Il futuro del carbone in Cina

Un visitatore che arriva a Shanghai nota immediatamente l'enigma tecnologico della Cina. Attraverso i finestrini del treno a levitazione magnetica che copre i 30 chilometri dall'aeroporto internazionale di Pudong a Shanghai fino a 430 chilometri all'ora, sono evidenti sia i progressi che il paese sta facendo che il prezzo che sta pagando per questo. La maggior parte dei giorni, una foschia gialla incombe sulla frenesia edilizia di Shanghai. L'inquinamento è la principale causa di morte in Cina, uccidendo più di un milione di persone all'anno. E la causa primaria dell'inquinamento è anche la fonte dell'energia che spinge il treno ultramoderno: il carbone.

Per stare al passo con la crescita economica del Paese, i governi locali, i servizi pubblici e gli imprenditori cinesi stanno costruendo, in media, una centrale elettrica a carbone a settimana. Le centrali emettono nell'aria un flusso costante di fuliggine, anidride solforosa e altri inquinanti tossici; emettono anche milioni di tonnellate di anidride carbonica. A novembre, l'Agenzia internazionale per l'energia ha previsto che la Cina diventerà la più grande fonte mondiale di emissioni di anidride carbonica nel 2009, superando gli Stati Uniti quasi un decennio prima del previsto. Si prevede che il carbone sarà responsabile di tre quarti di tale anidride carbonica.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2007

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E il problema peggiorerà. Da qui al 2020, secondo le stime degli esperti, il consumo di energia della Cina sarà più che raddoppiato. Aumentare l'efficienza energetica, sfruttare le risorse rinnovabili con dighe idrauliche e turbine eoliche e costruire centrali nucleari può aiutare, ma, almeno nei prossimi due decenni, solo marginalmente. Poiché la Cina ha pochissime riserve di petrolio e gas, il suo futuro dipende dal carbone. Con il 13% delle riserve accertate mondiali, la Cina ha abbastanza carbone per sostenere la sua crescita economica per un secolo o più. La buona notizia è che i leader cinesi hanno visto arrivare la corsa al carbone negli anni '90 e hanno iniziato a esplorare una serie di tecnologie avanzate. Il principale tra questi è la gassificazione del carbone. È la chiave per il carbone pulito in Cina, afferma l'ingegnere chimico Li Wenhua, che ha diretto lo sviluppo avanzato del carbone per il programma nazionale di ricerca e sviluppo high-tech di Pechino (meglio noto in Cina come programma 863) dal 2001 al 2005.

La gassificazione trasforma il complesso mix di idrocarburi del carbone in un gas ricco di idrogeno noto come gas di sintesi o syngas. Le centrali elettriche possono bruciare il syngas in modo pulito come il gas naturale. Inoltre, con i giusti catalizzatori e nelle giuste condizioni, i mattoni chimici di base nel syngas si combinano per formare gli ingredienti idrocarburici della benzina e del carburante diesel. Di conseguenza, la gassificazione del carbone ha il potenziale sia per soffocare le emissioni di fuliggine e smog delle centrali elettriche, sia per diminuire la crescente dipendenza della Cina dal petrolio importato. Potrebbe anche aiutare a controllare le emissioni di anidride carbonica, che viene catturata più facilmente dagli impianti di syngas rispetto agli impianti convenzionali a carbone.

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• Come funziona la gassificazione

Nonostante le prime anticipazioni della Cina sulla necessità di gassificazione del carbone, tuttavia, la sua implementazione della tecnologia nelle centrali elettriche è stata ritardata. I produttori di elettricità del paese non hanno gli incentivi economici e politici per rompere con le loro pratiche tradizionali.

Al contrario, sono a buon punto gli sforzi su larga scala per produrre combustibili liquidi per il trasporto utilizzando la gassificazione del carbone. La più grande azienda di carbone cinese, Shenhua Group, prevede di avviare il primo impianto di produzione di carbone per combustibili del paese nel 2007 o all'inizio del 2008, nell'applicazione più ambiziosa al mondo della liquefazione del carbone dalla seconda guerra mondiale. Shenhua prevede di gestire otto impianti di liquefazione entro il 2020, producendo, in totale, più di 30 milioni di tonnellate di petrolio sintetico all'anno, sufficienti per spostare oltre il 10% delle previste importazioni di petrolio dalla Cina.

