Non molto tempo fa, la frase "carbone pulito" sembrava un ossimoro. Le centrali elettriche a carbone emettono una miscela di inquinanti atmosferici di una strega che, a meno che non venga rimossa con i lavapavimenti, offuschi l'aria, crea piogge acide e può causare asma o attacchi di cuore. E le centrali a carbone emettono il doppio del biossido di carbonio che riscalda il pianeta delle centrali elettriche a gas naturale.
Un nuovo tipo di reattore, tuttavia, che cattura oltre il 99 percento del biossido di carbonio generato dalla combustione del carbone, potrebbe rendere possibile il "carbone pulito". L'anidride carbonica può essere riposta in sicurezza sotto la superficie terrestre dove non può contribuire al cambiamento climatico.
Questo reattore catturerebbe carbonio senza aumentare il prezzo dell'elettricità e ciò potrebbe renderlo commercialmente praticabile. "È un modo completamente nuovo di generare energia da carbone a basse emissioni di carbonio", afferma Karma Sawyer che dirige il programma di ricerca sul carbone pulito presso l'agenzia di ricerca del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ARPA-E, che ha finanziato il lavoro.
La combustione del carbone è responsabile della produzione di circa il 40 percento dell'elettricità mondiale, ma produce i tre quarti degli oltre 12 miliardi di tonnellate di anidride carbonica emesse durante la generazione di elettricità e calore. Per rendere il carbone non inquinante, l'anidride carbonica dovrebbe essere catturata prima di essere emessa e permanentemente rinchiusa sotto terra. Ma nonostante anni di ricerche, nessuna delle centrali elettriche a carbone negli Stati Uniti lo fa.
Tuttavia, le centrali elettriche a carbone forniscono ancora gran parte dell'elettricità mondiale e le riserve di carbone negli Stati Uniti e altrove rimangono abbondanti e convenienti. Per questi motivi - e a causa del peso politico dell'industria carboniera - il DOE ha investito oltre 3, 4 miliardi di dollari in tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio.
La tecnologia di cattura del carbonio più avanzata di oggi, chiamata lavaggio con ammina, è efficace e matura, ma è troppo costosa. Nella pulizia con ammine, che prende il nome dalle alchilamine utilizzate nel processo, il carbone viene prima bruciato nel solito modo, con aria, e il gas di scarico risultante bolle attraverso un liquido che intrappola l'anidride carbonica. Quindi il liquido viene riscaldato per rilasciare l'anidride carbonica, che fuoriesce tanto quanto una lattina fredda di soda emette bolle di biossido di carbonio mentre si riscalda a temperatura ambiente. Questo processo assorbe quasi un terzo dell'energia prodotta dall'intera centrale elettrica, abbastanza da giustificare un aumento dei prezzi dell'80% per i consumatori. Un simile aumento dei costi è insostenibile, quindi i servizi pubblici hanno evitato di installare tali lavasciuga.
Alcuni anni fa, il DOE ha sfidato i ricercatori a ideare una tecnologia in grado di rimuovere oltre il 90 percento dell'anidride carbonica emessa da un impianto, mantenendo al contempo il prezzo dell'elettricità alimentata a carbone proveniente da un impianto convenzionale dall'aumento di oltre il 35 percento fino ad oggi . Finora il DOE ha investito nella ricerca su oltre una dozzina di tecnologie sperimentali per l'eliminazione del carbonio. "Non esiste ancora un proiettile d'argento, motivo per cui abbiamo un grande programma", afferma Lynn Brickett, direttore della divisione della divisione impianti esistenti del National Energy Technology Laboratory del DOE a Pittsburgh, in Pennsylvania.
Una delle nuove tecnologie più promettenti inizia con il carbone polverizzato, un mix secco la consistenza della polvere di talco che è già stata bruciata in molte centrali elettriche a carbone. Il carbone polverizzato viene miscelato con particelle di ferro parzialmente arrugginite delle dimensioni di un gelato che spruzza all'interno di un reattore caldo a 1.650 gradi Fahrenheit. La miscela carbone-ferro subisce una reazione chimica che rimuove la ruggine e produce anidride carbonica e vapore, che viene quindi raffreddato e l'acqua liquida si condensa fuori, lasciando un flusso altamente purificato di anidride carbonica.
Le particelle di ferro prive di ruggine si spostano quindi in un secondo reattore, dove vengono bruciate sotto aria, provocandone la ruggine. Questa reazione di ruggine produce abbastanza calore per far bollire l'acqua e il vapore che ne risulta guida una turbina che produce elettricità.
Il materiale che cattura il carbonio non ha bisogno di essere riscaldato separatamente per liberare anidride carbonica pura, come avviene nella pulizia con ammina, e per questo motivo "i requisiti energetici di cattura sono quasi trascurabili", spiega Liang-Shih Fan, la chimica della Ohio State University ingegnere che ha guidato questa ricerca.
