Il ruolo evolunte del gas naturale in un futuro carbon-neutrale

Gli impianti di energia elettrica a gas naturale occupano una posizione centrale nella transizione energetica globale. Spesso sono caratterizzati come un “combusto di benzina” perché emettono circa la metà del biossido di carbonio (CO2) degli impianti a carbone quando vengono alimentati per la generazione di elettricità. Questo profilo di carbonio inferiore, combinato con la flessibilità operativa che consente una rapida espansione per soddisfare la domanda fluttuante, rende il gas naturale un partner attraente per le fonti rinnovabili intermittenti come la stabilità del vento e del solare.

Tuttavia, il concetto di “ponte” implica che il gas naturale è una soluzione temporanea sul percorso di un sistema completamente decarbonizzato. La combustione del gas naturale rilascia ancora quantità sostanziali di CO2—circa il 50-60% in meno rispetto al carbone su base per-kilowatt-hour, ma ancora troppo per soddisfare gli obiettivi di emissioni di CO2 che le nazioni hanno impegnato sotto l’Accordo di Parigi.

Come funzionano le centrali elettriche del gas naturale

Ciclo semplice vs. Ciclo combinato

Le centrali elettriche a gas naturale sono dotate di due configurazioni principali: ciclo semplice e ciclo combinato. In una turbina a gas a ciclo semplice (SCGT), l’aria è compressa, mescolata con gas naturale e acceso. I gas di scarico caldi girano una turbina collegata a un generatore, producendo energia. Le SCGT sono relativamente poco costose per costruire e possono iniziare in pochi minuti, rendendole ideali per soddisfare la domanda di picco.

Le centrali a gas a ciclo combinato (CCGT) sono molto più efficienti, con una rete termica del 60% o superiore. In una CCGT, lo scarico caldo della turbina a gas viene indirizzato ad un generatore di vapore a recupero termico (HRSG), che produce vapore.

Profilo delle emissioni

In caso di bruciato del gas naturale, i prodotti di combustione primaria sono CO2 e vapore acqueo. Rispetto al carbone, che rilascia anche l'anidride solforosa (SO2), gli ossidi di azoto (NOx), e la materia di particolato, il gas naturale è significativamente più pulito. Secondo il U.S. Environmental Protection Agency], la combustione del gas naturale emette 0, a CO2 libbreve di CO2 per chilometro per chilometro per chilometro

Impatto ambientale: Oltre CO2

Il processo di frattatura idraulica (fracking) per estrarre il gas naturale ha sollevato preoccupazioni sulla contaminazione delle acque sotterranee e sulla sismicità indotta. Mentre gli Stati Uniti e altri paesi hanno implementato strutture di regolazione per mitigare questi rischi, il problema rimane incontestabile.

Un'altra sfida è la natura intermittente dell'energia rinnovabile. Gli impianti di gas naturale sono spesso dilagati e bassi per compensare la variabilità del vento e del solare. Questa operazione ciclistica riduce l'efficienza delle CCGT e aumenta le emissioni per megawatt-hour rispetto al funzionamento a stato costante. Inoltre, l'usura e la la lacrima sulle turbine da frequenti inizia possono aumentare i costi di manutenzione e ridurre le vite degli impianti.

Percorsi verso il gas naturale carbon-neutrale

Sono in fase di sviluppo diverse strategie per ridurre o eliminare le emissioni di carbonio nette da centrali elettriche a gas naturale, che non si basano sull'eliminazione del gas naturale, ma si concentrano invece sulla cattura della CO2 prodotta o la sostituzione del combustibile con un'alternativa a zero-carbonio.

Cattura e stoccaggio del carbonio (CCS)

CCS coinvolge tre passaggi principali: catturare CO2 dal flusso di scarico di una centrale elettrica, comprimerlo in uno stato liquido-come, e iniettarlo in formazioni geologiche profonde come petrolio e serbatoi di gas o aquiferi saline per stoccaggio permanente. Il CO2 catturato può anche essere utilizzato in recupero di olio potenziato (EOR),

Il progetto GAL-CCS è stato progettato per la maggior parte delle strutture di produzione di gas naturale di GAL-CCS, che è stato progettato per la maggior parte di questi impianti in Cina, in Australia, in Cina, in Australia, in Cina, in Australia, in Cina.

