02 lesson - I COMBUSTIBILI FOSSILI

Fonti non rinnovabili

I combustibili fossili

Lezione n. 02

Cosa sono i combustibili?

Sono quelle risorse che bruciando (combustione) in presenza di ossigeno, producono calore (Energia termica)

kj

kg

Il valore economico di un combustibile dipende dalla quantità di calore sviluppata durante la combustione

La quantità di calore sviluppata da un combustibile può essere misurata e prende il nome di potere calorifico

i combustibili fossili

I combustibili fossili si sono formati nel corso di milioni di anni, in seguito alla lenta decomposizione di organismi viventi in condizioni di assenza di ossigeno, forti pressioni e temperature elevate

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+ Info

i combustibili fossili

Sono risorse ad alto contenuto di energia chimica che, attraverso la combustione, si trasforma in energia termica, utilizzabile direttamente o trasformabile a sua volta in altre forme di energia

WHERE

+ Info

Quanto dureranno i combustibili fossili

L'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) calcola la durata delle riserve

54 anni

petrolio

61 anni

gas naturale

142 anni

carbone

Quanto dureranno i combustibili fossili

L'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) calcola la durata delle risorse

178 anni

petrolio

233 anni

gas naturale

3K anni

carbone

I combustibili fossili

LIQUIDI

SOLIDI

GASSOSI

naturali

artificiali

GPL

GAS NATURALE

BENZINE

LUBRIFICANTI

GASOLIO

CHEROSENE

naturali

artificiali

PETROLIO GREZZO

naturali

artificiali

torba

LIGNITE

LITANTRACE

antracite

COKE

AGGLOMERATI

Info

Il carbone fossile

È un combustibile utilizzato fin dalla antichità, fonte essenziale di Energia

È un combustibile solido naturale, originato centinaia di milioni di anni fa dalla fossilizzazione di intere foreste, rimaste sepolte nel sottosuolo

I carboni fossili sono delle rocce sedimentarie organiche, costituite da resti vegetali dai quali si sono progressivamente eliminati idrogeno e ossigeno, con conseguente arricchimento di carbonio

carbon

Si trova in giacimenti la cui profondità dipende dalla età del carbone stesso: i giacimenti più antichi sono anche i più profondi. A seconda della profondità il carbone può essere estratto in miniere:

+ a cielo aperto

+ sotterranee

La formazione del carbone

È il carbone più recente, perciò contine ancora molta acqua.È utilizzato come fertilizzante

60%

TORBA

70%

È il carbone più antico della torba, il processo di carbonizzazione è più avanzato ma non ancora concluso

LIGNITE

È un carbone più antico della lignite, utilizzato per produrre il carbone coke

82%

LITANTRACE

È il carbone più antico con un elevato potere calorifico

95%

ANTRACITE

carbon

Il petrolio

È attualmente la più importante risorsa energetica mondiale ed è importante materia prima dell'industria petrolchimica

È un combustibile liquido naturale, formatosi circa 300 milioni di anni fa dalla decomposizione di vegetali e animali marini, rimasti imprigionati nel sottosuolo tra strati di rocce impermeabili

La ricerca del petrolio

Il petrolio è una miscela di idrocarburi, risultato della trasformazione della materia organica che si è espansa tra gli interstizi della roccia madre, fino ad incontrare uno strato di roccia impermeabile, roccia trappola, che ne ha impedito la risalita

L'estrazione del petrolio

Il trasporto

La raffinazione del petrolio

La formazione del petrolio

Resti di piccoli organismi viventi, al termine del loro ciclo vitale, si depositano sul fondale e si mescolano ai sedimenti

Il petrolio risale verso l'alto fino ad incontrare della roccia impermeabile, che intrappola il petrolio formando un giacimento

Il miscuglio di sedimenti, acqua e sostanze organiche sprofonda e si compatta formando una roccia sedimentaria, che è ricoperta da altri sedimenti

All'interno della roccia madre, in assenza di ossigeno, i resti si decompongono formando una miscela oleosa di sostanza costituite da carbonio e idrogeno: il petrolio

La ricerca del petrolio

detta prospezione: richiede anni e l'impiego di tecnici specializzati, geologi e geofisici

METODO

PERFORAZIONE

ANALISI

CAROTAGGIO

L'estrazione del petrolio

All'inizio il petrolio esce in modo spontaneo, spinto dalla pressione a cui si trova il giacimento

