SINTESI DEL RAPPORTO FINALE. Cattura e stoccaggio geologico di CO 2 Studi e valutazioni per il possibile avvio di un impianto pilota

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1 SINTESI DEL RAPPORTO FINALE Cattura e stoccaggio geologico di CO 2 Studi e valutazioni per il possibile avvio di un impianto pilota Febbraio

2 Éupolis Lombardia Istituto superiore per la ricerca, la statistica e la formazione via Taramelli 12/F - Milano Contatti: info@eupolislombardia.it Copyright 2013 Éupolis Lombardia Edizione: febbraio 2014 Pubblicazione non in vendita Nessuna riproduzione, traduzione o adattamento può essere pubblicata senza citarne la fonte

3 Cattura e stoccaggio geologico di CO 2. Studi e valutazioni per il possibile avvio di un impianto pilota lombardo SINTESI DEL RAPPORTO FINALE Codice: TER13011/001 Febbraio

4 Il rapporto, di cui in questa sede è fornita una breve sintesi, è frutto di un lavoro di ricerca affidato ad Éupolis Lombardia dalla Giunta di Regione Lombardia, D.G. Ambiente, Energia e Sviluppo sostenibile. Éupolis Lombardia Alberto Ceriani Dirigente responsabile Marina Riva Project leader Gruppo di lavoro Domenico Savoca Dirigente Struttura Cave e Miniere, D.G. Ambiente, Energia e Sviluppo sostenibile (responsabile regionale della ricerca) Francesca Messina UO Attività Estrattive, Rifiuti e Bonifiche, D.G Ambiente, Energia e Sviluppo sostenibile Autori della ricerca Paolo Macini Professore associato confermato, Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali, Università di Bologna Ezio Mesini Professore ordinario, Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale e dei Materiali, Università di Bologna Antonio Negri Direttore Dipartimento Sviluppo sostenibile e Fonti energetiche, Ricerca sul Sistema Energetico - RSE SpA Fabio Moia Senior expert, Dipartimento Sviluppo sostenibile e Fonti energetiche, Ricerca sul Sistema Energetico - RSE SpA Guandalini Roberto Senior expert, Dipartimento Sviluppo sostenibile e Fonti energetiche, Ricerca sul Sistema Energetico - RSE SpA Agate Giordano Ricercatore, Dipartimento Sviluppo sostenibile e Fonti energetiche, Ricerca sul Sistema Energetico - RSE SpA Colucci Francesca Ricercatrice, Dipartimento Sviluppo sostenibile e Fonti energetiche, Ricerca sul Sistema Energetico - RSE SpA Si ringraziano Paolo Federici, ricercatore del Dipartimento Sviluppo Sostenibile e Fonti Energetiche di RSE e Arianna Maiu, laureanda in Scienze e Tecnologie Geologiche all Università di Cagliari, per il supporto nelle analisi dei logs di pozzo. 4

