Prodotto dai combustibili fossili - Cattura e stoccaggio di CO2
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9.3
Cattura e stoccaggio di CO2
prodotto dai combustibili fossili
9.3.1 Introduzione In molti modelli, viene spesso presa in considera-
zione la stabilizzazione a un livello di 550 ppmv di CO2-
Uno dei gas serra derivanti dall’attività dell’uomo è il CO2, equivalente, che rappresenta un raddoppiamento della
che proviene principalmente dalla combustione di com- concentrazione di CO2 rispetto al periodo preindustria-
bustibili fossili. Il tasso di emissione del CO2 può essere le. Si stima che la realizzazione di una stabilizzazione a
ridotto in vari modi, uno dei quali consiste nel catturare il questo livello comporterebbe una riduzione delle emis-
biossido di carbonio e stoccarlo lontano dall’atmosfera per sioni globali del 75-85% rispetto agli attuali tassi, entro
un periodo di tempo molto lungo. Questa tecnica, chia- l’anno 2100. Concentrazioni più basse richiederebbero
mata cattura e stoccaggio del CO2 (CCS, CO2 Capture and riduzioni ancora maggiori.
Storage), è una applicazione innovativa di una tecnologia Per portare a termine tali riduzioni in maniera eco-
consolidata. Solo negli ultimi anni sono state riconosciu- nomicamente vantaggiosa sarà richiesta l’applicazione
te le sue potenzialità nei confronti del problema globale di un’ampia serie di provvedimenti. Le alternative tec-
del cambiamento climatico. In questo capitolo vengono nologiche attualmente disponibili per la stabilizzazione
descritti la tecnologia e i caratteri salienti del suo possibi- dei livelli di CO2 nell’atmosfera includono: a) riduzio-
le ruolo nella riduzione delle emissioni di gas serra. ne dei consumi energetici, aumentando l’efficienza della
conversione e/o dell’utilizzazione dell’energia; b) pas-
Cambiamenti climatici saggio a combustibili con minore contenuto in carbonio,
Ormai è comunemente accettato il fatto che si stan- per esempio gas naturale invece di carbone; c) aumento
no verificando dei cambiamenti nel clima della Terra, dell’impiego di fonti di energia rinnovabile o di energia
che vengono attribuiti alle emissioni di gas serra deri- nucleare, ciascuna delle quali emette infine una scarsa
vanti dalle attività dell’uomo. Tra questi gas, quello che quantità netta di CO2, oppure non ne emette affatto;
contribuisce maggiormente è il biossido di carbonio, che d ) sequestrazione del CO2 dall’atmosfera aumentando
viene rilasciato dalla combustione dei combustibili fos- la capacità di assimilazione biologica delle foreste e dei
sili e della biomassa, e dal disboscamento. Le conse- suoli, oppure catturando e immagazzinando il CO2.
guenze finali del cambiamento climatico non si cono-
scono con certezza, sebbene siano stati formulati nume- Ruolo dei combustibili fossili nel rifornimento
rosi modelli matematici per esaminare questo problema energetico
molto complesso. All’inizio del 21° secolo, il consumo globale di ener-
Riconoscendo le conseguenze potenzialmente dan- gia ha continuato a crescere, così come ha fatto negli ulti-
nose di un cambiamento climatico incontrollato, i paesi mi decenni del 20° secolo. I combustibili fossili fornisco-
che hanno firmato la Convenzione quadro delle Nazioni no attualmente l’86% dell’energia utilizzata in tutto il
Unite sul cambiamento climatico hanno concordato che mondo (BP, 2003), contribuendo a circa il 75% delle emis-
il suo obiettivo dovrebbe essere «la stabilizzazione delle sioni di origine antropica di CO2, mentre la rimanente parte
concentrazioni di gas serra nell’atmosfera a un livello che proviene da fonti non energetiche, come la deforestazio-
prevenga una pericolosa interferenza di origine antropi- ne. Attualmente le emissioni di CO2 legate al consumo di
ca con il sistema climatico». Tuttavia, non c’è un accor- combustibili fossili si aggirano intorno alle 25 Gt di CO2/a.
do sul livello da raggiungere per la stabilizzazione, né su Tra i combustibili fossili, il 45% dell’energia pro-
quanto bisogna agire per raggiungere questa condizione. dotta globalmente deriva dal petrolio, il 27% dal gas
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 811SOSTENIBILITÀ
naturale, il 28% dal carbone. Tra il 1995 e il 2001 le emis-
sioni medie globali di biossido di carbonio crescevano tab. 1. Emissioni globali di CO2 nel 2001,
a un tasso dell’1,4% all’anno, leggermente al di sopra suddivise per settori, derivanti dalla combustione
del tasso di crescita del consumo di energia primaria dei combustibili fossili (IEA, 2003)
(Watson et al., 2001). Nel 2001 i trenta paesi membri del-
l’Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Emissioni CO2
Economico (OCSE) erano responsabili del 47% delle emis- (Mt/a)
sioni di CO2 legate alla produzione e al consumo di ener- Settore
gia, mentre le economie in transizione incidevano per il
14% e i paesi in via di sviluppo per il 39% (EIA, 2003). Elettricità pubblica e produzione
8.236
del calore
Data l’importanza dei combustibili fossili nell’at-
tuale rifornimento di energia e la previsione che si con- Altri produttori di elettricità 963
tinuerà così nell’immediato futuro, e in vista delle minac-
Altre industrie energetiche 1.228
ce dei cambiamenti climatici, le modalità di utilizzo dei
combustibili fossili senza necessariamente immettere in Industrie manufatturiera ed edilizia 4.294
atmosfera grandi quantità di CO2 sono assolutamente
Trasporto (di cui su strada) 5.656 (4.208)
pertinenti al fine di garantire un’erogazione continua e
affidabile di energia. Questo controllo delle emissioni Altri settori (di cui residenziale) 3.307 (1.902)
dovrebbe essere raggiunto mediante la cattura e lo stoc-
Totale 23.684
caggio di CO2 derivante dalla combustione dei combu-
stibili fossili.
Si può vedere che la produzione di energia elettrica è la
Cattura e stoccaggio di CO2 maggiore fonte di emissioni. Le emissioni provenienti
In fig. 1 vengono mostrati i componenti principali di da questo settore si originano da grandi sorgenti pun-
un sistema di CCS per un impianto di generazione del- tiformi, aspetto altamente rilevante dal punto di vista
l’energia elettrica. In questo caso la fonte di CO2 è il flus- economico per la cattura di CO2. Tutte le componenti del
so di gas di combustione. Uno stadio di separazione viene sistema di CCS presentano diverse economie di scala: la
utilizzato per catturare il CO2, che viene poi compresso cattura di CO2 ha un costo minore per tonnellata di CO2
per il trasporto a un sito di stoccaggio. Per ottenere una per una grande centrale (che cattura milioni di tonnella-
riduzione significativa nelle emissioni globali, la quan- te all’anno) rispetto a una centrale piccola (che cattura
tità di CO2 che deve essere catturato e stoccato in tutto migliaia di tonnellate all’anno); le grandi condutture, che
il mondo dovrebbe ammontare a diverse Gt di CO2/a. trasportano diversi milioni di tonnellate all’anno, tra-
Ciascuno degli stadi del processo verrà esaminato sepa- sferiscono ciascuna tonnellata di CO2 a un costo molto
ratamente, dopo di che verranno discusse alcune que- inferiore rispetto a condutture più piccole; il costo di
stioni di carattere più generale. stoccaggio è condizionato in maniera analoga dalle dimen-
sioni del serbatoio di stoccaggio.
