L’effetto serra: una sfida per l’umanità
La comunità scientifica internazionale è d’accordo oggi sul fatto che l’accrescimento delle emissioni di gas ad effetto serra, principalmente dell’anidride carbonica (CO₂) ma anche del metano (NH₄), dell’ossido nitroso (N₂O) e dei clorofluorocarburi (CFC) tra gli altri, porta ad un riscaldamento generale dell’atmosfera, capace di provocare a più o meno lungo termine degli sconvolgimenti climatici.

Dall’inizio della rivoluzione industriale  l’uomo non ha mai cessato di estrarre in misura sempre più sostenuta il carbonio nascosto nel sottosuolo (principalmente sotto forma di carbone,di gas e di petrolio) per bruciarlo e ricavarne energia; in questa impresa ha scaricato nell’atmosfera grandi quantità di anidride carbonica. ( Vedi riquadro 1)
Questo gas non è nocivo in se stesso, è anche uno degli elementi fondamentali della vita sulla terra; tuttavia, scaricato in grandissime quantità nell’atmosfera, può modificare il fragile equilibrio climatico del pianeta e, alla fine, perturbare fortemente le attività umane: innalzamento del livello del mare, modifiche pluviometriche, nuova ripartizione delle zone agricole,etc.
 Nel mondo, le centrali termiche a combustibili fossili,  che producono elettricità o calore, sono responsabili di più di un terzo delle emissioni di CO₂ di origine umana, tanto quanto trasporti e industria riuniti insieme.

Da qui al 2020, il numero di centrali dovrebbe raddoppiare e, se le fonti di energia e le tecniche restano le stesse, dovrebbero dunque nel loro complesso produrre due volte di più di CO2 rispetto ad oggi. Un aumento della resa degli impianti esistenti e futuri, di circa il 25% grazie a tecniche di produzione moderne, porterebbe soltanto a limitare l’aumento delle emissioni di CO2 delle centrali al 50% ( al posto di un raddoppio).
L’accrescimento della concentrazione di CO₂ nell’atmosfera sembra dunque ineluttabile, salvo che non si pervenga a utilizzare massicciamente delle tecniche che non rigettano nell’atmosfera dei gas ad effetto serra, come l’elettrica, le centrali nucleari o quelle eoliche. Tuttavia, non è possibile, come avviene in Francia (dove, grazie al suo parco di produzione nucleare e elettrica, la produzione di elettricità è, dal 1990, esente da emissioni di gas ad effetto serra, per più del 90%) utilizzare questi mezzi di produzione in tutti i paesi del mondo ed è pertanto fondamentale riflettere sull’insieme delle soluzioni possibili.  La captazione e l’intrappolamento di CO₂ sono delle alternative ma, anche se si arrivasse a controllare l’insieme delle emissioni di CO₂ delle centrali, ciò non risolverebbe in definitiva che una parte del problema. In realtà, provarsi ad arrestare il riscaldamento del pianeta richiederebbe il trattamento di tutti i gas serra causati dall’uomo (per attività domestiche, agricole e industriali), e ciò ovviamente, può porre dei problemi per paesi fortemente popolati come la Cina e l’India. D’altra parte, questi paesi fanno perno sulle loro immense riserve di combustibili fossili per svilupparsi attivamente e questo fa temere che i soli sforzi dei paesi sviluppati per limitare gli scarichi di CO₂ siano nettamente insufficienti.

Come intrappolare l’anidride carbonica delle centrali elettriche?
La maggior parte della CO₂ emessa ogni anno non resta nell’atmosfera, perché gli scambi con gli oceani e le piante sono considerevoli. Infatti i mari e i fiumi captano grandi quantità di CO₂, che si ritrovano disciolte nell’acqua. Peraltro, grazie ai raggi del sole, le piante fissano la CO₂  sotto forma di carbonio al momento della fotosintesi.

