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CCC/270

Carboni di bassa qualità: considerazioni commerciali, ambientali e impiantistiche
Dr Stephen Mills
Settembre 2016

Introduzione

Circa la metà delle riserve di carbone potenzialmente sfruttabili comprendono carboni di bassa qualità o di basso valore. Si tratta prevalentemente di carboni sub – bituminosi e carboni bituminosi ad alto contenuto di ceneri, e vari tipi di lignite. L’antracite e i carboni bituminosi rappresentano il 51% delle riserve mondiali, il carbone sub – bituminoso il 32%, e la lignite il 18%. Tutte e tre le tipologie hanno particolare importanza nella power generation (produzione di energia elettrica) e nella cogenerazione, che rappresenta di gran lunga il loro mercato maggiore. Tuttavia, in alcuni paesi, vengono impiegati anche in settori come il civile, il commerciale e l’industriale.

Carboni di bassa qualità: vantaggi e svantaggi

Il carbone viene classificato in base al grado di maturazione, e si possono avere vari livelli di alterazione che vanno dalla torba all’antracite, questi gradi sono indicati con il termine rango. I carboni di basso rango sono costituiti da ligniti e carboni sub – bituminosi, in quanto hanno un minor contenuto di carbonio e hanno un contenuto energetico inferiore rispetto a carboni di rango più elevato. I termini “bassa qualità” o “basso valore”, applicati al carbone, generalmente indicano tre categorie principali: lignite, carbone sub – bituminoso e carbone bituminoso ad elevato contenuto di ceneri. Ogni tipo di carbone presenta una serie di vantaggi e svantaggi, ma nonostante ciò, molti paesi stanno gradualmente passando all’uso di carboni di bassa qualità. Sulla base dei dati IEA, nel 2014, la produzione globale ha utilizzato l’80% di carbone bituminoso, il 9% di carbone sub – bituminoso, il 10% di lignite e l’1% di antracite (IEA 2015a). Tutte e tre le categorie di carbone di bassa qualità sono di grande importanza in numerose economie. Infatti, nonostante i potenziali svantaggi dei carboni di basso rango, molti paesi fanno affidamento prevalentemente sulle risorse locali, nonostante siano di qualità inferiore, in particolare per la produzione di energia; questo in quanto in alcuni casi, il carbone di bassa qualità costituisce l’unica risorsa energetica rilevante disponibile. Questi carboni sono spesso estratti relativamente a buon mercato tramite tecniche di estrazione a cielo aperto. Essi forniscono una fonte sicura di energia e consentono di ridurre al minimo la dipendenza dal carbone importato. È sempre più evidente dunque, che nel futuro il settore di produzione di energia elettrica convenzionale sfrutterà maggiormente i carboni di basso rango. A seconda delle circostanze specifiche, ci possono essere vari motivi per l’utilizzo di carboni di bassa qualità, molti sono evidenti come la stabilità delle fonti per la produzione di energia, infatti, l’uso di risorse autoctone consente la sicurezza dell’approvvigionamento, la riduzione dell’importazione di energia elettrica e la possibilità di generare energia elettrica a costi ridotti. Tuttavia, ci sono alcuni aspetti meno positivi da considerare, come ad esempio il fatto che lo sfruttamento progressivo delle riserve di carboni di basso rango ne diminuisce sempre più le quantità, e quindi anche queste sono in fase di declino. Ne risulta la necessità di estrarre un maggior volume di carbone, con le conseguenti spese del trasporto e del trattamento, il che comporta conseguenze sia economiche che ambientali. Inoltre l’uso di carbone di basso rango nelle centrali elettriche può ridurre l’efficienza e causare problemi di funzionamento, nonché richiedere un aumento della manutenzione degli impianti.

