LA TRANSIZIONE DAL PETROLIO A UN’ECONOMIA NEUTRA AL CARBONIO
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).
Il settore dell’energia ha a disposizione solo 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 forte 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 come nell’era pre-industriale, avviando un
programma per la separazione e il riciclo della CO2. 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 enella 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 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 rinnovabili e da fonti nucleari.
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,
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incolore; esso é tossico se ingerito ed è considerato un veleno, però la sua tossicità è paragonabile a
quella della benzina e del gasolio. Può essere prodotto dalla gassificazione dal carbone (syngas),
dalla conversione ossidativa del gas naturale o metano e per idrogenazione del biossido di carbonio
(CO2) o riciclo della CO2. 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. 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 detta figura, 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 Metanol 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
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modo da poter disporre subito di combustibili sintetici, rinnovabili e compatibili con l’ambiente in
termine 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 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 è compensata da una più alta efficienza nella
combustione rispetto alla benzina; 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. Se entrambi i combustibili sono prodotti mediante
l’energia nucleare e le energie rinnovabili , entrabi i vettori sono sostenibili. Nel caso del metanolo
si può raggiunge un equilibrio tra CO2 riciclata e quella prodotta, mentre per l’idrogeno il bilancio è
negativo con una riduzione netta della CO2. La combustione reale è differente da quella
stechiometrica e granpeso hanno gli ossidi di azoto (NOx), il particolato gli incombusti ecc.Perciò è
necessario valutare i prodotti reali della combustione. L’idrogeno é 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. Per queste caratteristiche e anche per problemi di
sicurezza e di trasportabilità rimane poco appetibile 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, come nell’era pre-industriale: The Methanol Economy.
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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
mostrata 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
con 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 ai bassi costi di estrazione 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.
Methanol Production in Million Metric Tons
120
forecast
Chemicals and others
100
Alternative fuels
80
60
40
20
0
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2016
2018
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 realizzato 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
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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
elettrolesi 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 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”.
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