Tecnologie di cattura della CO2

Dicembre 1, 2021admin

La cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) è una combinazione di tecnologie progettate per prevenire il rilascio di CO2 generato attraverso la generazione di energia convenzionale e i processi di produzione industriale, iniettando la CO2 in adeguati serbatoi sotterranei di stoccaggio. Fondamentalmente, la tecnologia di cattura separa le emissioni di CO2 dal processo, dopodiché la CO2 compressa viene trasportata in un luogo di stoccaggio geologico adatto e iniettata. I metodi fattibili per il trasporto della CO2 includono sia le condutture che il trasporto marittimo. I luoghi di stoccaggio geologico appropriati per la CO2 includono campi di petrolio e gas abbandonati, formazioni saline profonde e filoni di carbone non estraibili. La ragione dominante per fare la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) è la riduzione delle emissioni di CO2 dall’industria e dalla produzione di energia; senza incentivi per tali riduzioni delle emissioni, ci si può aspettare poca CCS. Il dispiegamento della CCS nei settori dell’industria e della produzione di energia permetterebbe di continuare l’uso dei combustibili fossili con una significativa diminuzione delle emissioni di CO2. Tuttavia, una catena CCS completa deve ancora essere implementata, e rimangono molte incertezze tecniche, ambientali ed economiche.

Introduzione alle tecnologie di cattura della CO2

Ci sono diverse tecnologie impiegate nella cattura, nel trasporto e nello stoccaggio geologico della CO2. La maggior parte della ricerca e dello sviluppo è stata diretta verso il miglioramento dell’efficienza delle tecnologie usate per separare la CO2 da altri composti normalmente emessi da un processo industriale. Queste tecnologie sono generalmente chiamate “tecnologie di cattura”. I processi di cattura possono essere raggruppati in tre categorie, dove l’idoneità di ogni approccio dipende dal processo industriale o dal tipo di centrale in questione.

Post-combustione: La CO2 viene rimossa dai gas di scarico risultanti dalla combustione di un combustibile fossile. La separazione post-combustione comporta l’uso di un solvente per catturare la CO2. Le applicazioni tipiche per questa tecnologia includono impianti a carbone polverizzato (PC) e impianti a gas naturale a ciclo combinato (NGCC). Questa tecnologia è particolarmente adatta ad applicazioni di retrofit (Ufficio Parlamentare della Scienza & Tecnologia, 2009).
Pre-combustione: Il combustibile primario nel processo viene fatto reagire con vapore e aria o ossigeno, e viene convertito in una miscela di monossido di carbonio e idrogeno, spesso chiamata “syngas”. Il monossido di carbonio viene successivamente convertito in CO2 in un “reattore a turni”. La CO2 può poi essere separata, e l’idrogeno viene utilizzato per generare energia e/o calore. Questa tecnologia è particolarmente adatta ad essere applicata alle centrali elettriche a ciclo combinato di gassificazione integrata (IGCC) (IPCC, 2005).
Combustione ossicombustibile: Il combustibile primario viene bruciato in ossigeno invece che in aria, il che produce un gas di scarico contenente principalmente vapore acqueo e un’alta concentrazione di CO2 (80%). Il gas di scarico viene poi raffreddato per condensare il vapore acqueo, che lascia un flusso quasi puro di CO2. Per la produzione in situ di ossigeno dall’aria sono necessarie attrezzature supplementari (Mckinsey & Company, 2008).

Processi industriali: Le tecnologie di separazione possono anche essere usate in varie industrie, come il trattamento del gas naturale, e nella produzione di acciaio, cemento e ammoniaca (IPCC, 2005).

La cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) potrebbero catturare tra l’85-95% di tutta la CO2 prodotta (IPCC, 2005), ma le riduzioni nette delle emissioni sono nell’ordine del 72-90% a causa dell’energia che costa separare la CO2 e le emissioni a monte (Viebahn et al., 2007).

