Petrolio

In questo appunto si descrive il petrolio, la sua origine, le principali caratteristiche del petrolio, la storia, i metodi di estrazione, la ricerca dei giacimenti, la perforazione, il trasporto, la raffineria, la distillazione del greggio, il cracking, la raffinazione, gli impieghi dei prodotti petroliferi, l’organizzazione dei paesi esportatori di petrolio (OPEC), il petrolio e l’ambiente, le risorse alternative, le prospettive per le scorte mondiali di combustibili.

Origine del petrolio

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Esso si formò sotto la superficie terrestre in seguito alla alterazione di organismi marini e piante cresciute sui fondali marini: i resti della decomposizione si mescolarono con le sabbie finissime e con il limo che si depositarono sul fondo del mare nelle zone che non erano caratterizzate da forti correnti, formando, così, dei sedimenti ricchi di materiali organici. Questi sedimenti aumentarono di spessore e, proprio a causa del loro peso, precipitarono sul fondale marino; con l’accumularsi di altri sedimenti, la pressione e la temperatura aumentarono di parecchio. Il fango e la sabbia si indurirono trasformandosi in argillite e in arenaria, il carbonio precipitò, le conchiglie si indurirono trasformandosi in calcare e i resti degli organismi morti si trasformarono in petrolio greggio e in gas naturale.

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Il petrolio formatosi aveva una densità minore dell’acqua salmastra che lo circondava, quindi salì verso la superficie passando dai sedimenti permeabili che erano sopra di esso. Tuttavia, successe spesso che il petrolio trovasse sopra di sé strati di argillite impermeabili, formando giacimenti chiamati trappole.

Caratteristiche del petrolio

Il petrolio è costituito principalmente da una miscela di idrocarburi (carbonio e idrogeno), ma anche zolfo ( dallo 0,1 al 5% circa) e ossigeno. Per comodità, si distinguono tre classi di petrolio a seconda del tipo di idrocarburo prevalente:

1. Petrolio a base paraffinica, costituito da paraffine (idrocarburi detti anche alcani).
2. Petrolio a base naftenica, costituito da nafteni (idrocarburi detti anche cicloalcani).
3. Petrolio a base mista, in cui le percentuali di idrocarburi sono pressoché uguali.

Più rari e pregiati sono i petroli di una quarta classe, costituiti da idrocarburi aromatici e dunque detti “petroli a base aromatica”.

Storia del petrolio

I giacimenti superficiali furono per migliaia di anni ignorati dagli esseri umani; le prime utilizzazioni sono citate nella Bibbia (il calafataggio dell’arca di Noè, l’uso del bitume come cementante nella costruzione della torre di Babele). Nel Rinascimento si cominciò a distillare il petrolio greggio per ottenere lubrificanti o medicinali; tuttavia, il vero e proprio sfruttamento iniziò solo nel XIX secolo. Con la Rivoluzione Industriale, si ebbe la necessità di trovare nuovi combustibil, soprattutto di oli economici e di buona qualità: infatti la gente aveva bisogno di leggere e lavorare anche dopo il tramonto e le risorse disponibili non erano adatte; l’utilizzo del petrolio come combustibile per le lampade determinò un aumento della richiesta di greggio e, verso la metà del 1800, molti scienziati si dedicarono alla ricerca di tecniche e metodi per produrre e mettere in commercio prodotti capaci di soddisfare le esigenze della popolazione.
Nel 1852 al fisico e geologo canadese Abraham Gessner fu permesso di ricavare dal petrolio un combustibile per lampade, chiamato olio di paraffina, o kerosene; dopo tre anni, un chimico statunitense pubblicò uno studio che elencava tutti i prodotti utili che si potevano ottenere dalla distillazione del petrolio.
Da quel momento ebbe inizio la corsa ai rifornimenti di petrolio. Il primo pozzo petrolifero vero e proprio fu trivellato in Germania nel 1857-1859; un importante avvenimento, fu la trivellazione di un pozzo in Pennsylvania a opera di L. Drake: egli effettuò alcuni sondaggi per trovare il giacimento di petrolio da cui si diramavano tutte le infiltrazioni che davano greggio a tutta la regione. In realtà, il giacimento era profondo molto poco, ma il petrolio era di buona qualità.
Di conseguenza al successo di Drake si ebbe una rapida industrializzazione nel campo petrolchimico, che provocò enormi interessi nel campo della scientifica, tanto che si cominciarono a sviluppare ipotesi riguardo alla sua formazione.
Il petrolio divenne fondamentale soprattutto con l’invenzione del motore a combustione interna e con la Prima Guerra Mondiale.

