Cattura CO₂ cementifici: come orientarsi tra tecnologie e soluzioni 

Il settore del cemento è tra i più difficili da decarbonizzare. Non è una questione di tecnologia mancante, ma di chimica di processo: una parte significativa delle emissioni è strutturalmente inevitabile con i metodi di produzione tradizionali. 

Perché la decarbonizzazione del cemento richiede la cattura della CO₂ 

Tutto parte dal clinker. Il clinker è il componente principale del cemento e si ottiene dalla cottura del calcare in forni industriali ad altissima temperatura. Durante questo processo avviene la calcinazione del calcare: il carbonato di calcio (CaCO₃) si decompone, producendo ossido di calcio (CaO) e anidride carbonica (CO₂).

CaCO₃ → CaO + CO₂

Questa reazione chimica avviene indipendentemente dal tipo di combustibile usato per riscaldare il forno. Che si usi gas naturale, idrogeno o biomassa, la CO₂ si libera comunque: è un sottoprodotto intrinseco della trasformazione del carbonato di calcio in clinker di cemento, non eliminabile agendo solo sulla fonte energetica.
Da qui nasce il problema strutturale del settore. Le emissioni di CO₂ di un cementificio si dividono in due grandi quote:

• circa il 60% deriva dalla calcinazione del calcare (emissioni di processo);

• circa il 40% dalla combustione dei combustibili usati per i forni (emissioni termiche).

Combustibili alternativi come l'idrogeno rinnovabile o la biomassa possono ridurre le emissioni termiche, ma non hanno alcun effetto sulle emissioni di processo. Per abbattere il 60% delle emissioni legate alla calcinazione del calcare, la cattura, l'utilizzo e lo stoccaggio della CO₂ - in inglese CCUS, Carbon Capture, Utilisation and Storage - rappresentano una soluzione efficace.

Le tecnologie di cattura CO₂ nei cementifici

Per catturare la CO₂ emessa dai cementifici esistono oggi diversi approcci. Ciascuno si basa su una tecnologia diversa e si adatta a condizioni di impianto specifiche.

1. Assorbimento chimico con solventi 

L'assorbimento chimico con solventi amminici è una delle prime tecnologie di cattura CO₂  commercializzate a livello industriale. Il principio si basa sul contatto diretto tra i fumi e un solvente chimico liquido, tipicamente una soluzione acquosa di ammine. All'interno di una colonna di assorbimento, le molecole di CO₂ si legano selettivamente al solvente chimico. Gli altri gas - come l'azoto - attraversano la colonna senza essere trattenuti.

Il solvente arricchito di CO₂ viene poi trasferito in una seconda colonna, chiamata colonna di strippaggio o di rigenerazione. Qui viene riscaldato, di norma tramite vapore a bassa pressione, separando la CO₂ concentrata dal solvente rigenerato, che viene reimmesso nel ciclo. Il principale limite di questo approccio è il consumo termico nella fase di rigenerazione. La colonna di strippaggio richiede un apporto continuo di calore che pesa in modo rilevante sui consumi dell'impianto. 

2. Cattura criogenica

La cattura criogenica è una tecnologia di cattura CO₂ che si basa su un processo di separazione fisica: non utilizza solventi chimici, non richiede vapore e funziona principalmente con energia elettrica. È particolarmente adatta ai cementifici, dove la concentrazione di CO₂ nei fumi è elevata.

Il processo raffredda i gas industriali a temperature criogeniche molto basse. In queste condizioni, la CO₂ si condensa e si separa dagli altri componenti del gas attraverso una combinazione di condensazione parziale e distillazione. Le impurità leggere - N₂, Ar, O₂ - e quelle pesanti come i NOx vengono rimosse fino a livelli di ppm o sub-ppm. Il risultato è una CO₂ con purezza superiore al 99%, ottenuta allo stato liquido nel corso del processo.

La CO₂ liquida così ottenuta viene conservata in serbatoi criogenici che preservano le condizioni necessarie alle successive operazioni di stoccaggio e trasporto verso i siti di utilizzo o di stoccaggio geologico permanente.

Cryocap™ è la tecnologia criogenica proprietaria di Air Liquide per la cattura e la liquefazione della CO₂, già selezionata nell’ambito di diversi progetti nel mondo. Per i cementifici, le varianti più rilevanti sono due:

• Cryocap™ FG: indicata per fumi con contenuto di CO₂ pari o superiore al 15%, tipici dei forni da cemento. Raggiunge un tasso di cattura fino al 95%.

