Merceologia - Appunti

Approfondimenti di merceologia

Introduzione

Emanuela Barbato
Prof. La Gioia
Università degli Studi di Bari "Aldo Moro"
CDL Economia Aziendale
Corso di merceologia del prof. La Gioia
Anno accademico 2013-2014

L'acqua come risorsa e l'acqua come merce

L’acqua, il miglior solvente che esista al mondo, ha una struttura a V con un atomo di ossigeno al vertice e due atomi di idrogeno ad esso collegati. Le molecole dell’acqua non sono legate tra loro solo con i normali legami chimici: gli atomi di idrogeno tendono a legarsi con gli atomi di ossigeno delle molecole vicine creando i cosiddetti ponti idrogeno. Ciò è fondamentale nel ciclo dell’acqua poiché tali legami rendono tale materia difficile da far evaporare.

L’acqua si trova in natura nei tre stati: solido, liquido e gassoso, e le corrispondenti temperature sono riassumibili come segue:

• Stato liquido: 273,15° K – 373,15° K
• Gassoso: > 373,15° K
• Stato solido: < 273,15° K

Come qualsiasi altra sostanza, l’acqua è allo stato liquido anche ad elevate temperature se è posta ad elevate pressioni. Tuttavia, vi è un punto, detto punto critico, in corrispondenza del quale sarà sempre gassosa (650° K e 217 bar).

La densità dell’acqua (massa volumica) è di 1 kg/dm³ alla temperatura di 4° C e tende a diminuire con l’aumento della temperatura.

Circa i due terzi della superficie terrestre (che totalmente è pari a 500 000 000 km²) è occupata dalle acque il cui volume complessivo ammonta a 1 400 milioni di km³. Il 97% di tale acqua è salata mentre il restante 3% è dolce (concentrazione di sali inferiore a 1,5 g/L).

Ciclo dell'acqua

Quando si parla di acqua come risorsa è inevitabile parlare di ciclo dell’acqua che può essere riassunto dal seguente schema:

• Le radiazioni del sole consentono l'evaporazione dell'acqua dalle superfici dei mari, degli oceani e dei terreni. Tale fase necessita di molta energia poiché per far evaporare l'acqua sono necessari 600 kcal per kg. Il calore richiesto verrà rilasciato in fase di condensazione.
• Il vapore acqueo così formatosi si miscela con i gas presenti nell'atmosfera.
• La densità dell'aria scende ed essa sale verso l'alto incontrando temperature più basse, questo comporta una riduzione del livello massimo di saturazione di vapore e l'acqua torna sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia.
• L'acqua non utilizzata dagli esseri viventi trapana nel suolo finché non incontra delle rocce impermeabili che consentono la formazione di falde acquifere. Tali falde riaffiorano in superficie creando quelle che sono definite sorgenti e ritornano al mare.
• A questo punto l'acqua va a finire nei mari e negli oceani, e partecipa al processo di fotosintesi reagendo con l'anidride carbonica dell'aria e con l'energia solare.

L’acqua è sicuramente una risorsa rinnovabile anche se in qualche luogo se ne lamenta la carenza: sempre più spesso si costruiscono delle dighe o dei laghi artificiali per raccoglierla e renderla disponibile per gli usi o i consumi del settore primario, secondario e civile.

La maggior parte dell’acqua disponibile in forma liquida è quella delle grandi distese marine (concentrazione di sale 35 g/L) o acqua salmastra (concentrazione di sale 2 g/L), per tale ragione si potrebbe pensare di eliminare il sale dalla stessa per ricavarne acqua distillata o a basso contenuto di sali. Le metodologie sperimentate sono state diverse, ad esempio l’elettrolisi, l’uso dell’energia del sale; quelle più utilizzate sono l’osmosi inversa e il metodo termico.

Metodo termico

I metodi termici sono stati utilizzati sin dalla diffusione delle navi prima con l’utilizzo dell’energia solare, poi affiancando ad essa calore ottenuto dal fuoco. Il principale problema di tali metodi, sia quelli più rudimentali sia quelli più recenti, era l’elevato dispendio di energia: circa 2,4 GJ/m³. Per ovviare a questo inconveniente è stato ideato un impianto, detto Multiflash, che adotta due accorgimenti:

• Preriscalda l’acqua da distillare usando il calore di condensazione.
• Riduce la pressione nelle varie camere di condensazione in modo che scenda la temperatura di ebollizione.

