Gas serra (GHG)
Le evidenze scientifiche e le statistiche economiche indicano che l’aumento della concentrazione di gas serra (GHG) nell’atmosfera a partire dalla Rivoluzione Industriale è il risultato delle attività umane, direttamente o indirettamente. Inoltre, la convergenza di numerose prove scientifiche indica che l’aumento dei gas serra a lunga durata e ben miscelati, in particolare CO2, CH4 e protossido di azoto (N2O), è la causa principale dell’aumento della temperatura globale durante l’era industriale.
Aumento della CO2
Esistono fonti di emissioni di anidride carbonica sia naturali che antropiche. Le fonti naturali includono la decomposizione, il rilascio di CO2 dagli oceani e la respirazione. Le fonti antropiche derivano da attività come la produzione di cemento e acciaio, la deforestazione, gli impianti di incenerimento dei rifiuti e la combustione di combustibili fossili come carbone, petrolio e gas naturale.A causa delle attività umane, la concentrazione atmosferica di anidride carbonica è aumentata considerevolmente a partire dalla Rivoluzione Industriale e ha raggiunto livelli pericolosi mai visti negli ultimi 3 milioni di anni.
Le emissioni di anidride carbonica di origine antropica sono molto inferiori a quelle di origine naturale, ma hanno comunque alterato l’equilibrio naturale che esisteva da migliaia di anni prima dell’intervento umano.Questo perché i pozzi naturali rimuovono dall’atmosfera una quantità di anidride carbonica pressoché equivalente a quella prodotta da fonti naturali. Ciò manteneva i livelli di anidride carbonica in equilibrio e entro limiti di sicurezza. Le emissioni di origine antropica, tuttavia, hanno alterato l’equilibrio naturale immettendo ulteriore anidride carbonica nell’atmosfera senza rimuoverne alcuna.
Tassi di crescita medi annui dell’anidride carbonica basati su dati globali relativi alla superficie marina. Dati forniti dal Global Monitoring Laboratory (GML) della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).
Fonti di emissioni di CO2 da combustibili fossili
Gli animali, compresi gli esseri umani, emettono CO2 durante la respirazione. Quando piante e animali muoiono, il carbonio immagazzinato viene rilasciato sotto forma di CO2. Processi naturali come la respirazione e la decomposizione, gli incendi boschivi e le eruzioni vulcaniche aggiungono ulteriori 190,2 miliardi di tonnellate di CO2 all’atmosfera ogni anno. L’eccesso di anidride carbonica emessa dalle attività umane sta influenzando il ciclo naturale del carbonio nell’ambiente, un ciclo che si svolge da milioni di anni. Gli esseri umani generano CO2 bruciando combustibili fossili come gas, benzina, petrolio e carbone. Questo aggiunge ulteriori 9,1 miliardi di tonnellate di CO₂ all’atmosfera ogni anno. Piante e suoli assorbono 2,8 miliardi di tonnellate di questo carbonio aggiuntivo, mentre gli oceani ne assorbono 2,2 miliardi. I restanti 4,1 miliardi di tonnellate di CO₂ rimangono nell’aria, aumentando la concentrazione atmosferica di CO₂.
Circa il 90% delle emissioni globali di carbonio proviene dalla combustione di combustibili fossili, principalmente per la produzione di elettricità, calore e trasporti. Nel 2022, la maggior parte delle emissioni globali di carbonio da combustibili fossili proveniva da carbone (40%), petrolio (32%), gas naturale (21%), cemento (5%) e flaring e altre fonti minori (2%). Solo quattro regioni rappresentavano circa due terzi delle emissioni globali di carbonio da combustibili fossili nel 2021: Cina (31%), Stati Uniti (14%), UE27 (7%) e India (7%).
CO2 biogenica
Quando parliamo di anidride carbonica (CO2), è facile considerarla un unico problema: un gas serra che causa il cambiamento climatico. Ma non tutta la CO2 è uguale. La sua origine, biogenica o fossile, fa un’enorme differenza nel modo in cui impatta sull’ambiente, sui nostri obiettivi climatici e sulla sostenibilità dei processi industriali.
