Tecnologia di cattura del carbonio:
Ridurre i superinquinanti per limitare il riscaldamento globale

Shan Daniel

Il riscaldamento globale rappresenta una serie significativa di rischi per gli esseri umani sulla Terra. Il pianeta si sta riscaldando a causa dell'effetto serra, ovvero dei gas presenti nell'atmosfera terrestre che intrappolano la radiazione a onde lunghe emessa dalla superficie terrestre. Il gas principale che contribuisce a questo effetto è l'anidride carbonica, emessa durante la combustione di idrocarburi per produrre energia. I potenziali effetti negativi delle emissioni incontrollate e del riscaldamento globale si traducono in eventi meteorologici estremi, perdite agricole e inondazioni delle regioni costiere dovute allo scioglimento delle calotte polari. Di conseguenza, è fondamentale e urgente convertire la dipendenza energetica globale a fonti che mitigano gli effetti negativi del cambiamento climatico. Questo obiettivo può essere raggiunto riducendo la dipendenza globale dai combustibili fossili e da altre sostanze che emettono carbonio e passando a fonti di energia rinnovabile, come quella solare, eolica, idroelettrica, mareomotrice e nucleare, che non rilasciano CO2 durante il loro processo (1).

Tuttavia, dall'inizio della rivoluzione industriale, le concentrazioni atmosferiche di CO2 sono aumentate da 280 ppm a 430 ppm, equivalenti a 1.18 × 10^12  tonnellate aggiuntive di CO2 nella nostra atmosfera. Data l'entità di questo cambiamento, rimuovere il carbonio emesso dall'atmosfera e immagazzinarlo in modo da eliminarne l'effetto sul riscaldamento globale è diventato un argomento di recente interesse per i climatologi.

Gli attuali processi di sequestro del carbonio hanno il compito di prelevare l'aria dall'ambiente e concentrarla per lo stoccaggio (2). Ciò può essere ottenuto attraverso una serie di quattro reazioni: la reazione 1 prevede il passaggio dell'aria attraverso una soluzione di idrossido di potassio, dove la CO2 può reagire con l'acqua per diventare acido carbonico, che subisce una neutralizzazione acido-base per generare carbonato di potassio e acqua. La reazione 2 rigenera l'idrossido di potassio facendo reagire il carbonato di potassio con l'idrossido di calcio per generare carbonato di calcio, che è insolubile in acqua. Nella reazione 3, il carbonato di calcio solido è sottoposto a decomposizione termica a temperature estremamente elevate per generare ossido di calcio e anidride carbonica, che viene emessa dalla reazione in un ambiente controllato dove può essere immagazzinata. Infine, la reazione 4 prevede che l'ossido di calcio rigeneri l'idrossido di calcio quando disciolto in acqua. Sebbene le reazioni 1, 2 e 4 siano reazioni esoergoniche favorevoli, la decomposizione termica del carbonato di calcio è fortemente endotermica e richiede un apporto energetico elevato, rendendo il sequestro industriale del carbonio costoso e difficile da sostenere (3). Per tonnellata di CO2 rimossa dall'aria ambiente, il costo è stimato tra 600 e 1000 dollari. Utilizzando esclusivamente le attuali tecnologie di sequestro del carbonio, il costo per rimuovere una quantità di CO2 sufficiente a tornare ai livelli preindustriali di CO2 atmosferica sarebbe di 708 trilioni di dollari, ovvero circa 25 volte il PIL degli Stati Uniti nel 2023 (4).

Questa metodologia non è attualmente praticabile per avere un impatto significativo sui livelli di CO2 nella nostra atmosfera. L'innovazione e il miglioramento sia della terza reazione del processo di sequestro del carbonio sia dello stoccaggio/vendita della CO2 prodotta possono ridurre il costo complessivo di questo processo, consentendone l'implementazione su scala più ampia e un impatto positivo complessivo maggiore (4). La cattura del metano, un super inquinante che danneggia la salute e alimenta il cambiamento climatico, può integrare le strategie di sequestro del carbonio prendendo di mira inquinanti climatici di breve durata che offrono benefici immediati per la salute e il clima. Tuttavia, con ulteriori innovazioni per creare un processo più efficiente in termini di costi e la combinazione con altre forme di energia rinnovabile, il sequestro del carbonio può essere uno strumento importante per mitigare gli effetti negativi del cambiamento climatico.

