:: Le fonti di energia / Il petrolio
Le
fonti di energia tradizionali: Il petrolio
Il
Petrolio (anche detto oro nero) è un liquido oleoso più o
meno denso, infiammabile, di colore variabile da giallastro a nero,
costituito
essenzialmente
da una miscela di idrocarburi
fossili. Si trova in grandi quantità sotto la superficie terrestre
e viene usato principalmente come combustibile e come materia
prima dell’industria chimica. Le moderne società industriali utilizzano
il petrolio prevalentemente come fonte di carburante per i motori
a combustione
interna, ma, insieme ai suoi derivati, esso viene usato anche
nella produzione di medicinali, fertilizzanti, generi alimentari,
materie plastiche, materiali da costruzione, vernici e tessuti,
nonché per
la produzione di energia elettrica.
La moderna civiltà industriale dipende in larga misura dal petrolio e dai suoi derivati: la struttura fisica e il modo di vivere delle comunità suburbane che circondano le grandi città sono il risultato della mobilità permessa dai mezzi di trasporto moderni e quindi della disponibilità di grandi quantità di petrolio a basso costo. Anche le principali strategie economiche dei paesi in via di sviluppo, mirate a sfruttare le risorse naturali e a fornire derrate alimentari alle popolazioni in rapida crescita demografica, sono basate sul presupposto della disponibilità di petrolio.
Negli anni Settanta, le restrizioni sulle forniture petrolifere imposte per motivi politici determinarono, per un certo periodo, un sensibile aumento dei prezzi e ciò alimentò timori relativi a una scarsità delle risorse di petrolio mondiali. Verso la metà degli anni Ottanta, tuttavia, i prezzi scesero nuovamente, dimezzandosi rispetto ai valori raggiunti dieci anni prima.
Le
caratteristiche principali del petrolio
Tutti i tipi di petrolio sono costituiti principalmente di una miscela
di idrocarburi (sostanze chimiche organiche le cui molecole sono formate
esclusivamente
da atomi di carbonio e di idrogeno, variabilmente legati gli uni
agli altri), ma solitamente contengono anche zolfo e ossigeno;
il contenuto di zolfo varia dallo 0,1 al 5% circa. I costituenti del petrolio sono liquidi e solidi, in varia percentuale, perciò la consistenza è molto variabile e può andare da liquidi fluidi, come la benzina, a liquidi talmente densi che è difficile versarli.
Nel petrolio si trovano disciolte anche quantità rilevanti di particelle gassose; ciò si verifica in particolar modo quando il giacimento petrolifero è associato a un giacimento di gas.
Per comodità si distinguono tre classi principali di petroli, a seconda del tipo di idrocarburo prevalente:
- i petroli a base paraffinica, costituiti prevalentemente da paraffine (idrocarburi a catena aperta saturi, detti anche alcani);
- quelli a base naftenica, costituiti prevalentemente da nafteni (idrocarburi a catena chiusa saturi, detti anche cicloalcani);
- e quelli a base mista, nei quali le percentuali dei due tipi di idrocarburi suddetti sono pressoché uguali.
- Molto più rari e pregiati sono i petroli di una quarta classe, detti a base aromatica perché costituiti prevalentemente da idrocarburi aromatici (cioè formati da uno o più anelli benzenici e detti anche areni).
L'origine
del
petrolio
Il petrolio si forma sotto la superficie terrestre per
decomposizione di
organismi marini e piante che crescono sui fondali oceanici,
oppure, in
misura minore,
di organismi terrestri che vengono trasportati in mare dai corsi
d’acqua. I resti della decomposizione si mescolano con le sabbie
finissime e con il limo che si depositano sul fondo del mare nelle zone
non caratterizzate da forti correnti, formando sedimenti ricchi di
materiali organici.
