Carburanti alternativi – Come la luce può aiutare a riutilizzare l’anidride carbonica

Una delle principali cause del cambiamento climatico è l’anidride carbonica (CO2). Un importante gas serra, il CO2, è il risultato della combustione dei combustibili fossili (come petrolio, carbone e gas naturale). Si verifica anche naturalmente attraverso la respirazione umana, la respirazione delle piante e le eruzioni vulcaniche.

Gli incendi boschivi sono un’altra importante fonte di emissioni di CO2, con una stima di 2.170 milioni di tonnellate metriche rilasciate solo nel 2023.

Uno nuovo studio ha scoperto che le emissioni di CO2 dagli incendi boschivi sono effettivamente aumentate di un sorprendente 60% a livello globale negli ultimi 23 anni.

Condotto dall’Università di East Anglia (UEA), lo studio ha raggruppato le aree del mondo in ‘pyromes’, che sono regioni in cui i modelli di incendi forestali sono influenzati da controlli climatici, umani e ambientali simili.

Con ciò, lo studio ha esaminato le differenze tra incendi forestali e non forestali, rivelando i fattori chiave che guidano i recenti aumenti dell’attività degli incendi forestali.

Secondo lo studio, le emissioni di CO2 dagli incendi in uno dei più grandi pyromes sono quasi triplicate tra il 2001 e il 2023. Questi pyromes, che coprono le foreste boreali in Eurasia e Nord America, includono alcune delle foreste boreali settentrionali più sensibili al clima.

Aumenti significativi sono stati osservati più ampiamente nelle foreste extratropicali, pari a mezzo miliardo di tonnellate aggiuntive di anidride carbonica ogni anno. L’epicentro delle emissioni di CO2 si sta anche spostando verso le zone extratropicali, lontano dalle foreste tropicali.

L’aumento delle emissioni è stato associato a un aumento di condizioni meteorologiche favorevoli agli incendi, come condizioni calde e secche osservate durante ondate di calore e siccità. Inoltre, i tassi crescenti di crescita forestale hanno portato a più combustibili vegetali. Queste tendenze sono ulteriormente supportate dall’aumento delle temperature nelle alte latitudini settentrionali, che avviene a un ritmo doppio rispetto a quello globale. 

Non solo c’è stato un notevole aumento dell’estensione degli incendi boschivi, ma la loro gravità è aumentata negli ultimi due decenni. 

Il tasso di combustione del carbonio, che misura la gravità del fuoco basandosi sul carbonio emesso per unità di area bruciata, è aumentato fino al 50% nelle foreste a livello globale durante questo periodo. Secondo l’autore principale, il dottor Matthew Jones del Tyndall Centre for Climate Change Research presso l’UEA:

“Gli aumenti sia dell’estensione che della gravità degli incendi forestali hanno portato a un aumento drammatico della quantità di carbonio emessa dagli incendi forestali a livello globale. Cambiamenti sorprendenti nella geografia globale degli incendi sono anche in corso, e loro sono principalmente spiegati dal crescente impatto del cambiamento climatico nelle foreste boreali del mondo.”

L’impatto degli incendi boschivi sugli sforzi di sequestro del carbonio

Scienziati di tutto il mondo si sono riuniti per il nuovo studio e hanno avvertito che, per evitare la crescita continua degli incendi forestali, dobbiamo affrontare le cause principali del cambiamento climatico.

“Per proteggere gli ecosistemi forestali critici dalla minaccia crescente degli incendi boschivi, dobbiamo contenere il riscaldamento globale, e questo sottolinea perché è così vitale fare rapidi progressi verso emissioni nette zero.”

– Dr. Jones, borsista di ricerca indipendente NERC

Le foreste stesse svolgono un ruolo cruciale nel raggiungimento degli obiettivi climatici internazionali. Dopo tutto, aiutano a rimuovere il CO2 dall’atmosfera agendo come serbatoi di carbonio.

