Andrew Minchener

Fondamenti e requisiti preliminari per l'impiego del carbone nei combustibili di nuova generazione

La gassificazione è il processo col quale un carbone di basso rango è convertito in gas di sintesi dal più alto valore energetico, composto prevalentemente da monossido di carbonio e idrogeno. I moderni sistemi di conversione del carbone, basati sulla gassificazione, permettono, con un importante investimento di capitale iniziale, di produrre una vasta gamma di prodotti chimici e di nuovi combustibili come il metanolo, il dimetiletere, il gas naturale sintetico, oltre a carburanti liquidi per il settore dei trasporti, come mostrato nella sottostante figura 1. Di conseguenza, molti di questi progetti vengono intrapresi per ragioni strategiche, soprattutto nei paesi in via di sviluppo e industrializzazione dove il carbone è la fonte primaria di combustibile e la disponibilità di petrolio e gas è limitata, garantendo al contempo un certo livello di sicurezza energetica nazionale e un impatto ambientale ridotto.

[caption id="attachment_11674" align="alignnone" width="640"] Figura 1. Prodotti finali della conversione del carbone (Seeking Alpha, 2012)[/caption]

I prerequisiti da soddisfare per poter sviluppare e diffondere l’utilizzo di questa tecnologia, sono:

• la disponibilità di grandi riserve di carbone a basso costo, non impiegate sia per la bassa qualità che per la difficile accessibilità;
• la volontà e la capacità governative di supportare finanziariamente i grandi investimenti richiesti;
• la copertura dei costi delle infrastrutture necessarie per la fornitura delle materie prime e per il trasporto dei prodotti finiti;
• la legislazione adeguata a soddisfare i requisiti di produttività

Leader del settore

Le incertezze finanziarie insite nella realizzazione degli impianti di conversione del carbone, i cui prodotti sono meno concorrenziali rispetto a quelli derivanti dai processi petrolchimici, hanno limitato l'adozione di queste tecnologie. Ciò fornisce un esempio significativo del conflitto tra pianificazione strategica a lungo termine e opportunità a breve termine.

Il primo paese a sfruttare commercialmente il carbone è stato il Sudafrica, a partire dal periodo in cui era politicamente sconveniente importare il petrolio. Da allora la produzione di combustibili sintetici coal-to-liquids (CTL) è stata mantenuta stabile. Attualmente, il Sudafrica, attraverso la società Sasol, gestisce a Secunda l'unico impianto CTL di taglia commerciale con una capacità produttiva di 160.000 bbl/d (barili/giorno) di petrolio equivalente. La domanda interna di prodotti petroliferi è così soddisfatta dalla conversione del carbone per circa il 30% del fabbisogno di benzina e diesel.

Un secondo impianto su scala commerciale per la produzione di gas naturale sintetico da lignite è stato realizzato nel nord Dakota, negli Stati Uniti, ma non è stato sfruttato a lungo, vista l’ampia disponibilità, a costi inferiori, di fonti di gas alternative.

Questo report focalizza l’attenzione sulla Cina, nuovo leader nel settore delle tecnologie su scala commerciale di conversione del carbone, principalmente di basso rango, in prodotti chimici e nuovi combustibili. La realizzazione di tali progetti su larga scala necessita di un massiccio investimento iniziale per finanziare sia l’impianto che le relative infrastrutture. Il costo di produzione del carbone è stimabile con una buona precisione e di solito è relativamente stabile. Al contrario i costi di petrolio e gas, materie prime alternative al carbone, sono sempre stati più volatili. Pertanto, supposta una vita utile dell’impianto pari a 50 anni, la redditività del processo è difficilmente stimabile, in quanto ci sono periodi in cui i prodotti ottenuti da petrolio e gas sono più competitivi di quelli da carbone.

Sfide commerciali

In Cina destano parecchie preoccupazioni gli elevati costi di approvvigionamento e l’incertezza sulla stima dei prezzi futuri di petrolio e gas. L’eccezionale crollo del prezzo internazionale del petrolio, da oltre 100 US$ al barile (US$ /bbl) ad appena 30 US$/bbl nel 2014, ha avuto un impatto notevole sull’intera programmazione nel settore di conversione del carbone della Cina. Infatti, il punto di pareggio o break-even del greggio, per cui i processi CTL e CTSNG (coal-to-syntetic natural gas) risultano più attraenti dal punto di vista finanziario, si ha quando il prezzo del petrolio è compreso tra 60-70 US$/bbl. Il valore esatto dipende anche dal processo produttivo, dal costo del carbone e dalle caratteristiche geo-politiche del paese.

