Da tempo si sono affermati due approcci principali per la riduzione dell’impatto ambientale della CO₂, il sequestro (CCS – Carbon Capture and Storage) e il riutilizzo (CCU – Carbon Capture and Utilization).

I processi CCS sono finalizzati al confinamento della CO₂ in giacimenti esausti di combustibili fossili o nei fondali marini; la CO₂ in tal caso rimane comunque presente nel nostro pianeta ed eventuali sconvolgimenti di grande portata quali i terremoti potrebbero teoricamente portarla a risalire in superficie ridistribuendosi nell'atmosfera. Bisogna considerare inoltre che non sempre i luoghi dove si producono grandi quantità di CO₂ sono vicini a giacimenti esausti o a bacini marini di grande profondità, per cui si deve quasi sempre prevedere, oltre al processo di cattura, il trasporto dell’anidride carbonica anche su lunghe distanze, costruendo apposite reti e le infrastrutture necessarie al loro funzionamento.

I processi CCU si pongono invece l’obiettivo di riutilizzare la CO₂, togliendola dall’ambiente e convertendola in prodotti di pregio il cui valore compensa, almeno in parte, il costo d’eliminazione. Questi processi possono essere realizzati nello stesso luogo dove viene prodotta ed emessa la CO₂ senza necessità di alcun trasporto.

La CO₂ non è quindi solo un prodotto di scarto, contenuto in un refluo gassoso, ma può essere un prezioso intermedio che attraverso un’adeguata conversione chimica può dar luogo a prodotti che possono essere direttamente immessi sul mercato o che possono essere utili ad altri processi industriali. In molti casi i processi CCU prevedono una purificazione del refluo contenente l’anidride carbonica e il successivo utilizzo della CO₂ per produrre un gas di sintesi (o syngas), miscela ricca in idrogeno e monossido di carbonio, che viene già ampiamente utilizzata in vari processi industriali. In funzione dell’utilizzo del syngas, risulta importante controllare la purezza e la composizione della miscela che si produce, facendo fronte anche a problemi quali la formazione di sottoprodotti indesiderati che possono inquinare il processo e che ne possono abbassare l’efficienza.  

Chiaramente, se il processo di cattura, purificazione e conversione della CO₂ che si sviluppa e realizza è molto articolato, con molti passaggi e apparecchiature, il costo e la complessità di queste operazioni rendono difficile l’integrazione del processo CCU con i processi industriali esistenti. Per questo motivo si è studiato ed è stato sviluppato un processo flessibile, il CO₂-free process, che può essere impiegato con reflui contenenti CO₂ con caratteristiche di purezza variabili, provenienti quindi da diversi tipi di emissioni industriali.

La flessibilità operativa del CO₂-free process consente di regolare la produzione e qualità del syngas in funzione sia delle caratteristiche della corrente contenente CO₂ che deve essere riciclata e convertita sia in funzione delle specifiche di composizione e purezza del syngas richieste dai processi industriali a cui può essere destinato, quali ad esempio processi siderurgici di riduzione di minerali, sintesi di metanolo, sintesi di dimetil-etere (DME), processi Fischer-Tropsch (FT) per la produzione di combustibili e/o olii sintetici o produzione di altri intermedi dell’industria chimica e dei polimeri.

Per questi motivi, il CO₂-free process si inserisce in uno dei più interessanti e attuali filoni di ricerca tecnologica e di attività di contrasto all’aumento delle emissioni di CO₂, ossia tra i processi CCU, e nel contempo permette di continuare ad usare il metano in maniera ecosostenibile, trasformando due componenti importanti dei gas a effetto serra, CO₂ e CH4, da problema ambientale a risorsa sostenibile in processi industriali potenzialmente “Carbon Neutral”.

Le principali condizioni di funzionamento del CO₂-free process, in particolare la temperatura e la pressione, possono essere selezionate in base alle caratteristiche del refluo in cui è contenuta la CO₂ da convertire e al tipo di gas di sintesi che è richiesto dai processi industriali successivi; è quindi possibile individuare delle condizioni che permettono di regolare il quantitativo di idrogeno presente nel syngas, minimizzando la formazione di sottoprodotti e controllando i problemi che comunemente affliggono i processi per la produzione di gas di sintesi.

