Co₂ in atmosfera: superate le 410 parti per milione

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).

Il carbonio della cellulosa viene “bruciato” (ossidato) dall’ossigeno e contemporaneamente viene liberato calore nell’ambiente dalla reazione esotermica. Dopo il legno, l’uomo ha utilizzato il carbone e, infine, il petrolio e il gas naturale. Carbone, petrolio e gas naturale sono combustibili fossili perché derivano tutti dalla cellulosa delle piante e dalle sue trasformazioni avvenute nel corso di milioni di anni. E la cellulosa deriva dalla fotosintesi che fissa il biossido di carbonio dell’aria con l’acqua della pianta grazie alla radiazione solare. In definitiva: i combustibili fossili altro non sono che l’energia del sole immagazzinata dalle piante nell’arco di tempo di milioni di anni.

Quando utilizziamo il gas metano (o qualsiasi altro idrocarburo) “bruciamo” il carbonio e lo restituiamo all’atmosfera sotto forma di anidride carbonica (in aggiunta all’acqua che deriva dall’idrogeno): CH₄ + 2O_{2 →} CO_{2 +} 2H₂O.

I combustibili fossili sono noti come fonti primarie di energia e sono fonti esauribili nel senso ovvio che, una volta consumate, non ci sono più. I processi di combustione avvengono principalmente in tre grandi settori:

1. Settore industriale: le industrie sono grandi consumatrici di energia. L’industria elettrica consuma fonti primarie per produrre elettricità, che è essa stessa una forma di energia. In realtà l’elettricità rappresenta la forma più conveniente e facile per trasportare l’energia dai luoghi di produzione (centrali elettriche di ogni tipo) alle diverse zone in cui viene utilizzata (altre industrie, consumi domestici). La maggior parte delle centrali elettriche brucia carbone o petrolio per produrre vapore e far funzionare le turbine (centrali termoelettriche), con un consumo diretto di fonti primarie.
2. Settori dei trasporti: l’importanza dei trasporti nella società moderna è a tutti noto. Lo scambio di merci, i viaggi per affari o per vacanze sono in continuo aumento e il moltiplicarsi dei mezzi di comunicazione hanno fatto del mondo, secondo un’immagine corrente, un “villaggio globale”. Agli innegabili vantaggi che derivano da questi continui scambi fa riscontro un costante aumento nel consumo di fonti primarie di energia (petrolio e suoi derivati).
3. Settore del riscaldamento: gas naturale, petrolio e derivati sono i combustibili più utilizzati per il riscaldamento e quindi, anche in questo caso, producono un consumo diretto di fonti primarie.

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.

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 scogliere parte dei ghiacci dei poli e innalzare il livello degli oceani (Venezia che scompare, il mare al Colosseo…).

Fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana è un processo chimico per mezzo del quale le piante verdi e altri organismi producono sostanze organiche – principalmente carboidrati – a partire dal primo reagente, l’anidride carbonica atmosferica e l’acqua metabolica, in presenza di luce solare. La serie di reazioni chimiche che costituiscono la fotosintesi rientra tra i processi di anabolismo dei carboidrati ed è del tutto opposta ai processi inversi di catabolismo. Durante la fotosintesi, con la mediazione della clorofilla, la luce solare o artificiale permette di convertire sei molecole di CO₂ e sei molecole d’H₂O in una molecola di glucosio (C₆H₁₂O₆), zucchero fondamentale per la vita della pianta. Come sottoprodotto della reazione si producono sei molecole di ossigeno, che la pianta libera nell’atmosfera attraverso gli stomi che si trovano nella foglia.

La fotosintesi clorofilliana è il processo di produzione primario di composti organici da sostanze inorganiche nettamente dominante sulla Terra. Inoltre la fotosintesi è l’unico processo biologicamente importante in grado di raccogliere l’energia solare, da cui, fondamentalmente, dipende la vita sulla Terra. La quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è immensa, dell’ordine dei 100 terawatt, che è circa sei volte quanto consuma attualmente la civiltà umana. Oltre che dell’energia, la fotosintesi è anche la fonte di carbonio dei composti organici degli organismi viventi. La fotosintesi trasforma circa 115 × 10⁹  tonnellate di carbonio atmosferico in biomassa ogni anno.

