Premessa
PREMESSA
L’obiettivo di questa tesi di laurea è stato quello di effettuare, con l’INGV, una
campagna conoscitiva sulle acque del sottosuolo nell’area di Cortemaggiore, in Val
Padana (Italia Settentrionale), con lo scopo di fornire un inquadramento idrogeologico e
geochimico dell’area, in un contesto di studi di fattibilità di stoccaggio geologico di
CO . La tesi infatti si inserisce nell’ambito del Progetto ENI-GHG che si propone, come
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test-site, di studiare la fattibilità dello stoccaggio geologico di CO ai fini della
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produzione di gas naturale, utilizzando l’anidride carbonica di origine
antropogenico/industriale, nell’area di Cortemaggiore, come “cushion gas” (pressione
aggiuntiva del componente CO che si aggiunge al gas naturale presente nel reservoir
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depleto). Il Progetto ENI-GHG si inserisce comunque nell’ambito di altri progetti
italiani ed esteri di stoccaggio geologico di CO , ed in particolare nell’accordo ENI-
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ENEL.
Uno dei maggiori requisiti nella applicazione commerciale del sequestro geologico di
gas (CO , CH ) è il monitoraggio dei “leakage” sia pre-iniezione che post-iniezione. In
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particolare la presente tesi di inserisce nelle attività del primo tipo. Infatti il
monitoraggio areale del degassamento è un aspetto essenziale per l’implementazione
“con successo” dello stoccaggio geologico di questo tipo. I monitoraggi areali sui test-
sites, aiutano a dimostrare che lo stoccaggio geologico di gas è sicuro e non crea effetti
negativi sul territorio e sull’ambiente e che rappresenta, nel caso della CO in
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particolare, un effettivo metodo di abbattimento del gas serra.
Il test-site italiano ENI-GHG sarà il primo sito italiano (se non mondiale) che si
prefiggerà l’uso multiparametrico, multi-fasico (gas suolo e gas disciolti) e su griglia
sufficientemente fitta e grande in termini statistici (circa 700 punti gas nei suoli e 37
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Premessa
acque superficiali, tenendo conto che finora le griglie usate non hanno mai superato i
360 punti di campionamento, vedi Jones et al., 2005) con analisi contemporanea oltre
che di CO , di geogas minori, traccianti e isotopi.
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INTRODUZIONE
Una delle sfide piø importanti per la comunità internazionale nel XXI secolo è
assicurare simultaneamente sicurezza energetica, crescita economica, mitigazione della
povertà e protezione dell’ambiente, date le proiezioni sulla crescita della popolazione e
della domanda di energia, specialmente nei Paesi in via di sviluppo.
Ci si attende per la metà del secolo una popolazione di 9 miliardi di persone, contro i 6
attuali, e un raddoppio della domanda complessiva di energia per circa 20 Gtep, contro i
10 attuali. Alla fine del secolo la popolazione mondiale avrà superato i 10 miliardi di
persone e la domanda energetica sarà pressochØ triplicata.
Attualmente i combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale) contribuiscono per
oltre l’85% alla copertura del fabbisogno energetico mondiale. Le stime sulle riserve di
fonti energetiche fossili indicano che queste sosterranno la crescita della domanda di
energia almeno fino al 2020-2030 in condizioni di economicità.
Dopo il 2050 vi è incertezza sul mantenimento dell’attuale economicità di petrolio e gas
naturale e l’uso di queste fonti potrebbe diminuire a fronte di uno sviluppo nello
sfruttamento delle fonti rinnovabili (biomasse, biogas, energia eolica, energia solare
ecc.), mentre le riserve di carbone saranno in grado di sostenere la crescita della
domanda per tutto il secolo.
La produzione di energia mediante combustione di fonti fossili contribuisce per i 2/3
alle emissioni globali da attività umane di gas a effetto serra - principalmente anidride
carbonica (CO ), metano (CH ), protossido di azoto (N O). Come noto, questi gas
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costituiscono insieme al vapore acqueo uno strato nell’atmosfera terrestre che lascia
filtrare la radiazione solare in arrivo e intrappola una parte della radiazione riemessa dal
pianeta verso lo spazio, consentendo il mantenimento del livello di temperatura della
superficie del pianeta stesso ai valori ottimali per lo sviluppo della vita (“effetto serra”).
