In order to limit global warming "well below 2°C", as agreed in the Paris Agreement, a drastic reduction of the greenhouse gases emissions is urged, as well as removing CO2 from the atmosphere in larger quantities, the more the reduction of emissions is delayed. For this reason, many technologies have been proposed to remove CO2 from the atmosphere (so-called Negative Emission Technologies), and scientific-technical research is fast developing to assess the environmental potential, costs, benefits and critical points of the different options. The article presents a new process that combines commercial industrial technologies with technologies still at the research and development stage or not yet commercially available, in order to remove CO2 from the atmosphere and at the same time to address the acidification of the sea. The process aims to overcome the limitations of other negative emission technologies, such as high costs, high energy demand, or potential competition in water use and land use. The process is based on the following steps: (a) gasification of a solid fuel (e.g. biomass) with consequent production of a syngas; (b) conversion of syngas hydrocarbons and tar oils into hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) in a high-temperature thermal steam reformer; (c) production of Ca(OH)2 (slaked lime) from limestone, using the enthalpy of the hot syngas; (d) spreading in the seawater, by means of ships, slaked lime to contrast the acidification of the sea; (e) sending the syngas to a water-gas-shift reactor with the production of CO2 and H2, which are then separated; (f) final storage of all the CO2 produced in the process; (g) use of H2 for decarbonized energy production. The mass and energy balances show that the total amount of CO2 removed from the process is 3 tonnes per tonne of biomass used. Considering the emissions avoided by using the hydrogen produced by the process, which displace the use of fossil fuels, the overall benefit of the process increases to 3.4 tonnes of removed CO2 per tonne of biomass. To evaluate the environmental impact of the process, a Life Cycle Assessment has been carried out, in which seventeen impact categories have been considered. For “climate change”, the most impacting processes are calcination, feedstock supply and CO2 storage. Considering a cradle-to-grave approach with the LCA methodology, the benefit in terms of CO2 removal is reduced by about 2% (compared to the carbon balance). Thanks to the removal of CO2 determined by the alkalinization of the sea, and to the CO2 stored, as well as the CO2 avoided, the process therefore allows to achieve and higher amount of negative CO2 emissions, compared to the traditional technology of bioenergy with carbon capture and storage (BECCS). The availability of biomass is a limiting factor to the large-scale development of the process.

Per limitare il riscaldamento globale “ben al di sotto dei 2°C”, come deciso nell’ambito dell’Accordo di Parigi, è necessaria una riduzione drastica delle emissioni di gas climalteranti, nonché la rimozione di CO2 dall’atmosfera in quantità tanto più ingenti quanto più si ritarda nella riduzione delle emissioni. Per questo motivo sono state proposte numerose tecnologie di rimozione (ovvero di generazione di emissioni negative), ed è in forte sviluppo la ricerca tecnico-scientifica per valutare potenzialità, costi, benefici e punti critici ambientali delle diverse opzioni. L’articolo presenta un nuovo processo che combina tecnologie industriali correntemente utilizzate e tecnologie in fase di ricerca e sviluppo o non ancora disponibili a livello commerciale, al fine di rimuovere CO2 dall’atmosfera e allo stesso tempo contrastare l’acidificazione del mare. Il processo mira a ridurre le criticità legate allo sviluppo di altre tecnologie di emissioni negative, quali gli elevati costi, la grande richiesta di energia, o la potenziale competizione nell’uso delle risorse idriche e nell’utilizzo del suolo. Il processo è basato sulle seguenti fasi: (a) gassificazione di un combustibile solido (es. biomassa), con produzione di syngas; (b) conversione, in un reformer termico a vapore ad alta temperatura, degli idrocarburi e oli catramosi del syngas in idrogeno e monossido di carbonio; (c) produzione di Ca(OH)2 (calce idrata) dal calcare, utilizzando l’entalpia del syngas caldo; (d) spargimento in mare, mediante navi, della calce idrata per aumentare l’alcalinizzazione del mare; (e) invio del syngas ad un reattore water-shift con la produzione di CO2 e idrogeno, che vengono quindi separati; (f) stoccaggio finale di tutta la CO2 prodotta nel processo; (g) utilizzo dell’idrogeno prodotto a fini energetici. I bilanci di massa e di energia mostrano che la quantità di CO2 totale rimossa dal processo è pari a 3 tonnellate per tonnellata di biomassa utilizzata. Considerando le emissioni evitate grazie alla produzione di energia elettrica tramite idrogeno, in sostituzione di combustibili fossili, il beneficio complessivo del processo in termini di CO2 sale a 3,4 tonnellate per tonnellata di biomassa. Per valutare l'impatto ambientale del processo è stata effettuata una Analisi del ciclo di vita (LCA), in cui sono state considerate diciassette categorie di impatto. Per la categoria “cambiamenti climatici”, i processi più impattanti sono il processo di calcinazione, l’approvvigionamento della biomassa e lo stoccaggio di CO2. Con l’approccio “dalla culla alla tomba” della metodologia LCA, il beneficio in termini di rimozione di CO2 è ridotto di circa il 2%. Grazie alla rimozione di CO2 determinata dall’alcalinizzazione del mare e dallo stoccaggio finale, nonché alle emissioni evitate grazie alla generazione di idrogeno, il processo permette di conseguire una maggiore entità di emissioni negative rispetto alla tecnologia convenzionale di uso di biomasse con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS). La disponibilità di biomassa rimane comunque un limite allo sviluppo su grande scala del processo.