Non è chiaro quando siano apparsi sulla terra i primi organismi capaci di attuare la fotosintesi, ma la presenza di formazioni striate in alcune rocce dovute alla presenza di ruggine fanno supporre che cicli stagionali di ossigeno nell’atmosfera terrestre, sintomo di fotosintesi, siano apparsi approssimativamente 3 miliardi e mezzo di anni fa.

Recupero e purificazione di anidride carbonica

Negli impianti in cui si realizzano processi di fermentazione, quali cantine, birrerie e distillerie, importanti possono essere le produzioni di anidride carbonica che può essere recuperata, purificata o deumidificata, compressa e liquefatta per poi essere utilizzata in fase di produzione o per altri impieghi all’interno del sito.

I possibili utilizzi dell’anidride carbonica (CO₂) riguardano:

• la gassificazione di bevande quali vini, acqua, birra e soft drink in generale;
• l’utilizzo come carrier nei dispenser per birra, soft drink;
• l’impiego come mezzo di pressione durante la filtrazione delle bevande;
• la neutralizzazione, attraverso acidificazione, di acque di scarico tendenzialmente basiche determinate dalle attività di sanificazione con prodotti caustici.

Il flusso gassoso contente la CO₂ prodotta da processi fermentativi tipici delle aziende alimentari contiene anche fusel oil ossigeno, composti del carbonio e dello zolfo e per questo motivo la CO₂ deve essere purificata prima di poterla utilizzare. Il processo di purificazione prevede:

• un separatore di schiuma;
• un passaggio attraverso uno scrubber ad umido permette di ridurre i composti solforosi, alcol e chetoni che vengono assorbiti dall’acqua;
• disidratazione;
• rimozione degli odori attraverso filtrazione con carbone attivo;
• condensazione attraverso impianto del freddo (normalmente ad ammoniaca) e rimozione dell’ossigeno e di tutti i gas non condensabili;
• compressione dell’anidride carbonica fino allo stato di liquido per lo stoccaggio.

Accumulo di energia con produzione di metano e assorbimento di CO₂ – In breve

PROCESSO, APPLICAZIONI, STATO DELLA TECNOLOGIA – È possibile utilizzare “eccedenze” di energia elettrica da fonti rinnovabili (prodotte in ore di ridotta domanda) per produrre idrogeno elettrolitico (H₂) che, reagendo con anidride carbonica (CO₂), viene poi convertito in metano (CH₄). Al momento della combustione, il metano così prodotto restituisce all’ambiente la CO₂ assorbita nel processo dando luogo ad un ciclo virtualmente esente da emissioni di CO₂. Esso può essere immesso in rete, usato per alimentare veicoli ad “emissioni zero”, accumulato per successivi utilizzi o anche utilizzato in celle a combustibile di tipo MCFC o SOFC. Il sistema si comporta come un volano energetico ad emissioni zero e si basa su tecnologie mature di immediata disponibilità quali l’elettrolisi e il processo di metanazione. La CO₂ proviene da processi industriali, impianti chimici, impianti di gassificazione del carbone o anche da impianti di separazione della CO₂ (questi ultimi ancora in fase di sviluppo) installati in impianti termoelettrici.

