrie in qualità di materia prima, come quella del vetro. Ad un certo punto il petrolio per i vantaggi che possiede viene preferito al carbone. Il ventesimo secolo è il secolo del petrolio, che dopo il declino del carbone diventa la fonte energetica per antonomasia.

È importante conoscere la storia geologica del carbone per due motivazioni, la prima perché è da questa che è dipesa la “democratizzazione” della risorsa, la seconda perché ci permette di conoscere le sue caratteristiche strutturali e quindi il suo valore ed il suo impiego.

Il carbone è legato all’era geologica del carbonifero (300-350 milioni di anni fa), deriva dalle trasformazioni biochimiche di biomasse vegetali (fermentazione batteriche delle lignine e della cellulosa), è essenzialmente legno trasformato ottenuto dalla degredazione nel tempo di lignine e cellulosa, che successivamente subisce delle trasformazioni fisiche ad alte pressioni e temperature che determinano la carbonizzazione delle biomasse.

Le foreste nell’era del carbonifero erano particolarmente diffuse e vi era una situazione atmosferica completamente diversa dall’attuale con molta anidride carbonica e vapore acqueo. La fotosintesi è una reazione con delle rese molto basse (schifo dal punto di vista dell’efficienza), ma le rese moltiplicate per la quantità di reazioni ha fatto sì che ci fosse molta energia e quindi biomassa in gioco, dalla quale è stato ottenuto il carbone. Infatti bruciare carbone e bruciare legna da un certo punto di vista è la stessa cosa.

Durante la fase di trasformazione fisica e di sprofondamento, queste sostanze si ummificano assorbendo ciò che è attorno nell’ambiente, questo si riververà nella composizione finale del carbone che conterrà più o meno certi metalli e certi composti radioattivi.

CLASSIFICAZIONI

La classificazione più usata vede il carbone diviso in due macrocategorie:

• Carboni fossili (hard coal) che a sua volta comprende antracite (era Primaria) e litantrace (era Secondaria). I carboni di nostro interesse.

• Carboni lignitici (Brown coal), che sono ancora legno, che a sua volta comprende ligniti (era Terziaria) e torbe (era Quaternaria).

La classifica segue l’ordine cronologico della formazione del carbone, ci sono carboni più giovani (le torbe), carboni meno giovani (ligniti) ed i carboni fossili che hanno impiegato moltissimo tempo per formarsi. La torba è un carbone poco carbone perché ha contenuti d’acqua molto elevati, viene utilizzato normalmente nel settore florovivaistico come avviene in Irlanda.

Più lungo è il tempo di formazione del carbone è meno acqua conterrà al suo interno e più alta sarà la concentrazione di carbonio. Il tenore di carbonio incrementa nel tempo aumentando di conseguenza il potere calorifico del carbone. Il carbone per antonomasia è il Litantrace, invece l’antracite è di difficile utilizzazione e e si trova in qauntità ridotte.

Una classificazione alternativa, dalla quale vengono escluse le torbe, vede il carbone diviso in:

• Litantraci bituminose e antraciti, che hanno un maggior potere calorifico e maggiore tenore di zolfo

• Litantraci sub-bituminose e ligniti, che hanno un minor potere calorifico e minore tenore di zolfo.

Classificazione elementare:

Il carbonio ha un andamento crescente, invece gli altri elementi hanno un andamento oscillante (idrogeno, ossigeno, azoto). I carboni sono descritti con i termini “secchi” e “grassi”, “fiamma lunga” e “fiamma corta”. Molte sostanze volatili comportano una fiamma lunga, viceversa una fiamma corta.

CARATTERISTICHE MERCEOLOGICHE DEL CARBONE

1. Potere calorifico 2. Percentuale d’acqua presente 3. Sostanze volatili 4. Tenore di ceneri 5. Tenore di idrogeno 6. Tenore di zolfo

1. Attitudine a produrre coke di qualità

La percentuale d’acqua è un problema perché diminuisce il potere calorifico del carbone. Il carbone deve essere privo di acqua, alcuni parametri vengono calcolati in assenza d’acqua per confrontare alla pari gli stessi carboni fossili.

Le sostanze volatili sono le sostanze che distillano dal carbone sottoposto a riscaldamento in assenza di ossigeno, se ci fosse l’ossigeno parleremmo di combustione. La loro completa espulsione avviene a circa 900°C. Questo processo si chiama anche distillazione secca del carbone o cokizzazione.

