Da “Cassandra's Legacy”. Traduzione di Massimiliano Rupalti.
Eccomi in Siberia con la Prof.ssa Irina Kurzina (a destra nella foto) e la Dott.ssa Tamara Kharlamova (al centro) del dipartimento di Chimica dell'Università di Tomsk. La Prof.ssa Kurzina ha organizzato a Tomsk una conferenza intitolata “Catalisi: dal laboratorio all'industria” ed è stata così gentile da invitarmi per fare una presentazione. Questo viaggio a Tomsk è stato interessante per varie ragioni e sono rimasto impressionato dall'entusiasmo e la dedizione dei giovani scienziati russi che ho incontrato. Ecco una versione del mio discorso all'incontro: è condensato e talvolta modificato per andare incontro ad un pubblico più vasto degli specialisti in catalisi, ma conserva la sostanza di quello che ho detto.
Tomsk – 1 novembre 2012
di Ugo Bardi
E' stata scattata nel 1994 ed è la foto più vecchia che sono stato in grado di trovare che mi mostri in un laboratorio chimico a studiare la catalisi eterogenea (quello che vedete dietro me è un apparato per la spettroscopia di fotoelettroni). Ho studiato quel soggetto dal 1980, quando stavo facendo il post-dottorato a Berkeley. Come potete vedere, sono un po' più giovane in quell'immagine. Ero ancora più giovane nel 1980, ma meglio non farla troppo lunga su questo! Volevo solo mostrarvi da dove è partita la mia carriera da ricercatore che, attualmente, è cambiata molto.
Oggi, mi interessa ancora molto la catalisi e la scienza delle superfici, ma sono portato ad avere una più ampia veduta del campo. Non studio più i processi specifici, ma tutto il soggetto della catalisi nella sua rilevanza economica. Sapete meglio di me che la catalisi è fortemente legata al petrolio che, insieme al gas naturale, fornisce la materia prima di base per gran parte delle reazioni catalitiche industriali. E' con le reazioni catalitiche che creiamo combustibile dal petrolio e non solo combustibili, creiamo tante cose, dalla plastica ai fertilizzanti e qualsiasi altra cosa possiate pensare in termini di chimica.
Ora il punto è, naturalmente, che una volta che ci si rende conto di quanto sia importante il petrolio per così tante cose allora ci si chiede quanto durerà. Sono sicuro che vi sarete posti a questa domanda, almeno in modo inconscio. Di tanto in tanto mi facevo la stessa domanda quand'ero un giovane ricercatore che studiava chimica catalitica, ma devo dire che non gli davo mai molta importanza. E' stato solo col tempo che ho scoperto che non potevo più ignorare la questione e quindi ho cominciato a studiarla come se fosse un altro problema della chimica catalitica. E' questo di cui mi piacerebbe parlarvi oggi.
Proverò a raccontarvi del petrolio in generale, ma anche del soggetto specifico del petrolio russo. Come premessa, lasciatemi dire che non sono uno specialista in petrolio russo. Ci sono persone che hanno passato la vita a studiare la produzione di petrolio russa e che sanno tutto riguardo a dove il petrolio viene prodotto, le risorse, le riserve, i pozzi, i giacimenti, gli oleodotti, le raffinerie e tutto il resto. Non posso sostenere di avere quel tipo di conoscenza, ma proverò ciononostante a raccontarvi alcune cose su questo tema che trovo interessanti e che potrebbero esservi sfuggite.
Quindi, il mio discorso comincerà con una breve storia del petrolio, poi vi dirò qualcosa sui problemi causati dal petrolio, sul cambiamento climatico, quindi su alcune prospettive sulla produzione russa di petrolio ed infine su come la chimica catalitica può venire in soccorso di un mondo futuro in cui avremo molto meno petrolio da bruciare di quanto non abbiamo ora. Vale a dire “l'attivazione della CO2”, ma procediamo per ordine.
1. Introduzione al petrolio
Come come chimici sapete bene che il petrolio spesso esce fuori come una stostanza appiccicosa nerastra che, così com'è, è quasi completamente inutile come combustibile. Brucia, sì, ma molto lentamente e in alcuni casi non brucia nemmeno. E' la catalisi, in particolare quello che chiamiamo “cracking catalitico” che trasforma il petrolio in combustibili. Ma anche prima del cracking industriale, la gente aveva imparato come distillare il petrolio per fare un bel fluido chiaro, chiamato “kerosene”, che poteva bruciare nelle lampade – ciò accadeva a metà del diciannovesimo secolo negli Stati Uniti. Qui vediamo una pubblicità per il kerosene in Russia. Non c'è data a questa immagine, ma dallo stile potrebbe essere del tardo diciannovesimo secolo.
