Origine
I Combustibili Fossili derivano dalla trasformazione di sostanza organica in assenza di ossigeno, quindi sottoterra.
I tre principali Combustibili Fossili sono il carbone, il petrolio e il gas metano.
Il Carbone
Il Carbone è il più antico combustibile fossile.
400 milioni di anni fa, comparvero sulla Terra foreste di equiseti e felci.
Il legno di queste piante è costituito per il 70-90% da molecole organiche (50% cellulosa, 20% emicellulosa e 25-35% lignina) e per il resto da silicati di calcio e magnesio.
La cellulosa è costituita da glucosio: (C6H10O5)n, l’emicellulosa è costituita da zuccheri diversi dal glucosio, la lignina è costituita da fenilpropano un composto aromatico.
Ossigeno e idrogeno vendono espulsi dalle molecole organiche dei vegetali per effetto di alte pressioni e alte temperature.
Dai vegetali al carbone
I vegetali prima diventano Torba, poi Lignite, Litantrace, e infine Antracite.
La Torba: un quasi combustibile
La Torba in natura è ricca di acqua ed è acida. La Torba copre il 3% delle terre emerse, e il 60% delle zone umide. Il fondale delle zone umide torbose è calcareo, non argilloso.
La Torba deriva da muschi e piante superiori, per interruzione del processo di carbonizzazione, perché emerge all’aria aperta. Si forma all’inizio del Quaternario, praticamente ieri: 2,58 milioni di anni fa.
I veri combustibili
La Lignite
La Lignite è composta per il 70% da carbonio, umidità superiore al 21% e alto contenuto di ceneri. La Lignite deriva dalle foreste del mesozoico di 80 milioni di anni fà e si trova prevalentemente in superficie. Il potere calorifico della Lignite è di 6.000 kcal/kg.
La Litantrace
La Litantrace deriva dalle foreste del mesozoico di 100-250 milioni di anni fa e si trova tra i 400 e i 1.200 metri di profondità. Il potere calorifico della Litantrace è di 8.000 kcal/kg.
L’Antracite
L’Antracite deriva dalle foreste di felci del paleozoico, 300-400 milioni di anni fa.
L’Antracite è composta per il 90% da carbonio, l’umidità inferiore al 5%, l’azoto è inferiore allo 0,1% e le ceneri non superano il 2%. Il potere calorico dell’Antracite è di 8.500 kcal/kg
Perché le miniere di carbone si trovano tutte nell’europa centrale ?
L’Europa centrale è emersa prima dell’Europa meridionale: 500 milioni di anni fa. Dopo 100-200 milioni di anni sono comparse le foreste di felci, che verranno ripetutamente allagate dal mare.
L’Europa meridionale emerse molto dopo, tra i 245 a 65 milioni di anni fa, quindi mancò il tempo per lo sviluppo della vegetazione e la successiva carbonificazione.
Cosa succede nella combustione del carbone ?
Nella combustione del carbone, il carbonio si ossida in anidride carbonica, lo zolfo e l’azoto diventano solfati e nitrati, restano solo le ceneri. La cenere del carbone è costituita da silicati di calcio e magnesio e da molti altri elementi.
Osservazione davanti al camino di casa
Oggi in Europa non si usa più il carbone per il riscaldamento domestico, perché molto inquinante e poco pratico, invece è molto facile trovare un caminetto a legna. Pesate una sacco di legna o di pellet e poi pesate la cenere prodotta e calcolate la percentuale di cenere.
Il presente del carbone
Attualmente le riserve di carbone sono stimate cinque volte quelle del petrolio.
Il carbone è la fonte energetica più economica e la Cina è il maggiore consumatore al mondo.
Le emissioni di CO2 da carbone hanno superato nel 2010 quella da petrolio.
L’inquinamento del carbone non è solo anidride carbonica, ma anche zolfo e polveri sottili.
Foreste diverse che si sono trasformate in condizioni diverse non possono dare un carbone uguale, ad esempio nel sottosuolo cinese ci sono due grandi bacini carboniferi, a sud ricco zolfo e a nord povero di zolfo.
Le prospettive del carbone
Oggi più che alla eliminazione del carbone, si vuole arrivare a zero emissioni di carbonio catturando l’anidride carbonica prima della combustione con la pregassificazione del carbone, ossigenando durante la combustione o trattando i fumi dopo la combustione.
Il Petrolio
Se il carbone ha una genesi antica e terrestre, il Petrolio ha un’origine più recente e marina: plancton vegetale e animale.
Il plancton 100 milioni di anni fa iniziò a precipitare nei fondali oceanici, venendo lentamente ricoperto da sedimenti marini, formando rocce porose intrise di gas e petrolio.
