Panoramica delle tecnologie di cattura chimica

La cattura chimica del carbonio si riferisce a processi che impiegano reazioni chimiche a diossido di carbonio separato (CO2) da flussi di gas industriali prima che raggiunga l'atmosfera. Questi metodi sfruttano l'affinità di alcuni composti per CO2, formando specie chimiche intermedie che possono essere invertite o convertite a prodotti stabili.

Tecniche di cattura chimica principali

Assorbimento utilizzando solventi liquidi

Il metodo di cattura chimica più maturo e ampiamente utilizzato è l'assorbimento con solventi liquidi, in particolare soluzioni a base di ammina. In un tipico sistema di cattura post-combustione, il gas di combustione viene passato attraverso una colonna di assorbimento dove si contatta un solvente amine acquoso, più comunemente monoetanolammina (MEA). Le molecole di amine reagiscono reversibilmente con CO2 per formare specie carbamate e bicarbonato, che si e si e si e si e si staccano, efficacemente la CO2

I risultati ottenuti sono stati ottenuti con una riduzione dell’efficienza del solvente (ossia 2,5-4 GJ per tonnellata di CO2 catturati), con un conseguente degrado del solvente (contro l’aumento del consumo energetico) e con un conseguente aumento del consumo energetico (contro l’aumento del consumo energetico)

Adsorbimento Usando Sorbenti Solidi

I sorbenti solidi offrono un'alternativa ai solventi liquidi catturando CO2 attraverso la fisorpzione fisica o la chemisorpazione chimica su una superficie porosa. I materiali chiave includono zeoliti, quadri di struttura metallica (MOF), silices funzionalizzate amine e carbonio attivo. Il processo impiega solitamente l'assorbimento di oscillazione della temperatura (TSA) o l'assorbimento di pressione inferiore (PSA).

I sorbents offrono diversi vantaggi rispetto alle ammine liquide: evitano la manipolazione liquida, la corrosione e le problematiche di degrado dell’amine; possono essere adattati a livello molecolare per un’elevata selettività e capacità; e possono operare su una più ampia gamma di temperature.

Combustione chimica del looping

La combustione chimica (CLC) è un approccio fondamentalmente diverso che incorpora la cattura di CO2 direttamente nel processo di combustione. Invece di combustibile con aria, CLC utilizza un ossido di metallo (porta ossigeno) per fornire ossigeno per la combustione. L'ossido di metallo è ridotto a uno stato di minore-valenza, mentre ossidazione del combustibile a CO2 e H2O. Il metallo ridotto è quindi re-ossidizzato in un reattore separato che produce il rame

Il CLC elimina la necessità di un passaggio di separazione ad alta intensità di energia, perché il CO2 è intrinsecamente isolato nel reattore a combustibile. Inoltre, evita la formazione di NOx perché il reattore a combustibile opera senza azoto.

Carbonizzazione e mineralizzazione

I processi di carbonizzazione convertono CO2 in carbonati solidi stabili attraverso la reazione con ossidi metallici o silicati. Ciò può essere fatto ex situ, minerali di rettifica come olivina (Mg2SiO4) o serpentina (Mg3Si2O5(OH)4) e reagendoli con CO2 sotto temperatura elevata e pressione per formare carbonati di magnesio o di calcio.

Mentre la mineralizzazione evita le sfide di iniezione di stoccaggio geologico e può essere integrata con materiali da costruzione (ad esempio, cemento a polimerizzazione), i tassi di reazione sono lenti e l'energia necessaria per la rettifica e il riscaldamento è alta. La ricerca attuale mira ad accelerare la carbonizzazione utilizzando additivi catalitici, reattori ad alta pressione, o percorsi di carbonizzazione indiretti.

Vantaggi e limitazioni dei metodi di cattura chimica

I metodi di cattura chimica offrono un'elevata efficienza di rimozione della CO2 (spesso >90%) da flussi industriali, anche quando le concentrazioni di CO2 sono basse. Possono essere retrofitte per impianti di potenza esistenti, forni di cemento, raffinerie e acciaierie, fornendo un ponte per operazioni di carburo più basso mentre le scale di energia rinnovabile possono essere utilizzate come materiale di alimentazione per i prodotti chimici (urea, metanolo, combustibile sintetico).

