Cattura criogenica CO2: come funziona e che tecnologia scegliere

L'industria è responsabile oggi di oltre il 18%¹ delle emissioni mondiali di CO₂. Tuttavia, in molti comparti, la decarbonizzazione non è raggiungibile attraverso la sola sostituzione del combustibile: le emissioni derivano da processi chimici e fisici intrinseci alla produzione stessa. 

Per questi settori, la cattura della CO₂ tramite separazione criogenica  diventa una delle soluzioni più avanzate per la decarbonizzazione industriale, applicabile sia ai processi post-combustione sia ai flussi ad alta concentrazione di CO₂.

Cos'è la cattura criogenica e in cosa si differenzia dalle ammine

Le tecnologie di cattura industriale della CO₂ si dividono in due grandi famiglie:

• l'assorbimento chimico con solventi amminici è l'approccio delle prime tecnologie CCS commercializzate. I fumi industriali vengono messi a contatto con un solvente chimico - tipicamente una soluzione acquosa di ammine - all'interno di una colonna di assorbimento; la CO₂ si lega poi al solvente attraverso una reazione chimica selettiva, mentre gli altri gas vengono rilasciati. Il solvente arricchito viene poi inviato a una colonna di strippaggio per essere rigenerato e riutilizzato nel ciclo. Questa fase richiede un elevato apporto termico e un grande uso di vapore acqueo per separare la CO₂ dal solvente. Il principale limite di questo approccio risiede proprio nel consumo energetico continuativo e nella progressiva degradazione del solvente chimico nel tempo;

• la cattura criogenica si basa invece su un principio fisico: la separazione della CO₂ dagli altri componenti dei gas industriali avviene attraverso il raffreddamento progressivo del flusso fino a temperature molto basse. In queste condizioni, la CO₂ - le cui proprietà termodinamiche differiscono da quelle degli altri gas presenti nel flusso - condensa e si separa dagli altri componenti per distillazione. 

La tecnologia criogenica offre quindi un vantaggio significativo: è un processo alimentato da energia elettrica che non richiede l'impiego di solventi chimici, eliminando di conseguenza la necessità del loro smaltimento e riducendo l'impatto ambientale dell'impianto.

Come funziona la cattura criogenica

Il processo di cattura criogenica della CO₂ si articola in quattro fasi. Ciascuna è necessaria per garantire la qualità del prodotto finale e la continuità operativa dell'impianto.

• Compressione e deumidificazione dei fumi: il flusso gassoso industriale - che provenga da un processo post-combustione convenzionale o da un processo di ossicombustione - viene prima compresso e poi accuratamente essiccato per rimuovere l'umidità residua. Questo passaggio è indispensabile: a temperature criogeniche, anche piccole quantità di vapore acqueo possono formare ghiaccio all'interno delle apparecchiature.

• Pre-raffreddamento: il gas essiccato viene avviato a una fase di raffreddamento progressivo e controllato, che riduce gradualmente la temperatura del flusso e lo porta nelle condizioni termodinamiche necessarie per la separazione criogenica vera e propria.

• Abbattimento termico criogenico e separazione selettiva: sfruttando le bassissime temperature, la CO₂ condensa e si separa fisicamente dagli altri componenti (come azoto o ossigeno) che rimangono invece in fase gassosa. Le eventuali impurità residue vengono rimosse attraverso specifici processi di purificazione criogenica, consentendo di ottenere livelli di purezza estremamente elevati in linea con le specifiche richieste dal mercato o dal cliente finale.

• Liquefazione e condizionamento: la CO₂ purificata può essere condizionata come gas ad alta pressione o prodotta direttamente allo stato liquido. Questo permette di raggiungere le specifiche tecniche necessarie per le diverse modalità di trasporto (via pipeline per il gas compresso, oppure tramite navi cisterna o autocisterne per la CO₂ liquida) o per lo stoccaggio temporaneo in attesa del trasferimento.finale.

Un nodo fondamentale di questa catena sono i serbatoi criogenici: si tratta di sistemi di stoccaggio progettati per mantenere la CO₂ liquida in condizioni di temperatura e pressione stabili durante le fasi di trasporto e trasferimento. Esistono diverse classi di serbatoi criogenici, distinte per capacità volumetrica, pressione di esercizio e modalità di impiego - fisso, mobile, da stiva navale - che vengono selezionate in base alle esigenze.

La tecnologia Cryocap™ di Air Liquide

Cryocap™ è la tecnologia brevettata di Air Liquide per la cattura criogenica e la liquefazione della CO₂: una soluzione modulabile e adattabile alle diverse concentrazioni di CO₂ e alle specifiche necessità di diversi settori industriali. Cryocap™ è oggi l'unica tecnologia di cattura criogenica della CO₂ operativa su scala mondiale, con oltre 10 anni di funzionamento continuativo e una disponibilità della CO₂ catturata superiore al 99%.

