Utilizzo del carbone come fonte di energia

1. I. ENERGIA E TRASPORTI Risorse energetiche Utilizzo del carbone come fonte di energia A partire dal 1890 negli USA il carbone sostituì il legno come principale fonte di energia. La prima centrale elettrica a carbone fu costruita nel 1882, producendo vapore che faceva ruotare un generatore per creare elettricità. Nel 1884, Charles Parsons mise a punto la più efficiente turbina a vapore ad alta velocità. A partire dagli Anni ‘20, il carbone in polvere aumentò il rendimento, riducendo l'aria necessaria per la combustione. Nel 1940 il forno a ciclone utilizzando carbone più povero, ridusse la produzione di cenere. Recentemente la tecnologia chimica ha sviluppato la combustione di culmo (materiale di scarto nell’estrazione del carbone) che produce più energia, riducendo l’impatto ambientale. Charles Parsons Parsons’ Steam turbine (1907) Scoperta del petrolio e produzione Nel 1901, la scoperta dell’enorme giacimento di petrolio di Spindletop in Texas e la comparsa dell'automobile aumentò l’utilizzo del petrolio rispetto al carbone quale fonte principale di energia a partire dal 1951. La tecnologia chimica per la raffinazione di petrolio greggio per separare le diverse particelle chimiche è stata costantemente migliorata, a partire dalla semplice distillazione atmosferica arrivando alla distillazione sotto vuoto (a pressione ridotta), al crack termico e all'uso di catalizzatori. Per il processo di recupero del greggio originario, l’intervento della chimica è evidente soprattutto nel processo di perforazione con punte di diamante, nei fanghi di perforazione, e nell’estrazione dell’olio di scisto usando una combinazione di sostanze chimiche e vapore. I processi di recupero secondario comprendono il pompaggio di gas ad alta pressione (anidride carbonica) o soluzioni di acqua all'interno del terreno. Energia nucleare Nel 1942 fu sviluppato il primo reattore nucleare ad uso militare. Nel 1951 con il Programma Atomi per Pace del Presidente Eisenhower ebbe inizio l'applicazione della tecnologia nucleare a scopi pacifici, e quindi anche la produzione di energia elettrica. La chimica ha giocato un ruolo fondamentale sin d'allora, producendo i materiali radioattivi usati come combustibile nei reattori, le barre di regolazione del reattore che regolano il flusso di neutroni dal decadimento radioattivo, il riprocessamento delle barre di combustibile esaurito, gestione dei rifiuti, la protezione ambientale e minimizzando gli effetti dannosi dell'esposizione alle radiazioni. Fonti di energia alternative I metodi verdi per la produzione di energia, come l’eolico, l’idroelettrico ed il geotermico, rappresentano meno dell'uno per cento sul totale della produzione di energia mondiale, tuttavia giocano un ruolo importante e crescente ,sia per la disponibilità che per l'economia. Grazie al contributo della chimica, sono stati creati i pannelli solari per la produzione di energia termica e fotovoltaica, eliche leggere in fibra di carbonio per l’energia eolica, calcestruzzo e turbine di metallo per gli impianti idroelettrici e materiali resistenti alla corrosione per lo sfruttamento delle fonti geotermiche.

