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La riduzione del consumo del carbonio nei processi industriali.

Domenico Capodilupo

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ASSISI 08/11/2014 - CONVEGNO: Le Radici Cristiane e i Sistemi di Qualità Sicurezza Ambiente

• La riduzione del consumo del carbonio nei processi industriali, si inquadra perfettamente nell’esigenza di ridurre le emissioni in atmosfera dei cosiddetti “gas serra” di origine antropica con particolare riferimento all’immissione di Anidride Carbonica (CO2).

• L’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) organismo dell’ONU, nel rapporto recentissimo sullo stato di salute del pianeta (http://www.ipcc.ch) ha evidenziato come le concentrazioni di gas serra nell’atmosfera abbiano raggiunto i più alti livelli «in 800 mila anni».

Inquadramento del problema

• La notizia è apparsa, proprio in questi giorni su tutti i giornali ed i gas serra sono i principali responsabili dell’incremento di temperatura del pianeta

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http://www.ipcc.ch/

Inquadramento del problema• Nell’immagine riportata qui

accanto è mostrato l’incremento di temperatura registrato negli ultimi 111 anni. Come si vede (le zone viola) i maggiori incrementi si sono avuti nei cosiddetti paesi “emergenti” con particolare riferimento alla Cina ed al Brasile.

Che cos’è l’effetto serra?

• L’incremento di temperatura, secondo gli esperti dell’IPCC, è responsabile di notevoli cambiamenti climatici che possono portare alla desertificazione del pianeta.

• Il fenomeno fisico alla base di questi incrementi viene comunemente chiamato: EFFETTO SERRA.

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L’effetto serra• L’effetto serra è descritto molto efficacemente nella figura sottostante. • Lo sbilanciamento dell’energia entrante con quella uscente è di circa l’1%.

Questo determina un aumento delle temperature globale del sistema. • Chi impedisce il riequilibrio sono quasi esclusivamente i gas serra.

http://climafluttuante.blogspot.it/2013/10/climate-change-2013-ii-bilancio.html4


Quali sono i gas serra • Sono chiamati gas serra quei gas, presenti in atmosfera, che sono

trasparenti alla radiazione solare in entrata sulla Terra ma riescono a trattenere, in maniera consistente, la radiazione infrarossa emessa dalla superficie terrestre, dall'atmosfera e dalle nuvole.

• I gas serra possono essere di origine sia naturale che antropica, essi assorbono ed emettono, nello spettro dell’infrarosso a specifiche lunghezze d'onda. Questa loro proprietà causa il fenomeno noto come effetto serra.

• I principali gas serra presenti nell'atmosfera terrestre sono: il biossido di carbonio (CO2), il vapore acqueo (H2O), l’ossido di diazoto (N2O) e il metano (CH4).

• L'importanza di un gas per la variazione dell'effetto serra dipende dal suo effetto sull'alterazione del bilancio tra energia entrante e energia uscente nel sistema terra-atmosfera. Questa alterazione dipende, a sua volta, sia dalla concentrazione, sia dal tempo di permanenza del gas in atmosfera.

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Definizioni: Potenziale di riscaldamento e CO2 equivalente

• La vita media di un gas in atmosfera misura il tempo che esso impiega, dopo un incremento di concentrazione dovuto all’attività umana, per tornare ad un livello naturale (sia perché è stato convertito in un’altra sostanza, sia perché è stato “sequestrato” in un deposito naturale).

• La vita media dei “gas serra” varia da 12 anni (metano e HCFC-22), a 50 anni (CFC-11), a circa un secolo (CO2), a 120 anni (N2O) ed anche a migliaia di anni (50000 per il CF4).

• L’apporto che un determinato gas serra fornisce al riscaldamento globale è detto: Potenziale di riscaldamento (“Global Warming Potential” - GWP).

• Questo valore è dato dal rapporto fra il riscaldamento globale dovuto a un gas, per un determinato periodo di tempo (di solito 100 anni), e quello provocato dal biossido di carbonio.

• Così il GWP della CO2 pari a 1, quello del metano è pari a 21.• Vari HCFC e HFC hanno un GWP varabile fra 93 e 12100. • L’esafluoruro di zolfo è un gas serra estremamente potente e ha un GWP

pari a 23900, il che vuol dire che una tonnellata di SF6 provoca un aumento dell’effetto serra pari a quello causato da 23900 tonnellate di CO2. 6


Qual è l’incidenza di ciascun gas serra.

IPCC Fifth Assessment Synthesis Report - CLIMATE CHANGE 2014

• Il gas che produce l’effetto serra più rilevante è sicuramente la CO2 (anidride carbonica): da sola incide per oltre il 70 % (CO2 di origine antropica e naturale); segue il CH4 con circa il 20% e l’ossido diazoto N2O con il 5%.

Global warming potential (GWP)Forestry and other land use (FOLU)

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Chi produce i gas serra.I paesi che producono la maggior quantità di gas serra sono quelli più industrializzati. Cina, Europa e Stati Uniti assommano circa il 70 % della produzione di GHG.

IPCC Fifth Assessment Synthesis Report - CLIMATE CHANGE 2014

• I fattori naturali (AFOLU) contribuiscono all’aumento dei gas serra solo per il 24%, mentre il restante 76 % è di natura sicuramente antropica.

