Il sequestro della CO2 (CCS, Carbon Capture and Sequestration) è una tecnica consolidata fin dagli anni ’70 del secolo scorso quando veniva impiegata per operazioni di Enhanced Oil Recovery nell’industria petrolifera e nella produzione di urea. Ora si sta cercando di utilizzarla come una possibile alternativa tecnologica per mitigare le emissione di CO2 e poter in tal modo soddisfare i sempre più stringenti limiti imposti dalle politiche energetiche. Presso il Laboratorio Processi per la Combustione Sostenibile dell’Unità Tecnica Tecnologie Avanzate per l’Energia e l’Industria dell’Enea è in corso la progressiva messa in servizio della piattaforma sperimentale Zecomix, un complesso impianto realizzato per testare, su scala significativa, una nuova tecnologia, detta “calcium looping”, per la cattura della CO2 e produzione di idrogeno. Ce ne parla Stefano Stendardo dell’Enea, che sta seguendo la sperimentazione.
Quali sono i vantaggi del metodo calcium looping rispetto ad altri sistemi di CCS?
La tecnologia CCS disponibile sul mercato è lo “scrubbing”, il lavaggio di gas attraverso una soluzione di ammine ampiamente usata a livello industriale. Purtroppo legati a questa tecnologia sono stati riscontrati un’alta perdita di efficienza dell’impianto in cui viene utilizzata (circa 9-12 punti percentuali), l’alto costo per la produzione del solvente (1200 USD/tonnellata), lo stoccaggio, la gestione e lo smaltimento dei prodotti di degradazione delle ammine che in taluni casi mostrano un certo carattere di tossicità. La tecnologia “calcium looping” fa uso della reazione tra anidride carbonica e ossido di calcio per poter superare i problemi riscontrati con l’uso dei solventi a base di ammine. In particolare l’ampia disponibilità ed il basso costo di sorbenti di origine naturale a base di calcio (dolomite, calcare), l’assenza di tossicità per l’uomo e l’ambiente, la possibilità di recuperi energetici, la bassa perdita di efficienza dell’impianto (circa 6-8 punti percentuali) in cui viene innestata, fanno del “calcium looping” la tecnologia più economicamente sostenibile tra le CCS. Inoltre l’ossido di calcio, una volta persa la sua capacità sorbente dopo un certo numero di cicli di cattura della CO2, può essere utilizzato come materia prima nell’industria del cemento riducendo virtualmente a zero i prodotti solidi per lo smaltimento e aumentando ancora di più l’economicità del nuovo procedimento.
La piattaforma Zecomix non è solo per questo test: può brevemente descriverla?
La piattaforma sperimentale Zecomix è stata progettata e costruita per testare la tecnologia del “calcium looping” nella produzione di idrogeno ed energia elettrica da carbone. Il carbone viene gassificato attraverso un letto fluido bollente per produrre un gas combustibile sintetico da sottoporre a decarbonizzazione attraverso il processo di “calcium looping” in un reattore a letto fluido bollente di sorbente solido naturale a base di ossido di calcio (dolomite calcinata). Il syngas ad alto contenuto di idrogeno così prodotto viene avviato a una sezione di potenza per la produzione di energia elettrica. La piattaforma è divisa in varie sezioni in cui hanno luogo i processi appena descritti; la sua peculiarità consiste nella possibilità di funzionamento autonomo di ogni sezione, indipendentemente dalle altre. Tuttavia i singoli processi possono essere collegati in cascata per testare il funzionamento globale della piattaforma. Nel gassificatore a letto fluido viene alimentato il carbone, ossigeno e vapore; in uscita si ottiene un syngas ricco di idrogeno, monossido di carbonio, anidride carbonica, acqua e una bassa percentuale di metano. Dopo gli opportuni trattamenti di lavaggio e la separazione delle polveri il syngas può essere mandato in torcia, nel caso di funzionamento indipendente della sezione, oppure alla sezione “calcium looping” per la sua decarbonizzazione. Inoltre è previsto anche un sistema per l’alimentazione del gas sintetico indipendente dal gassificatore per eseguire i test preliminari di cattura della CO2 in condizioni, come detto prima, di funzionamento autonomo.
