Questo report è incentrato sull'uso delle ceneri volanti dell'antracite. La cenere volante o fly ash ("CFA") è il residuo minerale fine del particolato, estratto dalla corrente di gas di combustione del carbone, per essere stoccato in attesa di essere utilizzato o miscelato con acqua.

Le ceneri volanti sono costituite per il 90% da alluminosilicati amorfi (3/4) e cristallini (1/4) che contengono ferro e ossidi di calcio, mentre il restante 10% è una miscela di vari ossidi metallici e carbonio residuo. La CFA è strettamente correlata alla pozzolana che deriva dall'argilla e dalla sabbia trattate termicamente durante l'eruzione vulcanica.

L'effetto netto delle chiusure delle centrali elettriche a carbone in Europa e negli Usa è la riduzione delle forniture di ceneri volanti, con la necessità di importarle. Anche perché la domanda di prodotti da costruzione che includono ceneri volanti è in aumento in tutto il mondo. Ad esempio, negli Stati Uniti la domanda è aumentata del 40% in 10 anni e la CFA richiesta per cemento, calcestruzzo e costruzione di strade è salita a oltre 111 Mt/a nel 2017. In Europa, esiste una gamma più limitata di utilizzo con 34 Mt/a per cemento e strade.

Prima considerato semplicemente un materiale di scarto, le ceneri volanti sono oggigiorno un prodotto di valore commerciale con un consistente mercato internazionale. I cementi che incorporano la cenere richiedono meno acqua, hanno un consumo di carburante ed energia inferiore e riducono al minimo la quantità di materie prime estratte.

Essendo il maggior sottoprodotto industriale dei rifiuti solidi delle centrali elettriche a carbone, il suo accumulo è inevitabile. Per questo motivo i governi hanno incoraggiato l'utilizzo commerciale delle ceneri volanti. Il consumo globale annuo di carbone è di circa 6 miliardi di tonnellate, il che comporta la produzione di oltre 1 miliardo di tonnellate di ceneri volanti (IEA, 2018).

La produzione e la disponibilità di ceneri volanti è strettamente correlata alla generazione elettrica da carbone, attuale e futura. Il mercato di riferimento è quello asiatico, dove Cina e India sono i principali produttori di energia elettrica da carbone. In questo settore, in Cina è prevista una capacità aggiuntiva di 226 GW, mentre in India saranno installati 94 GW nel prossimo decennio. Insieme, si prevede che queste nuove centrali a carbone produrranno ulteriori 200 Mt/a di ceneri volanti. Il governo cinese sta già promuovendo nuove tecnologie per massimizzare l'uso di ceneri volanti: nelle aree costiere industrializzate, in particolare il delta del fiume Yangtze e del Pearl, così come nel Bohai Rim, viene utilizzata tutta la CFA locale. Nelle aree meno industrializzate, l'utilizzo è inferiore al 30%.

La Figura 1 contrappone la domanda di CFA per Cina e India. Costruzione e ingegneria costituiscono l'uso dominante in Cina; impieghi minori comprendono la costruzione di strade e l'agricoltura e, in modo univoco, vengono trattati circa 20 Mt / anno per estrarre l'alluminio, riducendo le importazioni di bauxite.

[caption id="attachment_13286" align="alignnone" width="640"] Figura 1.Utilizzo di CFA in Cina 2013 e India 2016-17.[/caption]

Il profilo della CFA per l'India è molto diverso. Mostra infatti una transizione da una tradizionale industria dei laterizi a una moderna industria delle costruzioni a base di ceneri e cemento. Altre applicazioni includono la bonifica dei terreni, la pavimentazione stradale, il riempimento di miniere esauste e la creazione di dighe.

Nel 2019 il governo indiano ha stabilito che tutte le industrie manifatturiere di laterizi nel raggio di 300 km da una centrale elettrica dovranno produrre mattoni con cenere volante. Provvedimento che fa parte dell'iniziativa per ridurre le emissioni di CO₂, ed evita il consumo di circa 400 Mt/a di terreno fertile per fornire l'argilla necessaria.

La quantità di cenere prodotta in Europa e negli Stati Uniti è di un ordine di grandezza inferiore a quella per l'Asia ed è comunque in calo. Il futuro delle ceneri volanti è infatti influenzato dalle politiche di dismissione graduale delle centrali a carbone: dal 2010 sono state chiuse 289 centrali a carbone negli Stati Uniti, pari al 40% della capacità produttiva nazionale. Sebbene 241 impianti rimangano aperti, è stata annunciata un'ulteriore riduzione della capacità di oltre 40 GW, l’equivalente di 55 impianti chiusi.

