Università degli Studi di PerugiaFacoltà di Ingegneria

Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici

prof. ing. Francesco Asdrubalia.a. 2007/08

Combustibili fossili e nucleari

COMBUSTIBILI FOSSILI

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 termini vengono compresi anche gli idrocarburi

- SOLIDI

- LIQUIDI

- GASSOSI

Risorsa non rinnovabile

CARBONE: sostanze complesse ad alta massa molecolare di origine organica, contenenti carbonio, idrogeno, azoto, zolfo, ossigeno; minerali quali pirite, argilla, calcite

I carboni fossili derivano da ammassi di piante decomposte sotto elevate pressioni e temperature e grazie all’ausilio di microrganismi speciali

nOHC 5106 eliminazione di O e H cellulosa, rimane il C

AUTOCTONICLASSIFICAZIONE DEI CARBONI

ALLOCTONI

ET

A’

PalustreTorba Erbacea

Marina

TorbosaLignite Xiloide

Picea

MagroLitantrace

GrassoAntracite

• CLASSIFICAZIONE ASTM• CLASSE I carboni antracitici• CLASSE II carboni bituminosi• CLASSE III carboni sub bituminosi• CLASSE IV carboni lignitici

ETA’

Variazione della composizione e delle proprietà del carbone con l’età

ANALISI DEI CARBONI: - APPROSSIMATE

(QUALITATIVE/ QUANTITATIVE)- DI LABORATORIO

volte a determinare il contenuto di acqua, ceneri, componenti volatili, carbonio, H, S, N, O, ecc.

AS MINEDappena estrattoAS RECEIVED appena ricevutoAS BURNT appena bruciato

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

SO2

NOx

COMBUSTIONE DEL CARBONE CO

CO2

particolato

ceneri

Preparazione del combustibile

Controllo del particolato, CO; NOx, SOx

Smaltimento ceneri

Composizione e proprietà dei diversi tipi di carbone

Combustione a letto fluido

TRASPORTO DEL CARBONEMARITTIMOSUL TERRITORIOSLURRYcosti elevatiFERROVIA 130 – 140 L/tCHIATTE 210 – 260 L/tAUTOCARRO 260 – 290 L/tNASTRI TRASP. 150 – 180 L/tSLURRY 180 – 230 L/t

Idrocarburi Composti da carbonio e idrogeno

Origine: Trasformazione di sostanze organiche di origine animale e vegetale (naftogenesi) raccoltesi in formazioni sedimentarie

Giacimenti petroliferi Roccia madre (di natura argillosa)

Roccia serbatoio (porosa)

Roccia di copertura (impermeabile)

Estrazione del petrolio

l 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

• Valore del greggio :

• Costo di trasporto dal luogo di origine• Densità• Tenore 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. Su questa base i greggi si dividono in pesanti, con un grado API inferiore a 22, medi tra i 22° e 34° e leggeri da 34 gradi API in poi. I greggi leggeri sono i più pregiati, mentre quelli pesanti sono i meno pregiati.

• Anche per quanto riguarda il contenuto di zolfo i greggi vengono suddivisi in tre categorie: sweet (zolfo inferiore allo 0,5% del peso), medium sour (tra 0,5% e 1,5%) e sour (maggiore di 1,5%). Un minor contenuto di zolfo è indice di una maggiore qualità del greggio e di un maggior valore

Raffinazione del petrolio

resa in frazioni leggere: 15-20%resa in frazioni medie: 30-50%gas condensabili: GPL

Proprietà dei prodotti petroliferi

Composizione e proprietà dei diversi tipi di combustibili liquidi

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.

Proprietà dei combustibili fossili gassosi

Distribuzione di gas naturale in Europa

Distribuzione di gas naturale in Italia

Alta pressione: > 0,5 MPaMedia pressione: 0,05-0,5 MPaBassa pressione: <0,05 MPa

1986

2006

Il ruolo della rigassificazione

il ruolo crescente del GNL nel mercato internazionale del gas naturale

il ruolo crescente del GNL nel mercato internazionale del gas

naturale

COMBUSTIBILI NUCLEARIRADIOATTIVITA’ NATURALE

alcuni nuclei tendono a “decadere”, ossia a trasformarsi in elementi a configurazione più stabile, con emissione di particelle e/o radiazioni

tempo di dimezzamento

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

239

tende a decadere

composizione atomica Uranio naturale

U238 99,274%

U235 0,72% arricchimento dell’Uranio

U234 0,0006%

Reazione nucleare di fissione:

235 U + n 2PF + 2,5 n + 200 MeV

FISSILE subisce direttamente la MATERIA rezione di fissione

FERTILE può diventare fissile attraverso successive trasformazioni

FISSILE U235, Pu239

U235 92 protoni 143 neutroni

U238 94 protoni 145 neutroni

isotopo più stabile dell’uranio: U238

ARRICCHIMENTO URANIO 235

-Separazione elettromagnetica

- diffusione in mezzi porosi

- forza centrifuga

NEUTRONI VELOCI generati reazione fissione

NEUTRONI LENTI O TERMICI (2-3.000 m/s)

rallentati da un moderatore probabilità 200 volte

superiore che avvenga la reazione di fissione

supercritica + di 1 neutrone

Reazione controllata 1 neutrone incontra 1 nucleo fissile

sottocritica – di 1 neutrone

-

Reazione nucleare di fissione:

• MODERATORI FORTI arricchimento U235• (acqua)

• MODERATORI DEBOLI va bene contenuto naturale• (grafite)

• ASSORBITORE• REFRIGERANTE

Reazione nucleare di fissione: