Un gas di scarto il cui utilizzo “alleggerisce” l’impatto ambientale delle produzioni a più alto potenziale di inquinamento

All’approssimarsi delle limitazioni di cui al regolamento Fgas del 1 gennaio 2022, specificate nell’Allegato III al Regolamento stesso, per una parte del mercato piuttosto importante in termini di quantità, ovvero la refrigerazione commerciale, ci si deve porre il problema della strategia da adottare per la prosecuzione delle attività in virtu’ della costruzione di nuovi impianti o della sostituzione di quelli esistenti.

La scelta, per la parte del mercato che fa riferimento ai supermercati ed iper mercati, e’ stata per lo più fatta ricadere sul refrigerante R744, la CO2, un gas con GWP=1, ma che, sebbene detto “naturale”, deriva da processi industriali, del cui impatto e importanza bisogna esser consapevoli.

Sin dal 2017, la Commissione Europea si e’ posta in prima linea nel fornire esempi e soluzioni per la transizione dei sistemi commerciali, ad esempio con la comunicazione C(2017)5230 final ANNEXES 1 e 2 “valutazione del requisito di evitare l’uso degli idrofluorocarburi ad alto potenziale di riscaldamento globale in alcuni sistemi di refrigerazione a decorrere dal 2022”. In questo documento sono state addirittura presentate le possibili soluzioni tecnologiche per l’utilizzo della CO2 come refrigerante, polarizzando, così la discussione – secondo noi – in modo non totalmente terzo.

Con questo articolo intendiamo informare sugli aspetti relativi alla produzione dell’R744, spesso sottaciuti nell’HVACR, ma di fondamentale importanza, perché’ mostra implicazioni nascoste dei processi industriali in tematiche come l’economia circolare.

Ricordiamo che le imposizioni di cui al regolamento Fgas derivano da considerazioni di carattere ambientale. Queste sono, però, sempre state contestate perché’ si riferiscono ad una parte del problema, ovvero all’impatto diretto dei refrigeranti sull’atmosfera in termini di emissioni climalteranti (misurate dal GWP, il potenziale di impatto sui fenomeni che provocano il cosiddetto “effetto serra”), ma non al ciclo di vita delle apparecchiature e del refrigerante stesso, per la cui portata andrebbero utilizzati il TEWI e lo LCA.

Vediamo dunque, piu’ nel dettaglio, di cosa parliamo quando ci riferiamo alla CO2, ovvero R744, presente negli impianti della refrigerazione.

Usi e provenienza

L’anidride carbonica è un gas limpido e inodore formato nei processi biologici – compresa la fermentazione e la decomposizione di materiale organico – e nella combustione.

Nell’industria alimentare e delle bevande, l’anidride carbonica viene utilizzata:

• per la carbonatazione delle bevande
• come antibatterico naturale, per aumentare la durata di conservazione dei prodotti lattiero-caseari, proteggendo il gusto e la consistenza e riducendo la necessità di conservanti naturali e artificiali
• per congelare e raffreddare i cibi
• per congelamento criogenico e IQF di prodotti alimentari
• per il confezionamento in atmosfera modificata
• per il raffreddamento del mixer e del frullatore
• per il raffreddamento e il trasporto degli ingredienti
• per la refrigerazione in transito
• per la criosabbiatura di coloranti alimentari e impianti di produzione
• nella sua forma solida, nota come ghiaccio secco.

Sebbene sia prodotto da semplici fonti di combustione la concentrazione di CO2 nell’aria non è generalmente abbastanza elevata da queste fonti da rendere commercialmente fattibile il recupero.

La CO2 prodotta commercialmente proviene quindi da industrie che hanno un flusso di gas ricco di CO2 ad alto volume come sottoprodotto naturale, come la produzione di ammoniaca e idrogeno dal gas naturale o da processi biologici come la fermentazione della birra o del whisky, e, recentemente, anche dalla separazione dal biogas.

La rimozione dell’anidride carbonica (CO2) è, infatti, una delle attività più comuni che i produttori e gli utilizzatori di gas sintetico grezzo (syngas) devono svolgere per ottenere un’alimentazione adeguata per i processi a valle. Utilizzando delle colonne di separazione si puo’ massimizzare l’efficienza, la produttività e la cattura di CO2, sostenendo anche gli obiettivi ambientali.

Il syngas è un prodotto e un ingrediente chiave per un’ampia gamma di applicazioni nei settori manifatturiero e di trasformazione, compresa la produzione petrolchimica e di ammoniaca. Tuttavia, potrebbe essere necessario regolare i livelli di CO2 in questa miscela e le aziende spesso elaborano questo gas per ridurre le concentrazioni di CO2.