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Metodi di estrazione - Ricerca dei giacimenti

Durante la ricerca dei giacimenti ci sono alcune zone da escludere (regioni granitiche e vulcaniche), mentre si possono considerare gli antichi bacini sedimentari. Per poter individuare un giacimento si devono fare molte ricerche e rilevamenti. Gli scienziati studiano ad esempio le “carote” campioni di terreno prelevato a vari livelli nella roccia. Esistono vari metodi per individuare un giacimento di petrolio: ne portiamo alcuni esempi.
Il metodo magnetico e gravimetrico: consiste nel variare il campo magnetico e di gravità dovuto ai diversi tipi di roccia.
Il metodo sismico: questo molto più preciso dell’altro consiste nel generare onde simili a quelle dei terremoti e nel registrare il tempo che impiegano per ritornare indietro. Dai risultati di queste indagini i “geofisici”, scienziati che studiano la struttura del sottosuolo, disegnano delle carte del terreno potendo così indicare dove potrebbe essere situato un giacimento di petrolio.

Perforazione

Una volta che se ne è individuato uno, c’è solo un modo per accertarsi che effettivamente nel sottosuolo si trovi il petrolio.
Si inizia, così, a costruire la torre di perforazione detta anche torre Derrick. Questa è simile ad una torre Eiffel in miniatura e si compone principalmente di un’incastellatura a traliccio. A questa si aggiungono dei potenti motori Diesel che forniscono l’energia necessaria alla perforazione Al centro di tutto gira la tavola rotante, che presenta un’apertura quadrata dove passa verticalmente l’asta d’acciaio. Quando la tavola rotante gira fa ruotare anche l’asta che scende via via che il pozzo diventa più profondo. Dopo la prima asta ne vengono inserite delle altre che, tutte insieme, prendono il nome di “treno di aste”. L’estremità dell’ultima asta porta un particolare strumento: lo scalpello. Quest’ultimo, dovendo perforare il terreno, si consuma molto velocemente e quando ciò accade, si deve sostituire con uno nuovo: si devono così tirare fuori tutte le aste(per guadagnare tempo si fanno uscire a gruppi di tre aste alla volta)e sostituire lo scalpello.

Nelle aste viene immesso un fango speciale che arriva fino allo scalpello, torna in superficie, viene filtrato e poi viene rimesso in circolo creando così un ciclo ininterrotto. Questo ha lo scopo di raffreddare lo scalpello, che con l’attrito si surriscalda, di consolidare le pareti del pozzo e infine di portare in superficie i frammenti di roccia.
Solo tre volte su cinque la perforazione porta alla scoperta di una falda petrolifera cioè ad uno strato imbevuto di petrolio. Si procede alla perforazione di vari pozzi di sfruttamento che vengono rivestiti internamente con un treno di tubi di piccolo diametro detto tubing. All’estremità del tubing si trovano delle condotte che permettono al petrolio di essere portato dal sottosuolo all’esterno.
Non sempre il giacimento si trova però sulla terraferma: esistono infatti dei giacimenti che si trovano sotto i mari o gli oceani. Per perforare questi particolari pozzi vengono costruite delle apposite piattaforme(off-shore) capaci di resistere al vento e alle onde del mare e che possono essere sia galleggianti sia poggiare su dei piloni piantati sul fondo del mare. Alcuni di queste piattaforme possono essere piantate anche a più di 6500 metri di profondità nell’oceano.
Una volta che è stato perforato il terreno e si è raggiunto il giacimento di petrolio, il greggio se sottoposto a forte pressione può fuoriuscire da solo, altrimenti va estratto con delle pompe apposite.