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Introduzione
L’anidride carbonica, pur avendo il minor potere di intrappolamento del calore, per i
livelli di emissione e di concentrazione media nella troposfera è il piø importante dei
gas-serra e la comunità scientifica internazionale concorda nel considerare la riduzione
delle emissioni antropogeniche di CO necessaria al mantenimento delle attuali
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condizioni climatiche del pianeta. ¨ ormai accertato, infatti, che l’incremento del livello
di concentrazione dei gas-serra nella troposfera può provocare un’alterazione
dell’ecosistema terrestre, in particolare un innalzamento della temperatura media
superficiale e un cambiamento nel clima del pianeta, con immaginabili conseguenze
sugli assetti delle comunità umane e sulle loro attività.
Attualmente vengono rilasciati in atmosfera circa 7 miliardi di tonnellate di carbonio
equivalente all’anno (GtC). L’uso dell’energia nucleare ha impedito, ad oggi, il rilascio
di ulteriori 0,5 GtC l’anno, mentre l’uso dell’energia idroelettrica ha permesso di evitare
il rilascio annuo di ulteriori 0,15 GtC. ¨ noto dalle campagne di studio condotte
nell’ultimo trentennio che la concentrazione media di anidride carbonica nella
troposfera è aumentata del 25% dal 1900 ad oggi, passando da 295 a 370 ppm (IPCC,
2007). Prima dell’era industriale, la concentrazione di CO oscillava tra 190 ppm nelle
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ere glaciali e 280 ppm nelle ere interglaciali e l’attuale livello di concentrazione non è
mai stato raggiunto, almeno negli ultimi 400.000 anni. Gli effetti di questo aumento di
concentrazione nel XX secolo hanno probabilmente portato ad un innalzamento di
0,6°C della temperatura media superficiale terrestre. Dal 1861 ad oggi, l’ultimo
decennio è stato il piø caldo in assoluto. Si calcola che per avere nel XXI secolo un
incremento di temperatura contenuto entro 2°C circa si dovrà stabilizzare la
concentrazione di CO nella troposfera a valori inferiori a 450 ppm.
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Gli scenari tendenziali di riferimento, indicano per la fine del XXI secolo un livello
minimo di circa 14 GtC: limiti accettabili al “global warming” (riscaldamento globale)
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Introduzione
implicano quindi una riduzione delle emissioni antropogeniche complessive di gas-serra
per almeno il 50% entro il 2030 (ZEP). Per ottenere siffatte riduzioni sono necessari
cambiamenti radicali nelle tecnologie energetiche, oggi dominate dalla combustione di
fonti fossili.
Alcuni scenari di lungo periodo, in primis quello della IEA del 2009 (Road Map CCS
2009, in cui anche INGV ha contribuito alla stesura-review) mostrano come la quota di
fonti fossili impiegata dovrebbe scendere dall’attuale 85% a meno del 50%, sostituita da
fonti rinnovabili (o comunque non soggette al rilascio di CO ).
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Un modello eloquente per descrivere la situazione è rappresentato dalla “identità di
Kaya”: le emissioni antropogeniche di anidride carbonica sono pari al prodotto di
quattro fattori, l’intensità carbonica dell’energia (CO /EN), l’intensità energetica del
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Prodotto Interno Lordo (EN/Pil), il reddito pro-capite (Pil/Pop) e la popolazione (Pop):
CO = (CO /EN) * (EN/Pil) * (Pil/Pop) * Pop
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Per ridurre l’ammontare delle emissioni si deve necessariamente ridurre il valore
numerico di uno o piø dei quattro fattori.
PoichØ le proiezioni demografiche indicano che nel secolo in corso la popolazione
mondiale è destinata ad aumentare così come il reddito procapite, in particolare nei
paesi in via di sviluppo, occorre di conseguenza agire sugli altri due fattori.
L’intensità energetica (EN/Pil) del Pil in realtà tende ad abbassarsi all’aumentare del
grado di sviluppo delle nazioni, di pari passo con la “smaterializzazione” dell’economia,
il maggior peso del settore terziario rispetto all’industria pesante, e con l’incremento di
efficienza nell’utilizzo dell’energia.