Tenore di ceneri. Una volta avvenuta la combustione ciò che rimane sono le ceneri. Le ceneri riducono il potere calorifico perché il peso reale del carbone è inferiore. È importante conoscerne il tipo di impurezze cioè la composizione delle ceneri per capire ad esempio qual è l’impiego più opportuno del carbone. Vanadio o nichel, dato che sono elementi metallici ad azione catalizzante modificano i prodotti della combustione. Mentre uranio, berillio, mercurio sono elementi ad azione tossica che incidono sulla qualità delle emissioni. Quanto più puro è un prodotto tanto più avrà valore, la depurazione necessità di tempo e denaro.

Un altro residuo, oltre le ceneri, è quello delle sostanze volatili. La differenza tra il residuo da sostanze volatili e le ceneri prende il nome di carbonio fisso, che è un parametro importante per la valutazione della qualità del carbone.

Tenore di zolfo. Lo zolfo origina emissioni nocive di SO2 durante la combustione. E’ presente in percentuali variabili da quasi 0% fino al 15% ed oltre. Secondo la legislazione italiana, il tenore massimo di zolfo nei carboni utilizzati nelle centrali termoelettriche non può superare 1%.

Il carbone viene utilizzato per la produzione di energia elettrica e per la produzione di acciaio (industria sierurgica). Al tal fine il carbone di interesse è il carbon cook, il residuo solido della distillazione secca. Il coke di qualità deve essere non polverulento (carbone magro), con una buona resistenza meccanica alla compressione e adatto per l’utilizzazione negli altoforni.

Il carbon coke deve essere capace di impastarsi bene con i materiali presenti (non essere polverulento) e resistere alle compressioni (potere agglutinante). Il carbon coke una volta riscaldato aumenta di volume diventando più poroso (potere cokificante). Per ottenere buon coke il carbone deve avere un elevato potere agglutinante e un basso potere cokificante.

Un buon coke deve avere bassa umidità, basso tenore di sostanze volatili e basso tenore di ceneri.

Numeri di codice previsti dall’ISO per la classificazione dei carboni fossilli, utilizzata per individuare il carbone migliore per la destinazione d’uso.

La prima cifra può assumere i valori della classe 1-5 che si riferiscono alle sostanze volatili se ≤ 33%, oppure della classe 6-9 che si riferiscono al potere calorifico se le sostanze volatili sono

Con una percentuale di sostanze volatili tra 28% e ≤ 33% siamo sicuri di essere in presenza di un carbone fossile, con una parcentuale che va oltre il 33% abbiamo dei carboni di bassa qualità

(ligniti). Il potere calorifico va da quasi 8 mila kcal a poco più di 5 mila kcal, un range nel quale rientrano sempre dei carboni fossili.

La seconda cifra può assumere i valori del gruppo 0-3 e si riferisce al potere agglutinante. Maggiore è il potere agglutinante, maggiore è la capacità del carbone di impastarsi e resistere alle compressioni, maggiore sarà la disponibilità del carbone alla trasformazione in carbon coke.

La terza cifra, sottogruppo 0-5, si riferisce al potere cokificante. Più elevato è il potere cokificante più il carbone si ingrandisce e più poroso diventa, diminuisce l’attitudine del carbone a diventare carbon coke.

Esempio. Un carbone 522 indica un carbone fossile con una certa volatilità, 2 ha un buon potere agglutinante (considerando che 3 è il massimo), 2 ha un potere cokificante basso, quindi è un buon compromesso come carbone.

Esempio. Un carbone 100 significa un carbone con poche sostanze volatili e un ottimo potere calorifico, ma con un basso potere agglutinante e in compenso un basso potere cokificante. Da questo carbone potremo ottenere un coke buono per quanto riguarda la porosità ma estremamente polverulento (basso potere agglutinante).

Una litantrace magra a corta fiamma ha molto carbonio e quindi elevato potere calorifico, basso contenuto di sostanza volatili ma magro cioè polverulento.

METODI ESTRATTIVI E TRASPORTO

Esistono diversi modi per estrarre il carbone, i due metodi più importanti sono due.