Il trasporto del greggio

Esistono due modi principali di trasportare il greggio:

1. per mezzo di petroliere;
2. attraverso gli oleodotti.

: per circa trent’anni il petrolio fu trasportato esclusivamente in barili accatastati nelle stive delle navi. Nel 1886 per la prima volta il petrolio fu trasportato con una nave petroliera che aveva una capacità di carico di 3000 tonnellate. Oggi le petroliere sono in grado di portare 550.000 tonnellate. Indipendentemente dalla portata, una petroliera non è altro che un gigantesco serbatoio fatto a forma di nave, capace quindi di galleggiare. Per limitare questi disastri ambientali le nuove navi cisterna sono dotate di un doppio scafo. Così, in caso d’urto, lo scafo più esterno l’assorbe e, anche se si rompe, il petrolio resta all’interno della nave grazie al secondo scafo.
Oleodotto: il petrolio, però, è trasportato soprattutto per mezzo degli oleodotti: grandi tubazioni fatte da tubi di acciaio saldati tra loro, poste in gran parte sottoterra, dove passa il petrolio spinto da delle stazioni di pompaggio. Gli oleodotti sono affiancati da sostegni di acciaio e calcestruzzo. Prima di costruire un oleodotto, si devono compiere studi approfonditi sul terreno dove quest’ultimo dovrà passare per trovare il percorso più agevole da far seguire alle tubature. Un oleodotto deve essere sottoposto a una continua manutenzione per prevenire i guasti o riparare le eventuali perdite. Gli oleodotti possono trasportare il petrolio fino ad un porto, dove poi sarà imbarcato su una petroliera o fino alla raffineria stessa.

La raffineria

La raffineria è un impianto di grandi dimensioni che si compone di tre parti distinte: le cisterne per lo stoccaggio del greggio; le torri dove avvengono le diverse lavorazioni; le cisterne per i prodotti finiti.
Queste tre parti sono collegate da lunghi tubi che permettono così una lavorazione a ciclo continuo:

• nelle prime cisterne il livello del greggio diminuisce di continuo perché il petrolio viene portato alle torri per essere lavorato;
• nelle torri di lavorazione il greggio subisce delle alterazioni della sua normale temperatura così da ottenere i suoi derivati;
• nelle ultime cisterne il livello aumenta in continuazione poiché vi affluiscono i prodotti finiti.

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Distillazione del greggio

. Infatti il petrolio è un miscuglio di idrocarburi liquidi (kerosene, benzina gasolio) e per separarli si usa appunto la distillazione, cioè un processo che comporta la vaporizzazione e la condensazione. Questa viene fatta nella cosiddetta colonna di frazionamento. Quest’ultima è una torre d’acciaio divisa all’interno da tanti “piani” costituiti da grandi piatti di acciaio. Ogni piatto ha una sua temperatura specifica, che diminuisce via che si va verso l’alto, ed ha vari fori muniti ciascuno di un camino e di una campanella. I vapori di un certo tipo, quando toccano la campanella del piatto cui corrisponde la loro temperatura di condensazione, diventano liquidi. Gli altri gas invece continuano a salire. Più precisamente nel piatto a 300°C si condensa il gasolio; in quello a 250°C si condensa il kerosene; in quello a 200°C la virgin-nafta; nel piatto a 120°C la benzina e infine in quello a 60°C si condensano i gas liquefacibili (propano e butano) e, nella parte più alta, i gas più leggeri come il metano ed etano. Dal fondo della colonna esce invece il residuo detto anche nafta pesante. Esso può passare alle cisterne di stoccaggio per essere usato come olio combustibile, oppure di nuovo distillato e separato in due frazioni: il distillato paraffinico(usato per ricavare lubrificanti o anche per formare la benzina attraverso il cracking)e il residuato asfaltico (bitume o catrame di petrolio).