5 SINTESI La ricerca, di cui in questa sede è fornita una sintesi, costituisce la naturale continuazione del progetto preliminare RiduCO2 - Cattura e stoccaggio geologico di CO2 in Lombardia predisposto nel 2009 dall IRER su incarico dell allora competente direzione della Regione Lombardia e risponde al proposito di dare avvio a un programma di ricerche e sperimentazioni, in materia di cattura e confinamento geologico dell anidride carbonica, adeguato alle caratteristiche del sottosuolo della regione Lombardia, così come previsto nella d.g.r n. 8/10966 del 30 dicembre In particolare, la ricerca ha valutato le possibilità di applicazione delle tecniche di cattura e stoccaggio geologico dell anidride carbonica in regione Lombardia, con particolare riferimento agli studi e valutazioni per il possibile avvio di un impianto pilota. Nel rapporto integrale di ricerca i risultati sono stati compresi in due parti. Nella prima parte si è dapprima svolta una panoramica sul dibattito a livello nazionale e internazionale sulle potenzialità delle tecniche CCS (cap. 1), rendendo evidente come uno dei più importanti gas serra immessi nell atmosfera e derivanti dall attività antropica è la CO2, che proviene principalmente dall utilizzo di combustibili fossili. I combustibili fossili forniscono oggi poco più dell 80% dell energia utilizzata al mondo (EIA 2013), tra cui il 32% dal petrolio, il 27% dal carbone e il 21% dal gas naturale, contribuendo a circa il 75% delle emissioni di origine antropica di CO2, mentre la rimanente parte proviene da fonti non energetiche, come la deforestazione. Le emissioni di CO2 legate al consumo di combustibili fossili si aggirano intorno alle 30 Gt di CO2 all anno (stime IEA, anno 2012). Tra il 1990 e il 2010 le emissioni medie globali di CO2 sono cresciute del 44%. Nel 2010 i paesi membri dell Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE) erano responsabili del 41% delle emissioni di CO2. È interessante notare che i paesi non-ocse, nel periodo tra il 1990 e il 2010, hanno incrementato le loro emissioni di CO2 dell 82%. Il controllo delle emissioni potrebbe essere raggiunto anche mediante la cattura e lo stoccaggio della CO2 derivante dalla combustione dei combustibili fossili. L agenzia internazionale per l energia (IEA, International Energy Agency) indica che le tecniche di CCS potrebbero rappresentare circa la metà delle riduzioni delle emissioni conseguibili in tali settori entro il In seguito, è stato fatto un aggiornamento del censimento delle fonti di emissione e quantità emesse a livello regionale (cap. 2); in particolare, l aggiornamento si è reso necessario per definire la quantità e la localizzazione delle fonti puntuali di CO2 prodotta da impianti di produzione dell energia elettrica e/o da impianti industriali. In sintesi, è stato evidenziato che l attività antropica nella Regione Lombardia nel 2010 ha prodotto poco più di 69 milioni di tonnellate di CO2 (dati ARPA-INEMAR). Nel 2010 il 57% delle emissioni di CO2 proviene da attività private e distribuite sul territorio, quali il trasporto su strada (30 %) e la combustione non industriale (27 %), cioè quella utilizzata principalmente per il riscaldamento domestico. Per queste ultime, è oggi molto difficile poter pensare a un attività di cattura della CO2 direttamente alla fonte, per cui il risparmio energetico sembra la chiave più semplice per mitigare il contributo di queste fonti di emissione distribuite. Gli stabilimenti industriali presenti in Regione Lombardia che emettono oltre un milione di tonnellate di CO2 all anno sono soltanto sette (erano dieci fino al 2008). In particolare, si tratta di sei centrali termoelettriche e una raffineria. Questi sette stabilimenti emettono in totale poco meno di 11,5 milioni di tonnellate di CO2, (nel 2005 il totale dei 10 emettitori maggiori di 1 milione all anno era pari a 19 milioni di 5