Quando il pozzo ragiunge il giacimeno l'asta di perforazione vine tolta e sostituita con un tubo in acciaio

Quando la pressione naturale diventa insufficiente, il petrolio viene pompato attivamente attraverso pompe aspiranti

Quando le pompe non aspirano più si iniettata acqua nel giacimento che spinge verso l'alto il petrolio rimasto

Sulla testa del tubo da cui sgroga il petrolio viene fissato un apparecchio chiamato albero di natale, dotato di valvole per regolare la fuoriuscita del petrolio

L'estrazione del petrolio in mare

Visto che il petrolio può trovarsi nelle rocce della terra ferma come in quelle che si trovano in fondo agli oceani, gli impianti di estrazione devono essere distiniti in on-shore e impianti off-shore.

Esistono molte tipologie di impianti di estrazione off-shore.

Le piattaforme si differenziano in base alle caratteristiche e profondità dei fondali che devono raggiungere ed alle condizioni climatiche in cui devono lavorare

Il trasporto del petrolio

Il petrolio estratto subisce una serie di trattamenti per eliminare le sostanze estranee

Il petrolio viene stoccato in serbatoi di acciaio dotati di impianti di raffreddamento, antincendio e di un bacino di contenimeno in caso di rottura, nell'attesa di essere trasportato ai luoghi di raffinazione o di consumo

II trasporto del petrolio può avvenire attraverso:

Petroliere o navi cisterna

Oleodotti

sui ripiani vi sono della campane di gorgogliamento per il passaggio del vapore.Ogni idrocarburo ha una sua temperatura di condenzazione. I vapori di petrolio raggiungendo i ripiani a diverse temperature condensano

campane

03

consente di suddividere la miscela petrolio in sottoprodotti che poi verranno impiegati in campo energetico e industiale

La raffineria

i vapori di petrolio salgono lungo la torre di frazionamento, alta anche 80 m.Salendo verso l'alto la temperatura diminuisce progressivamente I vari livelli della torre sono separati da ripiani orizzontali

torre

02

il petrolio greggio viene introdotto in un forno a serpentina dove viene fatto evaporare intorno ai 350-380°C

forno

01

a ciascun livello della torre ci sono della tubazioni che convogliano in serbatoi esterni i prodtto di distillazione

tubazioni

04

La distillazione frazionata

Gli idrocarburi non convenzionali

Risorse petrolifere formate da varie sostanze organiche ad alta densità che si trovano intrappolate in giacimenti a bassissima porosità e che non fluiscono liberamente negli interstizi della roccia e la cui l'estrazione richiede una complessa tecnologia

gas shale

oil shale

È una particolare miscela formata da sabbia, argilla, acqua e bitume allo stato solido o semi-solido, da cui si estrae un petrolio grezzo. Il metodo di estrazione dipende dalla profondità del giacimento: se è ad una profondità non eccessiva si procede con uno scavo a cielo aperto; per maggiori profondità si utilizza il metodo del fracking

Viene estratto trivellando verticalmente il sottosuolo.La trivella è fatta progressivamente deviare per proseguire con un foro orizzontale.Attraverso il fracking si provocano delle fratture nella roccia in modo da liberare il gas intrappolato che è così recuperato

+ Info

Il gas naturale

Il metano è attualmente il più importante combustibile gassoso e copre il 22% della produzione mondiale di energia

E' un combustibile che non ha odore e colore

E'un combustibile fossile prodotto da processi di decomposizione di sostanze organiche in assenza di ossigeno

Il gas naturale è una miscela di idrocarburi, principalmente metano e in misura minore propano, butano ed etano, e da sostanze gassose come anidride carbonica , azoto, idrogeno solforato.

La sua natura è legata al petrolio perciò è molto presente nelle regioni petrolifere, ma può trovarsi anche in zone povere o prive di petrolio.I gas tendono a spostarsi nel sottosuolo con maggiore facilità dei liquidi e si accumulano all'interno di rocce porose

La ricerca del gas naturale avviene con gli stessi mezzi e sistemi impiegati nella ricerca petrolifera

L'estrazione del gas naturale

Il trasporto

i gasi liquefatti del petrolio

Thanks!

Don’t forget to study!

Gli agglomerati di carbone fossile

Sono elementi dalle dimensioni particolari (ovuli o mattonelle) ottenuti sotto pressione o a caldo con aggiunta di una sostanza legante, in genere catrame. Sono più densi e meno fragile del carbone di legna.

