Alcune note sul carbone usato in centrale termoelettrica
di Aldo Iacomelli (9 gennaio 2000)

In particolare in un documento redatto dal "gruppo di lavoro interministeriale per l’attuazione del Protocollo di Kyoto, DPCM 20 marzo 1998" e pubblicato dal Ministero dell’Ambiente viene lanciato un allarme preciso e serio: non bastano le attività sperimentali e pilota avviate dal Ministero dell’Ambiente a far rispettare all’Italia le riduzioni di emissioni di gas serra sottoscritte in Giappone, serve il rispetto l’applicazione delle Linee Guida.

Nel rapporto si richiama al rispetto delle "Linee guida" elaborate dal governo italiano e approvate dal CIPE il 19 novembre 1998. Tali linee guida prevedono la realizzazione di sei azioni nazionali, per ora tutte o quasi disattese, per l’aumento dell’efficienza del sistema elettrico, la riduzione dei consumi energetici nel settore dei trasporti, la produzione di energia da fonti rinnovabili, la riduzione dei consumi energetici nei settori abitativo/terziario e industriale, la riduzione delle emissioni nei settori non energetici, l’assorbimento delle emissioni di carbonio dalle foreste.

Tra il 1990 ed il 1998 le emissioni di anidride carbonica dalle centrali termoelettriche e delle raffinerie sono aumentate del 10%, si legge testualmente nella relazione del "Gruppo interministeriale DPCM 20 marzo 1998", andando oltre ogni pessimistica previsione.

Questo incremento – prosegue la relazione – è determinato dagli scarsi rendimenti di almeno il 25 % del parco termoelettrico (che ha rendimenti tra il 30 % - 35%) contro uno standard delle migliori tecnologie compreso tra il 45% ed il 55% e dalla persistente utilizzazione di carbone ed olio combustibile con tecnologie di combustione a bassa efficienza.

I combustibili sono la più importante fonte di energia, quella che viene utilizzata sotto forma di calore. Infatti con la combustione si va ad utilizzare l’energia chimica racchiusa nei legami delle molecole liberata nella reazione tra combustibile e comburente portati ad una certa temperatura, temperatura di innesco delle reazioni.

Per chiarire con un esempio, il fiammifero per accendersi e far bruciare il legnetto ha bisogno che si "scaldi sino alla temperatura di innesco" (mediante lo strofinamento) la "testa" del fiammifero dotata di un combustibile infiammabile. Prodottasi la fiamma, sostenuta dall’ossigeno contenuto nell’aria, il legnetto inizia a bruciare e produce energia sotto forma di calore.

La legna, si forma negli alberi per effetto dell’energia solare, la forza motrice per la fotosintesi clorofilliana, il meccanismo di costruzione delle piante che trasforma l’acqua e l’anidride carbonica in zuccheri, amidi e cellulosa.

Il rendimento energetico della fotosintesi clorofilliana va dall’1^°/_°° al 10 ^°/_°°, cioè da un millesimo ad un massimo di un centesimo dell’energia solare che colpisce le foglie viene utilizzata per la crescita della pianta.

Bruciando la legna si liberano in atmosfera di nuovo vapore acqueo, anidride carbonica ossidi di azoto ed altri microinquinanti più o meno dannosi alla salute e all’ambiente.

La legna non è però dal punto di vista industriale un buon combustibile, avendo un potere calorifico di circa 3000 Kcal/Kg.

Nel XVIII secolo i primi "ambientalisti" si posero il problema che un inteso uso di legna a fini energetici stava distruggendo le foreste in modo irreparabile. Dunque si cominciarono ad interessare ad un altro combustibile, il "carbone di terra".

Il carbone è infatti un prodotto della lentissima combustione di vegetali durata milioni di anni in condizioni di quasi assenza di aria, che trasforma la legna in un combustibile ad altissimo contenuto di carbonio dotato di un più alto potere calorifico di circa 7.000 7.800 Kcal/Kg.

Il carbone si è prodotto prevalentemente durante periodi preistorici in cui si sono verificate le condizioni ottimali di formazione: grandi quantità di piante morte formarono uno strato spesso, isolato praticamente dall’ossigeno contenuto nell’aria da uno strato di sostanze alluvionali che impediva la rapida ossidazione del materiale ligneo e favoriva invece la lentissima trasformazione.

