Energia
Soluzioni alternative per catturare CO2
Catturare CO2 è fondamentale per invertire con successo i danni che il riscaldamento globale potrebbe presto infliggere al nostro clima. Tuttavia, esiste un conflitto tra ciò che la civiltà umana idealmente vuole raggiungere e la realtà sul terreno. L’Accordo di Parigi ha segnato un impegno globale a mantenere l’aumento della temperatura media globale ben al di sotto dei 2°C rispetto ai livelli preindustriali.
Mentre erano necessari sforzi sinceri per limitare l’aumento a 1,5 gradi centigradi passando dai combustibili fossili, le centrali alimentate da carbone e gas continuano a dominare il settore elettrico globale, secondo l’International Energy Association (IEA).
In effetti, nonostante una spinta globale a muoversi più vigorosamente verso fonti di energia rinnovabile, l’energia prodotta da combustibili fossili è aumentata del 70% dal 2000. Il carbone rimane la più grande fonte di combustibile per la generazione di energia, al 38%, seguito dal gas a circa il 20%.
Le politiche implementate a livello globale mirano a affrontare il problema delle emissioni delle centrali a carbone esistenti e di quelle in costruzione oggi. Tuttavia, una riduzione o diminuzione delle emissioni di CO2 non garantisce l’assenza di carbonio che intrappola il calore. L’IEA suggerisce che anche dopo che le emissioni di CO2 dalla flotta di centrali a carbone esistente diminuiscono di circa il 40%, le emissioni annuali ammonterebbero comunque a 6 GtCO2 all’anno nel 2040.
In uno scenario del genere, raggiungere i nostri obiettivi climatici non sarebbe possibile riducendo solo le emissioni. Sarebbero necessarie soluzioni alternative per catturare il carbonio in modo che possa essere utilizzato e immagazzinato su larga scala. Tuttavia, queste soluzioni dovrebbero essere complessivamente fattibili, economicamente vantaggiose e sostenibili a lungo termine.
Recentemente, in uno studio pubblicato il 1° maggio sulla rivista ACS Energy Letters, i ricercatori della CU Boulder e collaboratori hanno rivelato che un approccio popolare che molti ingegneri stanno esplorando per catturare il carbonio fallirebbe.
Tuttavia, il team di ricercatori, composto da scienziati del National Renewable Energy Laboratory di Golden, Colorado, e della Delft University of Technology nei Paesi Bassi, non si è limitato a evidenziare il difetto del sistema esistente, ma ha anche raccomandato una soluzione alternativa e più sostenibile non solo per catturare il carbonio ma anche per convertirlo in carburante.
Nei segmenti successivi, esamineremo ciò che la soluzione originale raccomandava, quali erano i suoi difetti e come questi difetti potrebbero essere corretti con una soluzione alternativa!
La soluzione originale per catturare il carbonio
Per soluzione originale, ci riferiamo a uno degli approcci di cattura diretta dell’aria più ampiamente utilizzati, che coinvolgono contattori d’aria, ovvero grandi ventilatori che aspirano l’aria in una camera riempita con un liquido basico. Poiché la CO2 è acida nella sua natura chimica, il liquido basico si lega ad essa e reagisce formando un carbonato o bicarbonato.
Con la CO2 intrappolata nel carbonato o bicarbonato, gli ingegneri possono separarla dal liquido e trasformarla in prodotti come plastica, bevande gassate, ecc. Se questi carbonati e bicarbonati subiscono ulteriori lavorazioni, possono persino fungere da carburante per alimentare case e, potenzialmente, aerei. D’altra parte, il liquido basico ritorna nella camera per catturare più CO2.
Mentre la soluzione sembra essere una disposizione perfetta per catturare il carbonio e riciclarla per un uso successivo, esiste un problema.
Il problema della soluzione originale
Il problema risiede nel modo in cui il carbonato o bicarbonato viene separato dal liquido. Rilasciare la CO2 intrappolata richiede alle aziende di riscaldare la soluzione di carbonato e bicarbonato ad almeno 900 °C (1 652 °F). Questa è una temperatura che fonti di energia rinnovabile come il solare e l’eolico non possono raggiungere. Pertanto, raggiungere questa temperatura richiede la combustione di combustibili fossili come il gas naturale o il metano puro.
Mentre parlava di questo ostacolo nascosto nel sistema, Wilson Smith, professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica e membro del Renewable and Sustainable Energy Institute presso CU Boulder, ha dichiarato quanto segue, che riassume essenzialmente il problema:
“Se dobbiamo rilasciare CO2 per catturare CO2, annulla l’intero scopo della cattura del carbonio.”
La buona notizia è che i ricercatori sono andati oltre il compito assegnato. Oltre a evidenziare i difetti del sistema, hanno suggerito un’alternativa che potrebbe risolvere la discrepanza.
