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E’ possibile togliere il carbonio dall’atmosfera. Il Carbon Capture and Storage

La cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS), noto anche come “cattura e sequestro del carbonio” o “controllo e sequestro del carbonio”, è il metodo per catturare la CO2 di scarto (biossido di carbonio) da grandi fonti puntuali; per esempio, impianti a combustibile fossile. L’anidride carbonica catturata viene quindi trasferita in uno spazio di stoccaggio e di solito si deposita in una formazione geologica sotterranea, da dove non entrerà nell’ambiente. Questo è un modo potenziale per ridurre il contributo delle emissioni di CO2 al processo di riscaldamento globale e di acidificazione degli oceani attraverso le industrie e il riscaldamento. È possibile che la combinazione di CCS e biomassa mostri emissioni nette negative.

Una recente dichiarazione dell’AIE e del gruppo ONU per il clima ha sintetizzato l’elevata probabilità di cambiamenti climatici legati alle emissioni di CO2, con un’ulteriore raccomandazione di ridurre le emissioni globali di CO2 di 5 gigatoni all’anno. Si prevede che la cattura e lo stoccaggio del carbonio contribuiranno alla completa eliminazione del 14-17% delle emissioni di CO2. Attualmente, ci sono più di 40 strutture su larga scala, con l’impianto di Chevron Gorgon una delle ultime aggiunte.

Uno degli esempi più notevoli nel campo della cattura e dello stoccaggio del carbonio è la Petra Nova, una joint venture tra JX Nippon Oil & Gas Exploration Corp. e NRG Energy Inc., che ha sviluppato un progetto di cattura del carbonio presso la WA Parish Generating Station della NRG. Attualmente è il più grande sistema CCS operativo al mondo. Il progetto è progettato per catturare circa il 90% della CO2; insieme a ossidi di zolfo, ossidi di azoto e particolati provenienti da una scia di “fumi” da 240 MW. Questo processo richiede circa 1,6 milioni di tonnellate di gas serra all’anno. Il sistema utilizza uno scrubber a base di ammina a CO2, progettato da Mitsubishi Heavy Industries, per catturare il gas in applicazioni industriali.

Carbon Capture and Storage

La cattura e lo stoccaggio del carbonio stanno ricevendo molto supporto da parte di industrie e governi di tutto il mondo, con il consenso comune che la cattura e lo stoccaggio del carbonio contribuiscono notevolmente a ridurre drasticamente le emissioni, in particolare in settori quali cemento, prodotti petrolchimici, fertilizzanti e acciaio, che rappresentano oltre il 20% delle emissioni globali. Il Regno Unito ha avviato un progetto di cattura del carbonio dalla combustione del legno. Il progetto, noto come Bio Energy with Carbon Capture and Storage (BECCS), è in fase di realizzazione presso la Drax Power Station nel North Yorkshire ed è il primo di tali progetti in Europa.

Il  mercato della cattura e dello stoccaggio del carbonio  dovrebbe registrare una forte crescita nei prossimi anni, con i seguenti fattori in gioco:

  • Si prevede che il mercato sarà spinto dalla domanda di energia e dalla consapevolezza della riduzione dell ‘”anidride carbonica”.
  • Anche le rigide normative governative in materia di emissioni di gas a effetto serra porteranno avanti l’industria. Dal 1997, c’è stato un aumento di 20 volte del numero di leggi globali in materia di cambiamenti climatici, che includono più di 1200 politiche in 164 paesi responsabili delle emissioni di gas a effetto serra.
  • L’ampia adozione dell’iniezione di gas per un maggiore recupero di petrolio (EOR) in varie riserve di petrolio in tutto il mondo dovrebbe guidare la domanda del settore nel prossimo futuro.
  • In base all’accordo di Parigi, la cattura e lo stoccaggio del carbonio sono stati riconosciuti come fondamentali nel raggiungimento degli obiettivi climatici globali da parte dei principali organismi di cambiamento climatico come IPCC e IEA, un fattore che contribuirebbe a migliorare l’attrattiva del mercato.
  • Con la crescita del numero di industrie petrolifere e del gas, esiste un’alta probabilità che il mercato sarà ulteriormente popolato da attori competitivi.