Questo periodo detto "carbonifero" risale a circa 300 milioni di anni fa, anche se le epoche in cui si ebbe formazione di carbone sono state almeno cinque tra cui molto importante il periodo "permiano" risalente a 260 – 230 milioni di anni fa.

Gli antichi si pensa non conoscessero il carbone, le prime note scritte si hanno nel Milione di Marco Polo il primo forse a portare il combustibile in Europa dai suoi viaggi.

Il primo sfruttamento delle miniere risale al secolo scorso, quando con l’avvento della rivoluzione industriale servivano massicce quantità di questo combustibile soprattutto nell’industria metallurgica.

Inizialmente si consumavano circa 15 milioni di tonnellate all’anno nel mondo (cioè in Europa) che divennero oltre 100 nella metà dell’800, agli oltre 3 miliardi di tonnellate dei nostri tempi.

Carbone e petrolio rappresentano circa il 75% delle fonti attualmente usate per produrre energia, in qualsiasi forma, nel mondo.

A parità di calore prodotto il carbone costa circa tre volte meno del petrolio, anche se quest’ultimo, essendo liquido è di più facile maneggiamento e trasporto (oleodotto o nave cisterna), mentre il carbone un solido polverizzato è più problematico da trasportare.

Il carbone

Origine e classificazione
I vegetali carbonizzati si trovano a strati dentro rocce sedimentarie accumulatesi nelle ere geologiche per semplice deposizione di sedimenti in laghi, paludi, o foreste costiere.

A seconda del tempo di formazione del carbone per ossidazione lentissima dei vegetali si hanno diverse tipologie di carbone dalla semplice torba che tutti conosciamo, di fatto si tratta di lignite, sino all’antracite, il carbone più compatto.

Nel carbone vi sono una miriade di altri elementi chimici oltre al costituente base, il carbonio, quali idrogeno, azoto, zolfo, ossigeno, vanadio, uranio, mercurio, cadmio ed altri metalli pesanti, che nella combustione creano prodotti nocivi all’ambiente e alla salute.

Tabella - principali prodotti commerciali e loro poteri calorifici (le percentuali sono espresse sul prodotto secco)

Nel processo di formazione del carbone mediante la carbonizzazione dei componenti dei vegetali si ottengono diversi prodotti finali scanditi dalle ere geologiche. La torba nel Quaternario ed è anche un prodotto attuale, la lignite nel Terziario, lignite e litantrace nel Secondario, il litantrace e antracite nel Primario e precisamente nel cosiddetto periodo "carbonifero", in cui si ha il migliore dei carboni disponibili.

Tabella - Principali tipi di carbone (le percentuali sono espresse sul prodotto secco)

Tabella - Riserve accertate di carbone e ipotesi di durata dei giacimenti ai ritmi di estrazione degli anni ’90.

I livelli di utilizzabilità del carbone variano notevolmente dai giacimenti.

Il U.S. Geological Survey ha stimato in circa 3200 miliardi di tonnellate la presenza di carbone nel sottosuolo, ma di queste solo la metà sono effettivamente estraibili.

Quasi 780 miliardi di tonnellate di carbone sono situate ad uno profondità inferiore ai 1000 metri (m), altri 920 miliardi di tonnellate si trovano attorno ai 2000 metri (m) di profondità.

Dei 780 miliardi di tonnellate presenti entro i 1000 metri, circa 200 miliardi di tonnellate si trovano a meno di 300 metri di profondità in strati di Antracite e Carbone Bituminoso (Borwn coal) spessi circa 1 metro, mentre la lignite si trova in strati di 3 metri.

I costi dell’estrazione del carbone crescono con la profondità di estrazione e con la esiguità dello strato presente nel sottosuolo. Così le riserve economicamente vantaggiose da estrarre si attestano attorno ai 250 miliardi di tonnellate su oltre 3200 miliardi di tonnellate stimati come presenti nel sottosuolo dall’uomo.

Questo significa che ad esempio nel nord America solo il 15% del carbone tecnicamente estraibile è convenientemente recuperato.

Il Carbone e l’effetto serra
La Cina popolata da oltre 1 miliardo e 200 milioni di donne e uomini fonda il suo futuro sviluppo sull'estrazione e l'uso a fini energetici del carbone con dei ritmi di quasi 900 milioni di tonnellate annue. Le riserve di tale combustibile sfiorano i 300 anni di autonomia, ben oltre i margini di progettazione e lungimiranza dei sistemi energetici ed industriali dell’uomo che spesso non arrivano alle decine di anni.

