IL CARBONE

 

Il carbone è un combustibile solido, di colore nero, di origine vegetale, che contiene un'alta percentuale di carbonio. 

L'uso del carbone fossile è antichissimo: si ritiene che i Cinesi siano stati i primi a utilizzare questo materiale usandolo per il riscaldamento (bruciandolo in bracieri) e successivamente quale componente della polvere pirica; in Europa l'uso del carbone fossile risale all'inizio del XII sec., ma solo dopo la diffusione della macchina a vapore divenne importante la sua estrazione. La coltivazione sistematica delle miniere di carbon fossile risale al XVIII sec.; nei primi tempi fu limitata all'Inghilterra, la quale all'inizio del XIXsec. produceva 18 milioni di tonnellate su un totale mondiale di circa 20 milioni di tonnellate. Per più di un secolo il carbon fossile fu la fonte dalla quale si ottenne energia termica: le regioni di maggior sviluppo industriale dello scorso secolo coincisero con le regioni carbonifere (bacini industriali e carboniferi inglesi, zone carbonifere francesi e belghe, regioni industriali della Ruhr, in Germania, del Donetz nell' ex-URSS, di Pittsburgh negli Stati Uniti, ecc.). La produzione andò poi rapidamente aumentando: i 30 milioni di tonnellate del 1820 divennero 125 nel 1860, 340 nel 1880, 512 nel 1890, 1.388 nel 1913. Dopo la diffusione dell'uso del petrolio, dell'energia elettrica e del gas naturale, la produzione carbonifera subì un rallentamento: infatti, nel 1920 il carbone serviva a produrre l'83% dell'energia utilizzata nel mondo (petrolio 12%, gas naturale 3%, idroelettricità 2%), mentre già nel 1960 serviva a produrre circa il 40% del totale di energia consumata a vantaggio di altre forme di energia o di altri combustibili. Tale diminuzione nel totale della produzione di energia è però soltanto percentuale, poiché, per il rapido crescere della richiesta di energia, la produzione del carbone è sempre andata aumentando. Il carbone resta il principale mezzo di riscaldamento industriale, ed è inoltre la materia prima indispensabile per la siderurgia (coke), mentre i sottoprodotti della distillazione del carbone costituiscono una delle basi dell'industria chimica. Viceversa per la produzione di energia meccanica la macchina a vapore è ormai quasi completamente sostituita dal motore a scoppio o dai motori elettrici che sono molto più economici e pratici; infatti l'energia ricavabile in rapporto al consumo è, per motori funzionanti con prodotti petroliferi, nettamente superiore, e ancora più vantaggioso è l'uso di energia elettrica. Tuttavia alcuni paesi in corso di industrializzazione (Cina) o di particolare organizzazione industriale (Germania) fondano ancora la loro economia sull'energia prodotta dal carbone; inoltre il crescente sviluppo delle centrali termoelettriche permette l'utilizzazione anche di qualità scadenti di carbone (lignite, torba); la trasformazione del carbone in energia elettrica consente pertanto di estendere il consumo di tale energia a settori che non possono utilizzare direttamente il carbone, e dà la possibilità a paesi privi di centrali idroelettriche, o che ne posseggono di potenza limitata, di disporre sul luogo di energia elettrica.

In seguito alla crisi energetica iniziata nel 1973 e periodicamente riacutizzatasi a causa delle tensioni nel Vicino Oriente, nonché alle crescenti difficoltà incontrate nell'utilizzo dell'energia nucleare, il carbone è ritornato di attualità sia come fonte energetica primaria sia come materia prima. Numerosi paesi hanno già avviato attività per rivalutare le loro risorse di carbone, con azioni di prospezione e di esplorazione. Contemporaneamente sono aumentati gli sforzi per individuare sistemi di utilizzo del carbone più razionali e con minore impatto per l'ambiente.

