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El gas metano es al menos 23 veces más potente que el CO2 durante un periodo de 100 años. El gas metanos es al menos 72 veces más potente que el CO2 durante un periodo de 20 años. La mayor fuente individual de metano hoy es la ganadería.

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Descrizione

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Descrizione

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Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile costituito da una roccia sedimentaria di colore nero o bruno scuro. È estratto da miniere sotterranee o a cielo aperto. La formazione del carbone risale a circa 345 milioni di anni fa, quando un clima caldo e umido e un'elevata concentrazione di favorirono la crescita di alberi giganti: dopo la loro morte, provocata da inondazioni, si veniva a creare un ampio strato di legname, che non veniva degradato a causa dell'assenza di funghi e batteri specifici ancora non sviluppati, coperto poi da vari strati di altri sedimenti che lo sottoponevano a pressioni elevate e all'assenza di ossigeno. Questo continuo processo ha portato alla formazione di quelli che conosciamo come carboni fossili.

È un combustibile pronto all'uso, composto principalmente da carbonio e contiene tracce di idrocarburi, oltre a vari altri minerali assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. L'inizio del suo massiccio sfruttamento è spesso associato alla Rivoluzione industriale, e ancora oggi rimane un combustibile molto importante: viene prodotta usando il carbone un quarto dell' elettricità mondiale, circa la metà dell'elettricità negli Stati Uniti e circa il 10% in Italia. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto, quali le locomotive e le navi a vapore, per azionare le macchine a vapore delle industrie (nel corso dell'Ottocento e della prima parte del Novecento) e per il riscaldamento degli edifici.

L'uso del carbone per la produzione di energia è globalmente uno dei fattori principali dell'emissione antropica di anidride carbonica nell' atmosfera terrestre, principale causa dell' effetto serra e del surriscaldamento globale. Dal carbone si può ottenere il carbone attivo usato in chimica. Inoltre dal lavaggio del gas di carbone si ottiene come sottoprodotto il catrame di carbone.

La parola carbone deriva dal latino carbo, -onis (accusativo "carbonem" > volgare: carbone(m)), simile al greco karpho (καρφω), che significa "rendere asciutto, arido". La radice indoeuropea car significa "ardere". Il carbone non fu estratto che a partire dal tardo Medioevo.

Sezione lungo una miniera che mostra l'occorrenza dei banchi di carbone, ben visibili come neri livelli con spessore metrico, intercalati con altri strati di roccia sedimentaria più chiara

Dalle osservazioni paleontologiche, stratigrafiche e sedimentarie si è concluso che il carbone si sia formato prevalentemente a partire da piante cresciute in ecosistemi paludosi. Quando queste piante morirono, la loro biomassa si depositò in ambienti subacquei anaerobici in cui il basso livello di ossigeno presente prevenne il loro decadimento, impedì l' ossidazione, la decomposizione e il rilascio di biossido di carbonio. La nascita e la morte di generazioni successive di piante formarono spessi depositi di materia organica lignea non ossidata, in seguito ricoperti da sedimenti e compattati in depositi carbonacei come torba, bitume o antracite. Indizi sul tipo di piante che hanno originato un deposito possono essere rintracciati nelle rocce scistose o nell' arenaria che lo ricopre o, con tecniche particolari, nel carbone stesso.

L' era geologica durante la quale si formò la maggior parte dei depositi di carbone attualmente conosciuti nel mondo è il Carbonifero, fra i 280 e i 345 milioni di anni fa. Si tratta dell'era che vide l'esplosione della vita vegetale sulla terraferma e che ha preso il nome proprio per l'abbondanza di questi giacimenti originatisi rinvenibili entro formazioni geologiche appartenenti a questo periodo.

Il carbone è una delle principali fonti di energia dell'umanità. Nel 2010 circa il 40% dell'energia elettrica mondiale è stata prodotta nelle centrali a carbone e le riserve accertate ammontavano ad almeno 300 anni di produzione.

Dal carbone è possibile ottenere altri tipi di combustibile più facilmente trasportabili e con un maggior rendimento; i processi normalmente utilizzati per raffinarlo sono la gassificazione e la liquefazione.

In passato è sto utilizzato anche per il riscaldamento domestico e per la locomozione di treni e navi.

Il carbone può essere convertito anche in combustibili liquidi come benzina o gasolio, attraverso svariati procedimenti. Il processo Fischer-Tropsch di sintesi indiretta di idrocarburi liquidi fu usato nella Germania nazista e per svariati anni in Sudafrica; in entrambi i casi la motivazione fu l'isolamento politico di questi regimi che erano impossibilitati ad acquistare petrolio greggio sui mercati internazionali. Il carbone veniva gassificato in modo da produrre una mistura purificata e bilanciata di CO e H ₂, che veniva poi fatto condensare utilizzando un catalizzatore Fischer-Tropsch per produrre idrocarburi leggeri, poi trasformati in benzina e gasolio. Inoltre il Syngas può essere convertito in metanolo, un ulteriore combustibile o additivo per carburanti, che può essere ulteriormente riconvertito in benzina tramite il processo M-gas della Mobil.

Un ulteriore procedimento per ottenere idrocarburi liquidi dal carbone è la low temperature carbonization (LTC), o carbonizzazione a bassa temperatura. Il carbone viene trasformato in coke a temperature fra i 450 e i 700 °C, invece degli 800-1000º del coke utilizzato in metallurgia. Questa temperatura facilita la produzione di catrami più ricchi di idrocarburi leggeri dei catrami normali. Il catrame viene poi trasformato in combustibile. Questo processo fu sviluppato da Lewis Kerrick, un tecnico specializzato in argilliti petrolifere, all'ufficio minerario degli Stati Uniti negli anni 1920.

Tutti questi metodi di produzione di combustibile liquido rilasciano CO ₂ ( anidride carbonica). L'isolamento della CO ₂ è auspicabile, per evitare che venga rilasciata nell'atmosfera contribuendo all' effetto serra. Visto che la produzione di CO ₂ è uno dei flussi principali del processo, la sua separazione è più facile di quanto non sia possibile partendo dai gas prodotti dalla combustione del carbone con l' aria, nei quali la CO ₂ è miscelata con azoto e altri gas.

La liquefazione del carbone è una delle tecnologie che limitano la crescita del prezzo del petrolio. Le stime del costo della produzione di carburanti liquidi partendo dal carbone suggeriscono che essa diventi competitiva quando il prezzo del petrolio superi una certa soglia. Avendo tecnologie commercialmente mature, il vantaggio economico della liquefazione indiretta del carbone, rispetto a quella diretta, fu reso noto da William e Larson, nel 2003.

La grafitazione è un processo chimico di elettro-induzione che trasforma il carbone amorfo in grafite artificiale. Il processo avviene in forni alimentati in corrente continua ad altissima intensità.

La qualità dei combustibili, cioè la composizione chimica dei carboni è strettamente collegata al tempo trascorso per la loro formazione.

Catasta di torba.

Si è formata dalla decomposizione di vegetali in zone paludose con clima umido temperato o freddo poiché in climi caldi la velocità di evaporazione dell'acqua e la decomposizione veloce e totale non consentono la formazione di torba ad alte temperature. Alcune di queste zone sono la Terra del Fuoco, l'Irlanda, le Falkland, l' Islanda, la Germania, i Paesi Bassi e l' Austria.

Anche in Italia ci sono giacimenti di torba: sulle Alpi, in particolare colle del Moncenisio, passo del San Gottardo, colle del Piccolo San Bernardo, nelle valli del Brenta, del Piave, ad Alice Superiore presso Ivrea, a Iseo, Varese, Verona, Udine; alle foci di fiumi come Po, Adige, Arno, Tevere, essi ammontano a circa 36 milioni di tonnellate.

La percentuale di acqua appena estratta è piuttosto alta, circa 70-90%; essa può scendere per essiccamento all'aria per alcuni giorni fino a circa 50%, lasciando per settimane si arriva al massimo al 30%. Ottenerla artificialmente non è conveniente perché si consumano più di 20,3 MJ/kg (4850 kcal/kg) per produrre torba secca, ottenendo un prodotto con potere calorifico non superiore a 23,0 MJ/kg (5500 kcal/kg).

Lignite.

Il nome deriva dal latino lignum "legno" con il suffisso scientifico "-ite", indicante minerale. Ha un contenuto di carbonio di circa 70% e un potere calorifico di 18,8-25,1 MJ/kg (4500-6000 kcal/kg); la sua formazione risale a circa 80 milioni di anni fa. Questo carbone presenta ancora la struttura del legno da cui ha avuto origine. I giacimenti si trovano prevalentemente in superficie e pertanto viene estratto in miniere a cielo aperto. Non è un buon combustibile e quindi economicamente poco conveniente; viene di solito utilizzata per alimentare centrali elettriche o per produrre gas, ammoniaca, petrolio sintetico.