Il petrolio ha una durata delle riserve stimate convenzionalmente di circa 45 – 50 anni, mentre il gas naturale tra i 55 – 60 anni.

E’ logico presupporre che se non si investirà sulle rinnovabili in senso stretto si rischia di finire come abbiamo iniziato con la rivoluzione industriale nel 1800 cioè con il carbone.

Emissioni di anidride carbonica in migliaia di tonnellate emesse per la produzione di un GWh di energia elettrica. (Carbone: 870.000 tonnellate di anidride carbonica per la produzione di 1 GWh elettrico).

Vediamo anche in dettaglio nella tabella i livelli di pericolosità, da un punto di vista esclusivamente sanitario delle fonti energetiche.

Tabella - Tasso di mortalità espresso in decessi per GW elettrici prodotti all’anno. I dati sono riferiti al ciclo intero del combustibile compreso l’esercizio di produzione energia; sono invece esclusi gli incidenti rilevanti e la contaminazione dovuta alla sepoltura delle scorie

L’energia termoelettrica
Una centrale termoelettrica è dotata in genere di una caldaia, di un sistema di scambiatori di calore, una turbina un alternatore ed un condensatore.

In un impianto tradizionale a vapore, la caldaia è utilizzata per produrre appunto il vapore, il quale aziona una turbina collegata ad un alternatore. Il vapore viene infine ricondensato ad acqua nuovamente da inviare alla caldaia.

Nella caldaia si brucia il combustibile ed il calore serve a trasformare acqua in vapore. Il vapore surriscaldato espandendosi e raffreddandosi di nuovo aziona una turbina che agendo su un alternatore produce energia elettrica. Il vapore a fine ciclo ricondensa in torri di raffreddamento in acqua e viene riportato alla temperatura iniziale per un nuovo ciclo.

Solo il 37 % circa dell’energia termica liberata dalla reazione di combustione (di combustibile e comburente nella caldaia) viene convertita in energia elettrica. Il restante 63 % viene dissipato nei fumi della ciminiera, nelle conversioni di energia chimica in energia termica e di quest’ultima in energia meccanica trasformata poi in energia elettrica; inoltre anche nel vapore avviato alle torri di raffreddamento e recuperato come acqua calda da rimandare alla caldaia per un nuovo ciclo.

Le centrali a carbone
Essendo la fonte più duratura, e oggi a buonissimo mercato rispetto ad un petrolio a 30 dollari al barile, si investe molto nel suo impiego e nella ricerca di ritrovati tecnologici che consentano l’impiego di questo combustibile "sporco" ma di basso costo. Poco si investe sulle tecnologie rispettose dell’ambiente e comunque sempre e solo con un approccio "end of pipe", cioè mettendo un sistema di trattamento fumi come se bastasse a correggere i guasti all’ambiente di un sistema che non funziona nei principi e alla base del processo.

Per ovviare alle difficoltà di usare un combustibile solido movimentato in grandissime quantità vi sono due strade tecnologiche: le centrali a letto fluido o la gassificazione del carbone.

Letto fluido
Nelle centrali termoelettriche a letto fluido il polverino di carbone viene alimentato in miscela con fini particelle di calcare tenute in sospensione da un getto di aria ascendente.

La massa costituita dal combustibile e dal comburente, oltre al materiale di supporto, è soggetta ad una combustione caratterizzata da una elevata turbolenza in grado di rendere la combustione più efficiente e di conseguenza si registra una produzione minore di polveri e si hanno dei più alti rendimenti.

Il calcare oltre a fungere da supporto per il polverino di carbone serve ad abbattere circa il 90% dell’anidride solforosa che si forma che viene trattenuta da questo materiale.

In queste centrali a letto fluido vengono impiegati anche dei carboni scadenti (ad alto contenuto di zolfo ed altre impurezze) e con alimentazioni variabili nel tempo. Inoltre in molti casi si fanno funzionare a parità di rendimento richiesto a temperature "basse" cioè poco sopra gli 800 °C al fine di contenere la produzione di NO_x parametro monitorato dagli enti deputati ai controlli ambientali. Con queste tipologie di caldaie si possono creare le famose centrali "policombustibili" cioè impianti dove si può bruciare ogni tipo di combustibile fossile alternando prodotti liquidi a solidi e semisolidi.

