Carbon capture and storage (CCS): che cos’è e come funziona?

Oltre alla riduzione e alla compensazione di anidride carbonica, esiste come strategia la cattura del carbonio.

Negli ultimi anni le emissioni sono sempre più in aumento.

L’agenzia internazionale per l’energia ha comunicato che nel mondo sono state emesse nel 2022 oltre 36,8 miliardi di tonnellate di anidride carbonica equivalente (Gt CO2e).

Il carbon capture and storage CCS può essere un rimedio concreto nel processo di riduzione delle emissioni in atmosfera?

Scopriamolo insieme.

Che cos’è la carbon capture?

La cattura del carbonio è una tecnologia utilizzata per rimuovere l’anidride carbonica dall’atmosfera o dai gas emessi all’interno di processi industriali.

La rimozione può avvenire ad esempio da centrali elettriche o impianti industriali.

Tramite queste tecnologie si mira a mitigare il cambiamento climatico e ad abbattere le emissioni di gas serra rilasciate in atmosfera.

I principali impianti in cui può essere utilizzata sono le raffinerie, i cementifici e le industrie siderurgiche.

La cattura del carbonio può avvenire però tramite diverse strategie.

Le tipologie di cattura della CO2

Il primo passaggio per la gestione dell’anidride carbonica prevede la cattura di essa.

Di seguito vengono mostrate quattro tecnologie attualmente in uso per compiere l’azione di carbon capture.

Comprendendo che cos’è la CO2 e come viene catturata saremo in grado di capire il potenziale utilizzo.

Pre-combustion capture (Cattura prima della combustione)

Tramite la tecnologia di pre combustione è possibile ottenere il sequestro di anidride carbonica prima che il combustibile fossile possa essere bruciato.

Questo processo si divide in quattro fasi:

1. nella prima fase avviene la conversione dei combustibili fossili tramite un processo di gassificazione e quindi il carburante si trasforma in un gas sintetico;
2. nella seconda fase avviene la separazione della CO2 dal gas sintetico tramite l’utilizzo di solventi o assorbenti chimici;
3. la terza fase prevede il recupero di anidride carbonica che può essere compressa o immagazzinata;
4. la quarta e ultima fase prevede l’utilizzo come la produzione di carburanti sintetici o la produzione di prodotti chimici, in alternativa può essere trasportata a siti di stoccaggio dove viene immagazzinato in modo sicuro.

Post-combustion capture (Cattura dopo la combustione)

Con questa tecnica il carbon capture avviene dopo la combustione dei gas fossili.

Di seguito vediamo insieme il processo diviso in cinque fasi:

1. nella prima fase, all’interno di un impianto, avviene la combustione del combustibile fossile che reagendo con l’ossigeno dell’atmosfera produce CO2 e altri gas serra;
2. nella seconda fase si procede al raffreddamento di questi gas serra che sono molto caldi e per compiere il carbon capture è necessario lavorare a temperature inferiori;
3. nella terza fase avviene il sequestro della CO2 dove l’anidride carbonica viene separata dagli altri gas tramite un solvente specifico e il resto dei gas viene rilasciato i atmosfera o subisce ulteriori trattamenti;
4. la quarta fase consiste nella rigenerazione del solvente in modo che possa essere riutilizzato ancora e avviene tramite l’applicazione di calore o una variazione di pressione del solvente che permette il rilascio di anidride carbonica;
5. la quinta e ultima fase prevede l’utilizzo della CO2 all’interno di processi industriali o lo stoccaggio.

Oxy-fuel combustion (Combustione con ossigeno)

La tecnologia di combustione con ossigeno è un processo che prevede la combustione di combustibili fossili in un ambiente ricco di ossigeno.

Questo processo di divide in cinque fasi:

1. nella prima fase, all’interno di impianti, avviene la generazione di ossigeno puro che tramite dei processi di separazione dalla comune aria viene utilizzato come agente di combustione al posto dell’aria stessa;
2. nella seconda fase il gas naturale, il carbone o altri derivati del petrolio vengono bruciati in un ambiente ricco di ossigeno puro e non essendo presente l’azoto, il processo di separazione è più efficiente ed economico, grazie alla sola presenza di CO2 e H2O;
3. nella terza fase avviene la cattura della CO2 che avviene tramite l’utilizzo di solventi ed è facilitata dalla concentrazione elevata di CO2 nei gas di scarico;
4. nella quarta fase avviene la rigenerazione del solvente che permette la liberazione della CO2 e in questo processo è richiesto tendenzialmente il riscaldamento del solvente;
5. la quinta e ultima fase prevede l’utilizzo dell’anidride carbonica all’interno di processi industriali o lo stoccaggio in appositi siti.

Chemical looping combustion (Combustione con loop chimico)

La quarta e ultima tecnologia di carbon capture è il “chemical looping combustion“.

Questo tecnologia di combustione del gas elimina il bisogno di una costosa separazione dell’anidride carbonica e semplifica il processo complessivo.

Il processo si divide nelle seguenti fasi:

1. nella prima fase avviene il loop di combustione dove viene bruciato il carburante fossile in un ambiente ricco di ossigeno, ma si utilizza un materiale solido ossidante diversamente dalla combustione con ossigeno e il materiale entra in contatto con il carburante cedendogli l’ossigeno;
2. nella seconda fase, che avviene in parallelo, la CO2 prodotta viene inviata nel loop di cattura e con l’utilizzo di un altro materiale solido, detto “carrier di cattura”, viene catturata la CO2 dal flusso di gas di scarico;
3. nella terza fase è necessaro rigenerare i due composti (il portatore di ossigeno e il carrier di cattura) tramite l’applicazione di calore;
4. la quarta fase prevede quindi il ciclo alternato dove il ciclo di combustione e cattura si ripetono permettendo di catturare la CO2 senza la necessità di separare la CO2 dai gas di scarico.

