Analisi delle moderne tecnologie di cattura del carbonio

In risposta all'impegno globale di riduzione delle emissioni di gas serra (GHG), molte industrie di processo stanno lavorando a migliorare l'efficienza e a integrare soluzioni di energia verde nelle loro operazioni. Le tecniche di cattura e sequestro della CO₂ rappresentano un approccio promettente. Tuttavia, per rendere fattibile un'adozione diffusa di queste tecnologie, occorre migliorarne le capacità e ridurne i costi.

Per la cattura del carbonio derivante dai processi di combustione, esistono due diversi approcci: pre- e post-combustione. La cattura pre-combustione intercetta la CO₂ prima della combustione attraverso metodi come la gassificazione e il reforming.

La cattura post-combustione, invece, si effettua a valle della combustione che avviene nel processo primario, mediante solventi o altri metodi concepiti per raccogliere l'anidride carbonica direttamente dai gas di combustione. Questa pagina web si occupa proprio della cattura post-combustione. Sebbene vantaggiosa per le possibilità di retrofit e la sua maturità tecnologica, non è efficiente quanto la cattura pre-combustione.

Il trattamento amminico dei gas è il metodo di cattura del carbonio più ampiamente utilizzato in ambiente industriale. Questa tecnica post-combustione sfrutta le proprietà chimiche di soluzioni amminiche come la monoetanolammina che, essendo molto affini all'anidride carbonica, ne favoriscono l'assorbimento. Il processo è suddiviso nelle seguenti fasi:

I gas di combustione vengono sottoposti a un processo di pulizia per rimuovere polvere, particolato, composti solforosi e altri contaminanti. Questo pretrattamento protegge la soluzione amminica e l'impianto da incrostazioni e corrosione. I gas di combustione caldi vengono poi raffreddati a una temperatura ottimale (40-60 °C/104-140 °F circa) per favorire un efficiente assorbimento dell'anidride carbonica da parte della soluzione amminica.

Una volta raffreddato, il gas di combustione entra nel fondo di una torre di assorbimento, in genere un recipiente cilindrico contenente materiale di riempimento per migliorare il contatto gas-liquido. Dalla cima della torre viene introdotto un flusso controcorrente di soluzione amminica. Salendo attraverso la torre, il gas di combustione entra in contatto con la soluzione amminica discendente e la CO₂ presente nei gas di combustione forma un legame reversibile con le molecole di ammina e viene rimossa dal flusso di gas.

Il trasferimento della soluzione amminica ricca di anidride carbonica avviene mediante pompaggio in un'altra torre chiamata desorbitore o rigeneratore. Il flusso viene misurato accuratamente con strumentazione spettroscopica Raman per garantire l'efficienza nella successiva fase di rigenerazione.

Nel desorbitore, la soluzione amminica ricca di anidride carbonica viene riscaldata, in genere mediante iniezione di vapore a circa 110°C/230°F. Questo calore rompe il legame tra l'ammina e l'anidride carbonica e la soluzione amminica rigenerata, ormai priva di anidride carbonica, scorre verso il fondo del rigeneratore.

Raffreddamento e ricircolo della soluzione amminica: la soluzione amminica calda e rigenerata passa attraverso uno scambiatore di calore e trasferisce parte del suo calore alla soluzione ricca di anidride carbonica in entrata, migliorando l'efficienza energetica. Un ulteriore raffreddamento riporta la soluzione di ammina alla temperatura ottimale per l'assorbimento dell'anidride carbonica e la soluzione di ammina raffreddata viene quindi pompata nuovamente nella parte superiore della torre di assorbimento per ripetere il ciclo.

L'anidride carbonica rilasciata dalla parte superiore del rigeneratore viene compressa per aumentarne la densità ed essere più facilmente trasportabile o stoccabile. La purezza di questo flusso in uscita viene spesso analizzato utilizzando strumentazione TDLAS. A seconda dell'applicazione prevista, l'anidride carbonica può essere sottoposta a ulteriori fasi di purificazione per rimuovere i contaminanti.

Il trattamento amminico dei gas ha tassi di efficienza nella cattura della CO₂ che superano regolarmente il 90%. Tuttavia, la rigenerazione è particolarmente dispendiosa in termini di energia e la soluzione amminica utilizzata durante l'intero processo si degrada nel tempo e deve essere reintegrata. I ricercatori stanno studiando come superare questi ostacoli con metodi di rigenerazione più efficienti dal punto di vista energetico come, ad esempio, l'utilizzo del calore residuo proveniente dai processi industriali. Inoltre, stanno sviluppando soluzioni amminiche più robuste, con livelli superiori di stabilità termica e resistenza alla degradazione.

La cattura del carbonio basata su sistemi a membrana è un metodo meno utilizzato che, per rimuovere l'anidride carbonica dal flusso dei gas di combustione, sfrutta la permeabilità selettiva di membrane specifiche. Queste membrane sono spesso composte da polimeri o materiali ceramici, che agiscono come "guardiani molecolari" ovvero permettono il passaggio della CO₂ bloccando gli altri gas. Il vantaggio principale di questo approccio è il minor fabbisogno energetico rispetto alla rigenerazione amminica dei gas ad alta temperatura.