Il settore della cattura e dello stoccaggio del carbonio non è tuttavia privo di sfide, con la complessità del processo complessivo che causa un aumento complessivo dei costi. Inoltre, non esiste un’opinione definitiva in merito alla totale sicurezza dello stoccaggio sotterraneo di anidride carbonica, con gli scienziati che consigliano un monitoraggio continuo delle aree di stoccaggio.

Il Carbon Capture and Storage permette di togliere il carbonio dall’atmosfera e stoccarlo in ex giacimenti di petrolio. Ci permette già di sbarazzarci di 35 milioni di tonnellate di CO2 ogni anno: ora non resta che puntarci forte.

Finora è stata dimostrata nei laboratori, negli impianti pilota e nelle centrali elettriche e industriali del mondo. “C’è stata un’evoluzione negli ultimi 20 anni. È una tecnologia pienamente riconosciuta ed è sicura” ha detto la professoressa Katherine Romanek dell’università del Texas, durante la conferenza Cop25. È proprio in Texas che nel 1972 ci sono state le pionieristiche sperimentazioni di questa pratica, iniettando per la prima volta CO2 in un giacimento petrolifero.

La quinta relazione di valutazione del Gruppo intergovernativo di esperti sui cambiamenti climatici (Ipcc) è chiara in materia di Ccs: la definisce una tecnologia necessaria per mantenere un incremento di livello di temperatura mondiale nei limiti degli 1,5 gradi previsti dall’accordo di Parigi. Oggi, le strutture Ccs di tutto il mondo stanno catturando oltre 35 milioni di tonnellate di anidride carbonica all’anno, equivalenti alle emissioni annuali dell’intera Irlanda.

Il rapporto pubblicato dal think tank internazionale Global Ccs Institute rivela le ultime statistiche in materia di questa tecnologia. Attualmente ci sono 51 impianti di cattura e stoccaggio del carbonio su larga scala in funzione o in fase di sviluppo a livello globale, in una varietà di settori e industrie. Questi includono 19 impianti in funzione, quattro in costruzione e 28 in varie fasi di sviluppo. In Europa, si contano 10 strutture Ccs su larga scala in varie fasi di sviluppo (6 nel Regno Unito, 2 nei Paesi Bassi, 1 in Norvegia, 1 Irlanda). Quando operative, queste strutture cattureranno circa 20,8 Mtpa di CO2.

L’interesse verso questa tecnologia è in ripresa ma è ancora in ritardo, mentre le emissioni sono nuovamente aumentate nell’ultimo anno”. ha detto Brad Page, l’amministratore delegato del Global Ccs Institute. “C’è bisogno di un maggiore sostegno politico per l’allocazione di capitale per questa tecnologia” ha continuato.

La produzione industriale è un fattore trainante del riscaldamento globale: la maggiore fonte di emissioni di anidride carbonica sono le grandi centrali a carbone e gli impianti industriali che producono prodotti di utilizzo quotidiano. Una transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio sarebbe possibile anche attraverso l’implementazione delle tecnologia Ccs, dato che le emissioni di CO2 verrebbero quasi del tutto eliminate.

Tuttavia il costo di Ccs comporta in parte investimenti di capitale in attrezzature per catturare, trasportare e immagazzinare diossido di carbonio, e molte multinazionali di tutto il mondo sono restie a investire per sopportare i costi di gestione dell’attrezzatura per immagazzinare la CO2. A gestire parte di questi flussi finanziari sarebbero le attuali compagnie petrolifere, che immetterebbero l’anidride carbonica dove prima hanno estratto petrolio.

La paura principale sia di ong che delle compagnie petrolifere è però legata alla possibile perdita di CO2, per motivi ben diversi. Iniettare anidride carbonica nei giacimenti renderebbe le compagnie petrolifere o industrie responsabili a tempo indeterminato dello stoccaggio, con necessità di risarcire coloro che dovessero essere colpiti da una fuoriuscita di anidride carbonica. Il monitoraggio, la misurazione e la verifica sono componenti fondamentali per le campagne di stoccaggio di CO2 e aumentano i costi.

L’Unione europea ha un Fondo per l’innovazione con un valore atteso di 10 miliardi di euro da spendere nei prossimi anni: parte di questo potrebbe essere utilizzato per aiutare a costruire le prime fabbriche a basse emissioni di carbonio e responsabilizzare l’industria, incentivando il sistema a creare le necessarie infrastrutture per il Ccs. La nuova Commissione europea sembra essere favorevole allo sviluppo di questa tecnologia in Europa, ma solamente nei prossimi mesi, anche attraverso il Green New Deal europeo, ci saranno maggiori risposte concrete.