Il “cracking”

(dall’inglese to crack = spezzare), un processo con il quale, ricorrendo a forti pressioni e ad alte temperature, si spezzano le molecole degli idrocarburi pesanti ottenendo frazioni più leggere. Il cracking può essere termico o catalitico. Quello termico viene effettuato a temperature comprese tra 450-550°C e a alta pressione; in queste condizioni gli idrocarburi sono di solito gassosi però si può arrivare alla liquefazione. Durante le reazioni che avvengono nel cracking termico, alcuni atomi di carbonio si scindono, dando origine a radicali, particelle che possono reagire con altre molecole. Nel cracking catalitico ,che avviene a pressioni molto più basse, gli idrocarburi pesanti si trasformano in anioni (ioni con carica negativa) al carbonio che possono comportarsi come i radicali. Gli idrocarburi usati possono essere il gasolio il kerosene o il residuo della distillazione, per ottenere prodotti di più largo uso, come nafta benzine leggere e gas. Durante il processo, si ha la formazione di idrogeno e di carbonio elementare, sotto forma di coke.

La raffinazione

per avere prodotti a un più alto grado di purezza: ad esempio le benzine sono “lavate” per togliere le tracce di zolfo e altre impurità, vengono mescolate con sostanze che ne migliorano il rendimento nei motori d’automobile, vengono colorate, ecc...

Impieghi dei prodotti petroliferi

I prodotti petroliferi ottenuti dai vari processi possono essere classificati secondo quattro gruppi:

• I carburanti, che servono ad azionare i diversi tipi di motori; comprendono la benzina, il gasolio, il kerosene.
• I lubrificanti servono a ridurre l’attrito delle parti in movimento di motori e macchine.
• I combustibili che servono per riscaldare le singole abitazioni e gli impianti industriali.
Gli altri prodotti, di cui fanno parte la vaselina (farmaceutica e cosmesi), la paraffina ( cere e lucidi), l’asfalto e il bitume ( rivestimenti stradali), ecc…

Organizzazione dei paesi esportatori di petrolio (OPEC)

Fondata nel 1960, l’OPEC (Organization of Petroleum Exporting Countries) si occupa del coordinamento delle politiche petrolifere dei 12 paesi membri, Algeria, Arabia Saudita, Emirati Arabi Uniti, Gabon, Indonesia, Iran, Iraq, Kuwait, Libia, Nigeria, Qatar e Venezuela (l’Ecuador si è ritirato nel 1992); la sua sede si trova a Vienna. La Conferenza dell’OPEC, composta da rappresentanti di governi membri, si riunisce due volte l’anno per definire le politiche di intervento.
L’OPEC nacque in conseguenza della grave crisi scoppiata alla fine degli anni Cinquanta, quando la produzione mondiale di greggio cominciò ad eccedere la domanda e quindi il costo del petrolio ebbe un forte calo; quindi, i paesi produttori reagirono fondando l’OPEC (alcuni nazionalizzarono la produzione di greggio, ricavandone così un considerevole reddito).
Al contrario, durante i primi anni Settanta il costo del petrolio fu quadruplicato (raggiunse i dodici dollari al barile), e nel 1979/1980 i membri dell’OPEC spinsero il prezzo oltre i trenta dollari a barile, provocando forti inflazioni dei paesi industrializzati. Quindi, i governi e le banche centrali alzarono i tassi d’interesse, aggravando una già forte situazione di indebitamento, in cui si trova tutt’oggi la maggior parte dei paesi in via di sviluppo. In seguito, il risparmio energetico di petrolio provocò un indebolimento della domanda di greggio. Quando, poi, vennero scoperti dei nuovi giacimenti, la situazione si aggravò notevolmente. All’inizio del 1986 i prezzi erano scesi sotto i dieci dollari al barile. In seguito i prezzi non salirono più sopra i venti dollari a barile tranne durante la guerra del Golfo, quando i prezzi arrivarono sopra i venticinque dollari a barile. Nel 1976 fu istituito il Fondo dell’OPEC per lo sviluppo internazionale che è destinato a risarcire i danni provocati dall’aumento del prezzo del greggio all’economia degli altri paesi. Questo organismo concede infatti prestiti ai paesi più poveri. Il suo capitale, che, inizialmente, era di 800 milioni, ora arriva ben a 3 miliardi.

