Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di Impatto ambientale
Modulo b) Aspetti energetici
prof. ing. Francesco Asdrubali
a.a. 2007/08
Combustibili fossili e nucleari
COMBUSTIBILI FOSSILI
In senso stretto andrebbero identificati come combustibili
fossili i soli combustibili solidi, generati con processo
chimico-fisico di pietrificazione o fossilizzazione
Nella corrente accezione ingegneristica del termini
vengono compresi anche gli idrocarburi
- SOLIDI
- LIQUIDI
- GASSOSI
Risorsa non rinnovabile
CARBONE:
sostanze complesse ad alta massa molecolare di origine organica, contenenti
carbonio, idrogeno, azoto, zolfo, ossigeno; minerali quali pirite, argilla, calcite
I carboni fossili derivano da ammassi di piante decomposte sotto elevate
pressioni e temperature e grazie all’ausilio di microrganismi speciali
C6 H10O5 n
eliminazione di O e H cellulosa, rimane il C
AUTOCTONI
CLASSIFICAZIONE DEI CARBONI
ALLOCTONI
Torba
Palustre
Erbacea
Marina
Lignite
Torbosa
Xiloide
Picea
ETA’
Magro
Litantrace
Grasso
Antracite
• CLASSIFICAZIONE ASTM
•
•
•
•
CLASSE I
CLASSE II
CLASSE III
CLASSE IV
carboni antracitici
carboni bituminosi
carboni sub bituminosi
carboni lignitici
ETA’
Variazione della composizione e delle proprietà
del carbone con l’età
ANALISI DEI CARBONI:
- APPROSSIMATE
(QUALITATIVE/ QUANTITATIVE)
- DI LABORATORIO
volte a determinare il contenuto di acqua, ceneri, componenti
volatili, carbonio, H, S, N, O, ecc.
AS MINED
appena estratto
AS RECEIVED appena ricevuto
AS BURNT
appena bruciato
Umidità: varia dal 30% e oltre nelle torbe al 5% e meno
nelle antraciti;
Ceneri: ricche di silice, allumina, calcio, ferro, sodio,
potassio, magnesio. Sono un materiale inerte, ma se
hanno punto di fusione inferiore a 1300°C possono
formare scorie fluide
Zolfo: di natura organica o inorganica, durante la
combustione si trasforma in anidride solforosa
Sostanze volatili: sono i prodotti che si liberano come
gas e vapori per riscaldamento dei carboni ad alta
temperatura
SO2
COMBUSTIONE DEL CARBONE
NOx
CO
CO2
particolato
ceneri
Preparazione del combustibile
Controllo del particolato, CO; NOx, SOx
Smaltimento ceneri
Composizione e proprietà dei diversi tipi di carbone
Combustione a letto fluido
TRASPORTO DEL CARBONE
MARITTIMO
SUL TERRITORIO
SLURRY
costi elevati
FERROVIA
130 – 140 L/t
CHIATTE
210 – 260 L/t
AUTOCARRO
260 – 290 L/t
NASTRI TRASP. 150 – 180 L/t
SLURRY
180 – 230 L/t
Idrocarburi Composti da carbonio e idrogeno
Origine: Trasformazione di sostanze organiche di origine animale e
vegetale (naftogenesi) raccoltesi in formazioni sedimentarie
Giacimenti petroliferi
Roccia madre (di natura argillosa)
Roccia serbatoio (porosa)
Roccia di copertura (impermeabile)
Estrazione del petrolio
l petrolio greggio si presenta come un liquido viscoso più o
meno colorato ed è costituito da una miscela di idrocarburi
con piccole percentuali di acqua, composti ossigenati,
azotati, e solforati ed impurità quali sabbia
• Valore del greggio :
• Costo di trasporto dal luogo di origine
• Densità
• Tenore di zolfo
• La densità, si misura in gradi API (American Petroleum
Institute), su una scala che va da meno di 10 a oltre 50.
Maggiore è il grado API e minore è la densità. Un
greggio meno denso viene definito leggero. Su questa
base i greggi si dividono in pesanti, con un grado API
inferiore a 22, medi tra i 22° e 34° e leggeri da 34 gradi
API in poi. I greggi leggeri sono i più pregiati, mentre
quelli pesanti sono i meno pregiati.
• Anche per quanto riguarda il contenuto di zolfo i greggi
vengono suddivisi in tre categorie: sweet (zolfo inferiore
allo 0,5% del peso), medium sour (tra 0,5% e 1,5%) e
sour (maggiore di 1,5%). Un minor contenuto di zolfo è
indice di una maggiore qualità del greggio e di un
maggior valore
Raffinazione del petrolio
resa in frazioni leggere: 15-20%
resa in frazioni medie: 30-50%
gas condensabili: GPL
Proprietà dei prodotti petroliferi
Composizione e proprietà dei diversi tipi di
combustibili liquidi
Prezzi del petrolio
Gas naturale: miscela di idrocarburi saturi alifatici
(paraffine)
Metano: gas inodore, incolore, più leggero
dell’aria, insolubile in acqua.
Temperatura critica: - 82,6 °C;
temperatura di ebollizione alla Patm: -161,5°C.
Proprietà dei combustibili fossili gassosi
Distribuzione di gas naturale in Europa
Distribuzione di gas naturale in Italia
Alta pressione: > 0,5 MPa
Media pressione: 0,05-0,5 MPa
Bassa pressione: <0,05 MPa
1986
2006
Il ruolo della rigassificazione
il ruolo crescente del GNL nel mercato internazionale del
gas naturale
il ruolo crescente del GNL nel
mercato internazionale del gas
naturale
COMBUSTIBILI NUCLEARI
RADIOATTIVITA’ NATURALE
alcuni nuclei tendono a “decadere”, ossia a trasformarsi in elementi a
configurazione più stabile, con emissione di particelle e/o radiazioni
tempo di dimezzamento
Becquerel (Bq) = 1 disintegrazione al secondo
Curie (Ci)
1 Ci = 3,7 x 1010 Bq
RADIOATTIVITA’ INDOTTA = conferimento di protoni o neutroni
Plutonio non esiste in natura
239
tende a decadere
composizione atomica Uranio naturale
U238
99,274%
U235
0,72%
arricchimento dell’Uranio
U234
0,0006%
Reazione nucleare di fissione:
235 U + n
2PF + 2,5 n + 200 MeV
FISSILE
MATERIA
FERTILE
subisce direttamente la
rezione di fissione
può diventare fissile attraverso
successive trasformazioni
FISSILE U235, Pu239
U235
92 protoni
143 neutroni
U238
94 protoni
145 neutroni
isotopo più stabile dell’uranio: U238
Reazione nucleare di fissione:
ARRICCHIMENTO URANIO 235
-Separazione elettromagnetica
- diffusione in mezzi porosi
- forza centrifuga
NEUTRONI VELOCI
generati reazione fissione
NEUTRONI LENTI O TERMICI (2-3.000 m/s)
rallentati da un moderatore probabilità 200 volte
superiore che avvenga la reazione di fissione
supercritica + di 1 neutrone
Reazione
controllata
1 neutrone incontra 1 nucleo fissile
sottocritica – di 1 neutrone
Reazione nucleare di fissione:
• MODERATORI FORTI
• (acqua)
arricchimento U235
• MODERATORI DEBOLIva bene contenuto naturale
• (grafite)
• ASSORBITORE
• REFRIGERANTE