Con il combustibile solare per l'obiettivo climatico

Le analisi della mobilità mostrano: Solo una piccola parte di tutti i veicoli è responsabile della maggior parte dei chilometri percorsi. Stiamo parlando principalmente di veicoli pesanti, autisti frequenti e a lunga distanza che trasportano le loro merci in tutta Europa. Se questi molti chilometri continuano ad essere percorsi con energia fossile, difficilmente sarà possibile ridurre sufficientemente le emissioni di CO2 nel traffico stradale. I combustibili sintetici danno un contributo molto significativo a queste applicazioni.

Con l'elettromobilità, la mobilità a idrogeno e i combustibili sintetici, tre percorsi tecnologici per la riduzione di CO2 nel trasporto stradale vengono studiati nel dimostratore di mobilità dell'Empa "move" sullo sfondo di un sistema energetico in forte cambiamento. "Tutti questi concetti hanno vantaggi e svantaggi energetici, operativi ed economici. Per usarli correttamente, è necessaria una comprensione approfondita del sistema complessivo", dice Christian Bach, capo del dipartimento Sistemi di propulsione dei veicoli dell'Empa. "Insieme ai partner di 'move', stiamo sviluppando conoscenze implementabili per questo".

L'ultimo progetto ruota intorno alla produzione di metano sintetico da idrogeno e CO2 - la cosiddetta metanazione. Tali combustibili prodotti artificialmente con energia rinnovabile - chiamati synfuel o syngas - possono essere trasportati attraverso le vie convenzionali e resi disponibili attraverso l'infrastruttura esistente, il che è interessante per la Svizzera e a livello globale perché apre un enorme potenziale di energia rinnovabile.

Processo di metanazione sviluppato all'Empa

Il processo chimico di base della metanazione è noto da oltre 100 anni come reazione Sabatier. Nella "mossa", verrà utilizzato un processo che è stato ulteriormente sviluppato all'Empa: la cosiddetta metanazione potenziata dall'assorbimento. I ricercatori dell'Empa sperano che questo nuovo concetto di ingegneria di processo semplifichi il controllo del processo, aumenti l'efficienza e migliori l'idoneità al funzionamento dinamico.

La metanazione funziona come segue: Il metano (CH4) e l'acqua (H2O) sono prodotti dall'anidride carbonica (CO2) e dall'idrogeno (H2) mediante conversione catalitica. Quest'ultimo è un problema nei processi convenzionali: per separare l'acqua, sono tipicamente necessarie diverse fasi di metanizzazione in successione - con aree di condensazione in mezzo. A causa delle alte temperature, parte dell'acqua prodotta viene anche riconvertita in idrogeno dalla reazione di spostamento dell'acqua in gas. Il prodotto gassoso della reazione di metanizzazione contiene quindi una piccola percentuale di idrogeno, il che impedisce di immetterlo direttamente nella rete del gas; l'idrogeno deve prima essere nuovamente separato.

La metanazione potenziata dal sorption nella "mossa", d'altra parte, funziona in un solo stadio e riesce senza separazione di idrogeno nel gas prodotto. L'idea di fondo è questa: L'acqua di reazione è adsorbita su un supporto catalizzatore poroso durante il processo di metanazione. Questa rimozione continua di acqua sposta l'equilibrio di reazione verso una resa di metano quasi del 100%. "Il prodotto gassoso può quindi essere immesso direttamente nella rete del gas senza ulteriore purificazione e utilizzato, per esempio, per alimentare veicoli a gas", spiega Bach.

Anidride carbonica e acqua dall'aria ambiente

La CO2 per la metanazione e l'acqua per la produzione di idrogeno sono prese direttamente dall'atmosfera sul posto con un collettore di CO2 dello spin-off ETH Climeworks. Il sistema aspira l'aria ambiente e le molecole di CO2 si attaccano al materiale del filtro. Usando il calore - circa 100°C - le molecole di CO2 vengono poi staccate di nuovo dal filtro. I ricercatori dell'Empa vedono un ulteriore potenziale di ottimizzazione nel calore richiesto per questo desorbimento di CO2. "Sia la produzione di idrogeno che la metanazione generano continuamente calore di scarto", dice Bach. "Attraverso una gestione intelligente del calore, vogliamo coprire il più possibile la domanda di calore del collettore di CO2 con questo calore residuo". Oltre alla CO2, l'impianto Climeworks estrae anche l'acqua dall'aria, che viene utilizzata per la produzione di idrogeno nell'impianto di elettrolisi attraverso una linea di condensa. Ciò significa che tali piante sono concepibili anche in regioni senza approvvigionamento idrico, per esempio nei deserti (vedi riquadro).

Oltre a nuove intuizioni sugli aspetti tecnici ed energetici, le dichiarazioni sulla fattibilità economica del metano sintetico sono anche un obiettivo del progetto. "Per garantire questa prospettiva olistica, il consorzio del progetto è composto da partner che coprono l'intera catena del valore - dai ricercatori dell'Empa ai fornitori di energia, ai gestori di stazioni di rifornimento e flotte, ai partner industriali del settore tecnologico e degli impianti", dice Brigitte Buchmann, membro della direzione dell'Empa e responsabile strategico di "move". Il progetto è sostenuto dal Cantone di Zurigo, dal Consiglio dei PF, da Avenergy Suisse, Migros, Lidl Svizzera, Glattwerk, Armasuisse e Swisspower.

Attualmente, il team di Christian Bach si sta concentrando sugli studi di adsorbimento dell'acqua su materiali porosi e sul controllo di processo della reazione catalitica. L'installazione dell'impianto è prevista per la metà del prossimo anno. "Circa un anno dopo, vogliamo alimentare il primo veicolo", dice Buchmann. "Con il metano dell'energia solare".

Combustibili sintetici dal deserto?

C'è una grande sfida nel convertire il nostro sistema energetico alle energie rinnovabili: le fonti rinnovabili come il sole o il vento non sono sempre disponibili ovunque. In inverno abbiamo troppo poca elettricità rinnovabile e in estate troppa - nell'emisfero nord. Nell'emisfero sud è il contrario. Ma ci sono anche zone con sole quasi continuo - la cosiddetta fascia solare, dove si trovano i grandi deserti della terra. "Da una prospettiva globale, non abbiamo troppo poca energia rinnovabile in tutto il mondo, ma "solo" un problema di trasporto di energia", dice Christian Bach. Le fonti di energia sintetica potrebbero risolvere questo problema.

I piccoli impianti in Svizzera possono dare un contributo prezioso al sistema energetico nazionale, sfruttando l'elettricità estiva in eccesso e collegando diversi settori energetici. Le grandi piante, tuttavia, potrebbero sfruttare il loro pieno potenziale soprattutto nella fascia solare della Terra. Questo è illustrato da un esempio di calcolo: per coprire la domanda di energia della Svizzera nel semestre invernale, che non è coperta dall'energia idroelettrica, così come tutto il traffico nazionale a lunga distanza esclusivamente con fonti di energia sintetica (importata), sarebbe necessaria una centrale solare in un deserto con una superficie di circa 700 km2 ; cioè 27 x 27 km o, espresso diversamente, 0,008% della superficie del Sahara. L'acqua e la CO2 necessarie per la produzione potrebbero essere estratte localmente dall'atmosfera. "I meccanismi commerciali, le infrastrutture di trasporto, gli standard e le competenze già esistenti potrebbero essere riutilizzati nel processo", dice Bach. Quindi l'impianto nel "trasloco" potrebbe presto essere il modello per un impianto gigawatt nel deserto?

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