Il fenomeno ebbe inizio molti milioni di anni fa con lo sviluppo di un’abbondante fauna marina e continua ancora oggi. I sedimenti, aumentando di spessore, penetrano sotto il fondale marino a causa del loro stesso peso; a mano a mano che altri sedimenti si accumulano, la pressione su quelli sottostanti aumenta in modo considerevole e la temperatura si alza di diverse centinaia di gradi. Il fango e la sabbia si induriscono trasformandosi in argillite e arenaria, il carbonio precipita, le conchiglie si induriscono trasformandosi in calcare e i resti degli organismi morti si trasformano in petrolio greggio e gas naturale.
Il petrolio che si forma ha densità minore dell’acqua salmastra che satura gli interstizi dell’argillite, della sabbia e delle rocce carbonate che costituiscono la crosta terrestre e quindi sale verso la superficie passando dai microscopici pori dei sedimenti più grossi che li sovrastano. Frequentemente il petrolio e il gas incontrano uno strato di argillite impermeabile o di roccia più compatta che impedisce la salita, perciò rimangono bloccati dando origine a un giacimento che viene detto trappola. Quantità elevate di petrolio tuttavia non incontrano simili strati di roccia e risalgono lentamente sulla superficie terrestre o sui fondali oceanici, formando giacimenti superficiali; questi giacimenti comprendono anche laghi bituminosi e gas naturali che fuoriescono naturalmente dalla superficie terrestre.
Storia del
petrolio
I giacimenti superficiali furono ignorati dagli esseri umani per migliaia
di anni; per molto tempo essi vennero usati per scopi molto limitati quali,
ad esempio, il calafataggio delle barche e l’impermeabilizzazione dei tessuti. Nel Rinascimento si iniziò a distillare il petrolio
greggio di alcuni giacimenti superficiali per ottenere
lubrificanti e prodotti medicinali, ma il vero e proprio sfruttamento
ebbe inizio solo nel XIX secolo.
All’epoca, la rivoluzione industriale e i conseguenti cambiamenti sociali stimolarono notevolmente la ricerca di nuovi combustibili e in particolare di oli lampanti di buona qualità e al tempo stesso economici: molta gente, infatti, desiderava avere la possibilità di lavorare e leggere anche dopo il tramonto, ma l’olio di balena era estremamente costoso, le candele di sego emanavano un odore sgradevole e i becchi a gas erano disponibili solo nelle abitazioni più moderne delle aree urbane. La ricerca di un combustibile migliore per le lampade determinò un netto aumento della richiesta di petrolio greggio e verso la metà del XIX secolo numerosi scienziati cominciarono a mettere a punto tecniche e metodi per produrre e commercializzare sostanze capaci di soddisfare le esigenze della popolazione. Nel 1852 il fisico e geologo canadese Abraham Gessner ottenne un brevetto per ricavare dal petrolio greggio un combustibile per lampade economico, l’olio di paraffina (kerosene); tre anni dopo il chimico statunitense Benjamin Silliman pubblicò uno studio in cui elencava la vasta gamma di prodotti utili che potevano essere ricavati dalla distillazione del petrolio. Da quel momento ebbe inizio la corsa ai rifornimenti di greggio.
I primi pozzi petroliferi veri e propri furono trivellati in Germania nel 1857-1859. Un avvenimento che ebbe risonanza mondiale tuttavia fu la trivellazione di un pozzo nei pressi di Oil Creek, in Pennsylvania, a opera del colonello Edwin L. Drake: nel 1859 questi effettuò numerosi sondaggi con lo scopo di trovare l’ipotetica “sacca madre” da cui si pensava provenissero tutte le infiltrazioni di petrolio della Pennsylvania occidentale; in realtà il giacimento era profondo solo 21,2 m, ma il petrolio era di tipo paraffinico, quindi molto fluido e facile da distillare. Il successo di Drake segnò l’inizio della rapida crescita della moderna industria petrolifera. Presto il petrolio suscitò l’interesse della comunità scientifica e furono sviluppate ipotesi plausibili riguardo alla sua formazione.
Con l’invenzione del motore a combustione interna e con il crescente fabbisogno energetico causato dallo scoppio della prima guerra mondiale, l’industria petrolifera divenne una delle basi della moderna società industriale.