Un metodo biologico che ha ottenuto un crescente riconoscimento negli ultimi anni è l'Agricoltura Rigenerativa (RA). L'Agricoltura Rigenerativa offre un approccio all'agricoltura più integrato e sostenibile, concentrandosi sul ripristino del suolo e sull'equilibrio ecologico a lungo termine (5). A differenza dell'agricoltura convenzionale, che spesso dipende fortemente da fertilizzanti e pesticidi chimici, l'RA enfatizza le pratiche tradizionali basate sulla natura (6). I cinque principi fondamentali su cui l'agricoltura rigenerativa si basa principalmente per migliorare la salute del suolo sono: minimizzare il disturbo del suolo, massimizzare la diversità delle colture, mantenere una copertura continua del suolo, mantenere le radici vive nel terreno durante tutto l'anno e integrare il bestiame, come i bovini, nei sistemi agricoli.

Nonostante sia uno degli approcci più efficaci per l'agricoltura sostenibile e lo stoccaggio del carbonio atmosferico, l'agricoltura sostenibile incontra diversi ostacoli alla sua implementazione su larga scala (7). L'approccio richiede molto tempo e una gestione attenta e coerente. Gli agricoltori devono adottare nuove tecniche e sviluppare una comprensione più approfondita della biologia del suolo, delle interazioni tra le piante e delle pratiche basate sugli ecosistemi per gestire efficacemente i propri terreni. Questi cambiamenti richiedono spesso sia formazione tecnica che impegno a lungo termine, non realizzabili per tutte le comunità agricole.

Tuttavia, se l'AR è supportata da un'implementazione e integrazione coerenti di tecnologie moderne, come droni, sensori e robotica agricola, ha il potenziale per diventare una delle strategie a lungo termine più affidabili per lo stoccaggio del carbonio (8). Queste tecnologie possono migliorare la precisione e l'efficienza delle pratiche di gestione del territorio, facilitando il monitoraggio della salute del suolo, ottimizzando la rotazione delle colture e riducendo le attività ad alta intensità di manodopera. Ad esempio, uno studio rileva che il suolo ha la capacità di sequestrare fino a 3.4 gigatonnellate di carbonio all'anno attraverso pratiche agricole (9). Raggiungere questa scala di sequestro, tuttavia, richiederebbe la piantumazione di circa 5.72 × 10¹¹ alberi all'anno.

Il processo di RA coinvolge diversi passaggi biologici e chimici interconnessi che contribuiscono allo stoccaggio a lungo termine del carbonio nei suoli. Inizia con l'incremento della coltivazione di alberi, colture e piante, che svolgono un ruolo fondamentale nella cattura dell'anidride carbonica atmosferica (CO₂) attraverso il processo di fotosintesi. Durante la fotosintesi, le piante convertono CO₂ e acqua in glucosio (C₆H₁₂O₆) e ossigeno (O₂), seguendo la reazione: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Il glucosio prodotto non viene solo utilizzato per la crescita delle piante, ma viene anche essudato attraverso le radici nel terreno per supportare le comunità microbiche. Questi essudati radicali stimolano la respirazione e l'attività microbica nella rizosfera, migliorando il ciclo dei nutrienti. Parte del carbonio organico viene infine stabilizzato attraverso un processo chiamato umificazione, in cui i residui microbici e vegetali vengono trasformati in sostanze umiche complesse. Queste sostanze formano materia organica stabile nel suolo che può rimanere nel terreno per decenni, immagazzinando efficacemente il carbonio nel terreno.

Sebbene l'AR sia un approccio altamente sostenibile, progressi significativi attraverso questo metodo richiedono una riduzione simultanea delle emissioni di carbonio di origine antropica. Uno studio indica che la quantità annuale di anidride carbonica emessa dalle attività umane supera quella che può essere sequestrata attraverso pratiche agricole rigenerative (bilancio annuale globale). Ad esempio, nel 2023 sono state emesse 36.8 gigatonnellate di CO2, rispetto alle 3.4 gigatonnellate di carbonio sequestrate all'anno tramite l'AR.

