Misurazione dei processi critici per la CCS: Parte prima

Introduzione ai processi di cattura del carbonio

Processo di cattura e stoccaggio del carbonio

Ogni tonnellata di anidride carbonica (CO₂) catturata e immagazzinata dai processi industriali è un passo avanti verso la mitigazione degli effetti del cambiamento climatico. Un aspetto critico dei progetti di essiccazione, trasporto e sequestro è la misurazione accurata e continua delle variabili di processo quali purezza, contenuto di ossigeno (O₂) e livelli di umidità. A tal fine vengono utilizzati strumenti analitici online avanzati quali gascromatografi (GC), analizzatori di ossigeno e analizzatori di umidità. Questi strumenti offrono numerosi vantaggi in termini di processo, sicurezza ed economia che migliorano l'efficienza e l'affidabilità dei progetti di sequestro della CO₂. (Per ulteriori informazioni su questi strumenti, consultare la seconda parte di questa serie).

Le iniziative governative a livello mondiale su processi come la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS), la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio del carbonio (CCUS) e la bioenergia abbinata alla cattura e allo stoccaggio del carbonio (BECCS) possono svolgere un ruolo importante e diversificato nel raggiungimento degli obiettivi energetici e climatici globali. Esse stanno stimolando la necessità di applicare strumenti analitici che contribuiscano a mantenere la qualità e la sicurezza di questi progetti.

Panoramica del processo

Il CCUS si riferisce a una serie di processi che comportano la cattura di CO₂ da importanti fonti industriali, come gli impianti petrolchimici o di produzione di energia elettrica, utilizzando combustibili fossili o biomasse. La CO₂ catturata viene tipicamente trattata, compressa e trasportata per essere utilizzata nell'industria a valle o iniettata in formazioni geologiche esistenti, come giacimenti di petrolio e gas esauriti, che la immagazzineranno in modo permanente.

Il BECCS è una serie di processi tipicamente impiegati dalle bioraffinerie per decarbonizzare il loro processo industriale di biomassa e comporta la cattura e lo stoccaggio permanente della CO₂ dagli impianti. Un esempio primario di questo processo è la conversione di materie prime come il mais in etanolo ad alta efficienza. Colture come il mais assorbono CO₂ durante la loro crescita e questo è quindi un metodo diretto per rimuoverla dall'atmosfera.

Essiccazione della CO₂

La CO2 può essere catturata da una varietà di processi industriali, ciascuno dei quali può potenzialmente introdurre una serie di contaminanti che possono influire sulla qualità, la sicurezza e l'efficienza delle operazioni a valle. I contaminanti possono includere:

idrocarburi provenienti dalla raffinazione del petrolio

zolfo proveniente dai gas di combustione

ammine provenienti dalla strippatura del gas

umidità proveniente dalle operazioni di processo e trasporto

I contaminanti come l'umidità possono creare una serie di problemi. Il vapore acqueo può condensarsi in liquido, congelarsi in ghiaccio e reagire con il CO₂ e i composti solforati formando acidi aggressivi.   Ciò può causare la corrosione delle superfici metalliche, l'ostruzione delle tubazioni e il danneggiamento delle parti mobili, come le pale dei compressori ad alta velocità.

Negli Stati Uniti, la maggior parte della produzione di bioetanolo avviene tramite un processo di “macinazione a secco”, in cui il grano viene macinato e “mescolato” con acqua. Seguono poi processi quali la fermentazione (compresa la rimozione della CO2), distillazione e disidratazione per produrre etanolo ad alta purezza.

In Europa, il bioetanolo è prodotto principalmente da materie prime quali grano, mais e barbabietola da zucchero, utilizzando processi di fermentazione “a umido” simili. Nel frattempo, in Brasile, la produzione di bioetanolo si basa prevalentemente sulla canna da zucchero come materia prima primaria, utilizzando un metodo distinto noto come processo di macinazione della canna da zucchero. Questo processo prevede la frantumazione della canna per estrarne il succo, che viene poi fermentato e distillato in etanolo. La dipendenza del Brasile dalla canna da zucchero gli conferisce un bilancio energetico più efficiente grazie all'utilizzo della bagassa (il residuo fibroso) come fonte di energia nel processo di distillazione.

In Messico, la produzione di bioetanolo è in aumento, con il mais e la canna da zucchero come materie prime principali, anche se l'industria è ancora in fase di sviluppo rispetto al Brasile e agli Stati Uniti. In tutte le regioni, il CO₂ rimosso durante la fermentazione è tipicamente saturo di umidità e deve essere essiccato come parte del processo di lavorazione per il trasporto o lo stoccaggio.

La norma europea per la purezza della CO₂ (ISO 27913) specifica tipicamente livelli di umidità inferiori a 500 ppmV, ma molti progetti CCS mirano a livelli molto più bassi. Il contenuto massimo di umidità consentito varia a seconda del progetto, con valori nominali di processo di circa 20 ppmV in condizioni di funzionamento normale, ma in genere i punti di allarme elevati sono compresi tra 70 e 120 ppmV.

Il processo di disidratazione rimuove l'umidità dalla CO₂ per evitare danni alle apparecchiature a valle e mitigare la corrosione delle tubazioni e la formazione di idrati durante il trasporto. Ciò si ottiene in genere utilizzando essiccanti o metodi di refrigerazione. Queste apparecchiature sono tuttavia ad alto consumo energetico, pertanto la misurazione del punto di rugiada dell'umidità diventa una tecnica importante sia per garantire un'efficienza energetica ottimale sia per proteggere le apparecchiature e le tubazioni dalla corrosione.

Trasporto e stoccaggio della CO₂

Una volta essiccato, il CO₂ viene trasportato attraverso condutture o via nave al sito di sequestro. Il mantenimento del CO₂ in uno stato supercritico (alta pressione e temperatura) migliora l'efficienza del trasporto.

Nel sito di sequestro, la CO₂ viene iniettata in formazioni geologiche quali giacimenti petroliferi esauriti, acquiferi salini o formazioni basaltiche. Garantire la purezza della CO₂ e monitorare la presenza di sostanze inquinanti è fondamentale per prevenire la contaminazione ambientale e garantire l'integrità dello stoccaggio a lungo termine.

Riepilogo

L'implementazione di gascromatografi online e analizzatori di ossigeno e umidità nei progetti di essiccazione, trasporto e sequestro della CO2 offre notevoli vantaggi in termini di processo, sicurezza ed economia. Questi strumenti forniscono un monitoraggio e un controllo continui e in tempo reale, garantendo che la CO₂ rimanga entro i livelli ottimali di purezza e entro le specifiche relative al contenuto di O₂ e umidità. Ciò non solo migliora l'efficienza e la qualità del processo, ma garantisce anche la sicurezza e la longevità delle infrastrutture, riduce i costi di manutenzione e assicura la conformità alle normative. Integrando questi strumenti analitici avanzati, i progetti di sequestro della CO2 possono raggiungere livelli più elevati di affidabilità, sicurezza e redditività economica, contribuendo in modo efficace agli sforzi di mitigazione dei cambiamenti climatici.

Nella seconda parte esamineremo più in dettaglio le tecniche analitiche utilizzate per verificare la purezza della CO₂ catturata, rilevare i contaminanti e prevenire attività corrosive o pericolose.