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Le fonti di energia - I combustibili fossili: Il petrolio, Il gas naturale

scienze della terra




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Le fonti di energia


Le "Fonti Primarie" sono sostanze solide, liquide o gassose che usiamo come risorsa di partenza per ottenere energia utilizzabile.

Le "Fonti Minori o Integrative" sono invece gli elementi naturali che possiedono energia in forma fluente, da "catturare" nel momento in cui si manifesta.


Origini delle fonti di energia

Quasi tutta l'energia utilizzabile sul nostro pianeta, circa il 95% del totale, deriva dal Sole. Ogni giorno la sua energia viene assorbita dagli elementi naturali (aria, acqua e suolo) e dagli organismi vegetali (alberi e piante erbacee), che diventano così fonti di energia praticamente utilizzabile. Le fonti di origine solare sono:

- Elementi naturali

  • La luce del Sole è l'energia luminosa che arriva ogni giorno sul nostro pianeta.
  • Il vento è una massa d'aria in m 525h74f ovimento.
  • Il fiume è una massa d'acqua in movimento, che si sposta per gravità dalle zone più elevate verso il mare.

- Piante



La luce del sole viene catturata ogni giorno dalle foglie attraverso la fotosintesi clorofilliana. Questa energia viene immagazzinata nelle piante sotto forma di sostanze chimiche ricche di energia.

  • Le piante foraggere sono destinate all'alimentazione del bestiame. Gli animali assorbono l'energia chimica contenuta nei foraggi e ne trasformano una parte in energia muscolare.
  • Le piante alimentari sono destinate all'alimentazione dell'uomo. L'uomo assorbe l'energia chimica contenuta nel cibo e ne trasforma una parte in energia muscolare.
  • L'albero cattura con le foglie l'energia del Sole e la immagazzina nel fusto e nei rami sotto forma di cellulosa.

- Combustibili fossili

La luce del sole è stata immagazzinata anche dagli organismi vegetali e animali vissuti milioni di anni fa. Oggi questa energia la troviamo nei combustibili fossili, situati nel sottosuolo.

  • Il carbone è una sostanza solida che trae origine dalla massa di alberi sepolti che hanno subito un fenomeno di carbonizzazione durato milioni di anni.
  • Il petrolio è una sostanza oleosa che deriva da enormi ammassi di piccoli organismi vegetali e animali, sepolti nel sottosuolo, che si sono trasformati nel corso di milioni di anni.
  • Il gas naturale è una sostanza gassosa che ha origine simile al petrolio.

Un'altra parte di energia, circa il 5% del totale, deriva dalla massa della Terra: si tratta dell'energia geotermica, di quella nucleare e di quella delle maree.


I combustibili fossili

I combustibili fossili sono il petrolio, il gas naturale e il carbonio. Sono detti combustibili perché bruciano in presenza di ossigeno e producono calore, e fossili perché si sono formati milioni di anni fa nel sottosuolo. Oggi sono le fonti di energia più importanti perché forniscono quasi il 90% di tutta l'energia del mondo.


Il petrolio

Il petrolio è la principale fonte di energia del mondo. Il suo ciclo produttivo è lungo e complesso: inizia con la ricerca dei giacimenti in ogni continente, sulla terraferma e off-shore (a largo della costa); prosegue con l'estrazione del greggio nei campi petroliferi e il trasporto alle raffinerie; termina con la distillazione dei numerosi derivati (benzine, gasolio, kerosene) e la distribuzione dei prodotti a tutte le città.

L'Italia compra quasi tutto il petrolio che consuma all'estero, soprattutto da due regioni del mondo arabo: dai paesi del Golfo Persico (Arabia Saudita, Kuwait, Iran, ecc.) e dai paesi del Nord Africa (Libia e Algeria).


Origine

Il petrolio è un liquido denso e oleoso, di colore variabile dal giallo bruno al nero; è un miscuglio di idrocarburi, sostanze formate da idrogeno e carbonio.

Si trova oggi negli strati profondi della crosta terrestre, sotto forma di particelle oleose che riempiono i piccoli spazi delle rocce sedimentarie. La sua origine è organica, perché deriva da piccoli organismi vegetali e animale che chiamiamo plancton.