6 tonnellate), che rappresentano poco più del 16% della CO2 totale emessa nella Regione Lombardia (nel 2005 erano il 25%). Emissioni di CO 2 in Lombardia, suddivise per settori di attività produttive e private relative all anno Anno 2010 CO t/anno CO 2 % Trasporto su strada Combustione non industriale Produzione energia e trasformazione combustibili Combustione nell industria Processi produttivi Altre sorgenti mobili e macchinari ,2 Trattamento e smaltimento rifiuti ,6 Altre sorgenti e assorbimenti ,4 TOTALE Fonte: dati ARPA-INEMAR, anno 2010 Stabilimenti industriali della Lombardia che superano annualmente la produzione di 1 milione di tonnellate di CO 2, anno 2010, e rispettiva ubicazione territoriale. Ubicazione (Comune) e tipologia di prodotto, Anno 2010 Emissioni CO2 (tonnellate/anno) FERRERA ERBOGNONE - Produzione di energia elettrica SANNAZZARO DE' BURGONDI - Raffinazione del petrolio MANTOVA - Produzione di energia elettrica OSTIGLIA - Produzione di energia elettrica SERMIDE - Produzione di energia elettrica CASSANO D ADDA - Produzione di energia elettrica MONTANASO LOMBARDO - Produzione di energia elettrica TOTALE Fonte: elaborazione dati Regione Lombardia Il Capitolo 3 è dedicato a delineare lo stato dell arte sulle esperienze in corso relativamente alle tecniche di cattura della CO2. Le possibilità tecnologiche oggi più avanzate per la cattura della CO2 da fonti fossili sono le seguenti tre: a) Cattura post-combustione dai gas di scarico provenienti da una combustione di tipo tradizionale. b) Cattura pre-combustione da un flusso di gas. Il processo consiste nel preparare il combustibile in ambiente privo di azoto e separando la CO2 in questo stadio. c) Cattura tramite l applicazione della cosiddetta combustione oxy-fuel, cioè una particolare tecnologia di combustione in cui il combustibile è bruciato direttamente con ossigeno. Nel prossimo futuro gli sforzi della ricerca dovranno riguardare gli studi e la sperimentazione per ridurre i costi di cattura, compresa la ricerca di processi di combustione più efficienti e di una migliore integrazione e flessibilità del processo di 6

7 CCS all interno di centrali termoelettriche, eventualmente studiando tecniche di cattura diverse da quelle proposte e ancora non completamente sperimentate. Infine, la ricerca dovrà ulteriormente essere rivolta anche a progetti pilota di cattura nell ambito dei processi industriali per la produzione di acciaio, cemento e nell industria petrolchimica. Di notevole interesse sono, negli ultimi anni, le ricerche riguardanti le cosiddette tecniche Bio-CCS. La Bio-CCS può essere definita come una catena di processi nella quale si cattura e si stocca la CO2 originata da impianti a biomasse. Questi possono essere sia impianti per la produzione di energia, sia qualunque altro processo industriale che genera flussi fluidi ricchi di CO2 prodotti a partire da biomasse. Diagramma schematico dei processi alla base delle tecnologie Bio-CCS. Fonte: ZEP 2013 La prima parte della ricerca si conclude con uno stato dell arte sulle esperienze in corso a livello internazionale e tecniche di stoccaggio geologico della CO2 (cap. 4). In questo momento (2013), nel mondo sono operativi 12 progetti CCS a grande scala, che permettono di evitare l immissione in atmosfera di circa 25 milioni di tonnellate di CO2 all anno. Il 90% di questa CO2 è associata allo sviluppo di progetti CO2-EOR (nei progetti di recupero assistito del greggio, Enhanced Oil Recovery), che hanno però una ricaduta economica addizionale, mentre solo il 10% riguarda lo stoccaggio geologico in acquiferi salini o di acqua non potabile, che è un attività puramente volta ad evitare l immissione in atmosfera della CO2. E interessante ricordare che la capacità di stoccaggio complessiva degli acquiferi salini, a livello mondiale, è molto superiore di quella dei giacimenti di idrocarburi. Pertanto, il possibile sviluppo di progetti CCS a scala industriale sarà rivolto maggiormente verso questo tipo di strutture geologiche. 7