La lignite è un carbone fossile di formazione relativamente recente, originatosi da foreste del secondario e del terziario.

È un sedimento fossile, organico e combustibile; si presenta con colore da bruno a nero e pertanto viene chiamato anche carbone marrone.

La lignite possiede un'umidità relativa piuttosto elevata, mediamente superiore al 21% (può superare anche il 45%) e la sua carbonificazione non è mai del tutto completa, ciò ne fa un combustibile di limitato pregio.

Ha un potere calorifico superiore intorno a 23,9 MJ/kg (5700 kcal/kg), considerando la sostanza senza ceneri.

Il tenore di umidità è quello che si stabilisce ad una temperatura di 30 °C per un'umidità relativa dell'aria del 96%.

Questo combustibile è stato ampiamente utilizzato in tutta Italia fino agli anni cinquanta e sessanta, soprattutto per la produzione dell'energia elettrica necessaria alla nascente industria italiana.

È difficile da immagazzinare e trasportare perché presenta un forte rischio di combustione, e all'aria aperta tende a polverizzarsi.

Il calore generato dalla lignite varia fra i 9 e i 17 milioni di Btu/ton (da 10 a 20 MJ/kg), per materiale umido e privo di componenti minerali. Il calore generato da lignite degli Stati Uniti è in media di 13 milioni di Btu/ton (15 MJ/kg).

Le ligniti sono di tre tipi:

lignite picea, con tenore di umidità compreso tra 20 e 25% e tenore in ceneri da 9 a 13%;

lignite xiloide, con tenore di umidità da 40 a 70% e tenore in ceneri da 2 a 6%; in taluni giacimenti tale tenore può raggiungere il 13%. Tipica di questo tipo di lignite è la coltivazione a giorno;

lignite torbosa, con alto tenore di umidità e basso potere calorifico.

Alcune loro caratteristiche sono illustrate in tabella:

Grazie all'essiccamento all'aperto sotto tettoie si possono raggiungere concentrazioni di acqua del 20-25%.

L'uso principale è come combustibile, in focolai a griglie adatti a combustibili in pezzatura minuta o in impianti a combustibile polverizzati.

Per distinguere la lignite dal litantrace esistono alcuni saggi:

riscaldamento in assenza di aria: sviluppo di acido acetico (con litantrace si libera ammoniaca);

riscaldamento in diluito: si liberano gas che colorano il liquido in rosso (ossidrili fenolici);

riscaldamento in NaOH diluito: liquido bruno, per aggiunta di precipitano fiocchi bruni (acidi umici).

Litantrace.

Il litantrace è il carbone fossile inteso nel senso vero e proprio del termine. Il termine ha origine dal greco: λίϑος (lìthos) "pietra" e ἄνϑραξ (ànthrax) "carbone".

Ha un contenuto di carbonio tra il 75% e il 90% e un potere calorifico di 29,3-35,6 MJ/kg (7000-8500 kcal/kg); la sua formazione risale a circa 250 milioni di anni fa e si trova in strati compressi tra rocce di composizione diversa. È il carbone più diffuso in natura e il più utilizzato a livello industriale e per la produzione di energia elettrica. Da esso si ottiene anche il coke, un carbone artificiale compatto e resistente impiegato negli altiforni.

Duro e compatto, presenta in genere una percentuale di umidità molto bassa, dell'ordine del 2-3%, con un tenore di ceneri abbastanza piccolo, che di solito è del 3-7% e solo raramente raggiunge valori più elevati.

Aumentando il tempo di fossilizzazione, diminuisce la quantità di acqua: questo è un aspetto molto importante perché la presenza di acqua fa aumentare i costi di trasporto e diminuire il potere calorifico del carbone.

Secondo Gruner, le litantracee sono classificate in cinque grandi categorie in base a due proprietà fondamentali:

il tenore di sostanze volatili: litantraci a lunga fiamma: sostanze volatili > 25%; litantraci a corta fiamma < 25%

il potere cokificante: litantraci grasse: coke compatto e coerente e con elevato potere cokificante; litantraci magre: coke pulverulento e incoerente e con basso potere cokificante.

Il termine sostanze volatili indica quella frazione che in seguito al riscaldamento necessario per ottenere il coke viene eliminata sotto forma di composti gassosi.

La lunghezza della fiamma è in relazione con il tenore delle sostanze volatili che durante la combustione in parte distillano e poi bruciano, originando appunto a seconda della quantità fiamme più o meno lunghe.

I litantraci più pregiati sono i grassi a corta fiamma e i grassi propriamente detti da cui si può ricavare un coke relativamente poco poroso e dotato di elevata resistenza meccanica alla compressione.

Esso trova largo impiego nella produzione della ghisa a partire dai minerali di ferro e viene perciò chiamato coke siderurgico.

Il litantrace bituminoso è un carbone denso, generalmente nero, a volte marrone scuro, spesso con strisce ben definite di materiale chiaro e friabile, usato principalmente nelle centrali elettriche a turbina e in quantità non trascurabili per riscaldamento e in impianti di produzione per ottenere coke. Produce fumo durante la combustione e si decompone facilmente se esposto all'aria.

Il litantrace bituminoso è il carbone più prodotto negli Stati Uniti. Il suo tasso di umidità è inferiore al 20%, quando non addirittura del 12% per la qualità seaborne trade, adatta al trasporto via mare [chiarire: perché?].

Il suo potere calorifico varia dai 21 ai 30 milioni di Btu/ton (da 24 a 35 MJ/kg) per il materiale puro. Questa qualità di carbone negli Stati Uniti genera in media 24 milioni di Btu/ton (28 MJ/kg), allo stato grezzo.

Le proprietà di questo materiale sono intermedie fra quelle della lignite e del litantrace bituminoso. Viene utilizzato prevalentemente come combustibile nelle centrali elettriche a turbina, bruciando genera molto fumo e si polverizza abbastanza lentamente. Può variare a seconda del livello al quale viene estratto: cedevole al tatto, friabile, marrone scuro o nerastro negli strati inferiori, oppure più chiaro, legnoso e relativamente duro negli strati superiori.

Il litantrace sub-bituminoso può contenere umidità dal 20 al 30% del suo peso. Il calore generato da questo materiale varia dai 17 ai 24 milioni di Btu/ton (dai 20 ai 21 MJ/kg), partendo da materiale grezzo. La maggior produzione di litantrace sub-bituminoso degli Stati Uniti è il bacino del Powder River, nello Stato del Wyoming.

Antracite.

Il nome deriva dal greco ἄνϑραξ (ànthrax) "carbone" con il suffisso scientifico "-ite", indicante minerale. È il più antico carbone proveniente da resti vegetali preistorici; contiene una percentuale di carbonio pari al 90% e ha un potere calorifico di 35.6 MJ/kg (8500 kcal/kg). Questo tipo di carbone risale a circa 400 milioni di anni fa. Ha colore nero e lucentezza metallica, è un carbone duro e fragile e più pesante degli altri. Dà una fiamma corta, con poco fumo, sviluppa molto calore, essendo il carbone più antico è il più ricco di carbonio. L'antracite in Italia è di importazione e costosa e quindi viene poco utilizzata.

L' antracite è il carbone di qualità superiore, usato principalmente per il riscaldamento domestico. È duro, fragile e nero lucido, contiene un'alta percentuale di carbonio fissato e una bassa percentuale di materia volatile. L'umidità contenuta nell'antracite appena estratta è in genere inferiore al 15%. Il potere calorifico specifico dell'antracite pura varia dai 22 ai 28 milioni di Btu/ton (da 26 a 33 MJ/kg). L'antracite consumata negli Stati Uniti contiene in media 25 milioni di Btu/ton (29 MJ/kg).

A partire dal 1980 gli scarti e i detriti di antracite vengono usati per la generazione di energia elettrica. Gli scarti e detriti di antracite in media forniscono 15 milioni di Btu/ton (17 MJ/kg), o meno.

Il giaietto è un mineraloide ossia una forma naturale e compatta di lignite che perlopiù viene lucidata e utilizzata come pietra ornamentale sin dall' età del ferro.

Tipo di carbone prodotto da un processo di carbonizzazione della legna, tramite una carbonaia.

Forni a coke per siderurgia (Aberdare)

Coke

Il coke è un residuo solido carbonioso di litantrace bituminoso con bassi livelli di cenere e di solfuri, da cui le componenti volatili siano state estratte attraverso la cottura in forno alla temperatura di 1000 °C e in assenza di ossigeno. Questo procedimento permette di fondere il carbonio fisso con le ceneri.

È grigio, duro e poroso, e ha potere calorifico pari a 29,6 MJ/kg. I sottoprodotti della conversione del carbone in coke sono catrame o pece, ammoniaca, oli leggeri e "carbone gassificato", o " gas di cokeria".