Forse non sapete che per qualche tempo la Russia ha importato kerosene dagli Stati Uniti, Ci suona strano perché sappiamo che la Russia ha vaste risorse petrolifere e probabilmente saprete che i giacimenti petroliferi del Caucaso venivano già sfruttati nel diciottesimo secolo. Ma la tecnologia per trasformare il petrolio greggio in combustibile per lampade impiegò un certo tempo per essere sviluppata qui, quindi per un breve periodo la Russia ha dovuto appoggiarsi agli Stati Uniti per il kerosene. Forse non sapete neanche che Dmitry Mendeleev – famoso per la tavola periodica – è stato in Pennsylvania per studiare i metodi americani per elaborare il petrolio greggio. Ecco la sua pubblicazione, datata 1877.
Naturalmente, i chimici russi hanno imparato rapidamente come fare kerosene e in seguito come elaborare il petrolio usando metodi moderni. Oggi, l'industria del petrolio russo probabilmente è la più grande del mondo, ma a che punto si trova la Russia in termini di prospettive? Per rispondere a questa domanda dobbiamo esaminare la produzione di petrolio in generale.
2. Modelli di produzione del petrolio
Come dicevo, la Russia ha iniziato un po' più lentamente dell'America col petrolio ma, col tempo, la produzione russa è cresciuta rapidamente fino a superare quella Americana negli anni 70. Vediamo un confronto fra Stati Uniti e Russia (in realtà l'ex Unione Sivietica) in termini di produzione petrolifera. Questa è un'immagine fatta nel 1997 dall'esperto di petrolio francese Jean Laherrere (Link).
Questo è un gruppo di dati piuttosto vecchio, molte cose sono cambiate dal 1997. Ma volevo mostrarvi quest'immagine specifica per evidenziare come apparivano le cose durante il collasso dell'Unione Sovietica.
Vedete come la produzione sovietica ha cominciato a crescere rapidamente più tardi che negli Stati Uniti, ma questa alla fine ha superato la produzione americana negli anni 70 (il grafico non mostra la produzione dell'Alaska, ma il cambiamento non è grande). Notate come entrambe le curve mostrino lo stesso schema: prima crescono esponenzialmente, poi raggiungono il picco e declinano. C'è una differenza, comunque: il consumo degli Stati Uniti ha continuato a crescere con le importazioni dal Medio Oriente e da altre regioni. Invece, l'Unione Sovietica era relativamente isolata come sistema economico ed il consumo è declinato insieme alla produzione. Questa era una caratteristica del collasso dell'Unione Sovietica.
Vi potrebbe interessare sapere che ci sono due scuole di pensiero su cosa ha causato il declino della produzione di petrolio nell'Unione Sovietica. Una dice che la produzione di petrolio è collassata a causa del collasso del sistema politico, l'altro che il sistema politico sovietico è collassato a causa del collasso della produzione di petrolio. La mia opinione è che non si può pensare di rispondere a questa domanda con un “o questo o quello”. La risposta giusta è “entrambe”. Serve un sistema economico e politico funzionante per produrre petrolio e serve il petrolio come fonte di energia per mantenere un sistema politico ed economico in funzione. Quindi, alla fine, il declino di entrambe le cose è arrivato insieme. Ma perché esattamente?
Come abbiamo visto, sembra esserci uno schema simile nei due casi, USA e URSS. Il primo a notare questo schema è stato un geologo americano, Marion King Hubbert. Nel 1956, Hubbert ha previsto quale sarebbe stata la forma della curva di produzione del petrolio negli Stati Uniti. Questo grafico è piuttosto famoso:
Hubbert ha visto questo modello come empirico, ma ogni qualvolta si abbia uno schema, una regolarità in un fenomeno, allora devono esserci delle ragioni profonde perché questo avvenga. Vale a dire, il fatto che due sistemi economici e politico molto diversi come USA e URSS mostrassero lo stesso schema ci dice che qualcosa alla base dell'economia crea questo schema. Cioè, non erano le scelte politiche del governo americano o di quello sovietico che generavano quello schema. E' un fenomeno generale di qualche tipo che appare ovunque ci sia una grande regione produttiva.
Lasciate che vi faccia un altro esempio di questo schema. Lasciate che vi mostri alcuni dati sul campo petrolifero di Samotlor, nella Siberia dell'ovest. Non è molto lontano da dove ci troviamo qui a Tomsk. Bene, “non molto lontano” dev'essere preso in termini relativi. Qualcosa meno di 1000 chilometri comunque che, immagino, non sia così tanto per gli standard russi.
