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CCC/265

Nuove tecnologie per la cattura dell’anidride carbonica da carbone
Toby Lockwood
Maggio 2016

Il processo di cattura della CO2 è fortemente legato al processo di produzione della stessa e in generale richiede l’aggiunta di una o più fasi al processo di produzione tradizionale. Questo perché l’anidride carbonica si trova miscelata con altri gas, come azoto, vapor d’acqua o altre sostanze chimiche indesiderate.
Una volta separata l’anidride carbonica dalle altre sostanze, essa può essere compressa e trasportata. Le tecnologie di separazione dell’anidride carbonica sono tutte tecnologie commercialmente mature e impiegate in diverse tipologie d’impianti.
Gli approcci per separare l’anidride carbonica dalle correnti gassose sono i seguenti:
• Post-combustione: l’anidride carbonica è separata dai gas di scarico alla fine del processo di produzione;
• Pre-combustione: i gas (per esempio idrogeno, monossido di carbonio, metano e anidride carbonica) sono generati da combustibili fossili o biomasse (syngas) in particolari condizioni ( alta pressione). Separata l’anidride carbonica dalla corrente gassosa si ottiene un miscela combustibile. In alcuni casi si può procedere alla conversione di parte del monossido di carbonio per ottenere idrogeno e anidride carbonica, la quale può essere poi separata.
• Ossi-combustione: Ossigeno puro o ad alta concentrazione è impiegato come comburente ottenendo cosi una corrente gassosa ricca di anidride carbonica e vapore d’acqua.
L’aumento considerevole dei costi legato all’impiego delle tecnologie CCS (Carbon Capture and Storage) ne ha di fatto impedito l’impiego nelle centrali termoelettriche alimentate a carbone. Notevoli sforzi sono stati compiuti dalla comunità scientifica per sviluppare nuove tecnologie più efficienti in grado di fornire un’alternativa più economica per la produzione di energia elettrica a basso impatto ambientale.
I diversi gruppi di ricerca a livello mondiale, stanno concentrando i propri sforzi sullo sviluppo di processi di cattura dell’anidride carbonica che consentano di limitare a 20$/t il costo per la cattura dell’anidride carbonica, in modo tale da avere un aumento del costo dell’energia elettrica inferiore al 30% rispetto agli impianti convenzionali. Per quanto riguarda la separazione in post-combustione, gli studi si stanno concentrando nello sviluppo di solventi che possiedono le seguenti caratteristiche:
• Elevata velocità di assorbimento e di desorbimento;
• Elevato limite di caricamento (moliCO2/molisolvente);
• Bassa energia richiesta per la rigenerazione;
• Comportamento non corrosivo,
• Bassa tendenza alla degradazione nelle condizioni di lavoro,
• Bassa volatilità e buona stabilità chimica;
• Non tossicità e pericolosità;
• Basso costo.
Attualmente nonostante gli intensi sforzi volti allo sviluppo di nuovi solventi, il processo di cattura in post-combustione richiede ancora molta energia termica per la rigenerazione del solvente, ingenti investimenti e problematiche ambientali legate alla tossicità e alla aggressività dei solventi.
Le principali strategie per ridurre il fabbisogno energetico relativo alla fase di rigenerazione delle soluzioni sono legate allo sviluppo di nuovi solventi che non impiegano l’acqua come solvente o di sistemi che sfruttano la separazione di fase.
I processi che sfruttano la precipitazione dei sali che si formano durante il processo di assorbimento dell’anidride carbonica mostrano i maggiori vantaggi in termini di riduzione dei costi di cattura rispetto ai solventi liquidi, ma presentano ancora problematiche di tipo tecnico da risolvere. Attualmente questi due meccanismi di cattura non permettono di ridurre il costo di cattura al di sotto dei 40$/t.
Anche i liquidi ionici sono stati studiati in maniera approfondita, in quanto la loro rigenerazione è molto meno energivora. L’aspetto critico dei liquidi ionici resta ancora il loro elevato costo e la loro eccessiva viscosità.
Sono state testate anche miscele di liquidi ionici con soluzioni a base di ammine. Queste miscele consentono di migliorare la capacità di caricamento dei solventi classici con un aumento limitato di costo.
Inoltre è stato anche valutato l’uso dell’enzima carbonato deidratasi che favorisce il processo di assorbimento e rigenerazione di solventi come per esempio K2CO3.
Anche i sorbenti solidi hanno prestazioni interessanti dal punto di vista sia energetico che economico. Tale tecnologia è matura nella rimozione dell’anidride carbonica dall’idrogeno.
L’applicazione di questa tecnologia su correnti gassose che presentano elevate concentrazioni di anidride carbonica e grandi volumi risulta essere ancora molto problematica. Attualmente la tecnologie è stata testata solo su media scala in diversi impianti. Il principale processo testato per la rigenerazione del sorbente è il VPS (Vacuum Pressure Swing).
