In un sistema isolato l’energia si conserva e le sue diverse forme si possono trasformare l’una nell’altra in accordo ai principi della termodinamica, in base ai quali:

(1)

Energia: Fonti Fossili Non Rinnovabili.

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

https://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione Corso di

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

(2)

Attilio Citterio

Energia.

Abilità a compiere lavoro - L’energia è la valuta comune di tutti gli aspetti della vita fisica. Non si può ne creare ne distruggere, ma si può convertire da una forma all’altra.

Si esprime in due forme principali: Calore e Movimento

L’unità fondamentale SI dell’energia è il joule (J) = N·m = kg·m²·s^-2 Il joule è un numero molto piccolo;

1 J è sufficiente ad innalzare la temperatura di 1 mL di acqua di ~0.25°C La caloria (cal.) è una unità opzionale, vale 4.18 J

3000 kcal per una dieta giornaliera = 1.25  10⁷ J = 12.5 MJ

Tutti i tipi di attività fisiche si possono valutare in termini di energia:

 Combustione di combustibili 1 m³ di gas naturale = 3.7  10⁷ J

 Lavoro fisico umano 1 ora di duro lavoro = 2.5  10⁶ J

 Produzione di un prodotto Energia in un veicolo = 7  10⁷ J·kg^-1

(3)

Forme di Energia.

L’energia si presenta in diverse forme:

Nucleare Radiante

Elettrica Meccanica

Chimica Termica Gravitazionale

Elettromagnetica

sulla Terra

L’energia chimica, ovvero quella liberata nella rottura e formazione di legami fra gli atomi attraverso le reazioni chimiche, è quella che riveste la maggiore influenza sulle attività umane. Curiosamente è presente nell’Universo in

quantità trascurabile rispetto alle altre.

L’energia coinvolta nei processi chimici dipende da:

 Strada scelta

 Termodinamica del processo (DH and DG >,=,< 0)

 Cinetica (E_att)

 Operazioni coinvolte (riscaldamento, mescolamenti, separazioni, purificazioni, …)

(4)

Energia ed Evoluzione dell’Universo.

Vecchio modello di velocità di formazione stelle Inizio nascita

delle stelle

Big bang

Era oscura

Formazione Via Lattea

Si forma il nostro sistema solare

La vita appare sulla terra

Evoluzione specie umana MILIARDI DI ANNI

1 2 5 10 ~14

Nuovo modello:

La velocità di nascita delle stelle è massima a ~0.5-1 miliardi di anni

E = mc²

Energia gravitazionale

(5)

Energia e Degradazione Spontanea dell’Energia.

Ciascuna forma di energia è caratterizzata da un indice di qualità chiamato entropia S che misura la probabilità di dispersione del sistema.

Il valore economico delle diverse forme di energia è, circa, inversamente proporzionale al loro contenuto di entropia.

In un sistema isolato l’energia si conserva e le sue diverse forme si possono trasformare l’una nell’altra in accordo ai principi della termodinamica, in base ai quali:

 I processi spontanei si svolgono nella direzione nella quale, pur rimanendo inalterata la quantità totale di energia, ha luogo un aumento di entropia.

 La direzione naturale delle trasformazioni è quella associata al declino della qualità dell’energia.

(6)

Qualità delle Diverse Forme di Energia.

Forma di energia

Indice Qualità (% di exergia)

Extra Superiore Energia Potenziale Energia Cinetica Energia Elettrica

100 100 100

Superiore Energia Nucleare Radiazione Solare Energia Chimica Vapore Caldo Ciclo termico

Quasi 100 95 95 60 30

Inferiore Calore di scarto 5

Senza valore Calore irraggiato dalla Terra

0

basso alto

Sistem a

Energia/

materia

Energia/

materia

La qualità si consuma nella conversione di

materia e energia

Benzina

Etanolo

Carbone Elettricità

(7)

Efficienza Energetica di Alcune Comuni Dispositivi di Conversione dell’Energia.

Celle a combustibile 60%

Turbina a vapore 45%

Corpo umano 20-25%

Luce fluorescente 22%

ICE (benzina) 10%

Luce Incandescente 5%

(8)

Confronto dell’Efficienza Energetica Netta per Due Tipi di Riscaldamenti di Ambienti.

Luce solare 90%

100%

Solare passivo

Elettricità da Impianti Nucleari

Calore disperso

Uranio

100% 95%

Calore disperso

54% ^14%

Calore disperso

Trasmissione Finestra

(90%) Estrazione

Uranio (95%)

Lavorazione Uranio e trasporto

(57%)

Impianto (31%)

Trasmissione dell’elettricità

(85%)

Riscaldamento per resistenza

(100%)

L’efficienza cumulativa netta si ottiene moltiplicando le percentuali indicate nel cerchio per ciascun stadio per

l’efficienza energetica di quello stadio (indicato in parentesi).