La cura alternativa per la soluzione originale
I ricercatori hanno suggerito di implementare il processo di cattura reattiva per risolvere il problema. Tuttavia, hanno raccomandato di modificare il contesto convenzionale del processo di cattura reattiva.
La cattura reattiva, nella sua forma tradizionale, si riferisce a un processo in cui l’elettricità viene applicata alle soluzioni di carbonato e bicarbonato, separando la CO2 e il liquido basico nella camera. È anche chiamato sistema a ciclo chiuso che può catturare più CO2 nella sua forma liquida riciclata.
Tuttavia, in questo caso, i ricercatori hanno notato uno svantaggio. Hanno osservato che in un contesto industriale, l’elettricità non sarebbe sufficiente a rigenerare il liquido basico per ricatturare più CO2 dall’aria. Sarebbe un processo così inefficiente nella sua forma originale che, dopo cinque cicli di cattura e rigenerazione del carbonio, il liquido basico sarebbe a malapena in grado di estrarre CO2 dall’aria.
I ricercatori hanno raccomandato di aggiungere l’elettrodialisi al processo come soluzione. Questo metodo offre molteplici vantaggi. Principalmente, può funzionare con elettricità rinnovabile. Inoltre, può suddividere più acqua in ioni acidi e basici, mantenendo la capacità del liquido basico di assorbire più CO2. Wilson Smith ha definito il risultato del team come “risolvere più problemi con una sola tecnologia”, e ha ragione!
Mentre è compito dei ricercatori innovare nuove soluzioni e perfezionare quelle esistenti per aumentare l’efficienza, le aziende hanno anche una responsabilità, e molte stanno facendo un ottimo lavoro nel soddisfarla. Nei segmenti seguenti, esamineremo un paio di queste aziende che hanno sviluppato soluzioni innovative ed efficienti in questo settore.
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#1. Graphyte
Graphyte si presenta come la prima e unica soluzione al mondo per la rimozione di anidride carbonica, durevole, conveniente e immediatamente scalabile. In termini di durata, Graphyte afferma che le sue soluzioni sono in grado di rimuovere l’anidride carbonica per più di mille anni.
In termini di convenienza, l’azienda rende le sue soluzioni disponibili a un costo di produzione livellato inferiore a 100 US$/tonnellata e, in termini di scalabilità, l’azienda afferma di poter raggiungere un livello in cui la rimozione di miliardi di tonnellate di carbonio è una possibilità realizzabile.
Il metodo specifico di Graphyte segue l’approccio del Carbon Casting, che sfrutta biomassa facilmente disponibile, come residui di legname e attività agricole. Graphyte essicca e comprime questa biomassa per trasformarla in blocchi di carbonio densi. Questi blocchi sono dotati di una barriera impermeabile ecologicamente sicura che garantisce una conservazione sicura in siti sotterranei all’avanguardia.
Parlando del metodo di Graphyte, Barclay Rogers, fondatore e CEO dell’azienda, ha dichiarato quanto segue:
“Il carbon casting permette alla natura di svolgere in modo efficiente il lavoro di cattura della CO2, per poi sfruttare tecniche ingegneristiche per immagazzinarla su scale temporali rilevanti per il clima. È una soluzione che può essere realizzata ovunque, che cambierà il mercato e, soprattutto, che aiuterà a salvare il pianeta.”
Il carbon casting può mantenere quasi tutto il carbonio catturato nella biomassa e consuma pochissima energia. È un processo di rimozione del carbonio a basso costo ma durevole che combina la fotosintesi con l’ingegneria pratica.
Il potenziale di Graphyte le ha permesso di guadagnare la fiducia e la credibilità della comunità degli investitori. Ha completato il suo round di finanziamento Serie A per un totale di 30 milioni di US$. Il round è stato guidato congiuntamente da Prelude Ventures e Carbon Direct Capital e ha incluso anche contributi da investitori attuali come Breathable Energy Ventures e Overture.
Mentre iniziative innovative finanziate con capitale proprio come Graphyte sono emerse con soluzioni all’avanguardia, esistono aziende pubbliche ben consolidate come Linde che hanno intrapreso la cattura del carbonio basata su adsorbimento e il recupero di anidride carbonica.
#2. Linde
La soluzione di cattura del carbonio basata su adsorbimento HISORP® CC, l’ultima aggiunta al portafoglio di cattura del carbonio di Linde, completa le sue tecnologie collaudate di adsorbimento a swing di pressione (PSA) e membrane.
La soluzione HISORP CC separa la CO2 dai gas di processo su un’ampia gamma di concentrazioni di CO2 in ingresso. Sfrutta molteplici tecnologie Linde, tra cui l’adsorbimento a swing di pressione (PSA), la separazione criogenica e la compressione, per raggiungere un tasso di cattura superiore al 99%, precisamente al 99,7%.