Il coke è ottenuto da dei processi di raffinazione del petrolio e del litantrace in impianti chiamati cokerie, che solitamente fanno parte del complesso di un impianto siderurgico. La cokeria è composta da forni costituiti da una serie di celle rivestite internamente di mattoni refrattari silicei o silico-alluminosi, disposte l'una di fianco all'altra in batteria. Le celle hanno una forma stretta e allungata; sono larghe circa 0,40/0,60 m, alte 4-6 m e profonde 10-16 m.

Il carbone fossile viene chiuso ermeticamente nelle celle che vengono riscaldate dall'esterno con le fiamme di un gas che brucia nell'intercapedine tra una cella e l'altra. Il carbone rimane nelle celle alla temperatura di 1200-1300 °C per un tempo di 14-15 ore, durante il quale si libera di buona parte dello zolfo e delle materie volatili e acquista quelle caratteristiche di porosità e resistenza meccanica necessarie per il suo utilizzo nell'altoforno.

Mediamente per ogni 1000 kg di carbone fossile vengono ottenuti 300 Nm³ di gas, 700 kg di coke, 55 kg di idrocarburi pesanti e aromatici (naftalina, benzolo, catrame, acqua ammoniacale, coloranti, materie prime per l'industria farmaceutica, fertilizzanti, ecc.). Il gas è un ottimo combustibile, dato che ha un potere calorifico di 17/21 MJ/Nm³, e dopo un'adeguata depurazione viene utilizzato nello stesso stabilimento siderurgico come combustibile per la cokeria, per i ricuperatori Cowper, per la centrale termoelettrica, ecc. Il carbone fossile non può essere utilizzato in applicazioni metallurgiche, perché è compatto, friabile, ricco di zolfo e di materie volatili.

In virtù del suo alto potere calorifico, il coke è utilizzato come combustibile e come agente riducente nei forni fusori dei minerali metalliferi ( altoforni).

Potere calorifico: 30 MJ/kg

Massa volumica reale: 1,8-2,2 kg/dm³

Massa volumica apparente: 1 kg/dm³

Resistenza alla compressione: 1400-2000 N/m²

Pezzatura alla compressione: 20-60 mm

Il carbone di storta si forma sulle parti alte delle storte in cui avviene la distillazione di carbone fossile.

Miniera di carbone a cielo aperto (Wyoming)

1908: ragazzi minatori e muli in una galleria di miniera di carbone

Nel 1996 è stato stimato che le riserve mondiali di carbone economicamente accessibile con le tecniche minerarie conosciute oggi ammontino a circa 15 bilioni di tonnellate, la metà delle quali di antracite. L'energia contenuta nel carbone di tutto il mondo supera ampiamente i 10 trilioni di yottajoule. Con l'attuale ritmo di consumo si stima che le riserve dureranno poco meno di 300 anni. Il Dipartimento per l'Energia degli Stati Uniti stima le riserve nazionali in 1.081.279 milioni di tonnellate, corrispondenti a circa 4.786 BBOE (barili di petrolio equivalenti). La quantità di carbone bruciata nel corso del 2001 ammonta a 2,337 GTOE ( gigatonnellate equivalenti di petrolio), corrispondenti a 46 MBOED (milioni di barili di petrolio equivalenti giornalieri). A questo andamento le riserve dureranno 285 anni. In confronto, nel corso del 2001, il gas naturale fornì 51 MBOED, e il petrolio 76 MBD (milioni di barili al giorno). La nazione con il maggior consumo di carbone è la Cina, la cui produzione e consumo di petrolio è in crescita continua dal 2000. Nel 2012 la Cina estraeva il 46% della produzione mondiale di carbone e consumava il 49% della produzione mondiale, in gran parte per produrre corrente elettrica necessaria al suo sviluppo economico. Più in generale il 90% della produzione mondiale di carbone è fornita da dieci paesi, con gli USA al secondo posto che estraggono il 12% del totale mondiale dietro la Cina; sul piano del consumo l'85% del carbone viene consumato da dieci paesi, di cui otto fanno parte del gruppo dei maggiori produttori, gli USA sono il secondo produttore consumando l'11% della produzione mondiale.

Pericolosità delle miniere

Le miniere a cielo aperto hanno un enorme impatto ambientale. Invece quelle tradizionali solitamente si spingono a più di 200 metri di profondità, in cunicoli polverosi e con temperature intorno ai 30 °C. Questo comporta, anche con le più moderne tecnologie minerarie, forti rischi per la salute dei minatori e una considerevole mortalità, sia per la possibilità di contrarre malattie come la Ogni anno, solo in silicosi, sia per il verificarsi di incidenti dovuti all'incendio dei gas prodotti dal carbone, innescati anche solo da una piccola scintilla. Cina, muoiono più di 5000 minatori [senza fonte]; nonostante questo, alcuni enti elettrici continuano a favorire il lavoro dei minatori per poter così acquistare il carbone a un prezzo più basso che nel resto del mondo.

Il carbone è una fonte di carbonio naturale. La principale fonte rimane comunque il petrolio. Le tecnologie moderne sembrano dimostrare che da questo elemento si possano ricavare prodotti chiave per lo sviluppo, come le fibre di carbonio e le nanostrutture.

Tecnologie non ancora collaudate consentirebbero di sfruttare le miniere di carbone esistenti per produrre combustibile in modi alternativi, ad esempio recuperando il metano generato dalla decomposizione del carbone. Questo consentirebbe di ottimizzare la quantità di carbonio estratto da una miniera e nel frattempo limitare il rilascio del gas nell' atmosfera e il conseguente effetto serra. Questo comporterebbe anche la custodia degli impianti dismessi, prevenendo l'innesco di giganteschi incendi sotterranei che oggi, in tutto il mondo, sono fonte considerevole di inquinamento, gas serra e gas tossici.

È possibile effettuare un' analisi elementare per valutare la composizione percentuale nei vari elementi costituenti (% di C, H, N, S, ...).

Un altro tipo di analisi è quella cosiddetta immediata, cui fanno riferimento i contratti commerciali e i requisiti di qualità; tra queste ci sono la percentuale di acqua, di sostanze volatili e di ceneri.

La percentuale di acqua (% H ₂O) si determina come perdita in peso a 105 °C; la percentuale di sostanze volatili (% S.V.) si determina come perdita in peso a 950 °C; infine la percentuale di ceneri si determina come residuo dopo calcinazione. Si effettuano anche misure della plasticità e della resistenza meccanica quali l'indice di libero rigonfiamento, il potere agglutinante e il potere agglomerante.

L'indice di libero rigonfiamento (i.l.r.) si misura dopo riscaldamento ad 820 °C confrontando il residuo con un profilo di riferimento.

Il potere agglutinante (p.a.) si determina riscaldando il campione polverizzato e disperso in un materiale inerte; si ottiene un materiale cementato di cui si misura la resistenza meccanica: si misura l'attitudine del carbone a cementare a sé materiali inerti. È indice della compattezza e resistenza del coke ottenibile.

Il potere cokificante è l'attitudine del carbone, scaldato in assenza di aria, ad aumentare di volume formando una massa porosa. Si effettua scaldando il campione a 600 °C e valutando forma e consistenza del residuo.

Esistono diversi tipi di carboni fossili che si differenziano a seconda dell'età ( carbogenesi): il più antico è l' antracite, quindi litantrace, poi lignite e il più giovane, la torba.

Il loro potere calorifico aumenta da torba ad antracite, mentre il rapporto H/C è sempre più piccolo:

Inizialmente si ha una reazione endotermica (~ 150 °C) con perdita di acqua e formazione di una fase instabile M.

Tra 350 e 500 °C si ha la rottura dei legami intermolecolari, lo sviluppo di CH ₄ e H ₂ (fase G1) derivanti dalla rottura dei legami pendenti, formazione di radicali nel residuo solido e loro ricombinazione.

Si formano quindi dei prodotti di decomposizione liquidi che fungono da lubrificante per il resto del solido: si forma il cosiddetto semicoke (R), un materiale rigonfiato che si forma per solidificazione della massa solida molle.

Tra 600 e 700 °C si ha un'altra depolimerizzazione, che continua fino a 900-1000 °C, con sviluppo di un secondo gas G2 (NH ₃ acquosa, catrame, altri prodotti) e formazione di un solido S, il coke.

Infine si ha la risolidificazione di S, con sviluppo di calore, dovuta alla fusione totale con distruzione della struttura originaria del carbone: questa presenta unità aromatiche condensate disposte a strati, con formazione di piani paralleli a tratti.

All'inizio del processo di cokificazione (80% di C) si ha una "struttura aperta", caratterizzata da strati brevi, legami intermolecolari e struttura porosa. Durante il processo, quando gli idrocarburi lubrificano la massa, si ha una "struttura liquida" (89% C) con strati più orientati e diminuzione dei legami intermolecolari e della porosità. Alla fine si ha una "struttura antracitica" (94% C) che presenta strati più estesi e più orientati e pori di forma allungata tra pacchetti di strati.

