Technology Economia circolare

Come riciclare la CO2

 By Luca Longo
Economia circolare

È in corso una battaglia per contrastare il cambiamento climatico e salvare la Terra…

Sappiamo che il surriscaldamento del nostro pianeta è provocato dall’aumento dei gas serra in atmosfera. Fra questi, il principale responsabile è l’anidride carbonica (CO2).
Abbiamo già presentato i principali processi per la cattura e lo stoccaggio della CO2 (Carbon Capture and Storage – CCS) e anche quelli che prevedono il suo riutilizzo (Carbon Capture and Utilization – CCU).
I processi del secondo tipo sono parte di un ciclo virtuoso caratteristico dell’economia circolare: riciclano il carbonio dalla sua forma a minima energia (la CO2) e lo convertono chimicamente per generare prodotti e/o combustibili utilizzando energia da fonti rinnovabili. Quando questi ultimi vengono consumati, l’anidride carbonica che viene liberata deve essere nuovamente catturata e riconvertita.
Anche la Direzione Ricerca e Innovazione Tecnologica di Eni sta facendo la propria parte in questa battaglia, in collaborazione con tutte le altre unità del cane a sei zampe.

Biocarburanti avanzati con il Sole e le microalghe

Un grande progetto – ora in fase pilota a Ragusa – è quello della biofissazione della CO2 grazie a fotobioreattori di nuova concezione: speciali vasche chiuse dove, grazie alla luce del sole opportunamente convogliata, crescono alghe di dimensioni microscopiche alimentate dalla CO2 sviluppata dai processi industriali. Le microalghe vengono poi scomposte nei loro componenti, valorizzandoli negli utilizzi più opportuni così da non perdere un grammo della biomassa prodotta. Ad esempio, i grassi contenuti nelle microalghe vanno ad alimentare i processi di produzione di biocarburanti nelle nuove green refineries Eni di Venezia (già operativa) e di Gela (che sarà presto in produzione).
Perché la ricerca Eni punta sulla biofissazione della CO2 nelle microalghe? Per due motivi.
Prima di tutto, perché le coltivazioni di alghe in queste apposite vasche possono sfruttare terreni non coltivabili lasciando questi ultimi liberi per l’agricoltura a fini alimentari. Infatti, gli oli ricavati da palma, ma anche da arachide, soia e mais, sono in competizione con la coltivazione di altri vegetali destinati a sfamare persone ed animali. Non dimentichiamo che la crescita della domanda di oli vegetali può provocare danni anche superiori a quelli che si vogliono evitare con l’utilizzo di biocarburanti. Parliamo degli effetti dovuti alla allo sfruttamento eccessivo delle risorse naturali, dei terreni e dell’acqua dolce ma anche della deforestazione, che non solo colpisce gli ecosistemi e impoverisce la biodiversità, ma provoca una perdita secca di massa verde che ricicla l’anidride carbonica con la fotosintesi.

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Eni punta sulla biofissazione della CO2 nelle microalghe tramite fotobioreattori di nuova concezione

Inoltre, la resa in lipidi per ettaro coltivato in fotobioreattori di microalghe è da 10 a 30 volte maggiore anche rispetto alla resa per ettaro dell’olio di palma, che è il campione indiscusso fra tutte le piante terrestri per la produzione di grassi vegetali.
Certo, quando questi biocarburanti entreranno nel motore e svilupperanno energia libereranno CO2. Ma sarà una quantità paragonabile a quella che era stata prima sottratta all’ambiente dalle stesse microalghe. Così, grazie ai biocombustibili, si risparmiano le fonti fossili e si continua a muovere il pianeta in attesa che la transizione verso le fonti rinnovabili sia completata.

Gas naturale e metanolo da fonti rinnovabili, per dare al pianeta l’energia per la transizione