Formazione del petrolio

Il petrolio ha avuto origine sul fondo di antichi mari interni, lagune o golfi. Su questi bassi fondali si sono depositati due tipi di sedimenti:

  • Le particelle minerali di sabbia e argilla;
  • I piccoli organismi vegetali e animali che popolavano questi specchi d'acqua, che oggi chiamiamo plancton.

I fanghi e le particelle rocciose, nel corso di milioni di anni, hanno formato grandi strati orizzontali di sedimenti. Questi, ricoperti a nuovi strati e spinti a profondità sempre maggiori, si sono compattati e cementati fino a trasformarsi in rocce sedimentarie.

Le sostanze organiche in essi sepolte, si sono trasformati lentamente in idrocarburi.


Formazione delle trappole

Durante le ere geologiche gli strati orizzontali di rocce sedimentarie hanno raggiunto profondità di 10 Km e anche maggiori. Poi, con lo spostamento delle masse dei continenti, forze enormi li hanno deformati, cioè curvati, fratturati, spostati lungo le linee di frattura: sono nate così le trappole petrolifere.

Ogni trappola è formata da due strati di roccia diversa:

  • Uno strato di roccia impermeabile che forma il cappello superiore;
  • Uno strato di roccia porosa situato sotto lo stato precedente.

Formazione dei giacimenti

Durante le ere geologiche le gocce oleose degli idrocarburi sono migrate dentro le rocce porose. Si sono spostate verso l'alto, poiché erano più leggere dell'acqua presente nel terreno ed erano spinte dalla pressione dei gas cui erano mescolate. Questa lenta migrazione è terminata contro le pareti di una trappola, dove gli idrocarburi si sono accumulati e hanno formato un giacimento di petrolio o di gas naturale.


Ricerca dei giacimenti

La ricerca del petrolio viene fatta negli antichi bacini sedimentari, dove è più probabile trovare le trappole petrolifere. I geologi, per individuare l'esistenza di trappole, usano in prevalenza la sismica a riflessione. Questo metodo consiste nell'inviare segnali sonori nel sottosuolo e nel misurar i tempi di riflessione da parte delle superfici che separano i vari strati rocciosi. I dati raccolti sono elaborati da un computer che disegna direttamente la mappa strutturale del sottosuolo. Tramite tale mappa si valuta se conviene costruire dei pozzi esplorativi.

Un pozzo esplorativo è una trivellazione fatta per accertare se in un luogo esiste una trappola, se contiene petrolio e in quale quantità. Si osservano le carote di terreno portate in superficie: se i risultati sono buoni nella zona nascerà un campo petrolifero, con i pozzi di produzione.






Perforazione di un pozzo

Un pozzo di petrolio è una buca nel terreno, larga da 70 cm a 100 cm che scende ad una profondità variabile da poche centinaia di metri sino a 6 Km. Per perforare il  terreno si usa una struttura metallica detta derrick, che è una struttura a traliccio che assomiglia ad una piccola torre Eiffel in miniatura. Al centro della torre gira una tavola rotante che trascina un'asta quadrata: questa è il primo elemento di una serie di aste tonde, cave all'interno, che vengono avviate l'una all'altra man mano che la perforazione scende in profondità. L'estremità inferiore dell'ultima asta porta lo scalpello, formato da durissimi rulli dentati che, ruotando, frantumano anche la roccia più dura.

Un fango speciale circola all'interno delle aste cave, scende sino allo scalpello e risale nell'intercapedine tra aste e le pareti del pozzo: in superficie viene depurato  e rimesso in circolazione. Esso serve a raffreddare e lubrificare lo scalpello, portare in superficie i frammenti di roccia e a consolidare la pareti del pozzo.

Un treno di tubi di acciaio viene calato come rivestimento del pozzo, man mano che la perforazione scende in profondità.