Una volta che la CO2 è stata effettivamente ‘catturata’ da un processo, sarà necessario trasportarla in un luogo di stoccaggio adatto. La CO2 viene trasportata in modo più efficiente quando è compressa a una pressione superiore a 7,4 MPa e a una temperatura superiore a circa 31˚C. In queste condizioni, la CO2 mostra proprietà supercritiche; è un liquido con caratteristiche di gas. Così, la CO2 verrebbe normalmente trasportata ad alte pressioni in condotti di acciaio al carbonio, non dissimili dai normali gasdotti di gas naturale, o in navi se deve attraversare una grande distesa d’acqua. Le condutture di CO2 esistono già su larga scala, anche se principalmente in aree scarsamente abitate, in particolare negli Stati Uniti per il recupero migliorato del petrolio (EOR). Le navi di CO2 non sono state implementate, ma è improbabile che causino problemi tecnici.

I luoghi adatti allo stoccaggio della CO2 includono campi di petrolio e gas abbandonati o formazioni saline profonde, con una profondità minima prevista di 800 m, dove la temperatura ambientale e le pressioni sono sufficientemente alte da mantenere la CO2 in uno stato liquido o supercritico. Alla CO2 viene impedito di migrare dal serbatoio di stoccaggio attraverso una combinazione di meccanismi fisici e geofisici di intrappolamento (IPCC, 2005). Le tecnologie usate per iniettare la CO2 sono simili a quelle usate nell’industria del petrolio e del gas. Oltre alle attrezzature di perforazione e iniezione, le tecnologie di misurazione e monitoraggio sono essenziali per osservare la capacità rimanente del sito di stoccaggio e il comportamento della CO2. Mentre alcune tecnologie di iniezione sono note, i miglioramenti specifici per lo stoccaggio della CO2 sono ancora in fase di sviluppo. Una volta che la fase di iniezione è stata completata, il pozzo dovrà essere sigillato utilizzando un “tappo” adatto (di solito di cemento), posto a una profondità adeguata per evitare che la CO2 risalga il pozzo e possa fuoriuscire o contaminare le acque sotterranee.

Fattibilità della tecnologia di cattura della CO2 e necessità operative

Fattibilità tecnica della tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio

L’applicazione di tecnologie altrove suggerisce che la CCS è tecnicamente fattibile nella maggior parte delle grandi fonti fisse di CO2. Le tecnologie di separazione della CO2 sono già applicate nel trattamento del gas naturale (NGP), dove la rimozione della CO2 dal gas naturale è necessaria per migliorare il valore di riscaldamento e/o per soddisfare le specifiche del gasdotto. Lo stoccaggio di CO2, combinato con NGP, è stato dimostrato con successo nel campo di gas Sleipner in Norvegia e nei campi di gas In Salah in Algeria. Ci sono un certo numero di impianti CCS pianificati a livello globale. Nel settore industriale, il Quest CCS Project in Alberta, Canada, prevede la cattura di 1,2 MtCO2 all’anno da un impianto di potenziamento delle sabbie bituminose e il trasporto in una formazione salina profonda per lo stoccaggio. Il progetto dovrebbe essere operativo nel 2016. Nel settore dell’energia, il Kemper County IGCC Project, in Mississippi, è una nuova centrale a ciclo combinato con gassificazione integrata da 600 MW, che prevede di catturare 3,5 MtCO2 all’anno, utilizzando la CO2 per un migliore recupero del petrolio. Questo progetto è attualmente in costruzione e dovrebbe essere completato alla fine del 2014. Il Global CCS Institute identifica 12 progetti CCS attualmente in funzione, con 8 progetti in costruzione (Global CCS Institute, 2013).

Incertezza normativa e percezione pubblica della tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio

Ogni nuova tecnologia con rischi potenziali affronta l’incertezza normativa nella sua fase iniziale. Per la CCS, questi impedimenti sono in via di risoluzione. Negli ultimi anni, sono state apportate modifiche alle disposizioni legislative internazionali, in particolare il Protocollo di Londra (Convenzione sulla prevenzione dell’inquinamento marino attraverso lo scarico di rifiuti e altre materie del 1972 e protocollo del 1996) e la Convenzione OSPAR (Convenzione per la protezione dell’ambiente marino dell’Atlantico nord-orientale) per consentire lo stoccaggio offshore di CO2. Tuttavia, rimangono un certo numero di questioni legali riguardanti la responsabilità dello stoccaggio, la responsabilità del monitoraggio e il trasporto transfrontaliero di CO2. La mancanza di quadri normativi ha il potenziale per ostacolare il progresso dei progetti CCS, dato il livello associato di rischio affrontato dagli sviluppatori del progetto. Nell’UE, in Canada e in Australia, sono stati adottati dei quadri legali per la CCS; negli Stati Uniti sono in corso delle discussioni al riguardo.

