Via libera alla cattura del carbonio
24 Oct 2023
Le industrie ad alta intensità di carbonio sono sottoposte a una crescente pressione per ridurre drasticamente le loro emissioni di CO2. Per aiutarle a iniziare, GEA sta introducendo un programma di cattura del carbonio incentrato su efficienza e scalabilità.
In migliaia di anni il calcestruzzo si è dimostrato un materiale da costruzione pressoché perfetto e quasi onnipresente nell'ambiente creato dall'uomo, dal Pantheon di Roma ai grattacieli più alti del mondo. Utilizzato più di qualsiasi altra sostanza sulla Terra, ad eccezione dell'acqua, il calcestruzzo ha un enorme impatto fisico. Purtroppo, lo stesso si può dire del suo impatto sul clima. La colpa è da attribuire al cemento, l'ingrediente principale del calcestruzzo, usato per legare sabbia e ghiaia. A causa dell'elevato calore richiesto e delle reazioni chimiche coinvolte, la produzione di cemento genera circa 4 miliardi di tonnellate di CO2 all'anno - circa l'8% delle emissioni globali di CO2. Se la produzione di cemento fosse un Paese, si collocherebbe al terzo posto nella lista dei principali responsabili delle emissioni, solo dopo Cina e Stati Uniti [1]
Dal 1980 la produzione di cemento è quasi quintuplicata e la tendenza è in crescita. Fonti: U.S. Geological Survey (USGS), VDZ Verein Deutscher Zementwerke e.V.
Consapevole dell'impatto del cemento, la Global Cement and Concrete Association (GCCA) ha lanciato il programma 2050 Climate Ambition per ottenere un calcestruzzo a emissioni zero entro il 2050. Per raggiungere questo obiettivo, la GCCA conta su un lungo elenco di misure d'azione: efficienza energetica, combustibili alternativi, de-carbonizzazione delle materie prime e dei combustibili, materiali innovativi e cementifici progettati in modo più efficiente, per citarne alcune. Ma il tassello più importante del puzzle della GCCA è la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS): separare la CO2 dalle emissioni per riutilizzarla nei processi industriali o iniettarla in profondità nel sottosuolo, dove non può più avere un impatto sull'atmosfera.
La buona notizia per l'industria del cemento e altri settori difficili da riconvertire ("hard-to-abate") è che la tecnologia di cattura del carbonio non è una novità. La separazione della CO2 a base di ammine, il più maturo e diffuso dei metodi di cattura del carbonio, è utilizzata da decenni nell'industria petrolifera e del gas. Ma il retrofit di un impianto di cattura del carbonio in un cementificio rimane una soluzione costosa. Per i produttori di cemento non esistono ancora impianti di cattura del carbonio "pronti all'uso", in gran parte a causa delle innumerevoli variabili in gioco: qual è l'esatta composizione dei fumi dell'impianto? L'impianto richiederà un ulteriore impiego di energia e, in caso affermativo, di quale entità? Quanto è stabile il solvente amminico in queste particolari condizioni? Che impatto avranno gli alti livelli di emissioni di polvere sulla durata dell'impianto? Quali sono le opzioni disponibili per riutilizzare la CO2 catturata?
Oggi gli impianti più inquinanti devono far fronte a una maggiore pressione da parte delle autorità di regolamentazione e di altre parti interessate per provvedere alla rimozione della CO2. Ma poiché il mercato della cattura del carbonio è ancora agli inizi, si tratta di un investimento iniziale significativo con molte variabili.