La CO2 biogenica proviene da cicli naturali del carbonio a breve termine. Viene prodotta quando materiali organici, come piante, colture o biomassa, si decompongono o vengono bruciati. La CO2 biogenica nell’aria atmosferica si riferisce all’anidride carbonica rilasciata da fonti biologiche, come la respirazione delle piante, la decomposizione e la combustione organica. Poiché questa CO2 è stata recentemente sequestrata dall’aria tramite la fotosintesi, è considerata parte del ciclo naturale del carbonio a breve termine e non aggiunge nuovo carbonio netto all’atmosfera.
La distinzione tra CO2 di origine biologica e fossile è fondamentale per la contabilità climatica e le strategie di mitigazione:
- Il ciclo naturale del carbonio: piante e alberi assorbono CO2 atmosferica attraverso la fotosintesi per crescere. Quando queste piante si decompongono, vengono consumate o bruciate come biocarburanti, rilasciano esattamente la stessa CO2 nell’atmosfera. Questo crea un ciclo biologico continuo e circolare, anziché immettere nuovo carbonio nell’ambiente.
- Neutralità carbonica: poiché si basa su carbonio catturato di recente, la CO2 biogenica è spesso considerata a emissioni nette zero nell’ambito del Protocollo sui gas serra ed è esente da molti sistemi di scambio di quote di emissioni industriali, come il Sistema di scambio di quote di emissioni dell’Unione Europea.
- Distinzione delle fonti: gli scienziati utilizzano la datazione al radiocarbonio (14C) per analizzare i campioni atmosferici. I combustibili fossili sono rimasti intrappolati nel sottosuolo per milioni di anni e non contengono radiocarbonio, mentre la CO2 biogenica riflette gli attuali livelli di radiocarbonio atmosferico, consentendo ai ricercatori di separare con precisione i due tipi di emissioni.
- Applicazioni: la CO2 biogenica viene sempre più spesso catturata dai rifiuti organici e dalla lavorazione della biomassa, quindi combinata con idrogeno verde per sintetizzare biocarburanti e materiali rinnovabili, offrendo un’alternativa a zero emissioni di gas serra rispetto alle fonti fossili.
Come misurare la frazione biogenica di CO2
Quando la biomassa viene utilizzata come combustibile, il carbonio immagazzinato nella materia organica rinnovabile viene rilasciato nell’atmosfera. Viene poi riassorbito nel ciclo naturale del carbonio man mano che la biomassa ricresce. Bruciare una miscela di biomassa e combustibili fossili può ridurre significativamente il consumo di combustibili fossili e diminuire l’impronta di carbonio totale. Quando i due combustibili vengono bruciati insieme, è possibile ottenere una ripartizione precisa della frazione di CO2 biogenica delle emissioni utilizzando il processo di datazione al radiocarbonio. Questo è possibile perché le emissioni di CO2 biogenica contengono isotopi di carbonio-14, a differenza delle emissioni di CO2 da combustibili fossili.
Implicazioni pratiche dello studio della frazione biogenica di CO2
La determinazione della frazione biogenica di CO2 atmosferica è di fondamentale importanza per la valutazione della qualità dell’aria e il monitoraggio della sua evoluzione temporale. Tuttavia, sebbene tali indagini siano state tradizionalmente confinate alla comunità scientifica, non rappresentano le uniche applicazioni di rilevanza scientifica e pratica. In effetti, la determinazione della frazione di CO2 biogenica ha anche implicazioni significative per una serie di applicazioni concrete che vanno oltre gli studi sulla qualità dell’aria. Le aziende con elevate emissioni derivanti da materiali parzialmente biogenici possono trarre grande vantaggio dalla distinzione tra la frazione attribuibile alla CO2 biogenica e quella di origine fossile.
I vantaggi includono:
➢ la possibilità di sfruttare i potenziali crediti di emissione in eccesso derivanti da una quantificazione più precisa delle emissioni di CO2 di origine fossile;
➢ la sottrazione delle emissioni biogeniche si traduce in emissioni annuali inferiori da rendicontare e potenzialmente genera crediti di emissione in eccesso da scambiare;
➢ la determinazione separata delle emissioni di CO2 biogeniche e di origine fossile aiuta le organizzazioni a quantificare il loro vero inventario di gas serra;
➢ una contabilità accurata delle emissioni di CO2 di origine fossile consente alle organizzazioni di conoscere la quantità corretta di crediti necessari per compensare la propria impronta di carbonio in un determinato periodo.