La conversione chimica della CO₂, che il CO₂-free process effettua in presenza di metano (o di gas naturale, biogas, ecc), non è spontanea ma richiede temperature superiori a 850°C e, di conseguenza, ha bisogno di un apporto esterno di energia; a questo scopo, mantenendo l’obiettivo d’individuare un processo flessibile e con bassa impronta ambientale, l’energia necessaria a sostenere il CO₂-free process può essere ottenuta parzialmente o completamente da fonti rinnovabili, ad esempio da impianti eolici o fotovoltaici.

Il CO₂-free process è stato oggetto di accurate verifiche di fattibilità chimica e cinetica, inclusi bilanci materiali ed energetici. In particolare, per l’analisi modellistica è stato utilizzato uno schema cinetico dettagliato in grado di descrivere pirolisi, gassificazione e combustione di diversi prodotti e materiali gassosi, che considera circa 300 specie chimiche e più di 16000 reazioni; le simulazioni sono state condotte con il software “Opensmoke” sviluppato presso il Politecnico di Milano. I positivi risultati ottenuti hanno portato alla concessione di diversi brevetti in Nord America (ad esempio US10351423B2) e in Europa (EP3303217B1).

Il processo sviluppato può essere integrato efficacemente in diversi processi industriali. A titolo d’esempio, mediante uno studio modellistico si è considerata la possibilità di applicare il CO₂-free process all’interno del processo di riduzione diretta dei minerali ferrosi (DRI), in sostituzione parziale o completa dei processi di reforming di idrocarburi attualmente presenti. All’interno dell’impianto per la produzione di ferro ridotto, l’apparecchiatura più critica in termini di emissioni di CO₂ è il forno per la riduzione diretta poiché in questa apparecchiatura entra del syngas e della grafite/carbonio per ridurre il minerale ferroso a ferro e formare una lega tra ferro e carbonio; da questo processo esce in continuo una notevole portata di fumi contenenti del syngas e del metano non reagito, vapore acqueo e CO₂ (dal 10 al 15% circa in volume a seconda del forno e del processo). Si è valutata quindi la possibilità di utilizzare direttamente questi fumi, unitamente a del metano, come reagenti del CO₂-free process secondo lo schema riportato in Figura 1, allo scopo di produrre del nuovo syngas, ricco in H2 e con elevata capacità riducente da riutilizzare nel processo di riduzione diretta. Qui di seguito si riportano i principali risultati ottenuti mediante il modello provando ad applicare il CO₂-free process ad una corrente ricca di CO₂ con una composizione tipica dei fumi uscenti dal forno di riduzione diretta.

Le simulazioni eseguite hanno permesso di confermare la fattibilità cinetica del CO₂-free process applicato ai flussi di gas uscenti dal forno di riduzione diretta, evidenziando anche le condizioni operative più adatte (in particolare, temperatura del processo e portata di gas naturale) per avere un basso contenuto di CO₂ e H₂O all’interno del syngas prodotto. Come condizioni di ottimo sono state considerate una concentrazione di CO₂ residua <1 %vol e di H₂O residua inferiore a 4-5 %vol. Una prima analisi è stata quindi condotta per valutare l’effetto di diverse temperature operative sull’andamento del processo di produzione del syngas; nei grafici seguenti sono riassunti i principali risultati ottenuti (Figura 2). Laddove possibile, nei grafici, i risultati del processo (linee continue) sono stati posti a confronto con i risultati ottenibili ipotizzando invece il raggiungimento di condizioni di completo equilibro chimico (linee tratteggiate).

Dall’analisi dei risultati emerge il fatto che al crescere della temperatura di processo cresce rapidamente la conversione di metano, acqua e CO₂ inviati al processo di reforming attuato dal CO₂-free process; ciò permette la produzione di un syngas di buona qualità, con elevato rapporto riducenti/ossidanti e avente un ridottissimo contenuto di nerofumo residuo. Come tale, il syngas prodotto potrebbe essere inviato direttamente al processo di riduzione diretta, senza necessità di interventi di disidratazione e di rimozione dei residui carboniosi. Nel caso specifico considerato, questa condizione può essere raggiunta per temperature del processo di reforming prossime ai 1150°C. 

