Il ruolo della cattura del carbonio e dello stoccaggio nelle operazioni di centrali elettriche del carbone

Le centrali a carbone hanno fornito una parte sostanziale dell'elettricità globale per più di un secolo. Nonostante la loro affidabilità e la densità energetica, queste strutture sono tra le più grandi fonti di anidride carbonica (CO2), un driver primario del cambiamento climatico antropogenico. Come le nazioni si sforzano di soddisfare gli obiettivi di emissioni nette zero, la domanda non è se continuare a utilizzare il carbone, ma come mitigare il suo impatto ambientale, garantendo al contempo la sicurezza energetica durante la transizione.

Comprensione della capacità e dello stoccaggio del carbonio (CCS)

CCS è una suite di tecnologie progettate per catturare CO2 da fonti di punto industriale prima di entrare nell'atmosfera, comprimere e trasportarlo, e poi iniettarlo in profonde formazioni geologiche per lo stoccaggio permanente. Il concetto non è nuovo: l'industria del petrolio e del gas ha iniettato CO2 in serbatoi per il recupero del petrolio migliorato (EOR) dal 1970. Tuttavia, l'applicazione alla generazione di energia su una scala commerciale è più recente.

Tecnologie di cattura

Il passo di cattura è la fase più intensa e costosa del CCS. Tre metodi primari sono schierati o in fase di sviluppo:

  • cattura della combustione[[]: Dopo aver bruciato il carbone, il gas di combustione viene trattato con un solvente chimico – aminesticamente – che assorbe CO2. Il solvente viene poi riscaldato per rilasciare un flusso di CO2 concentrato. Questo metodo può essere riadattato alle piante esistenti senza modifiche importanti al sistema di combustione.
  • Pre-combustion capture[[]: Il carbone è gassoso per produrre gas di sintesi (syngas), una miscela di idrogeno e monossido di carbonio. Il monossido di carbonio è reagito con vapore per produrre CO2 e più idrogeno. Il CO2 viene quindi separato prima della combustione dell'idrogeno.
  • Combustione da ossigeno [[]: Il carbone viene bruciato in una miscela di ossigeno puro e gas di combustione riciclato, producendo un gas di combustione che è per lo più CO2 e vapore acqueo. L'acqua è condensata, lasciando un flusso di CO2 altamente concentrato pronto per la compressione.

Ogni tecnica ha i trade-off in pena di energia, costo di capitale e maturità. La post-combustione è la più ampiamente dimostrata in scala, con unità operative in centrali elettriche in Canada e negli Stati Uniti.

Trasporto e stoccaggio

Una volta catturato, CO2 deve essere compresso ad una fase densa (tipicamente superiore a 1.100 psi) e trasportato via pipeline, nave o camion ad un luogo di stoccaggio adatto. Le tubature sono le più economiche per grandi volumi su terra. Il CO2 viene quindi iniettato in profonde formazioni geologiche – di solito a profondità superiori a 800 metri – dove è intrappolato da una combinazione di formazione strutturale, residua, solubilità e minerali.

  • Serbatoi di olio e gas esauriti[[]: Questi hanno dimostrato l'integrità della tenuta e l'infrastruttura esistente, e l'iniezione può essere combinata con il recupero del petrolio migliorato (EOR) per compensare i costi.
  • Deep saline aquifers[[]: Porose formazioni rocciose saturate con salamoia, offrendo la più grande capacità di stoccaggio a livello globale.
  • Cuciture di carbone imminevoli[[]: CO2 può essere adsorbito sul carbone, displaccando il metano (ricupero di metano coalbed).

La selezione del sito è regolata da una rigorosa caratterizzazione geologica, monitoraggio e supervisione normativa per garantire il contenimento permanente. Il Pannello intergovernativo sui cambiamenti climatici (IPCC) ha concluso che la CO2 immagazzinata in luoghi ben selezionati ha un tasso di conservazione del 99% su 1.000 anni.

Vantaggi del CCS nelle operazioni di centrali elettriche

Riduzioni di emissioni profonde

Il vantaggio più diretto del CCS è la drastica riduzione delle emissioni di CO2. Un tipico impianto di carbone supercritico emette circa 0,9–0 tonnellate di CO2 per MWh. Con CCS, questo può scendere a 0,1–0,2 tonnellate per MWh, a seconda dell'efficienza di cattura.