Aumentare il potere di captazione della CO₂ da parte del pianeta sarebbe un compito utile che permetterebbe di captare non soltanto le emissioni delle centrali ma anche quelle, più diffuse, del riscaldamento domestico e dei mezzi di trasporto. Bisognerebbe innanzi tutto arrestare la deforestazione (a livello mondiale, l’equivalente di due terzi della foresta francese sparisce ogni anno nelle zone tropicali) e bisognerebbe ricreare immense foreste. ma il rimboschimento di una superficie equivalente al Sahara permetterebbe appena di contenere l’aumento della CO₂ per un periodo da venti a trenta anni in quanto lo stoccaggio della CO₂ si fa soprattutto durante la fase di crescita della foresta.
Per andare più lontano e per un tempo più lungo, bisognerebbe captare la CO₂  nei fumi da combustione, prima che sfugga nell’atmosfera, ed essere capaci di stoccarla per periodi di tempo molto lunghi. Il recupero dell’anidride carbonica non è possibile per le auto e per il riscaldamento domestico, ma questo recupero potrebbe essere considerato per le centrali di grande potenza, a condizione di accettare un aumento rilevante dei costi del kWh (moltiplicazione per 1,5 o 2) e un sovra consumo di circa il 25% di combustibili fossili a causa dell’abbassamento del rendimento.

Solo CO₂ e nient’altro?

La CO₂ rappresenta solo dal 5 al 15% del volume dei fumi emessi dalle centrali termiche (secondo il tipo di combustibile - metano, gasolio o carbonio - e il rendimento ) e l’estrazione richiede delle installazioni complesse che consumano molta energia. Le cose sarebbero più facili se i fumi fossero costituiti principalmente da  CO₂ Allora non si tratterebbe più di estrarre questo gas ma di purificarlo prima dello stoccaggio (essenzialmente per evitare la corrosione e ridurre l’impatto ambientale), un’operazione più semplice da realizzare.

Al momento della combustione, solo l’ossigeno è attivo, gli altri gas come l’azoto dell’aria non sono realmente utili ma permettono di limitare la temperatura della caldaia. Un modo per ottenere una concentrazione molto forte di CO₂ nei fumi (superiore al 90%) sarebbe, allora, quello di bruciare il combustibile con l’ossigeno puro. E’ ciò che si fa generalmente nelle centrali IGCC durante la fase della gassificazione, ma il gas di sintesi è in seguito bruciato in una turbina a combustione con un forte eccesso di aria accompagnata da un’iniezione di azoto sotto pressione (proveniente dall’unità di separazione dell’aria) per diminuire la temperatura di fiamma e aumentare la potenza.  I fumi hanno dunque le caratteristiche di una combustione in aria. Nelle centrali IGCC per intrappolare la CO₂, si è deciso allora realizzare una fase di conversione del gas di sintesi che permetta, per reazione con l’acqua, di trasformare il CO uscita dal gassificatore in una miscela di CO₂ e idrogeno. Occorre allora separare la CO₂ (il che è facilitato in quanto il gas è sotto pressione ed è privo d’azoto) e bruciare unicamente l’idrogeno nel ciclo combinato per ottenere, alla fine, solo vapore acqueo.

In linea di principio ciò è anche possibile con il metano, e la produzione di elettricità termica sarebbe allora fondata sull’idrogeno, un combustibile senza carbonio. Questa soluzione parrebbe promettente per il futuro perché permetterebbe l’utilizzazione di pile a combustibile ad alto rendimento (tanto per il metano che per il carbone) così come la possibilità di fare nello stesso tempo carbochimica e produzione di elettricità.

Nel caso di centrali a polvere di carbone a letto fluido a pressione atmosferica (in cui manchi la fase della gassificazione), è considerata piuttosto la possibilità di bruciare il combustibile con una miscela di ossigeno e di CO₂ raffreddato e riciclato. La CO₂ sostituisce allora l’azoto dell’aria; che permette di non modificare molto le caratteristiche della combustione e i flussi termici nella fornace. Nondimeno, questo tipo di caldaia generalmente non è stagna e avrà dunque delle entrate di aria o delle fughe di CO₂ per cui la funzione delle unità ausiliarie (di separazione d’aria e riciclaggio dei fumi) può essere rilevante e penalizzare il rendimento di un tale processo.

Lavare o filtrare i fumi?

