Scopri il carbone, le sue proprietà chimiche e le applicazioni in vari settori. Importanza nell’industria e nel mondo della chimica moderna.
Il carbone si forma tra circa 360 e 300 milioni di anni fa durante il Carbonifero, un periodo caratterizzato da un clima caldo e umido con alta concentrazione di anidride carbonica. Il suo processo di formazione comincia con l'accumulo massiccio di materiale vegetale in ecosistemi paludosi dove l'assenza di funghi e batteri specifici, unita alla scarsità di ossigeno, impedisce la completa decomposizione. I resti delle piante, depositati in ambienti anaerobici, vengono progressivamente ricoperti da sedimenti che li sottopongono a pressioni elevate, favorendo la trasformazione chimica e fisica che porta alla formazione della roccia carboniosa. Questo lungo processo sedimentario ha portato alla creazione dei giacimenti carboniferi che oggi costituiscono il carbone fossile estratto nelle miniere sotterranee o a cielo aperto[1].
La composizione principale del carbone è rappresentata da materiali carboniosi che costituiscono oltre il 50% del peso totale e più del 70% del volume. Oltre al carbonio, contiene tracce di idrocarburi e minerali assortiti, inclusi composti a base di zolfo. L’origine vegetale è confermata da indizi paleobotanici riscontrabili nelle rocce scistose o nell'arenaria che lo ricopre, o direttamente nel carbone stesso mediante tecniche analitiche specifiche[1].
Il carbone rimane una fonte energetica primaria a livello globale. Nel 2010 circa il 40% dell’energia elettrica mondiale veniva prodotta tramite centrali termoelettriche alimentate a carbone, con riserve accertate stimate sufficienti per almeno 300 anni di produzione mantenendo gli attuali ritmi di sfruttamento[1]. Negli Stati Uniti questo combustibile rappresenta circa la metà della produzione elettrica mentre in Italia contribuisce per circa il 10%[1]. Storicamente, il carbone ha avuto un ruolo cruciale durante la Rivoluzione Industriale alimentando macchine a vapore, locomotive ferroviarie e navi a vapore, nonché riscaldando edifici fino alla prima metà del XX secolo[1].
L’utilizzo intensivo del carbone comporta significative emissioni antropiche di anidride carbonica (CO2), principale agente responsabile dell’effetto serra e del conseguente 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 gassificazione consiste nella conversione del carbone in gas combustibili attraverso un processo termochimico noto anche come "distillazione". Questo procedimento produce il cosiddetto “gas di città”, una miscela principalmente composta da idrogeno, metano ed altri gas utilizzati per illuminazione, riscaldamento e cucina. Sebbene oggi si preferiscano gas naturali più sicuri come il metano, la gassificazione rimane una tecnologia valida per un possibile riutilizzo futuro del carbone grazie al fatto che in genere il gas brucia a temperature più elevate ed è più pulito del carbone convenzionale[1].
La liquefazione trasforma invece il carbone in combustibili liquidi quali benzina o gasolio attraverso vari processi chimici. Il metodo Fischer-Tropsch è tra i più noti; esso prevede la gassificazione del carbone per ottenere syngas, una mistura purificata e bilanciata di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2), successivamente convertito in idrocarburi leggeri tramite catalizzatori specifici. Questi idrocarburi vengono poi raffinati in benzina o gasolio. Il processo Fischer-Tropsch fu adottato nella Germania nazista e per svariati anni in Sudafrica per ragioni politiche legate all’isolamento internazionale che impediva l'acquisto di petrolio greggio[1]. Inoltre il Syngas può essere convertito in metanolo, che può essere ulteriormente riconvertito in benzina tramite il processo M-gas della Mobil.
Un altro metodo è la liquefazione diretta chiamata processo Bergius (liquefazione attraverso idrogenazione), mai usato al di fuori della Germania che lo sfruttò durante la Prima e la Seconda Guerra Mondiale. In Sudafrica fece qualche esperimento in questa direzione la compagnia SASOL.
La low temperature carbonization (LTC) è una tecnica che trasforma il carbone in coke a temperature comprese tra i 450 e i 700 °C rispetto agli usuali valori di 800-1000 °C utilizzati in metallurgia. Tale temperatura ridotta facilita la produzione di catrami più ricchi di idrocarburi leggeri. Questo metodo fu sviluppato negli anni ’20 negli Stati Uniti dall’ingegnere Lewis Kerrick all’ufficio minerario federale[1].
Tutti questi processi producono significative quantità di CO2; tuttavia l’isolamento della CO2 nei flussi gassosi post-processo è relativamente più semplice rispetto alla cattura dalle emissioni combinate con aria atmosferica che contengono azoto ed altri gas diluenti. La liquefazione del carbone è una delle tecnologie che limitano la crescita del prezzo del petrolio e il vantaggio economico della liquefazione indiretta, rispetto a quella diretta, fu reso noto da William e Larson nel 2003.
Il Carbonifero rappresenta l’epoca geologica fondamentale per lo studio dei giacimenti carboniferi moderni: si estende tra i 280 e i 345 milioni di anni fa ed è associata all’esplosione della vita vegetale terrestre con vaste foreste paludose che hanno lasciato spessi depositi organici destinati alla trasformazione in carbone fossile[1]. La presenza abbondante dei resti vegetali nei sedimenti fornisce anche informazioni sulle condizioni ambientali paleoecologiche.
La parola “carbone” compare nella lingua italiana dal 1306 ed è derivata dal latino "carbo, -onis", connessa probabilmente al verbo greco κάρφω (kàrpho), riferito all’essiccazione o combustione parziale del legno usato nell’antichità per produrre carbone vegetale, e può collegarsi alla radice indoeuropea kar che significa "ardere". L’estrazione sistematica del carbone fossile iniziò solo dal tardo Medioevo[1].
Il carbone continua ad essere un elemento cardine nell’approvvigionamento energetico globale nonostante le sfide ambientali poste dalle sue emissioni climalteranti. Le tecnologie avanzate come la gassificazione e la liquefazione permettono una valorizzazione maggiore della materia prima, migliorandone efficienza d’uso e potenzialmente riducendo le emissioni nocive grazie alla possibilità della cattura separata della CO2 nei flussi concentrati prodotti da questi processi.
L’esperienza storica dimostra inoltre come queste tecnologie siano state sviluppate anche per rispondere a necessità geopolitiche specifiche quando le forniture petrolifere convenzionali risultavano scarse o non accessibili.
Lo studio approfondito delle caratteristiche geologiche dei giacimenti offre ancora oggi preziose informazioni per migliorare l’estrazione sostenibile ed efficiente delle risorse carbonifere disponibili sul pianeta.
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