In base alla seconda legge della termodinamica, nella

maggior parte dei casi maggiore è il numero degli stadi in un processo di conversione energetica e minore è l’efficienza energetica netta. Circa l’86% dell’energia usata per produrre riscaldamento a partire da elettricità prodotta da un impianto nucleare è dispersa. Per contro, con il riscaldamento solare passivo, solo circa il 10% dell’energia solare entrante è persa. Se si tiene conto dell’ulteriore energia necessaria per trattare i rifiuti nucleari e a smantellare l’impianto nucleare molto radioattivo alla fine della sua vita utile, allora la resa energetica netta si riduce a solo l’8% (o 92% dispersa)

17% 14%

(9)

Potenza ed Energia.

Definizione di Potenza in scienza:

Potenza è il Flusso di Energia

L’unità d’energia si converte in unità di potenza dividendola per il tempo.

Per esempio,

BTU per min.

Cal per ora

L’unità di riferimento per la Potenza è il watt, che si usa in genere sotto forma di multipli – kilowatt = kW, megawatt = MW.

La quantità di energia si recupera dalla potenza moltiplicando per il tempo, così una tipica unità di energia è il kW ora.

Energia Potenza

Tempo



1 hp = 0.7547 kW = 2.71710⁶ J h^-1

Joule per sec. = watt

(10)

Consumo Personale di Energia all’Anno.

Riscaldamento Casa Media 7 m³ di gas naturale al giorno

 Energia totale = 7 m³  365  3.7  10⁷ J m^-3 = 9.5  10¹⁰ J Elettricità 900 kWh al mese

 Energia totale = 900 kWh  12  3.6  10⁶J kWh^-1 = 3.2  10¹⁰ J Automobile 12 000 km a 18 km L^-1 (benzina)

 Energia totale = 12 000 km / 18 km L^-1  4.8 x 10⁷ J L^-1

= 3.2  10¹⁰J

Consumo pro-capite di energia all’anno in Italia

 120  10⁹ J = 120 GJ

Consumo di energia all’anno nel mondo

 340  10¹⁸ J = 340 EJ

kilo k 10³ migliaia Mega M 10⁶ milione Giga G 10⁹ miliardo Tera T 10¹² trilione Peta P 10¹⁵

Exa E 10¹⁸

(11)

Valori Calorifici per Combustibili.

C_nH_mO_x + t O₂ → n CO₂ + m/2 H₂O

• Potere calorifico superiore (UHV), o potere calorifico totale (GCV):

Il potere calorifico per la frazione secca del combustibile. Non si considera il calore di evaporazione dell’acqua formata dall’H.

UHV = 0.3491·X_C + 1.1783·X_H + 0.1005·X_S - 0.0151·X_N - 0.1034·X_O - 0.0211·X_ash [MJ·kg^-1, su base secca], X_i in peso%

• Potere calorifico inferiore (LHV):

LHV = UHV meno il calore di evaporazione dell’acqua (2.447 MJ·kg^-1 di acqua) formata dall’H [MJ·kg^-1, su base secca]

• Potere calorifico effettivo (EHV), o potere calorifico netto (NCV):

EHV = LHV meno il calore di evaporazione dell’acqua nel combustibile [MJ·kg^-1, su base umida]

(12)

L’Energia è stata Essenziale nello Sviluppo dell’Umanità.

La società moderna usa molta energia.

Lungo la strada dello sviluppo, l’uso che l’uomo ha fatto dell’energia è cresciuto enormemente. L’energia che l’uomo consumava per la sua sussistenza era

quella che poteva produrre utilizzando la sua forza. Successivamente, l’uso di energie di origine diverse (animali, legna, cadute

d’acqua, energia solare, combustibili fossili) hanno permesso di soddisfare bisogni

sempre più complessi.

Oggi noi usiamo energia per riscaldare, cucinare, illuminare, ascoltare musica, viaggiare, ecc. in quantità fino a 35 volte quella necessaria alla sussistenza umana.

Cioè, se utilizzassimo solo energia prodotta dall’uomo, occorrerebbero 100 persone attive sulle 24 ore per fornire l’energia necessaria a far vivere una sola persona con lo stile di vita moderno.

L'uomo primitivo 2.000.000

A.C.

Il coltivatore

primitivo 5.000 A.C.