Indipendentemente dalla concentrazione finale di CO₂ nei fumi, le tecniche di captazione esistono già. Alcune sono utilizzate industrialmente, altre ancora sono in fase di sviluppo; ma, benché il costo delle installazioni sia ancora difficilmente valutabile per centrali di grandi dimensioni, è principalmente l’influenza dell’installazione sul rendimento globale ad essere il fatto fondamentale. Infatti, diminuire la potenza utile della centrale del 25%, come è stato stimato per certe serie a carbone polverizzato, aumenta già di un quarto il costo dell’elettricità, indipendentemente dall’investimento necessario alla captazione, al trasporto e allo stoccaggio della CO₂.

I processi di assorbimento

La tecnica più impiegata per captare la CO₂ nei fumi è l’assorbimento chimico dove un liquido reagisce con la CO₂ per formare dei composti poco stabili che possono essere in seguito decomposti sotto l’azione del calore, rigenerando così il solvente e producendo un flusso di CO2 che può essere raccolto. In pratica, questi procedimenti utilizzano due serbatoi: un “assorbitore” dove un liquido cade sotto forma di pioggia molto fine e si carica di CO₂, trascurando le altre componenti dei fumi, ed un “rigeneratore” dove la CO₂ viene riemessa e il liquido assorbente rigenerato (fig.1).

Uno dei fluidi più utilizzati industrialmente è il monoetanoammin (MEA) in soluzione nell’acqua. La principale difficoltà risiede nel fatto che alcuni inquinanti (gli ossidi di azoto o di zolfo) possono decomporre la MEA per cui si rende necessario un trattamento spinto dei fumi. Peraltro la CO₂ raccolta deve subire parecchi passaggi di purificazione, il più importante dei quali è l’essiccamento, in quanto la CO₂ umida è acida e corrosiva. Alla fine, questo procedimento di assorbimento chimico permette di ottenere una buona captazione di CO₂ dal 90 al 95%) e di fornire un gas puro. Unità industriali di parecchie migliaia di tonnellate al giorno esistono già per l’industria petrolifera, e altre più piccole sono correntemente utilizzate per l’industria alimentare.

ll fenomeno di assorbimento fisico può anch’esso essere messo a profitto per estrarre l’anidride carbonica da una miscela gassosa. La CO₂ si dissolve infatti in maggiore quantità in certi liquidi rispetto agli altri gas (N₂, O₂ ,H₂, etc) da cui la si voglia separare. In questi procedimenti, la miscela gassosa è messa a contatto sotto pressione con il fluido di assorbimento. La CO₂ che si discioglie in maniera preferenziale, è in seguito recuperata mediante riduzione progressiva della pressione alla quale è sottoposto il fluido di assorbimento. Sono disponibili commercialmente parecchi fluidi, ad esempio il Selexol, o il Rectisol (acqua + metanolo). In rapporto ad acqua pura, il componente organico rafforza la selettività, e permette di ridurre la pressione necessaria. Questi procedimenti sono soprattutto interessanti se il gas da trattare è già sotto pressione e se la percentuale di CO₂ è rilevante.

L’assorbimento della CO₂ tramite un solido è un metodo che utilizza le proprietà di certi solidi a intrappolare la CO₂ su dei “siti attivi”. I solidi impiegati sono ad esempio allumina o zeoliti (specie di argille naturali e non). I processi di assorbimento utilizzano generalmente due reattori, l’uno in servizio e l’altro in fase di rigenerazione. La rigenerazione dell’assorbente è ottenuta mediante un abbassamento di pressione, “Pressure Swing Adsorption (PSA)”, o mediante un innalzamento della temperatura, “Thermal Swing Adsorption (TSA)”.

