Alla scoperta delle tecnologie che catturano la CO₂

La velocità con cui le tecnologie che assorbono la CO₂ stanno evolvendo è impressionante. Ma come funzionano? Scopriamole insieme, a cominciare dalle tecnologie di cattura dell’anidride carbonica.

Di Silvia Pugliese

Questo è il secondo di una serie di articoli dedicati alle tecnologie che “acchiappano” la CO₂ importante strumento per la lotta al riscaldamento globale. Una volta catturata, l’anidride carbonica può essere convertita in nuove risorse, e ce ne sono tante: dalla foglia artificiale che converte la CO₂ in carburanti, alle soluzioni che (ri-)utilizzano la CO₂ così com’è, o addirittura come materiale da costruzione. In alternativa, l’anidride carbonica può essere anche immagazzinata in modo duraturo (ovvero da decenni a millenni).

Nell’articolo precedente abbiamo introdotto un concetto fondamentale che differenzia queste tecnologie in due tipi: tecnologie di cattura e tecnologie di rimozione dell’anidride carbonica. In particolare, questa distinzione dipende dalla concentrazione di CO₂ nel gas da trattare e il ruolo della tecnologia nella mitigazione del riscaldamento globale.

Oggi esploriamo le tecnologie di cattura della CO₂, le quali sono particolarmente adatte quando la concentrazione di CO₂ nella fonte di emissione da trattare è elevata (tipicamente 15%, fino ad arrivare al 90% in volume) e la fonte di emissione è ben localizzata e circoscritta. 

Esempi concreti in cui queste tecnologie potrebbero trovare applicazione sono quindi le emissioni le emissioni da centrali elettriche, impianti chimici e di produzione di cemento, le raffinerie di petrolio, ma anche da automobili, navi o aerei.

Ma non ci limiteremo a spiegare come funzionano. Le classificheremo in termini di metodo, efficienza, costo, e sostenibilità ambientale. 

Il valore di una tecnologia si misura considerando diversi aspetti

Non è semplice valutare una tecnologia, specialmente in un settore all’avanguardia come quello della cattura della CO₂, nato solo pochi anni fa. Tuttavia, ci sono degli aspetti fondamentali che ci aiutano ad osservarla da diversi punti di vista e a comprenderne il potenziale.

Innanzitutto, il metodo attraverso cui la tecnologia interagisce con l’anidride carbonica. È una tecnologia avanzata? È semplice, o molto complessa? Il metodo è senz’altro il cuore della tecnologia, deve adattarsi allo scenario desiderato e dipende da molti fattori, tra i quali le caratteristiche della fonte di emissione, come ad esempio la concentrazione di CO₂ o la presenza di impurità.

Efficienza: una buona tecnologia per la cattura della CO₂ dovrebbe essere in grado di catturarne una quantità significativa e dovrebbe essere affidabile, vale a dire in grado di funzionare in modo continuo, per lungo tempo e in diverse condizioni ambientali e climatiche.

Costo: da non sottovalutare, specialmente se si vuole implementare la tecnologia su larga scala! 

Sostenibilità ambientale: la tecnologia di cattura della CO₂ deve essere sicura per l’ambiente e per le persone che la utilizzano e/o che vivono nelle vicinanze. Nel migliore dei casi, dovrebbe essere sostenibile e avere un impatto positivo sull’ambiente. Per esempio, potrebbe utilizzare fonti di energia rinnovabile, ridurre l’uso di materiali non riciclabili e non produrre rifiuti tossici o inquinanti.

Possiamo finalmente analizzare le quattro tecnologie principali per la cattura della CO₂: assorbimento chimico, adsorbimento fisico, metodo criogenico e utilizzo di membrane.

L’assorbimento chimico: la tecnologia più matura

Come suggerisce il nome, l’assorbimento chimico si basa su una reazione chimica tra la CO₂ e il materiale di cattura, che di solito è un liquido con una forte affinità per l’anidride carbonica. Generalmente, la CO₂ passa attraverso questo liquido e viene immobilizzata. In un secondo momento, il liquido viene rigenerato e la CO₂ recuperata con una variazione di temperatura o di pressione. Oggi l’assorbimento chimico con liquido a base di ammine (ovvero dei composti che contengono azoto) è il più comune. Sono però molto utilizzate anche altre soluzioni, come per esempio quelle contenenti idrossido di potassio. 

Metodo: l’assorbimento chimico è oggi la principale tecnologia di cattura della CO₂. Ha un elevato livello di preparazione tecnologica ed è già stata implementata a livello industriale.

Efficienza: un vantaggio di queste tecnologie è la flessibilità. Possono infatti essere aggiunte a un impianto esistente, senza dover fare grandi modifiche. Il processo inoltre garantisce elevata purezza dell’anidride carbonica prodotta (oltre il 99% di CO₂).

Costo: primo tallone d’Achille di queste tecnologie è senz’altro l’elevato fabbisogno energetico per la fase di rigenerazione del liquido che assorbe la CO₂.

Sostenibilità ambientale: seconda debolezza. Vi sono evidenze che alcune ammine e prodotti di degradazione delle ammine possano avere effetti negativi sulla salute umana, degli animali e degli organismi acquatici.

