Carpe Carbo Diem (La guerra impossibile contro il carbonio)

Dum loquimur fugerit invida

aetas: carpe [carbo] diem, quam minimum credula postero

(Mentre parliamo il tempo sarà già fuggito, come se ci odiasse.

cogli l’attimo [e il carbonio], confidando il meno possibile nel domani)

In tutto il mondo durante il 2011 sono state prodotte almeno 35 miliardi di tonnellate di biossido di carbonio, questo significa che ogni giorno dell’anno circa cento milioni di tonnellate di CO2 arricchiscono l’atmosfera di uno dei principali gas responsabili dell’effetto serra. Una produzione che diventa sempre più preoccupante e genera allarme per gli effetti a lungo termine che potrebbe generare. Urge quindi una ricerca rivolta alla risoluzione di questo impellente problema, con tutti i mezzi a disposizione, ma soprattutto che assicuri la sua sostenibilità evitando di intraprendere percorsi che comportino rischi che potrebbero rivelarsi peggiori della situazione attuale.

Una ricerca che non è affatto semplificata dall’incessante dibattito più che altro politico (e patetico, il più delle volte) o ideologico che contamina la scienza con reazioni sicuramente controproducenti. Il problema però sembra essere molto più complesso di quanto inizialmente delineato, e i rimedi proposti finora si perdono spesso nel bilanciamento poco equilibrato tra i pro e i contro.

Proviamo ad approfondire con qualche riflessione, evitando di scadere nelle annose diatribe come la causalità tra concentrazione atmosferica di CO2 e aumento delle temperature e soprattutto nel poco noto paradosso verde, il quale è di natura prettamente economica esulando pertanto dai nostri scopi.

La curva di Keeling della concentrazione di CO2 atmosferica misurata presso il Mauna Loa Observatory.

Le stime più accreditate, sostengono che nel 2050 il livello di CO2 atmosferico aumenterà di circa il 30% rispetto all’attuale, raggiungendo il livello più elevato che la Terra abbia mai conosciuto. Senza una mitigazione o un’inversione della tendenza, senza dubbio alcuno, gli equilibri che regolano il ciclo del carbonio saranno inevitabilmente compromessi, allora la questione si riduce alla nostra capacità di reagire per evitare il peggio, cercando di mantenere le emissioni ad un livello gestibile e investire le risorse disponibili nel miglior modo possibile.

Dopo questa lunga e sicuramente poco particolareggiata premessa, quali sono dunque i possibili rimedi per contrastare queste nefaste previsioni? Oggi siamo bombardati da promettenti soluzioni come la produzione di automobili più efficienti tendenti a emissioni zero, utilizzo di fonti energetiche verdi come solare, eolico, ecc., ma soprattutto forti spinte per modificare il nostro scriteriato stile di vita, verso un modello più sostenibile. Certamente tutti questi suggerimenti sono validi e vanno perseguiti con il massimo sforzo, ma da soli ahimè non ci porteranno molto lontano, e gli investimenti che occorrono per tali soluzioni non ci assicureranno automaticamente l’inversione dell’attuale tendenza al rialzo dei tenori di CO2 atmosferici.

E nemmeno possiamo ipotizzare, anche con le più ottimistiche proposizioni, che da qui al 2050, riusciremo a conseguire il tanto ambito quanto utopistico obiettivo di non emettere più anidride carbonica, a meno di non estinguerci prima per qualche malaugurato cataclisma globale.

Pertanto in affiancamento alle migliori politiche di riduzione delle emissioni, si rende necessaria una strategia alternativa e questa potrebbe rivelarsi ancora più efficace di qualsiasi altra soluzione che è stata affrontata in precedenza, con le migliori buone intenzioni. Mi riferisco alla cattura e al sequestro del carbonio o CCS (carbon capture and sequestration), una tecnologia emergente che si propone di eliminare le emissioni alla fonte e nella maggior parte dei casi prevede di seppellirle nelle profondità del pianeta, spostando però il problema su piani che sembrerebbero risultare in conseguenze ancora peggiori.