Come è possibile la cattura cattura 

La cattura di CO 2 è più efficace nelle fonti puntuali, come grandi impianti di energia fossile o di biomassa, industrie con emissioni di CO 2 importanti , trattamento del gas naturale , impianti di combustibile sintetico e impianti di produzione di idrogeno a base di combustibile fossile . È anche possibile l’ estrazione di CO 2 dall’aria, sebbene la concentrazione di CO 2 nell’aria molto più bassa rispetto alle fonti di combustione presenti notevoli sfide ingegneristiche.

Carbon capture and storage
Carbon capture and storage

Gli organismi che producono etanolo per fermentazione generano CO2 fresco, essenzialmente puro, che può essere pompato sottoterra. La fermentazione produce un po ‘meno CO2 dell’etanolo in peso.

Le impurità nei flussi di CO 2, come gli zolfo e l’acqua, potrebbero avere un effetto significativo sul loro comportamento di fase e potrebbero rappresentare una minaccia significativa di aumento della corrosione della tubazione e dei materiali dei pozzi. Nei casi in cui esistono impurezze di CO 2, in particolare con la cattura dell’aria, sarebbe necessario un processo di separazione dello sfregamento per pulire inizialmente il gas di combustione. Secondo il Wallula Energy Resource Center nello stato di Washington, gassificando il carbone, è possibile catturare circa il 65% del biossido di carbonio incorporato in esso e sequestrarlo in una forma solida.

In generale, esistono tre diverse configurazioni di tecnologie per la cattura: post-combustione, pre-combustione e combustione con ossitaglio:

  • Nella cattura post combustione , la CO 2 viene rimossa dopo la combustione del combustibile fossile: questo è lo schema che verrebbe applicato alle centrali elettriche a combustione di combustibili fossili. Qui, l’anidride carbonica viene catturata dai gas di combustione nelle centrali elettriche o altre fonti di grandi dimensioni. La tecnologia è ben compresa e viene attualmente utilizzata in altre applicazioni industriali, anche se non nella stessa scala che potrebbe essere richiesta in una centrale elettrica su scala commerciale. La cattura post combustione è molto popolare nella ricerca perché le centrali elettriche a combustibile fossile esistenti possono essere adattate per includere la tecnologia CCS in questa configurazione.
  • La tecnologia per la pre-combustione è ampiamente applicata a fertilizzanti, prodotti chimici, combustibili gassosi (H 2 , CH 4 ) e produzione di energia. In questi casi, il combustibile fossile è parzialmente ossidato, ad esempio in un gassificatore . Il CO proveniente dal syngas risultante (CO e H 2 ) reagisce con l’aggiunta di vapore (H 2 O) e viene spostato in CO
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     e H 2 . La CO 2 risultante può essere catturata da un flusso di scarico relativamente puro. L’H 2ora può essere usato come combustibile; l’anidride carbonica viene rimossa prima che avvenga la combustione. Ci sono molti vantaggi e svantaggi rispetto alla convenzionale cattura dell’anidride carbonica post combustione. La CO 2 viene rimossa dopo la combustione di combustibili fossili, ma prima che il gas di combustione venga espanso alla pressione atmosferica. Questo schema è applicato a nuove centrali elettriche a combustibile fossile o a impianti esistenti in cui il re-powering è un’opzione. La cattura prima dell’espansione, ovvero da gas pressurizzato, è standard in quasi tutti i processi industriali di cattura della CO 2 , alla stessa scala richiesta per le centrali elettriche.
  • Nella combustione con ossitaglio  il combustibile viene bruciato nell’ossigeno anziché nell’aria. Per limitare le temperature di fiamma risultanti ai livelli comuni durante la combustione convenzionale, i gas di combustione raffreddati vengono fatti ricircolare e iniettati nella camera di combustione. Il gas di combustione è costituito principalmente da anidride carbonica e vapore acqueo, quest’ultimo condensato mediante raffreddamento. Il risultato è un flusso di anidride carbonica quasi puro che può essere trasportato nel sito di sequestro e immagazzinato. I processi delle centrali elettriche basati sulla combustione di ossitaglio vengono talvolta definiti cicli a “emissione zero”, poiché la CO 2 immagazzinata non è una frazione rimossa dal flusso di gas di combustione (come nei casi di cattura pre e post combustione) ma la canna fumaria flusso di gas stesso. Una certa frazione di CO 2 generati durante la combustione finiranno inevitabilmente nell’acqua condensata. Per garantire l’etichetta “zero emissioni”, l’acqua dovrebbe quindi essere trattata o smaltita in modo appropriato.


