Oggi:

2017-08-21 02:52

Per un’Economia Neutra al Carbonio

IL POSSIBILE CONTRIBUTO DEL METANOLO

di: 
Francesco Oriolo

Esattamente trent’anni fa – si era nel 1986 - il metanolo, sostanza sino ad allora non molto nota al grande pubblico, acquistò improvvisamente una cattiva fama per essere stato al centro di un clamoroso caso di frode alimentare, la produzione di vino adulterato, che il suo uso rendeva addirittura un veleno letale. In realtà, il metanolo è da sempre utilmente impiegato nell’industria e la sua produzione sta anzi registrando una rapida crescita.
In questo articolo ne viene presentato l’impiego quale possibile vettore di energia, semplice da trasportare e da utilizzare, di elevata efficienza nella combustione. Inoltre, producendo il metanolo per idrogenazione del biossido di carbonio, cioè riciclando la CO2, si potrebbe giungere ad un bilancio quasi in pareggio tra la produzione ed il consumo del gas serra oggi più estensivamente immesso nell’atmosfera con l’uso dei combustibili fossili.
Per quanto attiene all’energia necessaria per la produzione del metanolo, l’autore fa frequente riferimento anche all’energia nucleare. Al di là dei diversi convincimenti personali su questa più che mai controversa fonte di energia, la sua oggettiva improponibilità, quanto meno nell’attuale realtà italiana, non riduce l’interesse dell’articolo, dal momento che, come è pure indicato in esso, l’energia può essere, anche a quei fini, utilmente prodotta attraverso le fonti rinnovabili.

La COP21, nell’affrontare gli effetti del cambiamento climatico, ha previsto una drastica riduzione dell’uso dei combustibili fossili, con una richiesta da parte del Gruppo intergovernativo sul cambiamento climatico (IPCC) di arrivare a una riduzione delle emissioni di gas serra del 70% rispetto ai livelli attuali intorno al 2050 (target quantitativo assente nell’accordo finale).

Vi sono tre principali fonti di energia primaria: combustibili fossili, energia nucleare ed energie rinnovabili. Senza un uso sinergico di queste fonti e lo sviluppo di sistemi ibridi non sarà possibile soddisfare le aspirazioni dei popoli verso uno sviluppo socio - economico durevole e a basso impatto ambientale. Considerare le fonti energetiche in lotta fra loro è stato un errore storico ed è necessario invertire il paradigma per sfruttare le loro sinergie in modo da garantire sia la sicurezza degli approvvigionamenti energetici che la compatibilità ambientale, evitando il riscaldamento globale.

Alla COP21 è mancata una chiara volontà politica di mettere in atto azioni concrete, in termini di programmi di R&D e di prezzo globale del carbonio, per avviare una transizione realistica dai combustibili fossili a un’economia neutra al carbonio. Il settore dell’energia, responsabile di circa i due terzi delle emissioni globali di gas serra (GHG), ha necessità di un programma ambizioso d’investimenti condivisi per affrontare la sfida del cambiamento climatico e quella di garantire la sicurezza delle forniture energetiche. Nuovi progressi tecnologici sono necessari nell’accumulo dell’energia e nella produzione dei combustibili liquidi, che dipendono quasi totalmente dai combustibili fossili. Essi hanno peso diverso nei vari settori dell’energia, dei trasporti, della petrolchimica e della farmaceutica.

I combustibili fossili sono risorse limitate e avranno una transizione variabile da settore a settore, però rimarranno ancora per lungo tempo la nostra maggiore risorsa energetica e la materia prima per produrre materiali artificiali, come i combustibili liquidi sintetici, le plastiche, i vari prodotti petrolchimici e farmaceutici. Essendo risorse limitate si pone il problema di un loro uso sinergico ed innovativo con lo scopo primario di risparmiare risorse non rinnovabili da conservare per le necessità delle future generazioni e per l’avvio di una transizione realistica verso un’economia neutra al carbonio, basata sul riciclo del biossido di carbonio mediante riduzione con idrogeno prodotto con energia da fonti nucleari o rinnovabili. In questo contesto d’uso efficiente delle risorse naturali s’inquadra la ricerca del premio Nobel della chimica nel 1994, George Olah, e dei suoi collaboratori, che hanno creato le basi scientifiche e la fattibilità tecnica per il riciclo del biossido di carbonio (CO2) e per l’uso del metanolo come vettore di energia, alternativo nel lungo termine al petrolio e ai combustibili fossili.