Nella decarbonizzazione del settore energetico, cioè nella partita per la transizione dalle fonti fossili (carbone e petrolio) alle fonti rinnovabili, il gas naturale gioca con la maglia numero dieci e la fascia di capitano.
Il metano, infatti, è il vettore energetico che produce meno anidride carbonica per unità di energia prodotta rispetto agli altri combustibili fossili. Parliamo di addirittura la metà di quella prodotta dal carbone e, conseguentemente, sono facilmente intuibili i vantaggi derivanti dal sostituire questo combustibile solido con il gas naturale nei processi di produzione di energia.
Favorire la transizione energetica significa quindi sfruttare al massimo le risorse di gas naturale, valorizzando anche giacimenti piccoli o remoti per i quali non è economicamente giustificabile la costruzione di gasdotti o il trasporto in nave sotto forma di gas compresso (CNG) o liquefatto (LNG).
Col programma di ricerca Energy Transition, avviato da Eni nel 2015, è iniziato anche lo sviluppo di vie innovative per la valorizzazione di queste riserve di gas, facilitandone il trasporto. Una di queste consiste nel convertire il metano (CH4, principale costituente del gas naturale) in metanolo (CH3OH). Quest’ultimo è un composto liquido facilmente trasportabile, che trova numerose applicazioni sia come combustibile che come materia prima in numerosi processi chimici d’importanza industriale.
Leggendo questo, un chimico si domanderebbe dove sta la novità, visto che già oggi il metanolo viene prodotto con un ben noto processo catalitico a partire da una miscela di CO e H2 (detto gas di sintesi) a sua volta ottenuta con un processo industriale chiamato steam reforming del metano. La risposta sta proprio nel percorso di produzione del gas di sintesi, per la quale Eni propone una tecnologia proprietaria chiamata Catalytic Partial Oxidation (CPO) dimensionalmente molto più compatta rispetto ad uno steam reformer e, quindi, facilmente installabile su una piattaforma o su una nave assieme all’impianto di produzione del metanolo, così da chiudere il ciclo.
In tutto questo, dove sono i vantaggi in termini di riduzione delle emissioni di CO2? Prima di tutto, l’utilizzo del metanolo così prodotto come combustibile ci permette di evitare l’utilizzo di quantità equivalenti (in termini energetici) di fonti fossili a più elevato impatto emissivo. Più in generale, si potrebbe avviare quel circolo virtuoso teorizzato nel 2005 da George Olah (Premio Nobel per la Chimica) noto come Methanol Economy. È un esempio di economia circolare basata sull’utilizzo di questo composto come fonte energetica, sulla cattura della CO2 emessa e sulla sua riconversione in metanolo grazie alla riduzione catalitica con H2 (idrogeno) a sua volta prodotto per elettrolisi dell’acqua, utilizzando energia elettrica da fonti rinnovabili. È virtualmente un ciclo neutro dal punto di vista delle emissioni di CO2 che può diventare anche un processo a cattura netta di carbonio se parte della CO2 viene stoccata in modo permanente nel sottosuolo (CCS) o fissata in prodotti con tempi di vita elevati (CCU).

Come ti acchiappo la CO2?

Continuiamo a parlare di cattura della CO2 ma non abbiamo accennato a come si fa… Bene, oggi esistono tecnologie consolidate che permettono di separare l’anidride carbonica dal gas naturale (che spesso la contiene in concentrazioni anche elevate), dai fumi delle centrali elettriche o di altri processi industriali (es. cementifici, acciaierie, …) restituendola in forma pressoché pura e pronta per l’eventuale stoccaggio geologico o per l’utilizzo.

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Un impianto di cattura di CO2 della Climeworks in Svizzera (climeworks.com)

Capitolo chiuso, quindi? No di certo perché molte di queste tecnologie (almeno le più efficienti), sono basate sull’utilizzo di soluzioni assorbenti che, oltre ad avere numerosi inconvenienti dal punto di vista dell’impatto ambientale, consumano molta energia. Per capirci, immaginiamo di voler catturare la CO2 emessa da una centrale elettrica a gas naturale. Sappiamo che la tecnologia di cattura va selezionata tra quelle che utilizzano soluzioni di ammine specificatamente selezionate allo scopo. Sappiamo anche che la gestione dell’intero processo richiede molta energia (termica per il desorbimento della CO2, elettrica per i compressori, ecc.) e anche questa deve essere prodotta dalla stessa centrale. Per intenderci, una centrale a gas con cattura della CO2 deve prevedere una potenza del 10-15% in più per poter gestire il processo di cattura. Una quota che si ripercuote necessariamente sul costo unitario dell’energia e, cosa non trascurabile, sulle emissioni di CO2. Lo stesso vale per tutti gli altri casi in cui si vuole catturare la CO2. Da qui la necessità di trovare tecnologie alternative, meno costose ma altrettanto efficienti rispetto a quelle oggi disponibili sul mercato. Per questo, sempre nell’ambito del programma di ricerca Energy Transition, il cane a sei zampe ha avviato una linea espressamente dedicata allo sviluppo di nuove tecnologie di cattura della CO2.
Come?

… con liquidi ionici

Eni, in collaborazione con l’Università di Pisa, sta sviluppando un processo per la cattura della CO2 e dell’acido solfidrico (un inquinante tossico e corrosivo) contenuti nel gas naturale estratto dai giacimenti.
I tradizionali processi chimici, vengono sostituiti da un processo fisico di adsorbimento in liquidi ionici (Ionic Liquids, IL), che non solo richiedono meno energia, ma hanno una maggiore stabilità termica e chimica e altre proprietà chimico-fisiche che li rendono preferibili ai metodi tradizionali.