Il meccanismo è che le foreste assorbono l’anidride carbonica dall’atmosfera e la immagazzinano sotto forma di biomassa, legno morto, lettiera e suoli, processo noto come sequestro del carbonio, e riduce i tassi di riscaldamento globale. 

In tal modo, i governi di tutto il mondo hanno introdotto programmi di riforestazione e afforestazione per compensare le emissioni umane di CO2, soprattutto da settori come l’aviazione e alcune altre industrie. Tuttavia, il successo di questi programmi dipende dallo stoccaggio permanente del carbonio nelle foreste, che sono minacciate dagli incendi boschivi.  

Con gli incendi extratropici che già emettono mezzo miliardo di tonnellate in più di CO2 rispetto al 2001 e l’effetto a lungo termine dipendente dal recupero delle foreste, incendi forestali più diffusi e più gravi squilibrano le emissioni rispetto al carbonio catturato dal recupero post-incendio. Il dottor Jones ha dichiarato:

“La marcata tendenza verso maggiori emissioni di incendi forestali extratropici è un avvertimento della crescente vulnerabilità delle foreste, e rappresenta una sfida significativa per gli obiettivi globali di affrontare il cambiamento climatico.”

Ha inoltre affermato che dopo incendi severi, le foreste sono note a riprendersi poco. Pertanto, dobbiamo prestare molta attenzione a come l’aumento della gravità degli incendi influenzerà lo stoccaggio di carbonio delle foreste nei prossimi anni. 

Nel mezzo di tutto ciò, c’è stato una riduzione della combustione delle savane tropicali soggette a incendi, con studi precedenti che mostrano che, dal 2001, l’area bruciata sia da incendi forestali che non forestali è diminuita di un quarto a livello globale. 

In questo contesto di riduzione della combustione in praterie e savane, lo studio, secondo i suoi autori, mostra che gli incendi continuano a verificarsi sempre più dove non dovrebbero, cioè le foreste hanno mascherato l’aumento dell’estensione e della gravità degli incendi forestali. Questo rappresenta “la più grande minaccia per le persone e per i depositi vitali di carbonio,” ha detto il dottor Jones.

Queste nuove osservazioni sono state sbloccate con l’aiuto del machine learning, che è stato usato per raggruppare le ecoregioni forestali in 12 diversi pyromes. Come abbiamo condiviso di recente, i modelli di IA sono ampiamente utilizzati per rilevare gli incendi boschivi precocemente. Il enorme potenziale dell’IA e del machine learning è ulteriormente potenziato dal crescente database di occorrenze di incendi.  

Nel nuovo studio, l’uso dell’IA per raggruppare ha permesso agli scienziati di isolare gli effetti del cambiamento climatico da altri fattori come la produttività della vegetazione e l’uso del suolo. Inoltre, comprendere cosa causa gli incendi in questi diversi pyromes è importante per sviluppare strategie efficienti per prevedere e mitigare gli incendi boschivi e proteggere le foreste.

“È necessario un finanziamento sostanziale per supportare programmi strategici di gestione forestale, coinvolgimento delle parti interessate e educazione pubblica, tutti i quali rappresentano un cambiamento significativo della strategia di gestione degli incendi da prevalentemente reattiva a sempre più proattiva.”

– Dr. Jones

Una nuova frontiera: trasformare il CO2 in prodotti di valore

Oltre al sequestro del carbonio, un altro modo per mitigare gli effetti negativi del CO2 sull’ambiente è convertirlo in prodotti di valore. 

Questo include la conversione del CO2 in nanofibre di carbonio, che possono essere usate per rinforzare i materiali da costruzione, combinandolo con l’idrogeno per produrre carburanti come metano, metanolo, benzina e carburanti per aviazione, e convertendo il CO2 in prodotti chimici e altri prodotti come prodotti farmaceutici, additivi alimentari e fragranze. 