Il metanolo (CH3OH) è il più semplice alcool, ad alto numero di ottani (133 ottani), liquido, incolore; è tossico se ingerito ed è considerato un veleno, però la sua tossicità è paragonabile a quella della benzina e del gasolio. Il metanolo non è una fonte primaria di energia, ma un vettore energetico ideale, che può essere prodotto da qualsiasi fonte energetica e mediante più processi produttivi: gassificazione dal carbone (syngas), conversione ossidativa del gas naturale o metano, idrogenazione del biossido di carbonio (CO2) o riciclo della CO2.. Se é prodotto da fonte nucleare e/o rinnovabile diventa l’elemento base per un’economia “neutra al carbonio”, con possibile riduzione delle concentrazioni di biossido di carbonio in atmosfera. Questa economia, il cui ciclo è mostrato schematicamente in Fig. 1, è stata chiamata “The Methanol Economy”. In essa, i combustibili fossili non sono usati per generare elettricità, ma come materia prima per produrre combustibili sintetici e materiali artificiali. 

Fig. 1: Fonti di energia primaria e produzione di vettori energetici in “The Methanol Economy”

L’aspetto più interessante della visione di George Olah e dei suoi colleghi è che il metanolo è liquido a temperatura ambiente, facile da trasportare, immagazzinare e accumula molto bene l’energia chimica. Se si vuole anticipare l’era del post - petrolio è necessario sviluppare vie flessibili e sicure per immagazzinare e distribuire l’energia da qualunque fonte primaria sia generata, in modo da poter disporre subito di combustibili sintetici, rinnovabili e compatibili con l’ambiente in termini di emissioni di gas serra. Il metanolo e il suo derivato, l’etere di-metilico (DME, CH3OCH3), hanno alto numero d’ottani e cetani, si prestano bene a essere miscelati e a sostituire rispettivamente la benzina e il diesel. Il metanolo rispetto al vettore idrogeno ha una maggiore densità di potenza e immagazzina una maggiore quantità di energia chimica. Se confrontiamo la potenza di un litro di benzina, con quella dell’idrogeno liquido (senza tener conto dell’enorme quantità di energia necessaria alla liquefazione) e a quella del metanolo si ha:

- 3.12 m3 d’idrogeno gassoso in condizioni normali;

- 4.13 litri d’idrogeno liquido;

- 2.71 litri di metanolo.

La più bassa densità di energia del metanolo rispetto alla benzina è compensata da una più alta efficienza nella combustione; il metanolo, al contrario dell’idrogeno è facilmente trasportabile e può essere distribuito con le stesse infrastrutture esistenti per il petrolio. Il metanolo e il suo derivato, l’etere di-metilico (DME), sono non solo eccellenti combustibili per motori a combustione interna e per celle a combustibile, ma anche materia prima per produrre idrocarburi sintetici e loro derivati. I due vettori differiscono, nei motori a combustione interna, per i prodotti della combustione: con comburente idrogeno il prodotto della reazione stechiometrica è l’acqua, mentre per il metanolo è il biossido di carbonio. Entrambi i vettori soddisfano i requisiti di sviluppo sostenibile se sono prodotti mediante l’energia nucleare e le energie rinnovabili. Nel caso del metanolo si può raggiunge il quasi equilibrio tra CO2 riciclata e quella prodotta (da qui la “neutralità al carbonio”), mentre per l’idrogeno si ha una riduzione netta della CO2. Però la combustione reale è differente da quella stechiometrica e gran peso hanno gli ossidi di azoto (NOx), il particolato, gli incombusti ecc..

L’idrogeno è l’elemento più abbondante sulla terra (acqua, sostanze organiche e anche in alcune sostanze inorganiche), ma è scarsamente presente allo stato libero e molecolare sul nostro pianeta. Queste caratteristiche, e anche i problemi di sicurezza e di trasportabilità, ne hanno limitato lo sviluppo come vettore energetico, anche se rimane un intermedio necessario nella petrolchimica e nella produzione di metanolo e nel riciclo per idrogenazione del biossido di carbone. La natura dell’idrogeno condiziona la sua produzione e il suo consumo in sito; il suo utilizzo come intermedio cresce a tassi annui di 4-10% nella fabbricazione dei fertilizzanti, dei combustibili sintetici, dell’ammoniaca e ha un ruolo fondamentale e crescente nella raffinazione dei prodotti petroliferi da greggio pesante. Questo petrolio estratto dagli scisti argillosi o dalle sabbie bituminose richiede grande quantità di calore e idrogeno per produrre idrocarburi con un alto rapporto tra idrogeno e carbonio. Con l’affermazione commerciale del metanolo potrebbe iniziare la transizione da un’economia ad alta densità a una neutra al carbonio, più vicina, in questo, all’era preindustriale: The Methanol Economy.

