Il gas naturale è un combustibile fossile. Come altri combustibili fossili come il carbone e il petrolio, il gas naturale si forma da piante, animali e microrganismi che vivevano milioni di anni fa.
Ci sono diverse teorie per spiegare come si formano i combustibili fossili. La teoria più diffusa è che si formano nel sottosuolo, in condizioni intense. Man mano che piante, animali e microrganismi si decompongono, vengono gradualmente coperti da strati di terra, sedimenti e talvolta roccia. Nel corso di milioni di anni, la materia organica viene compressa. Man mano che la materia organica si sposta più in profondità nella crosta terrestre, incontra temperature sempre più alte.
La combinazione di compressione e alta temperatura causa la rottura dei legami di carbonio nella materia organica. Questa rottura molecolare produce il gas naturale metano termogenico. Il metano, probabilmente il composto organico più abbondante sulla Terra, è fatto di carbonio e idrogeno (CH4). I depositi di gas naturale vicino alla superficie terrestre sono di solito superati dai vicini depositi di petrolio. I depositi più profondi, formati a temperature più alte e sotto una maggiore pressione, hanno più gas naturale che petrolio. I depositi più profondi possono essere costituiti da gas naturale puro.
Il gas naturale non deve necessariamente formarsi in profondità nel sottosuolo, comunque. Può anche essere formato da piccoli microrganismi chiamati metanogeni. I metanogeni vivono nell’intestino degli animali (compreso l’uomo) e in aree a basso contenuto di ossigeno vicino alla superficie della Terra. Le discariche, per esempio, sono piene di materia in decomposizione che i metanogeni scompongono in un tipo di metano chiamato metano biogenico. Il processo dei metanogeni che creano gas naturale (metano) è chiamato metanogenesi.
Anche se la maggior parte del metano biogenico sfugge nell’atmosfera, ci sono nuove tecnologie create per contenere e raccogliere questa potenziale fonte di energia.
Anche il metano termogenico – il gas naturale formato in profondità sotto la superficie terrestre – può sfuggire nell’atmosfera. Una parte del gas è in grado di salire attraverso la materia permeabile, come la roccia porosa, e alla fine si disperde nell’atmosfera.
Tuttavia, la maggior parte del metano termogenico che sale verso la superficie incontra formazioni geologiche che sono troppo impermeabili per la sua fuga. Queste formazioni rocciose sono chiamate bacini sedimentari.
I bacini sedimentari intrappolano enormi serbatoi di gas naturale. Per accedere a questi serbatoi di gas naturale, un foro (a volte chiamato pozzo) deve essere praticato attraverso la roccia per permettere al gas di fuoriuscire ed essere raccolto.
I bacini sedimentari ricchi di gas naturale si trovano in tutto il mondo. I deserti dell’Arabia Saudita, i tropici umidi del Venezuela e il gelido Artico dello stato americano dell’Alaska sono tutte fonti di gas naturale. Negli Stati Uniti, al di fuori dell’Alaska, i bacini sono principalmente intorno agli stati che confinano con il Golfo del Messico, compresi Texas e Louisiana. Recentemente, gli stati settentrionali del Nord Dakota, Sud Dakota e Montana hanno sviluppato importanti impianti di perforazione nei bacini sedimentari.
Tipi di gas naturale
Il gas naturale economico da estrarre e facilmente accessibile è considerato “convenzionale”. Il gas convenzionale è intrappolato in materiale permeabile sotto la roccia impermeabile.
Il gas naturale trovato in altri contesti geologici non è sempre così facile o pratico da estrarre. Questo gas è chiamato “non convenzionale”. Si sviluppano sempre nuove tecnologie e processi per rendere questo gas non convenzionale più accessibile ed economicamente redditizio. Col tempo, il gas che era considerato “non convenzionale” può diventare convenzionale.
Il biogas è un tipo di gas che viene prodotto quando la materia organica si decompone senza la presenza di ossigeno. Questo processo è chiamato decomposizione anaerobica e avviene nelle discariche o dove materiale organico come rifiuti animali, liquami o sottoprodotti industriali sono in decomposizione.