La  produzione del carbon fossile incontra una serie di ostacoli che, almeno in taluni paesi, ne limita l'incremento o rende il suo prezzo superiore a quello di altre fonti di energia (difficoltà di estrazione meccanizzata, sfavorevole struttura degli strati, sparpagliamento dei giacimenti). Questi inconvenienti contribuiscono all'aumento dei costi di produzione e richiedono costosi investimenti il cui ammortamento è particolarmente lungo. Ad esempio in Italia il carbone è scarso  e si trova solamente di bassa qualità e ad alto tenore di zolfo nelle miniere del Sulcis, in Sardegna: negli anni ’90 questi impianti hanno attraversato una grave crisi, dovuta allo scarso rendimento e agli alti costi, che li ha portati sull’orlo della chiusura totale.

Concorrono alla difficoltà di sfruttamento l'irregolarità della distribuzione dei giacimenti sulla superficie terrestre, la ripartizione delle riserve naturali e i metodi di prospezione geologica che hanno seguito sviluppi diversi da una regione all'altra: ad es., la valutazione delle attuali riserve carbonifere è spesso approssimativa e, per ogni giacimento, è in rapporto alle relative conoscenze geologiche. Tali riserve si dividono in: riserve certe, il cui potenziale è conosciuto con sicurezza, riserve probabili e riserve possibili. Le varie valutazioni sono perciò suscettibili di differenze notevoli. Le riserve mondiali di carbone accertate e sicuramente estraibili si aggirano sui 700 miliardi di tep (tonnellate equivalenti di petrolio), di cui circa il 24% si trova nell'ex-URSS e un altro 20% in Asia; ma si stima che in tutti i giacimenti vi siano ben 10.000 miliardi di tep, cioè 30 volte quelle petrolifere stimate. Ciò significa che, al ritmo attuale di consumo, la riserva di carbone durerà per secoli.

I giacimenti di carbone possono essere superficiali o profondi: il limite di profondità comunemente ammesso per lo sfruttamento è di 1.500 m (300 m negli USA). Per i giacimenti di carbone di tipo superficiale, l'estrazione “a cielo aperto” rappresenta il sistema più semplice e più produttivo, anche se implica macchinari di grandi dimensioni e costi elevati. La caratteristica di questo tipo di estrazione, rispetto a quella tradizionale sotterranea, è costituita dalle elevate qualità del minerale estratto.

Gli USA, così come i paesi dell'ex URSS, sono ricchi di giacimenti carboniferi in superficie, il cui sfruttamento ha recentemente subito un impulso notevole in seguito a concessioni federali di diritti di estrazione.

Per l'estrazione a cielo aperto vengono impiegate gru-scavatrici (alte fino a 70 m e con un peso di 3.000÷12.000 t) che, con l'impiego di tre sole persone, possono rimuovere fino a 30.000 m³ al giorno di carbone.

Nello sfruttamento di un giacimento superficiale l'escavatore rimuove dapprima lo strato di terreno sovrastante il giacimento e successivamente, dopo la rottura delle vene mediante cariche esplosive, provvede all'estrazione e al caricamento su camion di grossa portata (50÷100 m³). Il carbone dopo una frantumazione viene avviato al trasporto a mezzo ferrovie o carbonodotti.

Una volta sfruttato il giacimento, le leggi federali americane impongono alle compagnie di ricoprire la “cava” con il terreno rimosso e di provvedere alla bonifica del terreno stesso.

Per profondità superiori a 60÷80 m la tecnica usata in superficie diventa di difficile e antieconomica applicazione.

In Europa, ad esempio, la maggior parte del carbone si trova in profondità. In questo caso una tecnica usata è quella del long-wall, cioè costruzione di gallerie (solitamente due parallele, a distanza di circa 200 m) che avanzano man mano che il carbone è portato in superficie, e che possono estendersi per alcuni chilometri. Il carbone viene così estratto dalla parete che divide le due gallerie, provvedendo a rinforzare la struttura superiore.

In una buona miniera l'estrazione avanza di 4÷5 m al giorno con una produzione di circa 5.000 t di carbone.

