Carbone e gas, pari non sono!

A pagina 31 del numero autunnale della rivista pubblicata dall'IEA si può leggere un breve articolo di Anne-Sophie Corbeau che fa un riassunto della situazione internazionale riguardo al mercato del gas naturale liquefatto (LNG). Sebbene le navi metaniere possano essere facilmente dirottate sui mercati più convenienti - a differenza del gas naturale trasportato via gasdotto - l'attuale risicato eccesso di capacità produttiva lascia poco margine di manovra nel caso accadano imprevisti.

Anche la tanto pubblicizzata abbondanza di unconventional gas statunitense servirebbe a poco, mancando gli USA di treni di liquefazione; la TEPCO peraltro sta cercando accordi proprio in tal senso, visto l'aumento delle importazioni giapponesi - e dei costi - successivi all'incidente di Fukushima, ma si parla del 2016. L'autrice dell'articolo ha anche affermato recentemente che in Europa è possibile si verifichi una rinascita nell'uso del carbone: proprio quel carbone che non viene più usato negli Stati Uniti, sostituito dal gas naturale nella produzione di energia elettrica, e che potrebbe essere quindi esportato. Quanto costerebbe questo scambio in termini di emissioni di biossido di carbonio?

Quello che ci interessa è arrivare ad esprimere una formula che definisca la quantità di CO2 emessa, ad esempio misurata in kg, per unità di energia elettrica prodotta da una centrale, a partire da caratteristiche fisico/chimiche note dei combustibili e tecnologiche degli impianti. Supponiamo di prendere due centrali termoelettriche di ultima generazione in entrambi i casi: una a carbone di tipo ultrasupercritico (pressione superiore a 276 bar e temperatura del fluido maggiore di 552 °C) con un rendimento del 45%, e una a ciclo combinato come quella di Ingolstadt che raggiunge il 60%.

Se conosciamo il potere calorifico (Heat Value, HV) di un combustibile, che si esprime in kJ/kg o kWh/kg (energia/massa), moltiplicandolo per il rendimento dell'impianto conosciamo l'energia netta ottenibile da un kg di combustibile; oppure, considerando l'inverso, sappiamo quanti kg devono essere bruciati per ottenere un'unità di energia. A questo punto dobbiamo trovare quanti kg di carbonio sono contenuti in ogni kg di combustibile, numero adimensionale che chiamiamo Cc: per il metano che ha una formula precisa (CH4, massa molecolare pari a 16) è immediatamente noto il contenuto di carbonio per unità di massa: 0.75 kg[C]/kg; al contrario, il contenuto di C nel carbone varia notevolmente a seconda della classe (lignite, bituminoso, antracite), quindi prenderemo come riferimento lo steam coal, per il quale si fissa 0.70 kg[C]/kg.

Ora basta usare un po' di Chimica di base sulla stechiometria della combustione per arrivare al CO2; la reazione esotermica che lega il carbonio all'ossigeno è la seguente

1a: bilancio stechiometrico; 1b: bilancio molare.

Se facciamo riferimento alle masse molecolari delle sostanze otteniamo

2: bilancio di massa.

ovvero, ragionando per un solo chilo di carbonio

3: bilancio per unità di massa di carbonio.

Abbiamo ricavato tutto quello che serve per risolvere la relazione finale che esprime i kg di CO2 emessi per unità di energia elettrica prodotta

4: formula finale.

Si noti che la formula è corretta dimensionalmente, e dà risultati coerenti con quanto ci si aspetterebbe: aumentare la quantità di carbonio nel combustibile aggrava il bilancio di CO2, rendimenti dell'impianto più alti e poteri calorifici maggiori lo migliorano (bisogna bruciare meno combustibile per ottenere la stessa energia elettrica).

Sostituendo dei valori medi per i poteri calorifici, e precisamente 8 kWh/kg e 13.5 kWh/kg per carbone e gas naturale rispettivamente, si scopre che vengono emessi 0.35 kg di CO2 per kWh elettrico immesso in rete con una centrale a ciclo combinato, e più del doppio (0.73) con una a carbone.

Naturalmente non è pensabile sostituire in breve tempo una tecnologia con l'altra, per cui il commento della Corbeau va preso più come un monito: alcune nazioni potrebbero essere tentate in futuro dall'alternativa carbone grazie al prezzo inferiore, con buona pace degli obiettivi di riduzione delle emissioni.