La combustione

Nel mondo civilizzato, accendere il gas è un gesto quotidiano al quale non si fa più caso. Eppure la combustione è stata una delle scoperte più importanti nella storia dell’umanità, poiché ha permesso di soddisfare il bisogno primario di riscaldarsi e di cuocere i cibi. La combustione è una reazione chimica. Quando il legno brucia avviene una serie complessa di reazioni che producono anidride carbonica CO2 (C+ O2 = CO2).

L’immissione di CO2 nell’atmosfera, causata dalle combustioni naturali o da quelle operate dall’uomo, fino all’era moderna era certamente trascurabile rispetto a quella dovuta agli equilibri naturali. Ora non più. Negli ultimi 100 anni l’uomo ha cominciato a intaccare sensibilmente le riserve di combustibili fossili immettendo nell’atmosfera quantità crescenti di biossido di carbonio. Se torniamo all’equilibrio naturale possiamo facilmente comprendere che un incremento eccessivo di biossido di carbonio è in grado di perturbare l’equilibrio stesso: è questa l’origine del fenomeno noto come effetto serra del quale avrete senz’altro sentito parlare.

Effetto serra

L’effetto serra è un fenomeno naturale che permette la vita sul pianeta Terra. L’atmosfera e la crosta terrestre assorbono l’energia emessa dal Sole. L’energia assorbita dalla Terra in parte viene rimessa nello spazio e in parte serve per mantenere la temperatura del pianta idonea alla vita.

L’effetto serra consiste nella differenza tra l’energia solare assorbita e quella rimessa dalla Terra.

Si tratta di un equilibrio complesso: le radiazioni solari che arrivano coprono tutto lo spettro visibile e in parte ultravioletto, mentre quelle riemesse dalla Terra sono più spostate sulle frequenze inferiori (rosso e infrarosso).

Se ora, per un qualsiasi motivo, l’atmosfera viene modificata (cambia cioè la percentuale dei suoi componenti), si modifica anche la capacità dell’atmosfera di riemettere l’energia solare nello spazio. È come in una serra, nella quale i vetri fanno passare tutta la radiazione solare che arriva, ma ne rilasciano solo una parte. La parte che viene riemessa dipende dalla composizione del vetro. Ora, l’atmosfera è il “vetro” naturale della gigantesca serra costituita dal pianeta Terra e se varia la sua composizione, l’energia catturata dal sole viene rilasciata in modo diverso. Se questo avviene, si parla allora di “effetto serra” non più nel senso di un effetto naturale benefico, ma nel senso di un fenomeno negativo determinato dalle attività dell’uomo.

Catturare (e stoccare) la CO2 è utile?

Esistono sostanzialmente tre diverse tipologie di sistemi di cattura della CO2 a livello industriale:

1. Post-combustione: la CO2 può essere catturata dai fumi di combustione esausti venendo assorbita in un solvente chimico adatto. La CO2 viene poi separata dal solvente e compressa per poter essere trasportata e stoccata.
2. Pre-combustione: il combustibile viene convertito prima della combustione in un mistura di idrogeno e anidride carbonica usando un processo chiamato gassificazione. L’anidride carbonica può essere poi trasportata e stoccata, mentre l’idrogeno, miscelato con l’aria, può essere usato come combustibile per la produzione di elettricità e, potenzialmente, per alimentare vetture a idrogeno.
3. Ossicombustione o combustione in ossigeno: questo processo prevede l’utilizzo di ossigeno puro, o aria altamente arricchita, in camera di combustione. Questo tipo di combustione produce principalmente vapore e anidride carbonica concentrata, più semplice da trattare e inviare allo stoccaggio.

A questi si affiancano sistemi di cattura e sequestro dell’anidride carbonica presente in ambiente:

1. Rimboscamento per creare dei carbon sink, che eventualmente possono essere utilizzati per generare biocombustibili sui quali applicare le precedenti tecniche di sequestro in una configurazione nota come Bio-energy with carbon capture and storage (BECCS).
2. Cattura atmosferica (Direct Air Capture, DAC) tramite filtrazione o processi di scrubbing dell’aria con appositi solventi.
3. Sequestro nei suoli aumentando, con idoneo tecniche agronomiche e colturali, il contenuto in composti organici.

Cattura della CO2 (CCS), quali speranze per salvare il pianeta

È anche ormai assodato che la causa di questo aumento è di origine antropica, principalmente risultante dalla combustione di carbone, petrolio e gas a servizio dei settori dell’energia, trasporti e produzione industriale. Parallelamente alla crescita del settore delle energie rinnovabili, diventa imperativo sviluppare anche tecnologie che sottraggono CO2 dall’atmosfera, non solo per immetterla in pressione nel sottosuolo dove viene mineralizzata trasformandosi in rocce calcaree, ma anche per produrre combustibili come il metano.

I gas dell’atmosfera che presentano un “effetto serra” sono quelli in grado di trattenere nell’atmosfera il calore del Sole. Tra questi è proprio l’anidride carbonica il gas da prendere in considerazione in quanto ha l’incidenza maggiore su questo fenomeno.

Ricordiamo che il biossido di carbonio non è un gas tossico, anche se non è adatto alla respirazione (un’atmosfera con solo CO₂ non è “velenosa”, ma impedisce la vita). Se però la sua concentrazione aumentasse troppo rispetto ai valori normali dell’equilibrio naturale, allora aumenterebbe l’effetto serra, con conseguente aumento della temperatura media del pianeta. Provate solo a immaginare le conseguenze: l’aumento di pochi gradi della temperatura media della Terra sarebbe in grado di sciogliere parte dei ghiacciai dei poli e innalzare il livello degli oceani (Venezia che scompare, il mare al Colosseo…).

Come catturare la CO2

Dal momento che la produzione di CO2 è associata inevitabilmente alla combustione di fonti fossili (in una relazione fisica costante per fonte), per eliminarla dobbiamo applicare alla produzione di energia termoelettrica una metodologia a ciclo chiuso, vale a dire un procedimento che catturi la CO2, la trasporti in un sito adatto allo stoccaggio e la inietti in tale sito per l’immagazzinamento o conservazione (o sequestro). Questa metodologia è nota come CCS.

Nei processi di generazione termoelettrica la CO2 può essere separata da altre componenti di scarico sia con metodi di cattura pre-combustione sia con metodi post-combustione. Una terza possibilità è rappresentata dalla ossicombustione che impiega come comburente ossigeno al posto dell’aria e da luogo a un flusso di CO2 molto concentrata, facilmente separabile dal resto del vapore.

Le tecnologie di cattura della CO2 presentano a oggi stadi di maturità diversi, è altresì accettato che esse possono ridurre le emissioni di CO2 dell’ 80-90%. Tali tecnologie possono essere applicate a impianti già esistenti, con costi però maggiori rispetto a quelli per nuovi impianti (capture ready) che le utilizzano, e tutte richiedono ulteriori attività di ricerca e sviluppo. Non è infatti al momento possibile definire l’opzione più promettente dal punto di vista dei costi, della gestione e della diffusione.

Recupero e purificazione di anidride carbonica: CHE ASPETTIAMO?

Prof. Ing. Leonardo Corbo