2.1. Τα ορυκτά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο και γαιάνθρακας)

Ο γαιάνθρακας, το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο είναι τα τρία βασικά είδη ορυκτών καυσίμων – μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας που έχουν σχηματιστεί από τα οργανικά υπολείμματα φυτών και ζώων, θαμμένων στη γη κατά τη διάρκεια εκατομμυρίων ετών. Τα ορυκτά καύσιμα αποτελούνται κυρίως από τα στοιχεία άνθρακας και υδρογόνο. Η διαδικασία της καύσης στην ουσία είναι χημική αντίδραση με το οξυγόνο που περιέχεται στη σύνθεση του αέρα. Το βασικό μέρος του άνθρακα αντιδρά με το οξυγόνο (O) και σχηματίζει CO₂, ενώ όταν το υδρογόνο (H) συνενωθεί με οξυγόνο, δημιουργείται υδρατμός. Το CO₂ που απελευθερώνεται είναι η αιτία για το φαινόμενο του θερμοκηπίου.

Ο γαιάνθρακας αποτελεί στερεό καύσιμο, το οποίο περιέχει οργανικές ενώσεις και μικρές ποσότητες ανόργανων ουσιών. Υπάρχουν τέσσερα βασικά είδη γαιάνθρακα που διαφέρουν για την θερμαντική τους αξία, τη χημική σύσταση, την περιεκτικότητα σε τέφρα και την γεωλογική τους προέλευση. Τα τέσσερα είδη του γαιάνθρακα είναι ο ανθρακίτης, ο λιθάνθρακας, ο λιγνίτης και η τύρφη. Κατά την καύση του άνθρακα εκπέμπεται μια σειρά επικίνδυνων ρύπων. Οι βασικοί τους είναι: SO₂, οξείδια του αζώτου (NOx), οξείδιο του άνθρακα (CO), σωματίδια, υδρογονάνθρακες, όζον (O₃), πτητικές οργανικές ουσίες, τοξικά μέταλλα και μεταλλοειδή (κάδμιο (Cd), αρσενικό (As), νικέλιο (Ni), χρώμιο (Cr) και βηρύλλιο (Be)). Οι ρύποι, οι οποίοι εκπέμπονται κατά την καύση του γαιάνθρακα συνδέονται με τα οικολογικά προβλήματα που απορρέουν από τις όξινες βροχές, το αστικό όζον και τα παγκόσμια κλιματικά προβλήματα. Τα άκαυστα ανόργανα συστατικά του γαιάνθρακα διαιρούνται σε τέφρα κλιβάνου και πτητική τέφρα. Κατά την καύση αυτών των ορυκτών καυσίμων εκπέμπονται και καπναέρια.

Η τέφρα και η σκωρία κλιβάνου αποτελούνται κυρίως από διοξείδιο του πυριτίου, διοξείδιο του αλουμινίου και σίδηρο (Fe) και από μικρότερες ποσότητες ασβεστίου (Ca), μαγνησίου (Mg), θειικών αλάτων και άλλων ενώσεων. Λόγω της χαρακτηριστικής τους περιεκτικότητας σε άλατα και βαρέα μέταλλα, καθώς και σε μερικές περιπτώσεις του χαμηλού τους pH, αυτές οι ουσίες μπορούν να παρουσιάζουν διαβρωτικές και τοξικές ιδιότητες. Τα στοιχεία, στα οποία η τέφρα και η σκωρία κλιβάνου είναι πλούσιες, είναι το βάριο (Ba), βηρύλλιο (Be), κοβάλτιο (Co), μαγγάνιο (Mn), καίσιο (Cs), χαλκό (Cu), νικέλιο (Ni), στρόντιο (Sr), ταντάλιο (Ta), βανάδιο (V), βολφράμιο (W), ευρώπιο (Eu), άφνιο (Hf) και ζιρκόνιο (Zr), που συγκεντρώνονται εν μέρει βάσει της διανομής ανάλογα με την πυκνότητα. Τα οξείδια του πυριτίου (SiO), του αλουμινίου (Al), Fe και Ca συνιστούν πάνω από το 90% του ανόργανου περιεχομένου της τυπικής πτητικής τέφρας. Μικρότερη είναι η ποσότητα του Mg, καλίου (K), νατρίου (Na), τιτανίου (Ti) και θείου (S). Αυτά αποτελούν το 8% περίπου του ανόργανου περιεχομένου, ενώ τα μικροσυστατικά όπως As, Cd, μόλυβδος (Pb), μόλυβδος (Hg) και σελήνιο (Se) μαζί ανέρχονται στο 1% της συνολικής σύστασης του γαιάνθρακα. Τα καπναέρια από την καύση του γαιάνθρακα αποτελούνται κυρίως από άκαυτο άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα και υδρατμούς.