Il biogas è materia biologica che proviene da piante o animali, che possono essere viventi o non viventi. Questo materiale, come i residui forestali, può essere bruciato per creare una fonte di energia rinnovabile.
Il biogas contiene meno metano del gas naturale, ma può essere raffinato e usato come fonte di energia.
Gas naturale profondo
Il gas naturale profondo è un gas non convenzionale. Mentre la maggior parte del gas convenzionale può essere trovato a poche migliaia di metri di profondità, il gas naturale profondo si trova in depositi di almeno 4.500 metri sotto la superficie della Terra. La trivellazione per il gas naturale profondo non è sempre economicamente pratica, anche se le tecniche per estrarlo sono state sviluppate e migliorate.
Scisti
Il gas di scisto è un altro tipo di deposito non convenzionale. Lo scisto è una roccia sedimentaria a grana fine che non si disintegra in acqua. Alcuni scienziati dicono che lo scisto è così impermeabile che il marmo è considerato “spugnoso” in confronto. Spessi fogli di questa roccia impermeabile possono “mettere a sandwich” uno strato di gas naturale tra di loro.
Il gas di scisto è considerato una fonte non convenzionale a causa dei difficili processi necessari per accedervi: fratturazione idraulica (nota anche come fracking) e perforazione orizzontale. Il fracking è una procedura che spacca la roccia con un flusso d’acqua ad alta pressione, e poi la “puntella” con minuscoli granelli di sabbia, vetro o silice. Questo permette al gas di fluire più liberamente fuori dal pozzo. La perforazione orizzontale è un processo che consiste nel perforare direttamente nel terreno, per poi perforare lateralmente, o parallelamente, alla superficie terrestre.
Gas stretto
Il gas stretto è un gas naturale non convenzionale intrappolato nel sottosuolo in una formazione rocciosa impermeabile che lo rende estremamente difficile da estrarre. Estrarre il gas da formazioni rocciose “strette” richiede di solito metodi costosi e difficili, come il fracking e l’acidificazione.
L’acidificazione è simile al fracking. Un acido (di solito acido cloridrico) viene iniettato nel pozzo di gas naturale. L’acido dissolve la roccia compatta che blocca il flusso di gas.
Metano carbonifero
Il metano carbonifero è un altro tipo di gas naturale non convenzionale. Come implica il suo nome, il metano del letto di carbone si trova comunemente lungo fasce di carbone che corrono sottoterra. Storicamente, quando il carbone veniva estratto, il gas naturale veniva intenzionalmente scaricato fuori dalla miniera e nell’atmosfera come prodotto di scarto. Oggi, il metano del letto di carbone viene raccolto ed è una popolare fonte di energia.
Gas in zone geopressurizzate
Un’altra fonte di gas naturale non convenzionale sono le zone geopressurizzate. Le zone geopressurizzate si formano a 3.000-7.600 metri (10.000-25.000 piedi) sotto la superficie terrestre.
Queste zone si formano quando strati di argilla si accumulano rapidamente e si compattano sopra un materiale più poroso, come la sabbia o il limo. Poiché il gas naturale è forzato ad uscire dall’argilla compressa, si deposita sotto una pressione molto alta nella sabbia, nel limo o in altro materiale assorbente sottostante.
Le zone geopressurizzate sono molto difficili da estrarre, ma possono contenere una quantità molto alta di gas naturale. Negli Stati Uniti, la maggior parte delle zone geopressurizzate sono state trovate nella regione della Costa del Golfo.
Idrati di metano
Gli idrati di metano sono un altro tipo di gas naturale non convenzionale. Gli idrati di metano sono stati scoperti solo recentemente nei sedimenti oceanici e nelle zone permafrost dell’Artico. Gli idrati di metano si formano a basse temperature (circa 0°C) e sotto alta pressione. Quando le condizioni ambientali cambiano, gli idrati di metano vengono rilasciati nell’atmosfera.
