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OrizzontEnergia

Tecnologie di cattura e sequestro della CO2

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INTRODUZIONE

Nei prossimi decenni la domanda mondiale di energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
è destinata a crescere del 50 % (da poco meno di 12 miliardi tep a ca. 17 miliardi tep), sostenuta da una previsione di costante incremento della popolazione mondiale.

 

Tecnologie di cattura e sequestro della CO2

Fonte: IEA World Energy Outlook 2008

 

La situazione attuale vede le fonti fossili come protagoniste indiscussenella generazione elettrica (circa 70 %) e nel soddisfacimento della domanda mondiale di energia primariaenergia primaria
Energia riferita direttamente al combustibile impiegato nelle centrali di produzione elettrica. È definita primaria perché deriva direttamente dallae caratteristiche della fonte, così come si trova in natura, senza trasformazioni in nessun'altra forma.
(60 %). L'organizzazione mondiale IEA prevede inoltre che ilruolo delle fontifossili non sarà messo in discussione nemmenonei prossimi 20 anni, sebbene il contributo delle fonti rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
nel mix energetico mondiale è previsto in crescita. Di conseguenza in uno scenario tendenziale che non prevede misure di abbattimento le emissioni globali di CO2 associate alla generazione elettrica crescerebbero del 57 %.

 

Tecnologie di cattura e sequestro della CO2

(Fonte: IEA World Energy Outlook 2008_Cina&India Insights)

 

Da queste considerazioni deriva il ruolo chiave dello sviluppo delle ternologie CCS (CO2 Capture and Storage) per un furturo utilizzo sostenibile delle fonti fossili, alla luce del fatto che il settore energetico è responsabile di circa il 69 % delle emissioni di anidridide carbonica in atmosferaatmosfera
Involucro di gas e vapori che circonda la Terra, costituito prevalentemente da ossigeno e da azoto, che svolge un ruolo fondamentale per la vita delle specie, perché fa da schermo alle radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Essa si estende per oltre 1000 km al di sopra della superficie terrestre ed è suddivisa in diversi strati: troposfera (fino a 15-20 chilometri), stratosfera (fino a 50-60 chilometri), ionosfera (fino a 800 chilometri) ed esosfera.
(IEA_CCS: a key carbon abatement option, 2008).

L'Unione Europea ritiene che la CCS, insieme allo sviluppo delle fonti rinnvovabili ed alla promozione del risparmio energeticorisparmio energetico
Con questo termine si intendono tutte le iniziative intraprese per ridurre i consumi di energia, sia in termini di energia primaria sia in termini di energia elettrica, adottando stili di vita e modelli di consumo improntati ad un utilizzo più responsabile delle risorse.
, sia parte essenziale di un portafoglio di tecnologie atte a costruire un futuro near zero emission ed in particolare che essa possa contribuire a ridurre più del 20 % delle emissioni di CO2 entro il 2050 (European Technology Platform for ZEP, 2008).

Per tale ragione l’UE sostiene la ricerca e lo sviluppo delle CCS, promuovendo un programma che raccoglie 10-12 progetti dimostrativi con l’obiettivo di favorire l’introduzione su larga scala di queste tecnologie. Si tratta di una piattaforma fondata nel 2005 (European Tecnology Platform for Zero Emission Fossil Fuel Power Plants- ZEP) che riunisce utilities europee, compagnie petrolifere, fornitori di impianti, scienziati e ONG ambientali con l’obiettivo di realizzare 80-120 impianti industriali entro il 2030. Il programma affronta la tematica delle CCS in modo integrale prendendo in considerazionetutti gli aspetti relativi a tale tecnologia: dal processo di cattura fino ai metodi di stoccaggiostoccaggio
Attività di raccolta e deposito di una determinata risorsa. 
, passando attraverso la costruzione di infrastrutture adeguate.