Il campo petrolifero

Quando i pozzi esplorativi confermano la presenza di vasti giacimenti sul territorio nasce un campo petrolifero. Come prima cosa vengono montate molte torri derrick per la perforazione dei pozzi di produzione. Poi, via via che si raggiungono le trappole petrolifere, i derrick non servono più e vengono smontati: al loro posto vengono in installati gli alberi di Natale o le pompe di estrazione. Il petrolio che esce dai pozzi viene avviato al "centro olio" dove viene separato dal gas e dall'acqua e depurato. Infine il greggio viene raccolto in grandi serbatoi in attesa del trasporto alla raffineria. La vita media di un giacimento è di 20 - 30 anni.


Trasporto del greggio

Dalle cisterne del campo petrolifero il petrolio viene immesso dentro le tubazioni dell'oleodotto, lunghe anche centinaia di chilometri, che lo portano direttamente alle raffinerie. Più spesso l'oleodotto arriva al centro di raccolta di un porto di imbarco, dove viene caricato su grandi navi cisterna, dette petroliere, che lo trasportano alle raffinerie di destinazione.


La raffineria

La raffineria di petrolio è un impianto di grandi dimensioni diviso in tre blocchi distinti:

  • Cisterne per lo stoccaggio del greggio;
  • Torri per le diverse lavorazioni;
  • Cisterne per lo stoccaggio dei prodotti raffinati.

Queste tre parti sono collegate da fasci di tubi che permettono una lavorazione a ciclo continuo.


Impieghi dei prodotti petroliferi.

I prodotti petroliferi si dividono in quattro famiglie:

  • I carburanti che servono per azionare i diversi tipi di motori: sono la benzina, il gasolio, il kerosene.
  • I lubrificanti che servono per ridurre l'attrito e quindi l'usura delle parti in movimento di motori e macchine.
  • I combustibili che servono per il riscaldamento di abitazioni e per impieghi industriali e sono bruciati nelle caldaie per mezzo di bruciatori.
  • Gli altri prodotti che comprendono la vaselina (usata in farmacia e per produrre cosmetici), la paraffina (usata per produrre cere e lucidi), gli asfalti, i bitumi, ecc.




Il gas naturale

Il gas naturale è il combustibile fossile più pregato: è pulito, non contiene prodotti nocivi, bruciando non produce residui solidi né sostanze tossiche. Per questo viene utilizzato nelle case per cucinare e riscaldare gli ambienti. È anche una materia prima, da cui si ricavano molti derivati.


Ciclo produttivo

Il gas naturale è un gas incolore, inodore e pesa circa la metà dell'aria, a parità di volume. È formato in prevalenza da metano, circa il 90%, e da altri idrocarburi gassosi.

  • Giacimenti

L'origine del metano è legata a quella del petrolio, pertanto lo si estrae comunemente dai                                     pozzi petroliferi. Le riserve più importanti sono in Russia, nel Medio Oriente e negli Stati Uniti; in Italia i pozzi principali sono nella Pianura Padana.

  • Trasporto

Il gas naturale viene trasportato fino ai luoghi di consumo attraverso un tubo, detto gasdotto o metanodotto.

  • Distribuzione

Dalla rete principale si diramano altre tubazioni più piccole, dette "derivazioni", che portano il gas alle grandi utenze industriali. Il metanodotto arriva anche alla periferia delle città, dove viene "preso in consegna" dalla società che gestisce la distribuzione. Qui il gas subisce i seguenti trattamenti:

l'altissima pressione viene ridotta a valori molto bassi:

viene aggiunta una particolare sostanza odorizzante, che serve per avvertire eventuali fughe;

in parte viene immagazzinato in appositi serbatoi metallici di grandi dimensioni detti "gasometri", che permettono di far fronte alla maggior richiesta nelle ore cruciali. Quindi il gas viene immesso nella fittissima rete di tubazioni sotterranee che percorrono tutte le vie cittadine, fino alle diramazioni dei singoli edifici.




Impieghi del metano

Usi industriali. Molte industrie e molti laboratori artigiani usano il gas naturale come combustibile per diversi usi. Nelle industrie chimiche diventa invece una materia prima da cui ricavare altri prodotti (gomme sintetiche, fertilizzanti). Nelle centrali termoelettriche serve invece come carburante per azionare le turbine a gas, che muovono gli alternatori.

Usi domestici. Nelle abitazioni il gas naturale è impiegato in tre tipi di apparecchi:

per la cottura dei cibi:

per la produzione di acqua calda;

per il riscaldamento degli ambienti.