Il petrolio e l’ambiente

Quello accidentale è prodotto dal riversamento in mare di enormi quantità di petrolio da petroliere coinvolte in incidenti di navigazione.
Tra gli incidenti più gravi verificatisi negli ultimi decenni sono da ricordare quello della Torrey Kenyon, che riversò nel 1967 860 000 barili(107 000 tonnellate)di petrolio nelle acque del Mar del Nord e quello della Exxon Valdez, che nel 1989 contaminò le coste dell’Alaska con ben 240 000 barili (30 000 tonnellate) di greggio. Tuttavia, l’incidente più grave in assoluto è stato quello verificatosi nel 1979 al largo di Trinidad e Tobago: la collisione di due superpetroliere, la Aegean Captain e l’Atlantic Empress, provocò la fuoriuscita di circa 2 160 000 barili ( 270 000 tonnellate) di petrolio.
La fonte principale di inquinamento marino di petrolio è anche lo scarico dell’acqua usata per il lavaggio delle cisterne delle petroliere: una volta che hanno consegnato il proprio carico, le cisterne vengono riempite di acqua che serve da zavorra per il viaggio di ritorno e che viene poi scaricata in mare prima di arrivare al porto a prendere un altro carico. Questo porta a un inquinamento cronico, causa di danni più gravi di quello accidentale.
In merito a ciò sono state approvate convenzioni internazionali per ridurre al minimo l’inquinamento del petrolio causato dalla zavorra delle petroliere: a partire dagli anni Settanta, sono state imposte le realizzazioni di petroliere con sistemi di separazione dei residui di petrolio dalle acque di zavorra e di lavaggio.
Tuttavia, l’inquinamento accidentale comprende solo il 10% dell’inquinamento totale delle acque: il resto proviene da fonti croniche, tra cui la ricaduta di particelle inquinanti dall’atmosfera, infiltrazioni naturali di lavamento degli oli minerali dispersi nell’ambiente, perdite di raffinerie o di impianti di trivellazione su impianti a mare aperto.
Il petrolio disperso in mare può essere causa di gravi danni alle specie marine “di superficie”, soprattutto uccelli, ma anche mammiferi e rettili. Le piume degli uccelli imbrattate di petrolio vengono spesso rovinate per sempre e gli uccelli stessi, cercando di ripulirsi ingoiano grandi quantità di petrolio che portano all’intossicamento e, spesso, alla morte. Il petrolio che, invece, si riversa sulle coste è capace di distruggere interi ecosistemi molto delicati e provocare seri danni a molte attività commerciali, come la pesca, l’acquacoltura, o il turismo.
Di solito, il petrolio riversato in mare viene eliminato dall’ambiente stesso attraverso reazioni chimiche. Galleggiando sull’acqua, il petrolio si estende velocemente in un’ampia macchia, formando strati di diverso spessore che il vento e le correnti portano anche a grandi distanze. Le parti superficiali evaporano velocemente; altre componenti contaminano gli strati superiori dell’acqua, dove si hanno effetti molto nocivi sugli organismi marini. Le frazioni più pesanti formano, invece, grumi sulla superficie del mare difficilmente degradabili che affondano lentamente, fino ad arrivare ai fondali marini. I tempi della degradazione del petrolio variano a seconda delle condizioni del mare, delle condizioni meteorologiche, della temperatura e del tipo di petrolio. Una delle soluzioni usate in passato per rimediare all’inquinamento accidentale del petrolio consisteva nell’utilizzare sostanze emulsionanti sul petrolio. Le emulsioni ,però, risultavano certe volte più dannose del petrolio stesso e questa tecnica è stata perciò abbandonata. Oggi si ricorre ad imbarcazioni che raccolgono il petrolio “raschiandolo via” dal mare. Gli emulsionanti si usano sul petrolio solo quando quest’ultimo minaccia di raggiungere la costa. Quando il petrolio arriva sulle spiagge non viene sottoposto ad alcun trattamento: si lascia infatti che si degradi da solo. Se vengono colpite località balneari si preferisce b]rimuovere gli strati di spiaggia più superficiali, piuttosto che utilizzare solventi ed emulsionanti che farebbero penetrare il petrolio in profondità. I solventi vengono utilizzati solo per ripulire gli impianti e le attrezzature.