Il CO2 viene emesso anche da grandi sorgenti pun-
9.3.2 Fonti di CO2 tiformi nel settore delle altre industrie energetiche (che
comprende le raffinerie di petrolio, l’industria dei com-
Nozioni generali bustibili solidi, l’estrazione del carbone, l’estrazione di
Le emissioni antropiche di CO2 provengono da vari olio e gas, e altre industrie che producono energia) e in
settori dell’economia globale, come mostrato nella tab. 1. alcune parti del settore industriale e delle costruzioni.
Tuttavia, il settore con la più rapida crescita in termini
di emissioni è quello dei trasporti. In antitesi con le cen-
N2, H2O in atmosfera
trali per la generazione dell’energia elettrica e l’industria
stoccaggio pesante, le emissioni dovute ai trasporti provengono da
separazione una molteplicità di piccole fonti sparse e non sarebbe
di CO2
compressione
conveniente catturarle.
gas di combustione di CO2 Un altro fattore altamente rilevante è la concentrazio-
ne di biossido di carbonio nel flusso di gas. Alte concen-
combustione del generazione trazioni di CO2 sono molto più facili da catturare e depu-
combustibile fossile dell’energia elettrica
rare rispetto a basse concentrazioni. In seguito, si discu-
terà su come ciò viene realizzato, ma la distinzione tra le
fig. 1. Componenti principali di un sistema di cattura concentrazioni disponibili di CO2 nei diversi settori indu-
e stoccaggio di CO2. striali è importante per capire come ci si deve dedicare
812 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURICATTURA E STOCCAGGIO DI CO 2 PRODOTTO DAI COMBUSTIBILI FOSSILI
alla sua cattura. Nella tab. 2 sono mostrati alcuni esempi nei gas di scarico di una centrale elettrica siano basse,
di concentrazioni di CO2 nei diversi tipi di impianti. l’importanza di questo settore, in termini di emissioni
globali, lo pone ai primi posti nell’elenco delle sorgen-
Produzione dell’energia elettrica ti di CO2 da prendere in considerazione per il CCS.
I combustibili fossili costituiscono la principale risor-
sa per la produzione di energia elettrica nella maggior Industria
parte dei paesi, tranne qualche eccezione degna di nota L’uso industriale di energia è tanto diversificato quan-
dove viene utilizzata l’energia nucleare (per esempio, la to le industrie coinvolte. Le industrie che consumano
Francia) o l’energia idroelettrica (per esempio, la Nor- molta energia, come quelle del cemento, dell’acciaio e
vegia). I combustibili fossili possono essere il carbone, del ferro, e le raffinerie di petrolio, possono rilasciare
polverizzato per facilitarne la combustione, o il gas natu- una quantità di CO2 da un singolo sito pari a quella libe-
rale. Altri combustibili che possono essere utilizzati com- rata da una centrale elettrica. In questi casi, la concen-
prendono l’olio residuo, l’olio pesante e i materiali di trazione di CO2 nelle emissioni può essere più alta di
scarto. In una centrale tipica, la combustione della cari- quella di una centrale elettrica, rendendo quindi più faci-
ca genera una certa quantità di vapore, che viene poi le la cattura. In questo modo, alcune industrie ad alto
espanso attraverso delle turbine connesse a un genera- consumo potrebbero offrire opportunità per una più faci-
tore. In una centrale moderna alimentata a gas, la com- le cattura di CO2. Per la verità, i processi per la produ-
bustione ha luogo in una turbina a gas accoppiata con un zione di idrogeno e ammoniaca già rilasciano CO2 in
generatore, e il calore viene recuperato dai gas di scari- flussi ad alta concentrazione, rendendo questi processi
co per azionare una turbina a vapore che integra la pro- potenzialmente interessanti come opportunità alternati-
duzione di elettricità. Le emissioni che provengono da ve per la cattura del biossido di carbonio. Le altre sor-
tali impianti ammontano a circa 750 g di CO2/kWh per genti industriali di CO2 sono più esigue, il che le rende
una centrale a carbone e 380 g di CO2/kWh per una cen- meno interessanti; in ogni caso vale la pena di osserva-
trale a gas naturale. Sebbene le concentrazioni di CO2 re che il trattamento del gas naturale (un’applicazione
attuale dei dispositivi di separazione di CO2) già rilascia
CO2 in alta concentrazione, e quindi può rappresentare
tab. 2. Concentrazioni indicative di CO2 un’occasione alternativa di rifornimento di CO2 per lo
nelle emissioni di gas da particolari unità stoccaggio.
in differenti impianti alimentati con combustibili
fossili (Metz e Davidson, 2005) Altre sorgenti
Gli altri principali settori responsabili delle emissio-
Concentrazione ni sono quelli dei trasporti e degli edifici. L’energia uti-
di CO2 nell’emissione lizzata negli edifici è fornita in parte sotto forma di elet-
di gas di scarico tricità, dunque è rilevante la possibilità di catturare il
(% in volume)
CO2 nelle centrali elettriche in modo da ridurre le emis-
Elettricità e produzione del calore sioni da questo settore. Tuttavia, molta dell’energia uti-
lizzata negli edifici è fornita dalla combustione locale
Generazione di corrente
12-14 dei combustibili fossili che produce quantità relativa-
bruciando carbone polverizzato
mente piccole di CO2 (per esempio, dell’ordine di 1 t
Impianto IGCC alimentato CO2/a da un’abitazione), le quali sarebbero veramente
8-9
a carbone troppo ridotte per essere catturate in maniera economi-
Ciclo combinato a gas naturale 3-4 camente vantaggiosa.
Il trasporto è la sorgente di emissioni globali in più
Altre industrie energetiche rapida espansione. Ciascun veicolo emette solo 1 o 2 t/a
Riscaldamento di CO2, che sarebbe una quantità molto piccola da cat-
per combustione/raffinerie 8 turare. In aggiunta, c’è il problema di avere a che fare
di petrolio con una sorgente in movimento; è stato suggerito, per
Produzione di idrogeno 15-100 venire incontro a questo problema, di stoccare il CO2 a
bordo dei veicoli, ma i volumi coinvolti e i requisiti di
Industria trattamento rendono questa opzione non fattibile.
Ammoniaca 100
Possibile scenario futuro: un vettore energetico
Industria dell’acciaio e del ferro 20-27 privo di carbonio
Fornace per cemento 14-33
Un possibile approccio alternativo per entrambe le
sorgenti di CO2 (edifici e trasporto) consiste nel fornire
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 813SOSTENIBILITÀ
un vettore di energia privo di carbonio, allontanando di seguito descritti. In funzione del sistema utilizzato, la
quindi l’esigenza di catturare piccole quantità di CO2. cattura può avvenire in ambiente ossidante o riducente,
Questo vettore di energia può essere l’elettricità o l’i- che influenzerà il processo di separazione prescelto. La
drogeno. Con entrambi potrebbero esserci dei problemi separazione può essere fatta utilizzando delle procedu-
riguardanti la semplicità di utilizzazione e i costi di gestio- re sviluppate per altre applicazioni. Il processo di sepa-
ne, nonché l’immagazzinamento a bordo nel caso dei razione verrà descritto in seguito, dopo aver introdotto i
veicoli. Gli automezzi a trasmissione potrebbero fun- tre principali sistemi di cattura. Convenzionalmente, nella
zionare a elettricità, e questo può esser vero anche per i valutazione di un processo, la compressione del CO2
veicoli a idrogeno, se appropriate celle a combustione viene considerata nel processo di cattura. Gli esempi
venissero sviluppate come sorgente di forza motrice. descritti in questo lavoro sono basati su applicazioni a
Diverse case costruttrici stanno pianificando anche vei- centrali elettriche alimentate con combustibili fossili,
coli con motore a combustione interna funzionanti a idro- sebbene un approccio simile possa essere utilizzato negli
geno, i quali hanno meno ostacoli tecnici da superare. impianti di riscaldamento, nelle raffinerie o negli altofor-
Allo stato attuale non si sa se l’elettricità derivante dal- ni, ecc.