L’intensità carbonica dell’energia (CO /EN) dipende invece dall’uso di fonti fossili e,
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nell’ambito di queste, dal tipo di fonte fossile utilizzata. Il valore dell’intensità
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Introduzione
carbonica si riduce passando dal consumo di fonti carbon intensive come il carbone al
consumo di fonti a minor contenuto di carbonio come il gas naturale, o, meglio ancora,
all’uso di fonti carbon free come l’energia nucleare e le fonti rinnovabili. Inoltre,
l’intensità carbonica dell’energia dipende dall’efficienza dei processi di conversione
energetica delle fonti fossili: se a parità di energia utile prodotta si consuma minor
quantità di fonti energetiche primarie fossili, anche le corrispondenti emissioni di CO si
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riducono. Nella tabella che segue sono riportati i valori storici e attuali dei quattro
parametri dell’identità di Kaya, insieme con le proiezioni per il futuro desunte da uno
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scenario tendenziale dell’IPCC .
Identità di Kaya 1990 2000 2050 2100
CO GtC 6 7 11 14 Emissioni
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CO /EN Gtc/Gtep 0,72 0,71 0,54 0,43 Intensità carbonica
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EN/Pil Gtep/US T$ ‘90 0,40 0,34 0,19 0,14 Intensità energetica
Pil/Pop US T$ ‘90/mld 4,0 4,6 11,7 22,6 Reddito pro-capite
Pop mld 5 6 9 10 Popolazione
Tabella 1: parametri dell’identità di Kaya e proiezioni future. Fonte: IPCC, 2007.
Come si può osservare, data la prevista crescita della popolazione e del reddito pro-
capite, si richiede al sistema energetico mondiale una profonda trasformazione mirata
all’incremento dell’efficienza e all’uso di fonti carbon-free, se si vogliono stabilizzare
le emissioni antropogeniche di CO ai valori suddetti. Tuttavia, il sistema energetico
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presenta ben note rigidità al cambiamento (sono stati spesi migliaia di miliardi di euro
in infrastrutture di estrazione, trasporto, conversione, distribuzione di energia da fonti
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Intergovernmental Panel on Climate Changes
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Introduzione
fossili) e si stima in almeno mezzo secolo il tempo minimo per una trasformazione
completa degli investimenti infrastrutturali energetici, dal momento in cui nuove
tecnologie si rendano commercialmente disponibili.
PerchØ ancora il carbone?
Il carbone non può certamente essere definito una fonte primaria “pulita”.
Esso ha un basso rapporto H/C e di conseguenza le emissioni della combustione di
carbone in centrali elettriche rappresentano la piø grande fonte artificiale di anidride
carbonica, che secondo la maggior parte degli studiosi del clima è causa primaria del
riscaldamento globale.
Nei fumi di combustione ci sono anche altri prodotti inquinanti come l’anidride
solforosa, che in seguito alla presenza di opportuni catalizzatori (HC, NO ) e
x
dell’irraggiamento solare, può formare l’anidride solforica (SO ), fortemente reattiva
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con l'acqua. Il prodotto, repentino, è acido solforico che, se rilasciato nell’atmosfera,
può tornare sulla terra in forma di pioggia acida.
Inoltre il carbone ha un potere calorifico medio basso (se di buona qualità può
raggiungere valori attorno ai 25 MJ/Kg), circa la metà del gas naturale (50 MJ/Kg), e
quindi anche in questo senso risulta assai svantaggiato.
E allora, come mai, nonostante tutti questi punti a sfavore si parla di carbone come di
una fonte di cui non possiamo ancora fare a meno nei prossimi anni?
I punti a favore del carbone sono sostanzialmente due:
• Forte disponibilità:
secondo dati della BP aggiornati a fine 2007, le riserve di carbone, sebbene negli
ultimi anni vi sia stato un lievitare della domanda (si pensi che in Cina viene
aperta una centrale a carbone quasi ogni settimana), ammontano all’incirca sugli
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Introduzione
850 miliardi di tonnellate a differenza dei 168 miliardi di tonnellate di petrolio e
dei 142 tep di gas naturale
Vi è un altro dato significativo mostrato sempre dalla BP e ripreso pari pari da
ENI nel 2008, che mostra, sempre con riferimento a fine 2007, il rapporto tra le
riserve attualmente accertate e la produzione annua (R/P). Il diagramma di seguito
presentato, fornisce per il carbone un valore pari a 133 anni rispetto ai 41,6 del
petrolio, ai 60 del gas naturale e ai circa 70 dell’uranio.
Figura I: stima delle riserve accertate per ciascun combustibile. Fonte: BP,2007.
