MATERIE PRIME ENERGETICHE
fonti dalle quali si ricava energia
per le attività domestiche ed industriali
 M. p. energetiche vegetali
 M. p. energetiche minerarie
legno
carbone
combustibili
fossili
nucleari
fissili
petrolio
metano
uranio
plutonio
minerali
 M. p. minerarie non energetiche
metalli
CARBONE FOSSILE
Con il termine “carbone fossile” si intende qualsiasi sostanza costituita
da resti vegetali, più o meno completamente fossilizzati in ere geologiche
lontane (Paleozoico superiore) secondo il processo di carbonizzazione
(carbogenesi), e che presenti la proprietà di combinarsi con l’ossigeno
atmosferico con reazione fortemente esotermica (produzione di calore).
In pratica, la carbonizzazione avviene per trasformazione delle sostanze
organiche originali (legno o altri vegetali) secondo un processo che è
inizialmente microbiologico e che poi prosegue, nel corso di millenni,
attraverso complesse trasformazioni con il determinante intervento di
fattori fisici, quali la pressione e la temperatura in assenza dell’azione
ossidante dell’aria.
Vi sono numerose tipologie di carboni fossili caratterizzati da
particolari proprietà fisiche e chimiche che rivestono grande importanza
ai fini della loro utilizzazione pratica. I più noti sono la torba, la
lignite, il litantrace (il “carbone” per antonomasia) e l’antracite (la
varietà qualitativamente più pregiata).
Il carbone fossile è stato utilizzato fin dall’antichità come combustibile.
Numerose prove archeologiche ne testimoniano l’uso fin dall’Età del
Bronzo, ma è a partire dal secolo XIX che il suo sfruttamento su larga
scala imprime un’accelerazione decisiva al progresso industriale.
•fonte energetica storica
•prima materia prima energetica dello sviluppo industriale
•malgrado i vincoli ambientali contribuisce ancora per il 25% al
consumo energetico mondiale
Ancora oggi il carbone costituisce una delle fonti energetiche di
primaria importanza su scala planetaria, soddisfacendo una quota
superiore a un quarto dell’intera domanda mondiale di energia primaria
confermandosi come la seconda fonte di energia dopo il petrolio.
Con una presenza diffusa in molte aree del mondo, il carbone soddisfa
quasi il 45% del fabbisogno energetico complessivo dell’Asia e più
del 50% di alcuni Paesi, tra cui Cina e India.
La accresciuta domanda energetica degli ultimi anni ha portato a un
incremento della quota di carbone sul totale del fabbisogno energetico
mondiale. A ciò ha contribuito, da un lato, la crescita dei prezzi del
petrolio e del gas naturale e, dall’altro, il recupero di competitività
dell’industria carbonifera, che è riuscita a mantenere bassi i costi di
produzione grazie a un continuo miglioramento delle tecnologie di
estrazione e allo sfruttamento di miniere a cielo aperto.
ESPLORAZIONE, ESTRAZIONE,
PREPARAZIONE, TRASPORTO
• Localizzazione
sistema di trivellazione con
recupero di carote (esame natura e consistenza filone
carbonifero)
• Estrazione
miniere sotterranee
a cielo aperto (max 40 metri)
• Pulitura
classificazione
lavaggio
miscelazione
• Trasporto
su strada
per ferrovia, per via marittima
carbodotti
CLASSIFICAZIONI DEI CARBONI
• Era geologica
• Potere calorifico
torba (4.000-6.000 Kcal/kg)
lignite (6.000-7.000 Kcal/kg)
litantrace (7.500-9.500 Kcal/kg)
antracite (8.200-9.200 Kcal/kg)
carboni duri (5.700 Kcal/Kg)
ligniti (5.700 Kcal/kg)
• Internazionale (CECA, UE)
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE
•Classi (da 1 a 9)
•Gruppi (da 0 a 3)
•Sottogruppi (da 0 a 5)
% sostanze volatili (entro il 30%)
potere calorifico (oltre 30%)
proprietà agglomeranti
proprietà cokificanti
Griglia formata da 61 caselle in ognuna delle quali ogni
carbone viene individuato da un codice formato da 3 cifre:
classe-gruppo-sottogruppo
Da un punto di vista commerciale la tabella viene
suddivisa in 7 “zone” nelle quali sono comprese carboni
con codice diverso ma idonei allo stesso impiego.
