Combustibili fossili: carbone, petrolio, idrocarburi, gas naturale

I combustibili fossili derivano dalla lenta e complessa trasformazione chimico-fisica della materia organica di origine vegetale e animale, avvenuta nel corso di milioni di anni in condizioni anaerobiche, cioè in assenza di ossigeno. Resti di piante, alghe e piccoli organismi marini e terrestri, rimasti intrappolati e sepolti sotto sedimenti su fondali di mari, laghi o zone paludose, sono stati progressivamente sottoposti a pressioni elevate e a variazioni di temperatura. Questi processi geologici hanno portato alla formazione di giacimenti di carbone, petrolio e gas naturale, i tre principali tipi di combustibili fossili.

Il meccanismo ha consentito la conservazione dell’energia solare immagazzinata negli organismi viventi tramite la fotosintesi clorofilliana: l’energia chimica accumulata nei legami molecolari del carbonio è così rimasta disponibile fino ai nostri giorni. Proprio questa energia, rilasciata durante la combustione, è stata alla base dello sviluppo industriale e tecnologico degli ultimi due secoli.

I combustibili fossili rappresentano tutt’oggi una fonte energetica non rinnovabile di primaria importanza, coprendo circa l’80% del fabbisogno energetico mondiale. Nonostante l’avanzata delle rinnovabili, essi rimangono fondamentali per la produzione di elettricità, per il riscaldamento, per i trasporti e per l’industria chimica, che li utilizza come materia prima nella sintesi di polimeri, fertilizzanti e numerosi prodotti di uso quotidiano.

Dalla combustione dei combustibili fossili si ottiene prevalentemente, come prodotto di reazione, il biossido di carbonio. Esso è uno dei principali gas serra e pertanto un responsabile dei cambiamenti climatici, delle piogge acide e del riscaldamento globale. Oltre alla CO₂, vengono rilasciati ossidi di zolfo e azoto, polveri sottili e metalli pesanti che contribuiscono al fenomeno delle piogge acide, all’inquinamento atmosferico e a gravi problemi di salute pubblica. L’estrazione stessa comporta impatti ambientali notevoli: deforestazione, alterazioni del paesaggio, rischio di contaminazione delle acque e incidenti come fuoriuscite di petrolio o esplosioni in miniere di carbone.

L’elevato impatto ambientale e la natura non rinnovabile dei combustibili fossili spingono sempre più governi e istituzioni a promuovere la transizione energetica verso fonti alternative, come le energie rinnovabili, l’idrogeno verde e i biocarburanti. Tuttavia, la sostituzione completa è un processo graduale e complesso, poiché l’economia mondiale è ancora fortemente legata a queste risorse per infrastrutture, logistica e produzione industriale.

Classificazione dei combustibili fossili

I combustibili fossili vengono classificati principalmente in tre categorie:

• Carbone: comprende diverse varietà (torba, lignite, litantrace, antracite) che differiscono per contenuto di carbonio e potere calorifico. È stato il primo combustibile fossile a essere sfruttato su larga scala, alimentando la Rivoluzione Industriale.

• Petrolio e altri idrocarburi liquidi: si tratta di una miscela complessa di idrocarburi, dalla quale, tramite raffinazione, si ottengono benzina, gasolio, cherosene, lubrificanti e numerosi derivati utilizzati sia come carburanti che come materie prime nell’industria chimica.

• Gas naturale: composto prevalentemente da metano, è considerato il combustibile fossile “più pulito” in termini di emissioni, sebbene la sua estrazione e distribuzione comportino perdite di metano, un gas serra molto più potente della CO₂.

Carbone

Come combustibile fossile il carbone fu utilizzato a partire dalla Rivoluzione industriale per alimentare le macchine a vapore. Attualmente è utilizzato soprattutto per la produzione di elettricità nelle centrali termoelettriche.

Nel corso dei processi di fossilizzazione e di carbonizzazione il carbonio si trasforma dapprima in torba e successivamente in lignite, litantrace e antracite che costituisce l’ultimo stadio della trasformazione.

Per questi motivi la torba è caratterizzata da un elevato tenore di umidità ed è pertanto più utilizzata per la produzione di concimi e fertilizzanti.

L’antracite, invece, ha il maggior contenuto di carbonio e costituisce il migliore combustibile fossile per la combustione.

All’aumentare del tenore di carbonio aumenta il potere calorifico ovvero la quantità di calore generalmente espressa in kcal che si sviluppa dalla combustione completa di un kg di combustibile.

Sono riportati in tabella il potere calorifico del carbone nelle sue varie forme:

Petrolio

Il petrolio è il più importante tra i combustibili fossili ed è costituito da miscela complessa di sostanze organiche, prevalentemente da alcani lineari e ramificati, cicloalcani e, in misura minore, idrocarburi aromatici ma mostra composizione, colore e viscosità diversa a seconda del paese di provenienza.

Una volta estratto, il petrolio, deve subire processi di raffinazione consiste nel separare, tramite distillazione frazionata, le diverse frazioni che hanno temperature di ebollizione crescenti a seconda delle rispettive masse molecolari.

Poiché le frazioni più richieste dal mercato sono quelle con un basso numero di atomi di carbonio alcune frazioni vengono sottoposte a cracking termico o catalitico per ottenere prodotti “leggeri” come benzina e GPL.

Per aumentare il numero di ottano di una miscela idrocarburica è necessario trasformare le molecole lineari in molecole ramificate. Questo processo avviene tramite il reforming catalitico per ottenere l’isomerizzazione degli alcani.

L’utilizzo del petrolio ha un notevole impatto sociale e ambientale derivante sia da incidenti che da attività di routine come l’esplorazione sismica, le perforazioni e gli scarti inquinanti.

Gli incidenti più frequenti che costituiscono un disastro ambientale sono dovuti allo sversamento di centinaia di tonnellate di petrolio di parte di navi petroliere che provocano danni a breve e a lungo termine alle specie marine di superficie, uccelli, ma anche mammiferi e rettili

Gas naturale

Il gas naturale è costituito da una miscela di idrocarburi che varia a seconda dei giacimenti.

Il metano è l’idrocarburo prevalente essendo presente in ragione di circa il 90% ma è presente anche etano, propano e butano e altri gas. Viene utilizzato come combustibile ma anche come materia prima per ottenere sostanze polimeriche.

Nelle centrali termoelettriche viene usato come carburante per azionare turbine a gas.

Stante la richiesta di gas naturale esso viene trasportato dai luoghi di produzione a quelli di consumo tramite gasdotti.

Anche il gas naturale, che è quello che ha un impatto ambientale inferiore a quello del carbone e del petrolio, sviluppa, a seguito della combustione biossido di carbonio ed inoltre, anche se con meno frequenza rispetto agli incidenti che avvengono nelle petroliere si sono verificati incidenti lungo il percorso delle condotte.

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