Possiamo quindi considerare la disponibilità del carbone quasi illimitata, dato che
in un arco di tempo così imponente ci si aspetta un decisivo sviluppo delle fonti
rinnovabili e del nucleare (di IV, V e forse VI generazione!!) tale da coprire
l’intero fabbisogno mondiale.
• Distribuzione fortemente omogenea sul territorio:
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Introduzione
a differenza del petrolio o del gas naturale, le riserve di carbone sono equamente
distribuite nei Paesi piø industrializzati come dimostra il grafico seguente:
Figura II - Fonte BP, 2007.
A causa del suo basso prezzo rispetto alle altre fonti energetiche il carbone
domina in Asia principalmente perchØ soddisfa il 70% del fabbisogno energetico
della Cina.
Un grafico interessante per capire quanto sia aumentato il consumo di carbone in
Asia è il seguente:
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Introduzione
Figura III: il consumo di carbone nel mondo è cresciuto del 4,5% negli ultimi 10 anni. In Cina la
crescita del consumo ammonta a piø dei 2/3 dell’intera crescita mondiale.
Fonte BP, 2007.
Tutti questi dati ci fanno capire che per “indifferenze” all’impatto ambientale o
semplicemente per necessità interne, il mondo intero (ma soprattutto determinati
Paesi) guarda al carbone apprezzandone le sue potenzialità. Almeno nel breve-
medio termine chi grida all’arresto completo e soprattutto istantaneo dello
sfruttamento del carbone, pare debba rassegnarsi, se non altro perchØ combatte
una battaglia priva di un’analisi completa di tutti gli aspetti che devono essere ben
compresi. L’economia infatti è mossa da attori che ragionano sul breve o
brevissimo periodo, quasi sempre i privati, molto spesso la politica!
1
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Introduzione
Una soluzione oggi sarebbe quella di concentrarsi contemporaneamente su due
aspetti, singolarmente contrastanti, ma che possono essere resi sinergici, ed entrambi
hanno come motore la ricerca:
• sviluppare tecnologie complesse e multidisciplinari, come la CCS (CO Capture
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& Storage), che minimizzino i problemi legati all’utilizzo delle fonti fossili
almeno per gli impianti adibiti alla produzione di energia elettrica;
• sviluppare tecnologie sostenibili:
fonti rinnovabili;
efficienza energetica;
processo di imponente riforestazione del paesaggio.
La International Energy Agency (IEA) attribuisce alla CCS (Capture & Storage of
CO ) un potenziale di riduzione delle emissioni di CO pari al 20-30%. La IEA ha
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inoltre individuato quelle che sono le tecnologie su cui è necessario investire per un
futuro che coniughi sviluppo e difesa dell’ambiente: se al primo posto troviamo
l’efficienza energetica, al secondo si colloca la filiera CCS, al terzo le rinnovabili e
infine il nucleare di quarta generazione.
Figura IV: fonte IEA – CCS Roadmap 2009 (in cui INGV ha svolto il ruolo di reviewer insieme ad
altre analoghe istituzioni pubbliche).
1
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Introduzione
Cos’è il CCS?
La ragione principale per cui sta crescendo rapidamente l’interesse verso le
tecnologie CCS è che i componenti necessari sono già commercialmente disponibili
e utilizzati in settori diversi. Il CCS comprende tre distinte fasi:
- cattura della CO soprattutto dagli impianti che producono energia elettrica o da
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processi industriali;
- trasporto della CO attraverso tubazioni o cisterne;
2
- stoccaggio della CO in acquiferi salini, giacimenti esauriti di petrolio o gas e strati
2
profondi di carbone non estraibile.
Tutte e tre le fasi sono state già utilizzate, separatamente, ma non con lo scopo di
stoccare la CO .
2
Attualmente ci sono vari impianti pilota di piccola taglia in giro per il mondo e tutti
quanti adottano nuove tecniche di cattura. C’è invece un solo progetto di impianto di
potenza di grossa taglia ed è quello della FutureGen negli Stati Uniti. ¨ un grosso
impianto alimentato a carbone per la cogenerazione di elettricità e idrogeno. Ma ci
sono altri progetti dimostrativi in Canada, Europa ed Australia.
