La CO2 può diventare una risorsa preziosa
In un nuovo studio, i ricercatori del Paul Scherrer Institute (PSI) mostrano che l'elettrolisi di CO2 può essere redditizia e contribuire alla protezione del clima. In questo processo, l'anidride carbonica viene catturata dall'atmosfera o nel luogo in cui viene prodotta, per esempio nella produzione industriale. La successiva conversione tramite cella elettrolitica lo rende poi utilizzabile per l'industria chimica.
Una delle più grandi sfide del nostro tempo è ridurre la concentrazione di anidride carbonica (CO2) e altri gas a effetto serra nell'atmosfera. Questo è l'unico modo per fermare il cambiamento climatico. Per fare questo, non è solo necessario ridurre rapidamente le emissioni dell'industria, dei trasporti e delle famiglie. Per raggiungere in tempo gli obiettivi climatici concordati - come mostrano molte analisi - dobbiamo anche aggiungere attivamente CO2 o intercettarlo alla fonte per renderlo innocuo.
Una domanda importante è: cosa succede poi a questo gas serra? Una possibilità è quella di rinchiuderlo, per così dire. Questo viene già fatto nei cosiddetti progetti CCS (Carbon Capture and Storage) e la CO2 pompato in depositi sotterranei come il gas naturale esaurito o i depositi di sale. L'altra opzione è quella di usare la CO2 come materia prima - chiamato CCU (Carbon Capture and Utilisation). Può essere usato direttamente come agente estinguente, refrigerante o fertilizzante. Più gratificante, tuttavia, è il suo uso come materia prima per altri prodotti.
Studi precedenti del PSI, tra gli altri, hanno dimostrato che i prodotti monossido di carbonio (CO) e acido formico (HCOOH) sono particolarmente promettenti perché possono essere prodotti abbastanza facilmente dall'anidride carbonica: insieme all'acqua per elettrolisi. L'acido formico è usato, per esempio, come agente antireumatico in medicina o come agente mordente e impregnante nell'industria tessile e del cuoio. Il monossido di carbonio, per esempio, è necessario come agente riducente nella fusione dei minerali - ma soprattutto può essere usato insieme all'idrogeno per produrre combustibili sintetici. E questi sono considerati molto promettenti per il futuro, poiché possono sostituire il diesel, la benzina e la paraffina da fonti fossili ed emettere CO2-neutro.
Il PSI sta facendo molte ricerche in questo campo: insieme all'Empa, l'Istituto di ricerca sui materiali e la tecnologia del settore dei PF, all'inizio di quest'anno ha lanciato l'iniziativa SynFuels, che è finanziata dal Consiglio dei PF. Inoltre, il PSI ha giocato un ruolo di primo piano nel centro di competenza federale per la ricerca sull'immagazzinamento dell'elettricità e del calore (SCCER Heat and Electricity Storage). Entrambe le iniziative hanno reso possibile la ricerca del presente studio.
Come parte dello studio, i ricercatori del PSI, insieme a colleghi internazionali, hanno ora studiato se l'elettrolisi di CO2 a CO o HCOOH può essere gestito in modo economicamente redditizio e se produce più CO2 di quanto genera se stesso attraverso le sue necessità energetiche. In altre parole, il processo può fare soldi e allo stesso tempo agire come un'emissione di CO2-L'affondamento protegge il clima?
Simulazione di sei diverse fabbriche di elettrolisi
In primo luogo, i ricercatori guidati dal primo autore Bernhard Pribyl-Kranewitter - uno studente di dottorato presso il laboratorio di elettrochimica del PSI durante lo studio - hanno setacciato la letteratura scientifica per i dati sui sistemi di elettrolizzatori a bassa temperatura più efficienti che producono CO e HCOOH. "Abbiamo selezionato i quattro migliori progetti per la produzione di monossido di carbonio - compreso uno sviluppo interno brevettato da PSI - e i due migliori progetti per la produzione di acido formico", spiega Pribyl-Kranewitter. I ricercatori hanno poi costruito e modellato virtualmente impianti elettrochimici su larga scala per la produzione delle due sostanze chimiche per le rispettive architetture cellulari. "Abbiamo usato un software di simulazione, in parte molto complesso, per poter rappresentare il più realisticamente possibile le prestazioni delle celle su scala industriale".