Tecnologie di separazione della CO 2
 

L’anidride carbonica può essere separata dall’aria o dai fumi con tecnologie di assorbimento , adsorbimento o separazione dei gas di membrana . L’assorbimento, o scrubbing del carbonio , con le ammine è la tecnologia di cattura dominante.

L’anidride carbonica si assorbe in un MOF attraverso il physisorption o il chemisorbimento in base alla porosità e alla selettività del MOF lasciando un flusso di gas povero di gas serra più ecologico. L’anidride carbonica viene quindi rimossa dal MOF usando l’adsorbimento dell’oscillazione della temperatura (TSA) o l’adsorbimento dell’oscillazione della pressione (PSA) in modo che il MOF possa essere riutilizzato. Gli adsorbenti e gli assorbenti richiedono fasi di rigenerazione in cui la CO 2 viene rimossa dal sorbente o dalla soluzione che lo ha raccolto dal gas di scarico per riutilizzare il sorbente o la soluzione.

Soluzioni di monoetanolamina (MEA), l’ammina principale per la cattura di CO 2, hanno una capacità termica tra 3–4 J / g K poiché sono principalmente acqua. Maggiori capacità termiche aumentano la penalità di energia nella fase di rigenerazione del solvente. Pertanto, per ottimizzare un MOF per la cattura del carbonio, sono richieste basse capacità di calore e calore di adsorbimento. Inoltre, sono desiderabili un’elevata capacità di lavoro e un’elevata selettività al fine di catturare quanta più CO 2 possibile dai gas di combustione. Tuttavia, c’è un compromesso energetico con selettività e dispendio energetico. Man mano che aumenta la quantità di CO 2 catturata, l’energia e quindi i costi necessari per rigenerare aumenta.

Un grande svantaggio dell’utilizzo dei MOF per CCS sono i limiti imposti dalla loro stabilità chimica e termica. ttuale la ricerca sta cercando di ottimizzare le proprietà MOF per CCS, ma si è rivelato difficile trovare queste ottimizzazioni che risultano anche in un MOF stabile. I serbatoi di metallo sono anche un fattore limitante per il potenziale successo dei MOF.

Circa due terzi del costo totale di CCS sono attribuiti alla cattura, il che limita la diffusione su larga scala delle tecnologie CCS. L’ottimizzazione di un processo di cattura della CO 2 aumenterebbe in modo significativo la fattibilità della CCS poiché le fasi di trasporto e stoccaggio della CCS sono tecnologie piuttosto mature.

Un metodo alternativo in fase di sviluppo è la combustione a ciclo chimico (CLC). Il looping chimico utilizza un ossido di metallo come vettore di ossigeno solido. Le particelle di ossido di metallo reagiscono con un combustibile solido, liquido o gassoso in un combustore a letto fluido , producendo particelle di metallo solido e una miscela di anidride carbonica e vapore acqueo. Il vapore acqueo viene condensato, lasciando anidride carbonica pura, che può quindi essere sequestrata.

Le particelle di metallo solido vengono fatte circolare in un altro letto fluidizzato dove reagiscono con l’aria, producendo calore e rigenerando particelle di ossido di metallo che vengono ricircolate nel combustore del letto fluidizzato. Una variante del ciclo chimico è il ciclo del calcio , che utilizza la carbonatazione alternata e quindi la calcinazione di un ossido di calciovettore basato come mezzo per catturare CO 2 .

Cattura diretta dell’aria

La cattura diretta dell’aria è il processo di rimozione della CO 2 direttamente dall’aria ambiente (anziché da fonti puntuali). La combinazione di DAC con lo stoccaggio del carbonio potrebbe fungere da tecnologia di rimozione del biossido di carbonio e come tale costituirebbe una forma di ingegneria del clima se dispiegata su larga scala.