8 Il capitolo si conclude con una illustrazione della situazione italiana in riferimento ai progetti di ricerca e sviluppo, ai progetti dimostrativi e a quelli industriali. Nella seconda parte della ricerca (Cap. 5) è stata invece condotta la valutazione del potenziale di stoccaggio nel contesto lombardo e svolta una attività preliminare alla simulazione fluidodinamica di scenari di iniezione della CO2. In particolare, dopo avere focalizzato i riferimenti normativi contenuti nell All. 1 al Dlgs. 162/2011, ci si è calati nel contesto lombardo pervenendo a definire una possibile area su cui potere dare avvio ad un progetto pilota di iniezione. I risultati ottenuti hanno evidenziato che in una vasta area, di circa 1500 km 2, del territorio lombardo esistono le condizioni geologiche idonee allo stoccaggio profondo della CO2. In tale area, infatti, è stato individuato, in un acquifero salino profondo, un potenziale sistema caprock-reservoir. Il serbatoio geologico è stato individuato in una formazione di tipo terrigeno, nota come Formazione delle Ghiaie di Sergnano (Pliocene inferiore - Messiniano superiore), che litologicamente è piuttosto eterogenea e costituita da sabbie, ghiaie e conglomerati; la copertura impermeabile sovrastante è costituita dalla formazione argillosa nota come Argille del Santerno del Pliocene che è sovrastata dalle Sabbie di Asti e dalle recenti alluvioni quaternarie. L andamento profondo del sistema caprock-reservoir è stato ricostruito, individuando anche le caratteristiche petrofisiche delle rocce come porosità e permeabilità del serbatoio, dall analisi dei log di pozzo e in particolare dal sonico. La profondità del tetto del serbatoio è risultata compresa tra circa 500 e 2500 metri e quindi in una vasta zona dell area indagata sussistono i presupposti di pressione e temperatura per lo stoccaggio della CO2 in stato supercritico e con le caratteristiche di un fluido ad elevata densità. Lo spessore del serbatoio è compreso tra pochi metri e fino a oltre 600 metri. Dal modello geologico 3D realizzato con estrema cura sono stati elaborati degli scenari di simulazione numerica di tipo fluidodinamico con l utilizzo di codici di calcolo appositamente sviluppati e testati (Cap. 6). Trattandosi di un progetto pilota, le simulazioni numeriche sono state eseguite su volumetrie di ton/anno di CO2 per un arco temporale di 30 anni. Questi volumi sono in linea con quelli di un progetto presentato alcuni anni fa da Techint che prevedeva la cattura della CO2 presso la centrale a ciclo combinato da 110 MW presente nello stabilimento siderurgico di Dalmine (BG) e il suo stoccaggio in un acquifero salino. Le simulazioni numeriche sono state eseguite con diverse profondità e orientamenti della struttura di iniezione le cui posizioni sono state identificate sulla base di considerazioni sia geologiche che logistiche evitando ad esempio le zone ambientali protette e le aree con la presenza di giacimenti per lo stoccaggio del gas naturale. Queste posizioni ovviamente non devono essere interpretate in senso puntuale ma come indicative di un area con caratteristiche omogenee che dovranno essere validate durante l eventuale successiva fase di fattibilità vera e propria di un simile progetto. Dal punto di vista geologico si evidenzia che nelle zone individuate non sono presenti delle vere e proprie trappole strutturali e alcune strutture ad anticlinale sono sede di giacimenti collegati allo stoccaggio del gas naturale e a concessioni minerarie vigenti. La scelta è stata quindi orientata verso quelle zone con spessore significativo del serbatoio e di alcune centinaia di metri in modo da poterlo considerare un mezzo semi-infinito. Gli scenari elaborati hanno consentito di simulare l iniezione a diverse profondità e i risultati si sono concentrati sull estensione del plume di CO2, sulla sicurezza del processo di iniezione e in particolare sulle sovrapressioni generate. I risultati 8

9 evidenziano che il plume di CO2 resta sempre confinato all interno del serbatoio e il massimo volume dopo 100 anni è risultato pari a circa 1.3 km 3. Gli incrementi massimi di pressione locale rispetto al valore imperturbato risultano pari o inferiori al 2% (circa 3 bar) per gli scenari con iniezione della CO2 più profonda che sono quelli più idonei per la realizzazione di un progetto pilota dimostrativo. Modello geologico 3D raffigurato al top del caprock Fonte: elaborazione RSE SpA Sequenza temporale dell estensione del pennacchio (calcolato con livello di soglia della CO2 pari a ) colorato con la frazione di massa di CO2 disciolta ottenuta per lo Scenario #4A. Particolare del punto di iniezione Fonte: elaborazione RSE SpA 9