MATERIE PRIME ENERGETICHE

fonti dalle quali si ricava energia per le attività domestiche ed industriali

M. p. energetiche vegetali legno

M. p. energetiche minerarie

M. p. minerarie non energetiche

carbonepetroliometano

combustibilifossili

nuclearifissili

uranioplutonio

minerali

metalli

CARBONE FOSSILECon 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 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)

• Potere calorifico carboni duri (5.700 Kcal/Kg)

ligniti (5.700 Kcal/kg)

• Internazionale (CECA, UE)

CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE

•Classi (da 1 a 9) % sostanze volatili (entro il 30%) potere calorifico (oltre 30%)

•Gruppi (da 0 a 3) proprietà agglomeranti

•Sottogruppi (da 0 a 5) proprietà cokificanti

Griglia formata da 61 caselle in ognuna delle quali ogni carbone viene individuato da un codice formato da 3 cifre:

classe-gruppo-sottogruppoDa 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

Ossidazione

Estrazione

Idrolisi

Solfonazione

AmminazioneAlogenazione

CARBONE

CokeCatrameGas di cokeriaGas d’acquaGas d’ariaGas mistoGas doppioCombustibili liquidiProdotti chimici

Acidi umici rigeneratiAcidi organici

Carboni privi di ceneriCere e resine

Prodotti chimiciResine scambiatriciMateriali per trattamento acque

Resine scambiatriciSolventi fluorurati

APPLICAZIONI INDUSTRIALI 1/2• Produzione di energia elettrica 40%

c.m.• Produzione di vapore e calore per usi

industriali 30% c.m.• Produzione di ghisa ed acciaio (coke

metallurgico) 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.