Nell'Europa occidentale, molti paesi prevedono di eliminare gradualmente il carbone entro il 2025. Germania e Polonia mantengono il 51% della capacità installata di carbone nell'Unione Europea. La Germania è attualmente (2019) il più grande produttore di energia da carbone, ma ha in programma di chiudere tutte le 84 centrali a carbone (la tempistica è in corso di revisione periodica). Al contrario, la Polonia insiste sul carbone e mantiene la capacità delle proprie centrali, scelta che la farà diventare il principale fornitore di ceneri volanti in Europa.

[caption id="attachment_13287" align="alignnone" width="640"] Figura 2.Utilizzo di ceneri volanti in Europa e USA (ECOBA-2016-American-Coal-Ash-Association-ACAA-2018).[/caption]

Ingegneria e costruzioni

La CFA è impiegata principalmente nel settore delle costruzioni, come sostituto del clinker di cemento, nella produzione di riempimento fluido e calcestruzzo espanso, aggregati, mattoni, cemento e geopolimeri a bassa densità. Il calcestruzzo è il principale materiale da costruzione artificiale: la produzione supera i 10 miliardi di tonnellate ogni anno, il secondo bene di maggior consumo dopo l'acqua. La CFA può sostituire parzialmente il cemento Portland nella produzione di calcestruzzo. La sua inclusione migliora la durata e la resistenza del calcestruzzo, essenziale per costruire grandi strutture come ponti, grattacieli e dighe.

La sostituzione parziale dell'OPC (Ordinary Portland Cement), con ceneri volanti consente di utilizzare un prodotto di scarto, altrimenti destinato alla discarica, e di ridurre le emissioni di CO₂ dovute alla produzione di calcestruzzo e cemento, conferendo proprietà superiori ai prodotti da costruzione.

La cenere volante di carbone è una polvere fine, pronta per essere combinata direttamente con l’OPC. Poiché non richiede ulteriore trattamento termico o macinazione, si ottiene un risparmio di gas serra di 0,8 tCO₂ per ogni tonnellata di OPC sostituito. Il risparmio di emissioni può variare tra 0,54–1 tCO2/t di cemento in base all'effettiva efficienza del forno.

La sostituzione del 25% di OPC può ridurre la domanda d'acqua fino al 10% grazie alle proprietà pozzolaniche del CFA, garantendo un risparmio di 15 litri di acqua per ogni metro cubo di calcestruzzo. Inoltre, la presenza di ceneri inibisce la reazione di idratazione del cemento. Questo si traduce in un prodotto più resistente con un minor numero di microfratture e ridotta permeabilità all'acqua.

L'inclusione della CFA può portare alla formazione ritardata di cristalli di ettringite, causa di screpolature e desquamazione del calcestruzzo. Alcuni studi hanno dimostrato che la formazione di ettringite può essere favorita se è presente un eccesso di umidità durante l'indurimento.

L’uso delle ceneri volanti per fabbricare mattoni desta preoccupazioni in quanto possono essere contenute sostanze tossiche e traspirabili. Il problema principale è la presenza di mercurio, arsenico e cadmio. Generalmente, i componenti tossici in tracce vengono incapsulati all'interno del mattone mentre alcuni componenti sono pacificati dal processo di vulcanizzazione. Le analisi di campioni granulati di mattoni e calcestruzzo contenenti CFA hanno dimostrato che l'incapsulamento in una matrice idrorepellente genera percolato simile a materiali di cemento Portland ordinari (OPC) privi di ceneri. La presenza del mercurio a temperature elevate risulta inferiore, probabilmente a causa della presenza di carbonio residuo.

Estrazione di metalli

Alcuni tipi di carbone sono relativamente ricchi di elementi di terre rare (REE), che si concentrano nelle ceneri volanti una volta bruciati. La CFA fornisce quindi un approvvigionamento sicuro di REE e altri metalli critici e preziosi, soprattutto in quei paesi in cui è stoccata in discariche o stagni, o dove il carbone rimane una parte importante del settore della produzione di energia, come Cina, India, Sudafrica, Unione Europea (in particolare Romania e Polonia) e gli Stati Uniti. Quando la loro concentrazione è paragonabile, o addirittura superiore ai minerali convenzionali, dato il loro elevato valore, i processi di estrazione sono economicamente sostenibili. I prezzi variavano da 7 US $/kg per il lantanio a 15.000 US $/kg per lo scandio alla fine del 2017 (http://mineralprices.com).