Percorso ambiente

I rischi ambientali dell'uso del fracking

La tecnica del frackin è molto discussa, ha suscitato numerose perplessità all'interno della comunità scientifica, in quanto presenta diversi problemi di carattere ambientale:

• un grande consumo di acqua, che deve essere trasportata nei luoghi di estrazione e, una volta utilizzata, deve essere trattata per non riversare nell'ambiente sostanze inquinanti;
• l'utilizzo di sostanze chimiche inquinanti: circa il 20% dell'acqua e delle sostanze chimiche presenti in essa rimane nel sottosuolo, contaminandolo;
• il rischio di provocare terremoti in seguito alla frantumazione delle rocce;
• il grande consumo di suolo: i terreni al di sotto dei quali si interviene con il fracking possono essere contaminati perciò non posso essere più utilizzati per altri scopi

Il PICCO di produzione del PETROLIO

Il Picco del Petrolio (Peak Oil) è il momento in cui la produzione petrolifera di una regione, di una nazione o del mondo dovrebbe raggiungere il suo massimo. Dopo questo punto, essa declina inesorabilmente, con pesanti conseguenze sulla disponibilità di energia. Nel 1956 lo scenziato M. King Hubbert diffuse un importante studio con il quale predisse "l'inizio della fine". Hubbert predisse che il picco sarebbe arrivato intorno al 1970. Ed è esattamente quello che è successo.

• Le teorie di Hubbert, all'inizio criticate, sono state riprese da altri studiosi che hanno considerato anche riserve di petrolio che negli anni di Hubert non erano ancora sfruttare e il picco si è spostato in avanti di qualche decina di anni.

Attualmente le previsioni fatte alcuni anni fa sono state disattese grazie all'innovazione tecnologica e a nuove tecniche estrattive.

I pareri degli studiosi e le stime sulla riserve non danno indicazione certa di quando avverrà il picco

Gli idrocarburi

Sono composti chimici formati da idrogeno e carbonio, cui possono aggiungersi ossigeno, azoto e zolfo. Sono molte migliaia e tutti combustibili, cioè bruciano combinandosi con l'ossigeno sviluppando calore (Energia termica). La maggior parte degli idrocarburi sono liquidi e sono quelli che si miscelano formando i vari tipi di petrolio. Gli idrocarburi dalle molecole più semplici sono gassosi, quelli più complessi hanno molecole più pesanti e sono solidi, come la naftalina e la paraffina.

carbon

hydrogen

La perforazione

Si scavano pozzi di prospezione per prelevare campioni di petrolio e capire quanto è esteso e ricco il giacimento. Si scava un certo numero di pozzi oportunamento distanziati. La perforazione inizia con l'installazione di una torre a traliccio (derrick) alta 50 metri che regge la colonna di perforazione.

Le rocce vengono perforate con uno scalpello rotante, collegto al motore da un sistema di aste cave (tubi in acciaio avvitati uno all'altro), creando una buca di 1 m di diametro e pronfonda fino a 7-8 km.

Durante la perforazione si usano particolari fanghi bentonitici.I fanghi iniettati all'interno dello scavo, risalendo lungo il condotto, portano in superficie i detriti, evitano gli smottamenti, il surriscaldamento dello scalpello e eventuali esplosioni dovute alla presenza di gas naturale.

Se lo sfruttamento del giacimento è giudicato conveniente, si passa all'estrazione.

Miniere a cielo aperto

Quando il giacimento si trova ad una profonità inferiore ai 30 m

Dopo aver asportato il terreno di superficie, giganteschi escavatori, in grado di scavare ogni giorno anche 100.000 tonnellate di materiale, asportano e frantumano gli strati di carbone. A mano a mano che viene estratto il carbone, la miniera si allarga finchè non si esaurisce. Il carbone estratto viene inviato alla centrali termoelettiche o alle industrie di trasformazione.

• lo scavo produce importanti modifiche al terriotorio
• le zone interessate dagli scavi perdono valore agricolo e forestale

Il carbone coke

La fusione industriale dei minerali del ferro inizialmente avveniva con semplice carbone fossile che, a causa delle impurità, rendeva il ferro poco resistente alle sollecitazioni. Nel 1709, l'ingegner Coke risolse il problema attraverso la distillazione del carbone, utilizzata ancora oggi con una tecnologia più avanzata. Il carbone naturale (litantrace) viene portato ad altissime temperature, liquefatto e, in assenza di aria, solidificato. Questo carbone è fonte di carbonio (92%) per le acciaierie e gli altiforni.

