CCC 290

OCTOBER 2018

QIAN ZHU

La crescita economica e demografica sono i fattori trainanti dell’aumento della domanda energetica globale. Negli ultimi quattro decenni il consumo energetico annuale è raddoppiato, passando da 4661 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (Mtep) nel 1973 a 9384 Mtep nel 2015 (IEA, 2017). Nei paesi in via di sviluppo, dove è in atto una crescente urbanizzazione, un miliardo di persone vive oggigiorno senza elettricità e un numero analogo ha un accesso limitato. Tali paesi, principalmente in Africa e nell'Asia meridionale, hanno bisogno di una rete energetica affidabile e facilmente accessibile, in grado di mitigare lo stato di povertà delle popolazioni. Paesi come Cina, India e Sud Africa possiedono risorse limitate di petrolio e gas ma abbondanti riserve di carbone. Rispetto al petrolio e al gas, il carbone è a basso costo, il prezzo è meno volatile e il suo utilizzo nella generazione elettrica garantisce un approvvigionamento energetico sicuro e stabile. Sebbene le fonti di energia rinnovabile siano attualmente in rapida crescita, circa l'80% dell'energia mondiale proviene ancora da combustibili fossili, la stessa proporzione degli anni 70; ciò significa che il carbone continuerà ad avere un ruolo chiave nel mix energetico.

Tuttavia, la sua combustione risulta una delle principali fonti di emissione di anidride carbonica (CO₂) e questo desta forti preoccupazioni. Migliorando l'efficienza dei sistemi di generazione di energia da carbone è possibile ridurre la quantità di combustibile, a parità di energia elettrica prodotta, con conseguente riduzione delle emissioni di CO₂, anidride solforosa (SO₂), ossidi di azoto (NO_x), particolato e altri inquinanti. C’è poi la tecnologia di cattura e stoccaggio geologico della CO₂ (CCS), un mezzo per produrre elettricità a basse emissioni di carbonio utilizzando combustibili fossili, in grado di ridurre le emissioni di CO₂ anche dai processi industriali. La tecnologia CCS è una delle strategie chiave per il raggiungimento dell'obiettivo dell'accordo di Parigi di limitare il riscaldamento globale a 2 °C (o almeno 1,5 °C) al di sopra dei livelli pre-industriali. L’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ha modellato centinaia di possibili scenari nel tentativo di delineare percorsi economicamente perseguibili e ottimali per il raggiungimento degli obiettivi di Parigi e, in quasi tutti i modelli proposti, la cattura del carbonio risulta essenziale indipendentemente da altri approcci tesi a mitigare i cambiamenti climatici. Attualmente la tecnologia CCS nel suo complesso è molto costosa e ad alta intensità energetica. In tutto il mondo sono operativi o in costruzione 22 impianti CCS su larga scala, con un risparmio potenziale di circa 37 milioni di tonnellate all'anno (Mt/a) di emissioni di CO₂.

In alternativa allo stoccaggio a lungo termine, la CO₂ catturata può essere utilizzata direttamente, come materia prima, o indirettamente mediante conversione con produzione di prodotti commercializzabili come combustibili liquidi, prodotti chimici, polimeri e materiali da costruzione (figura 1). La CO₂ stessa può quindi fungere da fonte di carbonio riducendo l’input da altre fonti come i combustibili fossili. La tecnologia di cattura e conversione della CO₂ (nota come CCU) permette di generare entrate valorizzando le risorse di carbonio e incentivando le CCS.

L’anidride carbonica viene utilizzata da diversi decenni in vari processi industriali come il recupero di petrolio con CO₂ (EOR), l'industria alimentare e delle bevande, la produzione di urea, il trattamento delle acque, la produzione di ignifughi e di refrigerante. Oggi esiste anche una vasta gamma di tecnologie di utilizzo della CO₂ in varie fasi di sviluppo e commercializzazione che stanno suscitando un interesse crescente. I percorsi tecnologici per la conversione della CO₂ in prodotti commerciali comprendono processi catalitici, elettrochimici, mineralizzazione, biologici (utilizzando microbi ed enzimi), fotocatalitici e fotosintetici.

Figura 1: processi di utilizzo, diretto e indiretto, della CO₂.

Questo rapporto tecnico fa il punto sulle tecnologie ad uso indiretto che convertono la CO₂ in carburanti, prodotti chimici e materie prime.

La conversione elettrochimica della CO₂ risulta un campo della ricerca estremamente dinamico. Sono stati esplorati molti percorsi per convertire la CO₂ a syngas, metano, metanolo o dimetiletere anche sfruttando l’accoppiamento con le energie rinnovabili. Il processo di produzione di Blue Crude della Sunfire GmbH e il processo ETOGAS per la produzione di metano hanno raggiunto uno stadio di sviluppo semi-commerciale e potrebbero presto essere commercializzati su larga scala. Altri processi sono meno maturi ma prossimi alla dimostrazione su scala pilota mentre altri sono in fase di sviluppo concettuale e validazione su piccola scala.

La tecnologia Sunfire si basa sulla co-elettrolisi ad alta temperatura di vapore acqueo (H₂O) e CO₂ utilizzando una cella elettrolitica ad ossidi solidi (SOEC) per produrre gas di sintesi che viene poi convertito in carburanti sintetici come benzina, diesel, cherosene e metano (figura 2).