I sottoprodotti della tecnica possono essere riproposti, fornendo ulteriore costo-efficacia. Il flusso di anidride carbonica pura può essere venduto ai produttori di petrolio, che possono iniettarlo in pozzi per lo più spesi per consentire l'estrazione di frammenti di petrolio preziosi ma difficili da raccogliere. Il processo può anche essere modificato per produrre idrogeno puro in aggiunta all'elettricità e all'anidride carbonica e che l'idrogeno può essere bruciato in modo pulito per l'elettricità o venduto come materia prima per la produzione chimica industriale.
"Il lavoro dei fan nello stato dell'Ohio è l'unico processo al mondo che può consentire a tutti e tre questi [elettricità, anidride carbonica e idrogeno] di essere prodotti separatamente", afferma Sawyer.
Gli ingegneri si sono lasciati anche altre opzioni. Alcune modifiche alla progettazione del reattore gli consentono di funzionare negli impianti di gassificazione del carbone, un nuovo tipo di centrale elettrica che brucia parzialmente il carbone per produrre gas naturale sintetico, o syngas, quindi brucia il syngas per produrre elettricità. Sebbene solo due grandi impianti di gassificazione del carbone siano attualmente in costruzione negli Stati Uniti, nel Mississippi e nell'Indiana, gli esperti prevedono che molti futuri impianti a carbone useranno la tecnologia.
Fan e i suoi colleghi hanno recentemente costruito un reattore pilota su scala di laboratorio nel campus dello stato dell'Ohio e in febbraio hanno riferito di averlo fatto funzionare per nove giorni. Potrebbe non sembrare molto tempo, ma è la corsa più lunga di sempre per questo tipo di tecnologia di cattura del carbonio. E il reattore ha rimosso oltre il 99 percento del biossido di carbonio prodotto.
Nonostante il successo, la nuova tecnologia ha molti ostacoli da saltare prima che possa essere utilizzata commercialmente. Il reattore deve superare un test su larga scala con i fumi reali della centrale elettrica, che ha contaminanti che potrebbero danneggiare le parti metalliche del reattore, ad esempio, e deve resistere fino a anni di operazioni ad alta temperatura e alta pressione.
Tale test è in corso per la tecnologia di looping del syngas del team. Gli ingegneri dello stato dell'Ohio hanno collaborato con una mezza dozzina di aziende che producono forniture o parti per centrali elettriche a carbone per costruire un impianto pilota da 14 milioni di dollari, sei piani e 250 kilowatt da $ 14 al National Carbon Capture Center del DOE a Wilsonville, Alabama. Questo reattore di prova funzionerà con syngas prodotto in un impianto di gassificazione del carbone su scala dimostrativa gestito dalla Southern Company al centro e funzionerà alle alte temperature e alle alte pressioni tipiche degli impianti commerciali. (Divulgazione: Southern Company è inserzionista su Smithsonian.com, ma questa storia è stata commissionata in modo indipendente.) "Stiamo testando condizioni molto applicabili dal punto di vista commerciale", afferma Andrew Tong, un ricercatore del gruppo di Fan che sta aiutando a coordinare il test.
Anche se lo sforzo avrà successo, sarebbero necessari ulteriori test pilota poiché una vera centrale elettrica a carbone è circa 1.000 volte più grande della prevista pianta pilota dell'Alabama. La tecnologia dello stato dell'Ohio "ha ancora molta strada da fare per generare elettricità in una centrale elettrica alimentata a carbone o a gas naturale", afferma Sawyer.
Se la tecnologia dovesse avere successo su larga scala e dimostrare di essere in grado di rimuovere tutto il biossido di carbonio e gli inquinanti atmosferici dalla combustione del carbone, i reattori a ciclo chimico non sarebbero ancora il modo più pulito, economico o più sano per produrre elettricità. I minatori di carbone muoiono per la malattia del polmone nero e il mio crollo e intere catene montuose vengono decapitate per estrarre carbone. Anche il carbone pulito produce cenere che si accumula in stagni di stoccaggio o discariche, minacciando l'inquinamento delle acque sotterranee e dei fiumi. Quando vengono presi in considerazione i costi sanitari e ambientali, le energie rinnovabili come il vento e il solare rimangono più economiche.
Ma con sette miliardi di persone affamate di energia a basso costo e di centrali elettriche a carbone che fanno esplodere milioni di tonnellate di gas di cottura del pianeta nell'atmosfera ogni giorno, non si possono trascurare nuovi modi per bruciare carbone in modo pulito. "Devi trovare qualcosa in grado di gestire tutte le sfide", afferma Sawyer. "Ecco perché questi progetti sono così entusiasmanti."