Sfide energetiche e ambientali

Per questa tipologia di processi le sfide energetiche e ambientali da affrontare sono strettamente connesse e riguardano la necessità di ottimizzare sia l’alta efficienza di esercizio sia la realizzazione di prodotti di alta qualità. La National Development and Reform Commission (NDRC) cinese ha richiesto un’approvazione centralizzata per i nuovi progetti di conversione del carbone, in modo da contrastare la possibile vulnerabilità futura delle importazioni a più basso costo di alcuni prodotti. Oltre ad introdurre vari vincoli relativi all’uso dell’acqua, all’efficienza energetica e alla protezione ambientale, la NDCR ha anche previsto, già in fase progettuale, la possibilità di realizzare in un secondo momento un’unità di cattura della CO₂ per affrontare il problema relativo all'intensità delle emissioni. In linea con la politica nazionale, il governo di Pechino ha da poco incluso, tra i requisiti di approvazione delle nuove unità, quello di efficienza di processo. Verranno inoltre cessati i progetti coal-to-chemicals a bassa efficienza, incentivando la crescita e il miglioramento degli impianti con processi più complessi ad elevato valore aggiunto.

Sulla base delle informazioni attuali, i processi coal-to-methane, coal-to-dimethyl ether, coal-to-hydrogen hanno raggiunto la maturità commerciale. Gli impianti CTL, dopo notevoli sfide, operano in maniera soddisfacente ed è in corso lo scale-up ad impianti prototipi di scala commerciale. Non si può invece affermare lo stesso per il processo CTSNG che mostra allo stato attuale diverse problematiche operative in particolare relative al rispetto degli standard ambientali richiesti. Ciò è dovuto in gran parte al tipo di gassificatore utilizzato nei primi progetti dimostrativi. Il governo ha riconosciuto la necessità di considerare attentamente le esperienze pregresse, vista la rapida crescita del settore e la specificità di alcuni progetti. Le problematiche esistenti nella tecnologia di conversione del carbone in gas naturale sintetico, oltre a quelle presenti normalmente in tutti i progetti di larga scala, sono legate ad un processo decisionale inefficace, alla scelta inappropriata della tecnologia e alla gestione non adeguata dei progetti di alto livello.

Dal punto di vista ambientale la maggior parte del carbone si trova nelle parti più aride del nord della Cina, nelle quali la disponibilità di acqua rappresenta un problema. Il governo ha fissato degli standard rigorosi per garantire il massimo riutilizzo della risorsa idrica sfruttata nei processi di conversione. Tali standard devono essere inclusi in fase progettuale e nel piano operativo degli impianti, e sono fondamentali per l’approvazione definitiva del progetto. Tuttavia, l’introduzione di standard specifici potrebbe limitare lo sviluppo di un settore in continua evoluzione. Il governo ha infatti ridotto la realizzazione degli impianti di conversione del carbone nelle regioni con scarsa disponibilità di acqua, oltre ad aver vietato, in ambito industriale, l’utilizzo della risorsa destinata ad usi civili e agricoli.

Per limitare l’impatto ambientale il governo ha proibito queste nuove tecnologie su scala commerciale in aree già industrializzate. Inoltre, è stato introdotto il divieto di costruire nuovi impianti anche nelle regioni che importano il carbone, promuovendone al contrario la realizzazione nelle aree dotate di carbone autoctono e adeguate riserve idriche.