È possibile raggiungere una produttività superiore costruendo inizialmente le due gallerie nella loro interezza e procedendo all'estrazione in maniera inversa, così da evitare il congestionamento della miniera quando questa abbia raggiunto una certa profondità; tale soluzione comporta però notevoli esborsi finanziari iniziali, per lo scavo delle gallerie.

Nel corso degli anni Novanta non vi sono state innovazioni tecnologiche che hanno rivoluzionato i metodi di estrazione, ma la progressiva automazione e il sempre più diffuso ricorso a sofisticati sensori e microprocessori hanno permesso un maggior controllo ambientale delle miniere, un più efficiente sfruttamento delle risorse e un più alto livello di sicurezza (controllo dei gas potenzialmente esplosivi).

A tempi lunghi ci sarà la possibilità di intensificare la cosiddetta “estrazione in situ” tramite gassificazione sotterranea e altri nuovi sistemi. Questi processi, benché ancora in fase di sperimentazione, potranno forse consentire lo sfruttamento a profondità superiori di quelle attuali.

A seconda della localizzazione dei giacimenti, il carbone può essere estratto con mezzi manuali (perforatrici, martelli pneumatici, ecc.) o meccanici (escavatrici); nei grandi complessi minerari la cernita del minerale avviene con metodi automatizzati. Una volta estratto, il minerale viene passato alla vagliatura dove, mediante un vaglio, viene eseguita una prima cernita, i pezzi più grossi passano alla macinazione che è effettuata mediante una cilindraia; separato dalla ganga, il carbone passa infine alla classificazione fatta mediante un vibrovaglio che lo separa secondo la grossezza, ottenendo le pezzature poste in commercio (ciottolo, arancio, noce, pisello, minuto). L'acqua, il limo residuo e la pezzatura minuta vengono di solito ancora macinati in un mulino a palle, quindi sottoposti a flottazione nelle celle apposite: così si ottiene il carbone flottato; altresì il carbone in pezzi può essere sottoposto a bricchettazione, consistente nella macinazione in un mulino a palle per ottenere un prodotto pulverulento, che, miscelato con pece e successivamente pressato, serve per la produzione di ovuli e mattonelle utilizzati nel riscaldamento domestico, dalle locomotive e dall'industria. Per ottenere prodotti derivati si usa quasi esclusivamente il litantrace (talvolta l'antracite): mediante fluidificazione, idrogenazione e successiva distillazione si ottengono benzine sintetiche; per distillazione diretta si ottengono coke, gas combustibile, acque ammoniacali e catrame; da quest'ultimo, per distillazione frazionata: oli leggeri (benzolo, toluolo, xilolo, nafta solvente, ecc.), oli medi (fenolo, cresolo, naftalina), oli pesanti e impregnanti, oli antracenici (antracene, carbazolo, carbolinoleum) e dai residui la pece.

 

CARBONE DI LEGNA

 