I
giacimenti di petrolio sotterranei
Per individuare i giacimenti sotterranei, si cerca un bacino
sedimentario
in cui argilliti ricche di materiali organici siano rimaste sepolte
per
un
tempo sufficientemente lungo perché il petrolio abbia potuto
formarsi (il lasso di tempo può variare da decine di milioni a un
centinaio di milioni di anni). Le condizioni dell’ambiente roccioso,
inoltre, devono aver permesso al combustibile di raggiungere strati
rocciosi permeabili delimitati da strati impermeabili capaci di
trattenere grandi quantità di liquido.
I geologi dispongono di molti strumenti per identificare le zone potenzialmente interessanti; ad esempio, i rilevamenti degli affioramenti superficiali di strati sedimentari permettono di dedurre le caratteristiche del primo strato del sottosuolo, che possono a loro volta essere integrate con le informazioni ottenibili perforando la crosta terrestre per prelevare campioni degli strati di roccia attraversati. Inoltre, tecniche sismiche sempre più sofisticate, quali la riflessione e la rifrazione di onde d’urto propagate nel terreno, rivelano dettagli importanti sulla struttura e sull’interrelazione dei vari strati rocciosi presenti sotto la superficie terrestre. In ultima analisi, comunque, l’unico modo per provare inconfutabilmente la presenza di una trappola petrolifera in una determinata zona è trivellare pozzi esplorativi.
I
giacimenti
petroliferi: Il Recupero primario
Un giacimento petrolifero può comprendere
diversi bacini, che sono in genere situati l’uno sull’altro e separati
da strati di roccia impermeabile, generalmente a una profondità compresa
tra poche decine e diverse centinaia di metri. I
bacini possono estendersi su una superficie di poche decine di ettari o coprire decine di chilometri quadrati, tuttavia è da
notare che la maggior parte del petrolio sfruttato su scala mondiale
viene estratto da un numero relativamente limitato di giacimenti molto
estesi.
Nella maggior parte dei casi, i pozzi petroliferi vengono trivellati con il metodo “a rotazione” (rotary) brevettato in Gran Bretagna nel 1844 da R. Beart. L’elemento più appariscente di un impianto di perforazione è l’alta struttura a traliccio detta torre di trivellazione, o derrick, che a circa tre metri dal suolo sostiene una piattaforma sulla quale sono montati la “tavola rotante” e il relativo apparato motore.
Entro un foro a sezione quadrata della tavola rotante (disposta orizzontalmente) scorrono verticalmente, ricevendone il moto rotatorio, le aste tubolari, pure a sezione quadrata, della batteria di perforazione, che vengono avvitate una sull’altra man mano che penetrano nel terreno. La prima asta, che provvede alla perforazione del terreno, è dotata di una testa tagliente (denominata “scalpello”) variamente sagomata ma in genere costituita da tre ruote dentate coniche ad assi concorrenti, con i denti di acciaio temprato o di altro materiale adatto a frantumare la roccia.
All’interno della batteria di perforazione, che penetra nel terreno spinta dal suo stesso peso, viene pompato fango molto fluido, che dopo aver raggiunto lo scalpello ritorna in superficie (portando con sé i detriti del terreno scavato) passando nell’intercapedine che resta fra le aste della batteria e le pareti del foro (il diametro dello scalpello è infatti maggiore di quello delle aste).
Il petrolio grezzo contenuto nelle trappole sotterranee è solitamente sotto pressione e salirebbe fino ad arrivare in superficie se non fosse bloccato da uno strato di roccia impermeabile; così, quando la trivella penetra in questi bacini petroliferi “pressurizzati”, il petrolio fluisce immediatamente nella zona di bassa pressione costituita dal foro di trivellazione, che comunica con la superficie terrestre. Il pozzo, via via che si riempie di liquido, esercita a sua volta una contropressione sul bacino petrolifero; l’afflusso di altro liquido nel pozzo di trivellazione cesserebbe quindi molto presto, se non entrassero in gioco altri fattori. Nella maggior parte dei casi, a causa dell’elevata pressione, il petrolio greggio contiene una notevole quantità di gas in soluzione; come conseguenza di ciò, quando la soluzione fluisce nel pozzo di trivellazione, dove la pressione è più bassa, il gas si libera e comincia a espandersi, spingendo il liquido verso l’alto. In alcuni pozzi è invece la pressione dell’acqua freatica a spingere il petrolio in superficie.