Nelle loro simulazioni, i ricercatori hanno eseguito due scenari: Il primo era basato sulla tecnologia attuale e presupponeva 75 tonnellate di produzione di CO o HCOOH al giorno. Il secondo scenario, ottimista, postula che la tecnologia migliorerà nei prossimi anni e che si faranno progressi in alcuni parametri importanti e nella possibile produzione totale. Ha simulato 100 tonnellate al giorno. Entrambi gli scenari presuppongono una durata di vita di 25 anni per gli impianti.
Il risultato delle simulazioni: L'acido formico può essere prodotto con profitto in entrambi gli scenari nelle cosiddette celle a microfluido. Tuttavia, la sua produzione causa più CO2 di quanto consuma. Ciò è dovuto principalmente al consumo di energia relativamente alto: l'acido formico è prodotto come liquido in soluzione con l'acqua e deve essere separato con un processo ad alta intensità energetica per poterlo utilizzare. Allo stesso tempo, meno CO2 che per la stessa quantità di monossido di carbonio. L'attuale mix elettrico dell'UE, più della metà del quale è ancora basato sui combustibili fossili, produce 235 grammi di CO2 per kilowattora. Come la CO2-La produzione di acido formico potrebbe servire solo come lavandino ad un valore inferiore a 137 grammi per chilowattora. In altre parole, la quota di energie rinnovabili deve aumentare considerevolmente prima che l'elettrolisi di CO2 all'acido formico ha un effetto positivo sul clima.
Il monossido di carbonio ha già il potenziale per diventare un CO2-Lavello
Nella produzione di monossido di carbonio nei sistemi di celle alcaline comunemente usati per questo scopo, un valore inferiore a 346 grammi per chilowattora è già sufficiente perché il prodotto è prodotto come un gas e può essere facilmente separato. "La produzione di monossido di carbonio ha quindi già il potenziale per ridurre le emissioni di CO2-sink", dice il leader del progetto Thomas Justus Schmidt, capo dell'area di ricerca Energia e Ambiente al PSI. "E questo diventa ancora più grande quanto più aumenta la quota di energie rinnovabili nel mix elettrico". Tuttavia, il monossido di carbonio non potrebbe essere prodotto con profitto con nessuna architettura di cella nello scenario di base, anche se la cella di elettrolisi sviluppata al PSI ha raggiunto il più alto potenziale qui. Nello scenario ottimista, invece, tutte e quattro le architetture sono state in grado di ottenere un risultato positivo, e quella di PSI è stata addirittura migliore di una delle cellule per la produzione di acido formico. "Anche se questi risultati sono già positivi, il potenziale economico della nostra architettura cellulare non è ancora esaurito", dice Pribyl-Kranewitter. Inoltre, i ricercatori sperano che i costi dei catalizzatori e delle membrane diminuiscano.
"Il risultato dello studio è molto promettente", sottolinea Schmidt. La produzione di monossido di carbonio ha mostrato un miglioramento medio del 22% nello scenario ottimista rispetto alla produzione di acido formico. Ciò significa che se la tecnologia si sviluppa ulteriormente e i prezzi diventano più economici come previsto, il monossido di carbonio ha il maggior potenziale per un uso economico ed ecologico dell'anidride carbonica a conti fatti. "La sua produzione può dare un contributo importante alla svolta energetica, poiché è una cosiddetta tecnologia a emissioni negative", dice Schmidt. Soprattutto perché il mercato qui è molto più grande di quello dell'acido formico. La produzione globale di CO nel 2015 era di 210 gigatonnellate, mentre quella di HCOOH nel 2019 era solo 0,76 megatonnellate, una mera frazione. "Dovremmo quindi concentrarci sull'ulteriore sviluppo delle emissioni di CO2-elettrolisi per la produzione di monossido di carbonio", raccomanda Schmidt. "E perseguire l'acido formico come alternativa".