L'intensità delle emissioni di carbonio

Un'altra questione da affrontare, legata alla produzione dei combustibili da carbone, è il rilascio di CO₂ in atmosfera, che rappresenta sia una sfida che un’opportunità. I prodotti finali del processo, oltre ad essere puliti, hanno un elevato valore economico e consentono lo sfruttamento di carbone di bassa qualità, producendo, tuttavia, emissioni di anidride carbonica più elevate rispetto alla combustione ordinaria. Questo aspetto, strettamente ambientale, contrasta con le intenzioni dichiarate dalla Cina di voler ridurre il picco delle proprie emissioni di CO₂ entro il 2030. La CO₂ gassosa, prodotta ad alte concentrazioni nel processo di conversione del carbone, può essere catturata e riutilizzata ad un costo marginale basso, ad esempio per incrementare il recupero del petrolio (Enhanced Oil Recovery – EOR). In Cina vi sono numerosi impianti di gassificazione del carbone, che rappresentano altrettante fonti di emissioni di CO₂ in prossimità dei pozzi petroliferi. Questo aspetto è un’opportunità per la realizzazione di unità dimostrative delle tecnologie CCUS a basso costo, utilizzando quindi la CO₂ nei siti di stoccaggio EOR, incrementando la produzione di petrolio e nel contempo favorendo lo stoccaggio di notevoli quantità di questo gas serra

La NDRC e la Asian Development Bank (ADB) hanno lavorato a stretto contatto su diversi progetti, definendo una tabella di marcia per la realizzazione e la diffusione in Cina di impianti a carbone con tecnologia CCUS. Sono stati quindi individuati alcuni progetti dimostrativi di impianti di coal-to-chemicals di grossa taglia che aprono la strada alla realizzazione di grandi progetti multi-stakeholder. In questo modo la Cina potrebbe aumentare le conoscenze e competenze relative a tali tecnologie. In previsione di ciò, il ministero delle Finanze cinese ha sottoscritto una dichiarazione di intenti alla COP21 del 2015, impegnando il governo cinese a collaborare con l’ADB su diversi progetti CCUS dimostrativi. Questa collaborazione aprirebbe la strada verso il posizionamento della Cina come leader mondiale delle tecnologie pulite per il carbone ad alta efficienza e basse emissioni.

Nella prospettiva di realizzare altre tecnologie di gassificazione low-carbon basate sul carbone, in Cina è in corso di definizione la progettazione di sistemi energetici integrati in grado di garantire un sistema di poligenerazione efficiente, pulito con emissioni quasi zero. In questo ambito è ancora necessario definire un programma di ricerca, sviluppo e dimostrazione di moderne tecnologie di conversione del carbone, in cui il carbone è sia combustibile che materia prima e viene utilizzato insieme ad altre fonti di energia. In una prima fase si potrebbe puntare sulla gassificazione del carbone, principalmente per la generazione elettrica e produzione di calore, in modo che, una volta soddisfatte le richieste di tali vettori energetici, si produca energia pulita e materie prime industriali, come gas naturale, combustibili liquidi a basse emissioni, carburante per aviazione, carburanti speciali e prodotti chimici (come mostrato in figura 2)

[caption id="attachment_11675" align="alignnone" width="640"] Figura 2. Schema di processo di poligenerazione basato sulla conversine del carbone(Power,2014)[/caption]

In un secondo momento si potrebbe integrare lo sfruttamento del carbone sia con energia non convenzionale che con sistemi di energie rinnovabili, ad esempio come mostrato in figura 3

[caption id="attachment_11676" align="alignnone" width="640"] Figura 3.Schema semplificato di processi di conversione del carbone integrati con sistemi di energie rinnovabili e non convenzionali (Ni and others,2014)[/caption]

Tali sfide sono ancora in fase di attenta analisi per determinarne la fattibilità economica nel settore coal-to-chemicals.

Opportunità internazionali Oltre al suo mercato interno, la Cina è alla ricerca di opportunità per esportare le proprie tecnologie di gassificazione e porsi come leader nella progettazione, acquisizione e realizzazione di progetti all’estero. Il ruolo sia tecnico che finanziario è fondamentale per il lancio di progetti di conversione del carbone nei paesi in via di sviluppo. Ad esempio sono attualmente in corso delle trattative per un importante progetto di CTSNG in Mongolia, dove sono presenti abbondanti riserve di carbone. Il progetto è finanziato dalla Banca mondiale e prevede che il prodotto finale venga trasportato in Cina. La NDCR intende sviluppare un pacchetto di processo completo con diritti di proprietà intellettuale, per la stabilità e l’economia dei grandi impianti. Allo stesso tempo, non si è interrotto il contributo significativo da parte di fornitori stranieri per alcune sezioni critiche, come le unità di separazione dell’aria ad alta efficienza, applicate su larga scala, i sistemi di trattamento del syngas e i relativi catalizzatori. GCau