La separazione dei gas mediante membrane (che sono dei cilindri di alcune decine di centimetri di diametro) sfrutta le differenze di permeabilità dei gas attraverso pareti di polimeri o di materiali minerali. Il flusso gassoso attraverso la membrana è spinto da una differenza di pressione che deve essere tanto più elevata quanto più la permeabilità è bassa. Oltre alla permeabilità, la caratteristica essenziale di una membrana è la sua selettività nei confronti dei gas da separare (rapporto di permeabilità dei costituenti della miscela gassosa). Nella maggior parte dei casi, la selettività delle membrane è insufficiente ad ottenere un tasso di separazione soddisfacente in un solo passaggio tra la CO₂ e l’azoto e occorre utilizzare più stadi di separazione. Ciò comporta costi rilevanti. Di recente si è ravvisata l’utilità di usare membrane microporose che permettono di mettere insieme la miscela gassosa con un liquido assorbente come MEA. Queste membrane contengono una moltitudine di minuscoli alveoli che s’impregnano di liquido senza tuttavia lasciarlo penetrare nel compartimento dei fumi. Simmetricamente, i gas invadono gli alveoli ed entrano a contatto con il liquido assorbente che capta CO₂. Sembra che un tale dispositivo sia più efficace degli assorbitori classici, in quanto aumenta la possibilità per i fumi di scambiare la CO₂ con il liquido.

Vincere la CO₂ con il freddo
Si può anche immaginare di separare la CO₂ dagli altri gas raffreddando i fumi al disotto della temperatura di liquefazione della CO₂ (ad esempio a -56°C per una pressione di 5 bar), ed utilizzando tecniche simile a quelle criogeniche utilizzate per la separazione dell’azoto e dell’ossigeno dall’aria (distillazione a colonne). Benché sia possibile risparmiare energia, raffreddando il gas che entra con il gas che esce, l’efficacia limitata degli scambiatori o la perdita di carico in questi scambiatori penalizza questo procedimento se la CO₂ non è in una percentuale molto forte. Peraltro nei sistemi criogenici il gas deve essere preliminarmente disidratato accuratamente.

Che fare della CO ₂
Sapere intrappolare le emissioni di CO₂ delle centrali termiche è una cosa; poterla stoccare per centinaia di anni è un’impresa tecnicamente molto più difficile. Tutto comincia con il trasporto; infatti la scelta dei siti d’impianto delle centrali termiche dipende da numerosi criteri (facilità di approvvigionamento del combustibile, vincoli per il trasporto dell’energia, acque di raffreddamento, etc…), che fanno sì che esse non siano generalmente collocate vicino a siti potenzialmente idonei allo stoccaggio della CO₂. Occorrerà dunque trasportare la CO₂ là dove è possibile stoccarla o trasformarla; in certi casi si tratterà di migliaia di chilometri. Una particolarità della CO₂ gassosa è quelladi essere più pesante dell’aria, sicché il suo trasporto non è senza pericolo. In caso di fughe, la CO₂ si accumula in conche naturali, e se qualcuno ne viene a contatto è privato dell’ossigeno in pochi minuti, restando asfissiato.

Un altro problema è dato dalla quantità di CO₂ che bisognerà stoccare. Una centrale moderna a carbone di 1000 Mwe produce circa 6 Mt di CO₂/anno. In un secolo  le emissioni di CO₂ di questa centrale è pari a 600 Mt di CO₂, ossia un volume di circa 0,6 km³ (una sfera di 500 metri di raggio) sotto forma di CO₂ liquida (sia raffreddata sia sotto forte pressione) e occorrerebbero 800 sfere di questa dimensione per stoccare la produzione di tutte le centrali termiche a carbone attualmente in servizio nel mondo. Poiché non si pone il problema di costruire depositi così imponenti , lo stoccaggio della CO₂ deve dunque utilizzare le possibilità offerte dalle strutture geologiche oppure gli oceani che hanno le dimensioni adatte.

Lo stoccaggio sotterraneo della CO₂

L’esistenza di giacimenti fossili di CO₂, alcuni dei quali di grandi dimensioni, e di giacimenti di metano spesso miscelato alla CO₂ permette di confinare nel sottosuolo grandi quantità di gas per periodi “geologici”.

La prima idea che viene in mente è di utilizzare dei depositi naturali dopo averne estratto gli idrocarburi che contengono. I giacimenti di metano naturali esauriti si prestano bene all’iniezione di CO₂ ed è anche possibile utilizzare gl’impianti di sfruttamento esistenti, il che minimizza i costi. I giacimenti di petrolio offrono situazioni più diversificate e sono necessari studi specifici per determinare la loro attitudine allo stoccaggio e la loro capacità di ricevimento. La  tecnica è conosciuta poiché i petrolieri utilizzano già la CO₂, che ha un’azione “fluidificante”, per estrarre il petrolio; cosa che permette di recuperare più dei quatto quinti delle riserve.

