Appunti Materie Prime e Risorse Energetiche

CELLE A COMBUSTIBILE

L’idrogeno è l’elemento più leggero e abbondante dell’universo. Il 90% dell’idrogeno

prodotto nel nostro pianeta deriva dai processi di cracking e reforming di idrocarburi

pesanti; un ulteriore 7% proviene dalla gassificazione del carbone; il restante 3%

deriva invece dal processo di elettrolisi.

L’idrogeno prodotto può essere usato sia per produrre altri composti che come

combustibile per produrre energia, in particolare attraverso due metodi: bruciandolo,

sia da solo che assieme ad altri combustibili, o facendolo reagire chimicamente con

l’ossigeno attraverso delle celle a combustibile.

Le celle a combustibile sono sistemi elettrochimici (analoghi alle batterie) capaci di

convertire l’energia chimica di un combustibile (solitamente l’idrogeno) direttamente

in energia elettrica, senza l’intervento intermedio di un ciclo termico. Ciò permette

rendimenti più elevati rispetto a quelli delle macchine termiche convenzionali.

Le celle a combustibile presentano interessanti proprietà nel campo della produzione

di energia elettrica e del trasporto, in quanto rispondo perfettamente agli obiettivi di

sviluppo sostenibile, ovvero:

miglioramento dell’efficienza e risparmio energetico;

 diversificazione delle fonti energetiche;

 contenimento delle emissioni inquinanti nell’atmosfera.



Attualmente l’efficienza oscilla tra il 40% e il 60% ma, usando il vapore acqueo, può

arrivare fino al 80%.

I costi restano non competitivi rispetto ai combustibili fossili, ma in futuro questo

distacco potrebbe affievolirsi, sia con lo sviluppo della tecnologia delle celle a

combustibile che con il ridursi delle scorte di idrocarburi e il conseguente aumento dei

loro prezzi. COMBUSTIBILI FOSSILI

Si definiscono combustibili fossili quelle sostanze derivanti dalla trasformazione di

materie organiche in forme più stabili e ricche di carbonio. Si tratta di fonti

energetiche non rinnovabili , poiché il loro utilizzo a ritmi elevati può pregiudicare la

loro disponibilità per le generazioni future.

I principali combustibili fossili sono:

il carbone;

 il gas naturale;

 il petrolio.



Attualmente, i combustibili fossili rappresentano la principale fonte energetica

mondiale, grazie all’alta resa in relazione al peso/volume, alla facilità di trasporto e al

basso costo. A causa di questo intenso utilizzo, però, le riserve di combustibili fossili

non sono destinate a durare a lungo. La riduzione di disponibilità di una risorsa fa sì

che il suo prezzo aumenti e che quindi diventi meno competitiva.

Considerando gli attuali consumi e le riserve disponibili, il carbone è la fonte fossile

che si prevede possa avere maggior longevità. Gas naturale e petrolio hanno una

durata stimata pari a circa la metà del carbone fossile.

Ne deriva perciò che il carbone sarà, in linea teorica, il combustibile fossile che

accompagnerà la transizione energetica dalle fonti fossili a quelle naturali.

CARBONE FOSSILE

Il carbone è un combustibile fossile pronto all’uso di colore nero o bruno scuro,

estratto da miniere sotterranee, a cielo aperto o prodotto artificialmente, e composto

principalmente da carbonio e idrocarburi, talvolta con tracce di zolfo.

La sua formazione risale a circa 345 milioni di anni fa, quando un clima caldo e umido,

unito a un’alta concentrazione di CO , favorì la crescita di numerose piante che, con la

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loro morte e successiva degradazione, divennero parte di rocce sedimentarie. Il

processo che porta dalla pianta vegetale alla formazione di carbone fossile può

durare diversi milioni di anni. La forte pressione, l’elevato calore e i batteri presenti

nel sottosuolo eliminarono l’umidità, l’ossigeno e l’idrogeno, aumentando al

contempo il contenuto di carbonio, responsabile del potere calorifico.

Qualora movimenti tettonici riportino il materiale in superficie, il processo di

maturazione del carbone si arresta immediatamente e il materiale inizia a degradarsi.

Questo rappresenta un problema nelle cave a cielo aperto o nelle miniere a bassa

profondità.

Per estrarre il carbone dai giacimenti si possono realizzare 2 tipi di miniere:

a cielo aperto, che si realizzano asportando gli strati superficiali di roccia mediante

 escavatori;

a galleria, che possono a loro volta dividersi in 3 tipologie:

 a mezza costa, atte a raggiungere vene di carbone situate nel fianco di una

◦ montagna attraverso un unico tunnel;

a rampa, costituite da gallerie oblique (di estrazione) che si alternano ad altre

◦ verticali (di ventilazione) per raggiungere i giacimenti più interni;

a pozzo, costituite da una coppia di condotti verticali (uno di estrazione e l’altro

◦ di ventilazione) che raggiungono i giacimenti più profondi.

L’estrazione dal sottosuolo può essere a sua volta effettuata secondo 2 tecniche:

room and pillar, che prevede l’estrazione in una serie di “camere” all’interno del

 filone carbonifero, lasciando indietro dei pilastri di carbone per sostenere il tetto

della miniera;

longwall, che prevede l’uso di macchine da taglio che rimuovono frontalmente il

 carbone, mentre dei puntelli idraulici auto-avanzanti sostengono il tetto fintanto

che il prodotto non viene estratto, per poi lasciar man mano collassare il tutto.