Cokizzazione
Gassificazione
Idrogenazione
CARBONE
Ossidazione
Estrazione
Coke
Catrame
Gas di cokeria
Gas d’acqua
Gas d’aria
Gas misto
Gas doppio
Combustibili liquidi
Prodotti chimici
Acidi umici rigenerati
Acidi organici
Carboni privi di ceneri
Cere e resine
Idrolisi
Solfonazione
Amminazione
Alogenazione
Prodotti chimici
Resine scambiatrici
Materiali per trattamento acque
Resine scambiatrici
Solventi fluorurati
APPLICAZIONI INDUSTRIALI 1/2
• Produzione di
• Produzione di
industriali
• Produzione di
metallurgico)
energia elettrica
40% c.m.
vapore e calore per usi
30% c.m.
ghisa ed acciaio (coke
30% c.m.
Australia
86%
Cina
81%
Danimarca
59%
Grecia
70%
India
75%
Polonia
96%
Repubblica Ceca
74%
Sud Africa
90%
USA
56%
APPLICAZIONI INDUSTRIALI 2/2
•Carbone da vapore (Steam Coal)
–Centrali termoelettriche
produzione energia
elettrica
–Centrali termiche
produzione vapore e calore
(usi industriali)
•Carbone metallurgico (Met Coal)
Coke (residuo solido ottenuto
dalla distillazione secca
del
carbone fossile)
ghisa ed acciaio
In Italia, l’unica risorsa carbonifera è concentrata in Sardegna,
nel bacino del Sulcis. Si tratta però di minerale di scarsa qualità.
Per tale motivo, oltre che per ragioni di economicità, il carbone
viene quasi interamente importato.
In ogni caso il suo contributo al fabbisogno di energia primaria
nazionale è ancora relativamente modesto, pari a circa l’8%.
È invece opportuno che tale quota cresca, in considerazione della
necessità sia di diversificare le fonti energetiche nazionali, sia di
ridurre i costi di produzione, visto che il prezzo del carbone è molto
più contenuto rispetto a quelli di petrolio e gas.
Un esempio concreto di benefici ambientali è quello della
riconversione della centrale di Torrevaldaliga Nord, presso
Civitavecchia, da olio combustibile a carbone.
In Europa circa un terzo dell’energia elettrica viene prodotta utilizzando
il carbone come combustibile. Anche Paesi ad alta sensibilità
ambientale come la Germania e la Danimarca usano il carbone per
produrre una quota assai rilevante della loro elettricità.
IL CARBONE E L'IMPATTO AMBIENTALE
Per le sue caratteristiche di:
• abbondante disponibilità
•sicurezza di approvvigionamento
•competitività
•intensità di mano d’opera
•elevata sicurezza nel maneggio, trasporto ed uso
il carbone è, e rimarrà nelle previsioni al 2020 il
combustibile primario nella generazione di energia
elettrica nel Mondo ed in Europa.
Così come rilevato nel libro verde
“il carbone nel trasporto e nello stoccaggio
presenta rischi minori di quelli attribuibili al
trasporto di altri combustibili fossili”.
Nel corso del 1997 la International Maritime Organization
(I.M.O.) ha sancito l’esclusione del carbone fossile, a differenza
del petrolio e del gas naturale, dalle sostanze rischiose e nocive
trasportate via mare.
l’Italia rappresenta solamente lo 0,10% del totale delle
emissioni mondiali di CO2 generate dalla combustione
nelle centrali elettriche a carbone.
L’UE stima che tale percentuale decrescerà al 0,05% nel
2030 a fronte di una crescita del +87% nelle emissioni a
livello mondiale.
Relativamente alle normative comunitarie sugli impianti
termoelettrici, l’Italia ha recepito la Direttiva 88/609/CEE
“concernente la limitazione delle emissioni nell’atmosfera di
taluni inquinanti originati dai grandi impianti di combustione”
introducendo limiti più severi di quelli previsti dalla direttiva
stessa. Ciò sia per gli impianti nuovi, sia soprattutto per gli
impianti esistenti.
Il principale impatto ambientale causato dalla
combustione del carbone è costituito
dalle emissioni di:
•anidride solforosa (SO2)
70% rispetto al 1980
•ossidi di azoto (NOx)
63% rispetto al 1987
•polveri presenti nei fumi di combustione (ceneri)
riciclo al 100%
(calcestruzzo, cemento, pavimentazione stradale)
Negli ultimi anni i sistemi per ridurre le emissioni si sono
profondamente evoluti rispetto al metodo iniziale che si
basava sulla dispersione dei fumi con alti camini.