Modalità ipotizzate di cattura del carbonio

I sistemi normalmente adottati consistono nella cattura del biossido di carbonio, separato tramite assorbimento in un solvente appropriato, oppure per mezzo del processo di gassificazione, o ancora sfruttando la sua concentrazione e arricchendo di ossigeno il processo di combustione in modo da ottenere elevati livelli di efficienza di recupero, e sono generalmente implementati negli impianti di produzione energetica in cui viene impiegato combustibile (soprattutto carbone) per ottenere energia elettrica.

Queste soluzioni non comprendono però che un terzo del totale delle emissioni, lasciando fuori tutte quelle prodotte dai sistemi di trasporto, dalle sorgenti agricole, industriali e dalle ripercussioni della deforestazione galoppante, fra i principali. Per ovviare a tale limite, sono stati proposti ulteriori sistemi di recupero del carbonio, definiti come Cattura (o rimozione) del biossido di carbonio atmosferico (Carbon dioxide removal o CDR). In pratica si propone un approccio completamente diverso sequestrando in maniera diffusa il biossido di carbonio atmosferico. Un approccio che ha raccolto simpatie da enti importanti come l’IPCC, l’UNFCCC, il  World Watch Institute, il WWF e l’OECD, fra gli altri.

Questi metodi impiegano però notevoli quantità di energia per il loro esercizio e prevedono l’iniezione della CO2 opportunamente liquefatta nelle viscere più profonde di formazioni geologiche adatte a riceverla e conservarla per millenni a venire. Per comprimere una tonnellata di biossido di carbonio nei siti in cui si produce servono come minimo 70 kWh, senza contare il successivo pompaggio profondo, mentre per recuperarla dall’atmosfera in cui si trova in concentrazioni dell’ordine di parti per milione, è necessaria ancora più energia, probabilmente quasi il doppio.

Si potrebbe pensare che solo il fatto che per catturare l’anidride carbonica sia necessaria ulteriore energia, questa sembrerebbe una proposta perdente. Dopo tutto, quella stessa energia si tradurrebbe in ulteriori emissioni di anidride carbonica. Fortunatamente, anche utilizzando il più “sporco” dei combustibili fossili – il carbone – l’energia supplementare necessaria emetterebbe molto meno anidride carbonica rispetto a quella catturata. Ipotizzando la migliore efficienza teorica, la cattura di CO2 dalle centrali a carbone, risulterebbe nell’emissione di meno di una tonnellata di nuova CO2 per ogni dieci tonnellate catturate. Il recupero di CO2 dall’atmosfera utilizzando carbone per fornire l’energia necessaria al processo, risulterebbe nel migliore dei casi nell’emissione di due tonnellate di CO2 ogni dieci tonnellate catturate. In altre parole, date le migliori efficienze di cattura nette possibili, ipotizzando l’impiego di fonti energetiche basate sul carbone, otterremo rese del 91% e 83%, rispettivamente. Naturalmente impiegando altre fonti di energia, anche quelle intermittenti come eolico o solare, tutto il processo sarebbe ancora più vantaggioso.

A tutto questo tuttavia andrebbero aggiunte le risorse necessarie per la costruzione degli impianti, le infrastrutture per il pompaggio, la manodopera e la manutenzione, e via dicendo, insomma per ogni tonnellata di CO2 catturata, secondo uno studio recente condotto alla Harvard’s Kennedy School of Management che revisiona tutte le stime complessive sui costi previsti, nel lungo termine raggiungerebbero dai 35 ai 70 dollari, comprensive della successiva destinazione profonda, con punte di avviamento di 150 $ a tonnellata, riducibili a una medi di 50$ una volta consolidate le tecniche e il relativo mercato.

Chiaramente questi costi si ripercuoterebbero sul costo dell’energia e dei carburanti, e anche raggiungendo a regime una media di 50$ a tonnellata, condurrebbe inevitabilmente ad un aumento di 5 centesimi per kWh sulle bollette e circa 10 centesimi per ogni litro di benzina alla pompa. Probabilmente questo è un prezzo da pagare abbastanza equo, considerando le catastrofiche previsioni di un eventuale immobilismo.