Per quanto riguarda la stoccaggio, invece, ci sono un centinaio di progetti. Due di
questi, in particolare, meritano di essere menzionati perchØ sono su grossa scala:
• lo stoccaggio in un acquifero salino profondo a Sleipner, in Norvegia, dove dal
1996 vengono stoccate un milione di tonnellate di CO all’anno e dove fin ora non
2
è stata registrata nessuna fuoriuscita di CO ;
2
• il progetto Weyburn, in Canada, dove invece è stata utilizzata la CO per
2
migliorare l’estrazione di petrolio da un pozzo semiesaurito mediante la
tecnologia EOR (Enhanced Oil Recovery). Dal 2001 sono state stoccate circa 2
1
8
Introduzione
Mton di CO l’anno (Bogle et al., IEA, 2004). L’INGV ha partecipato attivamente
2
a tale progetto (Cantucci et al. 2009).
In entrambi i progetti la CO nel sottosuolo si è comportata esattamente come i
2
modelli avevano previsto, sebbene la casistica di riscontro dei dati sperimentali con
la modellizzazione geochimica e di flusso e trasporto reattivo, nonchØ di quella
geomeccanica, sia troppo esigua al momento attuale e si attendono i risultati dei
progetti pilota (es. test sites Europei di tipo EEPR, tra cui il sito ENEL di Porto
Tolle).
Sono partiti anche progetti pilota utilizzando la tecnica dell’EGR (Enhanced Gas
Recovery) o di tipo ECBM (Enhanced Coal Bed Methane) ma qui la casistica è
ancora minore rispetto ai progetti di ottimizzazione tra Enhanced Oil Recovery (tipo
Weyburn) e lo stoccaggio di CO a fini climatologici. Nella tabella seguente vediamo
2
quanti progetti stanno per partire o sono previsti a breve termine incoraggiati dai
risultati promettenti dei primi progetti pilota.
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2
& 3
2
2
& 4
& s
Tabella 2: Questa tabella elenca i progetti in fase d’avvio in tutto il mondo. Fonte: IEA, 2004.
In genere la cattura della CO si può applicare in tutti quegli impianti che utilizzano
2
combustibili fossili e biomasse come combustibile a condizione che vi siano grosse
quantità di emissioni. In pratica la cattura della CO si riduce a tre grosse aree:
2
generazione di elettricità, processi industriali e produzione di combustibile. Le
1
9tcjeorpDReagrotsanecO7stcejorpDReagrotscigoloGe6stcejorpeagrotscigoloGe5stcejorpDRerutapcCOstcjeorpnoiatrstnomederutapcCOittegorpidoremuN9
Introduzione
emissioni dalle altre sorgenti, poco concentrate, rendono impraticabile o
economicamente non plausibile la cattura.
La CO può essere catturata sia prima sia dopo la combustione usando varie
2
tecnologie già esistenti o emergenti. Piø frequentemente la CO è catturata dai gas di
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scarico prodotti durante la combustione (cattura post-combustione). ¨ anche
possibile convertire gli idrocarburi in CO e idrogeno, quindi rimuovere la CO e
2 2
utilizzare l’idrogeno come combustibile (cattura pre-combustione). Gli assorbimenti
fisico e chimico sono tecnologie già provate, mentre in un prossimo futuro verranno
utilizzate nuove tecnologie come la separazione tramite membrane sia per la pre-
combustione che per la post-combustione.
Per gli impianti alimentati a carbone, l’IGCC (Integrated Gasification Combined
Cycle) unito all’assorbimento fisico in pre-combustione, è la soluzione migliore.
Negli impianti USC (ultra super-critici), invece, la soluzione migliore è la cattura
post-combustione. Per gli impianti alimentati a gas naturale, infine, l’oxyfuel, il gas
shift e l’assorbimento fisico in pre-combustione combinati con turbine ad idrogeno o
l’assorbimento chimico in post-combustione sono le soluzioni migliori.
Tutte queste tecniche, comunque, comportano un sovra-costo ed un abbassamento
dell’efficienza energetica complessiva nella produzione di energia. Sono necessari
quindi degli sforzi per finanziare la Ricerca e lo Sviluppo affinchØ si migliori
l’efficienza di cattura e si taglino i costi del CCS. Tutto ciò probabilmente richiederà
ancora degli anni!
I profondi acquiferi salini e i depositi esauriti di gas e petrolio oltre agli stati profondi
di carbone non estraibile, rappresentano le opzioni migliori per stoccare la CO . Lo
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stoccaggio in oceano invece è problematico dovuto all’impatto sconosciuto
sull’ambiente.
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