Giada Biava

Cattura e utilizzo di CO2: la ricerca in Italcementi

26 Giugno 2023

L’obiettivo di Italcementi e di Heidelberg Materials, di cui Italcementi è parte integrante, è l’ampliamento del portafoglio di prodotti e applicazioni sostenibili, attraverso la riduzione delle emissioni di CO₂, in linea con gli obiettivi europei (Accordo di Parigi del 2015) al 2030 (Fit for 55) e 2050 (carbon neutrality), nonché con l’applicazione dei principi dell’economia circolare. Con questo scopo, da un lato nascono le azioni dirette mirate alla riduzione delle emissioni di CO₂ attraverso i progetti di Carbon Capture Usage & Storage (CCUS) e dall’altro le attività di ottimizzazione di processo e prodotto.

In questo contesto si inserisce il progetto Cattura ed utilizzo di CO₂ per lo sviluppo di nuovi materiali edili sostenibili partendo da sottoprodotti industriali che si svolge nell’ambito del percorso di dottorato cofinanziato da fondi PON R&I 2014-2020 e dall’Università degli Studi di Brescia ed è iniziato a gennaio 2022 e terminerà a dicembre 2024. Il progetto nasce, quindi, da un’iniziativa del Ministero dell’Università e della Ricerca, che ha stanziato fondi per promuovere l’attività di ricerca nell’ambito di tematiche green di interesse per le aziende del territorio italiano. Italcementi è tra le aziende più sensibili e attive nel campo della sostenibilità e ha creduto nell’importanza di supportare la ricerca industriale e nella collaborazione con l’Università ampliando al contempo la propria rete di sviluppo e innovazione.

Il tema ispiratore è la promozione dell’economia circolare nell’ambito delle applicazioni di cemento e calcestruzzo. L’obiettivo principale è la valutazione sperimentale di diversi scarti provenienti da acciaierie e polveri estratte da cementerie dell’area Bergamo-Brescia rispetto alla loro potenzialità di cattura di CO₂ e dei relativi materiali carbonatati per applicazioni sostenibili per il settore edilizio. Nello specifico, obiettivo dell’Università di Brescia è anche l’identificazione di una sinergia industriale che promuova il riciclo di scarti industriali nei materiali edili (in cemento o calcestruzzo), resa ancor più sostenibile perché relativa ad aziende operanti in territori limitrofi.

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La reazione di carbonatazione è un processo naturale: infatti la CO₂ presente in atmosfera entra in contatto con le rocce basaltiche presenti sul nostro pianeta e reagisce con le specie più reattive, ioni di calcio e magnesio, a formare composti stabili e insolubili in acqua, i carbonati di calcio e magnesio. Questa reazione è in grado di rimuovere la CO₂ dall’atmosfera, sebbene a un ritmo molto lento rispetto alle attuali emissioni di gas serra. Tuttavia, la carbonatazione naturale delle rocce basaltiche è stata studiata come possibile metodo di cattura e immagazzinamento di carbonio (CCS), in cui l’anidride carbonica viene catturata da fonti di emissione, come le centrali elettriche, e iniettata in giacimenti di rocce basaltiche sotterranee per accelerare il processo di carbonatazione naturale e quindi rimuovere la CO₂ dall’atmosfera. Ed è proprio sulla velocità di reazione, ovvero la cinetica, che è fondamentale intervenire al fine di rendere il processo vantaggioso a livello industriale. La ricetta di carbonatazione alla base del sequestro di per sé è molto semplice, gli ingredienti principali sono lo scarto, l’acqua e la CO₂. Nello specifico, gli scarti, prevalentemente di grossa pezzatura, sono macinati fino alla riduzione in polvere fine, ad essa viene aggiunta l’acqua per formare una “fanghiglia”. Questa fanghiglia fluida e la CO₂gassosa sono poi inseriti nel reattore, che lavora a pressioni elevate e temperatura ambiente. Queste condizioni di lavoro permettono di poter accelerare la reazione in maniera importante a tal punto che dopo solo 24 ore è già possibile studiare il comportamento del processo, l’influenza dei parametri e le prestazioni dei materiali testati. Trovare il giusto equilibrio tra i molteplici fattori che influenzano il processo è la sfida più stimolante ma anche la parte più difficile di questo lavoro.