Le tipologie di utilizzo e stoccaggio dell’anidride carbonica

Dopo aver analizzato le principali tecnologie di carbon capture, esploriamo i potenziali utilizzi dell’anidride carbonica.

Questi progetti possono essere utilizzati come strategia di carbon offset (compensazione delle emissioni) e quindi dare vita ai crediti di carbonio.

CCS – Carbon Capture and Storage

Il Carbon Capture and Storage è un insieme di tecnologie utilizzate per affrontare il problema delle emissioni di anidride carbonica derivante dall’utilizzo dei combustibili fossili.

Di seguito sono presenti le tre fasi in cui si divide:

1. nella prima fase la CO2 viene catturata all’interno di un impianto tramite uno dei quattro processi visti in precedenza;
2. nella seconda fase la CO2 viene compressa e trasportata tramite condotte o altri metodi di trasporto;
3. nella terza fase avviene lo stoccaggio dell’anidride carbonica che viene iniettata in formazioni geologiche nel sottosuolo (giacimenti di petrolio o di gas esauriti) e viene trattenuta per migliaia di anni in modo sicuro.

CCU – Carbon Capture Utilisation

Il CCU, detto anche cattura e utilizzo della CO2, è un processo che prevede la cattura dell’anidride carbonica dall’atmosfera o da fonti industriali ed utilizzata per la produzione di nuovi prodotti.

Scopriamo insieme le principali fasi:

1. nella prima fase avviene la cattura del carbonio da processi industriali o direttamente dall’atmosfera tramite dei “catturatori di CO2”;
2. la seconda fase prevede la conversione di anidride carbonica in prodotti utili come carburanti sintetici, materiali da costruzioni, prodotti chimici, alimentazione per coltivazioni.

Tramite il CCU si mira a ridurre le emissioni di gas serra prodotte e a creare valore aggiunto tramite la realizzazione di prodotti.

CCUS – Carbon Capture Utilisation and Storage

Il CCUS, o Carbon Capture Utilization and Storage, è un approccio completo per affrontare la gestione del carbonio.

Rispetto al classico CCS una volta che la CO2 è stata catturata, nella CCUS può essere stoccata o utilizzata.

Il CCUS estende l’approccio includendo oltre allo stoccaggio nel sottosuolo anche la possibilità di utilizzo all’interno di processi industriali.

BECCS – Bioenergy with Carbon Capture and Storage

Il BECCS, bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio, combina la bioenergia, la cattura e lo stoccaggio del carbonio.

L’obiettivo di questa tecnologia è quello di ottenere un bilancio negativo delle emissioni di CO2 e catturare più CO2 rispetto a quanta ne venga emessa.

Il processo si divide nelle seguenti fasi:

1. la prima fase prevede la produzione di energia e di calore utilizzando fonti di bioenergia come legno, alghe o altri materiali organici;
2. la seconda fase prevede la cattura del carbonio derivante dalla combustione o dalla conversione della biomassa stessa;
3. la terza fase prevede lo stoccaggio del carbonio in formazioni geologiche che svolgono la funzione di serbatoi naturali.

Le criticità del carbon capture and storage CCS

Le principali tecnologie di CCUS hanno la potenzialità di catturare oltre il 90% delle emissioni di CO2 all’interno di impianti.

Sono presenti alcune criticità che devono essere analizzate appieno:

• la prima criticità è rappresentata dai costi elevati di installazione e gestione di queste tecnologie e rappresenta un grosso ostacolo all’adozione;
• la seconda criticità riguarda il forte consumo di energia che porta a costi elevati e ad un potenziale aumento delle emissioni di CO2;
• la terza criticità riguarda le potenziali perdite proveniente dal processo di cattura o dallo stoccaggio all’interno di serbatoi naturali;
• un’ulteriore criticità riguarda la disponibilità di siti di stoccaggio che in alcune zone potrebbe essere limitata e potrebbe comportare problemi a livello geologico;
• nel caso dello stoccaggio è necessario sorvegliare questi serbatoi naturali in modo continuo per evitare potenziali fuoriuscite;
• il CCS ha bisogno di tempi lunghi per essere sviluppato su larga scala e potrebbe non essere sufficiente per il tempo che abbiamo a disposizione.

Conclusioni

Le tecnologie di Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) offrono un percorso promettente per affrontare e mitigare il cambiamento climatico.

Il CCUS presenta notevoli vantaggi nella cattura e gestione del carbonio, però presenta molte sfide significative.

Le emissioni globali di CO2 continuano a crescere, e il CCUS può svolgere un ruolo cruciale nel processo di riduzione delle emissioni e migliore gestione del ciclo del carbonio.

Le sue diverse metodologie di cattura, pre-combustion capture, post-combustion capture, Oxy-fuel combustion e il chemical looping offrono opzioni flessibili per ridurre le emissioni industriali e di produzione di energia.

Inoltre, il CCUS non si limita solo allo stoccaggio, ma include anche l’utilizzo della CO2 per produrre nuovi materiali e carburanti, creando un’opportunità per generare valore aggiunto.

Tuttavia, le criticità legate ai costi, al consumo energetico, alla disponibilità dei siti di stoccaggio e alla gestione a lungo termine sono ostacoli da affrontare.

È essenziale affrontare queste sfide con soluzioni innovative e regolamentazioni adeguate per massimizzare il potenziale del CCUS e contribuire a un futuro più sostenibile.

La sua efficacia nel raggiungere l’obiettivo net zero dipenderà dall’adozione su larga scala e da un impegno globale coordinato.