La compressione dell’energia elettrica è di tipo zero, la rigenerazione consuma in genere il 20-30% della produzione di vapore dell’impianto, riducendo l’uscita di elettricità netta del 15-30%. I solidi sorbenti devono affrontare ancora le sfide di scala in termini di stabilità ciclica e di gestione del calore del letto.

Riflessioni sulla pena di energia e sui costi

Per la pulizia post-combustione, il vapore richiesto per la rigenerazione riduce l’efficienza netta di un impianto di potenza di circa 8–12 punti percentuali (ad esempio, dal 40% al 28–32% LHV) che si traduce in un aumento del consumo di carburante per le centrali elettriche da 50 a 12 dollari (ad esempio, dal 40% al 28–32% LIEV).

Le tecnologie solide sorbenti mirano a ridurre l’energia di rigenerazione (1,5-3 GJ/tonne) utilizzando il calore di scarto o il vapore a bassa temperatura, potenzialmente riducendo i costi fino a 30–50 dollari per tonnellata. La combustione a ciclo chimico potrebbe teoricamente raggiungere le efficienze elettriche nette paragonabili alla combustione convenzionale, mentre cattura CO2 a costi aggiuntivi marginali (<$20/tonne), but the technology is not yet commercially mature. Minimizing the energy penalty requires process integration: recovering heat from flue gases, using low‑grade steam for regeneration, and combining capture with waste‑heat recovery. The CCO nelle transizioni energetiche pulite]

Progetti di distribuzione e di grande scala

A partire dal 2024, oltre 40 impianti di cattura del carbonio su larga scala sono operativi o in costruzione a livello globale, catturando quasi 50 milioni di tonnellate di CO2 all'anno, una piccola frazione di emissioni globali (~37 miliardi di tonnellate).

  • Diga boundary (Canada):[] Centrale elettrica a carbone, lavaggio amine, ~1 Mt CO2/anno, operativa dal 2014.
  • Petra Nova (USA):] Pianta a carbone (ora intagliata a causa dell'economia), lavaggio amine, ~1.6 Mt CO2/anno per una maggiore recupero del petrolio.
  • Sleipner (Norvegia):[ Trattamento del gas naturale, lavaggio amine, ~1 Mt CO2/anno iniettato in aquifer salina, operativo dal 1996.
  • Gorgon (Australia): Trattamento del gas naturale, lavaggio amine, fino a 4 Mt CO2/anno; ha affrontato le sfide di iniezione.
  • Fortum Oslo Varme (Norvegia):[] Impianto di energia, lavaggio amine, ~0.4 Mt CO2/anno (progetto in fase di sviluppo per la scala piena).

I progetti emergenti che utilizzano solventi nuovi o sorbenti solidi includono la struttura Pilot-scale Advanced CO2 Capture (PACC)]] in Alabama, testando più tecnologie, e il Carbon Clean] sistema modulare di lavaggio amine implementato in un impianto di cemento in India.

Innovazioni e direzioni future

Nuovi solventi e sorbetti

I solventi di scambio di fase (ad esempio, i sistemi bifasici che formano uno strato liquido solido o immiscibile di CO2-rich) possono ridurre il carico di calore sensibile richiedendo solo una parte del solvente da riscaldare.

Capture elettrochimiche

Un approccio radicalmente diverso utilizza la corrente elettrica per guidare la separazione di CO2, sia modulando il pH in una cella di elettrolisi (ad esempio, il processo di pH-swing) sia catturando elettrochimicamente CO2 con elettroliti a base di quinone. La cattura elettrochimica può operare a temperatura e pressione ambientale, riducendo potenzialmente la pena di energia termica e consentendo un funzionamento continuo e modulare di $50.

Integrazione con l'utilizzo

I metodi di cattura chimici che producono un flusso di CO2 ad alta purezza sono adatti per l'uso in serre, per le bevande carbonate, o come mangimi per i combustibili sintetici tramite l'idrogenazione. Tuttavia, la scala di utilizzo è molto più piccola del volume di CO2 che deve essere rimosso per soddisfare gli obiettivi climatici.

Conclusioni

I metodi chimici per catturare l'anidride carbonica dalle emissioni industriali rappresentano un kit di strumenti maturo ma in evoluzione essenziale per una profonda decarbonizzazione.Dal fatto che la pulizia dell'amministrato è ampiamente utilizzata per i processi elettrochimici emergenti, ogni tecnica bilancia l'efficienza, i costi e la complessità operativa.