Adsorbimento fisico: veloce ma non molto selettivo

Anche con questa tecnologia, la CO₂ viene catturata attraverso l’uso di un materiale di cattura, detto materiale adsorbente. La differenza rispetto all’assorbimento chimico? Non c’è una reazione chimica ad attrarre il gas, ma un’interazione fisica, che può dipendere dalle dimensioni dei pori del materiale adsorbente o dalle sue cariche elettrostatiche. Per questo motivo, invece di assorbimento, si parla di adsorbimento. Una volta che la CO₂ è attaccata all’adsorbente, la temperatura o la pressione possono essere modificate in modo che il gas venga rilasciato e l’adsorbente rigenerato. Gli adsorbenti possono essere sia liquidi che solidi; un esempio sono le zeoliti, materiali microporosi e cristallini, che possono essere prodotti sia sinteticamente che naturalmente.

Metodo: i processi che usano l’adsorbimento fisico sono forse tra i meno avanzati e hanno visto un’adozione ancora limitata nel settore.

Efficienza: nell’adsorbimento fisico, la velocità elevata di cattura del gas viene pagata a caro prezzo, perché questo approccio ha una minore selettività per l’anidride carbonica, e sovente altri gas vengono catturati allo stesso tempo.

Costo: sempre per il fatto che non ci sono reazioni chimiche, il processo di adsorbimento può essere invertito senza grande dispendio di energia, il che riduce i costi di operazione.

Sostenibilità ambientale: i materiali utilizzati per questo tipo di applicazione possono essere facilmente rigenerati e riutilizzati e non sono generalmente tossici per l’uomo e per l’ambiente. 

Il metodo criogenico: brrrr, ma quanta energia!

Nel metodo criogenico, l’anidride carbonica viene catturata sottoponendo i gas di scarico o i fumi di una fonte di emissione a bassissime temperature (fino a -135°C), grazie alle quali la CO₂ condensa e può quindi essere separata dagli altri componenti gassosi, che invece cambiano di fase (cioè passano dallo stato gassoso allo stato liquido) a temperature diverse.

Metodo: non ci sono sorprese, questo metodo è avanzato e viene utilizzato da molti anni.

Efficienza: come nel caso dell’assorbimento, la tecnologia si può adattare facilmente e non necessita di modifiche alle apparecchiature esistenti. Tuttavia, la separazione con il processo criogenico, per essere economicamente efficiente, richiede che la concentrazione di CO₂ nella fonte di emissione sia almeno del 15%, il che ne limita l’applicabilità in molti casi.

Costo: non indifferente. Per raffreddare a temperature così basse è richiesta molta energia.

Sostenibilità ambientale: questo metodo non richiede solventi o altri materiali potenzialmente dannosi ma può avere un forte impatto sull’ambiente per via dell’elevato dispendio energetico.

La separazione tramite membrane: economica ma solo per certe applicazioni

I processi che utilizzano membrane separano le sostanze in base alle loro dimensioni. Difatti, le membrane sono materiali che presentano pori con dimensioni ben definite. In altre parole, una sorta di filtro. Le particelle grandi non possono passare attraverso la membrana e vengono trattenute, mentre invece la CO₂ riesce a passare e viene di conseguenza separata dal resto dei gas. Per la cattura della CO₂ sono stati studiati diversi tipi di membrane, ma le più utilizzate sono senz’altro quelle polimeriche. Il principio su cui si basa questo tipo di separazione è la differenza di concentrazione della CO₂ da un lato all’altro della membrana. 

Metodo: questo processo è avanzato, tuttavia funziona particolarmente bene quando la concentrazione di CO₂ nella fonte di emissione è molto alta, il che ne limita l’applicabilità.

Efficienza: un vantaggio dei sistemi a membrana è che possono essere facilmente scalati o ridotti per applicazioni diverse, tuttavia il livello di purezza della CO₂ ottenuto da una singola membrana è spesso basso.

Costo: in questo processo non serve applicare nessun tipo di energia, pertanto, questi metodi sono energeticamente favorevoli, ma a condizione che la concentrazione di CO₂ nella fonte di emissione sia sufficientemente alta.

Sostenibilità ambientale: punto debole dei sistemi a membrana è la tendenza ad accumulare sporco e contaminanti, perciò spesso le membrane devono essere sostituite o sottoposte a mantenimento.

Cattura della CO₂: pagelle finali

È il momento di dare un po’ di voti: quale sarà la migliore tecnologia per la cattura della CO₂? A livello industriale, il metodo di assorbimento chimico è senza dubbio il più utilizzato, eppure, sulla carta, sembra quasi che non ci sia un’unica soluzione. E in effetti, è proprio così. La cattura della CO₂ è un settore nuovo, dove i differenti approcci si stanno ancora sviluppando, ed è per questo motivo che bisogna considerare con attenzione il tipo di applicazione per scegliere la tecnologia più adatta. 

Se non vi è bastata questa sfilza di tecnologie, non vi preoccupate: questo elenco non è esaustivo. Non abbiamo voluto elencare tutte le tecnologie ad oggi disponibili per la cattura della CO₂ perché il nostro obiettivo era un altro: introdurre alcuni dei principali approcci soprattutto per fornire una chiave di lettura per comprendere meglio queste tecnologie.

Ma quali sono le tecnologie utilizzate per rimuovere la CO₂ quando è stata già immessa in atmosfera e la sua concentrazione è molto bassa (0.04%)? Qui entrano in gioco le tecnologie di rimozione della CO₂. Ma per queste, ci vediamo al prossimo articolo!