Ma in cosa consiste esattamente la tecnologia CCS? E come funziona ?
Il processo di cattura e sequestro della CO2, come è facile intuire, prevede essenzialmente le seguenti fasi, ben distinte tra loro:

  • Cattura negli impianti laddove ha luogo una combustionecombustione
    Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
    con conseguente emissioneemissione
    Qualsiasi sostanza solida, liquida o gassosa introdotta nell'atmosfera a seguito di processi naturali o antropogenici, che produce direttamente o indirettamente un impatto sull'ambiente.
    di CO2
  • Trasporto fino al sito prescelto per lo stoccaggio
  • Stoccaggio definitivo

 

CATTURA DELLA CO2

Le tecnologie di cattura della CO2 sono 3 e si applicano prima, durante o dopo la fase di combustione:

  • Pre-combustione
  • Ossi-combustione
  • Post-combustione

 

Pre-combustione

La cattura della CO2 effettuata in pre-combustione si può applicare:

  • Al carbonecarbone
    Il carbone è una roccia sedimentaria composta prevalentemente da carbonio, idrogeno e ossigeno. La sua origine, risalente a circa 300 milioni di anni fa, deriva dal deposito e dalla stratificazione di vegetali preistorici originariamente accumulatisi nelle paludi. Questo materiale organico nel corso delle ere geologiche ha subito delle trasformazioni chimico-fisiche sotto alte temperature e pressioni. Attraverso il lungo processo di carbonizzazione questo fossile può evolvere dallo stato di torba a quello di antracite, assumendo differenti caratteristiche che ne determinano il campo d'impiego.
    I carboni di formazione relativamente più recente (ovvero di basso rango) sono caratterizzati da un'elevata umidità e da un minore contenuto di carbonio, quindi sono 'energeticamente' più poveri, mentre quelli di rango più elevato hanno al contrario umidità minore e maggiore contenuto di carbonio.
    . In questo caso è impiegata in impianti IGCC di gassificazionegassificazione
    La gassificazione è un processo utilizzato a livello industriale da molto tempo (i primi sistemi risalgono addirittura alla prima metà dell' '800), tutt'oggi oggetto di continui miglioramenti. Essa consiste nella trasformazione di un combustibile solido o liquido in un gas combustibile (syngas), ricco di elementi incombusti (CO e H2), a seguito di complesse reazioni chimiche di 'ossidazione parziale'. Questo significa che si 'blocca' il processo a metà tra la fase di pirolisi (rottura dei legami chimici ad alta temperatura in assenza di ossigeno) e quella di combustione.
    integrata dove il carbone viene trasformato in un gas sintetico (syngas) ricco di CO ed idrogenoidrogeno
    Primo elemento della tavola periodica, presente sulla Terra in forma combinata, soprattutto nell'acqua e nei composti organici. Esso è costituito da 3 isotopi: prozio (cioè l'idrogeno propriamente detto) per più del 99.9 %, il deuterio e il trizio. La forma molecolare dell'idrogeno (H2) dà origine ad un gas inodore, incolore, altamente infiammabile e molto più leggero dell'aria (ecco perché lo si trova in bassissime concentrazioni in atmosfera).
    .
  • Al gas naturalegas naturale
    Idrocarburo che ha un'origine simile al petrolio, che si forma a partire dalla decomposizione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno (O2) di microorganismi, attraverso processi biologici avvenuti nel corso delle ere geologiche. La composizione del gas naturale varia notevolmente a seconda del sito di formazione, ma in genere presenta un'alta percentuale di metano (dal 70 al 95 %), anidride carbonica (CO2), azoto (N2) e idrogeno solforato (H2S).
    . In questo caso può essere impiegata in cicli combinati a gas, dove il gas naturale attraverso una reazione chimica (reazione di reforming) si trasforma in un gas sintetico ricco di CO ed idrogeno.

La reazione chimica alla base del processo (reazione di shift ), comune ad entrambe le scelte impiantistiche, porta alla formazione di CO2 ed idrogeno a partire da CO e acqua; la CO2 così ottenuta viene separata grazie a sorbenti fisici che sfruttano le elevate pressioni presenti.
La pre-combustione, attualmente impiegata per la produzione di idrogeno e di ammoniaca, trova giàapplicazioni commerciali pur richiedendo ancora studi e ricerche su alcune problematiche, per esempio la minimizzazione delle perdite energetiche in alcunesezioni dell’impianto IGCC oppure nella fase di reforming del gas naturale.
Le prospettive comunque sono molto positive sia in termini di miglioramento dell’efficienza che in termini di riduzione dei costi.