l’idrogeno verrà utilizzata come fonte di energia; in ogni
caso, il CCS potrebbe rappresentare un importante con- I tre tipi di sistemi
tributo nella sua applicazione. Il sistema riconosciuto come il più facile per cattu-
rare il CO2 consiste nel separarlo dal flusso di gas di
combustione dopo che è avvenuta la combustione
9.3.3 Metodi di cattura di CO2 (v. ancora fig. 1). Diversamente, il problema dell’azoto
può essere superato preparando il combustibile in ambien-
La combustione dei combustibili fossili rilascia nell’a- te privo di N2 e separando il CO2 in questo stadio: que-
ria un gas contenente CO2, N2, vapor d’acqua, piccole sta procedura è chiamata cattura precombustione. Una
quantità di O2 e altri elementi. La tab. 3 mostra degli terza opzione consiste nell’evitare l’introduzione del-
esempi per impianto di generazione dell’energia elettri- l’azoto nel sistema di combustione, utilizzando nella
ca. Escluso il CO2, gli altri elementi non sono gas serra, combustione ossigeno invece di aria: questa tecnica viene
e quindi non hanno bisogno di essere tenuti fuori dal- chiamata in alcuni casi denitrogenazione, ma più fre-
l’atmosfera. Alcuni di essi, principalmente ossidi di zolfo quentemente combustione oxy-fuel.
e azoto e particolati, sono già soggetti a controllo. L’e-
lemento N2 rappresenta la gran parte del volume del flus- Cattura post-combustione
so di gas, il che rende antieconomico stoccare per inte- La separazione di CO2 dal gas di combustione è stata
ro il flusso di gas come sistema di protezione del clima. applicata in (poche) centrali elettriche e in altri impianti
Pertanto, per catturare il CO2 è necessario separarlo per diversi decenni. È disponibile una serie di tecniche
dall’azoto. Esistono tre tipi generali di sistemi con cui il di separazione; attualmente, la più usata per separare il
CO2 può essere rimosso dal processo, e questi verranno CO2 dai gas di combustione e da altre correnti di gas è il
lavaggio del flusso di gas con una soluzione di ammine.
Per molti aspetti, la cattura post-combustione del CO2 è
tab. 3. Elementi caratteristici dei gas di scarico analoga alla desolforazione dei gas di combustione (FGD,
derivanti dalla combustione dei combustibili fossili Flue Gas Desulphurization), tecnica ampiamente utiliz-
nelle centrali elettriche moderne zata nelle centrali elettriche alimentate a carbone e petro-
(espressi in percentuale molare). Possono essere lio per ridurre le emissioni di SO2. In linea di principio,
presenti anche piccole quantità di NOx, la cattura post-combustione può essere adattata a impian-
Hg e particolati ti esistenti, ma in pratica la quantità extra di energia richie-
sta per il processo renderebbe l’impianto non competiti-
Elemento Carbone Gas naturale vo, a meno che non si tratti di un impianto già ad alta effi-
cienza, cosicché la principale applicazione prevista
Ar 0,86% 0,89%
riguarda centrali elettriche progettate ad hoc.
O2 3,2% 12,3% La bassa concentrazione di CO2 nel gas di combu-
stione (3-14%) implica il trattamento di un grande volu-
N2 72,0% 74,5% me di gas, il che comporta attrezzature molto grandi e
H2O 10,1% 8,2% costose. Un ulteriore svantaggio legato alla bassa con-
centrazione di CO2 è che devono essere utilizzati sol-
CO2 13,8% 4,1% venti molto forti per catturare il CO2, e la loro rigenera-
SO2 0,1% 0%
zione, per il rilascio di CO2, richiede una grande quan-
tità d’energia.
814 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURICATTURA E STOCCAGGIO DI CO 2 PRODOTTO DAI COMBUSTIBILI FOSSILI
Cattura precombustione Gasification Combined Cycle), a cui viene aggiunto uno
Una via alternativa per aumentare la concentrazione stadio di conversione (per convertire il CO in CO2), segui-
di CO2 consiste nel preparare il combustibile in modo to dalla separazione e compressione del CO2.
tale che gli elementi che contengono carbonio possano Sebbene la cattura precombustione implichi un cam-
essere rimossi prima della combustione. Questa è, di biamento più radicale del progetto della centrale elettri-
fatto, l’applicazione originaria per la quale è stata svi- ca, la maggior parte della tecnologia è stata già speri-
luppata, più di 60 anni fa, la cattura di CO2 nella produ- mentata nella produzione di ammoniaca e in altri pro-
zione di gas destinato ai consumatori e alle pubbliche cessi industriali. Uno degli aspetti innovativi è che il gas
strutture. combustibile dovrebbe essere essenzialmente idrogeno.
Il gas combustibile può essere preparato facendo rea- Si prevede che alla fine sarà possibile, con poche modi-
gire il combustibile con ossigeno e/o vapore per forma- fiche, bruciare idrogeno puro in una turbina a gas, ma
re un gas di sintesi composto principalmente da monos- questa, sebbene le case costruttrici abbiano sviluppato
sido di carbonio e idrogeno. Il monossido di carbonio turbine capaci di bruciare combustibili ricchi in idroge-
reagirebbe quindi con il vapore in un reattore catalitico no con diverse proporzioni, non è una tecnologia speri-
(shift converter) per dare CO2 e ulteriore idrogeno. Il mentata dal punto di vista commerciale.
CO2 può essere così separato e l’idrogeno utilizzato come
combustibile per le turbine a gas di centrali elettriche a Combustione oxy-fuel
ciclo combinato (o forse, in futuro, per le celle a com- La concentrazione di CO2 nel flusso di gas è un fat-
bustione). Il gas combustibile si trova a pressioni eleva- tore chiave che determina il costo del processo di cattu-
te (per esempio, da 15 a 40 bar) con un livello medio di ra. Maggiore è la sua concentrazione, più semplice (e
concentrazione di CO2 (15-40%); entrambe queste carat- quindi economica) sarà la sua rimozione. La concen-
teristiche rendono più facile la cattura di CO2 rispetto al trazione del CO2 può essere aumentata notevolmente
caso della post-combustione. La procedura è, in linea di utilizzando l’ossigeno invece dell’aria durante la com-
principio, la stessa per il carbone, il petrolio o il gas natu- bustione, sia in caldaie sia in turbine a gas. Se un com-
rale; tuttavia, nel caso del carbone e del petrolio viene bustibile fossile viene bruciato in ossigeno puro, la tem-
utilizzato il processo di gassificazione per preparare il peratura di combustione è molto alta, ma se qualche gas
combustibile, mentre nel caso del gas naturale viene uti- di combustione viene riciclato nel combustore, la tem-
lizzato il processo del reforming o dell’ossidazione par- peratura può essere ridotta a un livello simile a quello in
ziale. Il grado di pulizia del gas prima della cattura è dif- un combustore convenzionale. Dato che il flusso di gas
ferente per i tre tipi di combustibile. La fig. 2 mostra un di combustione è composto principalmente da CO2 e
diagramma semplificato di una centrale elettrica ali- acqua (vapore), il gas riciclato può essere arricchito sia
mentata a carbone, dotata di un sistema di cattura pre- in CO2 sia in acqua. Entrambi i metodi hanno mostrato
combustione di CO2. Questo è molto simile al ciclo com- di limitare in maniera efficace la temperatura di com-
binato integrato di gassificazione (IGCC, Integrated bustione. È necessaria soltanto una semplice purifica-
zione di CO2 dopo la combustione. Lo svantaggio di que-
sto approccio consiste nel fatto che la produzione di ossi-
geno è molto dispendiosa, in termini sia di costi capitali
rimozione dei solfuri
conversione del CO
CO2 verso il
sia di consumo di energia.
