In che modo gli impianti di produzione del cemento possono rimuovere la CO₂ dall'atmosfera
Una nuova analisi del ciclo di vita dimostra come il DAC con riciclo del calcio possa ridurre del 78% l'impatto climatico della produzione di cemento
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La produzione di cemento è una delle principali fonti industriali di CO₂ a livello mondiale. Un nuovo studio dimostra ora come, in futuro, la produzione di cemento potrebbe essere utilizzata per rimuovere la CO₂ dall’atmosfera, grazie a una tecnologia che impiega la calce.
Il cemento è uno dei materiali da costruzione più richiesti dei nostri tempi. Ogni anno ne vengono prodotte circa quattro miliardi di tonnellate. La produzione di cemento è ad alto consumo energetico e durante il processo vengono emessi gas serra, in particolare durante la decomposizione termica del calcare, la materia prima naturale più importante per il cemento.
In un nuovo studio, i ricercatori dell’ETH dimostrano che queste emissioni potrebbero essere ridotte in modo significativo se la produzione di cemento fosse abbinata a una tecnologia per la rimozione diretta della CO₂ dall’atmosfera, nota come Direct Air Capture (DAC).
Secondo i calcoli dei ricercatori del gruppo guidato da André Bardow, professore di Ingegneria energetica e dei sistemi di processo, l’impatto climatico della produzione di cemento potrebbe essere ridotto in modo significativo entro il 2050. Attualmente, essa è responsabile del 5-8% delle emissioni globali di CO₂. «Dal punto di vista climatico, la combinazione tra DAC e produzione di cemento è molto promettente», ha affermato Vittoria Bolongaro, dottoranda che lavora con Bardow e autrice principale della pubblicazione.
Sfruttare le sinergie
Per lo studio, i ricercatori hanno collaborato con l’azienda statunitense Heirloom Carbon Technologies. L’azienda è uno dei principali sviluppatori mondiali di DAC basato sul «calcium looping» – un processo che utilizza un ciclo chimico che coinvolge vari composti del calcio. Il punto di partenza è il carbonato di calcio, ovvero il calcare, estratto in tutto il mondo. Gli impianti DAC che utilizzano il «calcium looping» e le cementerie operano con gli stessi composti di calcio e impiegano lo stesso processo: il calcare viene riscaldato fino a decomporsi in calce viva e CO₂ – un processo noto come calcinazione.
Nella produzione integrata di cemento che utilizza il DAC con ciclo del calcio, per la calcinazione viene impiegato un forno alimentato da energia elettrica anziché da combustibili fossili, come il carbone o il gas. Ciò evita le emissioni di gas serra provenienti dal forno di combustione. Allo stesso tempo, la CO₂ prodotta durante il processo di calcinazione può essere catturata direttamente, poiché non è contaminata dai gas di scarico della combustione. Secondo i calcoli dello studio, l’elettrificazione del forno e il solo utilizzo della cattura diretta di CO₂ potrebbero ridurre l’impatto climatico della produzione di cemento del 78 per cento entro il 2050.
Una volta aggiunta l’acqua alla calce viva, la calce spenta assorbe ulteriore CO₂ dall’atmosfera e viene riconvertita in calcare, che può quindi essere riutilizzato come materia prima per la produzione di cemento. Più spesso il calcio subisce questo ciclo di contatto con l’aria prima di essere trasformato in cemento, maggiore è la quantità di CO₂ che l’impianto rimuove dall’atmosfera. La CO₂ catturata dall’atmosfera non viene immobilizzata nel cemento. Viene invece compressa e trasportata in siti di stoccaggio sotterranei.
Dati concreti
«Heirloom era per noi un partner ideale perché l’azienda gestisce già i primi sistemi DAC basati sul calcium looping su scala commerciale», ha sottolineato Bolongaro. In California, l’azienda gestisce dal 2023 un impianto con una capacità nominale annua di 1.000 tonnellate di CO₂.
Nei prossimi anni è prevista la costruzione di un altro impianto, di dimensioni significativamente maggiori, in Louisiana. «La collaborazione è stata vantaggiosa per entrambe le parti: il nostro partner voleva saperne di più sull’impronta ambientale della tecnologia e noi abbiamo potuto basare i nostri calcoli e scenari su dati industriali primari provenienti da operazioni reali», spiega Bolongaro.