Questo  tipo di combustibile è noto sino dall'età del ferro, infatti veniva usato dai popoli mediterranei, asiatici e africani nella metallurgia; successivamente il suo uso fu limitato al riscaldamento domestico. Con lo sviluppo della chimica e della tecnica se ne è notevolmente intensificata la produzione in quanto, rispetto al carbone naturale, è un buon riducente, non fa fumo, s'infiamma e brucia facilmente sviluppando un potere calorifico di circa 8.000 kcal per kg; inoltre la sua produzione permette l'utilizzazione razionale del legname, anche di quello altrimenti inservibile, e fornisce sottoprodotti di grande importanza. Sostanzialmente, questo combustibile è il residuo della distillazione secca del legno: se la temperatura ha superato i 400 ºC si ottiene carbonio quasi puro; ha soltanto il 2-3% di ceneri e il 12-15% di materie volatili; il suo peso specifico apparente (in mucchio) varia da 150 a 250 kg per m³. Dalla distillazione del legno si ottiene una percentuale dal 25 al 30% di carbone di legna, dal 18 al 25% di gas combustibile, circa il 5% di un catrame particolarmente complesso (nel caso di legname resinoso fino al 25%) e dal 25 al 50% di prodotto liquido condensabile, chiamato aceto grezzo di legno o pirolegnoso, dal quale viene separata una vasta serie di prodotti tra i quali i più importanti sono l'acido pirolegnoso, l'alcool metilico, l'acetone. Il carbone di legna è distinto in forte, se ottenuto da legname duro, e dolce, se ricavato da legname tenero; in rapporto al grado di carbonizzazione si hanno le varietà nera, per gli usi domestici, e rossa, utilizzata in fonderia; in commercio è classificato in carbone da spacco, ricavato da legname grosso; carbone cannelli o di cannello, ottenuto da radici e grossi rami con diametro massimo di 7 cm; carbone ciocco, prodotto da nodi e simili; carbone ramagli, risultante dalla distillazione di rami e sterpi. I metodi di produzione sono due: per distillazione secca e mediante carbonaia; il secondo è quello usato fin dall'antichità: la legna, tagliata a pezzi, viene ammucchiata in cumuli di circa 100 q che vengono ricoperti da uno strato di terra argillosa; il calore necessario è fornito dalla combustione di una parte della legna e delle materie volatili combustibili che si sviluppano e che, generalmente, non si recuperano. L'operazione dura da due a quattro settimane secondo il legname usato e presenta il vantaggio di potersi fare sul posto, in foresta. Talvolta per il legno resinoso la carbonaia è costruita su una piazzuola circolare, al centro della quale è praticato un condotto che termina in una vasca per la raccolta del catrame. Il metodo per distillazione secca può essere applicato in foresta utilizzando apparecchi di distillazione portatili (storte, forni, ecc.) di rapido montaggio, e che risultano più economici del processo della carbonaia; alcuni tipi di distillatori permettono il recupero diretto dei sottoprodotti. La fabbricazione industriale del carbone di legna utilizza impianti fissi (storte e tunnel) che permettono una forte produzione e la raccolta completa dei sottoprodotti: talvolta è usato il processo del recipiente chiuso. Le storte sono cilindri di ghisa verticali, di 4 o 5 m³ di capacità, situati in un focolare scaldato con gli stessi gas ricavati dalla distillazione; in esse viene posto il legname che, per effetto del calore, carbonizza liberando i prodotti gassosi e liquidi; i primi passano attraverso un tubo situato nella parte superiore della storta e si recuperano; i secondi vengono immessi in una serpentina e raffreddati ad acqua: da questi si ottengono il catrame, l'acido pirolegnoso, ecc. I tunnel sono lunghi forni orizzontali nei quali viene introdotta la legna mediante vagoncini che a intervalli entrano da un'estremità ed escono dall'altra. Nel tunnel la legna è disseccata, poi distillata e infine raffreddata: il calore dissipato viene utilizzato in controcorrente per riscaldare l'aria che serve alla combustione dei gas di distillazione usati per il funzionamento dell'impianto; le materie volatili passano all'apparecchio separatore del catrame, dopo di che vengono recuperate. Il carbone di legna utilizzato in metallurgia deve fornire molto calore; perciò si adoperano piante selezionate quali le latifoglie, che danno il carbone forte; per gli usi domestici occorre un carbone che si accenda facilmente; il più adatto è quello che proviene da legname tenero e resinoso: carbone dolce. Anche la temperatura di distillazione ha una notevole influenza: intorno ai 300 ºC si ottiene carbone facile a infiammarsi; con l'elevarsi della temperatura l'infiammabilità diminuisce; per ottenere polveri che possano servire come pigmento nelle pitture si debbono raggiungere almeno i 400 ºC. Per utilizzarlo nei gasogeni il carbone di legna deve essere frantumato alla dimensione media di una ciliegia; è preferibile però adoperare agglomerati di carbone perché sono più densi e meno fragili: i migliori agglomerati finora ottenuti sono quelli costituiti da una miscela di polverino di carbone di legna raccolto dalla carbonizzazione del legno in recipiente chiuso.