La posizione delle ONG ambientali sulla CCS è mista; mentre alcune sostengono le tecnologie, altre vi si oppongono. Una generale mancanza di consapevolezza e comprensione tra il pubblico laico è stata osservata dagli scienziati sociali. In diverse comunità dove sono stati pianificati progetti di stoccaggio di CO2, gli stakeholder locali hanno mostrato preoccupazione per i rischi della CCS, e in alcuni casi hanno protestato. La percezione pubblica della CCS è attualmente vista come una barriera significativa se i progetti dimostrativi CCS non sono accompagnati da una fornitura di informazioni imparziali e da processi di coinvolgimento della comunità.

Impatto ambientale e rischi della tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio

La cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) ha il potenziale per ridurre significativamente le emissioni di CO2 dalla produzione di energia e dagli impianti industriali. Il più grande rischio associato alla CCS è la possibile perdita dai sistemi di condutture e dai siti di stoccaggio, sia temporanea che permanente. La CO2 non è un gas velenoso, ma può portare all’asfissia se la concentrazione nell’aria diventa abbastanza alta, per esempio se la perdita avviene in un edificio chiuso. I rischi della fuoriuscita di CO2 da una conduttura non sono diversi da quelli del trasporto di gas naturale, per esempio, tuttavia la CO2 non è infiammabile. Molti paesi hanno stabilito quadri normativi e standard per il trasporto e lo stoccaggio permanente della CO2, che mirano a garantire che tali pratiche non rappresentino una minaccia per la sicurezza degli esseri umani e dell’ambiente.

Gli impatti ambientali negativi relativi alla CCS sono associati alla domanda aggiuntiva di combustibile fossile, dovuta alla penalità energetica per far funzionare l’unità di cattura, e agli impatti tossicologici legati all’uso di solventi per intrappolare chimicamente la CO2 (Zapp et al., 2012). L’uso della CCS è un compromesso tra l’alto potenziale di abbattimento della CO2, e i moderati impatti ambientali della ridotta efficienza energetica e gli impatti ambientali associati alla cattura della CO2.

Stato della tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio & e il suo futuro potenziale di mercato

In tutto il mondo, ci sono attualmente quattro esempi di progetti CCS su larga scala, tutti nel settore industriale e non nella produzione di elettricità. Oltre a Weyburn, che usa CO2 da un impianto di gassificazione del carbone negli Stati Uniti, la compagnia petrolifera norvegese Statoil inietta circa un milione di tonnellate di CO2, separata dal gas naturale, all’anno nella formazione salina profonda sotto il Mare del Nord dal 1996, e dal 2008 una tecnologia simile è applicata nel progetto Snohvit, sempre in Norvegia. Un consorzio di BP, Statoil e Sonatrach ha iniettato CO2 a In Salah in Algeria, anche con CO2 proveniente dalla produzione di gas. Una tecnologia simile alla cattura pre-combustione è usata nella produzione di fertilizzanti e idrogeno, dove la CO2 catturata è usata in altri processi industriali o scaricata. La tecnologia di ossicombustione per l’uso nella produzione di energia è ancora in fase dimostrativa, ma è attualmente testata in Germania da Vattenfall, una compagnia elettrica europea.