gassificatore
cattura di CO2
serbatoio di
stoccaggio Il grado d’interesse per questo processo varia con il
tipo di combustibile e il tipo di impianto. Visto che gran
N2, O2, H2O
carbone in atmosfera parte dell’energia rilasciata nella combustione del gas
naturale deriva, diversamente dal caso del carbonio, dal-
ossigeno
l’ossidazione dell’idrogeno, una grande quantità di ossi-
gas di geno puro fornito alla combustione non presenterebbe
combustione
generatore
di vapore
scorie arricchito in H2 vantaggi in termini di produzione di CO2 puro, renden-
do la combustione oxy-fuel un metodo relativamente
costoso per separare il CO2 quando si usa gas naturale
come combustibile. D’altra parte, l’uso del metodo oxy-
fuel con il carbone (con il suo contenuto relativamente
basso d’idrogeno) implica che molto più ossigeno è uti-
aria turbine a gas turbina lizzato per la produzione del CO2, concorrendo quindi
a vapore
allo scopo di separare il CO2. Tuttavia, la combustione
fig. 2. Diagramma schematico di una centrale del carbone viene di norma fatta in caldaie a basso ren-
alimentata a carbone dotata di un sistema di cattura dimento termico, cosicché i vantaggi dei processi oxy-
precombustione del CO2 (IEA GHG, 2001). fuel su sistemi già consolidati tendono a essere limitati,
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 815SOSTENIBILITÀ
rendendo dunque difficilmente giustificabile la neces- quanto privo di CO2. Utilizzando MEA può essere rag-
sità di ricerca e sviluppo. Dato che la maggiore efficienza giunta una rimozione fino al 98% del CO2 con una purez-
di un impianto a ciclo combinato (che si utilizzi gas o za superiore al 99%. La fig. 3 mostra un diagramma sem-
carbone) è basata sull’utilizzo delle turbine, non così plificato di una centrale elettrica a ciclo combinato a gas
facilmente adattabili alla combustione oxy-fuel a causa naturale con un sistema di cattura di CO2 post-combu-
della variazione nella composizione del flusso di gas, ci stione. Metodi di separazione simili possono essere appli-
sono stati meno progressi in questo ambito. Cionono- cati anche a impianti di generazione di corrente alimen-
stante, si sta attualmente testando un progetto che pre- tati a carbone, ma con l’aggiunta di alcuni trattamenti
vede l’utilizzo di turbine con una corrente riciclata ricca preliminari di pulitura dei gas di combustione.
in acqua. L’energia richiesta per la rigenerazione del solvente
Una variante del processo oxy-fuel utilizza ossigeno è uno dei principali problemi legati all’utilizzo di que-
fornito come ossido di metalli piuttosto che sotto forma sta tecnica di separazione, poiché può avere un impatto
di gas di ossigeno puro. Nella tecnica nota come Chem- significativo sull’efficienza generale del sistema. I sol-
ical Looping Combustion (CLC) il combustibile viene venti ad ammine furono sviluppati originariamente per
fatto reagire con ossido di metalli, di norma in un reat- trattamenti in ambiente riducente; l’applicazione ai gas
tore a letto fluidizzato, quindi ossidando il combustibi- di combustione prodotti da centrali elettriche (ossia in
le e riducendo l’ossido di metalli. Il metallo deve esse- ambiente ossidante) può portare alla loro degradazione,
re quindi nuovamente ossidato con esposizione all’aria a meno che non vengano introdotti appropriati inibitori,
ad alta temperatura. Questo processo ha luogo in una i quali fanno lievitare i costi. Anche in questo caso si
coppia di reattori utilizzati alternativamente per ossida- avrà una parziale degradazione del solvente, e lo smal-
re il combustibile e riossidare il metallo. Il modello è timento dei solventi di scarto può rappresentare un pro-
stato realizzato in laboratorio. Uno dei potenziali fatto- blema non indifferente.
ri limitanti in questa tecnica è la durata delle particelle Numerosi impianti utilizzano solventi ad ammine
solide, ma recenti studi (Lyngfelt et al., 2005) hanno per catturare il CO2 dalle correnti di gas di combustio-
dimostrato che è possibile svolgere migliaia di cicli con ne; un esempio è rappresentato dalla centrale elettrica
nuovi materiali, suggerendo una potenziale applicazio- alimentata a carbone Warrior Run negli Stati Uniti, in
ne futura. Se verrà sviluppata con successo, questa tec- cui 50.000 t/a di CO2 vengono catturate e utilizzate nel-
nica potrà consentire, al pari di altri processi oxy-fuel, l’industria alimentare.
la produzione di un flusso ad alta concentrazione di CO2 Il miglioramento dei solventi e il perfezionamento
senza ulteriore separazione, mentre si eliminerebbe la della progettazione delle colonne di lavaggio e dei rige-
necessità di separazione in aria con le tecniche conven- neratori dei solventi potrebbero ridurre le richieste di
zionali. energia di almeno il 40% rispetto alle prestazioni attua-
li (Roberts et al., 2005). C’è un considerevole interesse
Tecniche di separazione
In termini generali ci sono quattro tipi di tecniche di
N2, O2, H2O
separazione che sono state sviluppate, o si stanno svi- in atmosfera
luppando, per separare il CO2 dalla corrente di gas: adsor-
cattura di CO2
bimento a opera di solventi, adsorbimento a opera di CO2 verso
sostanze solide, membrane e criogenia. il serbatoio
di stoccaggio
Adsorbimento con solventi
I solventi possono essere suddivisi in due classi, chi-
mici e fisici, sebbene nella pratica ci siano delle misce- gas
le tra questi due tipi. I solventi chimici, come monoeta- naturale
generatore
di vapore
nolammina (MEA), dietanolammina (DEA) e miscele
brevettate, sono stati sviluppati dalle industrie chimiche
e del petrolio per rimuovere il solfuro d’idrogeno e il
CO2 dalla corrente di gas. La corrente di gas contente
CO2 (ossia la corrente di gas di combustione nelle appli-
cazioni post-combustione) passa attraverso una colon-
aria turbine a gas turbina
na di lavaggio, dove i solventi dissolvono una gran quan- a vapore
tità di CO2. La restante parte del getto di gas fuoriesce
dalla colonna di lavaggio e finisce nell’atmosfera. Il fig. 3. Diagramma schematico di una centrale
solvente ricco in CO2 viene quindi riscaldato, rilasciando con ciclo combinato con turbina a gas dotato di sistema
CO2 a elevata purezza, per essere poi riutilizzato in di cattura post-combustione di CO2 (IEA GHG, 2001).