I progressi della Cina nella costruzione di impianti di conversione del carbone la collocano molto più avanti degli Stati Uniti, dove la gassificazione del carbone si sta ancora riprendendo da una reputazione danneggiata. I programmi dimostrativi di gassificazione avviati negli Stati Uniti dopo le crisi energetiche degli anni '70 sono rimasti orfani quando i prezzi del petrolio e del gas sono crollati negli anni '80. Ciò ha lasciato molti con l'impressione che la tecnologia stessa fosse inaffidabile (vedi anidride carbonica in vendita, luglio 2005) . In Cina, al contrario, il petrolio non è mai sembrato a buon mercato e il carbone non ha mai perso il suo splendore.

Carbone e Cashmere

La Cina settentrionale sta rapidamente diventando l'epicentro dell'industria energetica cinese. L'attrazione principale è il bacino carbonifero di Shenfu Dongsheng, uno strato solido di 31.000 chilometri quadrati di carbone poco profondo che si estende dalla punta settentrionale della provincia cinese dello Shaanxi al bordo meridionale di Nei Mongol, o Mongolia interna. La riserva stimata del giacimento di Dongsheng di 223,6 miliardi di tonnellate di carbone lo rende il settimo più grande del mondo; gli sforzi per convertire gran parte di quel carbone in combustibili per il trasporto potrebbero renderlo il più redditizio del mondo.

Fino a poco tempo fa, la capitale del carbone della Mongolia Interna, Erdos, era in gran parte incontaminata dal mondo moderno, delimitata da catene montuose e dalla Grande Muraglia a sud e dal Fiume Giallo a nord. Il suo isolamento è ora finito, grazie alle autostrade appena colate e alle nuove linee ferroviarie che si snodano sulle sue colline fessurate e valli scoscese. Quest'anno dovrebbe aprire un aeroporto.

Il PIL di Erdos è raddoppiato tra il 2001 e il 2004, in gran parte a causa di carbone, prodotti chimici e cashmere (Erdos fornisce un quarto del cashmere mondiale). Per raggiungere i bacini carboniferi, guidi per 40 minuti a sud della città, passando per un mausoleo degli anni '50 di Gengis Khan, il guerriero del XIII secolo che conquistò gran parte dell'Asia. Mentre ti avvicini alla pianura alluvionale secca del fiume Wulanmulun, l'imponente infrastruttura di una dozzina di miniere di carbone, tra cui alcune delle più grandi e meccanizzate del mondo, salta fuori dal paesaggio arido. La regione ospita anche diverse centinaia di miniere più piccole e meno moderne (i gas e le frane uccidono almeno 6.000 minatori cinesi all'anno). I minatori nel loro giorno libero sfrecciano sui motorini, tre o quattro su un veicolo, correndo davanti a camion da 40 tonnellate carichi di carbone. Lungo l'autostrada, i terminali di smistamento del carbone caricano vagoni ferroviari destinati a centrali elettriche e porti della costa orientale industrializzata.

Nessuna di queste infrastrutture e attività, tuttavia, prepara un visitatore per il complesso carbone-carburante di Shenhua, che sorge da un altopiano tagliato tra le colline. È un sito impressionante, con una propria centrale elettrica a carbone, impianti di gassificazione e due enormi reattori in cui verrà liquefatto il carbone, ciascuno del peso di 2.250 tonnellate (Shenhua ha affermato il record mondiale di sollevamento quando ha sollevato i reattori in posizione lo scorso giugno) . Flusso da un'IPO di $ 2,95 miliardi nel 2005 e $ 5 miliardi di entrate annuali dalle sue miniere, ferrovie e centrali elettriche integrate, Shenhua sta rapidamente espandendo le sue operazioni. Ha venduto 113 milioni di tonnellate di carbone solo nella prima metà del 2006, quasi eguagliando il totale dell'anno precedente. Se Shenhua mantiene questo ritmo quest'anno, potrebbe diventare il più grande produttore mondiale di carbone.

Il governo cinese a Pechino ha creato Shenhua un decennio fa per portare economie di scala e tecnologia moderna sui bacini carboniferi di Dongsheng. L'impianto da 1,5 miliardi di dollari a carbone della società è un'espressione di quella strategia: un impianto così tecnicamente ambizioso che molti esperti, cinesi e occidentali allo stesso modo, dubitavano che sarebbe mai stato costruito.

