Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria

Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corso di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica
Corso di Impatto ambientale
Modulo Pianificazione Energetica
a.a. 2013/14
Prof. Ing. Francesco Asdrubali
Combustibili fossili e nucleari
Combustibili fossili e nucleari
 Carbone




Idrocarburi
Gas naturale
Combustibili non convenzionali
Uranio
Combustibili fossili

SOLIDI, LIQUIDI E GASSOSI

PRODOTTI DALLA DECOMPOSIZIONE DI SOSTANZE ORGANICHE

Risorsa non rinnovabile
In senso stretto, andrebbero identificati come combustibili fossili i soli
combustibili solidi, generati con processo chimico fisico di pietrificazione o
fossilizzazione
Nella corrente accezione ingegneristica del termine vengono compresi anche
gli idrocarburi
Carbone
 Combustibile solido (il più importante)
Sostanze complesse ad alta massa molecolare di origine organica che contengono:
 Carbonio (C), idrogeno (H), azoto (N), zolfo (S), ossigeno (O)
 minerali (pirite, argilla, calcite)
Carbonogenesi
Ammassi di piante decomposte sotto elevate pressioni e temperature e
grazie all’ausilio di microrganismi speciali
Tempo,P,T
eliminazione di O e H, rimane il C
Cellulosa C6 H10O5 n microorg.
Classificazione


In base alla provenienza

AUTOCTONI (si sono formati nel luogo in cui vivevano le piante corpi sedimentari)

ALLOCTONI (accumulo di materiale vegetale trasportato, alla foce dei fiumi o in ambiente
marino stratificazione singola)
In base all’età





TORBA (Palustre, Erbacea, Marina)
LIGNITE (Torbosa, Xiloide, Picea)
LITANTRACE (magro/grasso oppure a lunga /a corta fiamma)
ANTRACITE
Classificazione ASTM (classificazione internazionale)

CLASSE I
carboni antracitici

CLASSE II
carboni bituminosi

CLASSE III
carboni sub bituminosi

CLASSE IV
carboni lignitici
Età
Età
Classificazione
Variazione della composizione e delle
proprietà del carbone con l’età




TORBA
LIGNITE
LITANTRACE
ANTRACITE
Età
Acqua
H
Sost. volatili
Carbonio fissato
Potere calorifico
Analisi
Analisi immediata o approssimata
Consente di determinare umidità, ceneri,sostanze volatili e carbonio fisso secondo le seguenti metodologie:

umidità: perdita in peso percentuale in seguito a riscaldamento a 104-110 °C prolungato fino a peso costante.

ceneri: percentuale di peso residua dopo combustione completa.

sostanze volatili: perdita in peso percentuale in seguito a riscaldamento del campione essiccato in assenza di aria
fino a 950 °C per 7 minuti.

carbonio fisso: si ottiene per sottrazione dal peso totale di tutti gli altri contributi.

Hanno un'influenza diretta sulla combustione
Analisi elementare
Consente di determinare il tenore in peso dei principali costituenti atomici del carbone: C, H, O, S, N. Si effettua su
materiale essiccato e non tiene conto delle ceneri. Viene quindi accoppiata con quella del contenuto di ceneri e di
umidità. I risultati dell'analisi elementare consentono di stimare:

Potere calorifico

Rango di carbonificazione (indica il livello di carbonificazione ed è diverso dal grado del carbone, che indica le
impurità presenti)

Quantità prodotta di alcuni degli inquinanti che si formano durante la combustione (ossidi di azoto e di zolfo).
Proprietà
Umidità
varia dal 30% e oltre nelle torbe al 5% e meno nelle antraciti
Ceneri
ricche di silice, allumina, calcio, ferro, sodio, potassio, magnesio. Sono un materiale inerte, ma se
hanno punto di fusione inferiore a 1300°C possono formare scorie fluide
Zolfo
di natura organica o inorganica, durante la combustione si trasforma in anidride solforosa
Sostanze volatili
sono i prodotti che si liberano come gas e vapori per riscaldamento dei carboni ad alta temperatura

Le caratteristiche dipendono anche dalle FASI DI LAVORAZIONE
As mined  appena estratto
As received appena ricevuto
As burnt appena bruciato
Composizione e proprietà dei diversi
tipi di carbone
Combustione del carbone
Emissioni inquinanti
SO2, NOx, CO,CO2,
particolato, ceneri
Combustione del carbone
Contenimento delle emissioni entro
Valori limite emissioni impianti di potenza
(potenza termica P in MW)
limiti di legge
D. Lgs. 152/2006 TU Ambientale