La capacità globale di immagazzinare geologicamente la CO2 è grande, con potenziali recenti a livello di bacino stimati tra 8.000 Gt e 15.000 Gt (IEA, 2008b). Tuttavia, il livello di conoscenza dei potenziali di stoccaggio varia su scala globale, regionale e locale (IPCC, 2005). Le stime delle capacità di stoccaggio sono più avanzate in Europa, Nord America, Giappone e Australia. Si stima che i giacimenti esauriti di petrolio e gas abbiano una capacità di stoccaggio globale tra 675-900 GtCO2, e questa opzione di stoccaggio sembra adatta a causa della conoscenza esistente di tali luoghi, così come il potenziale di riutilizzare le infrastrutture esistenti dai processi di estrazione di petrolio e gas (IPCC, 2005). Si ritiene che le formazioni saline profonde abbiano una capacità di stoccaggio di almeno 1000 GtCO2 e che siano distribuite in molti dei bacini sedimentari del mondo. È stato sottolineato che sono necessarie maggiori informazioni sulle capacità di stoccaggio nelle aree che stanno sperimentando una crescita accelerata nell’uso dell’energia, tra cui Cina, India, Sud-Est asiatico, Europa orientale e Africa meridionale (IPCC, 2005).

Come la tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio potrebbe contribuire allo sviluppo socio-economico e alla protezione ambientale

Il livello in cui la CCS supporta lo sviluppo sostenibile è un argomento ampiamente dibattuto. Le discussioni sull’ammissione della CCS nel Clean Development Mechanism del protocollo di Kyoto esemplificano le diverse opinioni tra le parti interessate. Alcuni sostengono che nessuna tecnologia che implichi la combustione di combustibili fossili può essere associata allo sviluppo sostenibile, a causa della natura finita di tali risorse. Altri puntano sugli effetti dell’uso dei combustibili fossili, al di là delle sole emissioni di CO2, compresi gli impatti ambientali dell’estrazione del carbone (Coninck, 2008).

Clima

Come detto sopra, la CCS potrebbe catturare tra l’85-95% della CO2 prodotta in un impianto (IPCC, 2005), ma le riduzioni nette delle emissioni sono nell’ordine del 72-90% a causa dell’energia che costa separare la CO2 e le emissioni a monte (Viebahn et al., 2007)

Requisiti finanziari e costi della tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio

Al momento, la maggior parte delle applicazioni della CCS non sono economicamente fattibili. L’attrezzatura aggiuntiva usata per catturare e comprimere la CO2 richiede anche una quantità significativa di energia, che aumenta il fabbisogno di combustibile di una centrale elettrica a carbone del 25-40% e fa anche aumentare i costi (IPCC, 2005). I progetti dimostrativi CCS nel settore energetico dovrebbero costare 90-130 dollari/tCO2 evitato, con il costo che potrebbe scendere a 50-75 dollari/tCO2 per le attività commerciali su larga scala che avranno luogo dopo il 2020 (Mckinsey & Company, 2008). Questi costi tengono conto della penalità energetica della cattura di CO2, ma non delle emissioni a monte, quindi presuppongono una riduzione delle emissioni dell’80-90% rispetto a un impianto convenzionale.

Recentemente, c’è stata un’attenzione alla valutazione del potenziale e dei costi della CCS nel settore industriale (UNIDO/IEA, 2011; ZEP, 2013). Molti processi industriali, per esempio la produzione di acciaio primario, la produzione di cemento e la raffinazione del petrolio stanno operando ai limiti dell’efficienza energetica, e la cattura di CO2 è l’unica tecnologia in grado di ridurre ulteriormente le emissioni. I costi di applicazione della CCS all’interno dell’industria variano molto tra le applicazioni, tuttavia alcuni costi sono molto più bassi di quelli riscontrati nel settore energetico (vedi Figura 4).

Si deve notare che anche se le applicazioni CCS aumenteranno i costi della generazione di energia e della produzione industriale, la IEA (2008a) ha calcolato che un’esclusione della CCS dal portafoglio di mitigazione globale aumenterà il costo per raggiungere la stabilizzazione del clima del 70%. Sulla base di queste informazioni, l’inclusione della CCS nel portafoglio di mitigazione può essere giustificata da un punto di vista di efficienza economica a lungo termine.

Lo stato del mercato del Clean Development Mechanism

Alla conferenza sul clima del 2010 a Cancun, Messico, la Conferenza delle Parti del protocollo di Kyoto (CMP) ha deciso di includere i progetti CCS nel Clean Development Mechanism (CDM).

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