Emissioni cicliche – Creare metano dal diossido di carbonio

Un nuovo processo che consente agli scienziati di creare metano dal diossido di carbonio potrebbe rivoluzionare il mercato, permettendo ai produttori di creare sistemi di carbonio a ciclo chiuso. Il processo utilizza l’elettrochimica e modelli matematici avanzati per convertire direttamente la CO₂ catturata in metano utile. Ecco cosa c’è da sapere.

Il diossido di carbonio è un gas serra nocivo che è una delle principali cause del riscaldamento globale e di altri problemi ambientali. Gli scienziati hanno ideato numerosi metodi per contrastare gli effetti del CO2 sull’ambiente. Dalla riduzione delle emissioni, alla promozione di energia pulita, fino all’istituzione di tasse sul carbonio, l’obiettivo è sempre stato quello di diminuire gli effetti dannosi del CO2.

Sistemi di cattura del carbonio

Il concetto di cattura del carbonio è diventato più popolare negli ultimi 5 anni. Questi sistemi rimuovono la CO2 dall’atmosfera e la immagazzinano. Esistono molti modi in cui gli ingegneri hanno realizzato questo compito. La maggior parte utilizza qualche reazione chimica per isolare la CO2 da altri gas e poi convertirla in altre sostanze chimiche di valore.

Questi concetti si sono dimostrati efficaci ma sono ancora nelle loro fasi infantili, con la maggior parte ancora costosa e priva di scalabilità. Perché questa tecnologia abbia un impatto reale, dovrà essere scalata a livello industriale, consentendo di fornire i migliori risultati per la comunità.

Processo a più fasi

Un altro grande ostacolo alle forme più comuni di cattura del carbonio odierne è che possono richiedere più fasi. Ogni fase può richiedere tempo e processi molto specifici. Nella maggior parte dei casi, il primo passo è catturare e raccogliere la CO2. Da lì, ogni sistema esegue il proprio processo per completare la conversione. Ogni reazione chimica aggiunge tempo, complessità e costi complessivi.

Sostanze chimiche pericolose

Molte delle opzioni di cattura del carbonio più popolari sul mercato attuale si basano su reazioni chimiche. Questi sistemi producono sottoprodotti nocivi che riducono leggermente i benefici. Le sostanze chimiche pericolose devono essere immagazzinate, trasportate e smaltite in modo specifico, aumentando il costo complessivo per libbra di carbonio catturato.

Studio sulle emissioni cicliche

Un recente studio pubblicato nel Journal of the American Chemical Society intitolato “Integrated Carbon Dioxide Capture by Amines and Conversion to Methane on Single-Atom Nickel Catalysts”¹ approfondisce una nuova metodologia che riduce i requisiti energetici e potrebbe essere autoalimentata. Lo studio descrive un metodo che converte in modo sicuro la CO2 in metano.

Fonte – Journal of the American Chemical Society

Questo sviluppo è una pietra miliare importante, poiché il diossido di carbonio è uno dei principali sottoprodotti della combustione del metano. Gli scienziati hanno a lungo cercato di creare un ciclo del carbonio chiuso. Questo termine si riferisce a un sistema che può sfruttare i propri sottoprodotti per continuare le operazioni. In particolare, il documento descrive come hanno ottenuto con successo la conversione del carbammato in metano.

Nel documento, la CO2 è stata catturata utilizzando una soluzione di lavaggio a base di ammine. Il carbammato è stato poi introdotto attraverso un catalizzatore a base di nichel, che presentava atomi di nichel disposti in uno schema specifico basato su modelli matematici avanzati.

Test delle emissioni cicliche

Per verificare se la conversione fosse completa, gli ingegneri hanno impiegato una varietà di strumenti di ricerca avanzati, tra cui una spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e una microscopia elettronica (EM). Questi dispositivi hanno mostrato che la conversione è stata completata con successo e la CO2 è stata trasformata in metano.

Gli ingegneri hanno sfruttato calcoli di teoria funzionale della densità (DFT) come parte del loro approccio. Questi modelli hanno permesso di prevedere meglio, mappando la disposizione e la distribuzione ottimale degli elettroni. Inoltre, gli ingegneri hanno integrato un modello di elettrodo di idrogeno computazionale (CHE) per calcolare le energie libere di reazione. È stato anche fondamentale per determinare i passaggi esatti di trasferimento di elettroni accoppiati a protoni coinvolti in ciascuna reazione.

Risultati delle emissioni cicliche

I risultati hanno dimostrato che il nichel a singolo atomo (Ni) disperso sull’oro (Au) ha prodotto CH4 come prodotto principale. Ha mostrato che il team è riuscito a convertire la CO2 in metano e a tracciare ogni fase del processo. L’obiettivo ora è migliorare l’efficienza per massimizzare la produzione di energia di ogni ciclo chiuso.

Benefici delle emissioni cicliche

Questa ricerca porta diversi benefici al mercato. In primo luogo, il nuovo metodo semplifica la cattura e la conversione del carbammato in un prodotto utile, il metano. Il processo è rapido e non genera sottoprodotti nocivi o inutili. Inoltre, non richiede enormi quantità di elettricità.

Bassa energia

Secondo i ricercatori, questo nuovo metodo offre i requisiti energetici più bassi possibili per chi cerca la cattura e la conversione del carbonio. Le reazioni elettrochimiche sono efficienti e meno costose rispetto alle alternative e possono essere eseguite in loco.

