Sequestro del CO2: miti e realtà

CO2_Sweeper

La Carbon Capture and Storage (CCS) è spesso vista come una panacea rispetto all’aumento del diossido di carbonio in atmosfera. L’idea di sequestrare sotto terra il CO2 ha indubbiamente un suo fascino psicologico, ma quanto assomiglia alla pratica di nascondere alla vista lo sporco mettendolo sotto il tappeto?

Un esame della fattibilità tecnica della CCS a scala globale rivela che questa pratica è un mito, soprattutto rispetto al tempo ristretto che rimane all’umanità per rimediare alle emissioni climalteranti.

di Dario Zampieri

Nota: Una versione più completa di quest’articolo è reperibile sul sito di  ASPO Italia.

Una delle azioni di mitigazione del cambiamento climatico antropogenico, specificatamente per ridurre le emissioni di diossido di carbonio (CO2) prodotte dalle centrali di generazione elettrica a carbone e da altre sorgenti industriali, è comunemente ritenuta essere la Carbon Capture and Storage (CCS). L’idea è stata promossa nientemeno che dall’Intergovernmental Panel on Climate Change (Special Report 2005, Working Group III). Tuttavia, in una prospettiva globale per avere un qualche significato nel ridurre l’accumulo in atmosfera di gas serra la CCS deve operare a scala massiccia, nell’ordine di 3.5 Gt (miliardi di tonnellate) di CO2 per anno, un volume circa equivalente ai 30 miliardi di barili di petrolio prodotti annualmente nel mondo (si immagina che il CO2 possa andare ad occupare i pori della roccia liberati dal petrolio). L’applicazione su larga scala è ancora una ipotesi non attuabile nel medio periodo, essendovi numerose problematiche di natura tecnologica ed economica da risolvere. Si stima che siano necessari 20-30 anni per la messa a punto del processo di cattura, di più per quello dello stoccaggio.

Tra le problematiche relative alla sicurezza dei siti di stoccaggio, un problema basilare è dato dalla garanzia della tenuta per almeno 10.000 anni delle rocce che dovrebbero sigillare i serbatoi geologici di CO2. I serbatoi profondi ideali candidati per l’iniezione di CO2 sono quelli che ospitano idrocarburi, in quanto il CO2 iniettato può sostituire i fluidi estratti. Tuttavia esistono severe limitazioni al tasso di iniezione di sicurezza rispetto l’induzione o l’innesco di sismi, specialmente dove le rocce hanno una bassa permeabilità ed una scarsa estensione laterale. Il problema principale non è dovuto alla presenza di grandi faglie in grado di produrre eventi con magnitudo al di sopra della soglia del danno. Infatti, tali faglie, anche se non affioranti, sono facilmente identificabili con le indagini geofisiche. Questo non succede invece per le faglie con dimensioni minori in grado di generare terremoti piccoli e moderati, che sono diffuse in tutta la crosta continentale e possono rappresentare un problema per la sicurezza dello stoccaggio.

Secondo Zoback e Gorelick (2012) l’impatto di questi eventi minori sui serbatoi di CO2 non è irrilevante. Generalmente le formazioni geologiche usate per lo stoccaggio profondo sono a profondità di circa 2 km, abbastanza profonde da garantire una sigillatura da parte di rocce impermeabili soprastanti, ma non così profonde da incontrare rocce con bassa permeabilità. L’iniezione di grandi volumi di CO2 per molte decadi può innescare sismi che danneggiano l’integrità delle rocce che fanno da sigillo. Un evento di Magnitudo 4, ben avvertito dalle popolazioni ma non in grado di produrre danni, può invece produrre uno scorrimento di parecchi centimetri su di una faglia di qualche km di lunghezza, aumentandone la fratturazione e la permeabilità della roccia e potendo far sfuggire la CO2 verso la superficie.

Nel mondo esistono oltre 300 progetti pilota sull’iniezione di CO2, principalmente a piccola scala. Tra questi solo 8 sono quelli operativi e di questi solo 3 sono realmente dedicati a contrastare il cambiamento climatico (Sleipner e Snøhvit in Norvegia, In Salah in Algeria). Gli altri 5 sono in realtà impianti che iniettano il CO2 per aumentare il recupero di petrolio, ma non sottraggono definitivamente il carbonio dall’atmosfera.