Η ανακάλυψη του αργού πετρελαίου στον 19^ο αιώνα προσέφερε μια φθηνή πηγή υγρών καυσίμων, η οποία συνέβαλε για την παγκόσμια βιομηχανοποίηση και για την άνοδο του βιοτικού επιπέδου. Η πετροχημική βιομηχανία είναι σημαντική πηγή επικίνδυνων οργανικών αποβλήτων που δημιουργούνται κατά την παραγωγή και την χρήση επικίνδυνων ουσιών. Η παραγωγή, η μεταφορά και η αποθήκευση αργού πετρελαίου αποτελούν βασική πηγή επικίνδυνων αποβλήτων, που συχνά είναι και συνέπεια παραγωγικών συμβάντων. Ανάμεσα στις βασικές αιτίες για την ρύπανση του περιβάλλοντος είναι η μόλυνση των γλυκών και των θαλάσσιων υδάτων από διαρροές πετρελαίου και συναφών προϊόντων, η μόλυνση του εδάφους και του υπεδάφους από διαρροές από αγωγούς ή δεξαμενές και η ρύπανση του αέρα ως αποτέλεσμα της καύσης πετρελαίου. Το βασικό προϊόν της πετροχημικής βιομηχανίας είναι η βενζίνη που συνίσταται από ~70% γραμμικούς και διακλαδισμένους αλειφατικούς υδρογονάνθρακες και από 30% αρωματικούς υδρογονάνθρακες όπως ξυλόλια, τολουόλιο, 2- και 3-μεθυλοβενζόλιο, αυθυλοβενζόλια, βενζόλιο κ.α. Ανάμεσα στις υπόλοιπες χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται σε μεγάλες ποσότητες κατά τη διαδικασία της χημικής σύνθεσης είναι η φορμαλδεΰδη, η μεθανόλη, το οξικό οξύ, το αιθυλένιο, τα πολυαιθυλένια, η αιθυλενογλυκόλη, το προπένιο, η προπυλενογλυκόλη, πολυπροπυλενογλυκόλες και αρωματικοί υδρογονάνθρακες όπως βενζόλιο, τολουόλιο, ξυλόλια, στυρένιο, ανιλίνη, φθαλικές ενώσεις, ναφθαλίνιο κ.α.

Το φυσικό αέριο είναι ένα εύφλεκτο μείγμα αέριων υδρογονανθράκων, το οποίο συγκεντρώνεται στα πορώδη ιζηματογενή πετρώματα, ιδιαίτερα σε εκείνα, από τα οποία παράγεται πετρέλαιο. Αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, αλλά περιέχει επίσης αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο και άλλους βαρύτερους υδρογονάνθρακες. Περιέχει σε μικρές ποσότητες και άζωτο (N), CO₂, υδρόθειο (H₂S) και νερό. Η ποσότητα των πιο τοξικών συστατικών (το προπάνιο και το βουτάνιο) στο μείγμα είναι περιορισμένη. Σοβαρή απειλή για το περιβάλλον αποτελεί η διαφυγή μεθανίου – σημαντικού παράγοντος για την παγκόσμια αναθέρμανση - κατά την γεώτρηση, την παραγωγή φυσικού αερίου από φρεάτια και την μεταφορά του δια αγωγών. Η καύση του είναι καθαρότερη σε σχέση με τα υπόλοιπα ορυκτά καύσιμα. Κατά την καύση φυσικού αερίου εκπέμπονται ασήμαντες ποσότητες S, Hg και σωματιδίων.