Figura 2: processo Sunfire per la produzione di Blue Crude.

La SOEC opera ad alta pressione > 1 MPa e ad alta temperatura > 800 ° C. Il syngas può essere convertito attraverso il processo di Fischer-Tropsch in idrocarburi a catena lunga (CH₂-), noti come Blue Crude, per la produzione di combustibili o prodotti chimici. La Sunfire GmbH ha realizzato un impianto pilota a Dresda, in Germania, producendo nell'aprile 2015 i primi lotti di carburante diesel di alta qualità. L'elettrolizzatore da 10 kW opera a 1,5 MPa ed è stato utilizzato ininterrottamente per oltre 1500 ore raggiungendo un'efficienza di conversione del carbonio del 90%. Attualmente sono in corso diverse attività di ricerca e sviluppo su scala mondiale per l’ottenimento di sistemi elettrocatalitici efficienti che permettano di convertire la CO₂ in combustibili e prodotti chimici. La maggior parte degli studi ha lo scopo di identificare e sviluppare catalizzatori ad alta efficienza e selettivi per l'elettrolisi di CO₂ e acqua.

La ricerca nel campo della conversione fotocatalitica e catalitica fototermica della CO₂ ha come obiettivo lo sviluppo di nuovi fotocatalizzatori per convertire la CO₂ a prodotti chimici con elevata efficienza energetica, resa e selettività. Attualmente la maggior parte delle applicazioni sono su scala da banco (bench-scale) e la velocità di conversione della CO₂ in tali sistemi è spesso molto lenta, rendendo l’applicazione attualmente irrealizzabile su scala commerciale.

Sono stati sviluppati diversi processi per la conversione catalitica della CO₂ a metanolo e altri combustibili, e alcuni di questi risultano in fase dimostrativa su scala pilota o in fase pre-commerciale. Ad esempio, l’impianto di produzione da 4000 t/a di CH₃OH dell’Icelandic Carbon Recycling International risulta operativo dal 2012, e converte 5500 t/a di CO₂. Altri promettenti processi sono in fase di sviluppo e prossimi alla dimostrazione su scala pilota o più grande.

Sono in fase di studio diversi interessanti processi di bioconversione da CO/CO₂ come il processo di fermentazione su scala industriale della LanzaTech. Il primo impianto è stato commissionato nel maggio 2018 per la produzione di etanolo e molti altri impianti sono in fase di sviluppo. E’ in corso la sperimentazione su piccola scala di enzimi e batteri ingegnerizzati.

Le tecnologie per la produzione di materiali edili e altri materiali attraverso il processo di mineralizzazione della CO₂ risultano in fase più avanzata. Diverse aziende attualmente forniscono per la produzione di calcestruzzo e altri materiali carbonati. Il calcestruzzo indurito con la CO₂ risulta simile ma migliore del calcestruzzo prodotto tradizionalmente ed è un importante metodo per stoccare la CO₂ a lungo termine. Le tecnologie dei sistemi di produzione attuali sono semplici da installare o ammodernare, risultano economicamente competitive e pertanto sono state rapidamente adottate da diversi produttori di cemento, principalmente nel Nord America. Inoltre, sono in funzione o in costruzione diversi impianti commerciali che utilizzano la CO₂ catturata per trattare una vasta gamma di rifiuti industriali, come polveri di cemento, scorie di acciaio e residui dall’incenerimento di rifiuti solidi urbani, per produrre un aggregato carbonato.

Sono stati fatti significativi sviluppi nella co-polimerizzazione della CO₂ con epossidi per formare policarbonati e/o polioli ciclici. Alcuni processi sono già su scala commerciale e altri sono in via di sviluppo. I polimeri possono contenere più del 50 wt% di CO₂ e risultare in un prodotto finale con ottime performance, forza e resistenza agli agenti atmosferici e costi potenzialmente inferiori.

Sono state condotte diverse analisi del ciclo di vita (LCA) per differenti processi CCU, sebbene alcune siano basate in gran parte su assunzioni. I risultati mostrano che i polimeri derivati dalla CO₂ e il calcestruzzo indurito con CO₂ hanno una miglior performance ambientale e un’impronta di carbonio inferiore rispetto ai prodotti tradizionali. L’LCA della CO₂ a fuel sembra suggerire che i combustibili liquidi come il metanolo, prodotti a partire dalla CO₂ presentano benefici ambientali quando viene utilizzata l’energia rinnovabile come fonte energetica.

L’attuale consumo e riutilizzo della CO₂ è stimato a 0,222 Gt/a e risulta piuttosto ridotto rispetto alla potenziale “fornitura” di CO₂ antropogenica, superiore a 12,7 Gt/a. Nel prossimo futuro, in cui non si prevedono aumenti drastici della domanda di CO₂, si pensa che la tecnologia CCU avrà un ruolo importante nella mitigazione dei cambiamenti climatici. Il recupero e il riutilizzo della CO2 è un elemento chiave per trasformare l’attuale economia lineare in un'economia circolare e spingere le industrie manifatturiere e energetiche verso una produzione a basso tenore di carbonio. FDessì