La combustione del carbone, come quella di ogni altro composto del carbonio, produce anidride carbonica (CO ₂), monossido di carbonio, anidride solforosa e ossidi di azoto. Per ridurre le emissioni sono state proposte tecniche di "sequestro" della CO₂, anche se queste applicazioni sono ancora in fase di approfondimento e messa a punto in numerosi paesi avanzati (Stati Uniti, Germania, Regno Unito, Italia, Giappone, ecc.), causa l'elevato costo che queste tecnologie richiedono per un'applicazione in larga scala.

L'anidride solforosa reagisce con l' acqua, formando acido solforoso. Quando l'anidride solforosa viene rilasciata nell'atmosfera, reagisce con il vapore acqueo ed eventualmente torna sulla terra in forma di pioggia acida. Per evitare questo, le moderne centrali sono equipaggiate con sistemi di desolforazione e denitrificazione, oltre che di filtrazione dei fumi post-combustione, per ridurre l'emissione di particolato in atmosfera.

Queste tecnologie hanno spostato la pressione inquinante di questi impianti: non sono più gli ossidi di azoto e di zolfo il problema più rilevante, ma l'emissione di monossido di carbonio e di metalli pesanti. Infatti la combustione del carbone a basso tenore di ossigeno, nelle caldaie ipersupercritiche, riduce ulteriormente e alla fonte l'emissione di ossidi di zolfo (SOx) e azoto (NOx), incrementando però d'altra parte inevitabilmente l'emissione di monossido di carbonio, il cui ruolo nella genesi delle malattie cardiovascolari i è oramai ben noto, e il volume di carbone che ogni anno è possibile incenerire senza superare i limiti emissivi dei NOx e SOx.

Le emissioni della combustione di carbone in centrali elettriche rappresentano così, oltre alla più grande fonte artificiale di anidride carbonica, anche quella di monossido di carbonio.

Tra le emissioni della combustione del carbone ci sono i metalli pesanti. Il carbone minerale può contenere, oltre allo zolfo, anche tracce di metalli pesanti quali nichel, cadmio, vanadio, piombo, mercurio, cromo e arsenico, di alogeni, in particolare fluoro, cloro e i loro composti, e di materiali naturalmente radioattivi. La combustione del carbone è considerata tra le principali fonti di emissione antropogenica di Arsenico e Mercurio. Le ceneri leggere (fly ash) e altri rifiuti di una centrale a carbone rilascerebbero nell'area circostante una quantità di radiazioni 100 volte superiore a quella di un impianto nucleare a parità di energia prodotta,.

Secondo uno studio commissionato da Greenpeace all'istituto di ricerca indipendente non-profit SOMO, L'impatto ambientale della combustione del carbone è indicato come responsabile di 366 morti premature ogni anno in Italia.

Il carbone viene associato al segno astrologico del Capricorno[senza fonte].
Veniva portato indosso dai ladri come protezione dall'individuazione e come aiuto alla fuga durante gli inseguimenti.[senza fonte]
Fa parte di rituali popolari associati alla notte di capodanno.
Sognare il carbone ha vari significati nella Smorfia napoletana secondo l'azione in cui è coinvolto.
La Befana lascia un sacchetto di carbone, al posto dei regali, ai bambini che si sono comportati male durante l'anno.

1. ^ () Ultra-clean fuels from coal liquefaction: China about to launch big projects , su findarticles.com. URL consultato il 2 dicembre 2008.

2. ^ EIA: China produces, consumes almost as much coal as world combined , su pennenergy.com. URL consultato il 21 maggio 2014 (archiviato dall'url originale il 21 maggio 2014).

3. I più gravi disastri minerari avvenuti in Europa (^ Courrières, 1099 vittime) e negli Stati Uniti d'America (Monongah, 362 vittime) sono accaduti in miniere di carbone, entrambi nel 1907

4. ^ P. Collart, Y. Coppieters e G. Mercier, [Association of air-pollution with acute myocardial infarction: A case-crossover study] , in Revue D'epidemiologie Et De Sante Publique, Mar 23, 2015, DOI:10.1016/j.respe.2014.12.020. URL consultato l'8 aprile 2015.

5. ^ Prashant Agrawal, Anugya Mittal e Rajiv Prakash, Assessment of contamination of soil due to heavy metals around coal fired thermal power plants at Singrauli region of India , in Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, vol. 85, n. 2, Aug 2010, pp. 219-223, DOI:10.1007/s00128-010-0043-8. URL consultato l'8 aprile 2015.

6. ^ F. Hasani, F. Shala e G. Xhixha, Naturally occurring radioactive materials (NORMs) generated from lignite-fired power plants in Kosovo , in Journal of Environmental Radioactivity, vol. 138, Dec 2014, pp. 156-161, DOI:10.1016/j.jenvrad.2014.08.015. URL consultato l'8 aprile 2015.

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carbone , su Treccani.it - Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.

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Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile costituito da una roccia sedimentaria di colore nero o bruno scuro. È estratto da miniere sotterranee o a cielo aperto.

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Descrizione

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Il petrolio (dal termine tardo latino petroleum, composto da petra "roccia", e oleum "olio", cioè "olio di roccia") è una miscela liquida di vari idrocarburi, in prevalenza alcani, che si trova in giacimenti negli strati superiori della crosta terrestre, ed è una fonte primaria energetica della modernità.

Chiamato anche oro nero, è un liquido viscoso, infiammabile, di colore che può variare dal nero, che è il più frequente, al verde scuro. È detto greggio, oppure grezzo, il petrolio che viene estratto dai giacimenti, prima di subire qualsiasi trattamento per trasformarlo in prodotto lavorato.

La parola greca νάφθας, náphthas, o νάφθα, , fu utilizzata inizialmente per indicare il fiammeggiare tipico delle emanazioni petrolifere.

I popoli dell'antichità conoscevano i giacimenti di petrolio superficiali, e li utilizzavano per produrre medicinali (con funzioni lenitive e lassative) e bitume o per alimentare le lampade.

Non mancarono anche gli usi bellici del petrolio. Già nell', Omero narra di un " fuoco perenne" lanciato contro le navi greche. Il " fuoco greco" dei bizantini era un'arma preparata con petrolio, una miscela di olio, zolfo, resina e salnitro, che non poteva essere spenta dall' acqua; questa miscela era cosparsa sulle frecce o lanciata verso le navi nemiche per incendiarle.

Il petrolio era conosciuto anche nell'antico Medio Oriente. Marco Polo, nel , parla del petrolio con le seguenti parole:

Il petrolio venne introdotto in Occidente soprattutto come medicinale, in seguito all'espansionismo arabo. Le sue doti terapeutiche si diffusero con grande rapidità e alcune fonti d'olio a cielo aperto, come l'antica Blufi (santuario della "Madonna dell'olio") e Petralia in Sicilia, divennero noti centri termali dell'antichità.

Nonostante la coniazione del termine "petrolio" sia spesso attribuita al mineralogista tedesco Georg Bauer (1494-1555), che lo adottò nel suo trattato del 1546, ci sono evidenze che sia stato coniato cinque secoli prima dal filosofo e scienziato persiano Avicenna.

In Birmania nella zona dello Yenangyaung il petrolio trasuda in superficie e resoconti scritti ne certificano il suo sfruttamento e commercio a livelli industriali almeno dal 1700, quando rappresentava la fonte primaria di entrate della dinastia Konbaung, nel 1885 gli inglesi invasero il Paese e lo sfruttamento passò alla Burma-Shell.

Vignetta pubblicata su Vanity Fair nel 1861 mostrante capodogli che festeggiano l'avvento dei pozzi petroliferi, la cui produzione blocca la loro caccia per ottenere la carne blubber da cui produrre l'olio di balena, sostituito dal petrolio

Il tempio del fuoco di Baku, c. 1860

Sulla penisola di Abşeron ( Azerbaigian) in riva al Mar Caspio già nel 1593 viene descritto un pozzo scavato manualmente di 35 m. a Balakhani, successivamente qui, su uno dei più grandi giacimenti mondiali, i russi hanno costruito la prima raffineria nel 1837.

Nonostante il precedente russo, l' industria petrolifera moderna viene fatta risalire negli anni 1850 negli Stati Uniti (nei pressi di Titusville, Pennsylvania), per l'iniziativa di Edwin Drake. Il 27 agosto 1859 venne aperto il primo pozzo petrolifero redditizio del mondo. L'industria crebbe lentamente durante il 1800 e non diventò di interesse nazionale (USA) fino agli inizi del ventesimo secolo; l'introduzione del motore a combustione interna fornì la domanda che ha poi largamente sostenuto questa industria. I primi piccoli giacimenti in Pennsylvania e in Ontario si esaurirono velocemente portando ai "boom petroliferi" in Texas, Oklahoma, e California. Altre nazioni avevano considerevoli riserve petrolifere nei loro possedimenti coloniali, e incominciarono ad utilizzarli a livello industriale.