Gassificazione del carbone
Si produce a partire da una miscela di acqua e carbone scaldata ad elevata temperatura un gas combustibile composto quasi esclusivamente da CO (monossido di carbonio).

Questo gas e trasportato da gasdotti ed è possibile impiegarlo nelle centrali in vari modi:

in caldaie direttamente di centrali a vapore, in centrali turbogas trattandolo come si fa con il gas naturale o con altri combustibili fossili gassosi. In queste centrali è il gas stesso ad azionare il moto della turbina che produce nell’alternatore l’energia elettrica; il gas di carbone viene anche impiegato nelle celle a combustibile per produrre energia elettrica.

Il CDR in co-combustione nelle centrali termolelttriche?
Il combustibile da rifiuti (CDR), noto come refused derived fuel (RDF) in lingua inglese, veniva già prodotto nel 1978 e veniva bruciato in una centrale termoelettrica a Santa Barbara, in Toscana. Nessuno si entusiasmò per questo combustibile, né alternativo né rinnovabile, ma composto fondamentalmente da petrolio, data l’elevata concentrazione di plastiche presenti. Oggi, il Decreto Legislativo 22/97 riporta l’attenzione su di esso. Ma perché proprio il CDR? Non può essere certo considerato una novità; del resto, appare incompatibile con la necessità pressante di ottimizzare le raccolte differenziate.

L’intervento delle ecomafie offre la possibilità di smaltire rifiuti industriali miscelati con RSU, a basso costo, legalmente se si tratta di rifiuti non pericolosi, illegalmente, se pericolosi. I numerosi processi avviati dalle magistrature a carico di sedicenti aziende di recupero confermano questa cattiva prassi.

Vi è uno scontro in atto tra chi vuole realizzare il recupero energetico mediante co–combustione nelle centrali termoelettriche a policombustibile (o nei cementifici) e chi invece vuole bruciare il rifiuto tal quale o la frazione secca, in impianti dedicati da costruire ex-novo.

Molte industrie vorrebbero infatti costruire impianti per incenerire il rifiuto tal quale o la frazione secca sfruttando magari i vantaggi acquisiti con un contratto CIP 6/92, che riconosce incentivi per la cessione di energia elettrica nella rete nazionale di 285 lire e oltre, per ogni Kwh elettrico vettoriato.

L’ENEL in questi anni sta sperimentando nelle proprie centrali dei combustibili sporchi quali appunto il CDR da usare in co – combustione con il carbone o anche l’Orimulsion, la miscela Venezuelana piena di zolfo e fenoli che non lasciano spazio ad un buon futuro per l’Italia.

Questo significa anche che il CDR può costituire un espediente per far perdere di vista alle autorità deputate ai controlli, amministrativi e ambientali, il flusso dei rifiuti solidi o liquidi pericolosi e non.

Alcuni note sulle unità di misura
Un barile di petrolio equivale a circa 159 litri (l) o 139 chilogrammi (Kg) del medesimo.

Il "TEP" è un’altra unità di misura che significa "Tonnellata Equivalente di Petrolio" e si usa per indicare l’energia corrispondente a quella ottenuta bruciando una tonnellata di petrolio.

Si assume che il petrolio fornisca 10.000 chilocalorie (Kcal) per ogni chilogrammo e quindi 1 TEP corrisponde a 10 milioni di chilocalorie (Kcal), ma 1 TEP corrisponde anche a 11.600 chilowattora (KWh) cioè circa il consumo di una famiglia di persone per 4 anni.

Per il concorrente più temibile del petrolio, il carbone, esiste il TEC, cioè "Tonnellata Equivalente di Carbone" e vale circa 2/3 del TEP. Infatti per il carbone si assume convenzionalmente un potere calorifico di 7.000 Kcal/Kg corrispondenti a circa 8.150 KWh.

Con la dicitura MTEP (mega TEP) o MTEC (mega TEC) si indica un milione di tonnellate rispettivamente di petrolio o carbone.

1 cal = 4.185 J

1Kcal = 1000 cal = 4185 J

1 W = 1J/s

1KW = 1000 W

1 CV = 735.4 W = 735.4 J/s

1 KWh = 1000 Wh = 860 Kcal = 3.600.000 J

Premessa

1. Origine e classificazione
2. Il carbone e l'effetto serra
3. L'energia termoelettrica:
   - Le centrali a carbone
   - Il CDR in co-combustione nelle centrali termolelttriche?
4. Alcuni note sulle unità di misura