Il modello è così configurabile:

• L’acqua viene prelevata dal mare ad una temperatura di circa 20° C.
• L’acqua giunge ad una caldaia dove viene ulteriormente riscaldata. Di solito questa fase utilizza il calore di scarto delle centrali termoelettriche.
• Man mano che sale si scalda in quanto il tubo che la trasporta è posto all’interno delle camere di condensazione.
• In ogni camera di condensazione vi sono una temperatura e pressione differenti. L’acqua evapora e successivamente va a condensarsi sul tubo che trasporta acqua fredda.
• Viene poi raccolta su appositi piatti.
• Nella parte bassa dell’impianto scorre acqua non evaporata con una concentrazione di sali via via maggiore. Questa prende il nome di Salamoia, e nella maggior parte dei casi è rigettata in mare.

Figura 1: Un esempio di distillazione dell'acqua con il metodo termico

Tale sistema rimane comunque molto costoso (il 50% dei costi è riferito all’energia, il 30% all’impianto e il 20% alla manutenzione ordinaria) ed è necessario un impianto molto grande per ottenere dei risparmi. L’acqua che si ottiene è acqua distillata (priva di sali).

Osmosi inversa

L’osmosi inversa è uno dei più recenti metodi per dissalare l’acqua sebbene l’osmosi sia un processo ben noto da molto più tempo. Schematicamente potremmo configurare l’osmosi come segue:

• Solvente (Soluto + Solvente)
• Soluzione
• Membrana semipermeabile

Figura 2: L'osmosi

Se ho un solvente (meno concentrato) ed una soluzione (più concentrata) divisi da una membrana semipermeabile, il primo si sposta verso il secondo finché la concentrazione non sarà la stessa. Il soluto eserciterà una forza sulla membrana detta pressione osmotica. Tale meccanismo, se invertito, consentirebbe di dissalare l’acqua: comprimendo la soluzione sulla membrana ad una pressione maggiore di quella osmotica il solvente si separerà dai sali.

Il principale inconveniente era trovare una membrana semipermeabile con un’elevata resistenza meccanica, fra queste abbiamo principalmente membrane di cellulosa o di cellulosa modificata. I primi esperimenti parlavano di membrane piane poiché erano caratterizzati da fogli di cellulosa disposti su un piano e intervallati da reti metalliche per incrementare la resistenza meccanica. Con il diffondersi della petrolchimica vennero prodotte delle membrane cave, dei tubicini avvolti su un supporto a sua volta piegato su se stesso, questo ha permesso:

• Di aumentare la resistenza meccanica;
• Di aumentare la superficie a contatto con l’acqua, riducendo la dimensione dell’impianto ma aumentando la resa;
• Ottenere acqua anche dalla dissalazione del mare (visto che le membrane piane erano usate solo per dissalare le acque salmastre).

Il carbon fossile

Come si forma il carbone

Il carbone ha origine da resti vegetali (in particolar modo conifere) che hanno subito, in determinate condizioni, un processo di fermentazione anaerobica: in presenza di acqua e microrganismi (che agiscono sulla cellulosa e sulla lignina) le sostanze organiche si sono trasformate in sostanze umiche dando origine alla torba. Il processo continua ad elevate temperature e pressioni.

Figura 3: Fasi della formazione del carbone

Classificazione dei carboni

Sulla base del tempo di formazione i carboni possono essere classificati in (dal più recente):

• Torba: ha l’aspetto tipico di un vegetale e si trova spesso nei pressi di antiche paludi;
• Ligniti: possono avere l’aspetto di vegetali o l’aspetto di un minerale. Poiché di recente formazione, presentano una maggiore quantità di acqua e un minore potere calorifico;
• Litantraci: hanno l’aspetto di un minerale e si distinguono in litantraci sub-bituminose (con maggiore contenuto di acqua, minore contenuto di zolfo e minore potere calorifico) e litantraci bituminose (con minore contenuto di acqua, maggiore contenuto di zolfo e maggiore potere calorifico).
• Antraciti: hanno l’aspetto di un minerale, contengono poca acqua, poco zolfo e hanno un potere calorifico maggiore.