Quali risultati hanno dato i test e quali saranno i prossimi passi?
A metà giugno sono state effettuate le prime prove sperimentali di cattura della CO2 con la tecnologia “calcium looping” facendo uso di un letto di dolomite calcinata. La prima parte ha riguardato l’ottimizzazione del processo di riscaldamento e soprattutto di calcinazione del materiale naturale. Quest’ultimo processo risulta, infatti, necessario per poter decomporre, in regime di letto fluidizzato, i carbonati di calcio e magnesio che compongono la dolomite nei rispettivi ossidi e iniziare in tal modo il processo di cattura. Il letto di particelle è stato raffreddato in corrente di N2, fino ad un valore di 650-700°C preparando in tal modo il reattore alla cattura dell’anidride carbonica. In questo processo, l’ossido di calcio rappresenta la fase attiva del sorbente reagendo con la CO2 per formare CaCO3 mentre l’ossido di magnesio agisce da supporto inerte consentendo alla CO2 di raggiungere, attraverso i pori della particella la parte interna della stessa. La concentrazione della CO2 in ingresso al letto di sorbente è stata scelta in maniera tale da avere un contenuto di anidride carbonica che si avvicinasse il più possibile a quella misurata in un syngas da carbone sottoposto a un primo stadio di concentrazione della CO2 (CO-shift). La concentrazione di anidride carbonica misurata in uscita dal reattore ha messo in luce un abbattimento medio della CO2 del 75%, con ampi margini di miglioramento.
Quali sono gli obiettivi?
L’obiettivo è l’ottimizzazione del processo al fine di rimuovere fino all’85% del carbonio in ingresso. Uno degli obiettivi a medio termine è utilizzare la sezione di cattura della CO2 per la produzione di idrogeno da metano. Grazie alla possibilità di alimentazione indipendente dal gassificatore di carbone, il reattore per la decarbonizzazione può essere alimentato attraverso una corrente di metano e vapor d’acqua. In tal modo nel letto di particelle (composto, questa volta da catalizzatore per il reforming del metano e dolomite calcinata) investito da CH4 e H2O si viene a instaurare una reazione di reforming del metano e contemporanea separazione della CO2 che consente la produzione di H2 già ad temperatura di 650°C, contro gli 850 – 900°C degli attuali reattori di reforming del metano.
Cos’è la modalità post-combustione e come può essere utilizzato in tal caso questo metodo ?
Per gli impianti di produzione di energia, le tecnologie CCS vengono convenzionalmente classificate in pre-combustione, ossi-combustione e post-combustione: nella prima l’anidride carbonica viene separata da un gas combustibile prima del suo impiego in un ciclo di potenza; nella seconda la combustione avviene in presenza di solo ossigeno ottenendo in tal modo una corrente altamente concentrata di CO2. La modalità post-combustione riguarda la decarbonizzazione di fumi di combustione. A differenza della pre-combustione, qui la CO2 da separare risulta più diluita per la presenza dell’azoto, con un conseguente e inevitabile aumento dell’energia specifica per la separazione della stessa. Tale modalità trova, comunque, impiego, per i vantaggi sia tecnici che economici che ne derivano, nella sinergia tra la tecnologia del “calcium looping” e l’industria del cemento. In particolare, l’integrazione del “calcium looping” nel processo di produzione del cemento avviene a valle della fornace in cui si viene generato il clinker. In questo modo si avrebbe da un lato la separazione della CO2 dai fumi di combustione all’uscita della fornace dall’altro la fornace verrebbe alimentata con l’ossido di calcio sinterizzato e quindi non più idoneo alla cattura della CO2 con conseguente risparmio delle materie prime impiegate (dolomite, carbonato di calcio). La modalità in post-combustione ha, inoltre, il vantaggio di poter essere implementata in impianti di produzione del cemento già esistenti senza dover attuare grosse modifiche. Questa caratteristica rende la tecnologia del “calcium looping” in post-combustione facilmente implementabile senza un eccessivo investimento iniziale.
(Michele Orioli)