La seconda idea è di iniettare la CO₂ nelle falde acquifere profonde, la cui tenuta stagna si determina semplicemente attraverso lo studio degli strati geologici che le ricoprono. Ad una profondità superiore agli 800 metri, a causa della temperatura e della pressione, la CO₂ diviene un fluido supercritico che ha una solubilità nell’acqua del 5% in peso. Dopo il discioglimento, l’acqua diviene acida e attacca le rocce come il calcare, ma le conseguenze sull’ambiente dovrebbero restare minime in quanto esistono già delle sorgenti naturali in cui la CO₂ è mescolata all’acqua. D’altro canto, la compagnia Statoil, in Norvegia, sperimenta già un’iniezione di 1 Mt di CO₂ all’anno (proveniente dal giacimento di metano di Sleipner West, che contiene il 9% di CO₂) in una falda acquifera a 1000 metri di profondità, al fine di limitare il suo scarico nell’atmosfera.

E’ da rilevare che la Francia è ben provvista di falde profonde di acqua calda (38.000 km² sotto il bacino parigino e 20.000 km² sotto il bacino aquitano) relativamente ben conosciute grazie alla geotermia. Uno studio eseguito su iniziativa dell’Ademe indica che occupando solo il 2% del volume libero delle falde acquifere profonde, sarebbe possibile stoccare 13.000 Mt di CO₂, ossia circa 600 anni di produzione di CO₂ delle centrali termiche EDF. D’altra parte, questo tipo di falda esiste anche in offshore nel mare del Nord, cosa che potrebbe facilitare le procedure di sicurezza in casi di fughe di gas, ad esempio in testa ai pozzi (una parte della CO₂ si discioglierebbe nell’acqua del mare, rimontando in superficie).

Lo stoccaggio di CO₂ negli oceani

Attualmente è comunemente riconosciuto che gli oceani assorbono per fenomeno naturale circa un terzo della CO₂ liberata nell’atmosfera dalle attività umane, fissando così da 2 a 3 Gt di carbonio all’anno. Tuttavia, questo satura principalmente lo strato superficiale degli oceani, mentre gli strati profondi contengono poco carbonio, e il miscelamento delle acque profonde si effettua molto lentamente. E’ dunque invogliante tentare di ricercare dei procedimenti per accelerare questi processi naturali (fig.2). In Francia, tuttavia, la presenza di una platea continentale fa sì che le grandi profondità oceaniche non potrebbero essere raggiunte che lontano dalle coste, ciò che aumenterebbe considerevolmente il costo dei gasdotti.

Il principio dell’iniezione sottomarina è semplice. Una condotta proveniente dalla costa porterebbe la CO₂ alla profondità desiderata e un certo tipo di diffusore collocato all’estremità l’inietterebbe nell’acqua, finemente divisa in goccioline o in bollicine. Le quantità da iniettare e le perdite di carico durante il trasporto necessiterebbero tuttavia delle condotte di grande diametro che nessuno attualmente sa posare a più di 1000 metri di profondità. Questa profondità è tuttavia il valore minimo che permette di sperare in una durata di stoccaggio superiore ad un secolo ed è quella necessaria per evitare una perturbazione locale troppo rilevante della flora e della fauna.

Più l’acqua del mare è carica di CO₂ dissolta, più è pesante. In assenza di correnti marine, essa dovrebbe colare al fondo dell’oceano come un vero fiume sottomarino. Tuttavia, per costituire dei veri “laghi” di CO₂ occorrerebbe iniettarla a più di 3000 metri di profondità in quanto la CO₂ (sotto forma liquida a causa della pressione sarebbe allora più densa dell’acqua del mare e riempirebbe le fosse marine. Restano tuttavia numerose incognite sulla stabilità e l’avvenire di tali “laghi” al fondo dell’oceano. L’acqua circostante assorbirà lentamente la CO₂, diverrà quindi acida e rischierà non solo di perturbare la flora e la fauna del fondo marino ma egualmente di dissolvere certi sedimenti, a meno che la superficie del “lago” non si ricopra di un fine strato di idrati (un composto solido formato di CO₂ e acqua) che impedirebbe ogni reazione tra la CO₂ liquida e l’acqua.