Il cacciatore

100.000 A.C.

Il coltivatore

evoluto 1.400 A.C.

L'uomo industriale

- 1875

L'uomo tecnologico

- 1950

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Gigajoule per persona per anno

Consumo individuale per anno

(13)

10 100 1000

1900 1950 2000

GJ / tonnellata

Anno

Energia Usata nella Produzione dell'Ammoniaca GJ/ton

Arco Elettrico

Cianammide

Haber iniziale

Corrente Singola

Alta Efficienza Biologico

• Insufficiente nitrato di sodio naturale - necessaria la sintesi dell'ammoniaca

• Il processo catalitico Haber ha ridimensionato i requisiti

energetici

• Il volume di produzione è

cresciuto di 150 volte dal 1930 al 2000

• Miglioramenti successivi negli ultimi 40 anni hanno ridotto le richieste energetiche al di sotto del processo biologico.

CaC₂+ N₂ → CaNCN + C H₂+ N₂ → NH₃ N₂ + O₂→ 2 NO

Risparmi Energetici nei Processi Chimici:

Miglioramenti nella Sintesi dell’Ammoniaca.

(14)

Fonti Energetiche.

La maggior parte dell’energia usata dall’uomo è ricavata da varie fonti, alcune primarie, altre derivate da queste:

Fonti Primarie:

• Energia solare

• Energia lunare

• Energia geo

– Geotermica – Nucleare

Fonti Derivate:

• Primo ordine

• Combustibili Fossili

• Biomasse

• Cadute d’Acqua

• Maree

• Vento

• Onde

• Secondo ordine

• Elettricità

• Animale

• Umana

Valori medi della distribuzione dei consumi di

energia (in TW) Totale: 13.0 , U.S.A.: 3.3 , Italia: 0.25

(TW = Tera watt)

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Petrolio Gas Carbone Idro Biomasse Rinnovabili Nucleare

4.52

2.70 2.96

0.286 1.21

0.28 0.828 TW

(15)

Fattori di Conversione dell’Energia.

a combustibile Moltiplicare per

tce GJ MMbtu bbl oil MWh

tce 1.00 25.8 24.5 4.38 7.18

GJ 0.039 1.00 0.948 0.169 0.278

MMbtu 0.0408 1.06 1.00 0.179 0.293

bbl oil 0.229 1.06 5.59 1.00 1.64

MWh 0.139 3.60 3.41 0.609 1.00

Da combustibile

tce = tonnellate di carbone equivalente K kilo = 10³

M mega = 10⁶ G giga = 10⁹ T tera = 10¹² P peta = 10¹⁵

Una serie più completa di fattori di conversione per l’energia si può recuperare dal sito:

http://www.processassociates.com/process/convert/cf_ene.htm

(16)

Unità per le Fonti di

Energia.

Fonte energetica Unità (abbreviazione) Equivalente in joule

Gas naturale metri cubi (m³) 3.7 10⁷

Petrolio barile (bbl) 5.8 10⁹

tonnellata (t) 3.9 10¹⁰

Pece barile (bbl) 6.1 10⁹

Bitume da scisti tonnellata (t) 4.1 10¹⁰

Carbone antracite tonnellata (t o TCE) 3.0 10¹⁰

bituminoso tonnellata (t o TCE) 3.0 10¹⁰

sub-bituminoso tonnellata (t o TCE) 2.0 10¹⁰

lignite tonnellata (t o TCE) 1.5 10¹⁰

carbone da legna tonnellata (t o TCE) 2.8 10¹⁰

Biomasse (tutte sul secco)

generale tonnellata (t) 1.5 10¹⁰

scarti misti agricoli tonnellata (t) 1.4 10¹⁰

letame animale tonnellata (t) 1.7 10¹⁰

rifiuti assortiti tonnellata (t) 1.2 10¹⁰

legno tonnellata (t) 1.5 10¹⁰

metro cubo (m³) 5 10⁹

Fissione U naturale tonnellata (t) 8 10¹⁶

Elettricità chilowattora (kWh) 3.6 10⁶

megawatt anno (TWy) 3.2 10¹⁹

Unità generali erg (erg) 1 10^-7

calorie (cal) 4.18

British thermal unit (BTU) 1.05 10³ horsepower hour (hp h) 2.7 10⁶

(17)

Tabella delle Unità di Energia per Fonte.

