SAPIENZA – UNIVERSITÀ DI ROMA FACOLTÀ DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN GEODINAMICA, GEOFISICA E VULCANOLOGIA

CORSO DI GEOLOGIA DEGLI IDROCARBURI E PROSPEZIONE DEI GAS NEL SUOLO

Prof. S. LOMBARDI

Cattura e stoccaggio geologico della CO2

Cesare Davide Andriani

SOMMARIO

INTRODUZIONE

FONTI DI CO2

METODI DI CATTURA

TRASPORTO

STOCCAGGIO GEOLOGICO

RISCHI E IMPATTO AMBIENTALE

MONITORAGGIO

CONCLUSIONI

INTRODUZIONE

RUOLO DEI COMBUSTIBILI FOSSILI NEL RIFORNIMENTO ENERGETICO

• 86% del fabbisogno energetico mondiale (BP, 2003). • 75% delle emissioni di CO2 di origine antropica (25% da altre fonti: es. deforestazione). • 25 Gt di CO2/anno.

Título do Gráfico

Petrolio

Gas naturale

Carbone

Le previsioni mostrano una crescita della domanda di energia nei prossimi decenni a un tasso medio dell’1,8%/anno, specialmente nei paesi non OCSE.

INTRODUZIONE LE TECNOLOGIE CCS: UNA RISPOSTA AI CAMBIAMENTI CLIMATICI

• Riduzione consumi, aumento efficienza conversione e uso dell’energia. • Passaggio a combustibili con minore contenuto di C (gas naturale invece che carbone). • Energie rinnovabili e nucleare. • Cattura e stoccaggio geologico della CO2.

(IEA, 2010)

Contributo pari a ≈ 20% della riduzione delle emissioni al 2050, nell’ipotesi di un dimezzamento rispetto ai livelli attuali.

FONTI DI CO2

L’impiego dei combustibili fossili nel settore energetico ha causato un aumento della concentrazione di CO2 in atmosfera da 270 ppm a 380 ppm nell’ultimo secolo.

• La produzione di energia elettrica rappresenta la fonte maggiore di emissioni.

• Industrie energetiche (raffinerie di petrolio, estrazione di carbone, olio e gas), industrie del cemento, dell’acciaio e del ferro sono anch’esse sorgenti di emissioni circoscritte.

• Il settore dei trasporti è la fonte in più rapida espansione.

• Non irrilevante il settore residenziale.

METODI DI CATTURA DELLA CO2

La combustione dei combustibili fossili rilascia un gas contenente CO2, N2, vapor d’acqua, O2 e piccole quantità di altri elementi. Poiché solo la CO2 è un gas serra occorre separarla dal N2.

I TRE TIPI DI SISTEMI

Cattura pre-combustione – La più promettente nel medio-lungo periodo, consiste nel trattare preventivamente il combustibile (carbone o gas) trasformandolo in syngas e successivamente separandolo in due flussi: un gas ad alta concentrazione di H2, destinato alla combustione, e CO2.

Cattura post-combustione – Prevede la sottrazione della CO2 dai gas combusti al termine del ciclo. Benché non occorra apportare consistenti modifiche agli impianti, si tratta comunque di processi complessi e costosi.

Combustione oxy-fuel – Tecnologia messa a punto per il carbone polverizzato bruciato con O2 anziché con aria, aumentando di molto la concentrazione di CO2 nei gas combusti semplificando così la sua cattura.

TRASPORTO DELLA CO2

CONDUTTURE

•A P > 70 bar la CO2 passa in uno stato supercritico detto “fase densa” (0,2% del volume a T e P normali): possibilità di trasportare enormi quantità.

•Condutture in acciaio dolce per CO2 deidratata, eliminando problemi di corrosione e formazione di solidi idrati.

•Acciaio inossidabile nel caso di EOR.

•Distanze relativamente brevi (< 1000 Km).

•Flusso continuo al sito di stoccaggio.

NAVI

•Alternativa attualmente più dispendiosa (costo/t), in uso per volumi ridotti (10-15.000 m3).

•Come per il GPL, si potrebbero trasportare 230.000 t di CO2 allo stato liquido con sistemi refrigeranti e pressurizzati, su distanze più grandi (> 2000 Km).

•Per sopperire allo svantaggio di un flusso discontinuo si potrebbero costruire serbatoi intermedi a terra.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2

Per rendere efficace lo stoccaggio contro i cambiamenti climatici una quota significativa delle emissioni globali di CO2 deve essere immagazzinata per migliaia di anni. I siti adatti allo stoccaggio della CO2 sono comunemente diffusi nei BACINI SEDIMENTARI, presenti in tutto il mondo. I serbatoi in cui iniettare la CO2 devono possedere opportuni requisiti:

•sufficiente volume, porosità e permeabilità;

•presenza di una formazione impermeabile sovrastante (roccia di copertura);

•trappole strutturali che controllino la migrazione della CO2 nel serbatoio;

•profondità maggiore di 800 m, dove P e T sono tali da mantenere la CO2 in fase densa e massimizzare le quantità confinate;

•assenza di acqua potabile.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2

OPZIONI PER LO STOCCAGGIO DELLA CO2 IN GIACIMENTI NATURALI

• Giacimenti profondi di carbone non estraibile.