Il calcestruzzo è un materiale da costruzione onnipresente: lo troviamo nelle nostre strade, nei nostri marciapiedi, nei nostri edifici, nei nostri ponti e nelle nostre gallerie. Di fatto, il calcestruzzo è la seconda sostanza più utilizzata al mondo, seconda solo all'acqua, e "ne viene utilizzato il doppio in edilizia rispetto a tutti gli altri materiali da costruzione messi insieme" (12). Attualmente, il mondo produce 30 miliardi di tonnellate di calcestruzzo ogni anno e la domanda globale di calcestruzzo è in continua crescita, soprattutto con l'accelerazione dell'industrializzazione in molti paesi del Sud del mondo (13). Purtroppo, il calcestruzzo ha un costo energetico.

Il cemento, un componente chiave del calcestruzzo, viene creato tramite un processo noto come calcinazione — una miscela di calcare e argilla viene riscaldata a temperature molto elevate, il che provoca una reazione chimica che produce anidride carbonica (CO ₂ ) e calce (CaO). La calce viene poi mescolata con altra argilla e riscaldata nuovamente per formare il cemento. Infine, il cemento reagisce con l'acqua per formare vari prodotti di idratazione, che induriscono e legano gli aggregati (principalmente sabbia, ghiaia e pietrisco), formando quello che conosciamo come calcestruzzo.

Tuttavia, quando l'apporto energetico significativo richiesto per riscaldare il cemento e la CO ₂  Se si considerano entrambe le emissioni rilasciate come sottoprodotto durante la calcinazione, diventa evidente che il calcestruzzo ha un'impronta di carbonio piuttosto significativa. Infatti, una tonnellata di cemento rilascia 0.85 tonnellate di COXNUMX. ₂ e l'industria del calcestruzzo produce il 4-8% delle emissioni di carbonio mondiali (14). Attualmente, nessun altro materiale da costruzione è in grado di eguagliare la versatilità, il basso costo e la facilità di produzione del calcestruzzo, ma esiste un modo per ridurre l'impronta di carbonio del calcestruzzo e, al contempo, potenzialmente ridurre i costi per il settore?

A quanto pare, nonostante emetta anidride carbonica durante il processo di miscelazione, il calcestruzzo assorbe anche carbonio attraverso una reazione chimica passiva nota come carbonatazione da agenti atmosfericiDurante questo processo, l'idrossido di calcio (Ca(OH) ₂ , noto anche come portlandite), un sottoprodotto delle reazioni di idratazione all'interno del calcestruzzo, reagisce con l'anidride carbonica presente nell'aria per formare carbonato di calcio (CaCO ₃ , noto anche come calcite). Questa è una forma di sequestro del carbonio: carbonio dall'aria (CO ₂ ) è “sequestrato” sotto forma minerale all’interno della struttura molecolare del calcestruzzo.

Tuttavia, come potenziale strategia per mitigare il cambiamento climatico e ridurre l'impronta di carbonio dell'industria del calcestruzzo, questo processo presenta diversi svantaggi. Il primo è semplicemente la sua lentezza: una tonnellata di calcestruzzo assorbe fino a 0.9 kg di COXNUMX. ₂  all'anno tramite la carbonatazione dovuta all'esposizione atmosferica, sebbene tale valore dipenda fortemente da condizioni ambientali come umidità e temperatura (13). Ciò significa che l'assorbimento di carbonio che si verifica durante la carbonatazione dovuta all'esposizione atmosferica è molto inferiore al carbonio emesso dall'industria. Il secondo svantaggio è che, in caso di esposizione prolungata a CO ₂ , il gel di silicato di carbonio idrato (CSH) che contribuisce a legare il calcestruzzo si decompone e il calcestruzzo inizia a degradarsi. Tuttavia, possiamo utilizzare le reazioni chimiche di base che si verificano durante la carbonatazione da agenti atmosferici come modello per progettare una tecnica di sequestro del carbonio nel calcestruzzo che sia rapida e attiva, anziché lenta e passiva.