ANALISI DEL CICLO DI VITA DI UN PROCESSO PER RIMUOVERE LA CO2 ATMOSFERICA E CONTRASTARE L’ACIDIFICAZIONE DEL MARE

F. Campo;S. Caserini;D. Pagano;G. Dolci;M. Grosso
2020

Abstract

Per limitare il riscaldamento globale “ben al di sotto dei 2°C”, come deciso nell’ambito dell’Accordo di Parigi, è necessaria una riduzione drastica delle emissioni di gas climalteranti, nonché la rimozione di CO2 dall’atmosfera in quantità tanto più ingenti quanto più si ritarda nella riduzione delle emissioni. Per questo motivo sono state proposte numerose tecnologie di rimozione (ovvero di generazione di emissioni negative), ed è in forte sviluppo la ricerca tecnico-scientifica per valutare potenzialità, costi, benefici e punti critici ambientali delle diverse opzioni. L’articolo presenta un nuovo processo che combina tecnologie industriali correntemente utilizzate e tecnologie in fase di ricerca e sviluppo o non ancora disponibili a livello commerciale, al fine di rimuovere CO2 dall’atmosfera e allo stesso tempo contrastare l’acidificazione del mare. Il processo mira a ridurre le criticità legate allo sviluppo di altre tecnologie di emissioni negative, quali gli elevati costi, la grande richiesta di energia, o la potenziale competizione nell’uso delle risorse idriche e nell’utilizzo del suolo. Il processo è basato sulle seguenti fasi: (a) gassificazione di un combustibile solido (es. biomassa), con produzione di syngas; (b) conversione, in un reformer termico a vapore ad alta temperatura, degli idrocarburi e oli catramosi del syngas in idrogeno e monossido di carbonio; (c) produzione di Ca(OH)2 (calce idrata) dal calcare, utilizzando l’entalpia del syngas caldo; (d) spargimento in mare, mediante navi, della calce idrata per aumentare l’alcalinizzazione del mare; (e) invio del syngas ad un reattore water-shift con la produzione di CO2 e idrogeno, che vengono quindi separati; (f) stoccaggio finale di tutta la CO2 prodotta nel processo; (g) utilizzo dell’idrogeno prodotto a fini energetici. I bilanci di massa e di energia mostrano che la quantità di CO2 totale rimossa dal processo è pari a 3 tonnellate per tonnellata di biomassa utilizzata. Considerando le emissioni evitate grazie alla produzione di energia elettrica tramite idrogeno, in sostituzione di combustibili fossili, il beneficio complessivo del processo in termini di CO2 sale a 3,4 tonnellate per tonnellata di biomassa. Per valutare l'impatto ambientale del processo è stata effettuata una Analisi del ciclo di vita (LCA), in cui sono state considerate diciassette categorie di impatto. Per la categoria “cambiamenti climatici”, i processi più impattanti sono il processo di calcinazione, l’approvvigionamento della biomassa e lo stoccaggio di CO2. Con l’approccio “dalla culla alla tomba” della metodologia LCA, il beneficio in termini di rimozione di CO2 è ridotto di circa il 2%. Grazie alla rimozione di CO2 determinata dall’alcalinizzazione del mare e dallo stoccaggio finale, nonché alle emissioni evitate grazie alla generazione di idrogeno, il processo permette di conseguire una maggiore entità di emissioni negative rispetto alla tecnologia convenzionale di uso di biomasse con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS). La disponibilità di biomassa rimane comunque un limite allo sviluppo su grande scala del processo.
In order to limit global warming "well below 2°C", as agreed in the Paris Agreement, a drastic reduction of the greenhouse gases emissions is urged, as well as removing CO2 from the atmosphere in larger quantities, the more the reduction of emissions is delayed. For this reason, many technologies have been proposed to remove CO2 from the atmosphere (so-called Negative Emission Technologies), and scientific-technical research is fast developing to assess the environmental potential, costs, benefits and critical points of the different options. The article presents a new process that combines commercial industrial technologies with technologies still at the research and development stage or not yet commercially available, in order to remove CO2 from the atmosphere and at the same time to address the acidification of the sea. The process aims to overcome the limitations of other negative emission technologies, such as high costs, high energy demand, or potential competition in water use and land use. The process is based on the following steps: (a) gasification of a solid fuel (e.g. biomass) with consequent production of a syngas; (b) conversion of syngas hydrocarbons and tar oils into hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) in a high-temperature thermal steam reformer; (c) production of Ca(OH)2 (slaked lime) from limestone, using the enthalpy of the hot syngas; (d) spreading in the seawater, by means of ships, slaked lime to contrast the acidification of the sea; (e) sending the syngas to a water-gas-shift reactor with the production of CO2 and H2, which are then separated; (f) final storage of all the CO2 produced in the process; (g) use of H2 for decarbonized energy production. The mass and energy balances show that the total amount of CO2 removed from the process is 3 tonnes per tonne of biomass used. Considering the emissions avoided by using the hydrogen produced by the process, which displace the use of fossil fuels, the overall benefit of the process increases to 3.4 tonnes of removed CO2 per tonne of biomass. To evaluate the environmental impact of the process, a Life Cycle Assessment has been carried out, in which seventeen impact categories have been considered. For “climate change”, the most impacting processes are calcination, feedstock supply and CO2 storage. Considering a cradle-to-grave approach with the LCA methodology, the benefit in terms of CO2 removal is reduced by about 2% (compared to the carbon balance). Thanks to the removal of CO2 determined by the alkalinization of the sea, and to the CO2 stored, as well as the CO2 avoided, the process therefore allows to achieve and higher amount of negative CO2 emissions, compared to the traditional technology of bioenergy with carbon capture and storage (BECCS). The availability of biomass is a limiting factor to the large-scale development of the process.
ocean liming, Negative Emission Technology, carbon storage, gasification, CO2, hydrogen
emissioni negative, alcalinizzazioni oceani, stoccaggio di carbonio, gassificazione, CO2, idrogeno
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11311/1136027
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