Verso una nuova energia

Il Gruppo Sapio sviluppa e applica, miglioramenti tecnologici ed energetici nella produzione primaria e secondaria e nella distribuzione dei gas tecnici e delle tecnologie per il loro utilizzo. Nell’ambito della power generation l’innovazione tecnologica riguarda in particolare lo sviluppo e la messa a punto di soluzioni con combustione ad ossigeno puro, nonché di innovativi sistemi on site per l’autoproduzione di ossigeno. La power generation, essendo il settore ritenuto maggiormente responsabile delle emissioni di CO2 in atmosfera, è sottoposta a pressanti esigenze di salvaguardia ambientale e di competitività industriale.

I cambiamenti climatici e il global warming, con ripercussioni sull’intero ecosistema, rappresentano infatti un problema importante, sia in termini di grandezza che di probabilità, riconosciuto ormai quasi all’unanimità dalla comunità scientifica internazionale. I gas serra, CO2 in primis, responsabili di tali fenomeni minacciano non solo la salute e il benessere pubblici ma anche la sicurezza nazionale (es. migrazioni da aree destabilizzate per mancanza di risorse naturali verso aree stabilizzate). Il cosiddetto pacchetto Clima-Energia 20/20/20 approvato dalla Commissione Europea, con una serie di proposte integrate per la lotta ai cambiamenti climatici, rappresenta il tentativo dell’Europa di arrivare ad un accordo vincolante internazionale Post Kyoto superando quelli fissati dal protocollo di Kyoto stesso, mai ratificati da alcuni stati chiave quali gli Stati Uniti e i principali paesi emergenti.

Esso individua tre aree di intervento da raggiungere entro il 2020: aumento del 20% rispetto al 1990 dell’Efficienza Energetica per uso e produzione; 20% di energia consumata proveniente da fonti rinnovabili; riduzione del 20% delle emissioni di gas serra prodotte da attività industriali con impiego pulito delle fonti fossili. Perché tali obiettivi politici si traducano in risultati concreti, il settore energetico, ha oggi la necessità di sviluppare nuove e più efficienti soluzioni per proseguire la lotta al surriscaldamento globale.

Relativamente a quest’ultimo punto, e con specifico riguardo al carbone, di gran lunga la fonte fossile con riserve mondiali più elevate, utilizzando un interessante studio eseguito dall’ENEA, è possibile disegnare una road map (fig. 1) che individua la progressiva affermazione nel tempo di nuove tecnologie pulite, denominate Clean Coal Technology (CCT), per la produzione di energia elettrica dal carbone sulle quali poter attuare la CCS (acronimo di Carbon Capture and Storage) ovvero la cattura e il succes - sivo confinamento della CO2 nel sottosuolo.



La road map individua come tecnologie più promettenti, per arrivare all’obiettivo di lungo periodo di “emissioni zero” quelle ad ossicombustione con la messa a punto, nel decennio in corso, di impianti dimostrativi. Cerchiamo allora di capire meglio che cos’è l’ossicombustione, impiegata ormai da decenni, in molti settori quali acciaio, ghisa, vetro, alluminio, cemento, ambiti industriali nei quali Sapio vanta un’esperienza molto consolidata. La combustione è, per definizione, una reazione chimica tra una specie riducente (combustibile) e una ossidante (comburente), che in genere è l’ossigeno contenuto nell’aria, ma più in generale può essere qualsiasi composto chimico con forte potere ossidante (cloro, fluoro,...).

L’aria, come noto, contiene in volume il 20,9% di ossigeno, quasi il 79% di azoto ed una piccola percentuale di argon (cui si devono aggiungere differenti altri elementi presenti in traccia): da un punto di vista chimico, l’azoto non partecipa alla reazione di combustione. Al contrario, dal punto di vista termodinamico, la presenza di azoto è molto importante: parte dell’energia chimica rilasciata durante la reazione viene assorbita dalle molecole di azoto e fuoriesce dalla camera di combustione come fumo caldo. Dal punto di vista produttivo, tale quantitativo di energia è perso mentre l’energia disponibile per il processo, generalmente chiamata “calore disponibile”, risulta ridotta. L’ossicombustione è una reazione chimica di ossidazione dove l’ossidante utilizzato è l’ossigeno puro. In questo modo, l’assenza dell’azoto significa maggiore energia disponibile per il processo.