L'utilizzo di CFA mostra notevoli vantaggi, poiché evita alcune delle conseguenze ambientali derivanti dall'estrazione convenzionale dei minerali. Non richiede scavi e il suo trattamento consente la rimozione di elementi come arsenico, cadmio e selenio, che possono lisciviare durante lo stoccaggio e contaminare le acque superficiali e sotterranee. La forma di polvere fine, semplifica il trattamento chimico. E anche i costi finanziari e ambientali dello smaltimento sono ridotti.

A differenza dei minerali estratti che contengono poche varietà, la CFA contiene l'intera gamma di REE. Utilizzando acidi riciclati provenienti dall’unità di lavaggio dello zolfo, Neumann Systems riesce a recuperare dalla cenere della centrale elettrica di Martin Drake minerali per un valore complessivo di 49 milioni di dollari l'anno. Non mancano però gli svantaggi. La composizione della cenere può cambiare in base alla fornitura di carbone, influendo così sulla fattibilità e la convenienza economica del processo di estrazione. Inoltre, l'estrazione dei metalli dalla CFA può generare rifiuti che richiedono un'attenta gestione.

La CFA contiene in genere il 25–35% in peso di allumina (Al₂O₃), sufficiente fonte potenziale o supplementare di allumina e di recupero dell'alluminio. In Cina sono stati costruiti diversi impianti per il recupero dell'allumina da ceneri volanti. Il contenuto di allumina di CFA cinese può raggiungere il 40-50% in peso, simile alla bauxite di grado medio.

Le ceneri volanti sono anche una fonte consolidata di germanio.

Agricoltura e terra

L’aggiunta di CFA ai suoli non è un’applicazione nuova. In India, sono stati utilizzati 0,13 Mt nel settore agricolo nel periodo 1989-1999, fino a 1,92 Mt nel 2016-17. Circa il 3% di CFA, superiore a 10 Mt, è utilizzato a fini agricoli in Cina.

Data la crescente domanda di cibo e acqua, l'aggiunta di CFA ai suoli, specialmente se combinata con il letame, ha effetti benefici, come il controllo dell'acidità del suolo, il miglioramento della consistenza e ritenzione idrica, che cambiano a seconda della natura del suolo, delle proprietà della cenere e della coltura. L'idoneità di questa applicazione dipende dalla concentrazione di elementi tossici, principalmente arsenico e piombo. La preoccupazione per il bioaccumulo di elementi tossici è un fattore che ne impedisce un maggiore sfruttamento in agricoltura.

 Altre applicazioni

La CFA è principalmente costituita da silicato di allumina, può quindi sostituire i supporti catalitici più costosi, a base di zeolite. I catalizzatori di zeolite rappresentano circa la metà di tutti i catalizzatori e sono importanti per la purificazione di acqua e gas. La ricerca attuale sta valutando la possibilità di utilizzare la CFA come assorbente di CO₂ per ridurre il costo delle tecnologie CCS.

L'incorporazione di nuovi nanomateriali nel cemento da CFA e nei geopolimeri sta portando alla produzione di compositi di metalli più leggeri, a basso costo che emulano la resistenza dell'acciaio.

L'applicazione di ceneri volanti come propellente può migliorare l'estrazione di petrolio e gas nel fracking, con l'effetto collaterale di aumentare la concorrenza al carbone negli Stati Uniti e accelerarne la dismissione.

Le cenosfere sono un prezioso prodotto delle ceneri a bassa densità richiesto come materiale di riempimento.

L’integrazione del CFA per la produzione di diverse tipologie di materiali è altamente vantaggiosa poiché consente di preservare le risorse, ridurre i costi dei materiali, costruire strutture più robuste e contribuire a ridurre le emissioni di inquinanti e CO₂. Inoltre, si allinea agli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite per mitigare l'impatto dell'urbanizzazione e della crescita della popolazione. AMasili

CCC/303 April 2020 DR Ian Reid, Anne M Carpenter and DR Alice Masili