CO2 in atmosfera: superate le 410 parti per milione

La combustione 

Nel mondo civilizzato, accendere il gas è un gesto quotidiano al quale non si fa più caso. Eppure la combustione è stata una delle scoperte più importanti nella storia dell’umanità, poiché ha permesso di soddisfare il bisogno primario di riscaldarsi e di cuocere i cibi.

La combustione è una reazione chimica. Quando il legno brucia avviene una serie complessa di reazioni che producono anidride carbonica CO₂ (C + O₂ = CO₂).

Il carbonio della cellulosa viene “bruciato” (ossidato) dall’ossigeno e contemporaneamente viene liberato calore nell’ambiente dalla reazione esotermica. Dopo il legno, l’uomo ha utilizzato il carbone e, infine, il petrolio e il gas naturale. Carbone, petrolio e gas naturale sono combustibili fossili perché derivano tutti dalla cellulosa delle piante e dalle sue trasformazioni avvenute nel corso di milioni di anni. E la cellulosa deriva dalla fotosintesi che fissa il biossido di carbonio dell’aria con l’acqua della pianta grazie alla radiazione solare. In definitiva: i combustibili fossili altro non sono che l’energia del sole immagazzinata dalle piante nell’arco di tempo di milioni di anni.

Quando utilizziamo il gas metano (o qualsiasi altro idrocarburo) “bruciamo” il carbonio e lo restituiamo all’atmosfera sotto forma di anidride carbonica (in aggiunta all’acqua che deriva dall’idrogeno): CH₄ + 2O_{2 →} CO_{2 +} 2H₂O.

I combustibili fossili sono noti come fonti primarie di energia e sono fonti esauribili nel senso ovvio che, una volta consumate, non ci sono più. I processi di combustione avvengono principalmente in tre grandi settori:

a)      Settore industriale: le industrie sono grandi consumatrici di energia. L’industria elettrica consuma fonti primarie per produrre elettricità, che è essa stessa una forma di energia. In realtà l’elettricità rappresenta la forma più conveniente e facile per trasportare l’energia dai luoghi di produzione (centrali elettriche di ogni tipo) alle diverse zone in cui viene utilizzata (altre industrie, consumi domestici). La maggior parte delle centrali elettriche brucia carbone o petrolio per produrre vapore e far funzionare le turbine (centrali termoelettriche), con un consumo diretto di fonti primarie.

b)     Settori dei trasporti: l’importanza dei trasporti nella società moderna è a tutti noto. Lo scambio di merci, i viaggi per affari o per vacanze sono in continuo aumento e il moltiplicarsi dei mezzi di comunicazione hanno fatto del mondo, secondo un’immagine corrente, un “villaggio globale”. Agli innegabili vantaggi che derivano da questi continui scambi fa riscontro un costante aumento nel consumo di fonti primarie di energia (petrolio e suoi derivati).

c)      Settore del riscaldamento: gas naturale, petrolio e derivati sono i combustibili più utilizzati per il riscaldamento e quindi, anche in questo caso, producono un consumo diretto di fonti primarie.

L’immissione di CO₂ nell’atmosfera, causata dalle combustioni naturali o da quelle operate dall’uomo, fino all’era moderna era certamente trascurabile rispetto a quella dovuta agli equilibri naturali. Ora non più. Negli ultimi 100 anni l’uomo ha cominciato a intaccare sensibilmente le riserve di combustibili fossili immettendo nell’atmosfera quantità crescenti di biossido di carbonio. Se torniamo all’equilibrio naturale possiamo facilmente comprendere che un incremento eccessivo di biossido di carbonio è in grado di perturbare l’equilibrio stesso: è questa l’origine del fenomeno noto come effetto serra del quale avrete senz’altro sentito parlare. 

Il fenomeno dell'effetto serra 

L’effetto serra è un fenomeno naturale che permette la vita sul pianeta Terra. L’atmosfera e la crosta terrestre assorbono l’energia emessa dal Sole. L’energia assorbita dalla Terra in parte viene rimessa nello spazio e in parte serve per mantenere la temperatura della pianta idonea alla vita.

L’effetto serra consiste nella differenza tra l’energia solare assorbita e quella rimessa dalla Terra.

Si tratta di un equilibrio complesso: le radiazioni solari che arrivano coprono tutto lo spettro visibile e in parte ultravioletto, mentre quelle riemesse dalla Terra sono più spostate sulle frequenze inferiori (rosso e infrarosso).

Se ora, per un qualsiasi motivo, l’atmosfera viene modificata (cambia cioè la percentuale dei suoi componenti), si modifica anche la capacità dell’atmosfera di riemettere l’energia solare nello spazio. È come in una serra, nella quale i vetri fanno passare tutta la radiazione solare che arriva, ma ne rilasciano solo una parte. La parte che viene riemessa dipende dalla composizione del vetro. Ora, l’atmosfera è il “vetro” naturale della gigantesca serra costituita dal pianeta Terra e se varia la sua composizione, l’energia catturata dal sole viene rilasciata in modo diverso. Se questo avviene, si parla allora di “effetto serra” non più nel senso di un effetto naturale benefico, ma nel senso di un fenomeno negativo determinato dalle attività dell’uomo.

