Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile costituito da una roccia sedimentaria di colore nero o bruno scuro, che contiene in prevalenza carbonio.
È estratto da miniere sotterranee o a cielo aperto. La formazione del carbone risale tra circa 360 e 300 milioni di anni fa, durante il periodo del Carbonifero, quando un clima caldo e umido e un'elevata concentrazione di CO2 favorirono la crescita di alberi: dopo la loro morte, provocata da inondazioni, si veniva a creare un ampio strato di legname, che non veniva degradato a causa dell'assenza di funghi e batteri specifici ancora non sviluppati, coperto poi da vari strati di altri sedimenti che lo sottoponevano a pressioni elevate e all'assenza di ossigeno. Questo continuo processo ha portato alla formazione di quelli che conosciamo come carboni fossili. Questo, a differenza del carbone vegetale, non è rinnovabile poiché la sua formazione richiede milioni di anni.
È un combustibile pronto all'uso, composto principalmente da carbonio e contiene tracce di idrocarburi, oltre a vari altri minerali assortiti, compresi alcuni a base di zolfo. Esistono vari metodi di analisi per caratterizzarlo. L'inizio del suo massiccio sfruttamento è spesso associato alla Rivoluzione industriale, e ancora oggi rimane un combustibile molto importante: viene prodotta usando il carbone un terzo dell'elettricità mondiale, circa la metà dell'elettricità negli Stati Uniti e circa il 10% in Italia. In passato era utilizzato anche per alimentare alcuni mezzi di trasporto, quali le locomotive e le navi a vapore, per azionare le macchine a vapore delle industrie (nel corso dell'Ottocento e della prima parte del Novecento) e per il riscaldamento degli edifici.
L'uso del carbone per la produzione di energia è globalmente uno dei fattori principali dell'emissione antropica di anidride carbonica nell'atmosfera terrestre, principale causa dell'effetto serra e del surriscaldamento globale. Dal carbone si può ottenere il carbone attivo usato in chimica. Inoltre dal lavaggio del gas di carbone si ottiene come sottoprodotto il catrame di carbone.
Etimologia Il termine "carbone" (carbóne), noto in italiano dal 1306, deriva dal latino carbo, -onis (accusativo "carbonem" > volgare: carbone(m)); si crede che il termine sia affine ai significati del verbo greco κάρφω (kàrpho), che vuol dire "rendo secco, arido", riferendosi al carbone di legna reso tale per parziale combustione, e può collegarsi alla radice indoeuropea kar che significa "ardere". Il carbone non fu estratto che a partire dal tardo Medioevo.
Formazione geologica
Il carbone è composto da materiali carboniosi. Si stima che questi materiali compongano oltre il 50% del suo peso e oltre il 70% del suo volume. Il carbone è il risultato della trasformazione di resti vegetali che sono stati compressi, alterati chimicamente e trasformati da calore e pressione nel corso dei tempi geologici.
Dalle osservazioni paleontologiche, stratigrafiche e sedimentarie si è concluso che il carbone si sia formato prevalentemente a partire da piante cresciute in ecosistemi paludosi. Quando queste piante morirono, la loro biomassa si depositò in ambienti subacquei anaerobici in cui il basso livello di ossigeno presente prevenne il loro decadimento, impedì l'ossidazione, la decomposizione e il rilascio di biossido di carbonio. La nascita e la morte di generazioni successive di piante formarono spessi depositi di materia organica lignea non ossidata, in seguito ricoperti da sedimenti e compattati in depositi carbonacei come torba, bitume o antracite. Indizi sul tipo di piante che hanno originato un deposito possono essere rintracciati nelle rocce scistose o nell'arenaria che lo ricopre o, con tecniche particolari, nel carbone stesso.
L'era geologica durante la quale si formò la maggior parte dei depositi di carbone attualmente conosciuti nel mondo è il Carbonifero, fra i 280 e i 345 milioni di anni fa. Si tratta dell'era che vide l'esplosione della vita vegetale sulla terraferma e che ha preso il nome proprio per l'abbondanza di questi giacimenti originatisi rinvenibili entro formazioni geologiche appartenenti a questo periodo.