I
giacimenti
petroliferi: Il Recupero secondario
A mano a mano che si estrae greggio dal giacimento, la pressione
all’interno del bacino e la percentuale di gas disciolto nel
liquido diminuiscono, quindi la quantità di petrolio che sale
in superficie si riduce; a questo punto per continuare l’estrazione è necessario
ricorrere all’azione di una pompa aspirante. 
Quando il flusso di petrolio è diventato esiguo, tanto che pomparlo in superficie sarebbe troppo costoso (il che accade, generalmente, quando si è estratto circa il 25% della riserva del bacino), si fa ricorso a tecniche diverse, dette di recupero secondario. Allo stato attuale i sistemi di recupero secondario più usati sono due:
Iniezione di acqua
Per coltivare un giacimento petrolifero di grandi dimensioni, è possibile trivellare numerosi pozzi a distanze comprese tra i 60 e i 600 m, in relazione al tipo di trappola presente nella situazione specifica. Pompando acqua all’interno di alcuni dei pozzi, si riesce a mantenere a un livello pressoché costante (oppure ad aumentare) la pressione interna del bacino. In questo modo si incrementa la percentuale di recupero del petrolio greggio, sfruttando anche il fatto che l’acqua lo sposta fisicamente, facilitandone direttamente il recupero. In alcuni bacini molto uniformi e caratterizzati da un basso contenuto di argilla, l’iniezione di acqua può inoltre aumentare considerevolmente l’efficienza del pozzo.
Iniezione di gas o di vapore
Il gas o il vapore vengono iniettati nel bacino alla maggiore profondità possibile per mezzo di un foro obliquo rispetto alla direzione del foro di estrazione, in modo da spingere verso l’alto il petrolio e, miscelandosi con esso, diminuirne parzialmente la densità. L’iniezione di vapore è impiegata soprattutto nei giacimenti che contengono tipi di greggio molto densi e viscosi, che fuoriescono lentamente. Bitume. Il vapore non solo fornisce l’energia necessaria a spostare il petrolio ma, innalzando la temperatura del bacino, ne riduce in modo significativo la viscosità, permettendo una fuoriuscita più rapida.
I
giacimenti
petroliferi: Trivellazione in mare aperto
Gli impianti di trivellazione in mare aperto sono installati
su speciali piattaforme, capaci di resistere alla forza delle
onde e del vento, che possono essere
sia galleggianti sia poggiare su piloni piantati sul
fondale oceanico a profondità di
diverse centinaia di metri. Come negli impianti di trivellazione tradizionali,
il derrick serve sostanzialmente a sostenere e far ruotare la batteria di perforazione,
alla cui estremità è fissata la trivella stessa. Alcuni pozzi petroliferi trivellati
da piattaforme di questo tipo raggiungono profondità di oltre 6500 m sotto la
superficie dell’oceano.
Processo
di raffinazione del petrolio
Una volta estratto, il petrolio viene trattato con sostanze
chimiche e calore, per eliminare l’acqua e le particelle solide
in esso contenute e per separarlo dal gas naturale residuo;
quindi viene immagazzinato in cisterne e trasportato
nelle raffinerie per mezzo di autocisterne, per ferrovia, su navi, o
tramite oleodotti.