Come iniziare la cattura del carbonio
Con oltre un secolo di esperienza nella progettazione e nell'installazione di sistemi di depurazione dei gas e di riduzione delle emissioni, GEA sta sviluppando il proprio programma di cattura del carbonio che comprende il recupero del calore di scarto, il pretrattamento dei gas, un sistema di cattura del carbonio all'avanguardia, nonché il supporto all'utilizzo e allo stoccaggio della CO2. Il Dr. Felix Ortloff, Senior Director GEA Carbon Capturing, ritiene che per l'industria del cemento e altri settori difficili da riconvertire sia possibile passare alla cattura del carbonio in modo rapido ed economico. "GEA ha sviluppato una linea altamente standardizzata di soluzioni per la cattura del carbonio, progettata per aiutare gli operatori degli impianti a iniziare subito a rimuovere la CO2", afferma Ortloff. "La nostra esperienza nella depurazione dei gas e nel recupero di calore, unita alla nostra capacità ingegneristica di base, ci ha permesso di creare una soluzione end-to-end per la rimozione della CO2, sia adatta allo scopo che conveniente".
I clienti GEA possono scegliere tra quattro impianti di cattura del carbonio di dimensioni diverse, una scelta determinata principalmente dalla quantità di calore di scarto generato dal proprio impianto. "Il nostro obiettivo per ora è l'efficienza dell'intero impianto, quindi vogliamo sfruttare al massimo il recupero del calore", afferma Ortloff. "Il vantaggio per il cliente è che può iniziare a catturare la CO2 con un consumo energetico aggiuntivo minimo o nullo. Per un grande cementificio con elevate emissioni di anidride carbonica, il calore di scarto disponibile è un buon punto di partenza, che consente una riduzione media del 20% delle emissioni di CO2. In altri settori, come quello del vetro, è possibile una riduzione ancora maggiore. Una volta che la soluzione è implementata e funziona come desiderato, è sempre possibile installare una capacità aggiuntiva per rimuovere più CO2".
"GEA ha sviluppato una linea altamente standardizzata di soluzioni per la cattura del carbonio, progettata per aiutare gli operatori degli impianti a iniziare subito a rimuovere la CO2"- Dr. Felix Ortloff, Senior Director, Carbon Capture Solutions, GEA
- Dr. Felix Ortloff, Senior Director, Carbon Capture Solutions, GEA
Impianto pilota alla PHOENIX Zementwerke
Ortloff e il suo team stanno attualmente testando l'impianto di cattura del carbonio di GEA nell'ambito di un ampio progetto pilota presso il produttore di cemento PHOENIX Zementwerke a Beckum, in Germania. "Pratiche commerciali sostenibili e protezione del clima sono parte integrante della nostra strategia aziendale", afferma l'amministratore delegato di PHOENIX Zementwerke Marcel Gustav Krogbeumker. "Con una capacità produttiva di circa 500.000 tonnellate di cemento all'anno ed emissioni giornaliere di CO2 pari in media a 1.000 tonnellate, abbiamo la responsabilità di ridurre al minimo il nostro impatto. Siamo orgogliosi del nostro progetto CCS con GEA e stiamo sfruttando l'impianto pilota presso il nostro sito di Beckum per iniziare la cattura del carbonio. Il progetto ha già suscitato un grande interesse da parte del settore pubblico e privato", afferma Krogbeumker. "Consideriamo la cattura del carbonio una tecnologia molto interessante. E grazie all'esperienza decennale di GEA nei sistemi di controllo delle emissioni, sono molto ottimista sulla possibilità di sviluppare una soluzione che ridurrà in modo significativo le nostre emissioni".
"Siamo orgogliosi del nostro progetto CCS con GEA e stiamo sfruttando l'impianto pilota presso il nostro sito di Beckum per iniziare la cattura del carbonio. Il progetto ha già suscitato un grande interesse da parte del settore pubblico e privato" - Marcel Gustav Krogbeumker, Managing Director PHOENIX Zementwerke
- Marcel Gustav Krogbeumker, Managing Director PHOENIX Zementwerke
L'impianto pilota sta aiutando GEA e PHOENIX Zementwerke a ottimizzare l'analisi delle emissioni del cementificio - in particolare dei componenti in traccia nocivi da rimuovere durante il pretrattamento dei fumi - e a raccogliere dati importanti sulla stabilità del sistema di solventi amminici durante la fase di cattura del carbonio. Secondo Ortloff, il progetto pilota ha già consentito di raggiungere l'obiettivo di GEA, ovvero un'efficienza di rimozione della CO2 pari al 90%. "Un tasso di cattura del carbonio ancora più elevato (circa il 95%) è tecnicamente possibile, ma richiederebbe un maggiore apporto di energia e avrebbe un impatto negativo sull'efficienza complessiva dei costi", spiega Ortloff. "Il 90% è l'obiettivo auspicabile e anche il più conveniente dal punto di vista economico".
