Evoluzione della struttura porosa del carbone durante il trattamento termico sotterraneo: un’indagine sperimentale

Trasformare il carbone da problema climatico in strumento climatico

Il carbone è generalmente considerato un importante motore del cambiamento climatico, ma questa ricerca esplora un modo per trasformare i giacimenti di carbone profondi e non sfruttati in una fonte energetica più pulita e in un deposito a lungo termine per l’anidride carbonica (CO2). Riscaldando dolcemente il carbone sottoterra invece di bruciarlo in superficie, è possibile produrre combustibili utili lasciando dietro di sé un materiale ricco di carbonio, simile a una spugna, che potrebbe intrappolare in sicurezza la CO2. Questo studio pone una domanda semplice ma cruciale: quando il carbone viene riscaldato in sito, come cambia la sua struttura interna a “pori” e quanto bene potrebbe immagazzinare CO2 in seguito?

Riscaldare il carbone senza estrarlo

L’approccio, chiamato trattamento termico sotterraneo del carbone, riscalda lentamente le vene di carbone in un ambiente privo di ossigeno a temperature fino a 600 °C. Invece di estrarre il carbone, gli ingegneri inietterebbero calore attraverso pozzi, raccoglierebbero i gas e i liquidi rilasciati e poi riutilizzerebbero gli stessi pozzi per reiniettare CO2 nella vena trattata. Il solido residuo, noto come char pirolitico, si comporta un po’ come una spugna rigida a base di carbonio, piena di pori di diverse dimensioni. Questi pori determinano quanto combustibile può essere prodotto durante il riscaldamento e quanto CO2 la roccia può contenere in seguito, quindi comprendere la loro evoluzione è centrale per progettare un processo sicuro e a basse emissioni di carbonio.

Osservare il labirinto nascosto del carbone

Per scrutare questa rete porosa nascosta, gli autori hanno prelevato carbone a basso grado dalla Mongolia Interna e hanno riscaldato i campioni molto lentamente fino a otto temperature target comprese tra 30 °C e 600 °C sotto gas elio. Hanno poi usato tre tecniche di laboratorio complementari: adsorbimento di CO2 per sondare i pori più microscopici (meno di 2 nanometri), adsorbimento di azoto per caratterizzare i pori di dimensione media e intrusioni di mercurio per mappare pori e fratture più grandi. Insieme questi metodi hanno permesso di monitorare i cambiamenti nel volume poroso totale, nell’area superficiale interna e nella complessità della rete porosa mentre il carbone attraversava diverse fasi di riscaldamento.

Da uno spazio che si restringe a una spugna che cresce

I risultati mostrano che il carbone non si “apre” semplicemente quando viene riscaldato; piuttosto, il suo spazio interno attraversa fasi distinte. All’inizio, mentre la temperatura sale dalla temperatura ambiente fino a circa 350 °C, il volume poroso complessivo in realtà diminuisce anche se l’area superficiale interna aumenta leggermente. I liquidi formati durante il riscaldamento iniziale filtrano nei pori più grandi e li intasano parzialmente, mentre appare un numero modesto di nuovi pori microscopici. Tra circa 350 °C e 450 °C questa tendenza si inverte: gas e liquidi degradati fuoriescono, creando nuove cavità ed espandendo sia i pori grandi sia quelli piccoli. Sopra circa 450 °C, e in modo particolare a 600 °C, il carbone sviluppa molti più dei pori più piccoli insieme a una ripresa dei pori grandi, così che sia il volume totale sia l’area superficiale aumentano nettamente e la rete porosa diventa meglio connessa.

Tre fasi chiave nella trasformazione del carbone

Collegando queste misurazioni con un indicatore standard della maturità del carbone, i ricercatori hanno identificato tre stadi nel processo di riscaldamento sotterraneo. Nella prima fase (bassa maturità), lo spazio si perde mentre i liquidi riempiono i pori di dimensione media e grande. Nella seconda fase (maturità media), la rapida degradazione della materia organica e il rilascio di gas scavano nuovi canali, aumentando bruscamente il volume poroso e la connettività. Nella fase finale, di generazione di gas, a maturità più elevata, il continuo rilascio di gas e il riassetto strutturale generano una densa popolazione di pori microscopici accanto all’espansione dei pori grandi. I pori microscopici forniscono la maggior parte dell’area superficiale interna dove le molecole di CO2 possono aderire, mentre i pori più grandi fungono da autostrade che aiutano la CO2 a muoversi dentro e attraverso la roccia.

Cosa significa questo per lo stoccaggio del carbonio sottoterra

In termini pratici, un riscaldamento sotterraneo attento trasforma un pezzo di carbone relativamente compatto in una spugna più intricata e a più livelli. Lo studio rileva che operare a temperature di trattamento più elevate all’interno dell’intervallo testato aumenta notevolmente il numero di nicchie microscopiche in cui la CO2 può essere trattenuta e migliora i percorsi che permettono al gas di diffondersi attraverso la vena. Questa combinazione potrebbe consentire al trattamento termico sotterraneo del carbone di produrre combustibili utili lasciando al contempo un filtro sotterraneo capace di immagazzinare CO2 a lungo termine, contribuendo a spostare il carbone da un peso puramente climatico a parte di una strategia più ampia di gestione del carbonio.

Citazione: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

Parole chiave: trattamento termico sotterraneo del carbone, stoccaggio del CO2, pori del carbone, tecnologia del carbone pulito, sequestro del carbonio