2. I. ENERGIA E TRASPORTO I.2. Accumulo di energia elettrica e fonti portatili di energia Batterie usa e getta L'accumulo di energia elettrica fu sviluppato da Alessandro Volta nella seconda metà del ‘700 e la chimica ha contribuito successivamente al miglioramento dell’energia della pila. La pila a secco zinco-carbone del 1890 fu migliorata rispetto al prototipo antecedente di Leclanchè. Commercializzata per l'uso nelle torce elettriche è ancora oggi in uso. Nel 1949, una nuova pasta gelatinosa alcalina ne migliorò la durata e ne permise la miniaturizzazione. Questa batteria alcalina trovò rapidamente numerose applicazioni nei dispositivi elettronici portatili e negli apparecchi fotografici. Da allora, modelli di batterie sempre più innovativi, hanno intrapreso l’utilizzo di ossido di argento, ossido di mercurio o litio. Pila a seccozinco-carbone Batterie ricaricabili Nel 1859 la batteria ricaricabile al piombo acido costituì uno dei primi esempi commerciali dell’uso di una reazione chimica controllata per produrre elettricità. Perfezionate nel 1881 e da allora continuamente migliorate, la batteria al piombo acido continua ad essere il tipo di batteria più usata per le automobili e i camion. La batteria ricaricabile al nichel-cadmio, prodotta per la prima volta nel 1899, era troppo costosa per competere commercialmente. Le innovazioni moderne si sono concentrate sul litio. Dopo un tentativo fallito negli anni ’80 di utilizzare il litio metallico, oggi le batterie agli ioni di litio sono le più comuni, usate per i telefoni cellulari e i computer portatili. Batterie ricaricabili

3. I. ENERGY AND TRANSPORTATION I.3. Materiali per Ferrovie e Ponti Calcestruzzo Negli Stati Uniti l’ intensa costruzione federale del 1950 dipese in larga misura dalla resistenza e dalla durata del calcestruzzo usato per la costruzione di strade e ponti. Il cemento di Portland, prodotto per la prima volta nel 1824 e brevettato come ‘cemento armato’ dal francese Josep Monier nel 1877,si fissa lentamente grazie ad una reazione chimica complessa nella quale la pasta di cemento riempie i vuoti tra il particolato e gli altri rinforzi. La durata e la forza dipendono da un attento controllo del processo di fabbricazione del cemento. L’aggiunta di differenti sostanze chimiche alla miscela di calcestruzzo iniziale può ridurne la contrazione e aumentare la resistenza alla corrosione. Asfalto L'asfalto è un materiale comune per la costruzione delle strade grazie a costi e prestazioni vantaggiosi. L'asfalto naturale fu scoperto nel 1595 ma non era legato con catrame minerale e fu utilizzato per pavimentare le strade sin dal 1902. Il bitume, il residuo solido o semi-solido del processo di raffinazione del petrolio, rapidamente rimpiazzò l'asfalto naturale nella pavimentazione delle strade. Recentemente sono stati aggiunti polimeri sintetici per arricchirne il rendimento e la durata. “Superpave” (un acronimo per Superior Performing Asphalt Pavements), rappresenta l'ultima tecnica per produrre asfalto di qualità migliore che può resistere a carichi pesanti e ad avverse condizioni atmosferiche. Metalli e leghe L'acciaio è diventato il materiale strutturale principale per la costruzione di ponti grazie al suo peso leggero, resistenza, durabilità, facilità di mantenimento e costruzione, bassi costi di montaggio e resistenza a calamità naturali come terremoti. Nuovi tipi di acciaio ad alte prestazioni introdotti negli Anni ‘90 hanno forza superiore e resistenza alla corrosione. Un' altra tecnologia per proteggere l'acciaio nella costruzione di ponti è un processo conosciuto come metallizzazione e consiste nello spruzzare alluminio o zinco sulla superficie pulita dell'acciaio per formare un rivestimento protettivo che dura 30 anni. Tecnologie per la manutenzione e la ristrutturazione Le infrastrutture stradali si devono mantenere senza alterazioni significative in qualsiasi condizione climatica e per un lungo periodo di tempo. L'innovazione nei materiali di costruzione e di mantenimento ha permesso periodi di tempo più lunghi nel rifacimento delle strade. Sigillanti per calcestruzzo, asfalto e acciaio sono importanti per prolungare la durata delle strade. Altri materiali chimici e polimerici funzionano come additivi leganti per migliorare le prestazioni delle strade asfaltate. Per esempio, stirene-butadiene-stirene portano a diminuire i processi di “rutting” e di fessurazioni.