Lo United States Geological Survey (USGS) stima che gli idrati di metano potrebbero contenere il doppio della quantità di carbonio di tutto il carbone, il petrolio e il gas naturale convenzionale nel mondo, messi insieme.
Nei sedimenti oceanici, gli idrati di metano si formano sulla scarpata continentale quando batteri e altri microrganismi affondano sul fondo dell’oceano e si decompongono nel limo. Il metano, intrappolato nei sedimenti, ha la capacità di “cementare” i sedimenti sciolti e mantenere stabile la piattaforma continentale. Tuttavia, se l’acqua diventa più calda, gli idrati di metano si rompono. Questo provoca frane sottomarine e rilascia gas naturale.
Negli ecosistemi di permafrost, gli idrati di metano si formano quando i corpi d’acqua si congelano e le molecole d’acqua creano “gabbie” individuali intorno ad ogni molecola di metano. Il gas, intrappolato in un reticolo di acqua congelata, è contenuto ad una densità molto più alta di quella che avrebbe nel suo stato gassoso. Quando le gabbie di ghiaccio si scongelano, il metano fuoriesce.
Il riscaldamento globale, l’attuale periodo di cambiamento climatico, influenza il rilascio di idrati di metano sia dal permafrost che dagli strati di sedimenti oceanici.
C’è una grande quantità di energia potenziale immagazzinata negli idrati di metano. Tuttavia, poiché si tratta di formazioni geologiche così fragili – capaci di rompersi e di sconvolgere le condizioni ambientali che le circondano – i metodi per estrarli sono sviluppati con estrema cautela.
Scavo e trasporto
Il gas naturale si misura in metri cubi normali o piedi cubi standard. Nel 2009, la United States Energy Information Administration (EIA) ha stimato che le riserve mondiali di gas naturale accertate sono circa 6.289 trilioni di piedi cubi (tcf).
La maggior parte delle riserve sono in Medio Oriente, con 2.686 tcf nel 2011, o il 40% delle riserve mondiali totali. La Russia ha la seconda più alta quantità di riserve provate, con 1.680 tcf nel 2011. Gli Stati Uniti contengono poco più del 4 per cento delle riserve mondiali di gas naturale. <
Secondo l’EIA, il consumo totale mondiale di gas naturale secco nel 2010 è stato di 112.920 miliardi di piedi cubi (bcf). Quell’anno, gli Stati Uniti hanno consumato poco più di 24.000 bcf, il più di ogni altra nazione.
Il gas naturale è più comunemente estratto perforando verticalmente dalla superficie terrestre. Da una singola perforazione verticale, il pozzo è limitato alle riserve di gas che incontra.
La fratturazione idraulica, la perforazione orizzontale e l’acidificazione sono processi per espandere la quantità di gas a cui un pozzo può accedere, e quindi aumentare la sua produttività. Tuttavia, queste pratiche possono avere conseguenze ambientali negative.
La fratturazione idraulica, o fracking, è un processo che spacca formazioni rocciose aperte con flussi ad alta pressione di acqua, prodotti chimici e sabbia. La sabbia spinge le rocce ad aprirsi, il che permette al gas di uscire e di essere immagazzinato o trasportato. Tuttavia, il fracking richiede enormi quantità d’acqua, che possono ridurre radicalmente la falda acquifera di una zona e avere un impatto negativo sugli habitat acquatici. Il processo produce acque di scarico altamente tossiche e spesso radioattive che, se mal gestite, possono fuoriuscire e contaminare le fonti d’acqua sotterranee usate per bere, per l’igiene e per uso industriale e agricolo.
Inoltre, il fracking può causare microterremoti. La maggior parte di questi terremoti sono troppo piccoli per essere sentiti in superficie, ma alcuni geologi e ambientalisti avvertono che le scosse possono causare danni strutturali agli edifici o alle reti sotterranee di tubi e cavi.
A causa di questi effetti ambientali negativi, il fracking è stato criticato e vietato in alcune aree. In altre aree, il fracking è un’opportunità economica lucrativa e fornisce una fonte affidabile di energia.