Un nuovo studio ha migliorato questa conversione del CO2 in prodotti di valore combinando luce visibile ed elettrochimica.

Nel farlo, il team ha fatto una scoperta sorprendente: la luce visibile ha migliorato notevolmente la selettività, che è un attributo chimico importante. Questa scoperta apre nuove strade per la conversione del CO2 così come per molte altre reazioni chimiche che sono usate nella ricerca catalitica e nella produzione chimica. 

Trasformare il CO2 in un vettore di energia invece che in rifiuto o emissione attraverso il riciclo è un ottimo modo per ridurre il cambiamento climatico. Qui, l’anidride carbonica viene convertita in carburanti, prodotti chimici, materiali ed energia termica. 

Alcuni modi in cui il CO2 viene riciclato includono la fotosintesi artificiale, un processo in cui l’energia solare viene utilizzata per sintetizzare prodotti chimici usando il CO2 come materia prima. Poi c’è la conversione elettrochimica, dove l’elettricità viene usata per convertire il CO2 in prodotti chimici come etanolo, acido acetico o acido formico. 

Il nuovo studio ha utilizzato la riduzione elettrochimica per riciclare l’anidride carbonica in prodotti di valore. In questo processo, Prashant Jain, professore di chimica presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, ha spiegato che un flusso di gas CO2 attraversa una cella di elettrolisi che scompone l’anidride carbonica e l’acqua in monossido di carbonio (CO) tossico e idrogeno. Questi nuovi gas possono poi essere utilizzati per creare nuovi prodotti idrocarburici.

Tuttavia, Jain sottolinea che questa reazione è piuttosto lenta, e sono necessari grandi elettrodi per questo processo. Questi elettrodi contengono molto materiale catalitico costoso come rame o oro o rame.

Date queste difficoltà, Jan, insieme al suo ex dottorando Francis Alcorn, ha cercato modi per accelerare il processo che richiederebbe meno materiale catalitico, rendendolo così “un’opzione più praticabile per l’industria dei carburanti alternativi”.

Utilizzare la luce visibile per aumentare l’efficienza della conversione del CO2

Con il nuovo metodo, il team ha combinato luce visibile con elettrodi che sono ricoperti da particelle estremamente piccole di lega oro-rame. Questo consente la riduzione del CO2 a un ritmo più elevato e una selettività più controllata rispetto ai metodi convenzionali. 

Jain ha spiegato che:

“(I nuovi elettrodi) agiscono come piccole antenne che cercano i fotoni nella gamma della luce visibile e li accoppiano al percorso della reazione chimica.”

Per aumentare la conduttività di questi elettrodi, il team li ha immersi in una soluzione di acqua, CO2 e un elettrolita. Successivamente hanno applicato una tensione attraverso l’elettrodo mentre la sua superficie era illuminata con un laser a luce visibile.

Questo ha portato a una reazione che produce rapidamente idrogeno dallo scissione delle molecole d’acqua e monossido di carbonio, che proviene dallo scissione dell’anidride carbonica.

Mentre il team era “molto entusiasta” di osservare l’aumento della produttività usando la luce visibile, ciò che non era previsto era che la luce visibile avesse un impatto così grande sulla selettività chimica — che Jain ha detto “è il progresso importante qui”.

Ora, cos’è questa selettività? Bene, nella catalisi, la selettività chimica è la capacità di una reazione chimica di favorire un tipo di molecola o percorso rispetto a un altro. 

In questo studio particolare, una reazione di scissione dell’acqua che forma gas idrogeno è stata trovata a essere selettivamente migliorata usando la luce. Jain ha detto:

“I risultati suggeriscono che la luce visibile offre un’opportunità unica per regolare il rapporto tra monossido di carbonio e gas idrogeno prodotto, un fattore cruciale per la produzione industriale di gas sintetico. Questa scoperta apre la strada a un futuro energetico più sostenibile ed efficiente.”