4. I. ENERGIA E TRASPORTI I.4. Combustibili petrolchimic Produzione di benzina dal greggio Per migliorare l'estrazione della benzina dal petrolio greggio le raffinerie inizialmente utilizzavano il calore per rompere le molecole più pesanti del greggio in molecole più piccole che si trovano nella benzina usando un processo chiamato cracking termico (1913). Dal momento che anche le alte temperature portano alla formazione di prodotti in eccesso, dal 1928 si utilizzarono processi di distillazione sottovuoto che operavano a basse temperature. L'uso di un catalizzatore inerte (cracking catalitico) piuttosto che alte temperature per ottenere il cracking è stato sviluppato da Eugene Houndry nel 1936, introdotto commercialmente nel 1937 e rapidamente ha rivoluzionato il processo di raffinamento della benzina. Raffineria di petrolio Additivi per carburanti I primi motori automobilistici "battevano in testa" ogni volta che veniva usata benzina di scarsa qualità. Nel 1921 venne aggiunto il piombo tetraetile alla benzina per fare in modo che i motori girassero in modo più regolare e silenzioso. Dal 1926 venne introdotto una valutazione in termini di numero di ottani per misurare la qualità della benzina (tolleranza di compressione). L'uso di additivi di piombo fu soppresso nel 1970 per l’ impatto ambientale. Oggi, piccole quantità di sostanze chimiche (alcoli, eteri) vengono aggiunte alla benzina per migliorare il numero di ottani, migliorare le prestazioni (disattivatori di metalli) e ridurre la frizione del motore e l'usura in modo da estenderne la vita (detergenti). In alcune zone per motivi geografici vengono usati additivi chimici stagionali, ad esempio il metanolo per prevenire il congelamento del carburante. Marmitte catalitiche Le marmitte catalitiche a due vie sono state introdotte nel 1975 per controllare le emissioni di monossido di carbonio e idrocarburi. Presto una terza via è stata aggiunta per pulire gli ossidi di azoto dall’esausto. I convertitori catalitici funzionano causando una serie di reazioni chimiche che avvengono intorno al metallo, di solito catalizzatore al platino. Gli ossidi di azoto vengono convertiti in azoto e ossigeno gassosi, il monossido di carbonio viene convertito in biossido di carbonio e gli idrocarburi non combusti vengono convertiti in acqua e anidride carbonica. Three stage catalytic converter

5. I. ENERGY AND TRANSPORTATION I.5 Autoveicoli Materiali all’avanguardia per il design, il confort e la sicurezza L’automobile del XXI secolo ha poca somiglianza rispetto ai modelli precedenti per quanto riguarda il design, il confort e la sicurezza dei passeggeri. I fari ad alta intensità permettono la massima illuminazione durante la notte. La corrosione è stata drasticamente ridotta da rivestimenti e materiali speciali. I refrigeranti chimici circolano in sistemi chiusi. Nel 1914 è stato introdotto il vetro di sicurezza. Oggi, polimeri speciali che ricoprono il rivestimento del vetro ne riducono il peso e il rumore esterno, proteggendo inoltre dai riflessi e dalle radiazioni ultraviolette. Le innovazioni nella sicurezza includono fibre polimeriche nelle cinture di sicurezza (richieste negli anni 60) e negli air-bag (richiesti nel 1996). Componenti plastici La riduzione del peso delle automobili nel passaggio dal metallo alla plastica e la scoperta di nuovi materiali ad alte prestazioni, è stato reso possibile grazie alle conquiste in campo chimico. Dopo la seconda Guerra Mondiale, le industrie automobilistiche iniziarono ad utilizzare polimeri sintetici del petrolio per i componenti strutturali rigidi in particolare per la loro resistenza, durezza e resistenza alle condizioni climatiche. Dopo la crisi energetica degli anni ‘70 furono pensate alternative di alleggerimento dei metalli in modo da aumentare l’efficienza del combustibile. Le applicazioni nel design includono: forme più complesse fabbricate mediante stampi ad iniezione, paraurti termoplastici, fibre di polipropilene che non sbiadiscono e sono resistenti ai raggi UV e vernici speciali, rivestimenti e adesivi. Fibre di polipropilene Tecnologiadel pneumatico I prodotti di gomma naturale sono stati ideati nei primi anni del 1800, ma erano inattuabili a causa dell' eccessivo ammorbidimento o dell’eccessiva fragilità nei climi caldi e freddi. Un inventore americano Charles Goodyear sviluppò il processo di vulcanizzazione della gomma naturale nel 1839, creando legami insaturi con lo zolfo. Questo processo basico è ancora usato con l’uso di additivi chimici acceleranti e stabilizzanti. Dal 1945 la gomma sintetica iniziò ad essere commercializzata. Poiché la domanda di pneumatici aumentò, furono introdotti altri miglioramenti, incluso una camera d'aria per sostituire i pneumatici in gomma piena, rinforzati con filati a trama robusta naturali o sintetici, aggiunta di materiali per ridurre l'usura ed il debutto di pneumatici senza camera d'aria.