Processo a singolo passo

Un altro vantaggio di questo nuovo metodo di cattura e conversione del carbonio è che combina ogni fase in un unico processo. In modo unico, il carbonio viene catturato e convertito in un solo passo. Questo approccio riduce la complessità, migliora la stabilità e offre una trasparenza molto maggiore.

Ricercatori

Tomaz Neves-Garcia ha guidato lo studio condotto presso la Ohio State University. Inoltre, Quansong Zhu, Robert Baker, Liane M. Rossi, Mahmudul Hasan, Robert E. Warburton, Jing Li e Hailiang Wang della Yale University sono elencati come coautori dello studio. Ora il team cerca di scalare il proprio processo per servire il settore industriale.

Aziende che potrebbero beneficiare della ricerca sulle emissioni cicliche

Diversi aziende potrebbero migliorare il loro risultato netto se integrassero questa ricerca nei loro modelli di business. Queste aziende operano già nell’ecosistema della cattura del carbonio o del gas naturale e hanno investito notevoli energie e risorse per creare prodotti unici a supporto di questo mercato.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

Air Products and Chemicals Inc (APD ) è stata fondata a Detroit, Michigan, nel 1940 da un imprenditore locale di nome Leonard Parker Pool. All’epoca, l’azienda si concentrava sulla produzione di piccoli generatori per l’uso durante la Seconda Guerra Mondiale. Dopo la fine della guerra, l’azienda si è impegnata ad ampliare la sua offerta di prodotti.

Negli ultimi 80 anni, Air Products and Chemicals Inc. è diventata un fornitore di gas riconosciuto a livello globale. L’azienda ha una storia vivace nei mercati statunitensi e internazionali. La sua attenzione al servizio e a una clientela di grandi imprese ha aiutato l’azienda a garantire ritorni enormi e a espandere le operazioni.

Air Products and Chemicals Inc. ha ricevuto numerosi riconoscimenti nel suo percorso per diventare una delle opzioni più popolari per i produttori alla ricerca di gas metano. Nel 2008 è stata inserita nel Dow Jones Sustainability North America Index come azione ad alte prestazioni.

Oggi, APD mostra forti guadagni YTD grazie a una combinazione di fattori, tra cui miglioramenti nei suoi processi, una gestione aziendale intelligente e l’aumento dell’uso del metano. Se APD potesse integrare questa tecnologia nel suo modello di business, potrebbe ridurre significativamente i costi di produzione. Attualmente, APD ha una capitalizzazione di mercato di 73,961 miliardi di dollari e sta registrando guadagni positivi per l’anno.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

L’azienda canadese di riduzione dell’impatto chimico, Delta CleanTech Inc., è entrata nel mercato con l’obiettivo di migliorare la tecnologia di cattura del carbonio attuale. L’azienda ha rapidamente guadagnato notorietà grazie alle sue caratteristiche e servizi unici. Le imprese possono sfruttare l’expertise di Delta CleanTech per ridurre le loro emissioni di CO2 e altri inquinanti nocivi.

L’azienda dispone di diversi prodotti di impatto disponibili oggi. Ad esempio, il Delta Reclaimer consente alle aziende di purificare i solventi. Inoltre, l’azienda offre attualmente un prodotto chiamato MethanatorRX che può rompere in modo sicuro il metano in prodotti innocui. L’azienda offre anche un servizio CarbonRX che permette alle imprese di massimizzare l’uso dei loro crediti di carbonio.

Altri sistemi di cattura del carbonio da conoscere

Fortunatamente, i ricercatori dell’Ohio State dietro lo studio sulle emissioni cicliche non sono soli nella loro missione di salvare l’ambiente riducendo la CO2. Ecco alcuni altri metodi interessanti che hanno il potenziale di ridurre significativamente le emissioni di CO2 in futuro.

Reattore elettrochimico

Un team di ingegneri guidato dalla RICE University ha introdotto il primo dispositivo al mondo di cattura diretta dell’aria a temperatura ambiente. Questo reattore può catturare direttamente il carbonio dall’aria senza lasciare sottoprodotti. Come il team dell’OSU, il loro processo elettrochimico elimina i sorbetti a base di ammine come l’idrossido di sodio e di potassio.

Curiosamente, il sottoprodotto di questo processo è risultato essere l’idrogeno, un’altra sostanza chimica molto utile che può alimentare gli stessi processi. Inoltre, l’eliminazione del calore e di ulteriori sostanze chimiche migliora la sostenibilità di questo approccio e lo rende universalmente applicabile.

Futuro

Il futuro della tecnologia di cattura del carbonio è promettente. Questi sistemi hanno attirato l’attenzione nella lotta contro l’inquinamento. L’approccio unico del team e la capacità di creare metano dalla CO2 è rivoluzionario su molti livelli. In primo luogo, aiuta gli scienziati a comprendere meglio i vantaggi e gli svantaggi dei sistemi a ciclo chiuso e come migliorare queste aree per potenziare le prestazioni.

Conclusione sulle emissioni cicliche

Bisogna riconoscere il lavoro del team dell’OSU dietro questa ricerca. Gli scienziati hanno sognato di chiudere il ciclo del carbonio in modo che possa risultare vantaggioso per tutti. Ora, l’inquinamento può essere riciclato in energia, e il ciclo delle emissioni inizia. Pertanto, ci si può aspettare un’attenzione maggiore alla cattura della CO2, insieme a politiche e campagne di riduzione termica.

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Riferimento allo studio:

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). Cattura integrata del diossido di carbonio da ammine e conversione in metano su catalizzatori di nichel a singolo atomo. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}