Tuttavia queste pratiche non sono esenti da problematiche, spesso anche peggiori dei mali che si tenta di risolvere. Esistono fondate preoccupazioni relative alle conseguenze del confinamento geologico della CO2, come ad esempio la concreta possibilità di innescare una serie di eventi sismici in futuri imprecisati, o addirittura di anticiparne il loro corso naturale. Inoltre esistono già indizi di correlazioni a contaminazioni delle falde, che minacciano i già scarsi approvvigionamenti di acque ancora potabili. Purtroppo il risultato non sarà quello di veder sgorgare dalle fonti acque effervescenti…

Le emissioni annuali compresse di CO2 per persona in media sarebbero maggiori del 25% del volume occupato dai barili di questa immagine, per un americano invece, i barili sono da quintuplicare. Imagecredit: theminorityreportblog.com

Non solo, il problema principale è di natura quantitativa. La compressione dell’anidride carbonica alla fase liquida fornisce un prodotto che è denso circa la metà dell’acqua. Un barile di CO2 liquida pesa quindi circa 70 kg e per catturare tutti i 35 miliardi di tonnellate annualmente prodotti, occorrerebbero circa 470 miliardi di barili, ovvero circa 67 barili per ogni essere umano, oppure, detto in altri termini, 17 volte il totale dei barili che l’industria petrolifera estrae dai giacimenti in un anno. Anche se non è impossibile, in meno di due secoli si esaurirebbe ogni anfratto o sito geologico adatto alla conservazione di queste incredibili quantità che sono in gioco. Un modo come un altro per dire che il problema verrebbe traslato di qualche tempo in attesa del collasso finale, e non è certo una florida prospettiva da tramandare alle discendenze.

Come uscirne? A dispetto delle peggiori previsioni descritte sopra, esistono proposte incoraggianti che provengono dalla chimica moderna, di cui descriverò sommariamente le principali caratteristiche.

Carbon dioxide recycling / Carbon Capture and Utilization (CDR / CCU)

Riciclare il biossido di carbonio potrebbe essere una risposta efficace al problema che ridurrebbe significativamente le emissioni di gas a effetto serra (GHG) nel medio termine, ma è una tecnologia ancora in fase di sviluppo che prevede l’impiego di biossido di carbonio pre-stoccato per l’alimentazione di sistemi a base di biomasse per la produzione di biocarburanti o biopolimeri, utilizzabili per l’alimentazione di motori a combustione o per la preparazione di materiali plastici a loro volta riciclabili. Un certo numero di progetti prevedono lo sviluppo di questi sistemi che sembrerebbero molto promettenti. Segue un interessante documento video che illustra in modo approfondito queste nuove tecnologie.

Bio-energy with carbon capture and storage (BECCS), è una delle tecnologie emergenti in cui il bilancio delle emissioni è negativo, ovvero si traduce in un consumo netto della CO2 in gioco, risultante dalla combinazione del CCS per l’alimentazione di biomassa. Secondo l’IPCC questa potrebbe essere una tecnologia chiave per raggiungere in breve l’obiettivo di riduzione del biossido di carbonio atmosferico. Le emissioni negative stimate dalla Royal Society potrebbero essere equivalenti a una riduzione da 50 a 150 ppm nella concentrazione globale di CO2 atmosferica.

I bioreattori di nuova generazione dimostrano che lo sviluppo verticale della tecnologia consente un efficace impiego dello spazio a disposizione.

Esistono tuttavia ancora riserve sul fatto che verrebbe così incentivato lo sviluppo dei biocarburanti, ad oggi alquanto controverso, oltre al fatto che rimarrebbero ancora da risolvere i problemi legati alla scarsità di terreni coltivabili da destinare a questo scopo, l’impiego di ingenti risorse idriche, la minaccia nei confronti della biodiversità, la competizione con la produzione alimentare e, ultime ma non per importanza, la deforestazione e la scarsità di fosforo necessario. Probabilmente anche in questo caso si rendono necessari ulteriori approfondimenti, soprattutto nell’implementazione biotecnologica delle soluzioni a microalgae, che sembrerebbero le più promettenti, soprattutto considerando le esigue richieste in termini di spazio e risorse necessarie al loro sviluppo.