Nei giacimenti petroliferi non esistono grotte sotterranee piene di idrocarburi, infatti il petrolio permea le rocce sedimentarie, cioè le rocce fanno da serbatoio.
La roccia serbatoio è arenaria nel 60% dei casi e carbonati nel 40%.
Nella roccia porosa, oltre al petrolio, c’è l’acqua marina.
Un giacimento petrolifero è possibile solo se la roccia serbatoio viene ricoperta da roccia impermeabile. La copertura impermeabile è data più spesso da depositi di argilla, gesso, salgemma, oltre che dai movimenti tettonici. Gesso e salgemma sono rocce chimiche: evaporiti.
Senza copertura il petrolio tende a venire a galla e quindi non si formerà mai un giacimento..
La composizione del Petrolio
Il Petrolio è composto da tre classi di molecole quasi prive di ossigeno ma ricche di carbonio 85%, idrogeno 13%, il restante 2% rende il petrolio diversamente apprezzabile.
Nel Petrolio troviamo un 30% di alcani, 40% di cicloalcani, 25% di aromatici e un 5% di altre molecole.
Tutti gli elettroni degli atomi carbonio sono occupati in legami covalenti, non ci sono elettroni liberi che possono polarizzare la molecola, e perciò sono poco sensibili ai reagenti polari o ionici.
Gli Alcani e il petrolio paraffinico
Gli Alcani sono idrocarburi saturi, formano una catena lineare, con formula generale: CnH(2n+2)
Saturo significa che i legami carbonio-carbonio sono tutti legami semplici, non ci sono doppi o tripli legami.
Il petrolio dei giacimenti profondi è più ricco di alcani, è detto “petrolio paraffinico”.
I Cicloalcani e il petrolio naftenico
I Cicloalcani sono idrocarburi saturi, la catena non è lineare ma forma degli anelli.
Esempio il ciclopropano: C3H6.
Il petrolio di giacimenti superficiali è più ricco di cicloalcani, è detto “petrolio naftenico.
Gli Aromatici
Gli Aromatici sono idrocarburi insaturi, formano un esagono carbonioso e hanno struttura planare.
Insaturo significa che alcuni legami carbonio-carbonio sono legami doppi o tripli.
Molecola planare significa che poggia su un piano, non è tridimensionale.
Il Benzene
La molecola aromatica più importante è il Benzene: C6H6. I legami del benzene sono estremamente energetici.
Lo scarto nei combustibili fossili
Nel petrolio c’è un piccola quota del 2 – 5% non combustibile, composta da solfuri, azoto (chinoline), terpeni e fenoli ricchi di ossigeno e metalli pesanti: nichel, vanadio, molibdeno, cobalto, cromo, cadmio, piombo, arsenico e mercurio.
Il petrolio libico è pregiato perché contiene meno dello 0,2% di zolfo.
Costi estrazione del petrolio
I Petrolio si può estrarre dall’argillite, da scisti bituminose: si tratta di uno pseudo petrolio di bassa qualità. I giacimenti di scisti bituminose sono tra i più grandi del mondo, ma danno un petrolio di bassa qualità. Il Nord America ha grandi giacimenti di scisti, ma l’estrazione molto onerosa, sui 30 $ al barile. A questi prezzi diventa interessante economicamente solo nei momenti di boom del mercato. Questo petrolio ha anche grandi costi ambientali. Invece il petrolio estratto in Arabia è di ottima qualità, è quasi già buono per i motori delle autovetture e l’estrazione costa solo 3 $ al barile.
Cosa si ottiene da un barile di petrolio
Un barile è pari a 159 litri. Dopo la raffinazione di un barile di petrolio abbiamo 72 litri di benzina (45%) e 36 litri di gasolio (23%), …
Il gas naturale
Il gas naturale è un combustibile fossile leggero.
Il Gas naturale si ritrova nei giacimenti petroliferi o carboniferi oppure da solo.
Il Gas naturale è composto da Metano C1, Etano C2, Propano C3, Butano C4… In tracce ci può essere CO2, H2S…
Lo shale gas
Il Gas può rimanere intrappolato nelle scisti, è lo shale gas.
Le scisti sono argille metamorfiche.
I giacimenti di shale gas si trovano in superfice e fino ai 4.000 metri di profondità.
Il metano domestico
Oggi è possibile produrre metano sfruttando le fermentazioni dei batteri Archae sui residui colturali e i liquami zootecnici oppure sulla frazione umida dei nostri rifiuti quotidiani. Questi batteri si trovano abbondantemente nelle nostre fogne, quindi nelle fogne viene prodotto metano che si disperde nell’ambiente.