La produzione di carburanti per il trasporto dal carbone risale alla Germania dell'inizio del XX secolo, dove i chimici svilupparono due approcci per convertire gli idrocarburi solidi a catena lunga del carbone negli idrocarburi liquidi più corti che si trovano nei carburanti. (La Germania nazista, con scarso accesso al petrolio, faceva molto affidamento su questi processi per alimentare il suo esercito e l'aeronautica altamente meccanizzati, producendo benzina, diesel e carburante per aviazione dal carbone.) Franz Fischer e Hans Tropsch hanno inventato il più noto dei due approcci negli anni '20. La sintesi Fischer-Tropsch riduce il carbone a syngas, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio. Un catalizzatore, spesso cobalto, fa sì che gli atomi di carbonio e idrogeno si riconnettano in nuovi composti, come alcoli e combustibili. La sintesi Fischer-Tropsch è oggi chimica convenzionale: in Sud Africa, ad esempio, Sasol, con sede a Johannesburg, costruì impianti a carbone-petrolio Fischer-Tropsch per garantire l'approvvigionamento di carburante del paese durante i boicottaggi commerciali degli anni dell'apartheid; e scambiando catalizzatori diversi, gli impianti di gassificazione cinesi dal carbone ai prodotti chimici hanno impiegato Fischer-Tropsch per decenni per produrre prodotti come fertilizzanti sintetici e metanolo.

La pianta di Shenhua, al contrario, scelse il rivale meno noto di Fischer-Tropsch, inventato da Friedrich Bergius un decennio prima. Sebbene ampiamente utilizzato dai nazisti, il processo di Bergius fu successivamente abbandonato. Il processo è noto come liquefazione diretta, perché aggira la fase di syngas. Nella liquefazione diretta, la maggior parte del carbone viene polverizzata e miscelata con parte dell'olio sintetico della pianta, quindi trattata con idrogeno e riscaldata a 450 °C in presenza di un catalizzatore di ferro, che rompe le catene idrocarburiche nelle catene più corte adatte a raffinazione in combustibili liquidi.

La liquefazione diretta produce più carburante per tonnellata di carbone rispetto alla sintesi Fischer-Tropsch. Gli esperti del Chinese Coal Research Institute di Pechino stimano che il processo catturi dal 55 al 56 percento dell'energia nel carbone, rispetto a solo il 45 percento per Fischer-Tropsch. Tuttavia, la liquefazione diretta è anche molto più complicata, poiché richiede centrali elettriche e di gassificazione separate per fornire calore e idrogeno e un considerevole riciclaggio di petrolio, idrogeno e fanghi di carbone tra sezioni separate dell'impianto. E abbattere gli idrocarburi alla giusta lunghezza richiede un controllo accurato delle condizioni operative e una fornitura di carbone costante.

Shenhua ha ridisegnato il processo negli ultimi cinque anni per aumentare l'efficienza e ridurre gli sprechi ma, allo stesso tempo, ne ha aumentato la complessità. E l'azienda sta assumendo un enorme rischio ingegneristico ed economico perseguendo una tecnologia così innovativa su una scala così vasta.

Entro la fine di quest'anno, Shenhua spera di pompare 20.000 barili di petrolio sintetico al giorno, quasi 500 volte la produzione del suo impianto pilota di Shanghai. Secondo Jerald Fletcher, economista delle risorse naturali presso la West Virginia University di Morgantown, l'impianto di Erdos costituisce un esperimento da 1,5 miliardi di dollari che potrebbe aver luogo solo in Cina. Sarebbe difficile ottenere quel tipo di impegno di fondi in Occidente senza una tecnologia più collaudata, afferma Fletcher. Eric Larson, un esperto di tecnologia energetica e modellistica presso la Princeton University, lo dice in modo più schietto: non ha molto senso costruire un impianto così enorme, perché potrebbe non funzionare.

Ma per il governo cinese, le ricompense potrebbero valere il rischio. Nonostante la sua IPO del 2005 di alcune attività, Shenhua rimane un'azienda in gran parte di proprietà statale e l'impianto di liquefazione diretta serve un interesse statale fondamentale: la sicurezza energetica. Non importa quanto sia grande il costo, Shenhua lo costruirà, afferma Zhou Zhijie, esperto di gassificazione presso l'Istituto di tecnologia del carbone pulito della East China University of Science and Technology di Shanghai. Il governo cinese sosterrà questo progetto fino a quando il liquido scorrerà.

Naturalmente, se il nuovo impianto funziona, Shenhua guadagnerà un notevole profitto. La società prevede che il suo petrolio sintetico genererà un profitto di circa 30 dollari al barile, anche se molti analisti affermano che 45 dollari sono più realistici. (L'ultima previsione sui prezzi del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti prevede che il petrolio greggio scenderà a 47 dollari al barile nel 2014, per poi salire costantemente a 57 dollari al barile nel 2030.) Facendo proprie le scommesse, Shenhua ha anche stipulato un accordo preliminare con i partner Shell e Sasol riguardante diversi impianti di combustibili Fischer-Tropsch di dimensioni simili o più grandi nel nord della Cina, che sarebbero stati avviati nel 2012.