Tecnologia e sostenibilità

Luci e ombre sul gas naturale

Il gas naturale ha caratteristiche molto interessanti, specialmente perché può avere un ruolo importante nella transizione energetica, cioè nel progressivo abbandono del petrolio come principale fonte energetica.

A parità di potere calorifico, bruciando gas naturale si produce circa il 45% in meno di CO2 rispetto al carbone, 30% in meno rispetto ad altri derivati del petrolio e non rilascia residui come ceneri o microparticelle solide.

Il gas naturale è un pericolosissimo gas serra, 80 volte più impattante della CO2, causa del riscaldamento globale.

Durante l'estrazione dei gas naturali si disperde in atmosfera circa il 4% del gas, il 12% in caso di gas estratto con la tecnica del fracking.

Le torce o fiaccole sono ciminiere nelle quali vengono convogliati tutti gli sfiati delle valvole di sicurezza della raffineria di petrolio. Ogni parte dell'impianto deve lavorare ad una determinata pressione. Se la pressione aumenta si aprono della valvole per bruciare il gas in eccesso.

Le piattaforme off-shore

Possono essere galleggianti, che sembrano grandi navi senza motore ancorate al fondale in vari modi, oppure fissate al fondale, costruite a profondità di poche centinaia di metri, ancorate a enormi colonne di cemento o tralicci di acciaio. Ciò che emerge è solo una piccola parte della loro struttura.

Il trasporto del gas naturale

Dai pozzi di produzione il gas viene trasportato ai luoghi di consumo per mezzo di grandi condutture, gasdotti o metanodotti, oppure navi metaniere.

Per facilitare lo stoccaggio e il trasporto, il gas naturale viene portato allo stato liguido (LGN, Liquefied Natural Gas) per raffreddamento a - 160°C. Una volta raggiunto il porto di destinazione, viene riportato allo stato gassoso in impianti industriali chiamati rigassificatori

I paesi produttori di petrolio

I paesi piùricchi di petrolio si trovano in Medio Oriente (Iran, Iraq, Arabia Saudita e Kuwail), in America (USA, Messico e Venezuela) in Africa settentrionale (Algeria e Libia) e in Russia.Molti paesi industrializzati non dispongono di giacimenti di petrolio fruttabili e ricorrono quindi alle importazioni. L'Italia produce solo il 7% del petrolio che consuma.

Il carotaggio

Per confermare la presenza del petrolio in modo definitivo viene eseguito un prelievo della roccia con una particolare trivellazione.

Le roce che imprigionano gli idrocarduri sono rocce sedimentarie che hanno caratteristiche particolari e riconoscibili.

Analisi delle caratteristiche geologiche

Rilevamento aerofotografico

Per individuare l'area di interesse si ricorre a sofisticati strumenti collocati su aerei o satelliti attraverso i quali è possibile monitorare il terreno e rilevare la densità delle rocce superficiali ed eventuali inclinazioni a cui è stata sottoposta la roccia.

L'estrazione del gas naturale

Le tecnologie per l'estrazione del gas naturale sono simili a quelle per il petrolio. Quando la sonda di prospezione raggiunge il giacimento, il gas naturale fuoriesce a gran pressione.

Petroliere o navi cisterna

grandi navi che possono portare 500.000 tonnellate di petrolio per volta

Sono mezzi di trasporto molto inquinanti. In caso di incidente possono essere causa di veri e propri disastri ambientali. Per contenere il rischio dal 2015 è obbligatorio che le petroliere siano dotate di doppio scafo. Inoltre, l'operazione di lavaggio delle cisterne, operazione permessa in casi particolari o effettuta illegalmente, riversa in mare grandi quantità di petrolio

I gas liquefatti del petrolio

I gas liquefatti del petrolio o GPL sono idrocarburi gassosi (principalmente butano e propano), che raramente si trovano in natura ma che più comunemente derivano dalla distillazione del petrolio. Ai GPL vengono aggiunte delle sostanze dal odore penetrante, per renderli avvertibili in caso di perdite.