Altri mezzi per contenere la produzione di CO₂

Energia nucleare: l’energia nucleare è quella che deriva dalla reazione nucleare di fissione dell’uranio. Si tratta, in questo caso, di una fonte primaria esauribile perché l’uranio utilizzato proviene da minerali naturali esauribili. Il vantaggio dell’utilizzo di questa fonte è che la produzione di energia avviene senza contemporanea produzione di CO₂. Tuttavia l’utilizzo a fini pacifici dell’energia nucleare non è privo dei rischi connessi con la manipolazione di sostanze estremamente pericolose e, soprattutto, produce una grande quantità di scorie nucleari il cui smaltimento non ha ancora trovato una soluzione definitiva. In realtà, quello delle scorie nucleari è il vero problema non risolto per un corretto utilizzo dell’energia nucleare. La gestione di una centrale nucleare comporta grandi rischi, come l’esempio di Chernobyl insegna. Tuttavia, è ipotizzabile che in futuro si possa arrivare a realizzare una centrale nucleare praticamente sicura. Anche in questo caso, però, il problema delle scorie rimarrebbe irrisolto. Le scorie nucleari altro non sono che i prodotti di fissione dell’uranio. Quando il combustibile di una centrale è esaurito, viene estratto dal “recipiente” di reazione (il cosiddetto “reattore”) e messo a “raffreddare” per qualche anno in opportune vasche riempite d’acqua, che funziona da schermo alle radiazioni. In questo modo, i prodotti di fissione a vita breve si trasformano in nuclidi stabili non più pericolosi. Il combustibile esaurito e “raffreddato” non contiene più i radioisotopi a vita breve, che sono anche i più radioattivi, rimangono però i radioisotopi a vita lunga. Alcuni prodotti di fissione hanno un tempo di dimezzamento di migliaia e decine di migliaia di anni. Per questo motivo sarebbe assolutamente necessario che venissero confinati in posti sicuri (a prova di terremoti, inondazioni, ecc.) e geologicamente stabili, almeno in previsione, per decine di migliaia di anni. Ma la certezza di poter trovare posti simili non esiste e quindi il problema delle scorie nucleari pende ancora sul capo delle generazioni future. Questa incertezza è certamente il più grave ostacolo al pieno utilizzo della fonte nucleare.

Il protocollo di Kyoto

Il “Secondo rapporto sul clima globale”, completato nel 1995 da alcune centinaia di scienziati sotto l’egida delle Nazioni Unite (ONU), afferma tra l’altro che:

1. è sempre più evidente l’influenza sul clima globale delle emissioni di gas serra prodotte dalle attività umane;
2. senza l’adozione di specifiche misure per mitigare i cambiamenti climatici, la temperatura media superficiale globale registrata nel 1990 è destinata a crescere di circa 2° C entro il 2100, con conseguente aumento del livello medio dei mari di circa 50 cm (con la compromissione di vaste aree costiere intensamente popolate);
3. il riscaldamento globale del pianeta potrà determinare modifiche significative nei cicli climatici e comportare l’intensificazione di fenomeni estremi (forti precipitazioni con eventi alluvionali alternati a lunghi periodi di siccità), alterazioni degli ecosisitemi terrestri e acquatici, degradazione e aridificazione dei suoli, modificazione delle produzioni agricole.

Riforestazione: in questo caso non si tratta di una fonte energetica, ma, ai fini del contenimento delle immissioni di CO₂ nell’atmosfera previste dal protocollo di Kyoto, il risultato è identico. Infatti la maggiore ossigenazione del pianeta, operata dalle nuove piante introdotte, compensa l’immissione di biossido di carbonio proveniente dai processi di combustione.

L’idrogeno: l’ultimo combustibile?

La situazione ideale sarebbe quella di poter utilizzare un combustibile praticamente inesauribile che bruciasse senza produrre CO₂. Questo combustibile esiste, si chiama idrogeno e brucia secondo la reazione esotermica:

nella quale il prodotto di combustione è l’acqua, non inquinante. La reazione può essere realizzata con una pila chimica in grado di produrre direttamente energia elettrica. La pila in questione viene chiamata più comunemente cella a combustibile ed è in grado di azionare un motore elettrico. Le celle a combustibile sono già state utilizzate nei prototipi dall’ultimo decennio in diversi paesi. Sembra “l’uovo di Colombo”! In realtà il problema dello sfruttamento dell’idrogeno come combustibile è ben lontano dall’essere risolto e conduce alla domanda: come produrre l’idrogeno? Non certo dall’elettrolisi dell’acqua che comporterebbe un consumo di energia elettrica maggiore dell’energia ottenuta in seguito bruciando l’idrogeno prodotto.