Samotlor è un “supergigante”, uno dei più grandi giacimenti del mondo. Vedete come la reazione chimica si sia innescata, raggiungendo un livello di produzione massima di più di un miliardo di barili di petrolio all'anno. E' un valore enorme. A quel tempo Samotlor, da solo, produceva una percentuale significativa della produzione mondiale di petrolio. Ma poi, la reazione si è placata per mancanza di reagenti.
Il caso di Samotlor è interessante anche perché illustra come un un campo maturo possa essere rivitalizzato, almeno in parte. Nei tardi anni 90, le due compagnie che gestivano il giacimento, TNK e BP, hanno deciso di investire su Samotlor per ravvivare la produzione. Ciò significava “spremere” più petrolio dal vecchio giacimento con vari metodi; può essere fatto ed ha funzionato perché il declino è stato arrestato. Ma è stato impossibile riportare il giacimento ai livelli del suo apogeo. La produzione è rimasta pressoché costante fino ad ora, ma non c'è dubbio che declinerà ancora. Così, vedete, ci sono fattori molto forti che portano la curva ad assumere la forma "a campana" ed il fatto che la gente non voglia che la produzione declini non significa che il declino si possa fermare. Non facilmente, perlomeno.
Quindi, cos'è che crea questo schema? Be', c'è una teoria che lo spiega, ma non posso entrare nei dettagli qui. Lasciatemi solo dire che l'economia deve, alla fine, obbedire alle leggi fisiche e le leggi fisiche dicono che serve energia per estrarre petrolio. Meno petrolio rimane, più energia serve per estrarlo. Questo si traduce in costi maggiori e, alla fine, nessuno estrae petrolio in perdita. Quindi, il petrolio viene estratto rapidamente quando è facile estrarlo, ma col tempo la produzione tende a declinare. Queste considerazioni possono essere messe in forma matematica ed il risultato è la “curva a campana” che avete visto.
In un certo senso, l'estrazione di petrolio è una grande reazione chimica, dove il petrolio e l'ossigeno sono i reagenti e gli esseri umani sono il catalizzatore. E' impressionante che questi modelli funzionino così bene in certi casi storici – non tutti i casi, naturalmente: l'economia mondiale è un sistema complicato. Ma il fatto che sia un sistema complicato non significa che non debba obbedire alle leggi della fisica. Quando non ci sono più reagenti, la reazione deve finire.
3. Petrolio: situazione attuale
Fin qui, abbiamo parlato del cosiddetto “modello di Hubbert”. E' un modello interessante, ma dovete ricordare che i modelli sono sempre approssimazioni della realtà. Questo è valido in chimica proprio come nella produzione di petrolio. Quindi, andiamo a vedere alcuni dati sul mondo reale, qui, per esempio questo (preso da wikipedia):
Vedete che c'è una certa tendenza per l “reazione” della produzione a seguire il modello di Hubbert, cioè ad esplodere per poi placarsi. Ma la realtà è più complessa e c'è sempre la possibilità di far ripartire la crescita dopo un lungo periodo di declino. Potremmo dire che i reagenti non siano ben mescolati e quindi la reazione procede in modo irregolare. Vedete che la produzione nei paesi della ex Unione Sovietica hanno preso di nuovo velocità dopo aver raggiunto un minimo intorno al 1998 ed ora ha raggiunto livelli non lontani da quelli del picco al tempo dell'Unione Sovietica. Questo perché il sistema non è così semplice come i modelli vorrebbero che fosse e reagisce, fra le altre cose, ai prezzi, agli eventi politici, alle guerre, alle crisi e cose del genere.
Quindi, cosa possiamo aspettarci per il futuro? Be', lasciate che vi mostri alcuni dati recenti sulla produzione di petrolio russa.
Vedete che la crescita di produzione è andata rallentando durante gli ultimi anni. Oggi non sembra essere in grado di crescere ulteriormente. In questo rispecchia le tendenze generali globali: la produzione di petrolio mondiale è piatta o cresce molto lentamente. Quindi cosa sta succedendo? Be', non è certo per mancanza di sforzi; cioè, il rallentamento della crescita non è un effetto pianificato. Dai dati che ho, è chiaro che l'industria russa del petrolio sta facendo uno sforzo tremendo per mantenere la produzione ai livelli attuali. Stanno investendo un sacco di soldi e di risorse alla ricerca di nuove aree, nuovi giacimenti, usando nuove tecnologie per ottenere più petrolio da vecchi giacimenti. Il problema è che molti giacimenti di petrolio, specialmente nella Siberia dell'ovest, sono “maturi” e rallentano – come possiamo vedere nel caso di Samotlor. C'è ancora tanto petrolio da estrarre nella Repubblica Russa, ma ci vuole uno sforzo sempre maggiore per farlo.