Usi del carbone di basso rango nelle maggiori economie

Nei prossimi anni, l’industria del carbone dovrebbe subire significativi cambiamenti, alcuni dei quali si rifletteranno su una progressiva riduzione della domanda dovuta principalmente alla Cina. Negli ultimi anni, nonostante la crescente preoccupazione per la situazione ambientale, e il declino di alcune economie di sviluppo, il mercato mondiale del carbone ha visto un significativo aumento, soprattutto per la power generation, buona parte del quale si concentra nei paesi asiatici, principalmente India e Cina. Tuttavia, per diversi motivi, sia economici che ambientali, alcuni paesi hanno preferito passare all’utilizzo sempre più consistente di carboni di bassa qualità. Per alcuni decenni, molti paesi produttori di carbone hanno assistito a un costante declino nella qualità del carbone che producono. In particolare in quelli con una lunga storia mineraria, dove le riserve di carbone di migliore qualità sono state esaurite. Il risultato è stato il sempre maggiore uso di carbone a minor potere calorifico o altre caratteristiche inficianti, come ad esempio un elevato contenuto di ceneri. A livello globale, la tendenza generale verso uno sfruttamento maggiore del carbone di qualità inferiore è destinata a crescere. La maggior parte delle riserve mondiali di carbone si trovano negli Stati Uniti, in Russia, in Cina, in Australia, in India e in Germania, mentre i principali produttori sono Cina, Stati Uniti, India, Australia, Indonesia e Russia che sommati costituiscono più dell’80% della produzione mondiale. Attualmente, i due più grandi consumatori di carbone, la Cina e gli Stati Uniti, stanno tentando di limitare l’uso del carbone. Tuttavia è previsto un aumento della produzione mondiale di circa 8,6 Gt per anno fino al 2020. Come si è visto negli ultimi anni, questa crescita sarà guidata principalmente dallo sviluppo di paesi asiatici, prevalentemente dall’India. In molte parti del mondo, vi è una spinta continua verso un maggiore uso di fonti rinnovabili come l’eolico e il solare. Anche se nel funzionamento giornaliero il loro impatto ambientale è minimo, la produzione è intermittente e dipendente dalle condizioni climatiche e atmosferiche. Di conseguenza, i sistemi di supporto devono rilevare quando la domanda supera la disponibilità, ciò significa che spesso le fonti alternative sono costituite dal termico o dal nucleare. In alcuni paesi la produzione energetica si sta gradualmente spostando verso le fonti rinnovabili. Tuttavia, le centrali termiche possono ancora mantenere un ruolo importante al fianco di fonti rinnovabili, in quanto, in molti casi, l’energia prodotta dal carbone rimane l’opzione economicamente più affidabile. Altri governi stanno assumendo una visione diversa cercando di sfruttare il carbone locale come fonte energetica, come ad esempio la Turchia, che fa già un largo uso delle riserve di lignite locali per la produzione dell’energia elettrica necessaria al fabbisogno energetico nazionale. Nonostante il principale conduttore di questo cambiamento sia la riduzione delle importazioni energetiche, all’interno dell’UE l’uso del carbone è destinato a diminuire, anche se questa risorsa conserva una grande importanza in molti paesi come la Bulgaria, la Romania, la Slovenia, la Polonia, la Repubblica Ceca e la Grecia. Paesi come gli Stati Uniti, la Russia, il Kazakistan e il Canada producono solo carbone sub – bituminoso e lignite. Se negli Stati Uniti l’uso di carbone tenderà a ridursi nei prossimi anni, (anche se continuerà ad essere una fonte importante nella produzione energetica ancora per diverso tempo), invece la lignite è ancora ampiamente utilizzata per la produzione di energia in paesi come India, Germania, Polonia, Turchia e Grecia. Mentre i carboni bituminosi ad elevato contenuto di ceneri stanno diventando di particolare importanza nelle economie di India, Cina e Sud Africa. Nelle prime due la maggior parte della produzione di carbone viene utilizzata all’interno del paese stesso, mentre in Sud Africa, una parte significativa del prodotto estratto viene lavato ed esportato. Il carbone locale rimane tuttavia di vitale importanza per l’economia del Paese, garantendo la maggior parte del fabbisogno energetico locale. È quindi chiaro che per il prossimo futuro, il carbone continuerà ad essere una componente dominante nel settore energetico in paesi come l’India, la Cina e il Sud Africa. In India, negli ultimi anni si è assistito ad un forte aumento della quantità di carbone utilizzato, in proporzione alla crescita economica. Tuttavia, nonostante l’uso di carbone sia ora più alto di quanto non lo sia mai stato, si sta cercando di limitarne l’uso per tenere sotto controllo gli impatti ambientali associati. Per contribuire a questi obiettivi, molte delle nuove centrali sono costruite per lavorare con cicli termici supercritici. La Cina, che sfrutta tutte e tre le tipologie di carbone ha visto un enorme aumento del consumo ogni anno, e come per l’India, per alcuni anni la domanda è aumentata drammaticamente, raggiungendo il picco nel 2014. Tuttavia anche la Cina sta spingendo per lo sviluppo e l’utilizzo delle fonti rinnovabili al fine di ridurre al minimo l’impatto ambientale. A tal fine è stata introdotta una legislazione per ridurre la produzione e l’importazione di alcuni carbone di basso rango. Oltretutto una percentuale sempre crescente di energia elettrica da carbone comprende impianti moderni ed efficienti che utilizzano impianti con cicli termici supercritici e ultra supercritici. Sempre più spesso, le vecchie tecnologie di power generation stanno man mano diventando obsolete e sempre meno utilizzate, a favore di nuove tecnologie nelle quali una grossa percentuale del carbone viene lavata per ridurre il contenuto di ceneri. Questo aiuterà a ridurre al minimo l’impatto ambientale della combustione del carbone del paese. Nonostante fonti rinnovabili stiano avendo sempre maggior peso, tuttavia il carbone rimarrà di vitale importanza ancora per molto tempo.