Sulla base dell’utilizzo abbiamo:

• Carbone termico per la produzione di energia;
• Carbone da coke, in questo caso possiamo individuare un’ulteriore distinzione:
  • In base alla quantità di sostanze volatili abbiamo il carbone a fiamma corta (<25%) e il carbone a fiamma lunga (>25%);
  • In base alla qualità del coke ottenuto avremo carbone magno (coke polveroso poco compatto) e carbone grasso (coke molto compatto).

Sulla base del potere calorifico possiamo distinguere i carboni in:

• Brown coal: comprende le ligniti e i carboni sub bituminosi, in tali carboni la quantità di acqua è elevata come anche quella di sostanze volatili. Il potere calorifico non supera i 5 700 kcal/kg;
• Hard coal: comprende le antraciti e i carboni bituminosi, in tali carboni l’acqua e le sostanze volatili sono scarse. Il potere calorifico è superiore a 5 700 kcal/kg.

Nell’acquistare un carbone è necessario considerare altre caratteristiche quali la presenza di sostanze inerti che non partecipano alla combustione come le ceneri (12% del peso del carbone) le quali portano a sporcare le caldaie e determinano maggiori costi di manutenzione (questo avviene solo per il 20% delle ceneri che sono definite pesanti, mentre il restante 80% viene raccolto dai depuratori nelle ciminiere delle industrie e sono definite ceneri pesanti). Altra sostanza indesiderabile all’interno del carbone è lo zolfo il quale partecipando alla combustione e legandosi con l’ossigeno crea anidride solforosa. Tale sostanza miscelandosi con i gas dell’aria viene portata nuovamente sulla terra sotto forma di piogge acide.

Estrazione, trasporto e preparazione del carbone

Le miniere di carbone possono essere di due tipologie, le miniere tradizionali costruite lasciando dei pilastri di carbone oppure a cielo aperto. Queste ultime permettono di avere una resa maggiore (circa pari al 100%) ma comportano dei gravi danni ambientali in quanto presuppongono l’eliminazione di tutti gli strati che sono al disopra del giacimento.

Dopo l’estrazione il carbone deve essere trasportato nei luoghi di utilizzo, tradizionalmente questo avviene tramite l’uso di treni (per lunghe distanze) o l’uso di nastri trasportatori (per più brevi distanze). Tuttavia si stanno diffondendo altre metodologie fra le quali i carbondotti: il carbone (70%) è macinato e miscelato ad acqua (30%) e viene trasportato come se fosse un liquido, all’arrivo è necessario predisporre un impianto che consenta l’eliminazione dell’acqua. I carbondotti presentano elevatissimi costi d’impianto e sono utilizzati per grandi quantitativi di carbone. Infine abbiamo gli Unit-Trains, dei treni in continuo movimento anche nelle operazioni di scarico.

Preparazione del carbone

Molto spesso il carbone estratto presenta delle impurità che devono essere rimosse, si procede poi alla preparazione del carbone per i suoi utilizzi. Le fasi di tale processo possono essere così semplificate:

• Separazione fisica delle impurità (lavaggio);
• Frantumazione e selezione dei vari pezzi secondo la dimensione;
• Flottazione (separazione in una vasca con un liquido contenente magnetite finemente macinata. Il carbone più leggero si posiziona in alto mentre le rocce, più pesanti, si depositano in basso).

Il mercato del carbone

Le miniere di carbone sono presenti un po’ in tutto il mondo, ad eccezione delle zone dove vi sono le grandi foreste (come la foresta equatoriale e quella amazzonica). I principali fornitori di carbone del mondo sono per cui: Australia, Indonesia, Sud Africa, Stati Uniti e Canada. La produzione dei carboni ha quasi raggiunto i 3 300 Mtep nel 2009 e ha registrato un rapido incremento negli ultimi anni, a partire dal 2003, soprattutto per le crescenti esigenze di Cina e India. Per quanto riguarda i consumi, il carbone è il combustibile che, a livello mondiale, ha registrato la più rapida crescita e anche in questo caso l’incremento nell’ultimo decennio ha interessato la Cina e l’India. Una riduzione di oltre il 10% si è invece avuta nell’UE e nel Nord America.

Se raddoppiamo il dato della produzione con le riserve di carbone otteniamo che l’ulteriore possibilità di utilizzo di carbone è pari a 100 anni (considerando che il dato delle riserve è sempre mutevole).