L’utilizzo del carbonio converte in valore i prodotti di scarto

cattura del carbonio rientra tra le risposte più recenti all'esigenza di ridurre le emissioni industriali di gas serra (GHG). Dopo averla prelevata dai flussi di scarto dei processi, l'anidride carbonica viene generalmente trasportata dal sito di origine al luogo di stoccaggio a lungo termine nel sottosuolo. Tuttavia, la tecnologia e le attività di monitoraggio continuo dei siti di stoccaggio sono costose.

Per compensare parzialmente le spese, la CO₂ catturata potrebbe essere riutilizzata e creare valore invece di essere semplicemente immagazzinata. Nota come riciclo del carbonio, questa pratica rientra sotto il più ampio ombrello dei processi di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS), una soluzione collettiva che può contribuire a raggiungere gli obiettivi di "emissioni nette zero" entro il 2050 e mitigare le minacce climatiche.

Oggi l’industria raccoglie ogni anno 45 milioni di tonnellate di anidride carbonica dai flussi di scarto derivanti dal trattamento dei rifiuti, pari a circa lo 0,1% delle emissioni globali di tutti i settori. Secondo i modelli climatici di IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) e IEA (International Energy Agency), i sistemi CCUS potrebbero catturare l’incredibile cifra di 1 miliardo di tonnellate di CO₂ all’anno entro il 2030 e diversi miliardi di tonnellate entro il 2050. Se, una volta raggiunta questa capacità, le emissioni di anidride carbonica provenienti dai settori industriali e da altri settori rimanessero più o meno le stesse si potrebbero ridurre le emissioni di gas serra di circa il 10%.

Per garantire la qualità e la sicurezza del processo, le tecnologie CCUS richiedono operazioni di misura affidabili nei punti critici. In genere, queste misure includono livello, portata, temperatura, pressione, analisi dei liquidi e, sempre più spesso, analisi dei gas tramite analizzatori spettroscopici Raman e TDLAS.

Considerato l’elevato costo di cattura della CO₂, la capacità di trasformare volumi significativi di questo gas in un prodotto di valore può essere di grande interesse per gli operatori che implementano tecnologie CCUS. Le applicazioni e le industrie che possono trarre vantaggio dall’utilizzo del carbonio sono numerose e, di seguito, ne riportiamo qualche esempio:

Noto per il significativo consumo di energia e la notevole impronta di carbonio, il settore edile può sfruttare la cattura e l’utilizzo del carbonio per creare materiali da costruzione più sostenibili. I tradizionali processi di produzione del cemento prevedono il riscaldamento dei materiali fino a oltre 1450 °C (2642 °F) utilizzando, generalmente, olio combustibile pesante, carbone, gas naturale o altri combustibili derivanti ​​dai rifiuti. Inoltre, la reazione chimica più utilizzata per produrre il cemento richiede la trasformazione del carbonato di calcio in composti simili all’ossido di calcio e la conseguente generazione di CO₂ come sottoprodotto. Insieme, queste emissioni sono responsabili di circa il 7% della produzione mondiale di gas serra.

Questo problema può essere mitigato prelevando l’anidride carbonica dai flussi di scarto tramite il trattamento del gas amminico e iniettandola nel calcestruzzo fresco durante il processo di miscelazione. La CO₂ iniettata reagisce con gli ioni calcio presenti nell'impasto del calcestruzzo e forma carbonato di calcio, un legante naturale. Oltre ad arricchire il calcestruzzo aumentandone la resistenza alla compressione, ciò consente di sequestrare permanentemente l'anidride carbonica, eliminando la necessità di stoccaggio e monitoraggio all'interno di formazioni geologiche. 

La maggiore resistenza del calcestruzzo consente di ridurre il materiale necessario nei progetti di costruzione, generando risparmi che compensano parzialmente il costo del trattamento amminico. Inoltre, l’iniezione di CO₂ può essere integrata nei processi esistenti con modifiche minime alle infrastrutture. 

L’anidride carbonica può essere utilizzata anche per creare aggregati sintetici, componenti chiave del calcestruzzo, in sostituzione dei tradizionali aggregati estratti dalla terra. Inoltre, alcuni ricercatori all'avanguardia stanno esplorando lo sviluppo di alternative bio al calcestruzzo - a carbonio negativo - in cui il processo di produzione assorbe più CO₂ di quanta ne emette.

Il settore dei trasporti, strettamente legato ai combustibili fossili, può trarre notevoli benefici - in termini di sostenibilità - dall’utilizzo del carbonio. Attraverso una serie di processi chimici, la CO₂ catturata può essere convertita in carburanti rinnovabili come il metanolo e il SAF (carburante sostenibile per l’aviazione), contribuendo a ridurre l’impronta di carbonio del settore.

Per produrre metanolo rinnovabile, l'anidride carbonica catturata viene fatta reagire con idrogeno verde in presenza di un catalizzatore, a valori elevati di temperatura e pressione. Il metanolo può essere utilizzato sia come carburante diretto per le automobili che come materia prima per altri carburanti come, ad esempio, il biodiesel. 