• Uso della CO2 per aumentare la produzione di metano dal carbone (ECBM – Enhanced Coal Bed Methane recovery).

• Giacimenti esauriti di olio e gas naturale.

• Uso della CO2 per aumentare la produzione di olio e gas (EOR e EGR – Enhanced Oil Recovery e Enhanced Gas Recovery).

• Acquiferi salini profondi.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2

GIACIMENTI ESAURITI DI OLIO E GAS NATURALE

EOR E EGR

• Bassi costi di esplorazione.

• Trappole comprovate che hanno ospitato liquidi e gas per milioni di anni.

• Ben conosciuti dal punto di vista geologico.

• Potenziale riutilizzo di parti dell’impianto di produzione per il trasporto e l’iniezione della CO2.

• Il gas naturale viene abitualmente stoccato in centinaia di campi nel sottosuolo.

• L’iniezione di CO2 in giacimenti esauriti può permettere il recupero del 10-15% dell’olio originariamente in posto (Weyburn, Canada).

• La produzione aggiuntiva può compensare i costi della cattura e iniezione.

• Nei primi stadi della vita di un giacimento di gas l’iniezione di CO2 può servire a mantenere la pressione di produzione, migliorandone il recupero (In Salah, Algeria).

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2

ACQUIFERI SALINI PROFONDI

•Meno conosciuti dei giacimenti di idrocarburi, questi serbatoi devono trovarsi a più di 800 m di profondità affinché la CO2 si trovi nella fase densa; tuttavia, la sua densità rimane inferiore a quella dell’acqua per cui occupa la parte sommitale del serbatoio al di sotto della roccia di copertura.

•Dal 1996 quasi 1 Mt/anno di CO2 vengono stoccate nella formazione di Utsira nel Mare del Nord.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2 GIACIMENTI PROFONDI DI CARBONE NON ESTRAIBILE E ECBM

•La CO2 può essere iniettata in letti profondi di carbone dove viene adsorbita.

•Il volume stoccabile dipenderà dalla permeabilità del carbone e dalle condizioni di T e P: incrementi di questi due parametri inibiscono l’adsorbimento.

•Il carbone generalmente contiene metano ma la CO2 ha un adsorbimento preferenziale di circa il doppio rispetto a quest’ultimo.

•Quindi, iniettando CO2 si potrebbe aumentare la produzione del metano (ECBM) (Allison Unit, New Mexico).

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2 MECCANISMI DI INTRAPPOLAMENTO

Intrappolamento strutturale – dal momento dell’iniezione la CO2 tende a migrare verso l’alto finché non incontra una barriera impermeabile (argilla, sale).

Intrappolamento residuo – si verifica quando gli spazi interstiziali della roccia serbatoio sono così stretti che la CO2 non può più risalire, nonostante il perdurare di un contrasto di densità rispetto all’acqua.

Intrappolamento per dissoluzione – una parte della CO2 si discioglie nell’acqua salina presente nel serbatoio aumentandone la densità.

Intrappolamento per mineralizzazione – la CO2 disciolta in acqua può reagire con i minerali della roccia.

Alcune stime mostrano che dopo 10.000 anni solo il 5% della CO2 iniettata dovrebbe essere mineralizzata mentre il 95% disciolta, senza residui in fase densa.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2

CAPACITÀ DI STOCCAGGIO NEI SERBATOI GEOLOGICI

La stima del potenziale globale di stoccaggio geologico dell’IEA GreenHouse Gas R&D Programme (2001) è in accordo con lo scenario di business as usual presentato dall’IPCC (1995): il CCS può avere un impatto significativo sulle emissioni di CO2.

I costi di iniezione e stoccaggio variano in relazione al tipo di serbatoio (ancora onerosi per i letti di carbone non estraibile).

Si continua a lavorare per migliorare le stime.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2 NEL MONDO

I progetti commerciali più importanti già in opera sono quelli di Sleipner (Norvegia – acquifero salino), Weyburn (Canada – EOR), In Salah (Algeria – giacimento esaurito di idrocarburi), Minami-Nagoaka (Giappone – acquifero e giacimento di gas), Salt Creek (USA – EOR). Molti altri progetti esistenti o pianificati interessano volumi di stoccaggio inferiori.

STOCCAGGIO GEOLOGICO DELLA CO2 PROSPETTIVE IN ITALIA

Nonostante l’instabilità sismotettonica e il vulcanismo, il nostro territorio presenta strutture geologiche (acquiferi salini, giacimenti di idrocarburi depletati e campi geotermici) per lo più localizzate nelle sequenze terrigene mio-plio-quaternarie presenti sia nell’avanfossa padano-adriatica, sia nei bacini del margine tirrenico.