Test sul campo per la cattura del carbonio presso il cementificio Phoenix di Beckum, in Westfalia, Germania. Conversazione tra: Marcel Gustav Krogbeumker, Managing Director Phoenix-Zementwerke (a sinistra), Dr. Felix Ortloff, Senior Director, Carbon Capture Solutions, GEA (a destra). Immagine: GEA/Tim Luhmann
Prossimamente Krogbeumker intende lavorare con GEA su un concetto di CCUS completo per lo stabilimento della PHOENIX Zementwerke a Beckum. "Valuteremo tutti i dati e poi discuteremo la possibilità di espandere la cattura del carbonio nell'impianto", afferma. "La domanda è: optiamo per lo stoccaggio del carbonio, ad esempio in vecchi giacimenti e pozzi di petrolio nel Mare del Nord? Oppure vogliamo trattare la CO2 per riutilizzarla? E se scegliamo la seconda ipotesi: come possiamo espandere l'impianto pilota in modo che possa pulire la CO2 a sufficienza per soddisfare gli elevati standard richiesti dall'industria chimica e alimentare? Dove e in quali settori possiamo trovare clienti per la CO2? Che tipo di infrastrutture dobbiamo fornire per il trasporto? Stiamo parlando di condotti, di riattivare l'impianto ferroviario o abbiamo bisogno di un trasporto su camion? Per noi questi sono giorni interessanti ed entusiasmanti e sono certo che insieme a GEA potremo fare molto".
Cosa fare con la CO2
L'utilizzo e lo stoccaggio della CO2 è l'ultima fase critica del processo di cattura del carbonio. L'attuale competenza di GEA nell'utilizzo della CO2 si concentra su due settori. Nel settore della birra, GEA recupera la CO2 dal processo di fermentazione, la liquefa e poi estrae l'ossigeno in modo che la CO2 possa essere riutilizzata nella produzione di bevande. Dalla CO2 catturata GEA produce anche carbonati, come il bicarbonato di sodio, da utilizzare nell'industria alimentare e farmaceutica. "Ogni cliente avrà a disposizione opzioni diverse per l'utilizzo della CO2 catturata", spiega Ortloff. "Valuteremo caso per caso se c'è un potenziale consumatore di CO2 nelle vicinanze e quali sono i requisiti che l'azienda ha in termini di purezza, stato fisico, pressione e temperatura della CO2. Quindi potremo preparare la CO2 per soddisfare queste esigenze".
Ortloff vede nella produzione di metanolo un'altra opzione per l'utilizzo della CO2 a medio termine, da sfruttare direttamente come carburante, trasformare in altri componenti di carburante o impiegare nell'industria chimica come elemento di base. Altri usi della CO2 catturata sono la produzione di plastica o addirittura del cemento stesso. Una di queste soluzioni prevede l'iniezione di CO2 nel calcestruzzo, dove subisce una mineralizzazione e viene incorporata come solido nel materiale da costruzione. Ma come chiarisce Ortloff: anche nel caso in cui il mercato per l'utilizzo del carbonio dovesse maturare, la quantità di CO2 catturata è probabilmente destinata a superare di gran lunga le quantità utilizzabili per la CCU. Ciò significa che soluzioni per lo stoccaggio della cattura del carbonio (CCS) saranno essenziali per realizzare gli obiettivi della cattura della CO2 a breve e medio termine al fine di ridurre le emissioni di gas serra e soddisfare le esigenze di un pianeta sempre più caldo.