La combinazione di nanoparticelle di oro (in rosso chiaro) con np di rame (in verde) per formare nanoparticelle ibride (rosso scuro) polverizzate (in primo piano), catalizzano la riduzione del biossido di carbonio. Image credit: Zhichuan Xu

Tra le altre tecnologie emergenti dai moderni laboratori chimici, degna di nota è la soluzione proposta dal MIT, basata su un sistema di catalisi che prevede l’impiego di nanoparticelle ibride di rame e oro. Molti ricercatori hanno studiato il potenziale del rame come efficace catalizzatore per riciclare il biossido di carbonio emesso negli impianti industriali. Piuttosto che liberarlo in atmosfera, il biossido di carbonio verrebbe reinserito in un circuito chiuso e tramite un catalizzatore a base di rame, convertito successivamente in metano (CH4) o metanolo (CH3OH), potrebbe essere reimpiegato nella rimanente richiesta di energia, oppure convertito ancora in altri prodotti energetici come l’etilene (C2H4).

Purtroppo però il rame normalmente utilizzato si ossida facilmente, pertanto la velocità di reazione diminuisce repentinamente provocando effetti collaterali, come la produzione di sottoprodotti indesiderati. Secondo i ricercatori tuttavia una minima aggiunta di oro nella preparazione delle nanoparticelle di rame impiegato come catalizzatore porta ad una vantaggiosa resistenza alla corrosione e all’ossidazione che renderebbe il sistema stabile e sostenibile per l’utilizzo in ambito industriale, riducendo soprattutto l’energia necessaria per la reazione.

Schema semplificato del sistema STEP

Tra le migliori proposte, scopriamo ancora che esiste un processo recentemente perfezionato che sfrutta l’energia solare per rompere la molecola di biossido di carbonio per la produzione di energia e materie plastiche. Alla base di questo sistema noto con l’acronimo STEP (Solar Thermal Electrochemical Production), troviamo una cella elettrolitica che consiste essenzialmente in due elettrodi immersi in un elettrolita. La novità del sistema risiede nell’impiego di energia elettrica di origine fotovoltaica coadiuvata dall’energia termica fornita in parallelo (si veda ad esempio la tecnologia termofotovoltaica, già trattata in passato), in modo da rendere l’elettrolisi più efficace. Alimentando il sistema con biossido di carbonio si ottiene ossigeno e carbonio solido, o il suo monossido, più adatti a processi di sintesi per la produzione di idrocarburi e molti altri prodotti più nobili, come la plastica.

Questo è un approccio molto interessante, che attualmente purtroppo è solo ad uno stadio sperimentale, condotto principalmente presso i laboratori Sandia, che potrebbe però rivelarsi altamente competitivo. Se per esempio fosse possibile costruire i dispositivi che utilizzano la tecnologia STEP in una schiera dispersa nell’equivalente del 4% della superficie del deserto del Sahara, si potrebbero convertire 92 miliardi di tonnellate di CO2 in carbonio solido ogni anno. A questo ritmo, sarebbe possibile eliminare un decimo di tutto il biossido di carbonio rilasciato a partire dall’avvento della rivoluzione industriale ad oggi in un solo anno!

Schema semplificato del cemento STEP

Un altro impiego, che definirei collaterale, della tecnologia STEP, suggerisce un futuro dove il cemento potrebbe essere prodotto con emissioni di carbonio pari a zero. E’ noto che la produzione di materiali edili come il cemento comporta l’emissione di ingenti quantità di CO2 e la quantità di questi prodotti è in costante aumento: si stima che nel 2012 la richiesta di cemento raggiungerà la cifra record di 3859 milioni di tonnellate, essendo la principale materia prima utilizzata in edilizia, circa una tonnellata a persona ogni anno. Ogni tonnellata implica l’emissione di 750-900 kg di biossido di carbonio dei quali circa 500 kg provengono dalla seguente reazione:

CaCO3 + calore (800°C) → CaO + CO2

Il biossido di carbonio rimanente proviene dalla combustione necessaria a raggiungere la temperatura di esercizio e complessivamente sono responsabili di circa il 5-7% del totale delle emissioni. Il sistema proposto basato su questa nuova tecnologia consiste nella conversione del carbonato di calcio in ossido sfruttando la chimica dei sali fusi in modo da produrre carbonio e ossigeno evitando nel contempo la formazione di biossido di carbonio.  Ciò diminuirebbe drasticamente una grossa fetta delle emissioni creando materiali edili sostenibili aiutando notevolmente il raggiungimento di obiettivi con bilancio neutrale di carbonio, e probabilmente potrebbe essere esteso a molti processi industriali che comportano emissioni di gas serra.

E allora perché mai il titolo di questo articolo è così negativo? Perché secondo molti scienziati, l’anidride carbonica ha effetti a lungo termine unici nei confronti dei cambiamenti climatici, al punto da essere considerati in gran parte “irreversibili” addirittura per altri mille anni dopo l’azzeramento di ogni emissione. Sembrerebbe infatti che il metano e gli ossidi di azoto come gas a effetto serra non persistano nel tempo allo stesso modo del biossido di carbonio, ma verrebbero meno in periodi più brevi. Anche se le emissioni di carbonio dovessero cessare completamente quindi, le temperature atmosferiche non invertirebbero la tendenza al rialzo, nonostante tutto. Questo però non significa affatto che è sbagliato anche solo provarci, anzi. L’incertezza di tale affermazione è ancora in fase di discussione, inoltre certi dogmi, come già successo più volte in passato, potrebbero rivelarsi in parte o del tutto errati. Non dimentichiamo però che Tempus fugit, ergo Carpe Carbo Diem!

Questo articolo partecipa alla 16° edizione del carnevale della chimica, ospitato da Annarita Ruberto su Scientificando – il tema del mese è “La chimica del carbonio”.

Fonti e approfondimenti:

Can we capture all the world’s carbon emissions? by 

Hybrid copper-gold nanoparticles convert CO2 by Jennifer Chu, MIT News Office

Turning Carbon Dioxide Into Bioplastics: 2 Birds With 1 Stone? by Elizabeth Svoboda, Discover Magazine

Carbon capture and storage — new research from UKERC shows tough road ahead to realize potential by Charlotte Knight, EurekAlert

Solar-powered process could decrease carbon dioxide to pre-industrial levels in 10 years by Lisa Zyga, PhysOrg

ResearchBlogging.org

Licht, S., Wang, B., Ghosh, S., Ayub, H., Jiang, D., & Ganley, J. (2010). A New Solar Carbon Capture Process: Solar Thermal Electrochemical Photo (STEP) Carbon Capture The Journal of Physical Chemistry Letters, 1 (15), 2363-2368 DOI: 10.1021/jz100829s

Olah, G., Goeppert, A., & Prakash, G. (2009). Chemical Recycling of Carbon Dioxide to Methanol and Dimethyl Ether: From Greenhouse Gas to Renewable, Environmentally Carbon Neutral Fuels and Synthetic Hydrocarbons The Journal of Organic Chemistry, 74 (2), 487-498 DOI: 10.1021/jo801260f

Solomon, S., Plattner, G., Knutti, R., & Friedlingstein, P. (2009). Irreversible climate change due to carbon dioxide emissions Proceedings of the National Academy of Sciences, 106 (6), 1704-1709 DOI: 10.1073/pnas.0812721106

Licht, S., Wu, H., Hettige, C., Wang, B., Asercion, J., Lau, J., & Stuart, J. (2012). STEP Cement: Solar Thermal Electrochemical Production of CaO without CO2 emission Chemical Communications DOI: 10.1039/C2CC31341C

Inman, M. (2008). Carbon is forever Nature Reports Climate Change (0812), 156-158 DOI: 10.1038/climate.2008.122

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