Una soluzione considerata per inviare la CO₂ al fondo degli oceani sarebbe gettarla dal bordo di battelli! Questa idea non è completamente utopica perché la CO₂ gassosa nell’atmosfera, può essere raffreddata e trasformata in ghiaccio carbonico. Ora questi blocchi, più pesanti dell’acqua, gettati in mare calerebbero direttamente al fondo, anche se fonderebbero parzialmente durante la loro discesa.

Come organizzare un tale sganciamento? Basta riempire un cargo attrezzato per conservare il ghiaccio al freddo. Questo trasporta il ghiaccio al posto prescelto e lo getta direttamente in mare. Quando la concentrazione in CO₂ diventerà critica e rischierà di perturbare seriamente la flora e la fauna del luogo, il cargo si sposterà semplicemente un po' più lontano. Il fondo marino sarebbe dunque considerevolmente meglio preservato che in presenza di un’iniezione continua per trent’anni sempre nel medesimo posto. Tuttavia, occorre tre volte più energia per fare il ghiaccio carbonico (a -78°C) che per liquefare la CO₂ e tutta questa energia sarebbe spesa per raffreddare gli oceani! Un bilancio poco soddisfacente.

Alcuni esperti propongono di stoccare la CO₂ al fondo dell’oceano sotto forma solida. A forte pressione, la CO₂ può infatti combinarsi con l’acqua per formare degli idrati che rassomigliano grossolanamente a della neve. Più pesante dell’acqua, essa colerebbe a fondo naturalmente. Si costituirebbero così delle gigantesche discariche al fondo dell’oceano.

Diverse possibilità vengono considerate e studiate attentamente, in particolare da parte dei Giapponesi: la fabbricazione di idrati in superficie e l’iniezione sotto forma di fanghi a 2000 metri di profondità o l’iniezione di gas carbonico liquido (al disotto dei 500 metri) con un condotto che permetta la formazione locale di idrati. Ma è difficile sapere se gli idrati non finiscano alla lunga per dissolversi nell’acqua.

Alla fine del 1997, i paesi che avevano firmato la Convenzione sui cambiamenti climatici  nel 1992 hanno adottato il protocollo di Kyoto dopo tre anni di intense trattative. Questo protocollo dovrebbe imporre ai paesi sviluppati di ridurre significativamente le loro emissioni di gas-serra (di almeno il 5% in rapporto all’anno 1990). Ciò comporterà la necessità di modificare molto radicalmente la produzione e l’utilizzazione dell’energia (e dunque dell’elettricità), di cambiare certe pratiche agricole, di gestire il carbonio stoccato nelle biomasse e nelle foreste, di preparare l’adattamento delle nostre società ai cambiamenti climatici e infine di creare nuiove relazioni con i paesi in via di sviluppo.

Riquadro1  - L'effetto serra L’effetto serra è un fenomeno naturale che permette all’atmosfera della terra di conservare una parte del calore del sole (rimessa dalla terra sotto forma di emissioni infrarosse) grazie ad uno strato di vapore e di gas. Senza effetto serra, avremmo in media -18°C sulla terra. Tuttavia, l’emissione eccessiva di certi gas nell’atmosfera, fra cui, in particolare, l’anidride carbonica (CO2) risultante dalla combustione del carbone, il gasolio e il metano, contribuisce al riscaldamento del clima attuale. Le emissioni di CO2 che risultano dall’attività umana (circa 22.700 milioni di tonnellate nel 1996) provengono da vari settori fra cui la produzione di elettricità, l’industria, i mezzi di trasporto, il riscaldamento e l’agricoltura come indicato nel diagramma, qui sotto

Fig.2  Principio di stoccaggio sottomarino di  CO₂