Utilizzo del carbone Il carbone è una delle principali fonti di energia dell'umanità. Nel 2010 circa il 40% dell'energia elettrica mondiale è stata prodotta nelle centrali a carbone e le riserve accertate ammontavano ad almeno 300 anni di produzione.
Dal carbone è possibile ottenere altri tipi di combustibile più facilmente trasportabili e con un maggior rendimento; i processi normalmente utilizzati per raffinarlo sono la gassificazione e la liquefazione.
In passato è stato utilizzato anche per il riscaldamento domestico e per la locomozione di treni e navi.
Gassificazione
In passato il carbone veniva convertito in gas, poi distribuito per mezzo di tubature ai clienti per essere bruciato per illuminazione, riscaldamento e cucina. Attraverso un procedimento detto anche "distillazione" si otteneva il cosiddetto "gas di città" ( idrogeno metano e altri gas).
Oggi vengono usati gas naturali, come il metano, perché più sicuri. La gassificazione rimane comunque una possibilità per un utilizzo futuro del carbone, visto che in genere il gas brucia a temperature più alte ed è più pulito del carbone convenzionale.
Liquefazione Il carbone può essere convertito anche in combustibili liquidi come benzina o gasolio, attraverso svariati procedimenti. Il processo Fischer-Tropsch di sintesi indiretta di idrocarburi liquidi fu usato nella Germania nazista e per svariati anni in Sudafrica; in entrambi i casi la motivazione fu l'isolamento politico di questi regimi che erano impossibilitati ad acquistare petrolio greggio sui mercati internazionali. Il carbone veniva gassificato in modo da produrre syngas, una mistura purificata e bilanciata di CO e H2, che veniva poi fatto condensare utilizzando un catalizzatore Fischer-Tropsch per produrre idrocarburi leggeri, poi trasformati in benzina e gasolio. Inoltre il Syngas può essere convertito in metanolo, un ulteriore combustibile o additivo per carburanti, che può essere ulteriormente riconvertito in benzina tramite il processo M-gas della Mobil.
Esiste anche un processo di liquefazione diretta chiamato processo Bergius (liquefazione attraverso idrogenazione), mai usato al di fuori della Germania che lo sfruttò durante la Prima e la seconda guerra mondiale. In Sudafrica fece qualche esperimento in questa direzione la compagnia SASOL.
Un ulteriore procedimento per ottenere idrocarburi liquidi dal carbone è la low temperature carbonization (LTC), o carbonizzazione a bassa temperatura. Il carbone viene trasformato in coke a temperature fra i 450 e i 700 °C, invece degli 800-1000º del coke utilizzato in metallurgia. Questa temperatura facilita la produzione di catrami più ricchi di idrocarburi leggeri dei catrami normali. Il catrame viene poi trasformato in combustibile. Questo processo fu sviluppato da Lewis Kerrick, un tecnico specializzato in argilliti petrolifere, all'ufficio minerario degli Stati Uniti negli anni 1920.
Tutti questi metodi di produzione di combustibile liquido rilasciano CO2 (anidride carbonica). L'isolamento della CO2 è auspicabile, per evitare che venga rilasciata nell'atmosfera contribuendo all'effetto serra. Visto che la produzione di CO2 è uno dei flussi principali del processo, la sua separazione è più facile di quanto non sia possibile partendo dai gas prodotti dalla combustione del carbone con l'aria, nei quali la CO2 è miscelata con azoto e altri gas.
La liquefazione del carbone è una delle tecnologie che limitano la crescita del prezzo del petrolio. Le stime del costo della produzione di carburanti liquidi partendo dal carbone suggeriscono che essa diventi competitiva quando il prezzo del petrolio superi una certa soglia. Avendo tecnologie commercialmente mature, il vantaggio economico della liquefazione indiretta del carbone, rispetto a quella diretta, fu reso noto da William e Larson, nel 2003.