Il caso di successo più citato è quello del giacimento di gas Sleipner nel Mare del Nord, dove insieme al gas viene prodotto CO2, che dopo esser stato separato è stato iniettato per una quindicina di anni senza produrre sismicità. L’iniezione viene praticata in roccia arenaria molto porosa e con grande estensione laterale (formazione Utsira), fattori che limitano l’aumento di pressione. Inoltre dato il basso grado di cementazione, sotto sforzo questa arenaria è in grado di deformarsi lentamente, prevenendo la formazione di faglie.

Per contribuire in modo significativo alla riduzione dell’emissione di gas serra, è stato calcolato che servirebbero circa 3500 siti simili alla formazione Utsira, localizzati ovviamente dove servono, cioè in vicinanza delle fonti di CO2. Con un tasso di iniezione di 1 milione di tonnellate di CO2 per anno, per stoccare 1 miliardo di tonnellate entro il 2050 sarebbe necessaria l’entrata in funzione di circa 85 siti di questo tipo per anno. Un’impresa pressoché impossibile.

Fissazione chimica

Nel 2005 Wally Broecker, geochimico pioniere delle datazioni tramite radiocarbonio ed isotopi e leader nel raccomandare la limitazione delle emissioni di CO2, tenne all’università di Reykjavik una lezione sul cambiamento climatico e la conseguente necessità della CCS. Il presidente islandese era presente e fu colpito al punto da proporre a Broecker di fare diventare l’Islanda il primo paese al mondo CO2 neutrale. Insieme decisero di condurre un esperimento per capire se l’iniezione di CO2 nella roccia basaltica, di cui l’isola è fatta, sarebbe stato in grado di fissare il CO2 facendolo reagire col magnesio e il calcio dei minerali costituenti il basalto. Tale modalità di fissazione chimica, piuttosto che il semplice stoccaggio sotterraneo, avrebbe consentito di prevenire la fuga in atmosfera del CO2 .

Per evitare il costoso trasporto del CO2 dal punto di produzione (ad es. dagli impianti di produzione di alluminio) fino al sito di iniezione fu deciso di utilizzare un piccolo impianto di generazione elettrica tramite vapore ad elevata temperatura rilasciato nella zona di rift. La società di energia islandese offrì di isolare il CO2 e di costruire un pozzo di 500 m di profondità distante circa 2 km da uno degli impianti di generazione. Il progetto, denominato CarbFix, fu pronto solo nel 2012. Per avere una risposta veloce alla domanda se fosse possibile sequestrare in tal modo il CO2, fu deciso di iniettare CO2 dissolto in acqua a 25 atmosfere, nonché di estrarre l’acqua dal pozzo a valle con una pompa.

Le simulazioni effettuate indicano che il CO2 iniettato verrebbe completamente mineralizzato in 10 anni sotto forma di carbonati (Aradóttir et al. 2012). Se il metodo potesse esser replicato a scala mondiale, potrebbe essere un’alternativa sicura alla semplice iniezione del CO2 nei bacini sedimentari. Inoltre, la dissoluzione in acqua, piuttosto che la semplice iniezione del CO2 gassoso, si è dimostrata utile anche per evitare il ritorno in superficie tramite le fratture del basalto. In questo modo, la sigillatura della formazione iniettata e la sua profondità non sarebbero più così importanti come nell’iniezione di solo gas, e questo incrementa la disponibilità di siti. Tuttavia, dato il grande volume di acqua da iniettare, maggiore è il consumo di energia e quindi il costo.

Nessuno è attualmente in grado di dire se la fissazione nei basalti sia praticabile ad una scala che sia più che un esperimento. Teoricamente, in un metro cubo di roccia basaltica possono essere depositati 70 kg di CO2. Nei continenti il basalto è relativamente abbondante (circa 10%), mentre negli oceani è il costituente principale della parte superficiale della crosta. Tuttavia, nei continenti è concentrato in poche aree, mentre negli oceani sarebbe accessibile a debole profondità solo nelle dorsali sommerse che solcano gli oceani in posizione equidistante dai continenti (l’Islanda ne è una piccola porzione emersa) e situate a migliaia di chilometri dalle coste continentali.

In ambito continentale resta inoltre aperta la questione dei danni materiali della sismicità indotta e innescata, che è proporzionale ai volumi iniettati nel sottosuolo e che determina la scarsa accettazione sociale della pratica del sequestro di CO2 in aree abitate. Nel dicembre 2011 il progetto di CCS di Vattenfall (Brandenburg, Germania) è fallito a causa della forte opposizione della cittadinanza, oltre che per l’impasse politico riguardo alla legislazione tedesca sulla materia.