Lo studio attuale rappresenta la prima analisi prospettica del ciclo di vita per la DAC che utilizza il «calcium looping» su scala industriale. Nel condurre l’analisi, i ricercatori non hanno considerato solo il funzionamento dell’impianto, ma anche tutti gli impatti ambientali lungo l’intera catena di processo: dall’estrazione delle materie prime, passando per la costruzione e il funzionamento dell’impianto, fino allo stoccaggio della CO₂ catturata.
Inizialmente, Bolongaro e il suo team volevano scoprire se gli impianti commerciali di grandi dimensioni rimuovessero più CO₂ nel corso del loro intero ciclo di vita di quanta ne producessero. In una seconda fase, i ricercatori hanno esaminato se la riduzione delle emissioni di CO₂ avvenisse a scapito di altri fattori ambientali, quali l’uso dell’acqua o del suolo.
I risultati hanno dimostrato che la quota di gran lunga maggiore dell’impronta ambientale è attribuibile all’energia necessaria per il processo, poiché la cattura della CO₂ dall’aria è molto dispendiosa in termini energetici. Ciò vale anche per altri processi DAC. Nell’ambito dello studio sono stati quindi testati diversi scenari energetici: il funzionamento dell’impianto utilizzando l’attuale mix elettrico statunitense, l’utilizzo di un mix elettrico fortemente decarbonizzato composto da energia eolica e solare, e l’impiego di un sistema completamente autonomo con fotovoltaico e accumulo in batterie.
«Siamo riusciti a dimostrare che la tecnologia presenta un’impronta di carbonio netta negativa; in altre parole, gli impianti commerciali DAC di tipo “calcium looping” con stoccaggio di CO₂ rimuovono più CO₂ di quanta ne generino nel corso del loro intero ciclo di vita», afferma Bolongaro. «A seconda del mix energetico utilizzato nelle nostre proiezioni, l’efficienza di rimozione della CO₂ entro il 2050 varia tra l’85 e il 96 per cento». In altre parole: per ogni tonnellata di CO₂ catturata e stoccata, nella catena di processo vengono generati da 40 a 150 kg di CO₂. Si tratta di valori paragonabili a quelli di altri sistemi DAC. L’alimentazione dell’impianto con energia rinnovabile consente di raggiungere la massima efficienza.
Cosa deve ancora dimostrare la sperimentazione sul campo
«Il vantaggio principale degli impianti DAC che utilizzano il calcium looping è che questa tecnologia può essere integrata in un processo di produzione del cemento ormai consolidato», spiega Bolongaro. Gli adeguamenti necessari per integrare il DAC nella produzione del cemento sono relativamente semplici.
Innanzitutto, sono necessari ulteriori contattori d’aria per catturare la CO₂ dall’atmosfera. Inoltre, il forno in cui il calcare viene calcinato ad alte temperature deve essere alimentato con energia a basse emissioni di carbonio o a zero emissioni di carbonio per garantire la massima rimozione netta possibile.
«Dal punto di vista climatico, questo approccio è molto promettente in quanto soluzione scalabile che si integra nelle catene di approvvigionamento industriali esistenti, promuovendo al contempo la decarbonizzazione del settore del cemento», sottolinea Bolognaro. È ora necessaria un’analisi più approfondita dei limiti fisici ed economici di questa integrazione.
I calcoli chiave dello studio si basano su scenari futuri fino al 2050 e ipotizzano progressi significativi nella decarbonizzazione dell’approvvigionamento elettrico. Inoltre, alcuni componenti dell’impianto, in particolare i forni di calcinazione elettrici a riscaldamento indiretto, non sono ancora in uso industriale su larga scala. Resta quindi da vedere se il sistema possa essere gestito in modo economicamente sostenibile; finora lo studio non ha incluso un’analisi dettagliata dei costi.
Di conseguenza, per Bolongaro i risultati rappresentano un importante punto di partenza che mette in luce il potenziale climatico di questo approccio.
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