Controllo del particolato (filtri)

Controllo CO, NOx (dosaggio
comburente)

Preparazione del combustibile (es. a
basso contenuto di zolfo controllo
SO2)

Smaltimento ceneri
Combustione del carbone
Controllo e riduzione degli ossidi di zolfodesolforazione in uno stadio
intermedio del processo di combustione
Esempio: Combustione a letto fluido
Trasporto
 Marittimo
 Sul territorio (strada, ferrovia)
 Slurry
Slurry carbone polverizzato in
sospensione con acqua (ad alta
concentrazione)
Costi al km (1995)
Ferrovia 130-140 £/t
Chiatte 210-260 £/t
Autocarro 260-290 £/t
Nastri trasportatori 150-180
Slurry 180-230 £7t
Trasporto
Idrocarburi
Composti da carbonio e idrogeno
Origine: Trasformazione di sostanze organiche di origine animale e vegetale
(naftogenesi) che si sono raccolte in formazioni sedimentarie
Giacimenti petroliferi
 Roccia madre (argillosa)
 Roccia serbatoio (porosa)
 Roccia di copertura (impermeabile)
Estrazione del petrolio
Valore del greggio
Il petrolio greggio si presenta come un liquido viscoso più o meno colorato ed
è costituito da una miscela di idrocarburi con piccole percentuali di acqua,
composti ossigenati, azotati, e solforati ed impurità quali sabbia



Costo di trasporto dal luogo di
origine
Densità
Tenore di zolfo
Densità e contenuto di zolfo

La densità, si misura in gradi API (American Petroleum Institute), su una
scala che va da meno di 10 a oltre 50.

Maggiore è il grado API e minore è la densità. Un greggio meno denso
viene definito leggero.
 Pesanti API<22° (sono i meno pregiati)
 Medi 22-34°
 Leggeri 34°( sono i più pregiati)

Tenore di zolfo
 Sweet (zolfo <0,5% del peso)
 Medium Sour (0,5-1,5%)
 Sour (>1,5%)
Un minor contenuto di zolfo è indice di una maggiore qualità del greggio e di
un maggior valore.