Conservare le infrastrutture esistenti e i lavori

Molti paesi hanno grandi flotte di impianti di carbone costruiti nel corso di decenni, che rappresentano miliardi di dollari in investimenti e migliaia di posti di lavoro. Il retrofitting CCS permette che questi beni continuino ad operare evitando lo shock economico di prepensionamento. Ciò è particolarmente rilevante in regioni come Cina, India e Stati Uniti, dove il carbone fornisce ancora una parte significativa di energia elettrica.

Affidabilità del Griglia di supporto

Gli impianti di carbone forniscono energia di base e possono essere dilagati e giù per bilanciare le fonti rinnovabili variabili come il vento e il solare. Gli impianti equipaggiati CCS possono operare in modo flessibile, come dimostrato dalla diga di Boundary in Canada, che ha regolato l'output per soddisfare le esigenze della griglia, catturando CO2. Questa sinergia con le rinnovabili rende CCS una tecnologia di ponte per la decarbonizzazione profonda del settore elettrico.

Abilitare prodotti a basso contenuto di carbonio

CO2 catturata può essere utilizzato per scopi commerciali, tra cui recupero del petrolio potenziato, produzione di combustibili sintetici, bevande carbonate e materiali da costruzione come il cemento.

Sfide che affrontano il distacco CCS

Energia Penalty e perdita di efficienza

La cattura di CO2 richiede una notevole energia per la rigenerazione, la compressione e l’ausilio di solventi, che varia tipicamente dal 20% al 30% dell’output dell’impianto, il che significa che più carbone deve essere bruciato per produrre la stessa energia elettrica netta.

Costi di capitale e operatività

Per le centrali a carbone, i costi totali per la cattura, il trasporto e lo stoccaggio sono stimati a 40–$80 dollari per tonnellata di CO2 evitati. La reintroduzione di un impianto esistente può costare centinaia di milioni di dollari, e i costi operativi del make-up solvente, della manutenzione e del monitoraggio aggiungono spese costanti.

Disponibilità e accettazione del sito di stoccaggio

Non tutte le regioni hanno una geologia adatta per lo stoccaggio di CO2. Sebbene la capacità globale sia vasta, la caratterizzazione locale e l'autorizzazione possono richiedere anni. L'opposizione pubblica a CO2 pipelines e pozzi di iniezione, guidata da paure di perdita o di sismicità indotta, ha stanziato progetti in alcune aree.

Gaps di regolamentazione e politica

I progetti CCS richiedono chiari quadri giuridici per la responsabilità a lungo termine, la proprietà del pore-spazio e gli obblighi di monitoraggio. Molti paesi non hanno una regolamentazione CCS completa, creando l'incertezza per gli investitori. Inoltre, i prezzi in carbonio inconsistenti riducono il caso di business per la cattura.

Progetti CCS reali a Centrali di Potere di Carbone

Diga di Boundary 3 (SaskPower, Canada)

Commissionato nel 2014, l’Unità 3 di Diga Boundaria è stata la prima grande iniziativa CCS post-combustione mondiale su un impianto di carbone che cattura circa 1 milione di tonnellate di CO2 all’anno (90% delle emissioni dell’unità).

Petra Nova (NRG Energy, USA)

Petra Nova è stata una retrofit CCS post-combustione su un'unità di carbone vicino a Houston, Texas, che ha catturato circa 1,6 milioni di tonnellate di CO2 all'anno per EOR. È stato il più grande progetto negli Stati Uniti e ha funzionato con successo dal 2017 fino ad essere mothballed nel 2020 a causa di prezzi bassi del petrolio durante la pandemica COVID-19.

Altre installazioni notevoli

Diversi progetti in Cina, Europa e Medio Oriente sono in varie fasi di sviluppo. L’impianto termale Huaneng Beijing ha dimostrato una piccola unità di cattura, mentre la centrale elettrica Drax del Regno Unito ha condotto la bioenergia su scala pilota con CCS (BECCS). Il Global CCS Institute traccia oltre 30 strutture commerciali in tutto il mondo, con molti focalizzati sui settori industriali oltre al potere.

