Scienziati e ricercatori di tutto il mondo stanno esplorando instancabilmente metodi per sfruttare l'anidride carbonica presente nell'atmosfera o nelle emissioni delle centrali elettriche e trasformarla in una risorsa preziosa. Tra questi sforzi, gli ingegneri del MIT e di Harvard hanno trasformato la CO2 in un combustibile efficiente, in grado di sostituire i combustibili fossili in diverse applicazioni. I precedenti metodi di conversione presentavano problematiche quali la bassa efficienza in termini di emissioni di carbonio e la produzione di combustibili pericolosi. Si prevede che il nuovo processo sarà più efficiente su larga scala.
Ricercatori del MIT e dell'Università di Harvard hanno compiuto una svolta significativa creando un processo efficiente in grado di trasformare l'anidride carbonica in formiato. Questo straordinario risultato apre la strada all'utilizzo del formiato come materiale versatile, in forma liquida o solida, che può essere impiegato, al pari del metanolo o dell'idrogeno, per alimentare le celle a combustibile e generare elettricità.
Il nuovo processo è stato sviluppato dal team di dottorandi del MIT Alexander H. Quinn , Zhen Zhang e Zhichu Ren, insieme a Dawei Xi, uno studente dell'Università di Harvard, e al professor Ju LI del MIT.
Il formiato di sodio, comunemente noto come formiato di potassio, viene già prodotto su scala industriale. È utilizzato principalmente come disgelante per marciapiedi e strade. Non è infiammabile né tossico, inoltre è facile da immagazzinare e trasportare. Si mantiene stabile in normali serbatoi d'acciaio, dove può essere utilizzato per mesi. Talvolta, il materiale viene impiegato anche a distanza di anni dalla sua produzione.
Informazioni sul processo
L' intero processo consiste nella cattura e nella conversione elettrochimica del gas in una polvere solida di formiato. Su piccola scala, in laboratorio, il team ha dimostrato il processo trasferendo questa polvere in una cella a combustibile per generare elettricità.
Secondo il professor Li, altri approcci per convertire l'anidride carbonica in combustibile prevedono un processo in due fasi. Essi sono:
- Per catturare e convertire il gas in carbonato di calcio, una forma solida. Quindi, in seguito, il materiale viene riscaldato e in questo processo viene rimossa l'anidride carbonica. Dopodiché viene convertito in una materia prima combustibile come il monossido di carbonio.
- Il secondo passaggio non è molto efficiente. Di solito converte meno del 20% dell'anidride carbonica gassosa nel prodotto desiderato.
La cattura e la conversione del carbonio è un processo che inizia con la cattura dell'anidride carbonica utilizzando una soluzione alcalina. Questa soluzione concentra l'anidride carbonica proveniente da diverse fonti, come centrali elettriche o persino l'aria, trasformandola in una forma liquida di bicarbonato metallico.
Grazie all'utilizzo di un elettrolizzatore a membrana a scambio cationico, il bicarbonato viene trasformato elettrochimicamente in cristalli solidi di formiato. L' efficienza del carbonio, superiore al 96%, è stata convalidata attraverso rigorosi esperimenti di laboratorio condotti dal team.
Secondo il professor Li, i cristalli non scadono e possono essere conservati per molti anni senza subire perdite. Al contrario, anche i migliori serbatoi di stoccaggio di idrogeno attualmente disponibili presentano perdite di gas a un ritmo di circa l'1% al giorno. Ciò ne rende impossibile l'utilizzo per lo stoccaggio a lungo termine.
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Alto tasso di conversione
Al contrario, il nuovo processo raggiunge un tasso di conversione superiore al 90% , superando il metodo precedente. Inoltre, elimina la necessità della fase di riscaldamento inefficiente trasformando l'anidride carbonica in una forma intermedia altamente efficiente nota come bicarbonato di metallo liquido.
Il liquido viene successivamente trasformato in formiato di potassio o di sodio liquido tramite conversione elettrochimica in un elettrolizzatore alimentato da energia elettrica a basse emissioni di carbonio, come energia nucleare, eolica o solare.
Diverse forme di formiato
Secondo il professor Li, la soluzione di formiato di potassio o di sodio, altamente concentrata, può essere successivamente essiccata per ottenere una polvere solida. Questo processo può essere realizzato tramite metodi come l'evaporazione solare . La polvere risultante è eccezionalmente stabile e può essere conservata in sicurezza in serbatoi d'acciaio standard per lunghi periodi, anche di anni o decenni.
Gli ingegneri del MIT e di Harvard hanno trasformato la CO2 in un combustibile efficiente e il successo di questo processo ha ispirato i ricercatori a renderlo scalabile, in modo da poter produrre calore a zero emissioni e alimentare le singole abitazioni. Inoltre, può essere utilizzato per reti elettriche su larga scala o in ambito industriale.