Sebbene negli anni cinquanta il carbone fosse ancora il combustibile più usato nel mondo, il petrolio cominciò a soppiantarlo. Agli inizi del ventunesimo secolo circa il 90% del fabbisogno di combustibile era coperto dal petrolio. In conseguenza della crisi energetica del 1973 e di quella del 1979 nacque l'interesse nella pubblica opinione sui livelli delle scorte di petrolio, portando alla luce la preoccupazione che, essendo il petrolio una risorsa limitata, essa fosse destinata a esaurirsi (almeno come risorsa economicamente sfruttabile).

Il prezzo di un per fare un esempio: se un barile aumenta di un dollaro, negli Tuttavia il re dell' barile di petrolio è aumentato dagli 11 dollari del 1998 a circa 147, per poi ripiegare (a causa della recessione globale, ma anche delle "prese di beneficio" degli speculatori), fino a 45 nel dicembre 2008. In seguito le quotazioni del greggio hanno ripreso a crescere per consolidarsi al di sopra dei 100 dollari nel marzo 2011. Data l'elevata volatilità del prezzo di un barile, l' OPEC ha preso in valutazione di tagliare la produzione per far aumentare i costi dell'oro nero ( Emirati Arabi Uniti arrivano oltre 100 milioni di dollari di guadagni [senza fonte]). Arabia Saudita ʿAbd Allāh si è detto disponibile ad aumentare l'estrazione di petrolio per riportarlo ad un prezzo ragionevole [senza fonte].

Il valore del petrolio come fonte di energia trasportabile e facilmente utilizzabile, usata dalla maggioranza dei veicoli ( automobili, camion, treni, navi, aeroplani) e come base di molti prodotti chimici industriali, lo rende dall'inizio del XX secolo una delle materie prime più importanti del mondo. L'accesso al petrolio è stato uno dei principali fattori scatenanti di molti conflitti militari, tra cui la guerra del Golfo. La maggior parte delle riserve facilmente accessibili è collocata nel Medio Oriente, una regione politicamente instabile.

L'utilizzo antropico dei derivati del petrolio è la causa del riscaldamento globale, ed i rifiuti da esso derivati rappresentano la prima fonte d'inquinamento ambientale. Esistono e sono continuamente allo studio fonti alternative e rinnovabili di energia. Il processo di sostituzione del petrolio come fonte di energia a favore di altre forme di produzione energetica compatibili con la vita sul pianeta Terra, prende il nome di Transizione Energetica.

Proprietà del greggio

Il greggio è un liquido viscoso di colore variabile dal giallo chiaro al marrone scuro o verdastro, e nella sua quasi totalità la sua densità relativa è inferiore a 1, cioè ha un peso specifico minore dell' acqua.

Il colore risulta essere più scuro nei greggi che contengono idrocarburi con peso molecolare medio più elevato. Al peso molecolare medio dei componenti sono legate anche la sua densità e la sua viscosità, in quanto più elevato risulta il peso molecolare medio più il greggio risulta denso e viscoso.

Dal punto di vista chimico, il greggio è un' emulsione di idrocarburi (cioè composti chimici le cui molecole sono formate da idrogeno e carbonio) con acqua ed altre impurità.

È costituito principalmente da idrocarburi appartenenti alle classi degli alcani ( lineari e ramificati), cicloalcani e in quantità minore idrocarburi aromatici. La percentuale di questi idrocarburi varia a seconda del giacimento petrolifero da cui viene estratto il petrolio: considerando una media a livello mondiale, un petrolio tipico contiene il 30% di paraffine, il 40% di nafteni, il 25% di idrocarburi aromatici, mentre il restante 5% è rappresentato da altre sostanze; nel caso di petroli ad elevato contenuto di alcani si parla di "petroli paraffinici", mentre i petroli ad elevato contenuto di cicloalcani vengono detti "petroli naftenici". I petroli paraffinici sono più abbondanti nelle zone più profonde del sottosuolo, mentre i petroli naftenici sono più abbondanti nelle zone più vicine alla superficie.

Sono presenti inoltre composti solforati ( solfuri e disolfuri), azotati ( chinoline) e ossigenati ( acidi naftenici, terpeni e fenoli), in percentuale variabile anche se la loro percentuale in massa, complessivamente, difficilmente supera il 7%.

Data l'elevata complessità di tale miscela, per definire la composizione di un particolare petrolio, anziché indicare le sostanze che lo costituiscono, spesso si preferisce indicarne la composizione elementare, che è rappresentata principalmente da carbonio e idrogeno, essendo il petrolio una miscela costituita prevalentemente da idrocarburi.

In percentuale, è composto all'85% circa da carbonio, 13% circa da idrogeno e per il restante 2% circa da altri elementi.

La tabella seguente mostra gli intervalli di composizione (espressi come percentuali in peso) dei singoli elementi che costituiscono tipicamente un particolare petrolio:

Gli altri elementi presenti nel petrolio sono principalmente eteroatomi, quali ad esempio lo zolfo (0,05-8%wt, talvolta sotto forma di ), l' azoto (0,02-1,3%wt) e l' ossigeno (0,05-3%wt). Sono inoltre presenti atomi metallici in quantità modeste, sia combinati con i composti organici, sia in sali disciolti in tracce d'acqua (quali nichel, vanadio, molibdeno, cobalto, cromo, cadmio, piombo, arsenico e mercurio), tuttavia per la lavorazione in raffineria bisogna tenere conto della loro presenza, in quanto molti processi usano catalizzatori che vengono inibiti da tali metalli. Inoltre i prodotti finali (generalmente i tagli più pesanti come il gasolio), risultandone più "ricchi", producono maggiori ceneri e particolato.

Esistono centinaia di petroli diversi. Essi si differenziano per i differenti rendimenti, il tenore in zolfo, in metalli pesanti ed in funzione della loro acidità. Frequentemente (ma questa non è una regola) i grezzi più pesanti sono anche quelli che hanno un tenore in zolfo più elevato. È invece sistematico che per un determinato petrolio le frazioni alto-bollenti hanno un tenore in zolfo più elevato delle frazioni basso-bollenti.

Da un punto di vista generale (anche se esistono delle eccezioni) i petroli che contengono una quantità più elevata di frazioni leggere sono più costosi. Un altro parametro che influenza il valore del petrolio grezzo è il contenuto in zolfo. Quest'ultimo infatti deve essere allontanato durante l'operazione di raffinazione e questa operazione di purificazione è tanto più onerosa quanto più alto è il tenore in zolfo.

Altri parametri che influenzano il valore del grezzo sono la sua acidità ed il tenore in metalli pesanti, quali il vanadio. La conoscenza di questi due ultimi parametri è di grande importanza allorché si progettano impianti per la raffinazione del greggio; infatti petroli acidi o con contenuti di Vanadio elevati richiedono impianti particolarmente resistenti alla corrosione e dunque costruiti con acciai speciali.

Va inoltre ricordato che a livello commerciale le varie partite di petrolio non hanno lo stesso valore commerciale. I seguenti criteri forniscono una linea guida su come distinguere un petrolio pregiato da uno scadente:

tenore di zolfo: maggiore è la presenza di zolfo o di altri eteroatomici, più spinta sarà la relativa lavorazione con maggiori costi di esercizio d'impianto. Infatti la presenza di zolfo va limitata sia per motivazioni ambientali, sia per la salvaguardia delle parti più delicate dell'impianto;

percentuale di benzine: a livello commerciale la benzina è il taglio più costoso e quindi più remunerativo per una azienda petrolifera; non a caso molti processi di lavorazione puntano all'aumento delle quantità e qualità delle benzine, alleggerendo i tagli pesanti (cracking) o appesantendo quelli leggeri; da questo punto di vista un petrolio ricco di benzina presenta un valore commerciale maggiore;

densità: un petrolio più denso contiene un maggior numero di molecole condensate, ovvero i costituenti del residuo della colonna da topping; quindi sono necessarie lavorazioni più gravose in termini di temperatura (come il visbreaking), per cercare di rompere le molecole condensate e convertirle in tagli leggeri.

In ambito petrolifero si usa un'espressione particolare per esprimere la densità: il grado API.

La densità e il grado API sono correlate dalla relazione:

dove ρ* è la densità relativa rispetto all'acqua. Da questa relazione discende che un olio della stessa densità dell'acqua presenta 10°API, se è più pesante presenta un valore minore di 10°API, mentre se è più leggero presenta un valore del grado API maggiore di 10°API. Pertanto un petrolio pregiato avrà un alto valore di grado API, maggiore di 10°API.

A titolo di esempio, tra i petroli pregiati figura quello di Brega (Libia) che ha 42°API con un tenore di zolfo pari allo 0,2%.