La distillazione rappresenta la prima fase della raffinazione del greggio. Il petrolio inizia a vaporizzare a una temperatura leggermente inferiore ai 100 °C: si separano prima gli idrocarburi a più basso peso molecolare, mentre temperature via via più alte sono necessarie per distillare le molecole più grandi. Il primo materiale che si separa dal petrolio greggio è la frazione destinata a essere trasformata in benzina, seguita dalla nafta e dal kerosene. Nelle vecchie raffinerie, le sostanze residue venivano trattate con soda caustica e con acido solforico, quindi distillate in corrente di vapore. I lubrificanti e gli oli combustibili si ottengono dalla parte superiore della torre di distillazione, mentre le cere e l’asfalto si ottengono da quella inferiore.
Il processo di piroscissione, o cracking termico, è stato messo a punto allo scopo di aumentare la resa della distillazione. In questo processo le frazioni più pesanti del petrolio greggio vengono portate ad alte temperature in condizioni di pressione elevata in modo che le molecole più grandi si scindano in molecole più piccole, adatte a essere trasformate in benzina.
Alchilazione
e piroscissione catalitica
La alchilazione e la piroscissione
catalitica sono due procedimenti
di base, introdotti negli anni Trenta per aumentare ulteriormente
la resa in
benzine del petrolio. Nell’alchilazione le piccole molecole prodotte dal cracking
termico vengono ricombinate in presenza di un catalizzatore. In questo modo si ottengono
molecole leggere ramificate dotate di proprietà superiori, ad esempio con caratteristiche
antidetonanti più elevate, da cui si ottengono combustibili utilizzabili per
motori di grande potenza come quelli degli aerei.
Nel processo di cracking catalitico il petrolio greggio viene scisso in presenza
di un catalizzatore finemente suddiviso. Ciò permette di ottenere idrocarburi
diversi che possono essere ricombinati mediante alchilazione, isomerizzazione
e reforming catalitico, per ottenere carburanti dotati di elevate proprietà antidetonanti
nonché prodotti chimici speciali. Ciò portò alla nascita della colossale industria
petrolchimica, che produce una grande varietà di prodotti, come alcol,
detergenti, gomma sintetica, glicerina, fertilizzanti, zolfo, solventi,
sostanze usate nella
produzione di medicinali, nylon, materie plastiche, vernici, additivi
alimentari, esplosivi, coloranti e materiali isolanti.
Nel 1920 i prodotti ricavati dal petrolio greggio erano: benzine (26%); kerosene (13%); gasolio e distillati (48%) e distillati pesanti (13%). In anni più recenti, tuttavia, la resa del petrolio si è modificata, dando luogo a dati diversi: oltre il 50% è impiegato per la produzione di benzine, il 7% per kerosene, il 21% per gasolio e distillati, poco meno del 10% per lubrificanti e il 12% circa per residui più pesanti. Ingegneria petrolifera L’industria petrolifera si avvale del lavoro di numerosi specialisti, che coprono quasi tutti i campi della scienza e dell’ingegneria. L’équipe che effettua l’esplorazione comprende geologi specializzati nei rilevamenti di superficie, impegnati nel ricostruire la configurazione dei vari strati sedimentari del sottosuolo allo scopo di trovare qualche indizio sull’eventuale presenza di trappole petrolifere.
I geologi studiano le “carote” prelevate durante le perforazioni e interpretano i dati trasmessi agli strumenti di registrazione installati in superficie dai dispositivi di raccolta dei dati elettrici, acustici e nucleari calati nel pozzo di trivellazione. I sismologi interpretano i segnali trasmessi in superficie dalle onde sonore propagate nella crosta terrestre. I geochimici studiano la trasformazione della materia organica e i metodi per rilevare e predire l’occorrenza di tale materia negli strati del sottosuolo. Per finire, fisici, chimici, biologi e matematici collaborano al lavoro di ricerca e sviluppo di sofisticate tecniche di esplorazione. Una volta scoperto un giacimento, gli ingegneri petroliferi si occupano della coltivazione. Generalmente essi si specializzano in un ambito di lavoro particolare, occupandosi della trivellazione e delle attrezzature di superficie, dell’analisi petrofisica e geologica del bacino petrolifero, della stima della riserva e della specificazione delle pratiche di coltivazione ottimali, oppure del controllo e sorveglianza della produzione.