RISCHI E IMPATTO AMBIENTALE POSSIBILI VIE DI FUGA DA UN SERBATOIO

Artificiali – pozzi di iniezione e pozzi abbandonati possono costituire la via di fuoriuscita più probabile. Naturali – fratture e faglie (avvezione e diffusione). Lo stoccaggio nel sottosuolo può causare un significativo aumento della pressione di serbatoio minando la stabilità della roccia di copertura e favorendo la risalita di CO2 attraverso fratture e faglie. L’acidificazione dell’acqua di falda può aggredire le rocce diminuendone l’integrità strutturale e causando movimenti del terreno in superficie. Variazioni del campo di stress naturale potrebbero aumentare la probabilità di eventi microsismici. Alte concentrazioni di CO2 possono provocare danni all’uomo, agli organismi marini bentonici e alla vegetazione).

LA CONOSCENZA APPROFONDITA DELLE CONDIZIONI GEOLOGICO-STRUTTURALI DELLE AREE DI INTERESSE È INDISPENSABILE PER INDIVIDUARE I SITI MIGLIORI, PREVEDERE IL COMPORTAMENTO DELLA CO2 E PREVENIRE QUALSIASI IMPATTO SULL’ECOSISTEMA.

MONITORAGGIO METODI GEOCHIMICI

•Analisi dei fluidi provenienti dai pozzi. •Misurazione delle concentrazioni dei gas nel terreno. •Monitoraggio delle variazioni del pH dell’acqua di falda.

TELERILEVAMENTO

•Variazioni altimetriche della superficie topografica (Synthetic Aperture Radar). •Monitoraggio delle perdite di CO2 in atmosfera (Spettroscopia radiazione infrarossa).

MONITORAGGIO METODI GEOFISICI

Sismica a riflessione Gravimetria Geoelettrica

Informazioni sulla variazione delle caratteristiche petroacustiche del serbatoio. Risoluzione più elevata.

Efficace nell’indagare acquiferi salini e campi petroliferi poiché la CO2 è meno densa dell’acqua e dell’olio.

La CO2 è un mezzo resistivo per cui anche questo metodo offre buone indicazioni sugli acquiferi salini.

Tutte le metodologie si basano su confronti effettuati a priori e a posteriori. Una strategia di monitoraggio efficace deve tener conto delle specifiche condizioni geologiche e ingegneristiche dei siti prescelti: estensione e profondità del serbatoio, possibile area di dispersione del gas, durata e portata d’iniezione, densità di popolazione, topografia, infrastrutture e ambiente. Il monitoraggio riveste un ruolo di primaria importanza in tutte le fasi di programmazione e sviluppo di un progetto CCS al fine di garantirne l’efficacia e la sicurezza.

CONCLUSIONI

Da quando la minaccia dei cambiamenti climatici è stata considerata come un problema serio da cui difendersi l’intero sistema delle tecnologie di cattura e stoccaggio della CO2 ha progredito a velocità considerevole.

Persistono una serie di questioni da risolvere di natura principalmente economica ma anche giuridica e sociale (consenso pubblico).

Occorre diversificare la risposta alle sfide del futuro poiché le tecnologie CCS da sole non risolvono il problema ma devono essere affiancate da altre misure di riduzione delle emissioni di gas serra in atmosfera.

BIBLIOGRAFIA • Freund P., IEA Greenhouse Gas R&D Programme, Enciclopedia degli idrocarburi, Vol III.

• Lombardi S., Persoglia S., Lo stoccaggio geologico della CO2, Speciale – Le tecnologie CCS, 2011.

• ENEA, a cura di Girardi G., Quaderno Tecnologie di cattura e sequestrazione della CO2, luglio 2011.

• ENEA, Girardi G., Giammartini S., Calabrò A., Deiana P., Produzione sostenibile di energia elettrica da combustibili fossili: obiettivo zero emission. Le tecnologie CCS, 2008.

• Zarlenga F., Vellone R., Beretta G.P., Calore C., Chiaramonte M.A., De Rita D., Funiciello R., Gambolati G., Gianelli G., Grauso S., Lombardi S., Marson I., Persoglia S., Seriani G., Vercelli S., Il confinamento geologico della CO2: una metodologia per affrontare il problema in Italia, 2005.

• Bressan R., Confinamento geologico della CO2, 2011.

• Caliri A., Panei L., Potenzialità delle tecnologie di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica nell’industria italiana, Ministero Sviluppo Economico, Direzione Generale Risorse Minerarie ed Energetiche, 2012.

• International Energy Agency, Technology Roadmap, Carbon Capture and Storage, 2010.

• Vercelli S., Anderlucci J., La percezione pubblica dello stoccaggio dell’anidride carbonica, Speciale – Le tecnologie CCS, 2011.

• Bordogna R., La sequestrazione geologica della CO2, Fondazione ENI Enrico Mattei, 2006.