Non esistono due petroli identici e talvolta all'interno dello stesso giacimento la composizione tende a variare nel tempo o in funzione della localizzazione del punto di estrazione. Per questo motivo per poter caratterizzare ogni tipo di petrolio si ricorre all'operazione detta di distillazione frazionata TBP ( True Boiling Point). Questa metodologia è descritta negli standard ASTM D86 e D2892, che definiscono le condizioni normalizzate per realizzare l'operazione. L'operazione è condotta prendendo una quantità predefinita di petrolio grezzo e sottoponendola a riscaldamento a pressione atmosferica.

Sotto l'effetto del riscaldamento il campione di petrolio comincia ad evaporare e per prime le frazioni più leggere. I vapori di petrolio che man mano evaporano sono raffreddati, condensati e raccolti in un recipiente graduato. Le frazioni più volatili (dette basso-bollenti) sono le prime ad evaporare ed in seguito evaporano quelle meno volatili (dette alto-bollenti). Durante questa operazione di distillazione il campione di petrolio diventa progressivamente sempre meno volatile e dunque occorre riscaldare il campione a temperature sempre più elevate per poterlo distillare. L'obiettivo del test è di misurare in funzione degli intervalli di temperatura ai quali è sottoposto il campione quale è il rendimento percentuale della corrispondente frazione evaporata. Il test è interrotto quando il campione raggiunge la temperatura di 550 °C, perché a questa temperatura intervengono delle reazioni di cracking che modificano la natura chimica delle molecole. Il volume che resta a 550 °C è detto residuo.

I risultati del test TBP sono di notevole interesse perché permettono di caratterizzare i diversi tipi di petrolio. Questo è essenziale per poterne definire il valore di mercato e per poter prevedere quali saranno i rendimenti quando il grezzo petrolifero arriva in raffineria per essere raffinato.

La tabella seguente mostra le composizioni di due petroli (petrolio Souedia, che ha origine in Siria e petrolio Zarzaitine, che ha origine in Algeria) ottenute tramite distillazione TBP sull'intervallo di temperatura 15-550 °C.

È importante tenere presente che questi tagli petroliferi sono il risultato della sola operazione di distillazione e che in raffineria molteplici altre operazioni sono condotte per produrre prodotti di uso finale. In effetti le frazioni risultanti dall'operazione di distillazione non sono pronte per l'uso e richiedono ulteriori stadi di lavorazione.

Confronto tra la molecola di metalloporfirina estratta dal petrolio da Alfred E. Treibs (a sinistra) e la molecola di clorofilla (a destra).

Secondo le teorie comunemente accettate dalla comunità scientifica, il petrolio deriva dalla trasformazione di materiale biologico in decomposizione. Il primo a sostenere tale teoria fu lo scienziato russo Lomonosov nel XVIII secolo. La sua teoria fu confermata nel 1877 da Mendeleev. Ulteriore conferma a tale ipotesi fu fornita da Alfred E. Treibs, che evidenziò l'analogia strutturale tra una molecola di metalloporfirina che aveva rintracciato nel petrolio nel 1930 e la molecola della clorofilla (che è invece associata a processi biologici).

Secondo tale teoria, il materiale biologico dal quale deriva il petrolio è costituito da organismi unicellulari marini vegetali e animali ( fitoplancton e zooplancton) rimasti sepolti nel sottosuolo centinaia di milioni di anni fa, in particolare durante il paleozoico, quando tale materia organica era abbondante nei mari.

In un primo stadio, tale materia organica viene trasformata in cherogene attraverso una serie di processi biologici e chimici; in particolare la decomposizione della materia organica ad opera di batteri anaerobi (cioè che operano in assenza di ossigeno) porta alla produzione di ingenti quantità di metano.

Successivamente, a causa della continua crescita dei sedimenti, si ha un innalzamento della temperatura (fino a 65-150 °C) che porta allo sviluppo di processi chimici di degradazione termica e cracking, che trasformano il cherogene in petrolio. Tale processo di trasformazione del cherogene in petrolio avviene alla sua massima velocità quando il deposito ha raggiunto profondità intorno a 2000-2900 metri.

Rappresentazione schematica di un reservoir di petrolio.

Una volta generati, gli idrocarburi migrano verso l'alto attraverso i pori della roccia in virtù della loro bassa densità. Se nulla blocca la migrazione, questi idrocarburi affiorano in superficie. A questo punto le frazioni più volatili evaporano e resta un accumulo di bitume, che è pressoché solido a pressione e temperatura atmosferica. Storicamente gli accumuli naturali di bitume sono usati per usi civili (impermeabilizzare il legno) o militari (come il fuoco greco). Tuttavia nel percorso di migrazione, gli idrocarburi possono accumularsi in rocce porose (dette "rocce serbatoio" o "reservoir") e restare bloccati da uno strato di roccia impermeabile. In questo caso si può creare una zona di accumulo, detta "trappola petrolifera". Perché le rocce porose possano costituire un reservoir, è necessario che queste rocce siano al di sotto di rocce meno permeabili (normalmente argille o evaporiti), in maniera tale che gli idrocarburi non abbiano la possibilità di risalire sino alla superficie terrestre.

Una conformazione geologica che costituisce un caso tipico di trappola petrolifera è la piega anticlinale. Questo tipo di configurazione costituisce di gran lunga il caso più frequente di "trappola petrolifera", anche se può accadere che il petrolio si accumuli in corrispondenza di fratture tettoniche o attorno a dei giacimenti di sale. All'interno del reservoir si viene quindi a trovare una miscela di idrocarburi liquidi e gassosi (in proporzioni variabili). Gli idrocarburi gassosi costituiscono gas naturale ( metano ed etano) e riempiono le porosità superiori. Quelli liquidi (nelle condizioni di pressione esistenti nel giacimento, cioè svariate centinaia di atmosfere) occupano le zone inferiori del reservoir. In virtù della provenienza marina della materia organica all'origine del petrolio, quasi inevitabilmente gli idrocarburi sono associati ad acqua; è frequente la situazione per la quale all'interno della roccia madre si trovino tre strati: uno superiore di gas naturale, uno intermedio costituito da idrocarburi liquidi ed uno inferiore di acqua salata. Nelle operazioni di messa in produzione di un giacimento si presta notevole attenzione alla profondità alla quale si situa lo strato di acqua perché questa informazione è necessaria per calcolare il rendimento teorico del giacimento.

È frequente la situazione per la quale il giacimento di idrocarburi contiene unicamente metano ed etano. In questo caso si parlerà di giacimento di gas naturale. Se gli idrocarburi liquidi più pesanti presenti nel giacimento non superano i dodici-quindici atomi di carbonio (C ₁₂ - C ₁₅), si parlerà di giacimento di condensato, sovente associato a gas naturale. Se negli idrocarburi liquidi presenti sono rappresentate molecole più lunghe si è in presenza di un giacimento di petrolio propriamente detto.

Nonostante le teorie comunemente accettate prevedano che il petrolio derivi da sostanze organiche sono state formulate teorie, dette abiogene o abiotiche, secondo cui si sarebbe formato attraverso processi non biologici.

Fra i teorici dell'origine abiogena c'è il professor Thomas Gold che nel 1992 pubblicò la teoria della profonda biosfera calda, allo scopo di spiegare il meccanismo dell'accumulo di idrocarburi nei giacimenti profondi.

Nel 2001 J. Kenney dimostrò che secondo le leggi della termodinamica non sarebbe possibile la trasformazione a basse pressioni di carboidrati o altro materiale biologico in catene idrocarburiche. Infatti il potenziale chimico dei carboidrati varia da -380 a -200 kcal/ mol, mentre il potenziale chimico degli idrocarburi è maggiore di 0 kcal/mol. Siccome le trasformazioni termodinamiche evolvono verso condizioni a potenziale chimico più basso, la trasformazione citata non può avvenire. Il metano non si polimerizza a basse pressioni ad alcuna temperatura.

Talvolta, giacimenti di gas naturale e petrolio ritenuti in fase di esaurimento, si riempiono di nuovo; questo processo può essere alimentato solo da depositi profondi, percorrendo la sequenza di fenomeni che portò alla formazione iniziale. La teoria abiotica sostiene che tutti gli idrocarburi naturali siano di origine abiotica, ad eccezione del metano biogenico (spesso chiamato gas di palude), che è prodotto in prossimità della superficie terrestre attraverso la degradazione batterica di materia organica sedimentata.

Una teoria dell' origine abiotica del petrolio ritiene che al momento della formazione della Terra si siano formati dei significativi depositi di carbonio, ora preservati solo nel mantello superiore. Questi depositi, trovandosi in condizioni di elevata temperatura e pressione, catalizzerebbero la polimerizzazione di molecole di metano, fino a formare lunghe catene idrocarburiche.