• Cryocap™ Oxy: progettata per i fumi da ossicombustione, con concentrazioni di CO₂ superiori al 50%. Raggiunge tassi di cattura fino al 98%.

L'ossicombustione come abilitatore della cattura della CO₂

L'efficienza di qualsiasi sistema di cattura - e in particolare di quella criogenica - dipende in larga misura da una variabile chiave: la concentrazione di CO₂ presente nei fumi industriali. È qui che entra in gioco l'ossicombustione, una tecnologia di processo che funge da potente abilitatore della cattura stessa.

Nei forni convenzionali, l'impiego dell'aria atmosferica per la combustione introduce elevate quantità di azoto, che diluiscono la CO₂​ nei fumi di scarico. Sostituendo l'aria con ossigeno puro - prodotto in impianti dedicati chiamati Air Separation Units (ASU) - si evita l’impiego di azoto: i fumi risultanti sono composti quasi esclusivamente da vapore acqueo e CO₂​ ad alta concentrazione.

Questo incremento della concentrazione riduce i volumi di gas da trattare e semplifica la successiva fase di purificazione, rendendo la cattura della CO₂ più immediata ed efficiente. In questo campo, Air Liquide offre una soluzione integrata che combina la propria esperienza nella produzione di ossigeno tramite ASU con Cryocap™ Oxy: questa tecnologia è stata progettata specificamente per i fumi da ossicombustione nei cementifici, nelle cementerie della calce e nelle centrali elettriche. 

I progetti Air Liquide in Europa 

Le tecnologie di Air Liquide sono già state selezionate nell’ambito di progetti concreti, riconosciuti e finanziati a livello europeo.

1. ACCSION (Danimarca)

Air Liquide e Cementir Holding, attraverso la controllata Aalborg Portland, hanno avviato ACCSION, uno dei primi progetti onshore di cattura e stoccaggio della CO₂ in Europa, e il primo dedicato al settore del cemento in Danimarca.

Grazie alla tecnologia Cryocap™, circa il 95% della CO₂ emessa dai forni dello stabilimento di Aalborg Portland verrà catturata, purificata e liquefatta. La CO₂ liquida sarà poi trasportata verso siti di stoccaggio geologico onshore. ACCSION ha inoltre ottenuto un finanziamento di 220 milioni di euro dal Fondo per l'Innovazione dell'UE, uno dei principali programmi mondiali per la promozione di tecnologie a basse emissioni di carbonio.

2. HERCCULES (Italia e Grecia)

HERCCULES (acronimo di Heroes in Southern Europe to Decarbonize Industry with CCUS) è un progetto coordinato da LEAP (Laboratorio Energia Ambiente Piacenza) e finanziato dal programma Horizon Europe. L'obiettivo è dimostrare la fattibilità dell'intera filiera CCUS in aree industriali ad alta densità come il Nord Italia e la Grecia ed il settore del cemento è tra i principali ambiti di applicazione.

Nel progetto, Air Liquide si occupa del trasporto della CO₂ dai siti di cattura verso bacini di stoccaggio geologico o siti industriali per utilizzo convenzionale. Air Liquide svolge anche un'attività di benchmark tra le soluzioni di cattura testate nell'ambito di HERCCULES e quelle già operative su scala industriale, contribuendo a identificare le tecnologie più adatte per le future applicazioni nel settore del cemento e in altri comparti hard-to-abate.
 

Stoccaggio (CCS) e utilizzo (CCU) della CO₂ in Italia

Catturare la CO₂ è solo il primo passo: una volta catturata, va gestita. Le opzioni principali sono due: stoccarla in modo permanente nel sottosuolo secondo il modello CCS (Carbon Capture and Storage), oppure riutilizzarla come materia prima in processi industriali secondo il modello CCU (Carbon Capture and Utilisation).

Per quanto riguarda la CCS, la sfida principale risiede nella costruzione di una catena logistica integrata capace di connettere i distretti industriali ad alta intensità emissiva con i siti di destinazione finale. In questo contesto si inserisce il progetto Callisto (CArbon LIquefaction transportation and STOrage), di cui Air Liquide è promotore: l’iniziativa ha l’obiettivo di sviluppare un'infrastruttura per raccogliere, trasportare e stoccare la CO₂ nei giacimenti esauriti del Mar Mediterraneo, con un focus specifico sulla decarbonizzazione dei bacini industriali italiani di Ravenna e Ferrara e dell'hub di Fos-sur-Mer in Francia.