Il primo è l’estrazione da cava o dalla superficie o “strip mining”. È economicamente realizzabile se i filoni di carbone sono superficiali, entro i 50 m dalla superficie, in paesi hanno a disposizione grandi estensioni di terreno. L’esempio classico è l’Australia, grande produttrice di carbone che ha ampia disponibilità di territorio e con un carbone che si trova sottoterra a pochi metri. Siamo in presenza di cave di superficie, dalle quali si estrae un carbone di non particolare qualità perché manca la fase di vaglio. È un’estrazione a bassa intensità di manodopera ma con grossi investimenti iniziali perché vede l’utilizzo di sistemi meccanici (ruspe, scavatrici, caterpillar). Questo tipo di estrazione deve affrontare rischi minori rispetto all’estrazione da miniera ma maggiori problemi paesaggistici e ambientali.

Il secondo è l’estrazione da miniera o dal sottosuolo o “deep mining”. Può avvenire con due sistemi: sistema delle camere a pilastri o estrazione “room and pillar”, i recuperi si attestano intorno al 50- 60%; sistema dei tunnel o estrazione “longwall”, i recuperi superano il 75%. È un’estrazione ad alta intensità di manodopera con poche macchine elettriche e non da derivati fossili per sicurezza. Il problema della miniera è il grisou, miscela esplosiva di metano e polvere di carbone ed altro. Nei vari strati si trova anche del metano da carbone (coal bed methane), non è la principale fonte ma è importante.

Il carbone si trasporta poco attraverso la via ferroviaria oppure via nave, ma anche attraverso i carbodotti, tubi nei quali scorre una melma che rende possibile il trasporto dei solidi. Il costo del trasporto è elevato ed incide significativamente sul prezzo finale del carbone.

TRASFORMAZIONI DEL CARBONE E PRODOTTI

Trasformazioni del carbone e prodotti.

Il mercato del carbone è diviso in due, da una parte il carbone per l’ottenimento di carbon coke quindi industria siderugica, dall’altra parte il carbone per l’ottenimento di vapore quindi energia elettrica. Ancora oggi, purtroppo, in alcune parti del mondo il carbone è utilizzato come fonte di energia domestica per il riscaldamento.

DISTILLAZIONE SECCA O COKIZZAZIONE

La trasformazione più importante è la distillazione secca o cokizzazione perché è grazie a questa che otteniamo il carbon coke ed una serie di sottoprodotti ottenuti dalla purificazione del carbone che vanno ad alimentare diversi settori industriali. In questo caso il carbone viene utilizzato come materia prima e non come materia energetica.

Dalla cokizzazione ottieniamo attraverso il riscaldameno del carbone ad elevate temperature, senza che avvenga la ocmbustione, il carbon coke, che è essenzialmente un residuo, e il gas illuminante, una miscela di sostanze volatili utilizzata per illuminare le strade che rappresenta il vero prodotto della cokizzazione e che ad oggi ha meno rilevanza. Questo è un esempio di processo produttivo nel quale il prodotto principale è diventato prodotto secondario, mentre il prodotto ottenunto come scarto è diventato il motivo per cui eseguire le reazioni necessarie al processo.

Il gas illuminante o gas di cokeria è composto da idrogeno metano ossido di carbonio anidride carbonica azoto Dal punto di vista energetico la sua composizione è interessante perché contiente percentuali di idrogeno e di metano che avendo un elevato potere calorifico conferiscono al gas illuminato un potere calorifico non trascurabile seppur inferiore ai carboni fossili. A seconda della sua composizione percentuale avrà più o meno potere calorifico, che infatti può essere compreso tra 4’250 e 4’800 kcal/m kJ/m3).

Della cokizzazione è importante l’ottenimento di prodotti ma anche di sottoprodotti. ALraverso la depurazione con l’acqua otteniamo l’ammoniaca dalla quale si ottiene solfato ammonico, fondamentale per l’industria dei fertilizzanti. ALraverso la desolforazione ottieniamo l’acido solfidrico da cui ricaviamo zolfo, importante per vari settori industriali anche quello dei fertilizzanti. ALraverso la depurazione con olio di catrame otteniamo catrame greggio ed altri prodotti. Altri prodotti della cokizzazione sono il beneze, il toluene ecc.

GASSIFICAZIONE

Un’altra trasformazione interessante è la gassificazione, che ha l’obiettivo di purificare il carbone. Dalla gassificazione otteniamo gas d’aria, gas d’acqua e gas misto (o di sintesi). Il gas d’aria deriva dalla reazione del carbone con l’aria, costituita da ossigeno e azoto, dalla quale si ottiene monossido di carbonio e azoto. Il gas d’acqua deriva dalla reazione del carbone con il vapore acqueo, che contiene ossigeno e idrogeno, dalla quale si ottiene una miscela contente l’idrogeno. L’idrogeno (H₂) può essere ottenuto a partire dal carbone attraverso la gassificazione.