… direttamente a bordo di un’autovettura

Circa un quarto dell’anidride carbonica emessa in atmosfera oggi proviene dal settore dei trasporti. Le normative europee impongono severi limiti alle emissioni che, entro il 2021, dovranno passare, mediamente, da 130 a 95 grammi di CO2 per km percorso.
Per raggiungere questo traguardo, le case costruttrici stanno sviluppando motori più efficienti, mentre le compagnie energetiche lavorano per migliorare le caratteristiche dei carburanti. Oltre allo sviluppo di auto ibride e elettriche efficienti, si sta studiando come catturare almeno in parte l’anidride carbonica prodotta dai motori tradizionali direttamente a bordo dei veicoli. Eni lavora insieme al MIT di Boston sulla cattura elettrochimica di parte della CO2 prodotta da un motore a combustione interna alimentato con carburanti convenzionali. Il primo prototipo è in fase di costruzione e sarà testato su una autovettura nell’ambito di una collaborazione con Fiat Crysler Automobiles.

Cosa ne faccio della CO2?

Catturare la CO2 è solo un primo passo, ma è inutile se non si sa cosa farne delle enormi quantità di questo gas che devono essere sottratte all’ambiente… Certo, è possibile stoccarlo in modo permanente nel sottosuolo (CCS): lo si fa e lo si farà sempre più perché sarà possibile gestire volumi veramente importanti di CO2. Ma la CCS non fa parte di un ciclo virtuoso perché non prevede il riutilizzo della CO2 in una vera economia circolare. Piuttosto, è necessario trovare soluzioni tecnologiche che ci permettano di far ritornare in circolo l’anidride carbonica per produrre, a partire da essa, beni di largo consumo che integrino o sostituiscano quelli attualmente prodotti a partire da fonti fossili. Stiamo parlando, quindi, della valorizzazione della CO2 attraverso il suo utilizzo (CCU). Sempre all’interno del programma di ricerca Energy Transition, Eni sta studiando alcuni promettenti processi in grado di fissare in modo permanentemente l’anidride carbonica in prodotti di elevato interesse.

Un paio di esempi…

1) Produco plastiche e intermedi chimici
Che la CO2 sia una materia prima importante lo si sa da tempo. Ad esempio, la sintesi dell’acido salicilico (precursore dell’acido acetilsalicilico, principio attivo dell’Aspirina) viene fatta con la reazione di Kolbe-Schmitt, di cui si hanno notizie dal 1860.
Esistono svariate possibilità di utilizzare la CO2 nell’industria chimica e una di queste consiste nella preparazione di polimeri. È proprio in questo ambito che Eni sta operando, con l’obiettivo di ottenere polimeri (ad esempio, policarbonati) con caratteristiche innovative, in grado di penetrare il grande mercato delle materie plastiche.

2) Produco materiali per l’edilizia
Un’altra serie di progetti prende spunto da un processo naturale, la carbonatazione di alcune rocce, principalmente silicati di Magnesio o di Calcio, che catturano l’anidride carbonica presente in atmosfera trasformandola in roccia stessa. Se siete mai stati in una grotta, avrete certamente visto stalattiti, stalagmiti, colonne e concrezioni delle più incredibili forme. Queste sono state lentamente prodotte dalla trasformazione chimica dell’anidride carbonica che è entrata nella grotta insieme all’acqua piovana.
Gli stessi processi naturali spontanei possono avvenire molto più velocemente in un impianto industriale e permettere non solo di sottrarre all’ambiente grandi quantità di CO2 ma anche di trasformarla in materiali da costruzione.
Eni si concentra sulla reazione di mineralizzazione dell’olivina, una roccia costituita per il 70% da silicato di Magnesio che, per reazione con CO2, porta alla formazione di carbonato di magnesio e silice amorfa. In questo modo – beninteso: sempre spendendo energia – si cattura la CO2 e si trasforma la polvere di olivina (residuo di lavorazioni industriali e priva di valore) in un solido che può essere utilizzato nella formulazione di materiali per l’edilizia.
Questi sono solo alcuni dei progetti su cui sta lavorando la ricerca del cane a sei zampe. Ma il contributo di Eni a questa battaglia per la riduzione dei gas serra e per il contrasto al cambiamento climatico non si ferma a questo. Continueremo a parlarne proprio qui.

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informazioni sull'autore
Luca Longo
Chimico industriale specializzato in chimica teorica. Si occupa di calcolo scientifico da 30 anni. Lavora nella ricerca di nuove tecnologie per l’energia. In tutto quello che fa, ama andare fino in fondo.