Detto ciò, il professore ha osservato che l’uso della luce per migliorare le reazioni chimiche non è privo di controversie, dato che la luce porta anche calore. Pertanto, il team ha dovuto eseguire esperimenti di controllo e fare misurazioni accurate per determinare se fosse l’effetto termico della luce a causare tassi di reazione più rapidi e la selettività.

Ciò che il team ha fatto per determinare questo è stato eseguire esperimenti con il laser e senza di esso alla stessa temperatura prodotta dall’eccitazione luminosa. Questo li ha aiutati a escludere il riscaldamento come fattore responsabile.

Il team ha scoperto che, in realtà, erano i campi elettrici e il flusso di carica diretto creati dall’eccitazione luminosa a essere responsabili dell’aumento della produttività e della selettività migliorata della scissione dell’acqua.

Ora, guardando al futuro, il team ha ancora sfide da superare. Questo include l’uso ripetuto di nanoparticelle basate su elettrodi, che porterà a degradazione nel tempo, specialmente quando si scala il metodo per applicazioni industriali.

Il team deve inoltre approfondire la ricerca e migliorare l’efficienza energetica complessiva del processo e la gestione della luce.

“(Nel complesso) ciò che abbiamo trovato con questo studio presenta modi completamente nuovi di pensare all’elettrochimica e alla catalisi.”

– Jain

Dopotutto, l’uso della luce ha migliorato l’attività del catalizzatore, ma più importante e sorprendente, ha permesso di cambiare la selettività, il che aprirà nuove vie chimiche che producono prodotti diversi. Questo significa che la riduzione del CO2 o la scissione dell’acqua è solo l’inizio; il metodo può anche essere applicato a molte altre reazioni catalitiche importanti per l’industria chimica.

Aziende coinvolte nella riduzione e conversione del CO2

La crescente gravità e devastazione causate dagli incendi boschivi hanno portato a progressi nei metodi di protezione antincendio, come idrogeli biomimetici attivabili dal calore. Tuttavia, c’è anche un crescente interesse nella riduzione e riutilizzo delle emissioni di CO2. Questo riutilizzo comporta la trasformazione dell’anidride carbonica, un importante contributore al cambiamento climatico, in prodotti utili come carburanti, prodotti chimici e materiali da costruzione. 

Le aziende in prima linea in questi sforzi stanno combinando tecnologie all’avanguardia per affrontare le sfide ambientali ed economiche poste dalle emissioni di CO2.

Questo include Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), and Occidental Petroleum (OXY ). While Chevron invests in carbon capture technologies, FuelCell Energy si concentra su soluzioni di energia pulita, and Occidental è coinvolta nella tecnologia di cattura diretta dell’aria (DAC) per rimuovere il CO2 dall’atmosfera e convertirlo in prodotti utilizzabili.

Air Products and Chemicals (APD ) è un’altra che è coinvolta nella produzione di idrogeno e nelle tecnologie di conversione del CO2. Con una capitalizzazione di mercato di 73,44 miliardi di dollari, le azioni APD sono attualmente scambiate a 330,37 dollari, in rialzo del 20,66% YTD.

Ora, diamo uno sguardo più approfondito a un altro grande attore nella cattura del carbonio:

ExxonMobil (XOM )

Questa multinazionale americana di petrolio e gas, che è il più grande discendente diretto della Standard Oil di John D. Rockefeller, ha un interesse crescente nelle tecnologie di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS) per ridurre le emissioni di CO2.

La rete CCS di ExxonMobil comprende l’operazione del più grande gasdotto di CO2 lungo 1.500 miglia negli Stati Uniti. Possiede inoltre numerosi siti di stoccaggio strategicamente posizionati lungo la costa del Golfo degli USA.