La perforazione orizzontale è un modo di aumentare l’area di un pozzo senza creare più siti di perforazione costosi e sensibili all’ambiente. Dopo aver perforato direttamente dalla superficie terrestre, la perforazione può essere diretta per andare lateralmente – orizzontalmente. Questo amplia la produttività del pozzo senza richiedere più siti di perforazione in superficie.
L’acidificazione è un processo di dissoluzione di componenti acidi e il loro inserimento nel pozzo di gas naturale, che dissolve la roccia che può bloccare il flusso di gas.
Dopo essere stato estratto, il gas naturale viene più frequentemente trasportato attraverso dei gasdotti che possono avere un diametro da 2 a 60 pollici.
Gli Stati Uniti continentali hanno più di 210 sistemi di gasdotti che sono costituiti da 490.850 chilometri (305.000 miglia) di gasdotti di trasmissione che trasferiscono il gas a tutti i 48 stati. Questo sistema richiede più di 1.400 stazioni di compressione per assicurare che il gas continui il suo percorso, 400 impianti di stoccaggio sotterraneo, 11.000 posti per consegnare il gas e 5.000 posti per riceverlo.
Il gas naturale può anche essere raffreddato a circa -162°C (-260°F) e convertito in gas naturale liquefatto, o LNG. In forma liquida, il gas naturale occupa solo 1/600 del volume del suo stato gassoso. Può essere facilmente immagazzinato e trasportato in luoghi che non hanno condutture.
Il GNL è trasportato da una speciale cisterna isolata, che mantiene il GNL al suo punto di ebollizione. Se il GNL si vaporizza, viene espulso dall’area di stoccaggio e utilizzato per alimentare la nave di trasporto. Gli Stati Uniti importano GNL da altri paesi, tra cui Trinidad e Tobago e il Qatar. Tuttavia, gli Stati Uniti stanno attualmente aumentando la loro produzione interna di GNL.
Consumo di gas naturale
Anche se il gas naturale impiega milioni di anni per svilupparsi, la sua energia è stata sfruttata solo negli ultimi mille anni. Intorno al 500 a.C., gli ingegneri cinesi fecero uso del gas naturale che sgorgava dalla terra costruendo dei tubi di bambù. Questi tubi trasportavano il gas per riscaldare l’acqua. Alla fine del 1700, le compagnie britanniche fornirono il gas naturale per illuminare i lampioni e le case.
Oggi, il gas naturale è usato in innumerevoli modi per scopi industriali, commerciali, residenziali e di trasporto. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) stima che il gas naturale può essere fino al 68% meno costoso dell’elettricità.
Nelle case residenziali, l’uso più popolare del gas naturale è il riscaldamento e la cottura. Viene usato per alimentare elettrodomestici come stufe, condizionatori d’aria, riscaldatori di ambienti, luci esterne, riscaldatori di garage e asciugatrici.
Il gas naturale viene usato anche su una scala più ampia. In ambienti commerciali, come ristoranti e centri commerciali, è un modo estremamente efficiente ed economico per alimentare scaldabagni, riscaldatori, asciugatrici e stufe.
Il gas naturale è usato per riscaldare, raffreddare e cucinare anche in ambienti industriali. Tuttavia, è anche usato in una varietà di processi come il trattamento dei rifiuti, la lavorazione degli alimenti e la raffinazione di metalli, pietra, argilla e petrolio.
Il gas naturale può anche essere usato come carburante alternativo per automobili, autobus, camion e altri veicoli. Attualmente, ci sono più di 5 milioni di veicoli a gas naturale (NGV) in tutto il mondo, e più di 150.000 negli Stati Uniti.
Anche se i NGV inizialmente costano di più dei veicoli a gas, sono più economici da rifornire e sono i veicoli più puliti del mondo. I veicoli a benzina e diesel emettono sostanze nocive e tossiche tra cui arsenico, nichel e ossidi di azoto. Al contrario, i NGV possono emettere quantità minime di propano o butano, ma rilasciano il 70% in meno di monossido di carbonio nell’atmosfera.