I passaggi principali sono i seguenti:

1. Pretrattamento dei gas di combustione: prima di entrare nel sistema a membrana, il gas di combustione viene sottoposto a un processo di pulizia che, generalmente, consiste in filtrazione e lavaggio. Questo passaggio rimuove polvere, particelle e altre impurità che possono ostruire o danneggiare i delicati pori della membrana. Il gas di combustione viene spesso raffreddato e l'umidità viene portata a livelli compatibili con il materiale della membrana utilizzata. Ciò garantisce un'efficiente separazione dell'anidride carbonica e previene l'accumulo di condensa all'interno del sistema a membrana.
2. Separazione a membrana: il gas di combustione pretrattato viene indirizzato attraverso la membrana che funge da barriera selettiva. Le differenze nelle dimensioni molecolari, nella struttura e nell'affinità con il materiale della membrana fanno sì che le molecole di anidride carbonica attraversino la membrana più velocemente rispetto agli altri gas presenti nel flusso, come l'azoto. Ciò si traduce in due flussi di gas: permeato e retentato. Il permeato, ricco di anidride carbonica, passa attraverso la membrana e viene raccolto per un ulteriore trattamento. Il retentato, privato della CO₂, contiene i gas rimanenti e viene rilasciato in atmosfera o deviato nuovamente verso il processo industriale primario.
3. Compressione e condizionamento dell'anidride carbonica: il flusso di permeato ricco di anidride carbonica viene compresso per aumentarne la densità e facilitarne il trasporto o lo stoccaggio. A seconda dell'applicazione prevista, l'anidride carbonica può essere sottoposta a ulteriori fasi di purificazione per rimuovere i contaminanti.

Oltre ai bassi requisiti energetici, i sistemi a membrana mantengono un ingombro ridotto e sono quindi ideali per l'implementazione in ambienti con spazio limitato. Tuttavia, la cattura basata su sistemi a membrana è meno efficiente del trattamento con ammina e leggere variazioni nella composizione del flusso di gas e nei valori di pressione e temperatura possono influire negativamente sulle prestazioni.

Il trattamento con ammine e le tecniche basate su sistemi a membrana sono gli unici metodi di cattura del carbonio post-combustione attualmente in uso su larga scala ma i ricercatori stanno esplorando anche altri approcci.

Il primo di questi è la cattura diretta dall’aria (DAC) che elimina l’anidride carbonica direttamente dall’aria ambiente. Ciò avviene utilizzando ventilatori di potenza elevata che aspirano l'aria attraverso specifici materiali assorbenti come le ammine solide o le soluzioni di idrossido che si legano chimicamente all'anidride carbonica. Una volta saturo, il materiale assorbente viene riscaldato per rilasciare l'anidride carbonica catturata che viene poi raccolta per essere utilizzata o immagazzinata.

Il metodo DAC rappresenta una possibile soluzione per catturare le emissioni dei veicoli e di altre fonti. La sua adozione, tuttavia, è ostacolata da importanti barriere quali la fragilità dei materiali assorbenti, gli elevati requisiti energetici e i maggiori costi rispetto alle tecnologie di cattura da fonti delimitate, oltre che la necessità di un'implementazione su larga scala per catturare quantità significative di carbonio.

La ricerca sta studiando anche in che modo utilizzare la biomassa come fonte di combustibile. Per crescere, la biomassa - ad esempio gli alberi - assorbe anidride carbonica dall'atmosfera. Catturando successivamente l'anidride carbonica rilasciata durante la combustione, è possibile ottenere effettivamente emissioni negative. Tuttavia, la crescita della biomassa richiede una vasta area di terra, risorse idriche e un'attenta considerazione delle pratiche di approvvigionamento sostenibile.

L’adozione diffusa della cattura del carbonio post-combustione dipende dal superamento degli ostacoli tecnologici ed economici, non solo relativamente alla cattura ma anche in termini di utilizzo e stoccaggio. Sebbene sia altamente efficiente, il trattamento amminico dei gas richiede notevoli apporti energetici e la regolare integrazione dei solventi utilizzati. La cattura basata su sistemi a membrana, invece, ha un fabbisogno energetico inferiore ma è meno efficiente. Va inoltre ricordato che entrambi i processi sono anche costosi.

Perché l'industria riesca a raggiungere obiettivi net-zero sarà essenziale una diversificazione strategica. Questi obiettivi saranno raggiungibili solo combinando l'ottimizzazione dei processi al miglioramento generale dell’efficienza energetica, all'adozione di risorse rinnovabili e all'impegno per la cattura del carbonio. Identificare i migliori compromessi ambientali, tecnologici ed economici di ogni strategia è fondamentale per migliorare, in futuro, la sostenibilità industriale nel suo complesso.