Attraverso ExxonMobil Low Carbon Solutions, l’azienda svolge un ruolo importante nel portare la tecnologia di cattura e stoccaggio del carbonio su larga scala. Vanta una capacità di cattura attuale di 9 milioni di tonnellate metriche all’anno, una cattura cumulativa di 120 milioni di tonnellate fino ad oggi, e rappresenta complessivamente circa il 40% di tutta la CO2 prodotta dall’uomo catturata, secondo i dati dal sito ufficiale di ExxonMobil.

L’azienda ha collaborato con Mitsubishi Heavy Industries (MHI) per abilitare soluzioni complete end-to-end per la cattura del CO2 post-combustione. La soluzione fornisce cattura, trasporto e stoccaggio completi del carbonio.

L’azienda è anche in esecuzione di un progetto pilota per utilizzare il gas, che altrimenti verrebbe bruciato a causa della mancanza di gasdotti, dai suoi pozzi petroliferi del North Dakota per alimentare gli operatori di mining di Bitcoin. Per questo, ExxonMobil ha collaborato con Crusoe Energy Systems, che sfrutta risorse energetiche di scarto per prelevare gas dai suoi pozzi petroliferi e alimentare generatori mobili usati per le operazioni di mining di Bitcoin. L’azienda prevede che i suoi piani di riduzione delle emissioni raggiungano lo Zero Routine Flaring della Banca Mondiale entro il 2030.

Al momento della stesura, le sue azioni sono state scambiate a 119,94 $ dopo un aumento del 20,72% del prezzo finora quest’anno. Questo porta la capitalizzazione di mercato di ExxonMobil a 536,2 miliardi di dollari, con un EPS (TTM) di 8,34, un P/E (TTM) di 14,47 e un rendimento del dividendo del 3,15%.

Per il secondo trimestre del 2024, l’azienda ha riportato utili di 9,2 miliardi di dollari, che ha dichiarato evidenziare i “punti di forza differenziati del portafoglio di ExxonMobil e il suo potere di guadagno migliorato”. Ha inoltre ampliato la sua proposta di valore rafforzando la leadership nella cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) con un nuovo accordo che ha aumentato la sua capacità contrattuale totale di CO2 a 5,5 milioni di tonnellate all’anno. Questo, secondo ExxonMobil, è più “volume impegnato di qualsiasi altra azienda abbia annunciato”. I risultati finanziari del terzo trimestre 2024 saranno pubblicati il 1° novembre.

Conclusione

Con miliardi di tonnellate metriche di CO2 rilasciate nell’atmosfera ogni anno, ciò ha provocato non solo il cambiamento climatico, che porta a eventi meteorologici più estremi, ma anche rischi per la salute e l’acidificazione degli oceani che minaccia la vita marina e le barriere coralline.

Man mano che la crisi climatica si intensifica, è diventato fondamentale affrontare il grave problema dell’aumento delle emissioni di CO2 per ridurre il riscaldamento globale e le sue conseguenze catastrofiche. Gli incendi forestali, alimentati dal cambiamento climatico, stanno rilasciando livelli senza precedenti di anidride carbonica, accelerando ulteriormente il problema. Sebbene i programmi di riforestazione e afforestazione siano vitali per compensare le emissioni, la minaccia degli incendi boschivi è notevole, rendendo essenziali strategie proattive di gestione del fuoco.

Soluzioni innovative, come la riduzione elettrochimica del CO2 e l’uso della luce visibile per migliorare le reazioni catalitiche, offrono prospettive promettenti per riutilizzare le emissioni nocive di carbonio in prodotti di valore come carburanti sintetici e prodotti chimici industriali.

Questi progressi, sebbene ancora in fase di sviluppo, rappresentano il potenziale per mitigare il cambiamento climatico trasformando il CO2 da inquinante globale a risorsa per il futuro. Man mano che le aziende continuano a investire in tecnologie di cattura del carbonio e carburanti alternativi, ci avviciniamo a una soluzione sostenibile che potrebbe rimodellare il panorama energetico.

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