•L’abbattimento delle emissioni di inquinanti, con sistemi
sempre più sofisticati di trattamento dei fumi, quali i
desolforatori, i denitrificatori, i depolverizzatori;
• La prevenzione della loro formazione, per abbattere
all’origine la produzione di emissioni inquinanti con tecniche
e processi innovativi che migliorano le efficienze energetiche
Allo scopo di aumentare la compatibilità ambientale e
l’efficienza delle varie fasi del ciclo del carbone, sono
state avviate da tempo in tutti i maggiori paesi
numerose iniziative di R&S
“tecnologie pulite”
fattore combustione
tecnologie “Zero emission”
(impiantistiche integrate in impianti di massificazione,
con trasformazione del gas di sintesi in idrogeno, che
darebbero luogo a soluzioni effettivamente “ad
emissioni nulle”)
•Fondo per il finanziamento delle attività R&S di
interesse generale del sistema elettrico nazionale
•Il programma nazionale della ricerca.
•
•
•
•
•
•
Le tecnologie innovative oggi utilizzate
per il “carbone pulito” sono:
Combustione a Letto Fluido
FBC
Polverizzazione del carbone
PCF
Combustione a letto fluido pressurizzato
PFBC
Gassificazione del carbone
IGCC
Polverizzazione pressurizzata del carbone
PPCC
Gassificazione del carbone “Fuel Cell Systems” IGFC
L’Italia può contribuire efficacemente al contenimento
globale delle emissioni di CO2 impegnandosi fortemente
nel sostenere i meccanismi “flessibili” previsti nel
Protocollo di Kyoto:
• le Joint Implementation – JI
• il Clean Development Mechanism - CDM.
NUOVE TECNOLOGIE PER
L’UTILIZZO DEL CARBONE
Polverizzazione del carbone (PF): è la tecnica innovativa di
combustione oggi maggiormente diffusa, adottata da tutti gli impianti a
carbone che prevedono l’utilizzo della sola turbina a vapore. Sta
conoscendo recentemente ulteriori sviluppi nei bruciatori a basso NOx
con carboni sempre più polverizzati.
Tecnologia ultrasupercritica (USC): rappresenta un’evoluzione della
precedente tecnologia. I parametri termodinamici vengono spinti fino a
600-630 °C e le pressioni fino a 300-320 bar, introducendo innovazioni
di tipo fluidodinamico sul macchinario e tecnologie più avanzate di
combustione.
Gassificazione del carbone (IGCC): rappresenta un’alternativa al
sistema attuale di combustione e consiste nel portare il polverino ad
elevata temperatura a contatto con vapore ed ossigeno.
Attraverso reazioni chimiche viene prodotto un gas utilizzato nelle
turbine a gas, mentre i fumi caldi di scarico sono in grado di generare il
vapore che alimenta la turbina.
I rendimeni attesi sono dell’ordine del 50%. Lo zolfo presente nel
carbone può essere completamente recuperato in forma commerciale e le
ceneri vengono convertite in scorie inerti vetrificate. Di questa tipologia
sono in funzione in Europa e negli USA vari impianti dimostrativi con
taglie comprese tra 80 e 318 MW.
Combustione a letto fluido (FBC): con questa tecnica la combustione
del carbone avviene in un letto di particelle riscaldate sospese in un
flusso gassoso che consente la loro rapida miscelazione.
Attualmente sono disponibili due tipi di letto fluido pressurizzato: a letto
ribollente e a letto circolante. I rendimenti attesi sono inferiori a quelli
della gassificazione (42-45%), ma le prestazioni ambientali sono
significative perché grazie a questo sistema si ottiene un abbattimento
fino al 90% degli SOx come residui gassosi stabili ed una riduzione degli
NOx determinata dalle più basse temperature di combustione.
In Europa sono stati avviati vari impianti dimostrativi, tra cui uno in
Gran Bretagna da 1.000 MW.
Un impianto a letto fluido circolante da 340 MW (Suclis 2) è in corso di
realizzazione in Sardegna ad opera di ENEL.
Cicli combinati a combustione esterna (EFCC): si tratta di impianti
nei quali un ciclo convenzionale viene alimentato dai fumi provenienti
dalla combustione esterna di combustibili “poveri” (biomasse o rifiuti) o
di carbone.
Il rendimento atteso è compreso tra il 45 e il 50% ma la maturità
tecnologia di questi impianti viene indicata non prima del 2010 in quanto
risulta critico lo sviluppo dello scambiatore di calore. In USA è in corso
un ampio programma di sviluppo su scala dimostrativa.