Una dura realtà

Dal punto di vista del geofisico, Zoback e Gorelick (2012) concludono che non è in discussione se il CCS sia praticabile in un dato sito. La domanda è se sia possibile stoccare nel sottosuolo volumi di CO2 sufficienti per avere effetto sul cambiamento climatico, considerando anche che modeste perdite dell’1% per migliaia di anni richiederebbero il continuo risequestro. Bisogna riconoscere che il CCS a larga scala sarebbe una strategia estremamente costosa e rischiosa.

Purtroppo, vi sono altre considerazioni che sovrastano le conclusioni di Zoback e Gorelick . Vi è un generale consenso sul fatto che per non esporci a rischi inaccettabili l’aumento globale medio di temperatura non dovrebbe superare i 2°C rispetto la temperatura media dell’epoca pre-industriale. È stato stimato che per avere almeno un 50% di possibilità di restare al di sotto dei 2°C durante il secolo corrente, tra il 2011 e il 2050 le emissioni cumulative di CO2 dovrebbero esser limitate a circa 1100 Gt (Meinshausen et al. 2009). Tuttavia, le emissioni di gas serra collegate alle attuali stime delle riserve di combustibili fossili sono almeno tre volte superiori. Ne consegue che l’obiettivo di restare al di sotto dei 2°C di aumento medio di temperatura è incompatibile coi consumi attuali dei fossili.

McGlade e Ekins (2015) hanno stimato che, globalmente, per non superare i 2°C di aumento medio di temperatura il 35% del petrolio, il 52% del gas e l’88% del carbone dovrebbero esser lasciati sottoterra fino al 2050. Se la pratica del CCS fosse disponibile a partire dal 2025 (ma abbiamo visto che non lo sarà per almeno 30 anni) le percentuali cambierebbero di poco: il 33% del petrolio, il 49% del gas e l’82% del carbone non sarebbero utilizzabili.

La pratica del CCS come parte della soluzione del problema climatico appare dunque un mito già infrantosi di fronte alla dura realtà dei dati. Continuare a sostenerlo serve solo ad illudersi che il nostro sistema economico basato sulla crescita infinita sia ancora praticabile e dunque a non cambiare. Ma questa illusione potrebbe essere fatale, in quanto anche la transizione a una società basata sulle rinnovabili, inevitabile per far fronte sia alla sfida climatica che all’esaurimento del petrolio convenzionale, richiede investimenti che sottraggono una parte dell’energia netta disponibile. Il tasso di investimento in energia rinnovabile necessaria per mantenere l’economia e la popolazione mondiali dovrebbe aumentare almeno di un ordine di grandezza (Sgouridis et al. 2015). Il tempo stringe, sarebbe bene prendere coscienza del problema, consapevoli che il tremendo sforzo richiesto per mantenere il pianeta entro uno scenario di sicurezza è pari a quello di una mobilitazione da stato di guerra.

RIFERIMENTI

Aradóttir et al. Multidimensional reactive transport modeling of CO2 mineral sequestration in basalts at the Hellisheidi geothermal field, Iceland. Int. J. Greenhouse Gas Control, 9, 24-40 (2012).

Ellsworth W.L. Injection-induced earthquakes. Science 341 (2013).

McGlade C. & Ekins P. The geographical distribution of fossil fuels unsed when limiting global warming to 2°C. Nature 517, 187–190 (2015).

Meinshausen et al. Greenhouse gas emission targets for limiting global warming to 2°C. Nature 458, 1158-1162 (2009).

Sgouridis S., Bardi U. & Csala D. A net energy-based analysis for a climate-constrained sustainable Energy transition. Physics and Society, arXiv:1503.06832 (2015).

Zoback M.D. & Gorelick S.M. Earthquake triggering and large-scale geologic storage of carbon diaxide. PNAS (2012).

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14 risposte a “Sequestro del CO2: miti e realtà

  1. per illudere ci vogliono i miti. Il CCS è uno di questi. La baldoria del BAU si può fermare solo con le cattive, quindi militarizzazione della società. Lo so che le violenze sui civili non sono eticamente accettabili, ma almeno si finirebbe con queste pagliacciate vergognose dell’Expo, della TAV, dei migranti, delle ONLUS, dei CIP6, di Roma ladrona e chi più ne ha più ne metta.

  2. Parlando di CO2 gassoso avrei le seguenti domande:
    1: Il CO2 gassoso eventualmente iniettato in un giacimento ha un volume (in base alla pressione) molto superiore al combustibile che è stato estratto.
    In altre parole: se estraggo un litro di petrolio e lo brucio avrò un volume di CO2 da stoccare molto superiore al litro originale.
    E’ corretto?

