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CCC/250

La rimozione della CO2 dai gas di scarico delle centrali tramite microalghe

Xing Zhang

La combustione di combustibili fossili per la generazione elettrica produce un gas di scarico costituito per la maggior parte da CO2, N2, O2, ed in minor quantità da CO, NOx, SOx, idrocarburi non combusti (CxHy), metalli pesanti e particolato. Recentemente sono state sviluppate diverse tecnologie di cattura della CO2 da centrali elettriche alimentate a carbone; una di queste è la cattura biologica in post-combustione. La capacità delle microalghe, microrganismi procarioti o eucarioti, di fotosintetizzare e crescere rapidamente offre la possibilità di utilizzarle per la cattura dell’anidride carbonica. Queste sono presenti in tutti gli ecosistemi, non solo acquatici ma anche terrestri, rappresentando un’ampia varietà di specie capace di vivere in diverse condizioni ambientali. Se comparata con gli attuali processi di rimozione della CO2 sia fisici che chimici, la separazione della CO2 tramite microalghe è ambientalmente più ecologica e sostenibile e non inficia negativamente l’efficienza termica dell’impianto. I vantaggi dell’utilizzo delle microalghe nella cattura della CO2 post- combustione del carbone sono diversi:
non è richiesta CO2 ad elevata purezza per la coltura algale. Gas di scarico contenenti diverse quantità di CO2 possono essere alimentati tal quali alla coltura microalgale; questo semplifica significativamente la separazione della CO2; i prodotti della combustione quali NOx o SOx possono efficacemente essere usati come nutrienti per le microalghe; questo potrebbe potenzialmente evitare l’uso di sistemi di “scrubbing” del gas di scarico; le microalghe potrebbero produrre prodotti ad alto valore commerciale quali biofuel e biomasse. La vendita di questi potrebbe compensare i costi di capitale e operativi del processo di cattura; l’ipotetico processo è rappresentato da un ciclo rinnovabile con un ridotto impatto ambientale.

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Figura 1. Diagramma di flusso della cattura della CO2 da gas di scarico derivante dalla combustione del carbone (Van Den Hende et. al, 2012)

La tecnologia
La cattura microalgale della CO2 è un processo complesso, specialmente quando condotto sul gas di scarico. Attraverso il processo chimico-fisico di fotosintesi, le microalghe convertono la CO2 in composti organici avvalendosi dell’energia luminosa e rilasciando ossigeno molecolare. Le cellule microalgali contengono approssimativamente il 50% di carbonio nelle quali 1.8 Kg di CO2 possono essere fissati producendo 1 Kg di biomassa. Il processo è influenzato sia da parametri fisico-chimici quali concentrazione della CO2, inquinanti nel gas di scarico, densità iniziale di inoculazione, temperatura della coltura, luce, nutrienti e pH, sia da parametri idrodinamici quali ad esempio flusso, miscelazione e trasferimento di massa. Tali parametri sono connessi ed interagiscono l’uno con l’altro. E’ cruciale considerare gli effetti che influenzano il processo per potenziare la crescita microalgale e la sua tolleranza ambientale. La crescita microalgale avviene da produzione fotoautotrofa o eterotrofa.

Rispetto alle condizioni di coltura, la scelta delle specie microalgali è importante poiché ne influenza l’efficienza fotosintetica, e conseguentemente, le prestazioni della fissazione del carbonio e della produzione di biomassa. Le caratteristiche vantaggiose delle specie microalgali per la cattura della CO2 comprendono una elevata velocità di crescita e di fotosintesi, spiccata tolleranza e adattabilità ambientale, tolleranza alle alte temperature, possibilità di produrre prodotti ad elevato valore di mercato e facilità nel raccolto e nella processabilità. Questo perchè gli aspetti economici della cattura della CO2 possono essere significativamente migliorati se i prodotti possono essere commercializzati.

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Figura 2. Laghi di produzione su scala pilota (Touchstone Research Laboratory, Wooster, OH, USA)

 La coltivazione microalgale può essere realizzata in sistemi aperti quali stagni o laghetti, oppure in sistemi chiusi denominati fotobioreattori, ovvero contenitori di coltura chiusi, illuminati e progettati per la coltivazione microalgale controllata. I primi sono generalmente meno costosi in termini di costruzione e operabilità, più duraturi e con elevata capacità di produzione se confrontata anche ai grandi reattori.

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Figura 3. Progetto Daqi (Mongolia), 2014

In ogni caso, i sistemi aperti sono maggiormente sensibili alle condizioni metereologiche, non permettendo il controllo della temperatura, dell’evaporazione dell’acqua, e della luce. La contaminazione rappresenta inoltre una seria minaccia di successo dei sistemi aperti. Sono richieste inoltre ingenti quantità di acqua. Contrariamente, i fotobioreattori possono superare questi limiti possedendo il vantaggio di una migliore stabilità operazionale e di controllo, in termini di pH, temperatura, luce, concentrazione di CO2. Gli elevati costi dei reattori rappresentano ancora un ostacolo per una coltivazione massiva delle microalghe. La chiave per promuovere l’uso delle microalghe nella cattura della CO2 è quello di rendere i fotobioreattori economicamente più accessibili.