Cryocap™ è inoltre alimentata da energia elettrica, senza impiego di vapore: questa caratteristica la rende compatibile con l’impiego di fonti rinnovabili e consente di ridurre le emissioni indirette legate ai consumi dell'impianto (Scope 2). Il prodotto ottenuto è una CO₂ con purezza superiore al 99% - una specifica che soddisfa i requisiti più stringenti per il trasporto, lo stoccaggio geologico permanente e la valorizzazione industriale a valle, inclusa la movimentazione in serbatoi criogenici dedicati in vista del successivo trasporto.

Una delle applicazioni strategiche di Cryocap™ è l'integrazione con l'ossicombustione. Questa tecnologia consente di alimentare i forni industriali sostituendo l’aria con ossigeno puro (O₂) prodotto dalle Unità di Separazione dell’Aria (ASU). L'esclusione dell'azoto dalla combustione produce fumi con concentrazioni di CO₂ superiori al 50%, molto più elevate rispetto ai valori tipici dei processi post-combustione convenzionali. Una concentrazione così alta semplifica e ottimizza la cattura criogenica a valle, aumentandone l'efficienza complessiva e riducendo i volumi di gas da trattare.

Esempio di applicazione industriale: il cemento

La cattura criogenica è una delle soluzioni più efficaci per abbattere le emissioni di processo del settore del cemento, uno dei comparti hard-to-abate. Diversi sono i progetti di Air Liquide in tale ambito:

il progetto GO4ZERO in Belgio - in collaborazione con Holcim presso lo stabilimento di Obourg - punta a trasformare il sito in una cementeria su larga scala a zero emissioni. Grazie alla fornitura di ossigeno e all'integrazione di Cryocap™ OXY, il progetto consentirà di catturare circa 1,1 milioni di tonnellate di CO₂ all'anno. La CO₂ catturata sarà inviata tramite pipeline a un hub di esportazione per il successivo stoccaggio geologico permanente offshore nel Mare del Nord;

il progetto ACCSION, in Danimarca, è invece la dimostrazione più compiuta della scalabilità industriale della cattura criogenica su volumi massivi. Sviluppato da Air Liquide insieme a Cementir Holding, attraverso la controllata Aalborg Portland, ACCSION è tra i primi progetti onshore di cattura e stoccaggio della CO₂ in Europa interamente dedicati al settore del cemento. Grazie alla tecnologia Cryocap™, circa il 95% della CO₂ emessa dai forni dello stabilimento verrà catturata, purificata e liquefatta. La CO₂ liquida sarà poi trasportata attraverso una nuova rete di tubazioni verso siti di stoccaggio geologico onshore, creando e completando la catena del valore CCS. ACCSION eviterà l'emissione di 1,5 milioni di tonnellate di CO₂ ogni anno, con avvio previsto entro la fine del 2029, ed è stato sostenuto da un finanziamento di 220 milioni di euro dal Fondo per l'Innovazione dell'UE.

Domande frequenti (FAQ) sulla tecnologia criogenica per la CO₂

Come funziona la separazione criogenica?

La separazione criogenica della CO₂ sfrutta le differenze nelle proprietà termodinamiche dei gas presenti nei fumi industriali. Il flusso gassoso viene compresso, essiccato e raffreddato progressivamente fino a temperature molto basse, in prossimità del punto triplo della CO₂ (circa -56,6°C a 5,1 bar). A queste condizioni, la CO₂ condensa e si separa dagli altri componenti che rimangono in fase gassosa. Le impurità vengono poi rimosse attraverso distillazione frazionata criogenica fino a livelli di ppm, producendo CO₂ ad altissima purezza in forma liquida.

Quali sono i vantaggi principali della tecnologia criogenica?

I vantaggi della cattura criogenica della CO₂ si articolano su tre dimensioni. Sul piano ambientale non vengono impiegati solventi chimici e, quindi, non vi sono reagenti da smaltire, né  formazione di sottoprodotti tossici. Sul piano energetico, il processo è alimentato con energia elettrica ed è quindi compatibile con fonti rinnovabili. Sul piano della qualità del prodotto. la CO₂ ottenuta ha una purezza superiore al 99%.

Quali sono i limiti della cattura criogenica?

Come ogni tecnologia, la separazione criogenica presenta alcuni aspetti da considerare in fase di valutazione. Il primo è la concentrazione di CO₂ nel gas di alimentazione: la tecnologia esprime la sua massima efficienza ed economicità su fumi con concentrazioni medio-alte. Il secondo aspetto riguarda il contesto infrastrutturale e normativo: lo sviluppo delle infrastrutture e l'evoluzione del quadro regolatorio europeo e nazionale sono, infatti, elementi che possono contribuire ad una più ampia diffusione di queste tecnologie.

Qual è il ruolo di Cryocap™ nella filiera CCS?

Cryocap™ è la tecnologia proprietaria di Air Liquide per rispondere alla sfida della decarbonizzazione industriale. Nel contesto della filiera CCS, Cryocap™ consente di catturare le emissioni di CO₂ direttamente alla fonte, ottenendo CO₂ liquida ad altissima purezza, pronta per essere avviato al trasporto e allo stoccaggio. 

¹https://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/edition-numerique/chiffres-cles-du-climat/7-repartition-sectorielle-des-emissions-de