A quanto pare, l'industria attualmente ha due metodi. Il primo si chiama carbonatazione minerale, ed è essenzialmente una "rapida imitazione dell'erosione delle rocce" (13). La carbonatazione minerale prende di mira i composti leganti; normalmente, il cemento viene semplicemente miscelato con acqua per formare i prodotti di idratazione che legano insieme gli aggregati del calcestruzzo. Tuttavia, se la CO ₂  si scioglie in acqua per formare acido carbonico (H ₂ CO ₃ ), gli ioni idronio presenti nell'acido scompongono gli ossidi di silicato nel cemento, liberando gli ioni calcio e magnesio del cemento per formare carbonati stabili. Secondo uno studio, la carbonatazione minerale commerciale potrebbe sequestrare fino a 3 Gt di carbonio all'anno.

Il secondo metodo è mirato al calcestruzzo stesso. Il calcestruzzo viene spesso stagionato dopo la miscelazione per garantire rapide reazioni di idratazione, con effetti benefici sulla durabilità e la resistenza a lungo termine del calcestruzzo. Il vapore è il mezzo tipico attraverso cui il calcestruzzo viene stagionato, poiché consente alte temperature e umidità relativa (15), ma la COXNUMX ₂  può anche essere utilizzato per lo stesso effetto. Questo processo, in cui la CO ₂  il gas viene iniettato nel calcestruzzo in fase iniziale (vale a dire, al massimo pochi giorni dopo la miscelazione) ed è noto come polimerizzazione tramite carbonatazione. Analogamente alla carbonatazione minerale, la stagionatura mediante carbonatazione comporta la reazione degli ossidi di silicato con acqua e CO ₂  per formare CaCO ₃ .

Naturalmente, ottenendo CO2 pura ₂  Il gas, così come la progettazione e la manutenzione delle camere di reazione chiuse necessarie per la stagionatura, comportano un costo aggiuntivo per il produttore. Tuttavia, è possibile ridurre questi costi sostituendo i leganti e gli aggregati tradizionali con alternative riciclate per produrre quello che nel settore è noto come "calcestruzzo verde". Ad esempio, il cemento Portland, la scelta tipica per la componente cementizia del calcestruzzo, può essere sostituito parzialmente o completamente con ceneri volanti (un sottoprodotto dell'industria del carbone) o scorie di acciaio, poiché entrambe contengono gli ossidi necessari per le reazioni di idratazione. Uno studio ha rilevato che la sostituzione del cemento Portland con una miscela di ceneri volanti e calce ha portato a una miscela di calcestruzzo con un grado di carbonatazione del 78%, rispetto a un grado di carbonatazione del 32% nella miscela di controllo del cemento Portland (13).

Inoltre, ghiaia e roccia frantumata, le scelte tipiche per gli aggregati grossolani, possono essere sostituite con sottoprodotti di demolizione (mattoni frantumati, calcestruzzo, ecc.). Su questi aggregati è possibile anche effettuare la carbonatazione minerale per aumentarne la resistenza e la durabilità, nonché la capacità di sequestrare il carbonio. Infine, gli aggregati fini (tipicamente sabbia) possono essere sostituiti con biochar, che ha l'ulteriore vantaggio di essere esso stesso un prodotto del sequestro del carbonio (il biochar si forma bruciando materia organica ad altissime temperature in un ambiente povero di ossigeno, portando alla formazione di strutture di carbonio stabili). Alcuni studi hanno dimostrato che il biochar può accelerare le reazioni di idratazione durante la stagionatura per carbonatazione precoce, con conseguente maggiore resistenza alla compressione (16). Il biochar è anche altamente poroso, il che significa che presenta più siti in cui possono verificarsi reazioni di carbonatazione.

A differenza della CCS o dell'agricoltura rigenerativa, il calcestruzzo verde non richiede cambiamenti radicali nell'industria esistente o la creazione di una nuova industria; è sufficiente incorporare sottoprodotti riciclati nell'additivo per calcestruzzo e utilizzare tecnologie di stagionatura per carbonatazione anziché vapore. I produttori di cemento hanno attualmente i mezzi per investire in un futuro più adattabile al clima, in cui costruiremo le nostre città con la CO2 sequestrata. ₂ .