Risorse alternative

, mentre l’energia idrica ha rappresentato la seconda fonte rinnovabile più utilizzata; tuttavia ancora oggi le biomasse forniscono il 12% dell’energia mondiale. E’ però da ricordare che le fonti alternative procurano meno del 20% dell’energia complessiva mondiale. Se pensiamo all’ingente fabbisogno richiesto dai centri industrializzati, ci rendiamo conto che in futuro l’umanità avrà sempre più bisogno di risorse che, invece, saranno esaurite. Per questo, gli esperti stanno studiando fonti di energia alternativa, tuttavia alcuni esperimenti riguardo la produzione di petrolio sintetico non hanno dato il risultato sperato e comunque si hanno dubbi riguardo la competitività dei prezzi e dei volumi di produzione ottenuti da queste fonti energetiche potenzialmente nuove. Allo stato attuale l’unico combustibile alternativo è il carbone, disponibile in tutto il mondo in quantità relativamente abbondanti.

Prospettive per le scorte mondiali di combustibili

Nei prossimi anni saranno scoperti nuovi giacimenti e tecnologie sempre più sofisticate permetteranno di incrementare la percentuale di petrolio estratta dalle riserve già note. Le riserve saranno in ogni caso sufficienti per soddisfare i fabbisogni energetici dell’umanità fino ai primi decenni del XXI secolo; gli esperti sono ancora scettici riguardo alla possibilità che le scoperte di altri giacimenti e le invenzioni future possano permettere di superare di molto questo periodo.

Conclusioni

: anche le strategie economiche dei paesi in via di sviluppo sono basate sul presupposto della disponibilità di petrolio. Molti prezzi di oggetti di utilità quotidiana sono dipendenti dal petrolio:
Carburanti, plastica, coloranti, fibre tessili, detersivi, gomme, prodotti, luce, medicinali, Fertilizzanti industriali, riscaldamento.

L’importanza del petrolio nell’economia mondiale è testimoniata anche dal suo soprannome (oro nero). Tuttavia, esistono dei problemi. Innanzitutto, lo sfruttamento intensivo, che è stato fatto del petrolio per le accresciute esigenze dell’economia e della società odierna, ha ridotto notevolmente le riserve di questo combustibile. Inoltre, non è da trascurare l’impatto ambientale, legato al suo utilizzo: basta pensare, ad esempio, all’utilizzo degli oli lubrificanti, derivati dalla sua distillazione, i quali, se scaricati nelle fognature o direttamente nel terreno, dopo essere stati utilizzati, inquinano fiumi e falde acquifere o sviluppano gas cancerogeni, se vengono bruciati.
Per questi due motivi, entrambi da non sottovalutare, è necessario indirizzarsi, fin da ora, verso lo sfruttamento di altre forme di energia (come, ad esempio, l’energia solare, eolica, geotermica, delle biomasse), che sono rinnovabili e meno o affatto inquinanti. Purtroppo, l’impiego di queste fonti di energia è ancora, soprattutto per alcune, estremamente limitato, non essendo stati, ancora, risolti vari problemi tecnici, legati al loro utilizzo.