Quindi, cosa accadrà? Di sicuro non vedremo un declino della produzione finché l'industria può mantenere lo sforzo di sviluppare le riserve disponibili. E questo dipende da diversi fattori, compresa la situazione finanziaria internazionale. Direi che, a breve termine, non dobbiamo preoccuparci del declino della produzione russa; forse nemmeno nel medio termine. Ma alla fine, come ho detto, la reazione deve esaurire i reagenti. Se questo avverrà sotto forma di un collasso o di lento declino non posso dirlo, ma posso dire che dobbiamo prepararci per un mondo dove, a lungo termine, ci sarà meno petrolio disponibile e questo sarà più caro. Lo stesso vale per il gas naturale, anche se le riserve di gas russe sono abbondanti, secondo i dati che abbiamo.
Notate anche che gli alti costi di estrazione non sono il solo problema. Mentre si fa uno sforzo maggiore per estrarre risorse più costose, vediamo che produciamo più CO2 relativamente alle stesse quantità di energia generata. E questo ha un impatto sul clima. Anche qui in Russia. Lasciate solo che vi mostri gli incendi nella Siberia dell'est di quest'anno – una delle conseguenze del cambiamento climatico.
Probabilmente la Russia non sarà colpita così duramente dal riscaldamento globale come gli altri paesi, ma sarà comunque un problema. Alcune persone dicono che la Russia avrà dei benefici da un clima più caldo, ma non sono sicuro di questo, specialmente se consideriamo questi incendi estivi. Il clima è un tema complicato e che causa grandi cambiamenti dovunque. In alcuni luoghi i cambiamenti potrebbero essere per il meglio, ma non ci scommetterei per quanto riguarda la Russia. Dobbiamo quindi prepararci non solo per un mondo con meno petrolio, ma per un mondo in cui non si vuole (o non si è in grado) di usare le risorse rimanenti.
4. Attivazione catalitica della CO2 come materia prima
Così, se mi avete seguito fino a questo punto, sono sicuro che vi sarete chiesti come sopravviveremo senza petrolio. Naturalmente, questo sarà per il futuro, abbiamo ancora riserve, ma dobbiamo avere cura di non sperperarle. In altre parole, ci dobbiamo preparare per un futuro nel quale ci sarà meno petrolio (ed anche meno gas naturale). Dove saremo in grado di trovare le risorse di cui abbiamo bisogno.
Naturalmente da chimici, tutti voi sapete da dove viene il petrolio – è stata una scoperta del chimico russo Mikahil Lomonosov del diciottesimo secolo. Sappiamo che il petrolio greggio, proprio come carbone e gas naturale, è un prodotto della fotosintesi. E' una reazione dell'acqua con la CO2 che produce molecole organiche. Questa reazione è andata avanti per milioni di anni nel nostro pianeta ed alcuni dei prodotti sono sprofondati sottoterra e si sono lentamente trasformati in quello che chiamiamo idrocarburi e carbone “fossili”.
Ora il punto è, naturalmente, se possiamo replicare questa reazione in laboratorio. E la risposta è “sì”, naturalmente possiamo. Possiamo costruire lunghe catene di idrocarburi in laboratorio. E' una cosa ben conosciuta e la chiamiamo la reazione di “Fischer-Tropsch”. Funziona in presenza di catalizzatori basati, normalmente, su ferro e cobalto.
Ma per alimentare questa reazione abbiamo bisogno di monossido di carbonio e H2, che normalmente sono il prodotto della reazione dell'acqua con il carbone; è la cosiddetta reazione di “water shift”. Ma questo non ci aiuta più di tanto visto che anche il carbone è un combustibile fossile, inquina, genera riscaldamento globale e non è infinito. Così, possiamo alimentare questa reazione senza ricorrere al carbone?
L'idrogeno è qualcosa che possiamo ottenere dall'elettrolisi dell'acqua. L'acqua è abbondante e scinderla non produce gas serra, almeno se usiamo energia elettrica generata da energia rinnovabile o nucleare. Ma dove prendiamo il monossido di carbonio senza usare gli idrocarburi fossili? Be', è possibile, è una cosa che si chiama “attivazione della CO2”. L'anidride carbonica è un gas stabile, quindi ci serve energia per trasformarlo in una “materia prima” che possa reagire con l'idrogeno.