Grafitazione (o Grafitizzazione) Il processo di grafitazione è un appropriato trattamento termico che trasforma il carbone amorfo in grafite, che pertanto può dirsi grafite artificiale. IUPAC Gold Book, "graphitization" Il processo avviene in forni alimentati in corrente continua ad altissima intensità. Esiste anche la grafitizzazione naturale geologica: processo metamorfico per il quale la grafite si forma dal carbone fossile.
Tipi di carbone Carboni fossili La qualità dei combustibili, cioè la composizione chimica dei carboni è strettamente collegata al tempo trascorso per la loro formazione.
Torba
La torba (dal francese tourbe, da un termine di origine germanica) non è un vero e proprio carbone fossile, in quanto deriva da piante erbacee che hanno subito una trasformazione parziale. Ha un aspetto spugnoso o addirittura filamentoso e un colore scuro. Si trova in giacimenti superficiali detti torbiere, da cui viene estratta con una draga (macchina da scavo). Contiene molta acqua e ha un alto contenuto di ceneri. Viene usata soprattutto in agricoltura per arricchire il suolo con sostanze ricche di humus.
Si è formata dalla decomposizione di vegetali in zone paludose con clima umido temperato o freddo poiché in climi caldi la velocità di evaporazione dell'acqua e la decomposizione veloce e totale non consentono la formazione di torba ad alte temperature. Alcune di queste zone sono la Terra del Fuoco, l'Irlanda, le Falkland, l'Islanda, la Germania, i Paesi Bassi e l'Austria.
Anche in Italia ci sono giacimenti di torba: sulle Alpi, in particolare colle del Moncenisio, passo del San Gottardo, colle del Piccolo San Bernardo, nelle valli del Brenta, del Piave, ad Alice Superiore presso Ivrea, a Iseo, Varese, Verona, Udine; alle foci di fiumi come Po, Adige, Arno, Tevere, essi ammontano a circa 36 milioni di tonnellate.
La percentuale di acqua appena estratta è piuttosto alta, circa 70–90%; essa può scendere per essiccamento all'aria per alcuni giorni fino a circa 50%, lasciando per settimane si arriva al massimo al 30%. Ottenerla artificialmente non è conveniente perché si consumano più di 20,3 MJ/kg (4850 kcal/kg) per produrre torba secca, ottenendo un prodotto con potere calorifico non superiore a 23,0 MJ/kg (5500 kcal/kg).
È poco usata come combustibile, se non in loco; il principale utilizzo è come fertilizzante, dato che si impregna facilmente con i concimi.
Lignite
Il nome deriva dal latino lignum «legno» con il suffisso scientifico «-ite», qui indicante un minerale. Ha un contenuto di carbonio di circa 70% e un potere calorifico di 18,8-25,1 MJ/kg (4500-6000 kcal/kg); la sua formazione risale a circa 80 milioni di anni fa. Questo carbone presenta ancora la struttura del legno da cui ha avuto origine. I giacimenti si trovano prevalentemente in superficie e pertanto viene estratto in miniere a cielo aperto. Non è un buon combustibile e quindi economicamente poco conveniente; viene di solito utilizzata per alimentare centrali elettriche o per produrre gas, ammoniaca, petrolio sintetico.
La lignite è un carbone fossile di formazione relativamente recente, originatosi da foreste del secondario e del terziario.
È un sedimento fossile, organico e combustibile; si presenta con colore da bruno a nero e pertanto viene chiamato anche carbone marrone.
La lignite possiede un'umidità relativa piuttosto elevata, mediamente superiore al 21% (può superare anche il 45%) e la sua carbonificazione non è mai del tutto completa, ciò ne fa un combustibile di limitato pregio.
Ha un potere calorifico superiore intorno a 23,9 MJ/kg (5700 kcal/kg), considerando la sostanza senza ceneri.
Il tenore di umidità è quello che si stabilisce ad una temperatura di 30 °C per un'umidità relativa dell'aria del 96%.
Questo combustibile è stato ampiamente utilizzato in tutta Italia fino agli anni cinquanta e sessanta, soprattutto per la produzione dell'energia elettrica necessaria alla nascente industria italiana.