"28.31 litri" di Gas Naturale

Barili di Petrolio

Tonnellate di carbone bituminoso

Kilowatt ore

di Elettricità Joule

1 0.00018 0.00004 0.293 1.55 10⁶

1000 0.18 0.04 293 1.55 10⁹

5556 1 0.22 1628 5.9 10⁹

25,000 4.50 1 7326 26.4 10⁹

1 10⁶ 180 40 293,000 1.05 10¹²

3.41 10⁶ 614 137 1 10⁶ 3.6 10¹²

1 10⁹ 180,000 40,000 293 10⁶ 1.05 10¹⁵

1 10¹² 180 10⁶ 40 10⁶ 293 10⁹ 1.05 10¹⁸

* Basate sul comune potere calorifico dei combustibili.

(18)

Scelta delle Fonti Energetiche.

1. Applicabilità e convenienza

 Estrazione

• Fattibilità tecnica ed economica

• Sicurezza

 Trasporto

• Gas, liquidi, solidi

 Conversione

• Separazione, miglioramento

 Consumo

(19)

Fonti di Energia Usate dall’Uomo – Andamento Storico.

1850 1900 1950 2000

Anno

0 20 40 60 80 100

Gas

Petrolio

Nucleare

Carbone

Legno

(20)

Prezzo (in €) delle Principali Prodotti Energetici (2015).

(21)

2. Disponibilità della Risorsa

 Economia, politica, riserve/rinnovabilità

 Consumo globale annuale = 340 EJ

Riserve di fonti non rinnovabili

Carbone 3.1 10²² J = 31 000 EJ = 92 y

Petrolio 6.0 10²¹ J = 6000 EJ = 17 y

Petrolio da scisti 1.0 10²²J = 10 000 EJ = 29 y

Gas Naturale 5.2 10²¹ J = 5200 EJ = 15 y

Uranio 2.0 10²³ J = 200 000 EJ = 590 y

kilo k 10³ migliaia Mega M 10⁶ milione Giga G 10⁹ miliardo Tera T 10¹² trilione Peta P 10¹⁵

Exa E 10¹⁸

(22)

Consumo globale annuale = 340 EJ



Risorse rinnovabili

• Idroelettrica 8.5 EJ

• Biomasse ~40 EJ

• Solare 1.9 EJ

• Vento 0.8 EJ (installata)

[x ~0.2 (fattore vento)]

• Maree 0.1 EJ

• Geotermica 1.8 EJ

Per un’appropriata discussione delle fonti rinnovabili di energia si veda il capitolo appropriato.

(23)

Energia Chimica: Combustibili Solidi.

• Carbone

 Coke

 Lignite

 Bituminoso

 Antracite

• Torba

• Biomasse

 Biomassa vergine :

 Legno (tenero e duro)

 Biomasse non legnose

 Residui agricoli

 Erbe

 Residui animali: Letame

 Nero di carbonio

 Combustibili di biomassa solida raffinata (trucioli, bricchette)

• Rifiuti

• Rifiuti solidi municipali (MSW)

• Scarti Industriali

• Reflui

(24)

Fonti Energetiche a Base di Carbonio.

3. Conseguenze ambientali

Atmosfera

 Emissioni di CO₂

 Una conseguenza inevitabile della combustione di combustibili fossili

DH / kJ·mol^-1

Carbone C + O₂  CO₂ -393.5

Petrolio C₂₀H₄₂ + 30.5 O₂  20 CO₂ + 21 H₂O -13,300.0 Gas naturale CH₄ + 2 O₂  CO₂ + 2 H₂O -890.3 Biomasse {CH₂O} + O₂  CO₂ + H₂O -440.0

(25)

Emissione e Cattura della CO₂. Emissioni di CO₂ nell’atmosfera

Combustione

{CH₂O} + O₂ CO₂ + H₂O DH = -440 kJ

Ciclo chiuso - ma con che efficienza?

Fotosintesi h

CO₂ + H₂O {CH₂O} + O₂ DH = +440 kJ

(26)

Emissioni di Carbonio.

0 2 4 6 8 10 12

1990 1999 2010 2020

Milioni di Tonnellate di Carbonio Equivalente

Anno Industrializzati

In via di Sviluppo EE/FSU

Mondo

EE/FSU, Eastern Europe and the Former Soviet Union

(27)

Concentrazione Atmosferica di CO₂, Metano, e Ossido Nitroso (N₂O) dal 1000 a.c.

1978

2004

(28)

3. Conseguenze ambientali

 Atmosfera

• Emissioni di sostanze tossiche (NO_x , SO₂, PM, VOC, Metalli pesanti)

 Acqua

• Estratti contaminati e scarti di raffinazione

• Scarichi degli assorbitori

• Inquinamento termico

• Sversamenti

 Suoli

• Perdite di produzione / trasporto / deposito

• Scarti di miniera

• Ceneri volanti e pesanti

(29)

78

54 49

8

25 30 32

4

13

4

17

10

9

20 4

5

4

3

19

23

10

0 25

0

67 11

8

36

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CO NOx VOC SOx PM10 PM2.5 CO2 Trasporti Industria Costruzioni Elettricità

Emissioni Legate all'uso di Fonti Energetiche in U.S.

nel 1998 come Percentuale delle Emissioni Totali.

(30)

4. Costi

-2 -1 0 1 2 3 4 5

2000 2002 2004 2006 2008

%p.a.

0 20 40 60 80 100 120 140

2000 2002 2004 2006 2008

$/b

Reale crescita annuale globale del GDP

Paniere dei prezzi di riferimento OPEC

0 20 40 60 80 100 120

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

OPEC Basket Price (US $)

Anno

(31)

Flussi Energetici (USA) 2005 (quadrilioni di BTU).

(32)

Flussi di Energia Elettrica (USA) 2005

(quadrilioni di BTU).

(33)

Carbone

8% Rinnovabili 7%

Energia Elettrica Importata

8%

Petrolio 42%

Gas naturale 35%

Energia Primaria ed Elettricità in Italia (2008-2012).

Termoelettrico altri

8% Termoelettrico petrolio

4%

Termoelettrico gas naturale

46%

Termoelettrico comb. solidi

22%

Import, Export 20%

Energia primaria 2008

Carbone

9% Rinnovabili 13%

Energia Elettrica Importata Petrolio 5%

38%

Gas naturale 35%

Energia primaria 2011

(30% in 2015)

(34)

Sintesi di Alcuni Numeri dell’Energia in Italia.

2010 2011 2012

Domanda di energia primaria 187.7 Mtep 184.2 Mtep 178 Mtep

Import petrolio 78.6 Mt 72 Mt

Consumi petrolio 73.7 Mt 71.9 Mt 63.9 Mt

Import di carbone 22.1 Mt 23.5 Mt

Import di gas 75.2 Gm³ 70 Gm³ 67.4 Gm³

Consumi gas 83 Gm³ 77.9 Gm³ 74.9 Gm³

Consumi elettrici 330.5 TWh 334,6 TWh 325.3 TWh

Produzione elettricità rinnovab. 77 TWh 83 TWh 92 TWh

PUN 64.12 €/MWh 72.23 €/MWh 75.48 €/MWh

Mt = milioni di tonnellate Gm³ = miliardi di metri cubi TWh = Terawatt

MWh = Megawatt Fonti: UP, Mse, Terna, GSE, Snam Rete Gas.

(35)

Consumo in Italia di Energia in Fonti Primarie.

(36)

Andamenti nella Fornitura e Consumo di Energia Elettrica in Italia (GME – 2015).

(37)

Produtti Forestali

11%

Composti chimici

19%

Petrolio Acciaio 24%

6%

Alluminio 2%

Metallurgia 1%

Altro 26%

Estrazione mineraria

3%

Agricoltura 8%

Uso I

ndustriale dell'Energia in U.S.

(35 Quads, 1999) e per Tipo di Industria (2010).

Fonte: EIA Annual energy Outlook 2001, for US Transport in 19991%

raffinaz.

petrolio 31%

Chimici

27%

Carta 11%

Metalli 9%

Altro 22%

Fonte: U.S. Energy Information Administration , Manufacturing Energy Consumption Survey 2010, Table 1.2 (March 2013)

(38)

Domanda Mondiale di Energia Primaria per Tipo di Combustibile.

Fonte: World Oil Outlook, 2009 - OPEC

45% aumento in 20 anni

40% aumento in 20 anni Storico Proiezione

Petrolio

Carbone Gas

Nucleare/Idro/Biomasse/Altre rinnovabili

(39)

Fonti di Energia – Ultimi Anni ed Andamento Prevedibile.

0 10 20 30 40 50 60

1980 1990 2000 2010 2020 1.0

0.4

2.0 1.8

6.6 2.6

Altre Fonti Energia

Idro Nucleare Biomasse,

MSW Vento& Solare MBDOE

0,0 0,3 0,6 0,9 1,2

1980 1990 2000 2010 2020 14

10

Vento e Solare

Solare Vento MBDOE

0 50 100 150 200 250 300 350

1980 1990 2000 2010 2020 1.5 1.1

2.4

1.6 1.3

3.1

2.3

1.0

Energia Totale

Petrolio Gas Carbone

Altre

Velocità crescita 2000-2020, % MBDOE

Velocità crescita 1980-2000, %

1.7 1.7

(40)

Prodotti petroliferi Altro 40%

0%

Gas Naturale 23%

Nucleare 8%

Carbone 22%

Altre rinnovabili

3.8%

Commerciale e Residenziale

16.8%

Industriale 67.5%

Transporti 4%

Servizi Elettrici 11.6%

Biomassa 2.9%

Consumi Totali = 96 Quads Biomassa = 2.9 Quads Bioenergia.