Uno dei maggiori vantaggi di questa soluzione è che funziona con energia derivata da fonti rinnovabili. Il processo di rigenerazione non richiede vapore, garantendo un’impronta di carbonio minima.
Inoltre, HISORP CC è una tecnologia a basso CAPEX e basso OPEX con un consumo energetico specifico minimo ed è disponibile quasi senza costi aggiuntivi per la gestione del solvente, il rifornimento e la manipolazione.
Linde ha garantito che la tecnologia rimanga ampiamente compatibile e inclusiva, in modo da poter essere combinata con l’intero spettro di soluzioni Linde, inclusi lo steam methane reforming (SMR), l’auto thermal reforming (ATR), l’ossidazione parziale (POX) o la gassificazione. È favorevole all’integrazione in impianti esistenti e nuovi per SMR, POX e ATR, anche con una produzione di idrogeno aumentata.
Nel 2023, Linde, in qualità di azienda leader globale di gas industriali e ingegneria, ha registrato vendite per 33 miliardi di US$.
Mentre le aziende sono impegnate nei loro obiettivi, l’apprendimento e lo scambio tra aziende e istituzioni di ricerca sono reciproci. Nella sezione conclusiva, esamineremo la ricerca tecnologica in questo ambito che può trasformare il futuro della cattura del carbonio rendendola più efficace ed efficiente.
Il futuro della cattura del carbonio: uno strumento con potenziale trasformativo
Nel luglio 2024, un gruppo di ricercatori ha proposto una piattaforma olistica per accelerare la cattura del carbonio basata su sorbenti. Hanno chiamato la piattaforma PrISMa, che sta per Process-Informed Design of tailor-made Sorbent Materials.
La piattaforma ha cercato di rendere più efficiente dal punto di vista del carbonio il dispiegamento su larga scala delle tecnologie di cattura del carbonio. Ha sottolineato l’importanza di raggruppare i componenti frammentati e chi li implementa sotto un unico ombrello.
Mentre in passato i chimici si concentravano sulla progettazione dei materiali e gli ingegneri sull’ottimizzazione dei processi, la piattaforma PrISMa ha integrato materiali, progettazione di processo, techno-economics e valutazione del ciclo di vita. Ha confrontato più di 60 casi di studio sulla cattura della CO2 da varie fonti in 5 regioni globali utilizzando diverse tecnologie.
Ha quindi informato simultaneamente vari stakeholder sull’efficacia dei costi delle tecnologie, le configurazioni di processo e le location. Ha anche rivelato le caratteristiche molecolari dei sorbenti più performanti e offerto spunti pratici sugli impatti ambientali, i co-benefici e i compromessi. Il risultato finale mirava a unire gli stakeholder in una fase di ricerca precoce, accelerando lo sviluppo della tecnologia di cattura del carbonio nella corsa verso un mondo a emissioni nette zero.
Gli scienziati responsabili dello sviluppo di PrISMa, Berend Smit presso l’EPFL e Susana Garcia presso la Heriot-Watt University, sono molto ottimisti riguardo all’applicabilità pratica del metodo. Secondo il Professor Berend Smit:
“Questo approccio innovativo accelera la scoperta dei materiali più performanti per la cattura del carbonio, superando i metodi tradizionali di prova ed errore.”
PrISMa ha un potenziale significativo per il futuro. Utilizzando dati sperimentali e simulazioni molecolari, può prevedere le proprietà di adsorbimento dei potenziali materiali sorbenti.
Porterebbe eventualmente la comunità degli sviluppatori a essere in grado di fare scelte informate. Le proprietà del livello di processo di PrISMa rendono possibile misurare e valutare le prestazioni delle soluzioni di cattura del carbonio, aiutando gli scienziati a calcolare parametri di performance del processo, come purezza, recupero e requisiti energetici.
Un parametro cruciale che determina il successo o il fallimento di qualsiasi soluzione scientifica o tecnologica è la sua fattibilità economica. PrISMa può valutare la fattibilità economica e tecnica di un impianto di cattura del carbonio. Infine, può valutare gli impatti ambientali sull’intero ciclo di vita dell’impianto, garantendo una sostenibilità completa.
Nel complesso, PrISMa è niente meno che rivoluzionaria o trasformativa.
Abbiamo iniziato la nostra discussione con una soluzione ampiamente adottata che si è rivelata inadeguata e autocontraddittoria. Ora, con PrISMa a disposizione della comunità scientifica, sarà possibile ideare soluzioni che siano ambientalmente efficienti, scalabili e economicamente vantaggiose fin dal giorno zero.
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