6. I. ENERGIA E TRASPORTI I.6 Aeronautica Mongolfiere Dal 1783, quando il primo essere umano volò in mongolfiera a propulsione , pallone spinto da aria riscaldata da fiamma libera, le innovazioni nelle mongolfiere sono state rivoluzionarie. L'aria calda fu rapidamente sostituita da idrogeno, più facile da controllare. La mongolfiera divenne uno sport popolare con più di 5.000 piloti negli Stati Uniti. La chimica ha contribuito a creare la tela di nylon ad alta durata, economica e ad alta resistenza così come la tecnologia del propano liquido usato per la propulsione. Elio Sebbene le mongolfiere alimentate ad idrogeno, così come l’impopolare Hindenburg (1937), avessero strutture rigide, l’infiammabilità dell’idrogeno spesso costituiva un rischio per la sicurezza.Nel 1905, due chimici scoprirono l’elio naturale in un pozzo di gas nel Kansas e questo raro elemento divenne rapidamente abbondante.Durante la Prima Guerra Mondiale la tecnologia chimica estraeva, immagazzinava e spediva grandi quantità di elio. Nella seconda Guerra Mondiale, i dirigibili ad elio scortarono in modo sicuro il trasporto di truppe e navi da appoggio circondate dai sottomarini. Negli anni ‘50 l’elio fu usato come atmosfera di saldatura durante la costruzione dei razzi e come propellente che spingeva il carburante ai motori del razzo. Il disastro Hindenburg Combustibili per razzi Dai primi razzi di prova lanciati nel 1920, ai satelliti di comunicazione del 1950, allo Space Shuttle riutilizzabile del 1980, l’espansione dell’uomo nello spazio è una stupefacente impresa di ingegneria. Il successo dei viaggi nello spazio dipende dal fatto che i razzi posseggono una spinta ad alta velocità per superare la forza gravitazionale della terra. Il primo razzo fu lanciato nel 1926 usando un carburante liquido a benzina e ossigeno liquido ossidante. Successivamente sono stati usati diversi carburanti e ossidanti sia in forma solida che liquida. Lo Space Shuttle usa idrogeno liquido come carburante, ma per l’avvio dei motori usa un carburante solido di alluminio e perclorato di ammonio come ossidante/legante. Materiali per la costruzione di aerei e razzi Essendosi evoluta la progettazione degli aerei dal legno e tela ai sofisticati materiali ingegneristici, la tecnologia chimica ha fornito materiali capaci di soddisfare i requisiti di progettazione. Sono state sviluppate leghe metalliche che utilizzano alluminio e titanio per fornire robustezza, leggerezza, stabilità alle alte temperature e resistenza alla corrosione degli aerei.I razzi necessitano di materiali speciali a causa delle condizioni estreme in cui devono operare. Un esempio è un piastrella speciale posta in posizioni strategiche che protegge lo Space Shuttle (negli Anni ‘80) dalle alte temperature che si registrano al rientro. Dopo che fu provato un insolito materiale composito di zirconio, il progetto definitivo per le piastrelle vennnero usate fibre di silicio derivate da sabbia comune.