(41)

Bioenergia e Bioprodotti: Aspetti Scientifici.

Produzione di Materia Prima

 Crescita piante e risposta a stress (e su terre marginali);

 Maggiore produttività a minori ingressi (acqua, fertilizzanti, ecc.)

 Produzione di certi componenti e/o nuovi componenti

=> Genomica funzionale; biochimica; fisiologia; meccanismi di controllo cellulare;

respirazione; fotosintesi, metabolismo, uso nutrienti, risposta a malattie

Vie Biochimiche

=> Biocatalisi: funzione e regolazione enzimatica; ingegneria enzimatica; velocità di reazioni catalizzate e specificità

Vie Termochimiche

=> Cracking termico di biomasse orientato a prodotti; modellizzazione CFD

Bio-prodotti

=> Nuovi e innovativi monomeri e polimeri;

 Compositi di Biomasse; => scienza di adesione/superficie

Combustione

=> Chimica NOx; modellizzazione CFD

(42)

Petrolio 39.5 %

Gas 28.2%

Carbone 22.2%

Idroelettrica 5.1%

Nucleare 4.6%

Energia Persa

49%

Energia Usata

51%

Altre (legno, eolica, ecc.) 0.2%

Fonti energetiche Usi della energia

Energia Persa dalle Fonti Energetiche (2010).

(43)

Il Futuro Divario Energetico.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

1960 1980 2000 2020 2040 2060

Forniture e Richieste Energetiche Globali

Quads (1015 BTU)

Anno

Richiesta Energetica Globale Prevista

Forniture Previste di Combustibili Fossili

Divario energetico

(44)

Combustibili Fossili.

(45)

Fonti Energetiche non Rinnovabili – Combustibili Fossili.

• Il termine combustibili fossili si riferisce ai resti di piante ed animali intrappolati in sedimenti che si possono usare come combustibili.

• Il tipo di sedimento, il tipo di materia organica e i processi che hanno luogo come risultato dell'interramento e

diagenesi, determinano il tipo di combustibile fossile che si forma.

• Nell’oceano, il fitoplancton microscopico e i batteri sono le fonti principali di materia organica che è trasformata

(soprattutto per riscaldamento) in petrolio e gas.

• Sulla terra, alberi, arbusti, e praterie contribuiscono la maggior parte della materia organica intrappolata,

formando carbone piuttosto che petrolio o gas naturale.

(46)

Combustibili Fossili.

• Sul fondo di molti mari e laghi, le temperature non raggiungono mai i livelli a cui le molecole organiche originarie si convertono in petrolio e gas naturale.

• Al contrario, si verifica un processo di alterazione in cui si formano sostanze tipo cere contenenti grandi molecole.

 Questo materiale, che rimane solido, è detto kerogen, ed è la sostanza che si trova nei cosiddetti scisti bituminosi.

• Principali tipologie di combustibili fossili:

 Petrolio

 Gas Naturale

 Carbone

 Oil Shale e Scisti Bituminosi

 Torba

(47)

Combustibili Fossili –

Poteri calorifici ed Abbondanza Stimata.

Gas Naturale

 5.8 10⁷ J·kg^-1  0.6·10¹⁵ m³

Petrolio

 4.4 10⁷ J·kg^-1  285·10⁹ bbl

Carbone

 1.4 10⁷ - 3.5×10⁷ J·kg^-1  1490·10⁹ ton

Combustibili Fossili

 1 litro di petrolio = 1 kg di carbone = 1 m³ of gas naturale (1 gal di petrolio

= 10 libbre di carbone = 150 ft³ di gas naturale)

Da un confronto con combustibili nucleari:

 1 grammo di deuterio = 3 grammi di U-235 = 500 litri di benzina = 6 metri cubi di gas naturale.

N.B. En. Nucleare in 1 kg di U-235 = 2,000,000 En. chimica in 1 kg di carbone.

(abbondanza stimata)

(48)

Storia dei Motori per Auto.