Politica e incentivi economici Guidare l'adozione del CCS

Carbon Pricing e Credits

Nelle giurisdizioni con prezzi al carbonio robusti, come il sistema di negoziazione delle emissioni UE (EU ETS) e il programma di cap-and-trade della California, i progetti CCCS possono ottenere indennità o crediti che migliorano la loro redditività finanziaria.

Sezione 45Q Credito fiscale (Stati Uniti)

Il Codice delle Entrate Interne degli Stati Uniti fornisce un credito fiscale per ogni tonnellata di CO2 catturata e immagazzinata geologicamente ($85 per tonnellata per lo stoccaggio, $60 per tonnellata per EOR sotto la legge sulla riduzione dell'inflazione del 2022), che ha spinto un'ondata di annunci del progetto CCS in tutto il settore energetico e industriale, rendendo gli Stati Uniti un leader globale nel sostegno della politica CCS.

Programmi di Sovvenzioni e Dimostrazioni del Governo

I governi nazionali hanno finanziato progetti di dimostrazione CCS attraverso programmi come il Dipartimento dell’Energia (DOE) Ufficio di Energia e Carbon Management del Regno Unito, il Fondo per la Cattura e lo Stoccaggio del Carbonio e le iniziative di innovazione a basso tenore di carbonio della Cina, che coprono una parte dei costi di capitale e delle dismissioni di primo grado.

Prospettive e sviluppi futuri

Riduzione dei costi attraverso l'innovazione

Le tecnologie emergenti includono solventi avanzati (ad esempio, ammine a base di acqua, sistemi a base di enzimi), separazione a membrana, cattura criogenica e combustione a loop chimico. L’obiettivo del DOE è quello di ridurre i costi di cattura post-combustione a 30 dollari per tonnellata di CO2 entro il 2035, in calo dai livelli attuali intorno ai $50–$70.

Integrazione con Bioenergy (BECCS)

Il BECCS combina la combustione della biomassa con il CCS, con conseguente riduzione delle emissioni di CO2 negative, un'opzione critica per la compensazione dei settori a rischio. Diversi impianti di carbone stanno esplorando la biomassa co-finanziamento e installando CCS, come Drax nel Regno Unito. Mentre esistono problemi di sostenibilità sulla fornitura della biomassa, il BECCS è incluso nella maggior parte dei percorsi IPCC per limitare il riscaldamento globale a 1.5°C.

Cattura e stoccaggio dell'aria diretta (DACS)

Mentre non è direttamente collegato alle centrali di carbone, la tecnologia DACS rimuove la CO2 dall'aria ambiente e la memorizza.Quando alimentata da energia pulita, può compensare le emissioni residue da impianti di carbone o altre fonti. Aziende come Climeworks e Carbon Engineering hanno costruito unità commerciali, anche se i costi rimangono elevati (200–$600 per tonnellata).

Ruolo in una griglia decarbonizzata

Come si espandeno le energie rinnovabili, gli impianti di carbone con CCS possono operare in modo più flessibile, aumentando quando il solare e il vento sono bassi e riducendo la produzione durante l'alta generazione rinnovabile. Questo modello CCS flessibile è in fase di test presso la diga di Boundary e nei progetti pilota. Tuttavia, la competitività a lungo termine dipenderà da un continuo calo dei costi nelle rinnovabili e nello stoccaggio dell'energia, nonché dalla disponibilità dei crediti al carbonio.

Conclusioni

La tecnologia è dimostrata in scala, in grado di catturare il 90% o più dei prezzi del CO2 dalla combustione del carbone. Consente il continuo utilizzo delle infrastrutture esistenti durante la transizione energetica, supporta l'affidabilità della rete e può produrre emissioni negative quando combinato con la biomassa. Tuttavia, la distribuzione diffusa affronta ostacoli economici e politici persistenti: costi di capitale elevati, costi di investimento significativi.

Riferimenti esterni: Per ulteriori informazioni, vedere il Istituto Global CCS[, il IEA relazione su CCUS, ]] Programma di captura del carbonio U.S. DOE Warning:7FLT]