A seconda della sua composizione, il carbone fossile può essere classificato in:

torba, primo stadio della trasformazione dei vegetali in carbone, caratterizzata da

 alte percentuali d’acqua che la rendono spugnosa e utilizzabile principalmente

come fertilizzante, in quanto non costituisce un combustibile;

lignite, secondo stadio e forma incompleta della trasformazione dei vegetali in

 carbone, che conserva la struttura del legno da cui ha avuto origine, con uno

scarso rendimento e ancora poco conveniente;

litantrace, terzo stadio della trasformazione dei vegetali in carbone, che costituisce

 la forma più diffusa, economica e utilizzata; è a sua volta diviso in 2 sotto-stadi:

sub-bituminoso, con proprietà intermedie tra lignite e litantrace bituminoso,

◦ usato prevalentemente come combustibile nelle centrali elettriche a turbina;

bituminoso, che rappresenta il carbone fossile per antonomasia, da cui si

◦ ricava il coke

;

antracite, quarto e ultimo stadio della trasformazione dei vegetali in carbone,

 rappresenta la qualità più pregiata del combustibile, con il rendimento maggiore

ma anche il costo più elevato, a causa della sua scarsa diffusione in natura.

Se sottoposto a elevata pressione e grande calore, il carbone fossile può trasformarsi

in grafite, materiale composto quasi interamente da carbonio.

I primi utilizzi del carbone fossile risalgono al tempo dei romani, ma è durante la

prima rivoluzione industriale, nella seconda metà del secolo, che conquista un

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ruolo centrale come risorsa energetica. In questa epoca è principalmente utilizzato

per generare la forza vapore necessaria ad alimentare le macchine a vapore, sia nel

settore industriale che in quello dei trasporti, e come fonte di riscaldamento nelle

abitazioni. Mantiene questa posizione fino agli anni ‘60, quando viene sostituito dal

petrolio.

Attualmente il principale impiego del carbone fossile è nel settore siderurgico, per

alimentare gli altiforni, e nelle centrali termoelettriche, dove risulta essere ancora la

fonte energetica più utilizzata per la produzione di elettricità.

Per poter sfruttare al meglio questo combustibile, viene macinato e trasformato in

polvere finissima, così da aumentare al massimo la superficie di contatto tra questo e

il comburente, con conseguente miglioramento della velocità di combustione e del

rendimento. Per evitare i problemi che potrebbe causare il carbone in polvere, viene

preparata un’emulsione, così da ottenere un prodotto fluido molto simile all’olio

combustibile.

Il carbone fossile è una fonte energetica non rinnovabile, anche se i depositi di

carbone sono molto superiori a quelli degli altri combustibili fossili e si stima che fino

a oggi sia stato consumato solo il 10% circa delle riserve terrestri.

Il carbone fossile è il più inquinante tra i combustibili fossili, sia nella fase di estrazione

e trasporto che in quella di utilizzo.

Alcuni dei prodotti della combustione del carbone fossile hanno effetti nocivi

sull’ambiente, come per esempio il diossido di carbonio, gas responsabile dell’effetto

serra e del conseguente surriscaldamento del pianeta. Durante la combustione,

inoltre, anidride solforosa e zolfo formano ossidi che contribuiscono alla formazione

di piogge acide. Il maggior danno prodotto dal carbone fossile è però quello causato

dal particolato, composto da particelle di metalli pesanti invisibili a occhio nudo e

dannose per la salute dell’uomo e degli altri esseri viventi.

Negli ultimi anni, per migliorare l’impatto ambientale del carbone fossile, sono state

sviluppate numerose tecnologie capaci di ridurre significativamente le emissioni

inquinanti e avvicinarsi alla concezione di un “carbone pulito”.

Nonostante gli sforzi, le emissioni di anidride carbonica rimangono le più elevate tra le

fonti fossili ma si prevedono ulteriori miglioramenti su questo fronte.

CARBONE PULITO

Con carbone pulito, in inglese “clean coal”, si intende un insieme di tecnologie

innovative volte alla riduzione dell’impatto ambientale della combustione del carbone,

sia in termini di efficienza energetica che di riduzione delle emissioni inquinanti.

Per ottenere questo carbone “pulito” è necessario eliminare dal combustibile tutte

quelle impurità non necessarie alla combustione frantumando lo stesso in piccoli

pezzi e facendolo passare attraverso dei filtri a separazione per gravità.

Successivamente, viene immerso in alcuni recipienti contenenti un liquido che

permette al carbone di galleggiare, mentre le altre sostanze affondano così da poter

essere rimosse.

Un altro sistema per ridurre i fattori inquinanti del carbone fossile, e al contempo

aumentare l’efficienza, è la gassificazione, un processo che consente di ottenere un

prodotto altamente flessibile, utilizzabile sia per la produzione di energia che per il

trasporto e l’industria chimica. Per ottenere questo combustibile, il carbone fossile

non viene bruciato direttamente ma reagisce con ossigeno e vapore per formare il

syngas. Dopo essere depurato, questo composto viene bruciato in una turbina a gas

per produrre energia e nuovamente utilizzato per creare vapore per alimentare

un’apposita turbina.

Ciò che rende molto appetibile questa tecnologia è