Per quanto riguarda invece la CCU, una delle applicazioni più promettenti per il settore cementizio è la mineralizzazione della CO₂ nel calcestruzzo. La CO₂ viene iniettata nel calcestruzzo fresco durante la produzione, reagisce con i componenti cementizi e si converte in carbonati minerali stabili, incorporandosi nella matrice solida. Il risultato è un materiale da costruzione che trattiene la CO₂ in forma permanente, con proprietà meccaniche spesso migliorate rispetto al prodotto tradizionale.

Un'altra applicazione rilevante è la sintesi di carburanti sintetici (e-fuels), ottenuti combinando CO₂ catturata con idrogeno verde. Questo approccio - noto come Power-to-X - permette di produrre carburanti rinnovabili per settori difficilmente elettrificabili, come l'aviazione e il trasporto marittimo pesante.

Domande frequenti (FAQ) sulla cattura CO₂ per cementifici

Perché i cementifici non possono eliminare la CO₂ dal processo produttivo?

Perché la quota più consistente delle emissioni di un cementificio deriva dalla calcinazione del calcare, non dai combustibili. Durante la produzione del clinker di cemento, il carbonato di calcio si decompone inevitabilmente liberando CO₂, indipendentemente dalla fonte energetica usata per riscaldare il forno. Questa quota - circa il 60% delle emissioni totali - è parte intrinseca del processo di produzione e, quindi, non può essere eliminata cambiando combustibile. 

Quali sono le principali tecnologie di cattura CO₂ applicate ai cementifici?

Le due tecnologie principali sono l'assorbimento chimico con solventi amminici e la cattura criogenica: il primo è la soluzione più diffusa ma comporta un elevato consumo termico per la rigenerazione del solvente; la seconda separa fisicamente la CO₂​ per raffreddamento e condensazione a basse temperature, senza l'uso di reagenti chimici e alimentandosi principalmente con energia elettrica.

A queste tecnologie si affianca l'ossicombustione, che non è un sistema di cattura della  CO₂ in sé, ma una scelta di processo a monte che facilita la successiva cattura: alimentando i forni con ossigeno puro anziché aria, si evita la diluizione con l'azoto e si generano fumi molto più concentrati​, agevolando la successiva fase di cattura criogenica a valle.

Cosa si fa con la CO₂ dei cementifici una volta catturata?

La CO₂ catturata può seguire due percorsi principali. Il primo è lo stoccaggio geologico permanente (CCS): la CO₂ viene liquefatta, trasportata e iniettata in formazioni geologiche profonde come giacimenti di gas esauriti o acquiferi salini profondi. Il secondo è l'utilizzo come materia prima (CCU): può essere mineralizzata nel calcestruzzo, impiegata per produrre e-fuels o carburanti sintetici, utilizzata nell'industria agroalimentare, nella chimica o in altri settori industriali.

Cosa serve per arrivare a cementifici con zero emissioni di anidride carbonica?

Servono più componenti che lavorano insieme: tecnologie di cattura mature e scalabili, infrastrutture di trasporto e stoccaggio (pipeline, hub CCS, siti di iniezione), un quadro normativo e finanziario stabile che renda i progetti economicamente sostenibili, e partnership solide tra produttori di cemento, fornitori tecnologici, operatori infrastrutturali e istituzioni pubbliche. I fondi europei - come il Fondo per l'Innovazione dell'UE e il programma Horizon Europe - stanno già finanziando i primi progetti su scala industriale nel settore.

Come funziona la cattura criogenica della CO₂ applicata ai cementifici?

La cattura criogenica raffredda i fumi industriali a temperature molto basse, fino a fare condensare la CO₂, che si separa così dagli altri gas attraverso condensazione e distillazione. La CO₂ separata ha una purezza molto elevata e può essere ottenuta allo stato liquido. Viene poi stoccata in serbatoi criogenici e trasportata verso i siti di stoccaggio o utilizzo. A differenza dell'assorbimento chimico, la cattura criogenica non usa solventi chimici, non richiede vapore e funziona principalmente con energia elettrica, risultando compatibile con fonti rinnovabili.

The HERCCULES project has received funding from the European Union's Horizon Europe research and innovation programme under grant agreement No. 101096691. Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or European Climate, Infrastructure and Environment Executive Agency (CINEA). Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them.