Le tecnologie per processare e ottenere prodotti di valore dalle microalghe sono già disponibili. Tuttavia, molte delle tecnologie esistenti sono adattate a partire da quelle in uso nel settore alimentare, biofarmaceutico e del trattamento delle acque reflue; non sono quindi specifiche per la produzione algale, richiedono grandi quantità di energia, risultando quindi inefficienti. Queste sono quindi le aree che necessitano di ulteriori studi e sviluppi per migliorare gli aspetti economici della fissazione algale del carbonio. Il trasporto dei gas di scarico rappresenta un altro limite. La soluzione ottimale sarebbe mantenere la coltivazione algale vicino alla sorgente di CO2 in modo da ridurre o azzerare il costo per la costruzione di lunghi gasdotti per il trasporto. Inoltre la coltivazione richiede una vasta superficie a disposizione; la cattura di CO2 emessa da un grande impianto richiede un’area di alcune centinaia di chilometri quadrati. Per nuovi impianti che prevedono l’uso della bio-fissazione algale come approccio CCS (Carbon Capture Sequestration), è necessario selezionare siti con disponibilità di una vasta area per la coltivazione. Questo potrebbe essere un problema per centrali esistenti.

Un altro potenziale vantaggio dell’approccio bio-CCS è la combinazione della fissazione della CO2, produzione di biomassa e del trattamento delle acque reflue. Composti a base di azoto e fosforo contenuti nelle acque di scarico possono essere usate su alcuni ceppi di alghe.

La velocità di fissazione della CO2 delle microalghe risulta essere troppo bassa per competere con i metodi utilizzati nelle CCS. L’utilizzo del gas di scarico per le colture algali è maggiormente applicabile alla generazione di prodotti ad elevato valore commerciale piuttosto che alla fissazione del carbonio. Poiché le microalghe contengono lipidi (7-23%), carboidrati (5-23%), proteine (6 52%), questi costituenti possono essere convertiti in prodotti commerciali che possono essere classificati in applicazioni per combustibili e non-combustibili. Tali prodotti possono essere cibo, cosmetici, medicinali, fertilizzanti, bio-molecole e bio-fuel (biodiesel, biogas, bio-idrogeno, bioetanolo). Le compagnie elettriche saranno disponibili a investire ingenti capitali, vaste aree e quantità di acqua, solo se i prodotti microalgali potranno essere venduti ad un prezzo competitivo.

Progetti in corso
Vi sono molti progetti di ricerca su scala dimostrativa riguardanti l’utilizzo del gas di scarico per la crescita delle alghe; tra quelli maggiormente avanzati si possono citare “Algadisk, EniTecnologie in Italia, LanzaTech in Nuova Zelanda, CO2Algaefix in Spagna, Algaelink in Olanda, AlgaeCAT nel Regno Unito”, e molti altri negli Stati Uniti. Altri importanti progetti su impianti alimentati a carbone sono: la centrale elettrica Algae Tec and Bayswater, la centrale MBD Energy and Tarong, la centrale Energie-Versorgung Niederösterreich AG and Duernrohr, la centrale Seambiotic and Penglai, il progetto ENN Energy Group and Daqi, gli impianti Taipower and the Da-Lin and Lin-Kou, la centrale E.ON Hanse AG and Hamburg-Reitbrook, la centrale RWE and Niederaussem, la centrale Vattenfall and Senftenberg, la centrale West Bengal Power Development Co, la centrale Seambiotic and Rutenberg, la centrale MBD Energy and Khanyisa. Attualmente il solo impianto Seambiotic operante in Israele è commercialmente attivo nel produrre grandi quantità di alghe usando il gas di scarico di un impianto alimentato a carbone. Ad eccezione di quest’ultimo, gli Stati Uniti sono in testa al resto del mondo nella ricerca e sviluppo nel campo dell’utilizzo dei gas di scarico sulle colture microalgali. Le compagnie leader nella produzione microalgale sono pressoché pronte per portare la bio cattura e utilizzo del carbonio sul mercato come alternativa attuabile e fattibile alle tecnologie CCS. Tuttavia i ceppi che possono crescere in condizioni come quelle presenti nei gas di scarico spesso non hanno un alto valore commerciale. Se queste compagnie devono pagare le compagnie elettriche per riutilizzare i gas di scarico solo per avvallare le tecnologie CCS, potrebbero non trovare motivazione nel produrre biomassa da alghe a basso costo. Perciò è molto importante per le compagnie algali ed elettriche stabilire una collaborazione vantaggiosa per entrambe al fine di condividere costi e profitti.

Conclusioni
E’ innegabile che le microalghe possono essere usate per la fissazione biologica della CO2. Sebbene questo richieda una non trascurabile domanda energetica e costi dell’apparecchiatura, la mitigazione della CO2 con le microalghe può essere considerata una tecnica CCU (Carbon Capture and Utilization) ovvero di cattura e utilizzo della CO2 poiché in grado di generare prodotti a valore aggiunto. Perciò la CO2 diviene materia prima piuttosto che prodotto di scarto. Risulta chiaro che la cattura della CO2 tramite le microalghe è tecnicamente attuabile e presenta un potenziale economico. Prima che i fotobioreattori diventino efficienti ed economicamente disponibili, la cattura algale della CO2 è meglio considerarla come tecnologia per fornire prodotti ad elevato valore di mercato piuttosto che come diretto concorrente delle tecnologie CCS. MMureddu