Sono utilizzati nell'industria e per uso domestico.Il GPL è molto utilizzato come carburante per automezzi; è sempre più diffuso perché di minor costo rispetto agli altri carburanti

Miniere sotteranee

Le miniere sotterranee possono raggiungere anche i 1000 m di profondità

Per raggiungere il giacimento si scavano condotti verticali (pozzi), l'estrazione avviene poi per mezzo di gallerie orizzontali.

• importanti rischi per la salute dei lavortori

Dove si trova il carbone nel mondo

La maggior parte delle riserve di carbone fossile si trovano dove un tempo erano presenti immense foreste: Europa centro-settentrionale; Russia; Stati Uniti; Cina; Australia; America Latina; Africa.

In Italia il carbone scarseggia ed è di scarsa qualità, per questo motivo, quasi tutto il carbone viene importato dall'estero.Si trova carbone fossile nelle miniere vicino Nuoro in Sardegna e in Valle d'Aosta, presso la Thuile.

Il fracking o fatturazione idraulica

Metodo con il quale si inietta un liquido per aumentare il livello di fatturazione delle rocce che tengono imprigionate buone quantità di idrocarburi

Individuato il giacimento, si scava un pozzo verticale fino a raggiungere la roccia contenente idrocarburi

A partire dal pozzo si esegue uno scavo orizzontale che percorre la roccia in lunghezza

Nello scavo orizzontale si iniettano potenti getti di acqua miscelata a sabbia e altre sostanza chimiche, frantumando la roccia e liberando gli idrocarburi

Gli idrocarburi liberi sono portati in superficie e raccolti per essere trasportati nei luoghi di lavorazione

Nuove frontiere

La spugna che cattura il petrolio

Uno dei principali rischi ambientali del petrolio riguarda gli incidenti che si possono verificare in mare, sulle piattaforme o durante il trasporto con le navi. In questi casi possono finire in mare centinaia di migliaia di tonnellate di petrolio in grado di contaminare le coste e causare la morte di pesci, uccelli e mammiferi. Negli ultimi anni alcuni ricercatori statunitensi hanno messo a putno Oleo Sponge, una particolare spugna che, a contatto con l'acqua è capace di assorbire il petrolio sia in superficie che in profondità, al di sotto delle onde. La spugna è ricoperta di molecole capaci di riconoscere e catturare le parti oleose caratteristichen degli idrocarburi. Può essere strizzata e utilizzata più volte.

Metodo sismico a riflessione

È la tecnica più utilizzata. Consiste nel far esplodere delle cariche poste a pochi metri di profondità per creare delle onde sismiche che si propagano nel sottosuolo: a seconda della consistenza delle rocce incontrate, queste vengono riflesse verso la superficie con velocità differenti. I movimenti delle onde sismiche sono registrati attraverso l’uso di particolari sensori (geofoni), in questo modo è possibile costruire una mappa del sottosuolo e valutare la possibilità che in quel sito ci sia un giacimento petrolifero.

Tecnologia per l'ambiente

Una start up che fa verdi le petroliere

Il trasporto marittimo rappresenta circa il 3% delle emissioni di CO2 nel mondo. Per ridurre il consumo delle petroliere è nata una start up che ha come obiettivo di ottimizzare le rotte che le petroliere devono percorrere e migliorare la manutenzione delle stesse. Il consumo di carburante dipende da molti fattori (velocità, correnti, direzione onde, ecc.) che possono essere registrati tramite sensori. Inoltre, grazie all'intelligenza artificiale è possibile stabilire quando è necessario ripulire lo scafo dalle alghe; un'imbarcazione sporca può consumare anche il 40% in più di carburante. Infine, grazie alle inforazioni metereologiche e satellitari, si potranno ottimizzare le rotte, in modo da ridurre i consumi attuali di carburante dal 10 al 20% in meno.

Oleodotti

tubazioni in cui il petrolio viene pompato sottopressione

Realizzati da una serie di tubi in acciaio, lunghi ciascuno fino a 12 m e diametro fino a 1, 5 m, gli oleodotti possono essere lunghi anche migliaia di chilometri. Gli oleodotti, sottoposti a forti sbalzi di temperatura, per resistere alle continue dilatazioni ed anche in caso di terremoto vengono realizzati a zig-zag. Rappresentano il mezzo di trasporto del petrolio più sicuro; in caso di rottura le tubazioni possono essere facilmente riparate con danni limitati all'ambiente