Le fonti da cui attingere per procurarsi una sorgente di CO2 “sporca”, sono tra le piu’ varie:

• industria dell’ammoniaca

• Produzione di ossido di etilene/glicole

• (Bio)etanolo

• Pozzi naturali

• Raffinerie

• Gas di sintesi

• Biogas

• Addolcimento del gas naturale

Approfondiamo la produzione di CO2 negli impianti di ammoniaca, una delle fonti più importanti,  e la novità della produzione con separazione da biogas.

Impianti per la produzione di ammoniaca

Una delle maggiori fonti di CO2 alimentare in Europa sono gli impianti che producono ammoniaca, spesso chiusi per manutenzione nei mesi estivi, al di fuori del periodo di picco di produzione dei fertilizzanti. A causa di questo, in qualche caso, si sono riscontrate crisi di prodotto CO2 per le altre industrie utilizzatrici. Ciò significa che le forniture di CO2 sono sempre limitate in questo periodo dell’anno, in particolare a causa del fatto che la domanda di bevande analcoliche e alcolici aumenta con il clima più caldo.

La produzione di ammoniaca (NH3) come detto, è il primo passo nella produzione di fertilizzanti. Gli idrocarburi formano la principale fonte di idrogeno nella produzione di ammoniaca, mentre l’azoto viene prelevato dall’aria.

La CO2 deve essere rimossa dal processo prima che l’azoto e l’idrogeno vengano fatti reagire a formare NH3 nelle successive fasi di produzione. La CO2 viene catturata come parte del processo di produzione e successivamente “lavorata” a prima di essere caricato su navi o camion per il trasporto.

In uno dei principali impianti di produzione mondiali si esegue un processo di lavaggio ad acqua per rimuovere la CO2 dal gas di processo prima che il gas pulito entri nella parte dell’impianto che produce ammoniaca. L’acqua dà un prodotto di altissima purezza.

La CO2 commerciale viene poi regolarmente trasportata a bordo di navi con capienza fino a 1800 tonnellate di stoccaggio per spedizione a condizioni quali 15 bar assoluti e -25°C, simili alle condizioni di stoccaggio on-shore.

L’impianto di ammoniaca di Yara, in Norvegia, ad esempio, produce circa 1 Mt di CO2 all’anno a regime, di cui circa il 40% è catturato già nell’ambito delle normali operazioni.

Separazione del residuo di biogas

Mentre il biogas è tipicamente costituito per il 60% da biometano che viene utilizzato come combustibile rinnovabile, mentre il restante 40% è un prodotto residuo naturale sotto forma di CO2. Invece di sprecare questa CO2 residua ed emetterla nell’atmosfera, sono state progettate unità per recuperare e riciclare tutta la CO2 migliorando la sostenibilità e le credenziali di economia circolare dell’impianto. Questo avviene anche in Italia, negli impianti di una azienda del Nord che si occupa di gestione degli scarti biologici.

Invece di essere rilasciata nell’atmosfera, la CO2 viene catturata e subisce un complesso processo di purificazione, rimuovendo tutti i residui indesiderati e le impurità dalla CO2, producendo un prodotto di qualità e purezza adatto per l’uso nell’industria alimentare.

Viene utilizzato anche in altre industrie e settori oltre l’industria alimentare. La CO2 residua della produzione di biogas che sarebbe stata emessa in atmosfera viene ora catturata, riutilizzata e integrata in un sistema di economia circolare.

Nell’impianto italiano, le impurità residue nei flussi combinati di CO2, provenienti dalle cinque linee di separazione (a membrana), vengono rimosse nell’unità di recupero CO2 con una capacità di CO2 pura di 750 kg h-1 (Fig.). La sezione di recupero della CO2 comprende una fase di liquefazione e unità criogeniche con una serie di elementi per la compressione, l’essiccazione e la purificazione del flusso di gas. Dopo il raffreddamento a -30 °C, la CO2 si separa dai gas non condensabili (N2, O2 e CH4), producendo CO2 ad elevata purezza (99,9+%). I gas non condensabili devono essere spurgati per evitare il loro accumulo, ma una frazione di questo flusso può essere reimmessa nella sezione a membrana per ridurre al minimo le perdite di gas.

Con la fase aggiuntiva di distillazione e condensazione, la CO2 raggiunge una purezza chimica del 99,9% vol con qualità alimentare, secondo lo standard EIGA/ISBT della European Industrial Gas Association e della International Society of Beverage Technologists.