816 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURICATTURA E STOCCAGGIO DI CO 2 PRODOTTO DAI COMBUSTIBILI FOSSILI
nell’utilizzo delle ammine steariche, che vantano buone componenti. Ci sono differenti tipi di membrane di sepa-
caratteristiche di adsorbimento e deadsorbimento. razione del gas, che includono membrane di ceramica
La seconda classe di solventi, i solventi fisici, si porosa, membrane al palladio, membrane polimeriche e
affida all’adsorbimento fisico del CO2 per catturare il zeoliti. Le membrane vengono già utilizzate per separa-
gas; la rigenerazione è ottenuta riducendo la pressio- re il CO2 dal getto di gas naturale. Le membrane poli-
ne, evitando dunque un elevato consumo di calore nei meriche potrebbero essere utilizzate per applicazioni a
processi di lavaggio delle ammine. Questo rende l’uti- bassa temperatura, come la rimozione del CO2 dalle cor-
lizzazione dei solventi fisici, come il Selexol, la tecni- renti di gas di combustione. Le membrane di ceramica
ca preferita in impianti che funzionano ad alte pres- e al palladio possono essere più utili nelle applicazioni
sioni, come la corrente di gas di sintesi (syngas) gene- ad alta temperatura e/o alta pressione, che possono esse-
rato da un gassificatore seguito da un convertitore di re molto interessanti per la separazione di H2 (per esem-
CO (v. ancora fig. 2), in cui la concentrazione di CO2 pio, come parte di un processo di decarbonizzazione pre-
sarebbe di circa il 35-40% a pressioni di 20 bar o più. combustione). Si stanno sperimentando alcuni processi
Tuttavia, se da un lato il dispendio energetico della sepa- innovativi con membrane di ceramica che permettereb-
razione con solventi fisici non è elevato tanto quanto bero la conduzione degli ioni dell’ossigeno ad alta tem-
quello della separazione con solventi chimici, dall’al- peratura (come anche il trasferimento di calore) con l’o-
tro la depressurizzazione del solvente risulta ancora biettivo di raggiungere un processo di combustione di
penalizzante dal punto di vista energetico. Il lavaggio tipo oxy-fuel (Sundkvist et al., 2005).
di CO2 con solventi fisici è una tecnica ben consolida- Le membrane tipicamente non possono raggiungere
ta in ambito industriale. elevati gradi di separazione, dunque sono generalmente
necessari degli stadi multipli oppure una delle correnti
Adsorbimento con sostanze solide prodotte deve essere riciclata. Questo porta a un incre-
La separazione dei gas per adsorbimento su una mento della complessità del processo, a un maggiore
sostanza solida, come la zeolite o il carbone attivo, è consumo di energia e a un aumento dei costi. Per pro-
un’altra tecnica ben sperimentata. Infatti, essa viene uti- durre CO2 estremamente puro possono essere necessa-
lizzata in ambito commerciale per purificare l’idrogeno rie diverse membrane con differenti caratteristiche. Un
e il gas naturale rimuovendo CO2. adattamento di questa tecnica consiste nell’utilizzare una
La miscela di gas circola attraverso un letto di riem- membrana coadiuvata da solvente, sviluppata per com-
pimento costituito da particelle di adsorbente finché il binare le migliori caratteristiche delle membrane e del
gas prodotto non raggiunge una concentrazione di equi- lavaggio con solvente. È necessario un ulteriore lavoro
librio, quando il letto ha adsorbito quanto più CO2 pos- per lo sviluppo delle membrane prima che esse possano
sibile. Il solido adsorbente viene quindi rigenerato sia essere utilizzate su vasta scala per la cattura di CO2 nelle
per riduzione della pressione (ossia PSA, Pressure Swing centrali di produzione dell’energia elettrica.
Adsorption) sia per aumento della temperatura (TSA,
Temperature Swing Adsorption). La tecnologia PSA può Criogenia
essere utilizzata nelle applicazioni che fanno uso dei sol- Un’altra tecnica consolidata, che utilizza la bassa
venti fisici. Tuttavia, nelle applicazioni su impianti di temperatura per raffreddare e condensare il CO2, può
generazione dell’energia elettrica, le tecnologie TSA rappresentare un modo efficace di separare il biossido
sono economicamente più vantaggiose delle PSA. Per di carbonio. La separazione criogenica è ampiamente
questo tipo di funzione la tecnologia TSA ha attrattive utilizzata in commercio per correnti che già possiedono
limitate perché, a parità di costi generali, la quantità di alte concentrazioni di CO2 (di norma superiori al 90%),
CO2 che può rimuovere è considerevolmente inferiore ma non per correnti più diluite. Il maggiore svantaggio
rispetto a quella rimossa con i solventi chimici. nella separazione criogenica è rappresentato dalla quan-
L’adsorbimento con sostanze solide non è sufficien- tità di energia richiesta per fornire la refrigerazione, il
temente attraente per una separazione su vasta scala del che la rende una tecnica non appropriata per correnti di
CO2 dai gas di combustione, in quanto il rendimento e gas con basse concentrazioni di CO2. Altri componenti
la selettività al CO2 dei materiali disponibili sono bassi. del gas, come l’acqua, devono essere rimossi prima del
Ciononostante, l’adsorbimento con sostanze solide potreb- raffreddamento della corrente di gas per evitare occlu-
be avere una funzione in combinazione con altre tecno- sioni. La separazione criogenica ha il vantaggio di per-
logie di separazione. mettere la produzione diretta di CO2 allo stato liquido,
necessario per alcune opzioni di trasporto, come quello
Membrane via nave. La migliore applicazione della tecnica crioge-
Le membrane per la separazione del gas permetto- nica si ha con alte concentrazioni di CO2 e gas ad alta
no a un elemento della corrente di gas di passare attra- pressione, come nei processi di cattura precombustione
verso una membrana più velocemente rispetto agli altri o nella combustione oxy-fuel.
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 817SOSTENIBILITÀ
Altri metodi di separazione Un modo più efficiente di utilizzare la biomassa con-
Altre idee sono state proposte per separare il CO2 siste nel mescolare il biocombustibile con il combusti-
dalle correnti di gas, e alcune di queste sono in via di bile fossile e utilizzarli in grandi impianti convenziona-
sviluppo: li dotati di sistemi di cattura e stoccaggio di CO2. Tale
• un metodo alternativo per rigenerare gli adsorben- metodo è particolarmente attraente per impianti di pro-
ti fa uso di un campo elettrico. L’adsorbimento per duzione dell’energia elettrica alimentati a carbone, in
mezzo delle oscillazioni del campo elettrico fu svi- virtù delle loro grandi dimensioni e dei sistemi esisten-
luppato per la preparazione del combustibile nuclea- ti di trattamento del combustibile solido.