1859 – Il petrolio venne scoperto al Drake’s Well, Titusville, Pennsylvania (20 barili al giorno) - 40 anni di forniture

1876 – Motore a 4 tempi a carica premescolata - Otto

 1° pratico ICE

 Potenza: 2.68 kW; Peso: 567 kg

 Rapporto di compressione = 4 (limitato da detonazione), efficienza 14% (teorica 38%)

 Oggi CR = 9 (limitato da detonazione), 30% efficienza (teorica 55%)

1897 – Motore a carica non premescolata - Diesel - maggiore efficienza a seguito di:

 Maggior rapporto di compressione (nessun problema di detonazione)

 Nessuna perdita di colpi - usa il rapporto combustibile/aria per controllare la potenza.

1901 - Spindletop Dome, est Texas - bozzo Lucas #1 produce 100,000 barili al giorno – ha assicurato che “la 2^a Rivoluzione Industriale” venisse alimentata dal petrolio, e non dal carbone o dal legno - 40 anni di rifornimenti.

(49)

Inizi dell’Era del Petrolio/Biocombustibili.

1853

Primo cherosene distillato dal petrolio

Prima compagnia petrolifera formata

1912

“…l’uso di oli vegetali per combustibili di motori può sembrare insignificante oggi, ma questi oli potranno divenire, nel corso degli anni, altrettanto

importanti del petrolio e dei prodotti da carbone del giorno d’oggi.” - Rudolf Diesel -

1898 Esposizione di Parigi – motore diesel funzionante con olio di arachidi

Spezzato il monopolio della Standard Oil 1868

(50)

Attilio Citterio 0

1 10 100 1000

100 1000 10000 100000

Veicoli per 1000 persone

Reddito pro Capite (Parità di Potere di Acquisto - 1993)

Dati storici al 2002

Singapore

Cina India

Corea del Sud

U.S.

Europa Occ.

Europa Or.

America L.

Tipico profilo a saturazione

Hong Kong N. E. Asia

Crescita dei Consumi Energetici (Auto).

(51)

Correlazione tra Uso di Energia e Sviluppo Economico.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000

Energia Primaria pro capite (GJ)

US

Australia

Russia

Brasile Cina

India

S. Korea

Messico

Irlanda Grecia

Francia

UK Giappone

Malesia

Domanda di energia e GDP pro capite (1980-2002)

(52)

Costi e LCA di Veicoli di Livello Avanzato.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 5 10 15 20 25 30 35

Dal Pozzo alla Pompa g CO₂/miglio

ICE a Benzina (oggi)

Tecnologie Esistenti

Costo Combustibile (cents $ /miglio, es. tasse)

Fonte: ANL, SFA Pacific, EIA

Tecnologie Future Ibrida a benzina

ICE Diesel

Celle Comb. a H₂, Elettrolisi

Celle Comb. a H₂ , Reforming di benzine

Celle Comb. a H₂, Gas Naturale

(53)

Carbone – Tipi.

• Il carbone è il combustibile fossile più abbondante.

• E’ la materia prima per una moltitudine di composti organici, plastiche, e materiali.

• Attraverso la carbonizzazione, la torba viene convertita in lignite, carbone sub-bituminoso, e carbone bituminoso.

 L’antracite è una roccia metamorfica.

Antracite

 Il più antico carbone (350 milioni di anni), di Alta qualità (carbonio 95%). Il carbone più pulito.

Carbone Bituminoso

 300 milioni di anni, di Media qualità (carbonio 50-80%) Lignite

 150 milioni di anni, di Bassa qualità (carbonio < 50%)

* Torba (miscela di carboni di differente qualità, quali torba, lignite, bitume)

(54)

Composizione H:C:O di Combustibili Solidi.

■ Legno

▲ Lignina

♦ Cellulosa

□ Antracite

○ Lignite

● Carbone

Biomassa Lignite Antracite Torba Carbone

1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

Rapporto atomico H : C (×10)

Rapporto atomico O : C

(55)

Torba.

 La torba è costituita da resti parzialmente decomposti di materiale vegetale, specialmente sfagni. Si trova in ambienti umidi dove l’aggiunta di nuovo materiale vegetale è più veloce della decomposizione di quello accumulato.

Le condizioni essenziali per la formazione della torba si trovano in acquitrini: il materiale vegetale rimane inumidito, la temperatura è bassa e c’è carenza di ossigeno che inducono lenta decomposizione. Gli “acquitrini” includono

paludi, marcite, lagune.

 La torba è il primo materiale formato nel processo che trasforma il materiale vegetale in carbone. Al procedere della formazione di carbone, i materiali volatili come l’acqua sono eliminati, e il contenuto % di carbonio del materiale aumenta, rendendolo sempre più denso e duro.

 La maggior parte della torba commercializzata è detta torba bruna. Le altre forme sono muschi sfagno, humus e muschi hypnum. Si formano per

decadimento di piante legnose e muschi in ambienti umidi, in climi nordici.