L’ingegnere che si occupa della trivellazione supervisiona il programma in base al quale verrà trivellato un pozzo petrolifero in una determinata zona e specifica il tipo di fango da usare, il modo in cui nel pozzo di trivellazione dovrà essere inserita la tubazione di rivestimento in acciaio che servirà a isolare gli strati produttivi da tutti gli altri strati del sottosuolo e infine il modo in cui gli strati produttivi saranno coltivati. Un altro ingegnere generalmente si occupa del progetto e della realizzazione delle attrezzature da installare in superficie, che comprendono le pompe, gli impianti di misurazione del giacimento, gli impianti di raccolta del petrolio coltivato e di separazione del gas, gli impianti di riempimento dei serbatoi e di disidratazione e infine le attrezzature di recupero secondario.
L’ingegnere petrofisico e i geologi, dopo aver interpretato i dati forniti dall’analisi delle carote e dai vari dispositivi di raccolta dati, mettono a punto la descrizione della roccia del bacino e della sua permeabilità, porosità e continuità. L’ingegnere che si occupa della coltivazione vera e propria quindi stabilisce la disposizione e il numero dei pozzi che dovranno essere trivellati, i ritmi di produzione che potranno permettere un recupero ottimale e la necessità di eventuali tecniche di recupero secondarie. Egli cerca inoltre di determinare la produttività e le percentuali di recupero massime che possono essere ottenute dal giacimento in termini di tempo, costi operativi e valore del petrolio greggio estratto.
L’ingegnere della produzione infine effettua il monitoraggio dei pozzi, consigliando e attuando interventi correttivi come: la fratturazione, l’acidificazione, l’approfondimento, la regolazione dei rapporti tra gas e petrolio o tra acqua e petrolio e qualsiasi altro intervento che migliori il rendimento economico del giacimento. Volumi di produzione e riserve Il petrolio greggio è forse la materia prima più utile e più versatile in assoluto. Verso la metà degli anni Ottanta nel mondo si producevano 53,4 milioni di barili al giorno; l’Unione Sovietica era il maggiore produttore mondiale di petrolio, con circa 11,8 barili al giorno, seguita dagli Stati Uniti e dall’Arabia Saudita.
Le
riserve petrolifere mondiali
Le riserve mondiali di greggio, cioè la quantità di petrolio che gli
esperti sono certi di essere in grado di estrarre dal sottosuolo con
tecniche redditizie,
ammontano a circa 700 miliardi di barili, di cui 360 miliardi si
trovano in Medio Oriente.
Nei prossimi anni saranno scoperti nuovi giacimenti e tecnologie
sempre più sofisticate
permetteranno di incrementare la percentuale di petrolio estratta dalle riserve
già note. Le riserve saranno in ogni caso sufficienti per soddisfare i fabbisogni
energetici dell’umanità fino ai primi decenni del XXI secolo; gli esperti sono
ancora scettici riguardo alla possibilità che le scoperte di altri giacimenti
e le invenzioni future possano permettere di superare di molto tale periodo.Le riserve disponibili e le proiezioni per l’avvenire suggeriscono che in futuro l’umanità avrà bisogno di fonti di energia alternative. Le opportunità di cui disponiamo tuttavia sono assai limitate, se pensiamo all’ingente fabbisogno energetico che caratterizza le società industrializzate. Gli esperimenti relativi alla raffinazione dell’argillite petrolifera e alla produzione di petrolio sintetico non hanno dato i risultati sperati e rimangono seri dubbi riguardo la competitività dei costi e dei volumi di produzione che si possono ottenere da queste fonti energetiche potenzialmente nuove. Le potenzialità e i problemi sollevati dall’impiego di fonti energetiche alternative come l’energia solare e l’energia nucleare sono trattati nelle voci specifiche. Allo stato attuale l’unico combustibile alternativo che può essere capace di soddisfare l’enorme fabbisogno energetico della società moderna è il carbone, disponibile in tutto il mondo in quantità relativamente abbondanti.