re ed è stato recentemente studiato per la cattura di
CO2; Fabbisogni energetici
• un’alternativa per separare il CO2 mira invece a sepa- La cattura di CO2 comporta l’uso di energia, come
rare il carbonio sotto forma di sostanza allo stato soli- nella compressione a 110 bar per il trasporto. Questa
do. Questo processo è tecnicamente possibile ma, energia viene fornita, per esempio, dal vapore a bassa
rispetto ai processi di combustione che generano CO2, pressione per rigenerare i solventi o dall’elettricità per
risente di un’intrinseca penalizzazione dal punto di far funzionare il compressore. Di conseguenza, dalla cen-
vista energetico perché l’energia potenzialmente trale può essere distribuita una minore quantità di ener-
disponibile derivante dall’ossidazione del carbonio gia. L’ulteriore compressione di CO2 per il trasporto e per
non viene sfruttata. In compenso, si pensava che la l’iniezione nel serbatoio di stoccaggio può aggiungere
disponibilità di carbonio allo stato solido potesse for- una quantità significativa, seppur minore, alle emissioni
nire un prodotto di smercio, o che almeno potesse prodotte (con una corrispondente leggera riduzione del-
essere facilmente smaltito. Nella pratica, questi van- l’efficienza del sistema). Al fine di comprendere l’effet-
taggi non hanno concorso a rendere questa alterna- to che questo comporta sull’economia dell’impianto, è
tiva economicamente valida; necessario normalizzare a una produzione di riferimen-
• reattori di nuova generazione per il reforming e il pro- to, in modo tale che i costi e le emissioni associati al recu-
cesso di gassificazione incorporano membrane per la pero del divario di produzione di energia elettrica o emis-
rimozione di H2 per migliorare la reazione; questo sioni vengano opportunamente considerati. La conven-
metodo è stato in fase di sviluppo per diversi anni ma zione è che, nel confronto di impianti con e senza sistema
non è stato ancora sufficientemente provato. di cattura, la produzione nominale (per esempio, MW di
elettricità) dovrebbe essere la stessa. Se questo non viene
Cattura in un impianto che utilizza biomassa fatto, la comparazione può attribuire una convenienza a
come combustibile progetti con una produzione ridotta (dovuta alla cattura)
Da quando sono stati considerati la principale opzio- perché è difficile calcolare una possibile produzione man-
ne per mitigare i cambiamenti climatici, la cattura e lo cata. Di questa convenzione si tiene conto nella seguen-
stoccaggio di CO2 sono stati associati all’utilizzazione te discussione. Il risultato è che l’impianto con sistema
dei combustibili fossili. In linea di principio, è possibi- di cattura di CO2 sarà significativamente più esteso e
le catturare e stoccare il CO2 da una centrale che utiliz- costoso di un impianto senza sistema di cattura.
za la biomassa come biocombustibile per la produzione L’efficienza termica (espressa come percentuale del
dell’energia elettrica. In questo contesto la cattura e lo Low Heating Value, LHV) e le emissioni di impianti di
stoccaggio di CO 2 possono potenzialmente far rag- produzione dell’energia elettrica (normalizzati a una pro-
giungere la eliminazione totale delle emissioni di CO2 duzione di 500 MW), con e senza sistema di cattura del
nell’atmosfera, a patto che essi vengano considerati nel- CO2, sono mostrati nella tab. 4. Con l’attuale tecnologia
l’intero ciclo di vita di produzione della biomassa, dello di cattura, la riduzione dell’80-85% delle emissioni dimi-
sfruttamento degli impianti, della cattura e dello stoc- nuirebbe il rendimento dell’impianto di 6-10 punti per-
caggio di CO2. Il modo più efficiente di utilizzare la bio- centuali rispetto a un impianto simile non dotato di siste-
massa per produrre energia elettrica sarebbe in un impian- ma di cattura. La riduzione del rendimento è minore in
to di tipo BIGCC (Biomass Integrated Gasification Com- un impianto con ciclo combinato a gas naturale (NGCC,
bined Cycle). Questa tecnologia è ancora in via di Natural Gas Combined Cycle) rispetto a un impianto a
sviluppo, ma offre la prospettiva di un elevato rendimento carbone polverizzato e supercritico con sistema di desolfo-
rispetto a una combustione diretta. La cattura di CO2 può razione dei gas di combustione (PF, Pulverized Fuel
essere incorporata in questo tipo di impianto analoga- ⫹FGD, Flue Gas Desulphurization), principalmente per-
mente a quanto avviene con un impianto di tipo IGCC, ché deve essere catturato meno CO2 per unità di elettri-
in special modo se il primo utilizza ossigeno per la gasi- cità prodotta. La penalizzazione in termini di rendimento
ficazione (Audus e Freund, 2005). L’impatto complessi- derivante dalla cattura del CO2 è minore in un impianto
vo legato al funzionamento di questo impianto verrà di tipo IGCC rispetto a un impianto a carbone polveriz-
discusso in seguito (v. par. 9.3.6). zato, perché il gas da separare è a più alta pressione, la
818 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURICATTURA E STOCCAGGIO DI CO 2 PRODOTTO DAI COMBUSTIBILI FOSSILI
conosciuta e consolidata. Attualmente sono in funzione
tab. 4. Efficienza termica ed emissioni di CO2 2.500 km di tubature per il trasporto di CO2 (prevalen-
da centrali elettriche con e senza sistema di cattura temente negli Stati Uniti) con una capacità di 50 milio-
di CO2 (Davison et al., 2005; Roberts et al., 2005) ni di t/a di CO2 (Gale e Davison, 2003). La dimensio-
ne di queste condutture è di norma compresa tra 300 e
Efficienza Emissioni CO2 750 mm di diametro. La più lunga, la tubazione Cortez,
(% LHV) (g/kWh) arriva a 808 km.
Queste condutture sono costruite in acciaio dolce. Poi-
Impianti alimentati a carbone
ché il CO2, in presenza di acqua, può dar luogo alla for-
PF⫹FGD 44,0 743 mazione di acidi deboli, è necessario deidratarlo prima
di introdurlo nella tubazione. Questa operazione non è
con cattura 34,8 117
complessa e, come risultato, il rischio di corrosione è esi-
IGCC – alimentate a secco 43,1 763 guo. In alcuni casi non è possibile deidratare il gas, par-
ticolarmente laddove il CO2 viene utilizzato in progetti
con cattura 34,5 142
di recupero assistito di olio, nel qual caso possono esse-
IGCC – alimentate re costruite brevi condutture in acciaio inossidabile.
con sospensioni 38,0 833 Il costo di spostamento del CO2 per mezzo di con-
di materiale solido dutture è semplicemente funzione della distanza: appros-
con cattura 31,5 152 simativamente può essere espresso come dollari/t per
una specifica distanza. Il costo dipenderà anche dal tipo
Impianti alimentati a gas di terreno attraversato e, in particolare, dalla quantità di
NGCC 55,6 379 CO2 che dovrà essere movimentata. La fig. 4 mostra come
il costo di trasporto del CO2 in una conduttura vari in
con cattura (A) 47,4 66 funzione della quantità coinvolta (il costo è indicato per
senza cattura (B) 49,6 63
differenti dimensioni della conduttura, ciascuna delle
quali lavora a pieno carico). Nei primi progetti c’era una
singola conduttura che connetteva l’impianto di cattura
concentrazione di CO2 nel flusso di gas è maggiore e una con il serbatoio di stoccaggio, così com’è attualmente la
minore quantità di energia è necessaria per la rigenera- conduttura tra Beulah nel Nord Dakota, Stati Uniti, e
zione del solvente. L’entità della penalizzazione in ter- Weyburn nel Saskatchewan, Canada. Tuttavia, se il CCS
mini di energia dovuta alla cattura è una delle principa- divenisse un sistema largamente utilizzato, probabilmente
li ragioni dell’interesse nello sviluppo di nuove tecno- verrebbero costruite delle reti di condutture in modo da
logie per la cattura del CO2. connettere molteplici sorgenti di CO2 ai siti di stoccag-
Dovrebbe essere notato che il confronto tra impian- gio. Queste reti migliorerebbero la flessibilità operativa
ti simili con e senza sistema di cattura del CO2, come e ridurrebbero i costi attraverso le economie di scala.
