Nell’ambito del sottoprogetto “Mitigazione emissioni di CO 2 nella generazione di energia elettrica” (GEN 21CO2) facente parte del progetto "Una generazione sostenibile di energia elettrica per il XXI secolo" (GEN 21) si è ritenuto interessante, per il completamento degli studi svolti in precedenza nell’ambito della Ricerca di Sistema, acquisire lo stato dell’arte sui processi di cattura della CO 2 dalle correnti gassose emesse dagli impianti di produzione di energia e avviare un’attività sperimentale in collaborazione con il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Genova finalizzata alla valutazione dell’applicabilità delle membrane contactors. Viene evidenziata l’importanza del controllo delle emissioni di CO 2 prodotte dallo svolgimento delle attività antropogeniche che secondo una stima nel 2003 sono state di 9 24 10´ tonnellate, di cui solo una parte viene assorbita dagli oceani e fissata dalle piante, e si ricorda che attualmente la sua concentrazione nell’atmosfera ha raggiunto il valore di 379 ppm e ha indicativamente una velocità di crescita 1> ppm/anno. È quindi essenziale evitare che un aumento anche modesto dell’inquinamento atmosferico abbia delle ripercussioni negative sulla salute e sul benessere degli uomini poiché secondo l’opinione dell’IPCC l’incremento della concentrazione dei gas ad effetto serra provoca un innalzamento del valore medio della temperatura superficiale della terra. D’altra parte se non si ridimensiona l’impiego dei combustibili fossili la concentrazione della CO 2 potrebbe raggiungere nel 2025 il valore di 500 ppm. In ogni caso per rimanere al di sotto del limite precedente l’emissione globale dell’anidride carbonica deve risultare 9 26 10£ ´ t/anno, mentre con il ritmo attuale di crescita si stima che nel 2010 la quantità di CO 2 rilasciata nell’atmosfera dovrebbe oscillare tra 9 28 10£´ e 9 31 10£ ´ t. È stato sottolineato che la predisposizione di misure efficaci al contenimento delle emissioni di CO 2 richiede la disponibilità di dati attendibili e la localizzazione delle zone dove il problema è più marcato come conseguenza della loro industrializzazione. I dati diffusi dall’IEA GHG ottenuti con un censimento mirato e relativi al 2002 evidenziano infatti che gli impianti di potenza sono responsabili del 54% delle emissioni globali, mentre tra i gas ad effetto serra la CO 2 ha un peso del 63%. Le strategie più idonee alla riduzione dell’inquinamento atmosferico possono essere formulate tenendo presente l’identità di Kaya che mette in risalto come la stabilizzazione del valore della concentrazione della CO 2 nell’atmosfera possa essere ottenuta senza incidere sullo standard di vita sviluppando delle tecnologie appropriate di cattura e conservazione. Il programma CATO, che si svolge in Olanda, si propone, ad esempio, di fornire un contributo costruttivo alla loro definizione anche attraverso lo studio di modelli di simulazione della domanda e della fornitura di energia. Dal punto di vista impiantistico va invece segnalato lo sforzo in corso negli USA con il coordinamento del DoE per lo sviluppo di caldaie innovative del tipo oxyfuel dove la separazione dell’ossigeno dall’aria viene ottenuta con l’impiego delle membrane OTM.