 

Ossi-combustione

In questo processo, la combustione non avviene in un ambiente ricco di aria madi ossigeno quasi puro, con conseguente produzione di gas costituiti da CO2 (con concentrazioni intorno a 70-85 % ) e vapor d’acqua.
Una volta condensata l’acqua, si procede con la separazione della CO2.
Allo stato attuale questa tecnologia è ancora in fase dimostrativa a causa di criticità non del tutto risolte; per esempio i rilevanti consumi energetici dell’ASU (Air Separation Unit, dove l’ossigeno comburente viene separato dall’aria) e un’adeguata progettazione della camera di combustionecamera di combustione
È lo spazio all'interno di una caldaia o di un motore a combustione interna in cui ha luogo la combustione del combustibile. Qui, infatti, il combustibile alimentato si combina con aria comburente rilasciando un'enorme quantità di calore. In questo parte dell'impianto si sviluppano temperature e pressioni molto elevate.
.

 

Post-combustione

Nella post-combustione lacatturaavviene attraverso l’ assorbimento chimico della CO2contenuta neifumi di combustione di impianti a carbone oppure a gas naturale. Il vantaggio principale di tale tecnologia è la possibilità di applicarla anche ad impianti già in esercizio, con interventi tecnologici limitati e complicazioni gestionali sostenibili.
L’assorbimento avviene mediante solventi chimici (ammine) che si legano chimicamentealla CO2 presente nei gas combusti "catturandola". Successivamente, tramite riscaldamento, le amminesi dissociano liberando l’anidride carbonica (questa fase, energeticamente molto dispendiosa, è detta di rigenerazione) che viene quindi trasportata ed immagazzinata.
Esistono anche altri processi di cattura che coinvolgono l’utilizzo di membrane (che attraverso la loro struttura porosa trattengono alcune specie gassose permettendo il passaggio di altre) oppure di sistemi di separazione criogenica che operano a temperature molto basse.
Uno dei compiti principali della ricerca è quello diidentificare nuove tipologie di solventi che permettano di ridurre il fabbisogno energetico della fase di rigenerazione.

 

TRASPORTO

Una volta separata, la CO2 viene trasportata verso i siti di stoccaggio previa pulizia da elementi estranei per limitare i problemi di corrosione.
Il trasporto avviene principalmente in 2 modi, il primo dei quali più maturo dal punto di vista commerciale:

  • Attraverso condotti su terraferma oppure sottomarini all’interno dei quali l’anidride carbonica anidride carbonica
    (CO2)

    Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).
    si trova in forma liquida a pressioni molto elevate (maggiori di 74 bar).
  • Attraverso navi dove la CO2 si trova a pressioni inferiori e a temperature più basse. Questo sistema è impiegato prevalentemente nell’industria alimentare per volumi di anidride carbonica limitati.

Il trasporto all’interno di tubazioni è una pratica ormai consolidata da tempo, diffusa soprattutto negli USA dove la CO2 è impiegata nell’EOR (Enhanced Oil Recovery) per incrementare la produttività dei pozzi petroliferi o di gas. Si calcola, infatti, che negli Stati Unitisiano più di 3.000 km di condotti operanti già da diversi decenni.