detto sopra, è un modo conveniente per comprendere gli Un approccio alternativo in mare aperto consiste nel-
effetti della cattura su un particolare tipo di progetta- l’utilizzazione di navi. Queste sarebbero le più appro-
zione dell’impianto. Quando si considerano differenti priate per il trasporto di CO2 su lunghe distanze (mag-
metodi per ridurre le emissioni di gas serra in un impian- giori di 1.000-2.000 km). Attualmente, via nave vengono
to (piuttosto che ottimizzare la progettazione di un sin-
golo impianto), risulta meno indicato fare confronti con 9
un tipo di impianto simile (v. par. 9.3.6). 8
costo (dollari/t)
7
6
5
9.3.4 Trasporto di CO2
4
3
Il serbatoio di stoccaggio può trovarsi a centinaia di chi- 2
lometri lontano da dove il CO2 viene catturato, dunque 1
le condutture possono essere utilizzate per trasportarne 0
grandi quantità. Comprimendo il CO2 a oltre 70 bar di 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
diametro (m)
pressione esso passa in uno stato chiamato ‘fase densa’,
in cui il volume viene ridotto a circa lo 0,2% del volu- fig. 4. Costo di trasporto del CO2 per mezzo
me del gas a temperatura e pressione normali. In questo di condutture su una distanza di 250 km in funzione
modo, condutture ad alta pressione possono trasportare del diametro della condotta (assumendo un utilizzo
enormi quantità di CO2 utilizzando una tecnologia ben a pieno regime, conduttura a terra, pressione ⬍140 bar).
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 819SOSTENIBILITÀ
trasportate piccole quantità di CO2 (diverse migliaia di forma di CO2 idrato (un composto di CO2 e acqua). Seb-
tonnellate). Si potrebbero anche costruire grandi navi bene realizzabile, questo tipo di alternativa non sembra
cisterna, simili a quelle utilizzate comunemente per il essere competitivo con le condutture per spedizioni su
trasporto di Gas di Petrolio Liquefatto (GPL). Potreb- vasta scala. Anche mettere in conduttura l’intero flusso
bero anche essere utilizzate navi fintanto che non venga di gas di combustione (ossia senza nessuna separazio-
costruita una rete di condutture, ma il rapporto costo/ton- ne) è impraticabile a causa dei costi energetici necessa-
nellata sarebbe necessariamente maggiore di quello per ri al pompaggio di una quantità così elevata di materia-
la corrispondente conduttura. le su una qualsiasi distanza, senza parlare delle dimen-
L’ubicazione degli impianti di trasporto del CO2 sioni del serbatoio di stoccaggio che sarebbero necessarie
dovrebbe tenere conto del potenziale rischio legato al (McDonald et al., 2005).
CO2 stesso. Sebbene non sia pericoloso a basse concen-
trazioni (la concentrazione in atmosfera è di 360 ppm), ad
alte concentrazioni il CO2 è asfissiante. Poiché è più pesan- 9.3.5 Stoccaggio di CO2
te dell’aria, tenderà ad accumularsi negli avvallamenti.
Per minimizzare i rischi legati alla fuoriuscita, le condut- Per una cattura del CO2 in grado di modificare in manie-
ture per il trasporto del CO2 devono essere fatte passare ra sostanziale le emissioni globali, i serbatoi di stoccag-
lontano dai grandi centri abitati e dovrebbero essere adot- gio devono avere una capienza sufficiente a trattenere
tate nel progetto delle misure cautelative, comprendenti una frazione significativa delle emissioni globali di CO2
valvole di arresto automatico con una spaziatura suffi- (attualmente di circa 25 Gt/a). La valutazione di molte
ciente a limitare la quantità di CO2 rilasciata in caso di tra le opzioni disponibili indica che a tal fine solo deter-
rottura. L’esperienza delle condutture esistenti indica che minati serbatoi naturali hanno una sufficiente capienza.
esse hanno un numero di incidenti simile alle condutture Questi serbatoi naturali rientrano in due categorie: ser-
di gas naturale, ma senza le pericolose conseguenze di batoi associati a formazioni geologiche sepolte e serba-
fuoriuscita di gas esplosivo (Gale e Davison, 2003). toi in mare profondo. In fig. 5 sono illustrate le princi-
Uno stoccaggio intermedio del CO2 può essere neces- pali modalità di stoccaggio del CO2.
sario per far fronte a un rifornimento variabile. Adot- Per renderne efficace lo stoccaggio contro i cam-
tando delle tecnologie simili a quelle utilizzate per il gas biamenti climatici, il CO2 deve essere immagazzinato
naturale, l’etilene e il GPL, dovrebbero verificarsi pochi per diverse centinaia di migliaia di anni. Dunque il
problemi. requisito fondamentale di ogni impianto di stoccaggio
Sono state suggerite altre alternative per il trasporto è che devono essere soddisfatte alcune condizioni, come
del CO2, per esempio, renderlo una sostanza solida sotto la presenza di una barriera fisica, che garantiscano la
fig. 5. Principali opzioni
per lo stoccaggio del CO2
in giacimenti naturali
(IEA GHG, 2001).
impianto di generazione dell’energia
elettrica dotato di sistema di cattura del CO2
oceano
conduttura conduttura
strati di carbone giacimenti esauriti
non estraibile di olio e gas
acquiferi profondi salini
820 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURICATTURA E STOCCAGGIO DI CO 2 PRODOTTO DAI COMBUSTIBILI FOSSILI
permanenza del CO2 nel serbatoio. Lo stoccaggio del Tuttavia, durante l’utilizzazione dei giacimenti per
CO2 deve avere inoltre un basso impatto ambientale, un la produzione di olio e gas, la roccia di copertura potreb-
costo contenuto ed essere conforme alle normative nazio- be essere stata danneggiata dall’iniezione di fluidi (inclu-
nali e internazionali. sa la successiva iniezione di CO2), oppure dalla perfo-
Sono state proposte altre alternative per lo stoccag- razione attraverso la copertura per scopi di produzione.
gio del CO2, inclusa la possibilità di farne carbonati, il Fintanto che non viene certificata la sicurezza del ser-
che avrebbe il vantaggio di rendere il CO2 altamente sta- batoio, la storia del giacimento può far crescere la preoc-
bile, oppure di stoccarlo sotto forma di ghiaccio secco cupazione circa la compromissione della sua integrità.
in depositi artificiali. Queste tecniche verranno discus- Lo stoccaggio nel sottosuolo in giacimenti naturali è
se brevemente di seguito. stato per molti decenni parte integrante dell’industria del
gas naturale (usando campi di gas o di olio esauriti, o gli
Stoccaggio geologico in giacimenti esauriti acquiferi). Il gas naturale, abitualmente, viene iniettato,
di olio e gas immagazzinato ed estratto da centinaia di campi di stoc-
I giacimenti di olio e gas sono costituiti da rocce poro- caggio nel sottosuolo. Alcuni campi a gas esauriti pos-
se sormontate da rocce di copertura, che hanno spesso sono essere facilmente adattati per lo stoccaggio del CO2.
una forma a domo. A seguito di oltre un secolo di inten-
so sfruttamento petrolifero, molti campi di olio e gas si Aumento della produzione di olio e gas
stanno avvicinando, da un punto di vista economico, alla associato al CO2
fine della loro vita produttiva. Alcuni di questi giaci- Nella maggior parte dei campi a olio solo una parte
menti esauriti possono funzionare come siti per uno stoc- dell’olio originale viene recuperata usando metodi stan-
caggio efficace del CO2. Essi hanno una serie di carat- dard di estrazione petrolifera. L’iniezione di CO2 all’in-
teristiche particolarmente attrattive per questo scopo: terno di idonei giacimenti esauriti può far aumentare il
a) bassi costi di esplorazione; b) i giacimenti sono trap- recupero di olio del 10-15% dell’olio originariamente in
pole comprovate, che hanno ospitato liquidi e gas per posto. Questa tecnica, illustrata in fig. 6, è ormai affer-
milioni di anni; c) i giacimenti sono ben conosciuti dal mata e viene chiamata Enhanced Oil Recovery (EOR).