S&P Global prevede che il mercato del metanolo rinnovabile raggiungerà 400 milioni di tonnellate all’anno entro il 2050, a dimostrazione del suo immenso potenziale. Tuttavia, l’uso del metanolo nel settore dei trasporti presenta una serie di problematiche, tra cui la necessità di infrastrutture specifiche. 

Anche l’industria aeronautica sta esplorando l’uso del SAF prodotto dalla CO₂ catturata per ridurre la propria dipendenza dai combustibili fossili. Per produrre il SAF, l'anidride carbonica catturata viene combinata con l'idrogeno in un processo chiamato RWGS (Reverse Water-Gas Shift) creando un gas di sintesi consistente in una miscela di monossido di carbonio e idrogeno. 

Successivamente, il gas di sintesi viene convertito in una miscela di idrocarburi utilizzando il processo Fischer-Tropsch e la miscela di idrocarburi viene sottoposta a idrotrattamento per rimuovere le impurità e bilanciare le proprietà del carburante. Le caratteristiche del carburante per aviazione - tra cui il contenuto energetico, il punto di infiammabilità e il punto di congelamento - devono essere attentamente monitorate e controllate.

La International Air Transport Association stima che il SAF, anche se ancora nelle prime fasi di sviluppo, potrebbe contribuire a una riduzione del 65% delle emissioni di gas serra dell'aviazione.

L'industria chimica fa attualmente molto affidamento sui combustibili fossili ma, in molti casi, l'anidride carbonica può essere utilizzata come materia prima alternativa per produrre una vasta serie di prodotti chimici e polimeri. Tra questi rientrano l'urea fertilizzante, le materie plastiche e i materiali di imballaggio. 

Quando la CO₂ reagisce con l'ammoniaca a valori elevati di pressione e temperatura, si forma il carbammato di ammonio. Quando si decompone, questa sostanza chimica produce acqua e urea utilizzabile, dopo lavorazione e granulazione, come fertilizzante. 

L'anidride carbonica può essere utilizzata anche per produrre policarbonati. Questi polimeri resistenti e trasparenti vengono comunemente utilizzati nell'industria dell'elettronica, degli occhiali e dei componenti automotive. I polimeri si formano facendo reagire direttamente la CO₂ con gli epossidi, un tipo di etere ciclico, in presenza di un catalizzatore. 

La produzione di poliuretano è un'altra possibile applicazione dell'anidride carbonica nell'industria chimica. Conosciuti per la loro versatilità e il loro utilizzo in schiume, rivestimenti e isolamenti, i poliuretani vengono tradizionalmente realizzati con polioli derivati ​​da combustibili fossili. Gli operatori del settore, tuttavia, possono sostituirli con polioli a base di anidride carbonica, riducendo la dipendenza dai combustibili convenzionali per abbassare l’impronta di carbonio dei prodotti in poliuretano.  

Queste pratiche sostenibili di economia circolare sembrano promettenti ma, a causa dei costi più elevati associati alla cattura del carbonio, devono trovare il modo di rispondere alla concorrenza della produzione tradizionale basata su combustibili fossili. 

Anche il settore agricolo può trarre vantaggio dall’utilizzo del carbonio, sia attraverso l’applicazione di fertilizzanti a base di urea che tramite l’uso diretto. L'anidride carbonica può arricchire le serre per migliorare la crescita delle piante e aumentare la resa. Inoltre, la CO₂ catturata può essere utilizzata per coltivare alghe, successivamente trasformabili in biocarburanti, mangimi per animali e prodotti alimentari.

Nonostante il suo potenziale sostenibile, l’adozione delle tecnologie CCUS incontra ostacoli importanti. Prima di tutto, le tecnologie di cattura del carbonio sono costose da implementare. L’aggiornamento della produzione per ridurre le emissioni di gas serra richiederà investimenti significativi nelle infrastrutture e nello sviluppo del mercato. Governi e organizzazioni non governative dovranno probabilmente anticipare gran parte del capitale necessario. 

Inoltre, per garantire la sostenibilità complessiva della cattura e dell’utilizzo del carbonio è necessario alimentare i processi con energia derivata da fonti rinnovabili. L’utilizzo di combustibili fossili per alimentare le tecnologie CCUS sarebbe controproducente e annullerebbe i benefici ambientali. 

Con il tempo, le attività di ricerca e sviluppo contribuiranno a ottimizzare i processi e ad aumentare l'efficienza, riducendo i costi operativi delle tecnologie CCUS. La fattibilità economica - o almeno la cattura del carbonio a basso costo - è fondamentale per l'adozione di queste tecnologie nei vari settori industriali, soprattutto in considerazione del fatto che un numero sempre maggiore di aziende e consumatori a livello globale ritiene importante la sostenibilità.  

Ulteriori ricerche in materia di cattura e utilizzo del carbonio possono aiutare a ridurre le emissioni di gas serra e trasformare un sottoprodotto nocivo in una risorsa preziosa. L'utilizzo del carbonio rappresenta uno dei tanti modi per ridurre le emissioni di anidride carbonica in diversi settori industriali e contribuire a un futuro più sostenibile.