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Catturare il carbonio ispirandosi alla chimica delle batterie

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La Carbon Negative Initiative di Berkeley Lab sta cercando di accelerare i progressi nelle tecnologie per le emissioni negative. Credito: Thor Swift/Berkeley Lab

La necessità di tecnologie per le emissioni negative per affrontare la nostra crisi climatica è diventata sempre più chiara. Alla velocità con cui il nostro pianeta emette anidride carbonica, aggiungendo circa 50 gigatonnellate ogni anno, dovremo rimuovere l’anidride carbonica su scala gigatonnellata entro il 2050 per ottenere emissioni “nette zero”.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha riconosciuto l’urgenza della rimozione dell’anidride carbonica con il suo Carbon Negative Shot, parte della sua Energy Earthshots Initiative, con l’obiettivo di accelerare i progressi nell’energia pulita. E il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) lo sta riconoscendo con la propria Carbon Negative Initiative. Utilizzando il capitale iniziale attraverso un programma noto come LDRD, o Programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio, Berkeley Lab sta finanziando una serie di tecnologie emergenti per rimuovere e sequestrare l’anidride carbonica dall’atmosfera.

I progetti finanziati includono un approccio chimico per la cattura diretta dell’aria e la conduzione di analisi tecnico-economiche per rendere questi progetti più efficaci e praticabili. Lo scienziato del Berkeley Lab Bryan McCloskey, che è anche professore al College of Chemistry della UC Berkeley, ha deciso di utilizzare un approccio elettrochimico per catturare l’anidride carbonica. La sua tecnologia, dice, potrebbe essere meno dispendiosa dal punto di vista energetico rispetto ai sistemi attualmente in uso.

D. Che cos’è l’elettrochimica e come può essere utilizzata per catturare l’anidride carbonica?

Un modo molto semplificato per dirla è che l’elettrochimica implica reazioni che producono o consumano elettroni. I dispositivi elettrochimici più comuni includono batterie, celle a combustibile e sensori. In effetti, il mio principale obiettivo di ricerca è sulle batterie.

Quando si tratta di utilizzare metodi elettrochimici per estrarre CO2 dall’aria, questo è un campo in via di sviluppo, rispetto ai metodi più consolidati di sequestro dell’anidride carbonica, come il rimboschimento, gli agenti atmosferici e il BECCS (bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio). La comunità dell’elettrochimica sta recuperando terreno. Ma penso che ci siano grandi opportunità lì.

Ci sono persone che hanno esaminato come puoi assumere CO2 dall’aria ingegnerizzando molecole che possono reagire in modo reversibile con la CO2il che significa che possono assorbire CO2 ad una certa tensione applicata e quindi formare CO2 e a diversa tensione. Utilizzando approcci elettrochimici per CO2 la cattura può consentire all’intero processo di funzionare con elettricità rinnovabile, piuttosto che con approcci termici che si basano sulla combustione di carburante per rigenerare la CO2 adsorbire le molecole.

Il nostro progetto sfrutta la reazione spontanea tra CO2 e ioni idrossido per catturare CO2quindi utilizza metodi elettrochimici per rigenerare gli ioni idrossido dalla soluzione di bicarbonato che si forma.

D. Potresti spiegare come funzionerebbe?

Per prima cosa faresti bollire l’aria attraverso un assorbitore, nel nostro caso, una soluzione di idrossido di sodio. Il co2 reagirà per formare bicarbonato di sodio o carbonato di sodio. Quindi alimentiamo quella soluzione di bicarbonato nella nostra cella elettrochimica per la rigenerazione dell’idrossido di sodio.

In una cella elettrochimica sono necessarie due reazioni diverse che si verificano a ciascuno degli elettrodi della cella. Ad un elettrodo, ossidiamo il bicarbonato per formare un flusso pressurizzato di CO2, che può quindi essere sequestrato o utilizzato come materia prima per altri processi di conversione. All’altro elettrodo, evolviamo idrogeno gassoso, che consuma protoni per rigenerare la soluzione alcalina. La produzione di idrogeno è sicuramente un bonus del nostro schema di rigenerazione alcalina, perché è un prodotto di alto valore che può essere utilizzato come combustibile a emissioni zero.