Tecnicamente, il CCS può catturare il 90-95% del CO2 da una centrale elettrica del gas naturale, ma la penalità energetica è significativa. Il processo di cattura consuma il 20-30% dell’uscita dell’impianto, aumentando il costo dell’elettricità.

Idrogeno come combustibile

Un altro percorso trasformativo è la sostituzione del gas naturale con idrogeno. Quando l’idrogeno viene bruciato (o utilizzato in una cella di combustibile), l’unica emissione è il vapore acqueo. Tuttavia, il beneficio ambientale dipende interamente da come l’idrogeno viene prodotto. Oggi, la maggior parte dell’idrogeno deriva dal gas naturale attraverso la riforma del metano di vapore (SMR), un processo che rilascia CO2 a meno che non sia associato con CCS.

L’idrogeno “verde” prodotto da elettrolisi di acqua con energia rinnovabile, è completamente privo di carbonio dalla produzione all’uso. Il costo dell’idrogeno verde è caduto drammaticamente – da circa $10 per chilogrammo un decennio fa a circa $4–6 per chilogrammo oggi – ma rimane due a tre volte più costoso dell’idrogeno grigio. La capacità di elettrolizzatore è rapidamente scagliante e gli analisti a basso costo a

L'integrazione dell'idrogeno nelle centrali elettriche del gas naturale è possibile attraverso il co-finanziamento (che può raggiungere il 20% di idrogeno senza modifiche importanti) o mediante turbine a retrò per la combustione dell'idrogeno puro. Diversi produttori di turbine a gas, tra cui GE, Siemens e Mitsubishi, hanno già sviluppato modelli di idrogeno-capaci.

Cattura diretta dell'aria e emissioni negative

Per ottenere la rete zero-zero, o anche negativo, le emissioni, il mondo potrebbe essere necessario combinare queste tecnologie con la cattura diretta dell'aria (DAC). Le macchine DAC utilizzano sorbenti chimici per estrarre CO2 direttamente dall'aria ambiente, che possono essere immagazzinate in sotterraneo o utilizzate nei prodotti. L'energia necessaria per gli impianti DAC è elevata, ma se alimentata da energia elettrica a zero-carbonio, DAC

Sfide e prospettive future

La transizione alla potenza del gas naturale neutro-carbonio deve affrontare diversi ostacoli significativi. Prima di tutto, l'aggiunta di CCS ad una centrale a gas naturale aumenta il costo livelizzato dell'elettricità (LCOE) del 50-80%, a seconda della velocità di cattura e della posizione di stoccaggio. L'idrogeno blu è attualmente più costoso del gas naturale, e l'idrogeno verde rimane tra i vettori energetici più costosi.

Il CCS richiede l’utilizzo di gasdotti nuovi o rinnovati, caverne di stoccaggio e apparecchiature di uso finale. In terzo luogo, i segnali governativi costanti e a lungo termine, come le tasse di carbonio, gli standard energetici puliti e i finanziamenti per R&D, sono essenziali per la de-rischio degli investimenti privati.

Infine, c'Ã ̈ il problema del metano. Anche se le emissioni di CO2 vengono catturate, le perdite di metano a monte possono negare i benefici climatici. L'industria petrolifera e del gas sta facendo pressione per rilevare e riparare le perdite utilizzando il monitoraggio satellitare e altre tecnologie avanzate.

Nonostante queste sfide, molti esperti ritengono che una combinazione di tecnologie carbon-neutral può decarbonizzare l’energia del gas naturale mantenendo la sua flessibilità e affidabilità. Ad esempio, un impianto potrebbe utilizzare l’idrogeno blu per un decennio mentre le scale di infrastruttura verde dell’idrogeno, quindi passare all’idrogeno verde come calo dei costi.

Conclusioni

Le centrali elettriche a gas naturale non sono intrinsecamente compatibili con un futuro neutro dal carbonio, ma non sono necessariamente incompatibili. L’accoppiamento con la cattura e lo stoccaggio del carbonio, il passaggio al combustibile dell’idrogeno e l’affrontare le perdite di metano, queste strutture possono ridurre drasticamente l’impatto climatico. Il percorso prevede un investimento sostenuto, politiche di sostegno e ingegneria innovativa.