È interessante conoscere il potere calorifico di questi gas in particolare del gas d’acqua. Fondamentalmente però non sono ad oggi reazioni destinate all’ottenimento di combustibili, sostanze che ci forniscono energia elettrica.

Il gas misto è un insieme dei due prodotti visti primi, gas d’aria e gas d’acqua, e per questo motivo è costituito da azoto e idrogeno. Il gas misto è importante perché azoto e idrogeno sono contenuti al suo interno nella giusta proporzione stechiometrica per l’ottenimento dell’ammoniaca grazie alla sintesi di Haber-Bosh. L’ammoniaca ha cambiato la storia dell’agricoltura del ventesimo secolo perché i fertilizzanti azotati derivano sostanzialmente da questa molecola.

ALTRE TRASFORMAZIONI

Il gas di sintesi ottenuto dai gassificatori (gassificazione del carbone), può successivamente venire trasformato in metano (methan shiS) utilizzando opportune condizioni di reazione (sotto pressione e in presenza di catalizzatori a base di nichel). C’è un legame molto forte tra metano e carbone, infatti, oltre ad essere ottenibile da questa sintesi, come gà detto il metano si trova in quantità variabili nelle miniere sottoforma di esalazioni.

La liquefazione è una trasformazione che ci permette di ottenere idrocarburi liquidi (es. benzine) a partire dal carbone, tipica del Sudafrica che è particolarmente ricco di carbone e non di petrolio. Non è detto che questo sia conveniente, dipende dal prezzo del carbone e del prezzo dei derivati petroliferi, spesso è solo una questione legata al fatto che un paese che possiede in abbondanza quella risorsa tenderà ad utilizzarla per soddisfare i propri fabbisogni.

L’estrazione con solvente è uno dei processi attravero il quale può avvenire una buona desolforazione del carbone, dato che uno dei problemi del carbone è il contenuto di zolfo. Vale la pena se i costi non sono particolarmente eccessivi. Esistono diversi metodi per desolforare, quelli più semplici sono quelli di tipo meccanico che avvengono a bocca di miniera, cioè quando la presenza di zolfo è legata soprattutto al minerale chiamato pirite, che può essere facilmente separato dal carbone. Maggiore è la compenetrazione dell’impurezza maggiore saranno le difficoltà e quindi il costo.

Parlare di desolforazione sia nel caso del carbone che del petrolio e gas, significa parlare di processi di desolforazione diversi che portano a risultati diversi sostenendo costi diversi, dipenderanno sostanzialmente da quanto lo zolfo è legato alla matrice dalla quale si vuole eliminare.

Talvolta la gassificazione può avvenire sul luogo di estrazione, è il caso della gassificazione in situ. È un processo utilizzato in giacimenti difficilmente sfruttabili con le tecniche tradizionali a causa di particolari condizioni geologiche o della qualità scadente della risorsa (ligniti a basso potere calorifico o ricchi di zolfo). Non vale la pena estrarre il carbone e poi gassificare. La gassificazione è il metodo che abbiamo in generale per rendere meno impattante il carbone fossile.

METODI DI RIDUZIONE DELL’IMPATTO AMBIENTALE DEL CARBONE

La problematica dell’inquinamento da carbone fossile non è unicamente collegata alle emissioni di CO₂, per questo motivo vengono utilizzate diverse strategie lungo il ciclo di vita del carbone per rendere meno problematico il suo utilizzo. Un primo metodo è il petrattamento del carbone, che consiste in una riduzione del tenore di zolfo nel minerale con metodi meccanici, fisici e chimici (es. estrazione con solvente). È possibile ridurre le emissioni prendendo degli accorgimenti che migliorano l’efficienza delle reazioni durante il processo di combustione per l’ottenimento dell’energia elettrica Possiamo agire a valle del processo trattando i fumi, cioè abbattendo le sostanze nocive dai fumi. La cattura e lo stoccaggio del carbonio è un classico esempio di intervento alla fine del processo, a livello di fumi (problema a livello di costi e di cattura, non di tecnologia e stoccaggio).