Ma esistono molti altri effetti derivanti dall’assenza dell’azoto nella reazione di ossicombustione: aumento dell’efficienza energetica, riduzione delle emissioni di NOx; sensibile riduzione dei volumi dei fumi da trattare a valle del processo di combustione; riduzione delle emissioni di particolato e di incombusti; riduzione delle emissioni di CO2, legata all’aumento dell’efficienza energetica. Non solo.



Come si evidenzia nello schema di figura 2, nel caso di una nuova centrale termoelettrica alimentata a carbone, l’ossicombustione, utilizzata per esempio con la tecnica del ricircolo dei gas di combustione, producendo in ultima analisi come prodotti della reazione, solo CO2 e vapor acqueo, consente, attraverso tecnologie assolutamente consolidate, una facile separazione e cattura della CO2 stessa. In questi casi l’ossicombustione rappresenta di fatto una soluzione Clean Coal Technology alla quale abbinare, in maniera vantaggiosa, la Carbon Capture and Storage con conseguente raggiungimento dell’obiettivo di emissioni zero. Lo sviluppo della CCS, ponendo parecchi interrogativi legati per esempio ai costi d’esercizio e di investimento, più elevati rispetto alle convenzionali tecnologie di produzione di energia elettrica senza la cattura e il confinamento della CO2, comporta un impegno condiviso di tutti gli attori coinvolti – politica, industria, banche, mondo della ricerca – per colmare gli attuali gap di tipo tecnologico e commerciale ma anche e soprattutto di tipo regolamentare, di consenso pubblico e di accettabilità sociale.

Per quanto concerne gli aspetti tecnologici legati alla CCS l’impegno del Gruppo Sapio, insieme ad Air Products, proprio partner in Italia, è quello di fornire un concreto contributo allo sviluppo e alla messa a punto di tecnologie di combustione di tipo oxycoal e di innovativi sistemi di autoproduzione di ossigeno, “materia prima” pregiata per produrre energia elettrica da fonti fossili con limitato impatto ambientale (zero emissioni).



La produzione di commodity, per sua stessa natura, tende ad essere basata su tecnologie mature che migliorano solo molto lentamente nel tempo. Nel caso dell’ossigeno, uno dei prodotti chimici più diffusi al mondo in volume, c’è la straordinaria opportunità di ottenere una sostanziale riduzione dei costi di produzione. Una rivoluzionaria quanto innovativa tecnologia di separazione dell’aria – ITM Oxygen, Ion Transport Membrane Oxygen – basata su membrane ceramiche che trasportano selettivamente gli ioni ossigeno quando sono portate a lavorare ad elevate temperature, rappresenta una via potenzialmente interessante per ridurre i costi di produzione dell’ossigeno del 30% rispetto alle più consolidate tecnologie di distillazione criogenica.

Il partner di Sapio, Air Products, ha avviato da tempo negli Stati Uniti un programma per lo sviluppo di questa innovativa tecnologia che consiste innanzitutto nel selezionare una classe di materiali ceramici ad elevato passaggio di flusso e selettivi verso l’ossigeno.

Questi materiali attraverso un processo elettrochimico ad alte temperature separano l’ossigeno dall’aria: l’ossigeno contenuto nell’aria è ionizzato sulla superficie della membrana e come ione diffonde attraverso la membrana stessa ossigeno, formando nuovamente molecole di ossigeno sull’altro lato della membrana. Impurità, soprattutto azoto, viene invece rigettata dalla membrana. Il sistema, come illustrato in figura 3 (wafer stack), produce in questo modo un flusso di ossigeno caldo di ottima purezza e un off-stream ad elevata purezza, caldo e in pressione, da cui può essere estratta molta energia integrandosi in maniera assolutamente sinergica con i cicli IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) o con quelli ad ossicombustione della power generation.

I vantaggi della tecnologia ITM Oxygen si possono riassumere come segue: singolo stadio di separazione dell’aria, elevata purezza dell’ossigeno prodotto, basso salto di pressione sul lato alta pressione della membrana, processo ad alta temperatura con forti sinergie per la power generation (cicli IGCC e Oxy-CCT) e il Waste to Energy, bassi CAPEX e OPEX rispetto alle tecnologie ASU (Air Separation Unit), miglioramento sostanziale del bilancio energetico della tecnologia ad ossicombustione per la produzione di energia elettrica.

In figura 4 è rappresentato il prototipo del vessel contenente diverse unità base della tecnologia ITM (wafer stack) sul quale sviluppare e ingegnerizzare l’unita su scala industriale.