Una variante di questa teoria prevede l' idrolisi di peridotiti del mantello, con conseguente formazione di un fluido ricco in idrogeno e con metalli catalizzatori (come nichel, cromo, cobalto o vanadio) che, risalendo, dilaverebbe le rocce carbonatiche superiori, generando idrocarburi. Questa reazione chimica ipotizzata è la stessa che si avrebbe nel processo industriale della sintesi di Fischer-Tropsch.

Grafico rappresentativo della produzione petrolifera, mostrante il picco di Hubbert.

Per riserve di petrolio si intende la quantità di idrocarburi liquidi che si stima potranno essere estratti in futuro dai giacimenti già scoperti.

Generalmente i volumi che potranno essere estratti da giacimenti non ancora sfruttati sono denominati riserve.

La determinazione delle riserve è condizionata dalle incertezze tecniche ed economiche. Le incertezze tecniche derivano dal fatto che i volumi di idrocarburi contenuti nel giacimento sono stimati quasi esclusivamente attraverso dati ottenuti con metodi indiretti (tra i più diffusi la prospezione sismica e le misure di proprietà fisiche delle rocce nei pozzi). Le informazioni dirette sono necessariamente poche, se confrontate con l'eterogeneità delle rocce serbatoio, in quanto provengono dalla perforazione dei pozzi, che è molto costosa.

Le incertezze di tipo economico includono la difficoltà di poter prevedere l'andamento futuro dei costi di estrazione e dei prezzi di vendita dell'idrocarburo (mediamente la vita produttiva di un giacimento è di 10-20 anni). Anche la disponibilità commerciale di nuove tecnologie di estrazione è difficilmente prevedibile con totale certezza. Il livello di incertezza sulle riserve è quindi massimo quando vengono stimati potenziali nuovi giacimenti, diminuisce nel momento della loro scoperta tramite perforazioni di pozzi, e durante il periodo produttivo e diviene nullo quando le riserve producibili dal giacimento sono azzerate in quanto tutti gli idrocarburi estraibili sono effettivamente stati prodotti.

Il grado di aleatorietà delle riserve è espresso attraverso la loro classificazione secondo categorie definite.

Esistono diversi schemi di classificazione, quella della Society of Petroleum Engineers (SPE) è internazionalmente diffuso e distingue tra Risorse (idrocarburi non ancora scoperti o non commerciali) e Riserve (idrocarburi scoperti e commerciali). Le Riserve infine sono classificate come certe, probabili e possibili secondo un grado di incertezza crescente. Questo stesso schema è stato inserito all'interno del sistema di classificazione delle risorse naturali, esclusa l'acqua, pubblicato dalle Nazioni Unite nel 2004 sotto il nome di United Nations Framework Classification (UNFC).

L'impossibilità di calcolare esattamente la quantità di riserve e di risorse, dà spazio a diverse previsioni più o meno ottimistiche.

Nel 1972 uno studio autorevole, commissionato al MIT dal Club di Roma (il famoso Rapporto sui limiti dello sviluppo), affermò che nel 2000 sarebbero state esaurite circa il 25% delle riserve mondiali di oro nero. Il rapporto, però, fu frainteso, e i più pensarono che predicesse la fine del petrolio entro il 2000.

La situazione dei primi anni 2000 apparve più grave di quanto il MIT avesse predetto. Dai dati pubblicati annualmente dalla BP si rilevava che la quantità di petrolio utilizzata dal 1965 al 2004 fosse di 116 miliardi di tonnellate, le riserve ancora disponibili nel 2004 furono valutate in 162 miliardi di tonnellate.

Con questi valori si può facilmente calcolare che, escludendo i nuovi giacimenti che saranno scoperti nei prossimi anni, è già stato consumato il 42% delle riserve inizialmente disponibili, in altre parole si avvicina il momento del raggiungimento del " picco" dell'estrazione. Secondo la BP, il petrolio disponibile è sufficiente per circa 40 anni a partire dal 2000, supponendo di continuarne l'estrazione al ritmo attuale, quindi senza tenere conto della continua crescita della domanda mondiale, che si colloca intorno al 2% annuo. Ma al momento dell'estrazione dell'ultima goccia di petrolio, l'umanità dovrà già da tempo aver smesso di contare su questa risorsa, in quanto man mano che i pozzi si vanno esaurendo la velocità con cui si può continuare ad estrarre decresce, costringendo a ridurre i consumi o utilizzare altre fonti energetiche.

Diversi altri studi hanno in tutto o in parte confermato queste conclusioni; in particolare sono da menzionare quelli del geologo statunitense Marion King Hubbert (vedi anche picco di Hubbert) e in seguito, a partire da questi, quelli di Colin Campbell e Jean Laherrère.

Secondo questi studi la quantità di petrolio estratto da una nazione segue una curva a campana e la massima estrazione di greggio per unità di tempo la si ha quando si è prelevato metà di tutto il petrolio estraibile. Questo è quanto si è verificato negli USA (i 48 stati continentali - lower 48 - esclusa l' Alaska) in cui l'estrazione di petrolio ha avuto un massimo nel 1971 (circa 9 milioni di barili al giorno) e poi è declinata come in una curva a campana secondo quanto previsto da Hubbert.

Altri studi di diversa matrice (in gran parte di economisti) sostengono che la tecnologia continuerà a rendere disponibili per l'industria idrocarburi a basso costo e che sulla Terra esistono vaste riserve di petrolio "non convenzionale", quali le sabbie bituminose o gli scisti bituminosi, le quali consentiranno l'uso del petrolio per un periodo di tempo ancora molto lungo.

L' Agenzia internazionale dell'energia nel 2008 ha stimato che la produzione di petrolio sia destinata a calare del 9,1% annuo, o almeno il 6,4% se aumentassero gli investimenti; le stime corrette dell'agenzia abbassano tale dato al 5% e considerano più probabile il 6,7%.

Qui di seguito sono elencati i primi 20 paesi per riserve certe di petrolio dell'ottobre 2013.
Per vita media residua si intende la stima della durata delle riserve ai ritmi di estrazione dell'anno 2013.

I volumi si riferiscono alle riserve certe. Sono escluse le stime ufficiali delle sabbie bituminose canadesi (pari a circa 143 300 milioni di barili) relative ai progetti oggetto di sviluppo attivo, ai liquidi separati dal gas naturale (detti NGL, dall'inglese "Natural Gas Liquids") e ai liquidi condensati dai gas naturali (in inglese "gas condensate").

Il ciclo produttivo del petrolio e dei prodotti derivati dal petrolio attraversa differenti fasi produttive, raggruppate tradizionalmente in tre insiemi di processi:

upstream: comprende l'insieme delle procedure da svolgere allo scopo di ricavare il petrolio greggio dal sottosuolo; le principali procedure di upstream sono: la ricerca del giacimento (esplorazione), la predisposizione di pozzi per il sollevamento del petrolio (perforazione) e il processo di sollevamento del petrolio dal sottosuolo (estrazione);

midstream: comprende le procedure relative al trasporto del petrolio dal sito di estrazione al sito di raffinazione e lo stoccaggio del petrolio;

downstream: comprende i processi di trasformazione del petrolio (raffinazione) allo scopo di ottenere i prodotti derivati destinati al commercio e la loro distribuzione e vendita.

Siccome assieme al petrolio dai giacimenti viene prelevato anche gas naturale, le tre fasi sono riferite al ciclo produttivo del gas naturale. In particolare i processi di upstream sono finalizzati all'ottenimento di entrambe le materie prime (petrolio e gas naturale), mentre i processi di midstream e downstream sono diversificati a seconda che siano riferiti al petrolio o al gas naturale.

Mappa delle spedizioni inviate tra il 1947 e il 1950 dalla Iraq Petroleum Company per la ricerca del petrolio nell'Arabia meridionale.

La fase di esplorazione rappresenta la fase di ricerca dei giacimenti di petrolio, finalizzata alla sua estrazione. Tale ricerca viene svolta in genere attraverso prospezione geofisica, che consiste in un'indagine delle proprietà fisiche del sottosuolo da cui è possibile determinare la presenza di particolari disomogeneità delle proprietà del terreno, associate alla presenza di trappole strutturali o altre strutture di accumulo di idrocarburi.

Alla fase di esplorazione segue la fase di estrazione del petrolio. L'estrazione avviene attraverso la costruzione di apposite torri di perforazione o trivellazione (dette derrick), che nel caso di impianti off-shore (cioè in corrispondenza delle aree marine) sono posizionate su una piattaforma petrolifera.

In genere il deposito di petrolio che impregna le rocce porose si trova ad elevata pressione, per cui risale spontaneamente attraverso il pozzo petrolifero, mentre negli altri casi è necessario utilizzare delle pompe petrolifere per sollevarlo; tali pompe possono essere utilizzate anche quando il petrolio risale spontaneamente, in modo da velocizzarne ulteriormente la risalita.

Quando il pompaggio del petrolio in superficie risulta più gravoso, è possibile aumentare la pressione all'interno del giacimento iniettando negli strati del giacimento gas o acqua.