    2: Stoccare il CO2 significa rimuovere dall’ATM carbonio ma anche ossigeno.
    Casomai (ne dubitiamo) il CSS possa funzionare possono esserci contraddizioni?

    • 1: nelle condizioni di serbatoio, 1 miliardo di tonnellate di CO2 occupa un volume di circa 1.3 miliardi di metri cubi (8.18 miliardi di barili). Infatti, assumendo una pressione litostatica (=rgz, dove r= ca 2.7 g/cm^3, g=9.8 ms^-2, z=profondità) si hanno 265 atmosfere/km di profondità. Per esempio a 2 km si superano le 400 atm e il CO2 è in fase supercritica con una densità di ca 0.8 (a T ambiente).
      Quindi 3.5 miliardi di tons di CO2 corrispondono a un volume di ca 28.6 miliardi di barili, che è il volume di olio estratto annualmente.
      Inoltre si possono ancora sommare i volumi di gas estratto.

      2: poiché la percentuale media di O2 in atmosfera (al suolo) è del 21%, contro le 400 ppm del CO2, ci sono 3 ordini di grandezza di diversità, per cui non è un problema se per ogni atomo di C si sequestrano 2 atomi di O.

      dario z

  3. Insomma, la sensazione “superficiale” secondo cui il CCS è un nascondere la spazzatura sotto i tappeti sembra confortata da tati scientifici. Grazie Dario. Leo

  4. Sarò un sognatore, ma io credo che l’unico modo per sequestrare CO2 in quantità significative siano le nuove tecniche di lavorazione agricola con cover-crop e roller crimper, in grado di sequestrare fino a 2 t di CO2 per ettaro. Se si praticasse a livello globale si potrebbero sequestrare anche più dei 3,5 Gt di CO2 all’anno. Basta fare due calcoli (superficie coltivata in ettari per 2 t di CO2). Non capisco perchè non se ne parli mai, nè si cerchi di diffondere di più queste tecniche.

    • “in grado di sequestrare fino a 2 t di CO2 per ettaro.”
      Non significa ogni anno.

      • Io intendevo proprio all’anno. Basta pensare a quante tonnellate di biomassa vegetale produce un campo all’anno, specie se seminata per esempio a segale o un misto cereale-leguminosa. Certo, una parte verrebbe ossidata e tornerebbe in atmosfera, soprattutto nello strato superficiale, ma almeno l’80% resterebbe nel suolo. Se non si lavora la terra e si incrementa negli anni lo strato di humus il carbonio sequestrato rimarrebbe lì per decine di anni. Nei primi venti-trent’anni almeno si potrebbe così fissare moltissimo carbonio nel suolo. 2 t in realtà è una stima molto prudente, ma considerando che la capacità di sequestrare il carbonio del suolo dipende sia dal tipo di suolo che dal clima, facendo si che in certi climi questa capacità sia molto minore che nei climi temperati, 2 t può essere una buona approssimazione. Infatti nei climi poco piovosi l’incremento annuo di carbonio può essere abbastanza ridotto, anche inferiore ai 50g per mq all’anno (0,5 t/ha), mentre nei climi temperati piovosi, dove la produzione di biomassa è maggiore, si può arrivare anche 500g/mq (5 t/ha) annui. Sicuramente in questo campo c’è ancora molto da studiare. E ci sono piante che più di altre si presterebbero alla cattura rapida di CO2, come la canapa, che produce 10-13 t di secco per ha all’anno. Molto interessanti alcuni studi: “Management options for reducing CO 2 -concentrations
        in the atmosphere by increasing carbon
        sequestration in the soil”, Niels H. Batjes
        “Regenerative Organic Agriculture and Climate Change
        A Down-to-Earth Solution to Global Warming” Rodale institute, Ma anche il libro bianco della Rete Rurale Nazionale “Sfide ed opportunità dello sviluppo rurale per la mitigazione e l’adattamento ai cambiamenti climatici” contiene molte info interessanti. Scusate la lunghezza ma non si può semplificare sempre troppo. Grazie per la pazienza

  5. Mauro, stai più attento:
    “Se si praticasse a livello globale si potrebbero sequestrare anche più dei 3,5 Gt di CO2 all’anno”.
    Anche se fare tale pratica si scontra con innumerevoli interessi di parte.
    🙂 Marco Sclarandis

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