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Perché investire risorse in questo processo? I vantaggi sono molteplici come la potenziale capacità di sequestro di CO₂ di sottoprodotti a condizioni blande, la stabilità dei prodotti di reazione che possono essere riutilizzati in altri ambiti come l’edilizia, la stabilizzazione dei metalli pesanti presenti nel materiale di partenza e una valida alternativa allo stoccaggio geologico o oceanico. I prodotti di reazione sono sottoposti a diverse analisi per studiarne le caratteristiche chimiche e il possibile reimpiego in ambito edilizio. I principali impieghi sono come costituente nel cemento, additivo o come filler (per materiale inerte) nel calcestruzzo dopo la validazione dei test meccanici, idraulici e di durabilità dei materiali.

Dopo circa un anno e mezzo dall’inizio del progetto, i primi risultati sono positivi: grazie al protocollo di carbonatazione accelerata messo a punto presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale dell’Università di Brescia, tra i materiali finora testati, è stato possibile selezionare scorie d’acciaieria che potrebbero catturare in media tra 118 e 240 kg di CO₂ per tonnellata di materiale e scarti intermedi di processo (ad oggi in esso riciclati) di produzione di cemento in grado di catturare fino a 55 kg di CO₂ per tonnellata di scarto. Nonostante la polvere di cementeria sia il materiale che mostra performance minori, la capacità di sequestrare CO₂ è un valore aggiunto al suo processo di riciclo all’interno della cementeria stessa e la formazione di una maggior quantità di carbonato può avere un impatto positivo sul suo riutilizzo come filler. Dall’altra parte, le scorie d’acciaieria hanno un destino diverso: le scorie nere hanno una destinazione più “semplice” verso il riutilizzo e in generale sono appetibili come materia prima secondaria al posto della ghiaia mentre le scorie bianche sono più complesse da ridestinare e possono essere catalogate come rifiuto e smaltite in discarica oppure essere riutilizzate nella calce “nuova”, se la loro composizione chimica rientra nei limiti di legge. In generale è importante sottolineare che anche se questi materiali possono essere destinati a un secondo impiego, la capacità “innata” di catturare CO₂ valorizza il materiale in ambito di sostenibilità e dà un valore aggiunto ai cementifici e acciaierie, che tramite i loro sottoprodotti possono mitigare le emissioni di CO₂ da loro stessi prodotti al fine di promuovere un’economia circolare.

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Per avere un’idea di massima dell’impatto di questa tecnologia, pensiamo a una Fiat Panda benzina che si sposti in uno dei miei percorsi tipici, ovvero che parta dal quartier generale di Italcementi e arrivi all’Università di Brescia. Mediamente, questo tipo di veicolo emette 133 g CO₂/km percorso. Se consideriamo che la tratta andata-ritorno è pari a 110 km, il veicolo emetterà circa 14.6 kg di CO₂. Di conseguenza, una tonnellata della tipologia di scorie testate nel mio studio potrebbe sequestrare la CO₂ prodotta da almeno 4 e fino a 16 Fiat Panda impegnate nello stesso percorso. La tecnologia di carbonatazione utilizzata ha ottimi margini di miglioramento: se si considerasse la produzione annuale di scorie d’acciaieria in Lombardia (circa 1.8 milioni di scorie) e il potere di sequestro calcolato sulla quantità massima di specie chimiche che potrebbero reagire con la CO₂, si potrebbe stimare la potenziale cattura di circa 220.000-470.000 tonnellate di CO₂ all’anno (ovvero l’equivalente emesso da circa 16 milioni di Fiat Panda che percorrono il tratto Bergamo-Brescia) . Per di più, utilizzando lo scarto per la carbonatazione, questo acquisterebbe un valore aggiuntivo e, in alcuni casi, perderebbe la qualifica di rifiuto evitando la dismissione in discarica. La tecnologia di cattura oggetto del mio dottorato da sola non sarebbe, certo, sufficiente a raggiungere l’obiettivo di azzeramento delle emissioni di CO₂ nel 2050 ma rappresenterebbe un contributo da non trascurare nel contesto di un’economia circolare e di una politica più verde e sostenibile, soprattutto se replicata come best-practice laddove compatibile.

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Giada Biava

Dopo aver conseguito il titolo di laurea a livello magistrale in Scienze e Tecnologie Chimiche all’Università di Milano Bicocca nel 2020, lavora come analista chimico presso il dipartimento di Ambiente e Salute dell’Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri a Milano nel 2021. A gennaio 2022 intraprende il percorso di Dottorato di Ricerca in Technology for Health presso l’Università degli Studi di Brescia e i laboratori di Italcementi studiando il sequestro di CO2 tramite scarti industriali e il riutilizzo dei prodotti nei materiali edili.