Analisi del radiocarbonio biogenico
A causa dei numerosi fattori di incertezza associati al campionamento e all’analisi di miscele di combustibili, la datazione al radiocarbonio è riconosciuta come un metodo molto più accurato ed economicamente vantaggioso per determinare la CO2 biogenica.
Inoltre:
✓ consente un prelievo del campione o un’installazione di apparecchiature di monitoraggio rapidi e semplici
✓ fornisce risultati in tempi brevi
✓ è accettata nell’ambito del Sistema di scambio di quote di emissioni dell’UE (ETS), del California Air Resources Board (CARB), della Western Climate Initiative (WCI) statunitense/canadese e del National Greenhouse and Energy Reporting Program (NGER) australiano.
Le emissioni antropogeniche di CO2 derivanti dai combustibili fossili svolgono un ruolo importante nell’inquinamento ambientale. Le misurazioni dell’isotopo radioattivo del carbonio 14C nella CO2 rappresentano l’unico mezzo osservativo quantitativo per decifrare la componente di CO2 derivante dai combustibili fossili nell’atmosfera.
Questo perché la CO2 derivante dalla combustione di combustibili fossili, data la lunga età del carbone, del petrolio e del gas (di diverse centinaia di milioni di anni), è priva di 14C. L’aggiunta di CO2 derivante dai combustibili fossili all’atmosfera, pertanto, non solo porta a un aumento della sua concentrazione, ma anche a una diminuzione del rapporto 14C/C nella CO2 atmosferica.
Un nuovo metodo di analisi del 14C completamente automatico
Lo spettrometro 14C SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down) è un nuovo e innovativo spettrometro per la misurazione del 14C. Sviluppato da un team del Consiglio Nazionale delle Ricerche italiano, è in grado di misurare la frazione molare del radiocarbonio in qualsiasi campione utilizzando la tecnica SCAR, che migliora i limiti CRD (cavity ring-down) di oltre un ordine di grandezza.
Schema dell’apparato ottico e optoelettronico della sezione di rilevamento del radiocarbonio del C14-SCAR.
Nella configurazione optoelettronica, due laser a cascata quantica (QCL) vengono utilizzati come sorgenti laser. Il QCL2 è agganciato in frequenza alla transizione della molecola di N2O; il laser, così agganciato alla linea molecolare tramite spettroscopia diretta, viene utilizzato come riferimento assoluto per la scansione in frequenza. Il QCL1 è sintonizzato, grazie alla tecnica di aggancio Pound-Drever-Hall (PDH), sulla cavità risonante (cavità Fabry-Perot) e sul laser utilizzato per eseguire la spettroscopia SCAR della transizione di 14C 16O2. Un ulteriore aggancio in frequenza avviene tra la frequenza di battimento dei due QCL, fissando la frequenza del QCL1 a quella di riferimento (QCL2).
Non solo 14C SCAR
Per questa specifica applicazione, il rivelatore 14C SCAR è stato accoppiato a un’unità di campionamento in grado di raccogliere l’aria ambiente, rimuovere tutti i gas tranne la CO2 e concentrare la CO2 prima dell’analisi.
L’8070 Air CO2 è un concentratore e purificatore di CO2 contenuta nell’aria atmosferica. Pertanto, tramite il suo utilizzo, è possibile ottenere CO2 purificata e introdurla nei rivelatori di massa per determinare il rapporto isotopico δ13C o quantificare il contenuto di 14C, un isotopo radioattivo del carbonio.
Questa unità si basa sulla produzione di un elevato volume di CO2 pura secondo il principio di adsorbimento/desorbimento, con un’innovativa linea di purificazione che consente l’eliminazione di acqua, VOC e NOx, lasciando solo CO2 pura.
Con il nuovo sistema di assorbimento di CO2 C-Quantum, è possibile trattare una grande quantità di anidride carbonica con un sistema di rigenerazione automatico, ottenendo risultati più precisi e prestazioni superiori rispetto ad altri sistemi. Il sistema 8070 Air CO2 è particolarmente adatto al collegamento con altre unità per la determinazione completamente automatica dei rapporti isotopici degli isotopi stabili del carbonio o del 14C radiogenico.
L’integrazione del sistema 8070 Air CO2 con il rivelatore 14C SCAR ha permesso il campionamento completamente automatizzato dell’aria atmosferica, eliminando la necessità di trattamento criogenico.