Anche i concorrenti cinesi del carbone di Shenhua stanno già preparando le loro versioni di impianti da carbone a combustibile. Il gruppo carbonifero Yankuang, il secondo produttore di carbone in Cina, sta progettando un impianto di combustibile Fischer-Tropsch vicino a Erdos che utilizzerà un gassificatore e un catalizzatore proprietari.

Al di là dei rischi insiti nello sviluppo su larga scala di tecnologie non provate, il boom edilizio della gassificazione è anche una scommessa ambientale. In effetti, ciò che alla fine potrebbe frenare le ambizioni dal carbone al petrolio della Cina è l'acqua. Il China Coal Research Institute stima che l'impianto di Shenhua consumerà 10 tonnellate di acqua per ogni tonnellata di olio sintetico prodotto (360 galloni di acqua per barile di petrolio), e il rapporto è ancora peggiore per gli impianti Fischer-Tropsch. La scorsa estate, la Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma della Cina, il potente organismo incaricato di regolamentare l'economia cinese e di approvare grandi progetti di capitale, ha lanciato un avvertimento sulle conseguenze ambientali dello sviluppo incontrollato di impianti chimici e di petrolio sintetico, che secondo lui consumerà decine di milioni di metri cubi di acqua all'anno.

Questa previsione suona particolarmente inquietante nel nord della Cina, dove l'acqua scarseggia. Erdos è un misto di macchia e deserto le cui scarse risorse idriche sono già sovraccaricate dalla crescita della popolazione e dalle centrali elettriche esistenti. Zhou Ji Sheng, che come vice manager di ZMMF, uno dei concorrenti di Shenhua con sede a Erdos, sta cercando finanziamenti per un progetto di gassificazione, riconosce che la scarsità d'acqua potrebbe porre fine alla gassificazione del carbone nell'area. Anche se abbiamo così tanto carbone, se non abbiamo acqua, dovremo solo usare il modo tradizionale: per scavarlo e trasportarlo, dice. L'acqua è per noi il fattore chiave per lo sviluppo di questa nuova industria. Zhou afferma che la sua azienda intende integrare la propria fornitura idrica costruendo un oleodotto di 120 chilometri fino al Fiume Giallo. Ma l'evaporazione dai bacini idroelettrici, l'aumento della domanda di città e industrie in crescita e gli effetti del cambiamento climatico fanno sì che in estate il Fiume Giallo raggiunga a malapena il mare.

Potenza del carbonio

Mentre il desiderio della Cina di porre fine alla sua dipendenza dal petrolio straniero sta aiutando a guidare enormi investimenti di capitale nella tecnologia di liquefazione, i produttori di energia del paese si stanno muovendo molto più lentamente per trarre vantaggio dalla gassificazione del carbone. Quello che manca loro, come le loro controparti americane, è un incentivo per passare dagli impianti convenzionali a carbone polverizzato agli impianti di gassificazione più costosi. Secondo Li Wenhua, l'ex manager del programma 863 (che ora dirige la ricerca sulla gassificazione in Cina per la General Electric), gli industriali cinesi percepiscono gli impianti a carbone polverizzato come una licenza per stampare denaro. La gente dice che non dovresti chiamarla una centrale elettrica; è una macchina per fare soldi, dice Li. Finora, nessuna compagnia elettrica è stata disposta a essere la prima a premere l'interruttore di spegnimento.

Ironia della sorte, il passaggio della Cina a un'economia più aperta ha ostacolato gli sforzi per implementare tecnologie più innovative. Negli anni '90, sembrava che il settore energetico cinese fosse diretto verso la propria rivoluzione della gassificazione. Nel 1993, la principale società cinese di ingegneria energetica, China Power Engineering Consulting a Pechino, ha iniziato a progettare la prima centrale elettrica di gassificazione del paese. L'utility monopolistica dell'epoca, la State Power Corporation, progettava di costruire l'impianto su scala commerciale a Yantai, un fiorente porto non lontano dal mare di Bohai. L'impianto di Yantai doveva essere l'inizio di una transizione verso una tecnologia del carbone più pulita, afferma Zhao Jie, il progettista dell'impianto, ora vicepresidente di China Power Engineering. La Cina voleva adottare un modo più pulito ed efficiente per produrre energia, afferma Zhao. Invece, l'impianto dimostrativo che ha progettato ha fatto un giro sulle montagne russe verso il nulla. Il lavoro di progettazione è stato temporaneamente interrotto nel 1994 quando il costo della tecnologia è stato ritenuto inaccettabilmente alto, ripreso alla fine degli anni '90 e poi lasciato alla deriva dopo il 2002 dallo scioglimento della State Power Corporation.

