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Combattere il cambiamento climatico con le tecnologie di cattura e utilizzo del carbonio

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Il mese scorso l’amministrazione Biden-Harris ha svelato piani ambiziosi per ridurre le emissioni di carbonio attraverso una produzione pulita che include investimenti federali per oltre 12 miliardi di dollari in tecnologie di cattura, utilizzo e sequestro del carbonio. Queste tecnologie prelevano il carbonio dall’atmosfera e lo convertono in utili prodotti industriali o lo immagazzinano in modo permanente.

La Casa Bianca sta scommettendo molto su queste tecnologie emergenti per limitare il riscaldamento globale e combattere il cambiamento climatico. Qui, due professori del Marlan e del Rosemary Bourns College of Engineering della UC Riverside spiegano come funziona la cattura del carbonio, le attuali limitazioni e gli usi commerciali del carbonio recuperato.

Mihri Ozkan, professore di ingegneria elettrica e informatica e professore di Climate Action Campion dell’UCR, sta sviluppando tecnologie per l’energia pulita. Il suo lavoro più recente si concentra sulla cattura diretta dell’anidride carbonica nell’aria e sulle batterie avanzate per le reti intelligenti e i veicoli elettrici.

Kandis Leslie Abdul-Aziz è un assistente professore di ingegneria chimica e ambientale la cui ricerca si concentra sulla creazione di un’economia circolare convertendo i prodotti di scarto, compreso il carbonio recuperato, in combustibili e preziosi prodotti chimici industriali.

Che cos’è la cattura diretta dell’anidride carbonica (CO2)?

Ozkan: La cattura del carbonio funziona separando CO2 dai gas di scarico emessi da centrali a carbone e altri scarichi di stabilimenti industriali o direttamente dall’atmosfera.

Come funziona la tecnologia di cattura diretta dell’aria, o DAC,?

Ozkan: Attualmente, ci sono due metodi. Un metodo utilizza la chimica del solvente liquido per catturare la CO2 come carbonato di calcio. Un’altra classe di materiali per la cattura del carbonio sono i sorbenti solidi, materiali che assorbono altri materiali, che di solito sono funzionalizzati con ammine o hanno affinità naturali per la CO2.

Gli impianti DAC utilizzano ventilatori per raccogliere e far passare l’aria attraverso il sorbente. Un secondo processo separa il CO2 dal assorbente per lo smaltimento o il riciclaggio. L’uso di ventilatori e le successive fasi di rigenerazione sono ad alta intensità energetica. A seconda della fonte di alimentazione utilizzata (solare, eolica, geotermica, ecc.), questa fase è la fase più costosa della tecnologia DAC.

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Come viene catturato il CO2 convertiti in prodotti industrialmente utili?

Abdul-Aziz: La cattura e l’utilizzo del carbonio, o CCU, è lo sviluppo di tecnologie in grado di catturare la CO2 direttamente dall’aria o dai fumi e convertire la CO catturata2 in prodotti chimici e combustibili.

Le strategie più comuni per la cattura e l’utilizzo del carbonio utilizzano la conversione termica, la conversione elettrochimica o la fotoconversione per trasformare la CO catturata2 in prodotti chimici di base, prodotti della chimica fine e polimeri. Tuttavia, esiste un numero limitato di processi commerciali, di cui il più notevole è la produzione di urea utilizzando CO2 e ammoniaca.

Cosa sta facendo il tuo laboratorio per migliorare la tecnologia o l’utilizzo della cattura del carbonio?

Abdul-Aziz: Il mio laboratorio sviluppa la tecnologia per la CO integrata2 cattura e conversione, o ICCU, schemi in cui i catalizzatori eterogenei (come nanoparticelle di nichel, palladio e rame) sono accoppiati con un assorbente solido (zeoliti, strutture metalliche organiche, ossidi metallici) per rimuovere efficacemente la CO2 direttamente dall’aria o dai fumi e convertirlo in gas naturale rinnovabile (metano) o etano ed etilene. Questa nuova ricerca è supportata da un NSF CAREER Award.

Ozkan: Ho co-organizzato la Conferenza sulle tecnologie di mitigazione dei cambiamenti climatici per discutere lo stato e i progressi nelle tecnologie DAC al Meeting autunnale della Materials Research Society a Boston lo scorso anno. Il personale di alto livello degli impianti DAC operativi ha partecipato a questa conferenza. Ho anche pubblicato diversi articoli di revisione e commenti recenti sulle tecnologie DAC e sulla loro fattibilità.

Quali sono alcune sfide che devono essere superate per la cattura e l’utilizzo del carbonio per realizzare il suo pieno potenziale?

Abdul Aziz: CO2 è una molecola termicamente stabile che è anche cineticamente inerte. In altre parole, ci vuole una notevole quantità di energia per attivare la CO2 molecola per formare i mattoni per i prodotti desiderati. Tipicamente, i catalizzatori eterogenei utilizzati hanno stabilità e durata limitate. Per diventare industrialmente validi, questi catalizzatori devono essere stabili per anni, non giorni o settimane come nel caso della tecnologia attuale. La maggior parte delle strategie CCU iniziano combinando la CO catturata2 con idrogeno rinnovabile dall’elettrolisi dell’acqua per produrre metanolo e monossido di carbonio. Tuttavia, una sfida particolare con questa reazione sono le basse rese di prodotti più utili che contengono due o più atomi di carbonio, come l’etilene. L’etilene è utilizzato dall’industria chimica come elemento costitutivo principale per prodotti chimici, vernici, imballaggi e combustibili. La riuscita implementazione della CCU per produrre rese elevate di etilene e altri prodotti con più di un atomo di carbonio migliorerà la probabilità di implementazione industriale e sostituirà gli attuali processi che producono gas serra.

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Ozkan: L’elevata richiesta di energia delle tecnologie DAC comporta costi operativi di circa $ 200-600 per tonnellata di CO2. Il DAC è economicamente conveniente quando costa meno di $ 100 per tonnellata di CO2. Sono necessari miglioramenti in tutte le fasi del processo DAC per ridurre i costi.

La cattura del carbonio è in grado di ridurre le emissioni di gas serra abbastanza da rallentare o addirittura fermare il cambiamento climatico?

Abdul-Aziz: le strategie che combinano la cattura e l’utilizzo del carbonio, o CCU, con la cattura e lo stoccaggio del carbonio, CCS, dovrebbero essere sufficienti per ridurre le emissioni di gas serra. Il bello di CCU è che questo campo si sta concentrando su un’economia a zero emissioni nette, dove invece di utilizzare combustibili fossili per realizzare prodotti per le nostre esigenze sociali, utilizzeremo CO2 come elemento costitutivo principale di questi materiali.

Ozkan: Oltre alla riduzione delle emissioni complessive di carbonio, la rimozione del carbonio che è già nell’atmosfera è ora un obiettivo importante, soprattutto dopo le discussioni globali durante la Conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici del 2021, o COP26. Nella precedente riunione di Parigi, limitare il riscaldamento globale al di sotto dei 2°C, preferibilmente a 1,5°C, rispetto ai livelli preindustriali, è stato definito come obiettivo globale. Per raggiungere questo obiettivo, tutti i tipi di tecnologie a emissioni negative devono essere messe in funzione, compreso il DAC.


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