Utilizzando la nuova tecnologia delle celle a combustibile, l’energia del gas naturale è usata anche per generare elettricità. Invece di bruciare il gas naturale per l’energia, le celle a combustibile generano elettricità con reazioni elettrochimiche. Queste reazioni producono acqua, calore ed elettricità senza altri sottoprodotti o emissioni. Gli scienziati stanno ancora ricercando questo metodo di produzione dell’elettricità per poterlo applicare in modo accessibile ai prodotti elettrici.
Il gas naturale e l’ambiente
Il gas naturale di solito ha bisogno di essere trattato prima di poter essere usato. Quando viene estratto, il gas naturale può contenere una varietà di elementi e composti diversi dal metano. Acqua, etano, butano, propano, pentani, solfuro di idrogeno, anidride carbonica, vapore acqueo e occasionalmente elio e azoto possono essere presenti in un pozzo di gas naturale. Per essere utilizzato per l’energia, il metano viene trattato e separato dagli altri componenti. Il gas che viene usato per l’energia nelle nostre case è metano quasi puro.
Come altri combustibili fossili, il gas naturale può essere bruciato per l’energia. Infatti, è il combustibile più pulito, cioè rilascia pochissimi sottoprodotti.
Quando i combustibili fossili vengono bruciati, possono rilasciare (o emettere) diversi elementi, composti e particelle solide. Il carbone e il petrolio sono combustibili fossili con formazioni molecolari molto complesse e contengono un’alta quantità di carbonio, azoto e zolfo. Quando vengono bruciati, rilasciano elevate quantità di emissioni nocive, tra cui ossidi di azoto, anidride solforosa e particelle che vanno alla deriva nell’atmosfera e contribuiscono all’inquinamento atmosferico.
Al contrario, il metano nel gas naturale ha una composizione molecolare semplice: CH4. Quando viene bruciato, emette solo anidride carbonica e vapore acqueo. Gli esseri umani esalano gli stessi due componenti quando respirano.
L’anidride carbonica e il vapore acqueo, insieme ad altri gas come l’ozono e il protossido di azoto, sono noti come gas serra. La quantità crescente di gas serra nell’atmosfera è legata al riscaldamento globale e potrebbe avere conseguenze ambientali disastrose.
Anche se la combustione del gas naturale emette ancora gas a effetto serra, emette quasi il 30% in meno di CO2 rispetto al petrolio e il 45% in meno di CO2 rispetto al carbone.
Sicurezza
Come ogni attività estrattiva, la perforazione per il gas naturale può portare a perdite. Se la trivella colpisce una sacca inaspettata di gas naturale ad alta pressione, o il pozzo è danneggiato o si rompe, la perdita può essere immediatamente pericolosa.
Perché il gas naturale si disperde così rapidamente nell’aria, non sempre causa un’esplosione o un incendio. Tuttavia, le perdite sono un pericolo per l’ambiente, in quanto rilasciano anche fango e petrolio nelle zone circostanti.
Se la fratturazione idraulica è stata usata per espandere un pozzo, le sostanze chimiche di quel processo possono contaminare gli habitat acquatici locali e l’acqua potabile con materiali altamente radioattivi. Il metano incontrollato rilasciato nell’aria può anche costringere la gente ad evacuare temporaneamente la zona.
Le perdite possono anche verificarsi lentamente nel tempo. Fino agli anni ’50, la ghisa era una scelta popolare per le condutture di distribuzione, ma permette la fuoriuscita di un’elevata quantità di gas naturale. I tubi di ghisa diventano difettosi dopo anni di cicli di gelo-disgelo, di traffico pesante sopraelevato e di tensioni dovute allo spostamento naturale del terreno. Le perdite di metano da queste condutture di distribuzione costituiscono più del 30% delle emissioni di metano nel settore della distribuzione del gas naturale negli Stati Uniti. Oggi le condutture sono fatte di una varietà di metalli e plastiche per ridurre le perdite.