Si è notato come, indipendentemente dalla composizione della corrente uscente dal reattore di riduzione diretta, il CO₂-free process sia in grado di garantire un’elevata flessibilità, portando in ogni caso alla produzione di un syngas di elevata qualità; si sottolinea in particolare la capacità del processo di convertire in modo efficace la maggior parte della CO₂ e del vapore acqueo uscenti direttamente dal trattamento di riduzione diretta, evitando così la necessità sia di raffreddare queste correnti per condensare parte dell’acqua che di utilizzare un processo di separazione/sequestro di CO₂ all’interno dell’intero ciclo produttivo dell’impianto di riduzione. In prospettiva, ciò implica la possibilità di operare una semplificazione del ciclo produttivo del DRI, con una riduzione delle unità operative presenti nell’intero impianto e soprattutto la possibilità di avere notevoli benefici ambientali derivanti dalla sostanziale eliminazione delle emissioni di CO₂ in atmosfera. La potenziale riduzione dei costi di investimento e di esercizio derivante dall’eliminazione di alcune unità operative attualmente presenti (tra cui l’unità di separazione/sequestro di CO₂ mediante ammine) negli impianti DRI potrebbe quindi compensare l’incremento di costi legato all’impiego di un reformer che deve operare a temperature più elevate rispetto ai processi tradizionali.

Si è inoltre valutata la possibilità di utilizzare la sola corrente costituita da CO₂ ad elevata purezza ottenibile da un trattamento convenzionale con ammine applicato ai fumi prodotti da un impianto industriale, come può essere l’impianto DRI tradizionale. A questa corrente è stato applicato il CO₂-free process e si è stimato di inviare il syngas prodotto ad un comune processo catalitico per la produzione di metanolo (CH₃OH), prodotto di largo consumo in ambito industriale e ottimo vettore e sistema d’accumulo d’energia (l’Italia è il quinto consumatore al modo di metanolo ma non ha, al momento, strutture per la sua produzione sul territorio nazionale). In Figura 3 è riportato un esempio di utilizzo di un processo integrato che comprende CO₂-free process e successiva sintesi del metanolo per convertire le emissioni di CO₂ di un impianto DR in metanolo liquido ad elevata purezza.

Sulla base di diversi dati di letteratura riguardanti varie tipologie di soluzioni per la cattura, lo stoccaggio e/o la conversione della CO2, proveniente da diverse fonti industriali, è stato possibile fare un confronto economico preliminare relativo alle varie tecnologie; in questa stima si è valutato l’intervallo di costi per trattare la CO2, esprimendola in dollari per tonnellata di CO₂ sequestrata o convertita (USD/t CO2). In particolare, il costo del CO₂-free process è stato confrontato sia con quello di altri processi CCU sia con diversi tipi di processi CCS, di cattura e sequestro della CO₂ (tra questi anche le tecnologie DAC - Direct Air Capture, di cattura diretta della CO₂ dall’aria e non da fonti industriali, e BECCS – BioEnergy with Carbon Capture and Storage, in cui una parte della CO₂ viene catturata e sequestrata in depositi geologici e una parte, emessa in atmosfera, viene convertita da piante o vegetazione attraverso i processi di fotosintesi clorofilliana). Come si può notare dai risultati riportati in Figura 4, le stime presentano una certa variabilità, che può dipendere in modo marcato dal tenore di CO₂ che è contenuto all’interno della corrente gassosa che viene inviata al processo CCS o CCU; per questo motivo la cattura diretta dall’aria, in cui la CO₂ è contenuta in percentuale molto modesta, risulta molto costosa se confrontata con processi che possono lavorare con correnti gassose in cui la CO₂ ha un tenore più elevato (ad es. maggiori del 10% come accade per i fumi emessi da diversi processi industriali). D’altro canto, il confronto evidenzia come i costi del CO₂-free process si collochino in una fascia che è confrontabile con i costi di altre tecnologie, con il vantaggio di promuovere un riutilizzo sostenibile della CO₂, limitando il consumo di altri materiali per creare nuovi prodotti d’interesse per l’industria e per il mercato.

Il CO₂-free process è un processo nuovo che utilizza un refluo contenente CO2, di qualsiasi provenienza, spesso senza neppure la necessità di essere depurata, a cui viene addizionato del metano, ad alta temperatura, per produrre una miscela di gas di sintesi (principalmente CO e H₂) che può essere poi utilizzata direttamente, ad esempio in processi siderurgici, o per la sintesi di prodotti di grande utilità quali metanolo, etanolo, combustibili green e altri derivati.

In sintesi, i lavori inerenti il CO₂-free process svolti hanno evidenziato una notevole flessibilità di utilizzo di questo processo che:

Professore Associato presso il Politecnico di Milano (settore scientifico: Principi d’Ingegneria Chimica). Coordinatore del Consiglio di Corso di Studi di Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano. Svolge attività di ricerca su processi di combustione innovativi, trattamento di emissioni e reflui, sicurezza industriale e dei trasporti, sicurezza antincendio.