Quando bruciamo un idrocarburo in un motore a scoppio o in una centrale termoelettrica avviene una reazione del tipo:

Tale reazione fornisce energia, ma produce contemporaneamente CO₂. In anni recenti si è pensato di sfruttare le fonti primarie (quali carbone, metano e idrocarburi in generale) in una reazione del tipo:

nella quale il metano reagisce con l’acqua e produce idrogeno. Nel contempo, però, viene prodotta anche CO₂ e sorgono due problemi: come separare l’idrogeno dalla CO₂ e cosa fare della CO₂. Il primo problema, la separazione dei due gas, è di facile soluzione con le moderne tecnologie. Il vero problema è di non immettere di nuovo la CO₂ nell’atmosfera perché questo sarebbe del tutto equivalente a bruciare direttamente il metano. Si è fatta l’ipotesi, allora, di immettere il biossido di carbonio, ottenuto dalla reazione sopra indicata e separato dall’idrogeno, sotto forma liquida in acqua a profondità maggiori di tre chilometri, oppure di pomparlo sotto terra in giacimenti petroliferi esauriti.

Risolto il problema dell’anidride carbonica, si tratterebbe di immagazzinare e utilizzare convenientemente l’idrogeno. L’idrogeno è un gas infiammabile che può facilmente esplodere e che richiede quindi l’adozione di tutte le precauzioni possibili. Un metodo sicuro potrebbe essere quello di “intrappolare” l’idrogeno in alcuni composti (quali gli idruri) dai quali verrebbe rilasciato al momento dell’utilizzo.

L’uomo, da quando ha scoperto il fuoco, ha bruciato di tutto per i suoi bisogni: dal legno agli idrocarburi estratti dal sottosuolo. Oggigiorno i rischi sono però assai gravi (depauperamento delle risorse ed effetto serra) e in un futuro non più tanto lontano non sarà possibile bruciare indiscriminatamente i combustibili finora utilizzati. Allora l’idrogeno potrebbe veramente diventare quello che è stato chiamato “l’ultimo combustibile”. Questo sarà possibile quando tutte le ipotesi precedentemente formulate saranno state sperimentate e l’idrogeno potrà veramente essere utilizzato in modo economicamente conveniente.

Tuttavia, nonostante le intense ricerche che avvengono in tutto il mondo, non sembra ancora vicino il tempo in cui andremo a un distributore non più di benzina, ma di idrogeno per fare il “pieno” e viaggiare tranquillamente producendo acqua come gas di scarico!

Meno CO₂ e più metano

Catturare anidride carbonica per produrre metano. In Italia è in funzione uno degli impianti pilota realizzati in Europa nell’ambito del progetto Store&Go che fa parte del programma Horizon 2020 finanziato dall’Ue. L’impianto permette “di riutilizzare l’energia in più per produrre metano liquido”. “L’impianto è composto da quattro apparecchiature. Un elettrolizzatore che trasforma l’acqua in idrogeno utilizzando l’energia elettrica. Un captatore di anidride carbonica che recupera la CO₂ dall’aria. Un metanatore che combina l’anidride carbonica con l’idrogeno producendo metano gassoso e acqua. E un’apparecchiatura per trasformare il metano allo stato liquido, cioè Gnl, che viene così stoccato in loco pronto per l’uso”. In questo modo l’eccesso di energia prodotta dalle fonti rinnovabili può essere conservato sotto forma di metano liquido. Partendo da un consumo di 200 chilowatt all’ora si producono 4 chili di idrogeno, 20 chili di CO₂ e 8 chili di metano all’ora.