I gas dell’atmosfera che presentano un “effetto serra” sono quelli in grado di trattenere nell’atmosfera il calore del Sole. Tra questi è proprio l’anidride carbonica il gas da prendere in considerazione in quanto ha l’incidenza maggiore su questo fenomeno.

Ricordiamo che il biossido di carbonio non è un gas tossico, anche se non è adatto alla respirazione (un’atmosfera con solo CO₂ non è “velenosa”, ma impedisce la vita). Se però la sua concentrazione aumentasse troppo rispetto ai valori normali dell’equilibrio naturale, allora aumenterebbe l’effetto serra, con conseguente aumento della temperatura media del pianeta. Provate solo a immaginare le conseguenze: l’aumento di pochi gradi della temperatura media della Terra sarebbe in grado di scogliere parte dei ghiacciai dei poli e innalzare il livello degli oceani (Venezia che scompare, il mare al Colosseo…).

Fotosintesi clorofilliana

La fotosintesi clorofilliana è un processo chimico per mezzo del quale le piante verdi e altri organismi producono sostanze organiche – principalmente carboidrati – a partire dal primo reagente, l'anidride carbonica atmosferica e l'acqua metabolica, in presenza di luce solare. La serie di reazioni chimiche che costituiscono la fotosintesi rientra tra i processi di anabolismo dei carboidrati ed è del tutto opposta ai processi inversi di catabolismo. Durante la fotosintesi, con la mediazione della clorofilla, la luce solare o artificiale permette di convertire sei molecole di CO₂ e sei molecole d'H2O in una molecola di glucosio (C6H12O6), zucchero fondamentale per la vita della pianta. Come sottoprodotto della reazione si producono sei molecole di ossigeno, che la pianta libera nell'atmosfera attraverso gli stomi che si trovano nella foglia.

La fotosintesi clorofilliana è il processo di produzione primario di composti organici da sostanze inorganiche nettamente dominante sulla Terra. Inoltre la fotosintesi è l'unico processo biologicamente importante in grado di raccogliere l'energia solare, da cui, fondamentalmente, dipende la vita sulla Terra. La quantità di energia solare catturata dalla fotosintesi è immensa, dell'ordine dei 100 terawatt, che è circa sei volte quanto consuma attualmente la civiltà umana. Oltre che dell'energia, la fotosintesi è anche la fonte di carbonio dei composti organici degli organismi viventi. La fotosintesi trasforma circa 115 × 109 tonnellate di carbonio atmosferico in biomassa ogni anno.

Non è chiaro quando siano apparsi sulla terra i primi organismi capaci di attuare la fotosintesi, ma la presenza di formazioni striate in alcune rocce dovute alla presenza di ruggine fanno supporre che cicli stagionali di ossigeno nell'atmosfera terrestre, sintomo di fotosintesi, siano apparsi approssimativamente 3 miliardi e mezzo di anni fa.

Recupero e purificazione di anidride carbonica

Negli impianti in cui si realizzano processi di fermentazione, quali cantine, birrerie e distillerie, importanti possono essere le produzioni di anidride carbonica che può essere recuperata, purificata o deumidificata, compressa e liquefatta per poi essere utilizzata in fase di produzione o per altri impieghi all’interno del sito.

I possibili utilizzi dell’anidride carbonica (CO₂) riguardano:

•    la gassificazione di bevande quali vini, acqua, birra e soft drink in generale;
•    l’utilizzo come carrier nei dispenser per birra, soft drink;
•    l’impiego come mezzo di pressione durante la filtrazione delle bevande;
•    la neutralizzazione, attraverso acidificazione, di acque di scarico tendenzialmente basiche determinate dalle attività di sanificazione con prodotti caustici.

Il flusso gassoso contente la CO₂ prodotta da processi fermentativi tipici delle aziende alimentari contiene anche fusel oil ossigeno, composti del carbonio e dello zolfo e per questo motivo la CO₂ deve essere purificata prima di poterla utilizzare. Il processo di purificazione prevede:

•    un separatore di schiuma;
•    un passaggio attraverso uno scrubber ad umido permette di ridurre i composti solforosi, alcol e chetoni che vengono assorbiti dall’acqua;
•    disidratazione;
•    rimozione degli odori attraverso filtrazione con carbone attivo;
•    condensazione attraverso impianto del freddo (normalmente ad ammoniaca) e rimozione dell’ossigeno e di tutti i gas non condensabili;
•    compressione dell’anidride carbonica fino allo stato di liquido per lo stoccaggio.

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All'interno dell'articolo

• Accumulo di energia con produzione di metano e assorbimento di CO₂ – In breve
• Altri mezzi per contenere la produzione di CO₂
• Il protocollo di Kyoto
• L’idrogeno: l’ultimo combustibile?
• Meno CO₂ e più metano