Secondo il professor Li, lo sviluppo di numerose tecniche di ottimizzazione da parte del team ha svolto un ruolo fondamentale nel trasformare un processo di conversione chimica inefficace in una soluzione praticabile. Il professor Li, che ricopre posizioni sia nei dipartimenti di Scienze e Ingegneria Nucleare che di Scienze e Ingegneria dei Materiali, sottolinea l'impatto significativo ottenuto attraverso queste fasi di ottimizzazione.
Successivamente, quando necessario, la polvere solida verrebbe miscelata con acqua e introdotta in una cella a combustibile per produrre sia energia elettrica che calore. "Questo sistema è pensato per dimostrazioni a livello comunitario o domestico, ma crediamo che in futuro possa essere utile anche per le fabbriche o per la rete elettrica", ha affermato Zhang.
Mentre il metanolo è una sostanza tossica che presenta problematiche in termini di sicurezza, il formiato si configura come un'alternativa valida e più sicura per la trasformazione dell'anidride carbonica in un combustibile adatto alle celle a combustibile. Gli standard di sicurezza nazionali riconoscono il formiato come un'opzione ampiamente utilizzata e innocua , che fornisce una soluzione affidabile senza compromettere il benessere delle persone in caso di potenziali perdite.
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I passaggi che portano al successo
L'efficienza di questo processo è notevolmente migliorata grazie a diversi miglioramenti.
- In primo luogo, una progettazione ben ponderata dei materiali della membrana e della loro disposizione ha risolto un problema riscontrato nei precedenti tentativi di realizzare questo sistema.
- In questi casi, l'accumulo di specifici sottoprodotti chimici altererebbe il pH, determinando un graduale calo dell'efficienza nel tempo.
Zhang afferma: "Tradizionalmente, è difficile ottenere una conversione continua, stabile e a lungo termine delle materie prime. La chiave del nostro sistema è raggiungere un equilibrio del pH per una conversione in condizioni stazionarie."
Per raggiungere questo obiettivo , i ricercatori hanno condotto una modellazione termodinamica al fine di ideare un nuovo processo in grado di mantenere l'equilibrio chimico e un pH stabile, senza fluttuazioni di acidità. In questo modo, il sistema può operare con un'efficienza ottimale per periodi prolungati.
Il sistema è stato testato per oltre 200 ore e la produzione non ha subito cali significativi. Il processo può essere effettuato a temperatura ambiente e a pressioni relativamente basse, circa cinque volte la pressione atmosferica.
Un ulteriore problema era la produzione di sottoprodotti chimici che non erano utili a causa di reazioni collaterali indesiderate. Tuttavia, il team ha risolto questo problema introducendo uno strato extra, fatto di lana di fibra di vetro arricchita di bicarbonato, che ha impedito queste reazioni.
Inoltre, il team ha sviluppato una cella a combustibile specificamente progettata per utilizzare in modo efficiente questo combustibile a base di formiato per la generazione di elettricità. Le particelle di formiato immagazzinate si dissolvono facilmente in acqua e vengono poi iniettate senza soluzione di continuità nella cella a combustibile ogni volta che è necessario.
Secondo Li, sebbene il combustibile solido sia significativamente più pesante dell'idrogeno puro, tenendo conto del peso e delle dimensioni dei serbatoi di gas ad alta pressione necessari per immagazzinare l'idrogeno, il risultato complessivo è una produzione di energia elettrica pressoché equivalente per un dato volume di stoccaggio.
Varie potenziali applicazioni del formiato
Secondo i ricercatori, il formiato, un combustibile, ha il potenziale per essere personalizzato per una vasta gamma di scopi, dalle piccole unità domestiche alle grandi applicazioni industriali o ai sistemi di stoccaggio su scala di rete. A livello domestico, un elettrolizzatore delle dimensioni di un frigorifero potrebbe essere utilizzato per catturare e convertire l'anidride carbonica in formiato, che può poi essere immagazzinato in un serbatoio sotterraneo o sul tetto.
Gli ingegneri del MIT e di Harvard hanno trasformato la CO2 in un combustibile efficiente e Ted Sargent , professore di chimica e di ingegneria elettrica e informatica alla Northwestern University , che non ha partecipato a questo studio, ha affermato: "L'economia del formiato è un concetto intrigante perché i sali di formiato metallico sono molto innocui e stabili, e rappresentano un vettore energetico promettente. Gli autori hanno dimostrato una maggiore efficienza nella conversione liquido-liquido da bicarbonato a formiato e hanno dimostrato che questi combustibili possono essere successivamente utilizzati per produrre elettricità".
Fonte : Gli ingegneri sviluppano un processo efficiente per produrre carburante dall'anidride carbonica