Con una produzione annua di 7000 tonnellate di CO2 alimentare questa CO2 non viene rilasciata direttamente nell’atmosfera. Poiché l’uso mondiale di CO2 nell’industria alimentare è attualmente stimato in 8 × 10^6 tonnellate all’anno, questo singolo impianto è in grado di fornire lo 0,1% della domanda di CO2 alimentare.

Recupero di CO2 da termovalorizzazione

La CO2, in quanto obiettivo per la rimozione dall’atmosfera come gas climalterante (oltre certi valori), si cerca di rimuoverla in tutti i modi anche dai processi di combustione. E, anche qui, l’Italia, con una azienda dedita a questo tipo di ingegneria, che la fa da padrone.

Nella cittadina di Duiven, territorio di Arnhem (Paesi Bassi), si e’ realizzato un progetto in larga scala finalizzato al recupero di CO2 prodotta dal termovalorizzatore.

La commessa ha previsto l’installazione di un impianto di recupero CO2 a solventi selettivi, capace di trasformare il gas di scarto generato dalla combustione dei rifiuti in una risorsa utile. L’anidride carbonica che si otterrà dai processi di strippaggio, compressione e liquefazione, verrà stoccata in appositi serbatoi e destinata anche alle aziende agricole del Paese per poter integrare la fotosintesi clorofilliana delle coltivazioni in serra.

Nonostante l’interesse per questo tipo di soluzione, tale processo non e’ ancora utilizzato per la produzione di R744.

Dal gas “sporco” all’R744 (o CO2 “food grade”)

Prima di arrivare in bombola, la CO2 deve essere trattata e gestita da un processo che inizia con Preraffreddamento e compressione. Qui, il gas saturo d’acqua viene raffreddato e separata l’acqua, poi inviata al compressore per aumentarne la pressione fino alle condizioni di esercizio. Segue lo Scrubbing. La CO₂ viene lavata e raffreddata, ed e’ in questa fase dove i componenti solubili in acqua come gli alcoli vengono rimossi.

Segue l’Asciugatura e l’adsorbimento: l’acqua residua e tracce d’altri componenti chimici vengono rimossi dal flusso di gas. A seconda delle esigenze, vari adsorbitori e filtri vengono aggiunti per rimuovere ulteriori componenti come il solfuro di carbonile (COS).

Vi e’ poi la fase di Liquefazione, dove il gas secco CO₂ passa attraverso un ribollitore seguito dalla colonna di distillazione della CO₂. Il il gas che esce dalla colonna (in alto) contiene

i componenti inerti. Il prodotto CO₂ liquido prelevato dal fondo viene inviato al deposito

serbatoio o vaporizzato per varie soluzioni in loco.

La CO₂ liquefatta viene immagazzinata in pressurizzata in appositi tank. Ai fini del trasporto, viene poi pompata in camion, vagoni ferroviari e navi.

Utilizzi competitivi della CO2

La CO2 è ampiamente utilizzata lungo tutta la catena di approvvigionamento di alimenti e bevande. Nell’industria delle bevande e’ utilizzata per aggiungere bolle a bibite, nonché durante il processo di imbottigliamento e infustamento.

Svolge poi un ruolo fondamentale nel confezionamento in atmosfera modificata utilizzato per prolungare la durata di conservazione della carne fresca e delle insalate, mentre i trasformatori di suini e pollame si affidano anche ad esso per la macellazione.

La crisi di approvvigionamento in Inghilterra nel 2018 ha portato all’emersione di questi usi competitivi della CO2 che hanno messo in crisi anche alcuni impianti della refrigerazione commerciale.

Ricordiamo, infine, che la scelta della CO2 non e’ l’unica possibile per la refrigerazione commerciale, ma che sono disponibili soluzioni di refrigeranti di sintesi diretta come gli HFO e miscele, che, utilizzabili senza problemi in alcune applicazioni, per i supermercati e gli ipermercati devono essere supportati da accurate analisi dei rischi e valutazioni di sicurezza antincendio.

La Redazione

Fonti:
Energy & Environmental Science, “Simultaneous production of biomethane and food grade CO₂ from biogas: an industrial case study” (Issue 1, 2019)
“CO2 Conversion to Chemicals and Fuel for Carbon Utilization”, By Wonjun Cho, Hyejin Yu and Yonggi Mo, 2016 DOI: 10.5772/67316
Digital refining, May-2021 “Getting the most out of syngas”
Gas World,
Direttiva 2014/68/UE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 15 maggio 2014, concernente l’armonizzazione delle legislazioni degli Stati membri relative alla messa a disposizione sul mercato di attrezzature a pressioneTesto rilevante ai fini del SEE
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13th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-13, 14-18, November 2016, Lausanne, Switzerland “Commercial capture and transport of CO2 from production of ammonia”