Il principale metodo per l'attivazione della CO2 è qualcosa di simile alla fotosintesi, vale a dire basato sula fotochimica. L'attivazione si ottiene con la promozione di un elettrone ad un alto stato energetico in un semiconduttore. Questo elettrone quindi reagisce con la CO2, trasformandola in un composto attivo che può reagire con l'idrogeno. Tipicamente, TiO2 è il semiconduttore usato. Qui vedete i potenziali elettrochimici che possono essere usati per ottenere la reazione ed i prodotti ottenibili.
La reazione di attivazione fotoelettrochimica della CO2 è ancora allo stadio di ricerca, ma è un'idea promettente. Vedete che c'è un sacco di interesse su questo concetto e quest'anno c'è stata una conferenza sull'attivazione della CO2 ad Essen, in Germania.
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E' un campo enormemente interessante e molto nuovo: fateci caso perché è la “prima” conferenza sull'attivazione della CO2 – non ci sono molti i soggetti in chimica che non siano stati oggetto di studi estesi e dove possiate avere la “prima” conferenza mondiale. Quindi un area davvero interessante. Sfortunatamente non ho potuto assistere a quella conferenza per diverse ragioni, ma cercherò di essere presente alla prossima edizione nel 2013. Penso che il concetto di usare la CO2 come materia prima per l'industria chimica sia la vera frontiera della catalisi eterogenea e vi invito a considerarla per il vostro lavoro futuro.
6. Energia ed attivazione della CO2
Abbiamo quindi visto che abbiamo bisogno di cominciare a lavorare nella direzione di ottenere le sostanze chimiche che ci servono dall'attivazione della CO2. In questo momento è una strada più costosa e più complessa che non il modo tradizionale di ottenere sostanze chimiche dagli idrocarburi fossili, ma in futuro è probabile che diventi la strada scelta. Nel lungo periodo sarà l'unica.
Naturalmente dobbiamo avere cura di quello che facciamo. Forse avete letto in qualche saggio che alcuni stanno dichiarando di “ottenere benzina dall'aria”. Fa riferimento ad un particolare percorso della reazione che comincia con l'attivazione della CO2 e che porta ai combustibili liquidi. In un certo senso è vero, ma è anche chiaro che c'è una differenza fondamentale. Quando si fa la benzina dal petrolio si usa l'energia contenuta nel petrolio (o forse nel gas naturale) per alimentare tutto il processo. Ma quando si fa la benzina dalla CO2 bisogna fornire l'energia necessaria. La CO2 è un composto chimico molto stabile e per attivarla è necessario salire termodinamicamente, non c'è modo di evitarlo. E non possiamo usare idrocarburi fossili per ottenere quell'energia: non avrebbe senso bruciare idrocarburi per ottenere idrocarburi!
Quindi, se vogliamo sostituire il petrolio con la CO2 come materia prima, dobbiamo fare attenzione al fatto che abbiamo bisogno di energia per alimentare tutto il processo e quest'energia non può venire dai combustibili fossili, altrimenti tutta la cosa sarebbe controproducente. Impianti nucleari o energia rinnovabile, probabilmente entrambe le cose, ma è essenziale che sviluppiamo ed installiamo nuove forme di energia in futuro.
Questo è il punto cruciale della grande sfida che affrontiamo. O riusciamo a sviluppare ed usare questi nuovi metodi, o avremo problemi molto, molto grandi. E, come avete visto, la catalisi è un fattore fondamentale di queste nuove prospettive. E' un campo affascinante su cui lavorare. Lo è sempre stato ed ora ancora di più!
7. Conclusione
Vi ho detto all'inizio che era un piacere per me essere qua, ma ora vorrei dirvi esattamente il perché. Vedete, la prima volta che sono stato in Russia è stato nel 1993, quasi 20 anni fa. Era il periodo del collasso dell'Unione Sovietica. Molti di voi erano troppo giovani per ricordare quei tempi, ma sono sicuro che capite di cosa sto parlando. Quelli erano tempi tristi, specialmente per la ricerca scientifica: non c'erano soldi, nemmeno per gli stipendi dei ricercatori. Si aveva la sensazione che così tanto lavoro andasse perduto: competenza, cultura, storia, tutto stava scomparendo. Ma oggi, visitando l'Università di Tomsk e vedendo così tanti di voi così entusiasti, così coinvolti e che lavorate così bene, posso dirvi che è un grande piacere per me. Davvero, è qualcosa che non dimenticherò presto.
Quindi, dopo aver visitato la Russia molte volte durante i 20 anni passati, ho un solo rimpianto: di non aver potuto fare questa conferenza in russo: Ma posso, perlomeno, ringraziarvi per la vostra attenzione in russo: Спасибо за внимание!