Sono state fatte alcune proposte ingegneristiche per DAC, ma i lavori in questo settore sono ancora agli inizi.  Una società privata Global Research Technologies ha dimostrato un pre-prototipo della tecnologia di cattura dell’aria nel 2007. Un impianto pilota di proprietà di Carbon Engineering opera nella Columbia Britannica, in Canada dal 2015. Uno studio economico di questo impianto nel 2018 ha stimato il costo è stato rimosso tra 94 e 232 USD per tonnellata di CO
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 atmosferica .

Trasporto di CO 

Dopo la cattura, la CO 2 dovrebbe essere trasportata in siti di stoccaggio adeguati. Molto probabilmente ciò avverrebbe tramite pipeline, che è generalmente la forma di trasporto più economica per grandi volumi di CO 2 .

Le navi possono anche essere utilizzate per il trasporto in cui le condutture non sono realizzabili, metodi attualmente utilizzati per il trasporto di CO 2 per altre applicazioni.

Ad esempio, c’erano circa 5.800 km di condotte di CO 2 negli Stati Uniti nel 2008 e una conduttura di 160 km in Norvegia, utilizzata per trasportare CO 2 in siti di produzione petrolifera dove viene poi iniettata in campi più vecchi per estrarre petrolio . Questa iniezione di CO 2 per la produzione di petrolio si chiama recupero dell’olio potenziato . Esistono anche diversi programmi pilota in varie fasi di sviluppo per testare lo stoccaggio a lungo termine della CO 2 in formazioni geologiche non petrolifere.

Con lo sviluppo della tecnologia, i costi, i benefici e le detrazioni stanno cambiando. Secondo il servizio di ricerca congressuale degli Stati Uniti”Esistono importanti domande senza risposta sui requisiti della rete di condotte, sulla regolamentazione economica, sul recupero dei costi di pubblica utilità, sulla classificazione normativa della CO 2 stessa e sulla sicurezza delle tubazioni. Inoltre, poiché i gasdotti per la CO 2 per un maggiore recupero di petrolio sono già in uso oggi, le decisioni politiche che incidono sulle emissioni di CO 2 condotte assumono un’urgenza non riconosciuta da molti:

la classificazione federale della CO 2 sia come merce ( dall’Ufficio di gestione del territorio ) sia come inquinante (dall’agenzia per la protezione ambientale) potrebbe potenzialmente creare un conflitto immediato che potrebbe dover essere affrontato non solo per motivi di futura attuazione della CCS, ma anche per garantire la coerenza delle future CCS con le operazioni del gasdotto CO 2 oggi. ” Nel Regno Unito, l’Ufficio parlamentare per la scienza e la tecnologia ha rivelato che avrebbero anche previsto condutture come principale trasporto in tutto il Regno Unito.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Sfide ambientali e controllo dei gas a effetto serra per l’utilizzo di combustibili fossili nel 21 ° secolo . A cura di M. Mercedes Maroto-Valer et al. , Editori Kluwer Academic / Plenum, New York, 2002: “Sequestro dell’anidride carbonica mediante fertilizzazione oceanica”, p. 122. Di M. Markels Jr. e RT Barber.
  2. Intenzione Nobel: Laghi di anidride carbonica nell’oceano profondo, 19 settembre 2006 @ 11:08 – pubblicato da John Timmer
  3. Salomone, Semere. (Luglio 2006). Stoccaggio di anidride carbonica: studio di casi di sicurezza geologica e questioni ambientali nel giacimento di gas di Sleipner in Norvegia La Fondazione Bellona. Estratto il 7 novembre 2006
  4. ICO2N – The Vision
  5. Stephens, Jennie C. (2006). “Crescente interesse per la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) per la mitigazione dei cambiamenti climatici. Sostenibilità” . Scienza, pratica e politica . 2 (2): 4–13. Archiviato dall’originale il 28/05/2013.
  6. L’illusione di carbone pulito – Cambiamenti climatici, 5 marzo 2009, edizione economica The Economist
  7. The Economist (2009) Problemi in negozio – Cattura e stoccaggio del carbonio, 5 marzo 2009, edizione economica The Economist
  8. Bullis, K. (2009, ottobre). Catturare l’anidride carbonica attraverso la produzione di cemento. Technology Review, 112 (5)
  9. Biello, D. (2008, 7 agosto). Cemento da CO
    2
     : una cura concreta per il riscaldamento globale ?. Scientific American
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