Il carbone

Il carbone è stato la fonte principale di energia nell'Ottocento ed è un combustibile molto inquinante.


Origine del carbone

Il carbone è una roccia sedimentaria di color bruno o nero, formata da due gruppi di sostanze:

  • materiale organico che con la combustione fornisce calore e anidride carbonica.
  • Materiale inorganico che con la combustione da origine alle ceneri e alle sostanze volatili inquinanti.

Il carbone deriva da grandi cumuli di organismi vegetali, soprattutto alberi, che hanno subito un processo di carbonizzazione.


La miniera di carbone

Le miniere per estrarre il carbone dal sottosuolo sono di due tipi: in sotterraneo e a cielo aperto.

La prima presenta pochi problemi ambientali perchè l'unico cambiamento nel paesaggio sono le montagne di roccia sterile che si formano vicino ai pozzi. È formata da alcuni pozzi verticali che collegano i diversi livelli della miniera. A partire dai pozzi si scavano le gallerie, cioè tunnel orizzontali.

La seconda stravolge completamente l'ambiente. È conveniente quando i giacimenti sono molto vasti; la crosta rocciosa che copre i filoni viene sbancata, poi inizia l'estrazione con grossi macchinari.


Tipi di carbone

Esistono molte varietà di carbone; la qualità dipende dal grado di carbonizzazione che hanno subito le masse vegetali.

Torba: non è un vero carbone poiché deriva da piante erbacee che hanno subito una trasformazione parziale. Si trova in giacimenti superficiali dette torbiere.

Ligniti: sono carboni abbastanza giovani che derivano da masse di alberi che hanno subito trasformazioni più profonde rispetto alla torba.

Carboni duri: sono i carboni fossili veri e propri, cioè le litantraci e le antracite. Hanno un aspetto nero, lucido e compatto e costituiscono i combustibili fossili per eccellenza.

Coke: è un carbone "artificiale" che si ricava dal litantrace.


Impieghi del carbone

Il carbone ieri. L'uso del carbone è iniziato in Inghilterra verso il 1750, all'epoca della Rivoluzione Industriale. Il suo impiego principale era nella produzione del vapore per ottenere forza motrice.

Il carbone era anche usato per il riscaldamento delle case; esso diventò anche una materia prima per ricavare moltissimi prodotti: gas di città, catrame , ecc.

Il carbone oggi. Oggi il carbone è stato sostituito in larga parte dal petrolio e dal gas naturale. Tuttavia nel mondo si consumano ancora grosse quantità di carbone, per due impieghi principali: nelle centrali termoelettriche e nei centri siderurgici.


Combustibili fossili e ambiente

I combustibili fossili sono i grandi protagonisti dello sviluppo delle società moderne, con livelli di benessere per vasti strati di popolazione. Sono però anche la causa principale di inquinamento, sia a livello locale per l'aria che respiriamo, sia a livello generale per l'inquinamento dell'atmosfera (effetto serra).


Inquinamento da petrolio greggio

Il petrolio può diventare un pericolo per l'ambiente durante le fasi del ciclo produttivo: estrazione, trasporto, lavorazione.

  • La fuoriuscita del greggio dai pozzi di estrazione è un evento abbastanza raro. L'episodio più grave risale al 1990 quando, in Europa, alcuni pozzi nel mare del Nord hanno versato petrolio in mare per ben due giorni.
  • Il versamento in mare del petrolio dalle petroliere è l'evento più comune e temuto.
  • L'incendio in una raffineria è un evento abbastanza raro.

Inquinamento da combustione

I combustibili fossili svolgono la loro funzione utile quando liberano energia termica, cioè calore. Però con la combustione rilasciano anche sostanze di scarto che sono inquinanti per l'ambiente e per l'uomo. Sono i derivati del petrolio (benzina, gasolio, nafta) i grandi responsabili dell'inquinamento dell'aria nelle città perché fanno funzionare milioni di mezzi di trasporto e non esistono dispositivi veramente efficaci contro queste emissioni diffuse.

Il gas naturale è il combustibile più pulito, tanto che viene usato direttamente come fonte di energia nelle case.






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