Raffinazione del petrolio
Proprietà dei prodotti petroliferi
Resa in frazioni leggere 15-20%
Resa in frazioni medie 30-50%
Gas condensabili  GPL
Proprietà dei prodotti petroliferi
Prezzi del petrolio
Gas naturale
 Miscela di idrocarburi saturi alifatici (paraffine)
Metano  gas inodore, incolore, più leggero dell’aria, insolubile in acqua.
.
Temperatura critica: - 82,6 °C; Temperatura di ebollizione alla Patm: -161,5°C
Distribuzione di gas naturale in Europa
Distribuzione di gas naturale in Italia
Alta pressione: > 0,5 MPa
Media pressione: 0,05-0,5 MPa
Bassa pressione: <0,05 MPa
Distribuzione di gas naturale in Italia
1986
2006
Il ruolo della rigassificazione
Ruolo crescente del GNL nel mercato
internazionale del gas naturale
Ruolo crescente del GNL nel mercato
internazionale del gas naturale
Combustibili non convenzionali
Gas non convenzionale
 Gli scenari energetici futuri sono incentrati sull’ascesa della domanda di gas
naturale, in particolar modo, del gas non convenzionale (shale gas,coal bed
methane CBM, tight gas).
 Il ruolo del gas non convenzionale nel mercato mondiale del gas deve
ancora essere chiarito, è ancora da accertare se sia competitivo con il gas
convenzionale e se tale risorsa sia interamente recuperabile, localizzata in
bacini superficiali o poco permeabili da estrarre con opportune tecniche;
attualmente, le maggiori risorse sono localizzate in Nord America (più di 80
trilioni di metri cubi).
Lo sviluppo del non convenzionale è legato al miglioramento delle tecnologie
di estrazione, perciò si stima che nel 2040 costituirà il 30% della produzione
globale e si diffonderà soprattutto in America Latina e in Europa
[Exxon Mobile , The Outlook for Energy: A View to 2040, 2012 ]
Shale Gas, CBM, Tight Gas
 Shale Gas:
Si trova imprigionato in rocce
sedimentarie, in genere scisti
argillosi, formatesi in centinaia di
milioni di anni in zone coperte da
acque superficiali. Tali rocce
tengono imprigionato il gas in
modo molto tenace ma, grazie
all’Hydraulic fracking ( tecnica
che consiste nello “sparare”
acqua mista ad additivi chimici
ad altissima pressione) possono
essere fratturate, per consentire
la fuoriuscita e il recupero del
gas.
Lo scavo avviene prima
verticalmente e poi, dopo il
ritrovamento degli scisti ricchi di
gas, in orizzontalmente.
 Coalbed Methane: il metano contenuto
nei giacimenti di carbone (grisù). È privo di
acido solfidrico associato (è metano di
ottima qualità). Ne sono ricchi Cina,
Russia, Usa, Australia, Canada e
Indonesia.
 Tight Gas: letteralmente significa “gas
stretto” perché mostra elevata aderenza
alle rocce che lo contengono (difficoltà
nell’estrarlo). È presente nelle rocce a
bassa porosità (<10%) e permeabilità,
solitamente arenarie, ma anche
carboidrati.
È difficile da distinguere dallo shale gas,
se non per la roccia madre, e di fatto i
metodi di estrazione sono gli stessi.
Rivoluzione Shale Gas
“Per la prima volta a febbraio di
quest’anno, la quota di energia
derivante dal carbone è crollata
del 37%, 11 punti in meno
rispetto al 2008. Grazie alle
nuove tecniche di estrazione
dello shale gas.””
“L’aumento delle forniture ha
portato a una drastica
diminuzione dei prezzi, rendendo
disponibile una fonte di energia
più pulita ed economica, rispetto
al carbone.”
Il Sole 24 ore-27 maggio 2012
Petrolio non convenzionale
 Shale Oil
Si estrae in modo diverso o ha qualità
differenti
Sabbie bituminose del Canada
Greggio "pesante" e "ultrapesante" del Venezuela
Petrolio da scisti, cioè estratto
dalle formazioni rocciose, fratturando
la materia con acqua, sabbia o
ceramica e agenti chimici proiettati
con grande forza. Questa procedura
avviata negli Stati Uniti può
aggiungere l’equivalente di un grande
Paese del Golfo persico alla
produzione mondiale di petrolio: più
dell’attuale produzione iraniana.
Liquidi derivati ​dal gas naturale gas-liquido (GTL) o carbone-aliquido (CTL)
Radioattivita’ naturale
Alcuni nuclei tendono a “decadere”, ossia a trasformarsi in elementi a configurazione più
stabile, con emissione di particelle e/o radiazioni
Radioattività naturale e indotta

Tempo di dimezzamento
Di norma si caratterizza l’Attività dei nuclidi radioattivi mediante il loro periodo (o tempo) di
dimezzamento, che corrisponde all’intervallo di tempo necessario affinché i nuclidi
presenti si siano ridotti alla metà del loro valore iniziale.
Becquerel (Bq) = 1 disintegrazione al secondo
Curie (Ci) 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq
RADIOATTIVITA’ INDOTTA = conferimento di protoni o neutroni
Plutonio non esiste in natura tende a decadere

Composizione atomica dell’Uranio naturale
U238
99,274%
U235
0,72%
U234
0,0006%
arricchimento dell’Uranio
Reazione nucleare di fissione
235 U + n
2PF + 2,5 n + 200 MeV
FISSILE
subisce direttamente la reazione di fissione
FERTILE
può diventare fissile attraverso
successive trasformazioni
MATERIA
FISSILE U235, Pu239
U235
92 protoni
143 neutroni
U238
94 protoni
145 neutroni
isotopo più stabile dell’uranio: U238
Reazione nucleare di fissione
ARRICCHIMENTO URANIO 235
Separazione elettromagnetica
 diffusione in mezzi porosi
 forza centrifuga
NEUTRONI VELOCI
(generati da reazione fissione)
NEUTRONI LENTI O TERMICI (2-3.000 m/s)
Se vengono rallentati da un moderatore hanno una probabilità 200 volte
superiore che avvenga la reazione di fissione
Reazione
supercritica
+ di 1 neutrone
controllata
1 neutrone incontra 1 nucleo fissile
sottocritica
– di 1 neutrone
Reazione nucleare di fissione

MODERATORI FORTI (acqua)
arricchimento U235

MODERATORI DEBOLI (grafite)
va bene contenuto naturale

ASSORBITORE

REFRIGERANTE