 

CONFINAMENTO DELLA CO2

Il confinamento della CO2 prevede diverse possibilità:

  • Confinamento geologico in formazioni saline profonde (700 – 3.000 m di profondità), pozzi di petroliopetrolio
    Combustibile di colore da bruno chiaro a nero, costituito essenzialmente da una miscela di idrocarburi. Si è formato per azioni chimiche, fisiche e microbiologiche da resti di microorganismi (alghe, plancton, batteri) che vivevano in ambiente marino addirittura prima della comparsa dei dinosauri sulla terra. I principali composti costituenti del petrolio appartengono alle classi delle paraffine, dei nafteni e degli aromatici, che sono composti organici formati da carbonio e idrogeno e le cui molecole sono disposte secondo legami di varia natura.
    /gas esauriti (più di 5.000 m di profondità) oppure giacimenti di carbone.
  • Confinamento nelle profondità oceaniche (opzione in fase di sperimentazione su piccola scala)
  • Stoccaggio minerale attraverso fissazione della CO2 all’interno di minerali per formare componenti a base di carboniocarbonio
    Elemento chimico costituente fondamentale degli organismi vegetali e animali. È alla base della chimica organica, detta anche chimica del carbonio: sono noti più di un milione di composti del carbonio. È molto diffuso in natura, ma non è abbondante: è presente nella crosta terrestre nella percentuale dello 0,08% circa, e nell'atmosfera prevalentemente come monossido (CO) e biossido (CO2) di carbonio (anidride carbonica). Allo stato di elemento si presenta in due differenti forme cristalline: grafite e diamante.
    più stabili. Si tratta di far avvenire il processo che ha dato origine alle Dolomiti, riproducendo “artificialmente”quello che in natura accade in tempi molto lunghi.

Il primo sistema è quello più diffuso, soprattutto perché è stato già sviluppato dall’industria petrolifera con applicazioni pratiche di cui è stata provata la sostenibilità economica. L'aspetto fondamentale del confinamento geologico della CO2 risiede nei meccanismi chimici e fisiciche intervengono e, "intrappolando la CO2, ne impedisconola migrazionein superficie. Inoltre, la presenza di strati di roccia impermeabile sovrastanti, che fungono come una sorta di “tappo”, fornisceuna garanzia ulteriore per la prevenzione di fuoriuscite di anidride carbonica.
Sistemi efficienti di analisi e di monitoraggio dei siti prescelti anche dopo la conclusionedelle operazioni di confinamento garantiranno livelli di perdita ampiamente non apprezzabili di CO2 nell'atmosfera.
Ma quanta CO2 può essere confinata e, quindi, sottratta all’emissione in atmosfera??
L’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) nel suo rapporto IPCC Special Reports - Carbon Dioxide Capture and Storage stima che le capacità di immagazzinamento geologico mondiale siano:

 

Tecnologie di cattura e sequestro della CO2

 

L’UE ha valutato che le potenzialità di stoccaggio nel suolo italiano siano le seguenti:

 

Tecnologie di cattura e sequestro della CO2

 

COSTI

Attualmente ilcosto addizionale delle tecnologie CCS è stimabile incirca 0.03-0.04 $/kWhkWh
Unità di misura dell'energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un'ora.
per gli impianti a carbonee in0.03 per gli impianti a gas.
La tabella seguente mostra un confronto dei costi tra diversi impianti integrati con le tecnologie CCS rispetto ad impianti senza CCS.

 

Tecnologie di cattura e sequestro della CO2

Fonte: IEA CO2 Capture and storage_ A key carbon abatement option)

 

I costi di cattura della CO2 dipendono dalla tipologia d’impianto a cui le CCS vengono applicate e dall’efficienza globale del sistema. In generale l’IEA valuta che l’aumento di costo dovuto all’introduzione delle tecnologie di cattura è tra il 70-100 % rispetto al costo di un impianto senza cattura. Si stima che questi costi potranno diminuire del 15 % circa entro il 2030 grazie alle attività di R&D e ad appropriate politiche pubbliche di supporto finanziario.
I costi di cattura dipendono principalmente dai costi impiantistici aggiuntivi e dal fatto che tali sistemi comportano una diminuzione del rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
elettrico dell’impianto con conseguente aumento del combustibile a parità di potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
prodotta.
Ai costi di cattura vanno sommati (IEA Technology Essentials_CCS):

  • Costi di trasporto, che si aggirano intorno a 1-10 $/t CO2 per 100 km
  • Costi di confinamento e monitoraggio che si aggirano intorno tra 2-5 $/t

 

 

 

PROGETTI NEL MONDO

Esistono già progetti di cattura e sequestro della CO2 nel mondo, a diversi stadi di maturità. Di seguito vi è una breve panoramica.