La nostra cella elettrochimica funzionerà come un circuito chiuso con l’assorbitore, sebbene sia necessaria anche un’alimentazione d’acqua per reintegrare l’acqua che partecipa alle reazioni degli elettrodi. Quindi, stiamo essenzialmente prendendo CO2 dall’aria e concentrandola in una CO pura2 corrente e una corrente di idrogeno.

D. Qual è il vantaggio di questo tipo di sistema?

Crediamo che possa migliorare l’efficienza energetica e il costo della CO2 cattura dall’aria rispetto ad altri processi concorrenti. I metodi commerciali di cattura diretta dell’aria utilizzano metodi termici per rigenerare l’assorbente. Richiede un calore molto elevato, intorno agli 800 gradi Celsius. Questo è uno dei motivi per cui i sistemi attuali costano fino a $ 600 per tonnellata di CO2 catturato (sebbene alcune aziende abbiano pubblicato affermazioni secondo cui la loro tecnologia costa meno di $ 200 per tonnellata).

Utilizzando un calcolo approssimativo back-of-the-envelope, abbiamo stimato che, se tutto va bene, il nostro sistema può costare nell’ordine di $ 100 per tonnellata di CO2 catturato. Naturalmente, questo presuppone che troviamo materiali cellulari ideali ed economici.

D. Quindi quali sono le sfide per farlo funzionare e quanto sei sicuro che funzionerà?

Ci sono tre innovazioni che stiamo cercando. Il primo è il design della cella elettrochimica. La stabilità della cellula deve essere grande. In qualsiasi sistema elettrochimico si verifica un lento decadimento delle prestazioni operative, quindi si desidera provare a progettare un sistema robusto, che porti a un’elevata efficienza energetica e che consenta di ottenere il minor costo possibile.

La seconda è la membrana. La membrana è ciò che isola i due elettrodi della cellula l’uno dall’altro. Altrimenti, otterresti la miscelazione di idrogeno e CO2e sono molto più preziosi come flussi puri. La membrana prototipo in tali situazioni si chiama Nafion, viene utilizzata nelle celle a combustibile e in molte altre applicazioni. Nafion ha ottime prestazioni, ma è molto costoso, quindi non è pratico da usare su larga scala. Dobbiamo progettare una membrana più conveniente.

Terzo, abbiamo bisogno di un catalizzatore appropriato per il bicarbonato in CO2 reazione. Un ottimo catalizzatore significa che hai una velocità di reazione davvero elevata se applichi una piccola tensione alla superficie dell’elettrodo.

Sono molto fiducioso che saremo in grado di far funzionare il nostro schema di rigenerazione alcalina proposto. Il problema sarà sempre: come funziona rispetto ad altre tecnologie in fase di sviluppo? È solo questione di arrivare a quei $ 100 per tonnellata di CO2, o è da qualche parte più vicino a $ 1.000 per tonnellata, il che non lo renderebbe competitivo? Quindi, queste sono le domande che dobbiamo tenere nella parte posteriore della nostra mente.

Fare questo progetto al Berkeley Lab ci dà molti vantaggi. Abbiamo esperti in tutte queste diverse aree, come la tecnologia delle membrane, la simulazione e la modellazione molecolare e l’elettrocatalisi. LiSA (la Liquid Sunlight Alliance) ha molte conoscenze accumulate nel tempo. L’Advanced Light Source è una capacità che ci consente di comprendere in dettaglio le interazioni molecolari: questo è un enorme vantaggio che abbiamo qui al Berkeley Lab rispetto a qualsiasi altro luogo. Quindi, penso che siamo in una posizione unica grazie alla nostra vasta esperienza in una varietà di aree diverse per realizzare un dispositivo come questo.


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