Attualmente la ricerca sta mettendo a punto il più promettente TSA (Temperature Swing Adsorption) per la rigenerazione dei sorbenti solidi. Quest’ultimo metodo di rigenerazione implica un efficiente scambio termico all’interno del reattore. Attualmente si stanno sviluppando nuovi reattori che riducano al minimo le inefficienze di questo processo, come per esempio i reattori a letto fluido.
Inoltre studi condotti hanno messo in evidenza che l’integrazione termica tra la fase di cattura della CO2 e di rigenerazione del sorbente, può ridurre i costi operativi fino a 30$/t di CO2 catturata.
Il processo calcium looping è un processo che anch’esso appartiene alla tecnologie di seconda generazione per la cattura dell’anidride carbonica. Esso genera energia che consente di contenere le perdite energetiche al di sotto del 5%, permettendo di raggiungere un costo di cattura dell’anidride carbonica vicino ai 20$/t. La rigenerazione del sorbente avviene all’interno della caldaia alimentata con ossigeno puro.
Anche le membrane sono commercialmente disponibili e le principali criticità sono legate ai grandi volumi da trattare e alla bassa concentrazione di anidride carbonica nei gas di scarico.
Il principale fattore limitante nell’impiego delle membrane è la resistenza meccanica ai gradienti di pressione. Per risolvere questo problema si impiegano comunemente sistemi a doppio stadio.
I processi di cattura dell’anidride carbonica che sfruttano le membrane hanno tuttavia costi operativi proibitivi maggiori di 40$/t di anidride carbonica catturata.
La cattura dell’anidride carbonica in pre-combustione negli impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) offre attualmente minori risparmi energetici ma allo stesso tempo si presta maggiormente per i sistemi di cattura di nuova generazione. Studi condotti hanno stimato un costo di cattura della CO2 inferiore ai 30$/t.
Per quanto riguarda l’ossi-combustione notevoli progressi sono stati fatti nell’efficientamento dell’ASU (Air Separation Unit). Le membrane ceramiche a trasporto ionico per la produzione di ossigeno sviluppate da Air Products hanno mostrato ottime performance, anche se risultano essere costose.
Oltre allo sviluppo dell’ASU, la comunità scientifica sta lavorando allo sviluppo di nuovi bruciatori ottimizzati per l’ossi-combustione. Anche l’ossi-combustione in pressione mostra ottime prestazioni rispetto all’ossi-combustione convenzionale.
Un’altra tecnologia che sta ricevendo un crescente interesse è il chimica looping combustion. Attraverso questa tecnologia non vi è necessità di un face di separazione dell’anidride carbonica dalla corrente gassosa, inoltre sono limitate le perdite di efficienza legate alla compressione della CO2. Questo tipo di processo è particolarmente adatto per la termovalorizzazione dei rifiuti, consentendo di limitare a 15$/t il costo per la cattura dell’anidride carbonica.
Tutti gli studi di ricerca hanno messo in evidenza che i processi che hanno mostrato i migliori parametri economici sono quelle tecnologie che non hanno bisogno di una fase di rigenerazione dell’anidride carbonica separata. Queste tecnologie non si possono applicare su impianti esistenti ma sono in grado di contenere fortemente i sovracosti introdotti dalla cattura dell’anidride carbonica.
Ad oggi risulta necessario sviluppare tecnologie che si prestino all’installazione a posteriori su impianti esistenti in grado di minimizzare le penalizzazioni energetiche come per esempio la tecnologia “calcium looping” in grado di auto produrre l’energia necessaria per la rigenerazione dei sorbenti.
I sistemi basati sull’impiego di ammine sono tecnologicamente maturi e il loro impiego in grandi impianti dimostrativi riscuote maggiore interesse da parte degli investitori. Va messo in evidenza che è necessaria una drastica riduzione dei costi, per permettere la diffusione a livello commerciale di questo tipo di tecnologia. Inoltre anche le tecnologie sopra citate risultano essere quasi tutte molto lontane da grandi applicazioni dimostrative.
Anche altri fattori giocano un ruolo importante per lo sviluppo o meno di una tecnologia relativa alla cattura dell’anidride carbonica come per esempio le leggi e mercati nazionali, la flessibilità dell’impianto, la disponibilità di acqua e spazio disponibile.
L’attuale eccessivo dispendio energetico per i sistemi di cattura implica un maggiore consumo di combustibili fossili e queste problematiche si ripercuotono anche a livello politico e sociale. Le nuove tecnologie per la separazione dell’anidride carbonica che hanno prestazioni energetiche migliori ad un costo contenuto otterranno una maggiore accettazione da parte dell’opinione pubblica e godranno di un maggiore supporto politico. APorcu