1.WEYBURN, Canada

Avviato nel 2000, questo progetto, che vede anche la partecipazione dell’Istituto Nazionale di Geologia e Vulcanologia, riguarda il sequestro di CO2 prodotta in un impianto di gassificazione di carbone situato negli USA. La CO2 viene impiegata nelle operazioni di Enhanced Oil Recovery per migliorare la produttività di un giacimento petrolifero.

2.IN SALAH , Algeria

Il progetto riguarda la cattura di CO2 in post combustione nell’impianto a gas di In Salah (Algeria) e il successivo sequestro geologico di 1 milione di tonnellate di CO2 all’anno ad una profondità di 1.8-2 km dalla superficie.

3.SLEIPNER, Norvegia

A Sleipner si trova un giacimento di gas naturale che viene sottoposto ad operazioni di cattura della CO2 prima di essere commercializzato. Nella fase successiva l’anidride carbonica (circa 1 milione di t/anno) viene iniettata in una falda acquifera salina a 1.000 sotto il fondo del mare.

4.KETZIN,Potsdam Germania

Questo progetto, fortemente supportato dalla comunità politica locale, prevede l’iniezione di 10.000-30.000 t CO2/anno per 3 anni nei pressi di un’area urbana a ovest di Berlino. In quest’area, dove sono già presenti infrastrutture di stoccaggio di gas, sono stati scavati 3 pozzi e sono state avviate tutte le procedure di analisi e monitoraggio per valutare e prevenire eventuali rischi.

5.VATTENFALL, Schwarze Pumpe Germania

L’impianto di Vattenfall, in esercizio dal 2008, è un impianto pilota di cattura della CO2 mediante ossi-combustione. L’obiettivo è la realizzazione di un impianto di 250-300 MW in grado di operare grazie all’esperienza maturata in precedenza.

6.CALLIDE, Australia

Il progetto riguarda il retrofitting (ovvero l’adeguamento ambientale) della centrale a carbone di Callide grazie all’applicazione del processo di ossi-combustione. La seconda fase (2010-2013) prevede la dimostrazione della fattibilità dello stoccaggio geologico di un quantitativo di 30.000 tonnellate di CO2 prodotte, sempre crescente.

 

PROGETTI IN ITALIA

In Italia i progetti avviati per sviluppare l’applicazione delle tecnologie CCS sono condotti da Enel e da vari istituti di ricerca impegnati nella dimostrazione della fattibilità tecnico-economica di tali sistemi.

In particolare, i filoni di ricerca e sviluppo che Enel sta portando avanti riguardano:

  • il progetto di post-combustione ZEPT- Zero Emission Porto Tolle, attraverso il quale la CO2 di un’unità da 660 MW della futura centrale a carbone di Porto Tolle sarà catturata e confinata in acquiferi salini entro il 2015,
  • l’accordo con ENI per il trasporto della CO2, catturata tramite ammine e liquefatta in un impianto pilota presso la centrale a carbone di Brindisi Sud, e l’iniezione in un giacimento esaurito di gas a Cortemaggiore a partire dal 2011
  • l’applicazione a Brindisi del processo di ossi-combustione già testato su scala pilota presso l’impianto Isotherm di Gioia del Colle, in collaborazione con ITEA
  • indagini esplorative per valutare la capacità di stoccaggio di CO2 in Italia

Altre iniziative di R&S sono in atto da parte di istituti ed enti quali l’ENEA, Sotacarbo, ERSE, Ansaldo Ricerche, Università di Cagliari, Techint e Politecnico di Milano ed altri sulla gassificazione del carbone ed assorbimento della CO2 (COHYGEN – PR.A.T.O), sul confinamento della CO2 all’interno del bacino carbonifero del Sulcis, sulle tecnologie oxyfuel ecc.

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