 La cellulosa è convertita in torba per azione batterica in assenza di aria (umificazione).

 Velocità di formazione: 3 cm in 100 anni.

 La torba fresca contiene 80-90% di umidità, e la torba secca contiene 1-10% di ceneri.

(56)

Carbone – Formazione.

• Il carbone si forma quando la torba si altera fisicamente e chimicamente ("carbonatazione“). In questo processo, la torba subisce molti cambiamenti come risultato del decadimento batterico, compattamento, calore e tempo. I depositi di torba sono molto vari e contengono tutto, dalle parti originali di piante (radici, fusti, spore...) a piante degradate, a prodotti di decadimento e carbone se la torba ha subito incendi nel corso del suo accumulo.

• Perché la torba diventi carbone, deve esser coperta da sedimenti. L’accumulo compatta la torba e, di conseguenza, nei primi stadi del processo si espelle più acqua. Il continuo sprofondamento e l’aggiunta di calore e tempo causa la frammentazione dei complessi idrocarburi nella torba e li altera in vari modi. I prodotti gassosi (per es. metano) sono tipicamente espulsi dai depositi, e il deposito diventa sempre più ricco di carbonio mentre gli altri elementi si disperdono. L’evoluzione dei residui vegetali procede a stadi passando da torba, lignite, carbone sub-bituminoso, carbone bituminoso, antracite fino a grafite (forma minerale del carbonio puro).

• A seguito della eliminazione di acqua e altri materiali che accompagnano la compattazione della torba, si stima che occorra uno spessore di 3 metri di torba originale per produrre 0.3 metri di carbone bituminoso. Il rapporto torba- carbone è variabile e dipendente dal tipo originale di torba.

http://www.uky.edu/KGS/coal/coalform.htm

(57)

Carbone – Formazione (2).

Piante morte

 Decomposte dai batteri aerobici a dare CO₂, CH₄, ecc., prima di essere ricoperti.

 Decomposizione in ambiente anaerobico (senza aria), se coperti da fango per molto tempo.

Si trova in depositi stratificati, di spessore medio di 0.7-33 metri fino a circa 100 metri

Un filone di carbone è un corpo piatto a forma lenticolare della stessa area superficiale della palude in cui si è originariamente accumulato.

La formazione di torba si realizza un po’ dovunque e più o meno continuamente da quando apparvero sulla terra le piante, circa 450

milioni di anni fa, nel corso dell’era del Siluriano. La massima produzione si realizzò nel Carbonifero-Permiano, quando esisteva la Pangea. Il

secondo rilevante periodo di deposizione del carbone si è avuto nel Cretaceo, ma è iniziato nel tardo Giurassico e continuato nel Terziario.

(58)

Carbone – Formazione (3).

Torba

ione

Arenaria Calcare

ione

Aumento dello spessore degli strati sovrastanti nel tempo

(59)

Fonti Energetiche non Rinnovabili – Bitume.

In molte rocce di origine marina e lacustre, le temperature di trattamento non raggiungono mai i livelli a cui le molecole originali organiche sono convertite in petrolio e gas naturale.

 Si verifica invece un processo di alterazione in cui si formano sostanze tipo cere contenenti grosse molecole.

 Questo materiale, che rimane solido, è detto kerogen, ed è la sostanza presente nei cosiddetti scisti bituminosi.

 Si può recuperare da 40 a 140 litri di petrolio per tonnellata di scisti, con costi di estrazione elevati ma non proibitivi.

(60)

Petrolio da Scisti.

• Il petrolio da scisti si è formato milioni di anni fa per deposito di residui organici sui fondi di laghi e mari. In tempi lunghi, calore e pressione hanno trasformato i materiali in miscele di idrocarburi in un processo simile a quello del petrolio; ma, a calore e pressione inferiori.

• Il petrolio da scisti (minerali noti anche come "rocce ardenti«)

generalmente contiene abbastanza petrolio da bruciare direttamente.

• Relativamente comune in tutto il mondo, le sue riserve sono superiori a quelle di petrolio

• Il recupero degli idrocarburi avviene per estrazione, per distillazione (a 540 °C) e raffinazione.

• Il contenuto di zolfo è alto

• Richiede una grande quantità d’acqua per la lavorazione

• E’ un problema mettere in discarica gli scisti spenti

• Il costo è elevato ad eccezione di quello dei materiali di migliore qualità;

ora è però estratto in crescenti quantità.

(61)

Stima Recente delle Riserve di Petrolio da Scisti.

Fonte: US EIA