 

 CARBONE ATTIVO O ATTIVATO O ADSORBENTE

 

E' carbone artificiale usato in polvere o eventualmente agglomerato in bastoncini o sferette di piccole dimensioni, il cui potere di assorbimento viene aumentato con particolari trattamenti, quale il riscaldamento a elevata temperatura con vapore ricco di biossido di carbonio, oppure con riscaldamento, a circa 1.000 ºC in assenza di aria, con sostanze particolari, quali i fosfati, i solfati e analoghi che esaltano le proprietà adsorbenti del carbone. A seconda del materiale utilizzato si parla di carbone animale(o carbone d'ossa o nero animale o nero d'ossa) o di carbone vegetale: il primo è tre volte più attivo del secondo. Questo tipo di carbone è utilizzato nei filtri delle maschere antigas, nel debenzolaggio del gas illuminante, nel recupero dei vapori dei solventi, nella decolorazione dei succhi zuccherini, per migliorare il gusto delle acquaviti; è inoltre molto usato nell'industria chimica, soprattutto per l'adsorbimento di gas o per l'eliminazione d'impurezze da soluzioni, in medicina e in farmaceutica.

 

 CARBONE DI STORTA

 

E' un carbone artificiale ricavato come prodotto secondario dell'industria del gas; durante il procedimento per ottenere quest'ultimo si stratifica sulle pareti delle storte un materiale duro, compatto, di aspetto metallico e con struttura simile a quella della grafite; tagliato in blocchetti viene utilizzato nelle apparecchiature elettriche poiché è un buon conduttore d'elettricità; se ne fanno poli per pile, spazzole per dinamo, elettrodi, ecc.

 

 TRASPORTO DEL CARBONE

  

I principali paesi produttori esportatori di carbone, Cina, USA, CSI, Germania, Polonia, India , hanno grossi problemi di trasporto con conseguente sensibile incidenza sui costi.

Essendo generalmente i giacimenti a una certa distanza dalla costa e dai porti, vanno risolti i problemi inerenti al trasporto interno, quelli relativi allo stoccaggio e alle operazioni di imbarco-sbarco, sia nel paese produttore sia in quello consumatore, e infine quelli del trasporto marittimo.

Il tipo di trasporto via terra più comunemente usato è quello ferroviario, che comporta problemi di composizione del convoglio, separazione dei vagoni, riformazione degli stessi.

Un'altra possibilità, quando la destinazione è unica o quanto meno una certa parte del viaggio risulta comune a tutti gli itinerari, è rappresentata da treni (da 10.000 t o più) adibiti al solo trasporto di carbone.

Ciò risulta ovviamente realizzabile e anche economico se i quantitativi trasportati sono elevati. Il trasporto del carbone, miscelato con acqua, in slurry pipelines, di sviluppo relativamente recente, offre un'alternativa valida (e anche competitiva su lunghe distanze e per grandi quantità) a quello ferroviario.

Tuttavia l'introduzione di questi carbonodotti ha creato nuovi problemi, quali il trattamento e il recupero del carbone trasportato, e lo smaltimento delle acque reflue, ancora oggi in fase di studio.

Il trasporto via mare è il più comune non solo per la sua economicità (per distanze superiori ai 500 km e quantitativi annui superiori a 105 t), ma anche perché risulta il più pratico, soprattutto su certe rotte.

In questo tipo di trasporto potranno sorgere problemi legati al progressivo aumento della stazza media delle navi che richiede fondali più alti e moderne attrezzature di imbarco-sbarco. Un aumento del trasporto di carbone via mare non dovrebbe creare eccessivi problemi: infatti oltre a un consistente programma di costruzione di navi per carichi secchi, sono disponibili navi da carico combinate tipo OBO (oil-bulk-ore) adibite al trasporto di carichi sia liquidi sia solidi.

  

 UTILIZZO DEL CARBONE

  

Il carbone è utilizzato attualmente per la produzione di energia elettrica in alcuni settori industriali ad alto consumo energetico (fabbricazione del cemento, dei materiali da costruzione, dell'alluminio) come combustibile, e in parte è convertito in altri prodotti di cui il più comune è il coke.

La produzione di energia elettrica assorbe la maggiore quantità di carbone.