• In questo scenario l’ industria della manifattura incide per circa il 32 % (somma della produzione diretta 21% e di quella dovuta all’energia elettrica 11%)

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L’origine della CO2

• La produzione di CO2 è dovuta quasi esclusivamente alla combustione di combustibili fossili (circa 87%), con particolare riferimento al carbone, per motivi energetici (elettricità e riscaldamento).

• La fonte legata al carbone è particolarmente accentuata in quei paesi, come la Cina, dove lo sviluppo non è sottoposto a regole ambientali particolarmente rigorose.

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I settori che usano il carbone

Source International Energy Agency, 2009

• Il settore industriale che utilizza maggiormente il carbone è quello della produzione di energia elettrica.

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Aumento di efficienza nel settore dell’energia elettrica• Il problema dell’emissione di CO2 nel settore della produzione di energia

elettrica da carbone è affrontato essenzialmente cercando di sviluppare tecnologie ad elevata efficienza e basse emissioni (High-Efficiency, Low-Emissions (HELE)).

• Secondo l’EIA (International Energy Agency):- nel 2011 circa il 50% delle nuove centrali termoelettriche sono state

costruite con tecnologie di tipo HELE, con uso di carbone polverizzato (supercritical (SC) e ultra-supercritical (USC) combustion units);

- anche se la quota di tecnologia HELE negli ultimi 10 anni è quasi raddoppiata, sono in fase di costruzione ancora troppe unità subcritiche non-HELE,

- circa tre quarti delle unità operative utilizzano tecnologie non HELE; - più della metà della centrali attuali ha oltre 25 anni e comprende unità di

potenza inferiore a 300 MW• Le centrali a carbone USC più efficienti raggiungono un’efficienza del 45% del

PCI (contro le centrali di vecchia generazione che si aggirano tra 25 e 33%) e riducono le emissioni medie globali di gas combusto a 740 gCO2 / kWh.

• Ulteriore sviluppo che può ridurre l’emissione di CO2 a circa 670 g/kWh richiede, in ingresso alla turbina, l’uso di gas a temperature di circa 1500 °C.

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“Cattura con stoccaggio della CO2” e “Fonti rinnovabili”• Un modo diverso di affrontare il problema dell’aumento dei gas serra in

atmosfera è la cattura e lo stoccaggio della CO2 ma questo non comporta la riduzione del consumo di carbone. In questo campo sono stati svolti esperimenti che hanno dimostrata la fattibilità del metodo (CCS).

• Le tecnologie in grado di ridurre il consumo di carbonio fossile sono le fonti di energia rinnovabili.

Esse sono:- l'irraggiamento solare (per produrre energia chimica, termica ed elettrica);

- il vento (fonte di energia meccanica ed elettrica);

- le biomasse (combustione, in appositi impianti per generazione termica e cogenerazione di calore ed elettricità)

- le maree e le correnti marine in genere;

- le precipitazioni meteoriche, utilizzabili tramite il dislivello di acque (fonte idroelettrica). 12


“La densità energetica delle fonti rinnovabili”• Le fonti rinnovabili sono sicuramente un metodo per ridurre l’uso di carbone

nel produrre energia elettrica, tuttavia generalmente hanno dei limiti legati ad una bassa densità energetica e/o alla periodicità. Ad oggi hanno sicuramente valenza per l’uso domestico, o per l’illuminazione.

http://www.progettogea.com/gea/energia/energia5.7.htm13


“Fonti energetiche alternative ma non rinnovabili”

• L'energia nucleare non è da annoverare fra le energie rinnovabili (soprattutto per ciò che riguarda l'energia da fissione), in quanto si basa sullo sfruttamento di riserve di combustibili di origine minerale presenti sul pianeta in quantità limitate.

• Ad oggi le tecnologie di fusione nucleare sono ancora da sviluppare in termini industriali, non si possono quindi considerare come alternative ai combustibili fossili.

• Anche sulla classificazione dell'energia geotermica non esiste uniformità di giudizio, in quanto è stata rilevata e osservata la possibilità di esaurimento di un campo geotermico. Inoltre la produttività dei pozzi tende a diminuire nel tempo, anche del 30% in dieci anni.

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“Le fonti energetiche rinnovabili”• Le fonti rinnovabili ad oggi rappresentano quasi il 20 % dei consumi mondiali

di energia.• Di queste circa la metà (10%) sono fornite da biomasse (legno e biogas), il 4%

da oli biologici, il 4% da energia di origine idraulica. Il restante 2% dal sole e dal vento.

http://waitbutwhy.com/2014/03/energy-dummies.html15


“Conclusione”• Ad oggi il carbone, come pure il petrolio ed il gas naturale, sono ancora fonti di

energia insostituibili.

• La riduzione delle emissioni di CO2 sono perseguibili soprattutto migliorando l’efficienza di combustione mediante tecnologie di tipo HELE che fanno uso di carbone polverizzato in unita di potenza che operano a temperature altissime.

• Le energie rinnovabili sono sempre più utilizzate ma non sono ancora in grado di soddisfare più del 20% del fabbisogno di energia. Il limite principale è la bassa densità energetica. Vi sono tuttavia ancora ampi margini per migliorarne l’efficienza e la diffusione soprattutto per l’uso domestico.

• La tecnologia nucleare, soprattutto quella riguardante la fissione non ha grandi prospettive di sviluppo, mentre la “Fusione nucleare” non è ancora a un livello tale da poter essere industrializzata.

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