Lo stoccaggio del carbonio è un altro esempio di tecnologia consolidata nell'industria petrolifera e del gas che deve essere potenziata. Di certo, i governi e l'industria stanno aumentando la capacità di CCS a un ritmo sorprendente. Secondo il Global CSS Institute, alla fine del 2022 erano in funzione 30 impianti CCS a livello globale, con altri 11 in costruzione e 153 in fase di sviluppo, per una capacità CCS totale di 244 milioni di tonnellate annue - il 44% in più rispetto all'anno precedente. Grazie ai significativi crediti d'imposta sugli investimenti in Canada e ai finanziamenti federali negli Stati Uniti (Inflation Reduction Act 2022), il Nord America è in prima linea nello sviluppo del CCS. L'Europa viene subito dopo. [2] Il Fondo europeo per l'innovazione prevede di investire circa 38 miliardi di euro in tecnologie pulite in tutta Europa entro il 2030 e sta già sostenendo progetti CCS su larga scala in diversi settori, con particolare attenzione al cemento. La Cina, il più grande produttore di cemento al mondo, è stata finora più lenta ad agire ma ora sta aumentando gli sforzi per sviluppare la tecnologia CCUS. Nel luglio 2023, la Cina ha annunciato il lancio del più grande progetto CCUS finora realizzato per l'industria del cemento. [3]
"Ogni cliente avrà a disposizione opzioni diverse per l'utilizzo della CO2 catturata. Valuteremo caso per caso se c'è un potenziale consumatore di CO2 nelle vicinanze e quali sono i requisiti che l'azienda ha in termini di purezza, stato fisico, pressione e temperatura della CO2".- Dr. Felix Ortloff, Senior Director, Carbon Capture Solutions, GEA
- Dr. Felix Ortloff, Senior Director, Carbon Capture Solutions, GEA
Una nuova economia del carbonio
Così come le tecnologie di propulsione alternative richiederanno nuove infrastrutture per l'elettricità e l'idrogeno, la cattura e lo stoccaggio del carbonio richiederanno una nuova infrastruttura per il trasporto della CO2 catturata dalle fonti di emissione industriali al luogo in cui verrà utilizzata o immagazzinata. Un esempio è il progetto congiunto di OGE, uno dei principali operatori nel trasporto del gas in Europa, e Tree Energy Solutions, una società che opera nel campo dell'idrogeno con sede in Belgio, per la costruzione di un gasdotto di 1.000 km per il trasporto di circa 18 milioni di tonnellate di CO2 all'anno. In questo caso, la CO2 servirà a trasportare l'idrogeno rinnovabile dagli impianti solari, eolici e idroelettrici di tutta Europa fino al "polo dell'energia verde" del progetto a Wilhelmshaven, in Germania.[4] "Anche i condotti o gli impianti di stoccaggio avranno le loro specifiche per il trasporto e il sequestro della CO2", spiega Ortloff. "La nostra possibilità di fornire la tecnologia di cattura, depurazione e liquefazione del carbonio in un'unica soluzione rende più facile ai nostri clienti soddisfare questi requisiti".
La decarbonizzazione dell'industria del cemento richiede nuovi usi della CO2 e lo sviluppo di un'apposita infrastruttura.
La tecnologia di cattura del carbonio che si sta diffondendo oggi nella lotta contro il riscaldamento globale attingerà in larga misura dalla tecnologia e dall'infrastruttura dell'industria petrolifera e del gas. Nel corso degli anni la tecnologia CCUS è maturata alla ricerca di combustibili fossili molto redditizi - come mezzo per raggiungere un fine. Oggi, cattura e sequestro di CO2 inerte sono in molti casi fine a se stessi – e ci sono segnali che indicano un futuro in cui la CO2 catturata sarà opportuna sia dal punto di vista ambientale che da quello economico. "È affascinante immaginare un solido mercato del carbonio catturato, con cementifici in tutto il mondo che raggiungono il 90% di rimozione della CO2", afferma Ortloff. "Per ora, la pressione delle autorità di regolamentazione e di altri stakeholder sta costringendo le aziende a investire in questi primi passi verso una nuova economia del carbonio, e GEA è in una posizione forte per aiutarle ad accelerare questa transizione".