I fattori che potrebbero agire come vincoli nella produzione e utilizzazione del carbone sono l'impatto socio-ambientale della produzione mineraria; la produttività e sicurezza nelle miniere sotterranee; le infrastrutture di trasporto del carbone; l'impatto ambientale della sua utilizzazione relativamente alle emissioni di prodotti inquinanti e allo smaltimento delle ceneri prodotte dalla sua combustione. Circa un quarto dell’energia consumata in tutto il mondo è fornita dal carbone: il suo contributo al fenomeno delle piogge acide e dell’effetto serra (attraverso le emissioni soprattutto di biossido di zolfo e anidride carbonica rispettivamente) è molto rilevante. La combustione del carbone infatti produce molti più inquinanti di quella del petrolio o del metano (oltre agli ossidi di carbonio e zolfo, anche quelli di azoto, idrocarburi aromatici, metalli pesanti). Data la grande ricchezza in carbone del sottosuolo, risulta conveniente investire in tecnologie che rendano questo combustibile meno inquinante. Sono stati progettati metodi di abbattimento delle polveri e delle componenti acide dai fumi emessi dalle centrali: però ciò non modifica l’emissione di anidride carbonica e il contributo all’effetto serra.

Il problema dell'inquinamento ambientale conseguente all'utilizzazione di carbone ad alto tenore di zolfo può essere affrontato con parecchi sistemi. Se si interviene prima della combustione, si può usare un trattamento fisico o chimico, la liquefazione e la gassificazione a basso potere calorifico; se invece si agisce durante la combustione, si utilizzano le caldaie a letto fluido; se infine l'intervento avviene dopo la combustione, il sistema messo in pratica è la desolforazione dei fumi alla ciminiera.

Si può inoltre far ricorso a ciminiere elevate che però non rimuovono lo zolfo ma riducono le concentrazioni delle sostanze inquinanti al suolo.

Una misura preventiva è l’uso di carbone a basso tenore di zolfo: è importante conoscere comunque il suo valore perché il biossido di zolfo può reagire con l'acqua di condensazione dell'impianto, dando liquidi acidi e corrosivi.

Altre tecnologie in fase di sperimentazione prevedono l'uso di polvere di carbone in miscela con acqua (come possibile sostituto del petrolio) e del carbone gassificato: questo gas da carbone promette un buon impiego nelle celle a combustibile (produrrebbe la metà di anidride carbonica rispetto alla tradizionale combustione) e nella tecnologia Mhd (magnetoidrodinamica).

Il contenuto di ceneri del carbone a seconda della sua qualità può andare dal 3÷5% al 15÷18%. Le ceneri prodotte dalla combustione del carbone sono di tre tipi: ceneri volanti, costituite da particelle finissime trascinate dai fumi e raccolte nelle tramogge prima dell'immissione dei fumi nell'atmosfera; ceneri pesanti, raccolte nella tramoggia della camera di combustione di caldaie alimentate con carbone polverizzato; ceneri fuse, prodotte nelle caldaie del tipo a ceneri fuse. Sono costituite essenzialmente da silice, alluminio, ferro, polvere e varie sostanze basiche: sono inerti, ma se il loro punto di fusione non è troppo alto (al di sotto dei 1300 ºC) diventano scorie fluide che possono saldarsi sulle griglie delle fornaci e bloccare il carbone ostruendole oppure danneggiare i refrattari. Le ceneri trovano attualmente due impieghi di una certa rilevanza: nei cementifici e nei lavori stradali.

 

 PRODUZIONE DEL CARBONE

  

Alla  metà degli anni Novanta la produzione mondiale annua di antracite e di carbon fossile era di ca. 3.787.216.000 t e quella della lignite di 929.742.000 t. Nel 1992 sono stati consumati 3.353 milioni di t.e.p., così distribuiti tra i principali paesi produttori: Cina (757), USA (661), CSI (512), Germania (325), Polonia (151), India (148), Australia (144), Sud Africa (123), Gran Bretagna (63), Canada (48). Nel 1993 il consumo è stato pari a 2.141 milioni di t.e.p.