punto di vista geologico; d ) esiste il potenziale riutiliz- Se la tecnica viene usata in combinazione con lo stoc-
zo di alcune parti dell’impianto di produzione di idro- caggio di CO2, la produzione aggiuntiva di olio può com-
carburi per trasportare e iniettare il CO2. pensare in parte i costi di cattura e iniezione del CO2.
fig. 6. Diagramma CO2 prodotto
schematico rappresentante separato e reiniettato
un piano di aumento
del recupero d’olio
utilizzando il CO2
(IEA GHG, 2001). pozzo d’iniezione pozzo di
del CO2 produzione
CO2
fronte
dell’olio
zona aumento
miscibile del recupero
olio
VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILITÀ 821SOSTENIBILITÀ
Circa 33 milioni di tonnellate all’anno di CO2 sono proprietà del giacimento: la cessione della proprietà da
stati già utilizzati in più di 74 progetti EOR negli Stati un operatore autorizzato a un operatore interessato allo
Uniti. La maggior parte di questo CO2 viene estratta dai stoccaggio è, finora, una procedura non sperimentata. I
giacimenti naturali, ma una parte viene catturata duran- giacimenti abbandonati contengono ancora una parte di
te il processo di lavorazione del gas naturale e dalla pro- olio e gas che potrebbe avere un potenziale valore eco-
duzione di ammoniaca. Ulteriori 6 milioni di tonnella- nomico se il prezzo dell’olio risalisse abbastanza o se le
te all’anno di CO2 sono stati iniettati in Turchia come tecnologie EOR fossero perfezionate. Dunque sarebbe
parte di un vasto progetto EOR con CO2. L’utilizza- necessario responsabilizzare chi opera nello stoccaggio
zione di questa tecnica è iniziata negli anni Ottanta, ma del CO2 per assicurarsi che questo non venga rilasciato
più recentemente una progettazione più complessa di in futuro nell’atmosfera. Di tutti questi aspetti bisognerà
recupero assistito, che utilizza il biossido di carbonio tenere conto se si intende utilizzare i giacimenti esauri-
catturato, è iniziata nel campo di olio di Weyburn nel ti di olio e gas per stoccare il CO2.
Saskatchewan, Canada. Il CO2 necessario in questo pro- Una tecnica simile, che prevede l’incremento della
getto viene catturato, secondo un vasto piano di gassi- produzione di metano da letti di carbone tramite CO2,
ficazione del carbone, nel Nord Dakota, Stati Uniti, e verrà descritta in seguito.
trasportato per 300 km tramite condutture prima di esse-
re iniettato nel campo di Weyburn. Attualmente si stan- Stoccaggio geologico in giacimenti profondi
no iniettando 5.000 t/d di CO2, ma con un uso poten- di acque saline
ziale più elevato. Un programma intensivo di monito- Nel sottosuolo ci sono molti strati saturi d’acqua
raggio, successivo all’iniezione di CO2, fornirà molte (acquiferi) che possono potenzialmente essere utilizza-
informazioni su questo metodo di stoccaggio (Wilson ti per stoccare il CO2. Gli acquiferi che si vorrebbero
e Monea, 2004). usare per questo scopo sono molto profondi, contengo-
L’incremento della produzione di gas non può esse- no acque saline e sono inadatti alla fornitura di acqua
re ottenuto allo stesso modo durante gli ultimi stadi della potabile. Per l’iniezione di CO2 in serbatoi profondi con-
vita produttiva di un giacimento esaurito di gas, a causa tenenti acque saline ci si servirebbe di tecniche simili a
del pericolo di contaminazione del gas con il CO2. Tut- quelle utilizzate per i giacimenti di olio e gas non più
tavia, nei primi stadi della vita di un giacimento di gas, in uso.
il CO2 può essere iniettato per mantenere la pressione Per lo stoccaggio del CO2 in questi acquiferi deve
di produzione, migliorando così il tasso di recupero del esserci una roccia di copertura impermeabile sopra le
gas. Alla fine ci sarà la comparsa di CO2 nel gas pro- rocce serbatoio che permetta di intrappolare il CO2. Con
dotto, il che aumenterà la necessità di separare i due il passare del tempo, una parte del CO2 si dissolverà nel-
fluidi. Il primo giacimento progettato con questo inten- l’acqua dell’acquifero. In funzione della natura della roc-
to è il complesso In Salah in Algeria (Bishop et al., cia, il CO2 può reagire lentamente con i minerali e dare
2005). In questo giacimento il CO2 separato viene rei- luogo alla formazione di carbonati, che in sostanza lo
niettato in una parte del giacimento ben distante dai bloccherebbero in modo permanente.
pozzi in produzione. Un esempio simile, ma più picco- Attualmente si sta iniettando quasi un milione di ton-
lo, è il giacimento in mare aperto K-12B nei Paesi Bassi nellate all’anno di CO2 in un giacimento profondo di
(van der Meer et al., 2005). Per un po’ di tempo il CO2 acque saline nella formazione di Utsira, nel settore nor-
è stato separato dal getto di gas prodotto prima di immet- vegese del Mare del Nord (fig. 7). Questa formazione,
tere il gas sul mercato. La reiniezione è iniziata nel 2004 che si trova a una profondità di circa 800 m, è costituita
nell’ambito di un programma finalizzato alla compren- da sabbie e ha una vasta estensione areale nel Mare del
sione del comportamento del CO2 nel sottosuolo e dei Nord. A queste profondità, il CO2 si trova nella sua fase
metodi per monitorarlo. densa, ma è ancora meno denso dell’acqua di formazio-
Al fine di utilizzare i giacimenti di olio e gas per lo ne. Così galleggia nella formazione al di sopra dell’ac-
stoccaggio del CO2 sarà necessario apportare alcuni cam- qua e al di sotto della roccia di copertura. In questo caso,
biamenti nelle procedure operative correnti. Per esem- il CO2 deriva da un impianto per il trattamento del flus-
pio, se l’obiettivo passa dalla produzione di olio allo so di gas naturale prima della sua immissione sul mer-
stoccaggio del CO2, la quantità di CO2 che deve essere cato. Nelle normali pratiche industriali questo CO2
iniettata e le operazioni sul giacimento saranno sostan- dovrebbe essere disperso nell’atmosfera, invece lo si sta
zialmente differenti rispetto a un programma di recupe- stoccando nel sottosuolo. Quando quest’iniezione ebbe
ro assistito. Infatti, in un progetto EOR l’operatore ha luogo, nel 1996, fu il primo caso di stoccaggio di CO2
interesse a introdurre la minor quantità possibile di CO2, in una formazione geologica con lo scopo di limitare
mentre, se l’aumento del recupero è subordinato allo l’emissione di gas serra, diventando di conseguenza il
stoccaggio del CO2, l’operatore desidera iniettare più primo caso di stoccaggio di CO2 nel sottosuolo moni-
CO2 possibile. Un’altra differenza si ha in termini di torato su vasta scala (Baklid et al., 1996). Altri giacimenti
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