La domanda mondiale di metanolo è in rapida crescita ed è passata da 40milioni di tonnellate (Mt) del 2007 a circa 60.7Mt del 2013, con una previsione di oltre 109 Mt nel 2023. In Fig. 2 è mostrato l’andamento della domanda di metanolo in base all’uso della chimica convenzionale e del nuovo utilizzo come prodotto di base per combustibili liquidi sintetici. Un nuovo impulso alla produzione di metanolo potrebbe avvenire con l’entrata in vigore del regolamento IMO 2010 per il controllo dell’inquinamento atmosferico delle navi, che prevede per il 2020 combustibili con un tenore di zolfo inferiore a 0.5%. Questo limite potrà essere raggiunto, con soluzioni tecnologiche a costi accettabili, sostituendo l’olio combustibile con LNG e/o metanolo/DME.

La rapida crescita della produzione di metanolo ha come forza trainante la domanda di metanolo in Cina e il rilancio della produzione nell’America del Nord a seguito dello sfruttamento dello shale gas. Nel 2013 il Nord-est dell’Asia, l’Europa e l’America del Nord da soli hanno utilizzato circa il 70% delle importazioni globali, confermandosi i principali importatori mondiali di metanolo. l’America del Nord diventerà, nel 2017, un esportatore netto di metanolo soprattutto verso la Cina, dove il consumo di metanolo passerà dai 30Mt del 2013 ai 63.5 nel 2023.

Fig. 2: Domanda globale di metanolo

L’Italia e l’Europa potrebbero ridurre la loro dipendenza dall’estero con la scoperta da parte dell’Eni del giacimento di gas a Zohr in Egitto, considerato il più grande giacimento mai trovato nel Mediterraneo. L’Egitto, paese già produttore di metanolo, potrebbe realizzare con l’Eni nel Mediterraneo un “hub” per il metanolo, con grande vantaggio per l’Europa ma anche per alcuni paesi dell’Asia e dell’Africa.

Non c’è una soluzione unica per soddisfare la domanda globale di energia e di combustibili liquidi, in accordo con la visione di Olah, bisogna cambiare il paradigma tradizionale delle fonti energetiche in lotta tra loro e valorizzare le sinergie tra le fonti primarie, mediante un eccellente vettore energetico: il metanolo. Solo considerando le fonti energetiche fortemente accoppiate e un loro uso sinergico, sarà possibile soddisfare la domanda globale di energia di una popolazione mondiale in crescita, di cui circa un quinto nel 2011 non ha avuto accesso all’energia elettrica. L’attuale produzione di metanolo è ottenuta mediante un uso più efficiente e con minore impatto ambientale dei combustibili fossili, ma ha già iniziato a muovere i primi passi il riciclo del biossido di carbonio mediante riduzione con idrogeno. In Islanda é già in funzione l’impianto dedicato a George Olah, che produce metanolo per sintesi della CO2 di origine geotermica e di H2, ottenuto per elettrolisi con energie rinnovabili. Esperienze analoghe sono programmate nei paesi scandinavi con l’utilizzo delle biomasse e del surplus di elettricità da fonte eolica per la produzione d’idrogeno; la stessa esperienza può essere attuata in paesi, dove la generazione di energia elettrica è poco costosa. La transizione piena a un’economia neutra al carbonio si realizzerà con tecniche di separazione e di riciclo della CO2 e con lo sviluppo tecnologico delle energie rinnovabili e dell’energia nucleare, che dovranno assicurare prezzi competitivi su:

  - produzione d’idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua; quella a freddo è già competitiva, se si usa l’elettricità nelle ore lontano dai carichi di picco;

- produzione d’idrogeno per elettrolisi ad alta temperatura o mediante cicli termodinamici.

 Sarà possibile realizzare quest’ultimo punto con lo sviluppo di impianti solari a concentrazione e con l’entrata in funzione dei reattori  nucleari modulari e di piccola taglia di tipo “High Temperature Gas Cooled Reactors (HTGRs)” e “Fast Neutron Reactors (FNRs)”, che sono nella fase avanzata di sperimentazione dei prototipi. Essi potrebbero fornire vapore ad alta temperatura superiore agli 800°C ed elettricità per la produzione elettrochimica dell’idrogeno, per il riciclo della CO2 e la produzione di metanolo. Il riciclo della CO2, mediante un processo che non emette gas serra, sarà alla base di un’economia a bassa densità di carbonio.

 Purtroppo alla Conferenza sui Cambiamenti Climatici di Parigi non è stato fissato un prezzo per il carbonio come sosteneva, sulla rivista Nature di Ottobre 2015, il team di ricercatori dell’Università di Cambridge (D.J. Mackay), dell’Università del Maryland (P. Cramton) e dell’Università di Colonia (A. Ockenfels e S. Stoft). Essi propongono un prezzo per il carbonio e un meccanismo di mercato simile a quello che il premio Nobel Stiglitz sostiene da oltre dieci anni per le esternalità ambientali: farle pagare a chi le produce.  Così saranno le leggi del mercato a minimizzare i costi per raggiungere gli obblighi per il controllo delle emissioni di gas serra e ad avviare una transizione verso un’economia neutra al carbonio o “the Methanol Economy”.