In merito alla cattura e al sequestro della CO 2 dalle emissioni gassose degli impianti di potenza sono state esposte sinteticamente le tecnologie più significative e sono state indicate alcune applicazioni commerciali. È stato inoltre trattato concisamente il problema della immissione della CO 2 catturata nelle formazioni geologiche, citando l’applicazione nella piattaforma norvegese Sleiper West dove viene purificato il gas naturale mediante lavaggio con una soluzione acquosa di MDEA, e negli oceani. Nell’ultimo caso si è cercato di evidenziare l’importanza della profondità di immissione sulla durata del periodo di conservazione e sulla formazione di anidride carbonica liquida e dei clatrati solidi CO 2 ⋅nH 2 O con 6 8.n<< Si è ritenuto anche interessante richiamare brevemente il problema degli oneri economici associati alla cattura e al sequestro della CO 2 mettendo in risalto che l’IEA GHG per favorire l’omogeneità dei dati ha fissato un impianto di riferimento della potenza elettrica di 500 MW che opera in condizioni di carico di base. Per illustrare l’incidenza delle diverse voci del costo globale sono stati citati i risultati salienti di uno studio ecomonico, patrocinato dal DoE, che ha considerato gli impianti di potenza PC/FGD e IGCC della taglia di 500 MW elettrici e le tecnologie del lavaggio dei fumi con soluzioni di ammine e dell’adsorbimento fisico. L’esempio citato mostra che la fase della cattura e della compressione costituisce la parte più onerosa di un sistema di sequestro. Si è giudicato utile fornire delle considerazioni generali sulle membrane ed esaminare le caratteristiche essenziali delle membrane contactors che hanno la funzione di promuovere il contatto tra due fasi per agevolare il trasferimento di massa in assenza di miscelamento. Le membrane contactors, che sono costituite da un numero elevato di fibre cave, microporose e idrofobe, sono caratterizzate da un’area specifica più elevata di quella che raggiunge con i contattori tradizionali. Il grado di idrofobicità di una membrana è da mettere in relazione con il valore della pressione di permeazione che dipende dalla tensione superficiale del solvente e dall’angolo di contatto. Nel caso dell’assorbimento dei gas l’idrofobicità della membrana deve essere tale da assicurare la separazione della fase gassosa da quella liquida per tutta la durata del processo e il solvente non deve modificare le sue caratteristiche fisiche. Sono state indicate alcune applicazioni industriali significative delle membrane contactors con particolare riferimento alla rimozione dell’ossigeno e della CO 2 dall’acqua di elevata purezza. L’impiego delle membrane per la degassificazione è un modo molto valido per trattare l’acqua di alimento del generatore di vapore di un impianto termoelettrico perché consente di abbassare considerevolmente il tenore dell’ossigeno disciolto e di ridurre i costi operativi. Per completezza sono state anche riportate alcune considerazioni sulla disponibilità di moduli commerciali. Sono stati forniti i concetti essenziali sull’assorbimento della CO 2 in soluzioni acquose contenenti sali di acidi amminici o alcanolammine, indicando in quest’ultimo caso lo schema più probabile che spiega la sua fissazione al gruppo funzionale. È stato inoltre osservato che le alcanolammine possono essere ripartite nei tre gruppi i cui membri sono le ammine primarie (MEA, DGA), secondarie (DEA, MMEA) e terziarie (TEA, DMMEA), anche se la MEA rappresenta attualmente il composto più utilizzato per la sua economicità e per l’efficienza teorica. Le soluzioni acquose, impiegate per l’assorbimento dei gas acidi, hanno un contenuto di MEA variabile tra il 15 e il 25% in peso, anche se in qualche caso è stata raggiunta la concentrazione del

30% per rimuovere una quantità di CO 2 compresa tra l’80 e il 90%. Le soluzioni di MEA sono corrosive e richiedono quindi l’impiego di inibitori di corrosione. La cattura della CO 2 avviene mantenendo indicativamente il solvente ad una temperatura con valori 40£ °C, mentre la sua rigenerazione avviene riscaldandolo sopra i 90 °C. Nel caso specifico dei fumi degli impianti di produzione di energia elettrica il processo di cattura viene ottimizzato mantenendo il reboiler a 120 °C mediante l’impiego di vapore a bassa pressione e a 150 °C. L’insieme delle operazioni necessarie per la cattura e il sequestro della CO 2 comporta una perdita di efficienza dell’impianto che è indicativamente compresa tra il 6 e il 14%. È stato illustrato il confronto tra diverse modalità di assorbimento della CO 2 in soluzioni di MEA. I dati sperimentali sono stati prodotti utilizzando il reattore a colonna DX della Sultzer e due moduli di membrane contactors aventi rispettivamente le fibre di teflon e di polipropilene e eserciti in controcorrente. L’andamento della grandezza GV ka in funzione della velocità di flusso del gas inerte evidenzia la superiorità delle membrane contactors rispetto alla colonna tradizionale. In ogni caso si deve precisare che le membrane di PTFE sono risultate più efficienti di quelle di polipropilene che hanno la tendenza a bagnarsi. Questo aspetto negativo delle membrane di polipropilene è stato confermato effettuando delle prove con soluzioni acquose di AMP. In questo caso ai fini pratici l’efficienza del modulo di membrane contactors non si differenzia da quella del reattore a colonna, mentre le membrane di teflon mantengono la loro superiorità. Le prove eseguite utilizzando una sola fibra cava hanno consentito di stabilire che il comportamento delle fibre di polipropilene è invece molto soddisfacente quando come solvente vengono utilizzate delle soluzioni alcaline di taurato di potassio. È stato inoltre documentato che nel caso delle membrane di polipropilene e di soluzioni di MEA, NaOH e DEA il grado di cattura della CO 2 segue l’ordine MEA NaOH DEA>> che evidenzia come il primo solvente sia tra i più efficienti.