La centrale di Yantai era basata sulla tecnologia del ciclo combinato di gassificazione integrata (IGCC). Gli impianti IGCC assomigliano a centrali elettriche alimentate a gas naturale: utilizzano due turbine per catturare l'energia meccanica e termica dai gas di combustione in espansione, ma sono alimentati con syngas da un impianto integrato di gassificazione del carbone. Non sono esenti da emissioni, ma i loro flussi di gas sono più concentrati, quindi la fuliggine sulfurea, l'anidride carbonica e altri inquinanti che generano sono più facili da separare e catturare. Ovviamente, una volta catturato il biossido di carbonio, il principale gas serra, gli ingegneri devono ancora trovare un posto dove stivarlo. La strategia più promettente consiste nel sequestrarlo in profondità all'interno di falde acquifere saline e giacimenti petroliferi. In analisi preliminari, i geologi cinesi hanno stimato che l'invecchiamento dei giacimenti petroliferi e delle falde acquifere potrebbe assorbire più di un trilione di tonnellate di anidride carbonica, più di quanto le centrali a carbone cinesi emetterebbero, al loro ritmo attuale, per centinaia di anni.

Il Gruppo Huaneng, un produttore di energia con sede a Pechino, ha riunito un consorzio di interessi energetici e del carbone (incluso Shenhua) chiamato GreenGen per costruire il primo impianto dimostrativo IGCC cinese entro il 2010; come il relativo progetto FutureGen organizzato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, GreenGen deve iniziare con la produzione di energia, quindi aggiungere la cattura e lo stoccaggio del carbonio. Il vice premier cinese, Zeng Peiyan, ha fatto un'apparizione al debutto cerimoniale di GreenGen la scorsa estate, indicando il sostegno di Pechino al progetto.

Il problema è che gli impianti IGCC costano ancora dal 10 al 20% in più per megawatt rispetto alle centrali elettriche a carbone polverizzato. (E questo è senza la cattura di anidride carbonica.) I produttori di energia cinesi, proprio come le loro controparti negli Stati Uniti e in Europa, stanno aspettando una ragione finanziaria o politica per effettuare il passaggio. In parte, ciò che è mancato è una regolamentazione che penalizzi le centrali a carbone convenzionali. E le agenzie ambientali cinesi non hanno le risorse e il potere per far sì che le aziende rispettino anche le normative già in vigore. Gli alti funzionari di Pechino ammettono che i loro editti sono ampiamente ignorati, poiché nuove centrali elettriche vengono erette senza valutazioni ambientali e, secondo alcune fonti, senza le necessarie attrezzature per il controllo dell'inquinamento.

Anche i sostenitori della tecnologia IGCC si aspettano che la sua diffusione su vasta scala in Cina richiederà almeno un altro decennio. In effetti, Du Minghua, direttore per la chimica del carbone presso il Chinese Coal Research Institute, prevede che sarà il 2020 prima che l'applicazione della tecnologia IGCC inizi sul serio.

In attesa di inalare

Nonostante tali previsioni pessimistiche, la vasta esperienza della Cina con le tecnologie avanzate del carbone e la sua comprovata capacità di implementare nuove tecnologie a un ritmo sorprendente offrono ampio spazio per l'ottimismo. Quando corri verso Shanghai a un terzo della velocità del suono su un treno supportato da un campo di forza elettromagnetico, è difficile credere che un paese capace di una tale impresa ingegneristica continuerà a ignorare l'inquinamento mortale che avvolge le sue città.

Per alcuni analisti, il passaggio alla tecnologia del carbone pulito sembra quasi inevitabile. La Cina deve fare affidamento sul carbone per le future esigenze di elettricità e carburante e alla fine dovrà limitare le sue emissioni di CO2, afferma Guodong Sun, esperto di politica tecnologica presso la Stony Brook University di New York che ha consigliato il governo cinese sulla politica energetica. La gassificazione è una delle pochissime tecnologie in grado di conciliare questi scenari contrastanti a un costo ragionevole.

Tuttavia, la tempistica di una tale transizione tecnologica è molto in discussione. La Cina aspetterà davvero fino al 2020 per avviare il processo di risanamento delle sue centrali elettriche a carbone? La risposta dipenderà, in definitiva, da quando la Cina comincerà a sentire che usare la gassificazione del carbone per generare elettricità è tanto urgente quanto usarla per produrre carburante per i trasporti, quando i costi dell'inquinamento atmosferico diventeranno preoccupanti quanto i costi del fare affidamento sul petrolio straniero.

Peter Fairley, a Revisione della tecnologia scrittore collaboratore, ha viaggiato in Cina in ottobre.

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