Applicazioni delle tecnologie pulite del carbone ai carboni di basso rango

I carboni di bassa qualità possono essere ripuliti e valorizzati in vari modi al fine di aumentare il loro contenuto energetico e altre proprietà, permettendo così di competere direttamente con carboni di qualità superiore. Chiaramente, i benefici derivati dai miglioramenti non devono essere compensati dalla maggiorazione dei costi di lavorazione. Tali carboni possono essere utilizzati con successo in molti processi, tra cui tutte le principali forme di tecnologie che sfruttano il carbone pulito. In alcuni casi, possono essere utilizzati direttamente, mentre in altri, è richiesto un certo grado di pre-trattamento. Poiché i carboni di grado inferiore come le ligniti presentano un potere calorifico ridotto rispetto ai carboni di rango superiore, a parità di energia prodotta, è necessaria una quantità maggiore di carbone di basso rango. Esistono numerosi sistemi progettati per migliorare le proprietà del carbone grezzo, attraverso la rimozione di acqua e/o di inerti minerali. Tuttavia occorre valutare i costi aggiuntivi dovuti al pre-trattamento, in quanto il prodotto finale deve avere un costo vantaggio rispetto ai combustibili concorrenti. Anche se negli ultimi anni vi è stata la diminuzione del prezzo dei carboni a maggior potere calorifero, alcune economie continuano ad interessarsi maggiormente ai carboni di bassa qualità per garantire una riduzione dei costi dell’energia a lungo termine. L’utilizzo delle risorse locali può contribuire a preservare le riserve locali di carbone di alto rango. È stato confermato che i carboni di basso rango sono adatti per l’uso in una vasta gamma di applicazioni che vengono più spesso associate con carboni di rango superiore. Anche se l’utilizzo maggiore a livello globale rimane la combustione nelle centrali elettriche con le convenzionali tecnologie a polverino di carbone (PCC) (spesso con condizioni di vapore subcritiche), ci sono numerose situazioni in cui i carboni di bassa qualità e le ligniti risultano essere le fonti economiche e energetiche principali. Tuttavia, gli impianti a vapore che sfruttano pressioni maggiori di quelle standard, come i sistemi supercritici (SC) e ultrasupercritici (USC) vengono sempre più spesso impiegati nella generazione elettrica e sono in rapida diffusione. In particolare, negli ultimi anni sono sempre più utilizzati nei paesi come Cina e India nella quale l’economia è in rapida crescita. Accanto alla tecnologia PCC sono attualmente in fase di espansione le tecnologie di combustione a letto fluido circolante (CFBC), soprattutto in paesi come la Cina, l’India, la Turchia e la Polonia nei quali vengono utilizzati diversi tipi di carboni di basso rango. La flessibilità di queste tecnologie le rende adatte a utilizzare carboni di basso rango.I carboni di basso rango vengono anche utilizzati nella gassificazione per la produzione di gas di sintesi naturale (SNG) o utilizzati in impianti a ciclo combinato di gassificazione integrata (IGCC).Vari tipi di carbone, tra carboni sub – bituminoso, residui di laveria e lignite ad elevato contenuto di cenere sono utilizzati per la produzione di una gamma di prodotti. In tutto il mondo, ci sono diversi progetti IGCC, sulla base di una serie di varianti di tecnologia, che sfruttano i carboni di bassa rango come materia prima prevalentemente i tipi sub – bituminosi e le ligniti. I principali progetti si trovano in Cina, Stati Uniti, Corea del Sud, Repubblica Ceca e India.

Conclusioni

Circa la metà delle riserve globali di carbone sono costituite da carboni di basso rango (sub – bituminosi e ligniti). A causa della crescente domanda di energia elettrica, soprattutto da paesi che sono ora in rapida crescita economica, come Cina e India, le riserve di carbone di alto rango stanno pian piano diminuendo. Molti paesi che possiedono elevate riserve di carbone stanno sostituendo i carboni di alto rango con quelli di rango inferiore, e stanno sviluppando degli impianti con tecnologie capaci di sfruttare queste risorse, al fine di preservare i carboni di rango elevato.Sebbene alcune nazioni conducano politiche che tendono ad eliminare o almeno ridurre il consumo di carbone, in molti altri paesi si continua ad utilizzare il carbone come fonte primaria per la produzione di energia elettrica. Nonostante le preoccupazioni ambientali, la crescente domanda di energia elettrica (in particolare da una serie di paesi in via di sviluppo), fa ipotizzare che i carboni di basso rango verranno utilizzati ancore per molti anni in quantità significative. Se in alcuni paesi sviluppati come gli Stati Uniti, l’uso del carbone è ormai in declino, in un certo numero di paesi ancora in pieno sviluppo, vi è un importante impiego del carbone, che viene sfruttato attraverso tecnologie di power generation a baso impatto come le tecnologie a ciclo di vapore supercritico e ultra-supercritico. In alcune situazioni, le considerazioni economiche rischiano di prevalere in quanto l’energia elettrica prodotta da centrali a carbone è spesso l’opzione economicamente più vantaggiosa, e per varie ragioni, molte di queste economie dovranno fare affidamento su carboni di basso rango. AMaiu