La piattaforma petrolifera P-51, situata in Brasile

Una vecchia torre di perforazione utilizzata tra il 1946 e il 1947

Pompa petrolifera di Sarnia, Ontario (Canada), 2001

Abitualmente il greggio viene sottoposto ad un primo trattamento direttamente sul posto in cui viene estratto dal sottosuolo. L'acqua e le componenti minerali sono le prime ad essere separate, prima di inviare il petrolio alla raffinazione, principalmente tramite distillazione o metodi gravitativi, cicloni, ecc. L'acqua separata solitamente ha un certo contenuto di sali disciolti (principalmente cloruro di sodio) e non è utilizzabile per scopi agricoli, industriali o civili, quindi quasi sempre viene reiniettata nel sottosuolo entro l'acquifero del giacimento, per mantenerne la pressione e quindi tenere stabile la produzione petrolifera, oppure in livelli rocciosi permeabili, che quindi l'assorbono facilmente, individuati nel sistema geologico in cui si trova il giacimento.

Successivamente all'estrazione, il petrolio viene trasportato per mezzo di oleodotti o petroliere fino al sito in cui verrà svolta la raffinazione. Ciascuna petroliera può trasportare una quantità di petrolio che varia in genere da 100.000 a 3 milioni di barili. Nel caso di trasporto via terra, si può pompare il petrolio attraverso gli oleodotti oppure è possibile utilizzare dei vagoni ferroviari progettati appositamente per tale uso.

Raffineria di petrolio di Baton Rouge

Dopo il processo di estrazione, il petrolio viene trasportato verso stabilimenti ( raffinerie di petrolio), dove avvengono le operazioni di trasformazione che permettono di produrre a partire dal grezzo petrolifero una serie di prodotti di uso comune. Le operazioni attraverso le quali il grezzo petrolifero viene trasformato sono molteplici e di diversa natura.

A grandi linee, il processo di raffinazione può essere suddiviso in tre fasi principali:

separazione fisica dei componenti che costituiscono il petrolio ottenendo più tagli;

processi chimici per il miglioramento qualitativo dei tagli ottenuti;

purificazione dei prodotti finali.

Scendendo più nel particolare, le principali lavorazioni sono:

decantazione, e separazione dell'acqua;

dissalazione;

distillazione atmosferica (detta anche topping);

distillazione sotto vuoto (detta anche vacuum);

desolforazione (per eliminare lo zolfo, che altrimenti sarebbe rilasciato sotto forma di , particolarmente inquinanti);

cracking, alchilazione, isomerizzazione.

La tabella seguente indica, orientativamente, gli intervalli di temperature di ebollizione delle frazioni di distillazione del petrolio (a pressione atmosferica, in gradi Celsius), detti anche tagli petroliferi:

Ogni taglio petrolifero è costituito da molecole di lunghezza comparabile. Poiché l'operazione di distillazione non può essere perfetta, ogni taglio petrolifero contiene un po' del taglio più leggero ed un po' del taglio più pesante. Per questo motivo gli intervalli di ebollizione di un taglio "ricoprono" parzialmente quelli del taglio immediatamente più leggero ed immediatamente più pesante.

I gas che si formano nelle varie parti di impianto (metano, etano, propano e butano) vengono raccolti ed usati per produrre energia per il funzionamento della raffineria o valorizzati come prodotti finiti.

Il taglio che costituisce la benzina dovrà subire varie lavorazioni, in quanto la benzina da topping presenta uno scarso numero di ottano, pertanto si ricorre ai processi di isomerizzazione, reforming.

La parte pesante viene inviata al vacuum per recuperare i combustibili liquidi rimasti nel fondo della colonna da topping:

cracking catalitico, hydrocracking e visbreaking per aumentare ulteriormente la resa in combustibili liquidi;

alchilazione (per convertire parte dei gas in benzina);

delayed coking (produzione di coke).

Vi sono poi altre lavorazioni per recuperare le paraffine e le cere ( vaselina), usate anche nella cosmetica. Lo scarto finale costituisce il bitume che, opportunamente miscelato con pietrisco fine e sabbia, è utilizzato per la pavimentazione stradale. Nel novero dei prodotti di raffineria rientra anche lo zolfo ottenuto dal processo di desolforazione. Va infine ricordato che il petrolio (nel taglio della virgin nafta) è anche materia prima per l'industria petrolchimica per la produzione di plastiche.

I prodotti finali del processo di trasformazione includono dunque: GPL, benzina, cherosene, gasolio, oli lubrificanti, bitumi, cere e paraffine.

Prodotti derivati dal petrolio

Le catene molecolari nell'intervallo di C ₅₋₇ sono nafte leggere ed evaporano facilmente. Vengono usate come solventi, fluidi per pulizia a secco e altri prodotti ad asciugatura veloce.

Le benzine sono composte da catene ramificate nell'intervallo da C ₆ a C 9.

Il cherosene è composto da catene nell'intervallo da C ₁₀ a C ₁₅, seguito dal combustibile per i motori diesel e per riscaldamento (da C ₁₀ a C ₂₀) e da combustibili più pesanti, come quelli usati nei motori delle navi. Questi prodotti derivati del petrolio sono liquidi a temperatura ambiente.

Gli olii lubrificanti e i grassi semi-solidi (come la vaselina) sono posizionati nell'intervallo da C ₁₆ fino a C ₂₀.

Le catene da C ₂₀ in avanti sono solidi a temperatura ambiente e comprendono la paraffina, poi il catrame e il bitume per asfalto.

Anche i prodotti petrolchimici costituiscono un importante gruppo di prodotti: gli idrocarburi vengono convertiti in prodotti chimici quali etilene, propilene e metanolo. Questi prodotti chimici della piattaforma vengono ulteriormente convertiti in buteni, acetaldeide, acido acrilico e composti aromatici, che a loro volta vengono utilizzati per la produzione di polimeri.

Subsidenza dovuta alla produzione di idrocarburi dal sottosuolo. Nello schema è indicato, a titolo esemplificativo, un accumulo di gas naturale entro una struttura tettonica ad anticlinale; nell'esempio, la roccia serbatoio è una sabbia. a) Prima dell'inizio della produzione, nella roccia serbatoio i granuli del sedimento sono sostenuti dalla pressione del fluido di giacimento (gas). b) Con il progredire della produzione di gas (qui è rappresentata per semplicità solo la fase finale in cui tutto il gas è stato prodotto), la pressione diminuisce drasticamente e i granuli, non più sostenuti dalla pressione di giacimento e sotto la spinta dei sedimenti soprastanti, si dispongono secondo una nuova configurazione più compatta. Questo ha come effetto la diminuzione del volume occupato dai sedimenti della roccia serbatoio e l'aumento locale della subsidenza, che si propaga ai livelli soprastanti il giacimento.

La presenza dell'industria petrolifera ha significativi impatti sociali e ambientali derivati da incidenti e da attività di routine come l'esplorazione sismica, perforazioni e scarti inquinanti.

L'estrazione petrolifera è costosa e spesso danneggia l'ambiente. La ricerca e l'estrazione di petrolio offshore disturbano l'ambiente marino circostante. L'estrazione può essere preceduta dal dragaggio, che danneggia il fondo marino e le alghe, fondamentali nella catena alimentare marina. Il greggio e il petrolio raffinato che fuoriescono da navi petroliere incidentate, hanno danneggiato fragili ecosistemi in Alaska, nelle Isole Galapagos, in Spagna e in molti altri luoghi.

Inoltre, l'attività di estrazione e degli accumuli di idrocarburi può causare un aumento locale della subsidenza, con ripercussioni dirette sulla stabilità di edifici e impianti, e facilitando il ristagno delle acque superficiali. Se l'area di produzione è prossima alla costa, la subsidenza può avere come effetto l'invasione da parte delle acque marine di aree prima emerse. L'entità della subsidenza è tanto maggiore quanto la roccia serbatoio ('reservoir') da cui avviene la produzione di fluidi (gas naturale od olio) è superficiale. Questa problematica è diffusa anche in Italia, soprattutto nelle pianure costiere e in particolare nel Delta del Po e sulla costa adriatica in seguito all'estrazione di gas naturale e acque di giacimento da bassa profondità.

Infine, la combustione, su tutto il pianeta, di enormi quantità di petrolio ( centrali elettriche, mezzi di trasporto) risulta essere tra i maggiori responsabili dell'incremento riscontrato delle percentuali di anidride carbonica e di altri gas nell'atmosfera, incidendo sull'aumento dell' effetto serra.

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Il petrolio (dal termine tardo latino petroleum, composto da petra "roccia", e oleum "olio", cioè "olio di roccia") è una miscela liquida di vari idrocarburi, in prevalenza alcani, che si trova in giacimenti negli strati superiori della crosta terrestre, ed è una fonte primaria energetica della modernità.

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