Cattura e Stoccaggio della CO2: ecco come il MIT ha reso il processo efficiente e poco dispendioso

Per quanto si possano (e debbano) ridurre le emissioni di CO2 legate alle attività umane, alcuni settori saranno sempre grandi emettitori di anidride carbonica; sono i cosiddetti "hard to abate" [ndr "difficili da abbattere"], come le acciaierie, e, in generale, l'industria pesante.

Per non lasciare nessuno indietro, la ricerca si sta concentrando anche nel cercare un modo efficiente e soprattutto economicamente sostenibile per catturare la CO2 e stoccarla, o convertirla in altro, prima che raggiunga l'atmosfera e aumenti l'effetto serra.

Al momento le tecnologie sperimentali sono progettate per catturare le emissioni, o "gas di combustione", dalle ciminiere delle centrali elettriche e degli impianti di produzione e richiedono un'enorme quantità di energia per funzionare. Il processo di cattura avviene incanalando le emissioni in camere riempite con una soluzione di "cattura" – ovvero una miscela di ammine, o composti a base di ammoniaca, che si legano chimicamente con l'anidride carbonica – e producendo una forma stabile di CO2 e ammoniaca che viene separata dal resto dei gas di combustione.

Dopo la separazione della CO2 dal resto delle emissioni, è necessario liberarla dal suo legame amminico, e per farlo il composto viene riscaldato a temperature elevate, tipicamente sotto forma di vapore generato da combustibili fossili. Tornato nella sua forma pura, il gas può poi essere pompato in serbatoi di stoccaggio o nel sottosuolo, mineralizzato o ulteriormente convertito in prodotti chimici o combustibili.

In sintesi, il secondo processo serve ad "annullare" il primo, e va da sé che non sia un sistema molto efficiente, al di là del suo essere energivoro.

"La cattura del carbonio è una tecnologia matura, in quanto la chimica è nota da circa 100 anni, ma richiede installazioni molto grandi ed è piuttosto costosa e ad alta intensità energetica da gestire", ha commentato Betar Gallant, autrice dello studio recentemente pubblicato pochi giorni fa su ACS Catalysis e professore associato di sviluppo professionale del 1922 al MIT. "Ciò che vogliamo, ciò che ci serve, sono tecnologie che siano più modulari e flessibili e possano essere adattate a diverse fonti di anidride carbonica. I sistemi elettrochimici possono aiutare a risolvere questo problema".

Il team del MIT sta quindi cercando di combinare i due iter in un unico sistema integrato, molto più efficiente dal punto di vista energetico e che, inoltre, potrebbe potenzialmente funzionare con energia rinnovabile sia per catturare che per convertire l'anidride carbonica.

Nello studio "Uncovering the Active Species in Amine-Mediated CO2 Reduction to CO on Ag", i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno spiegato come l'anidride carbonica possa essere catturata e convertita attraverso, appunto, un unico processo elettrochimico, che prevede l'utilizzo di un elettrodo per attirare la CO2 rilasciata da un assorbente e convertirla in una forma riutilizzabile e carbon neutral.

Il team del MIT ha condotto esperimenti approfonditi per determinare questo driver e ha scoperto che, alla fine, si trattava della pressione parziale del biossido di carbonio. In altre parole, quanto più anidride carbonica pura entra in contatto con l'elettrodo, tanto più efficientemente quest'ultimo è in grado di catturarla e convertirla.

Il sistema perfezionato dai ricercatori innesca, per cosi dire, un circolo virtuoso per cui più anidride carbonica è presente, più il processo funziona bene: va da sé che la tecnologia del MIT sia adatta più a catturare la CO2 alla fonte, e non in "ambienti molto diluiti", vale a dire una volta che le molecole sono disperse in atmosfera.

"Possiamo e dobbiamo passare alle energie rinnovabili per la produzione di elettricità. Ma la profonda decarbonizzazione delle industrie come quella cementifera, o dell'acciaio è impegnativa e richiederà molto tempo", ha affermato Gallant. "Anche se ci sbarazzassimo di tutte le nostre centrali elettriche [ndr, sfruttando unicamente le FER], abbiamo bisogno di alcune soluzioni per gestire le emissioni di altri settori nel breve termine, prima di poterli decarbonizzare completamente. È lì che vediamo un punto debole, dove qualcosa come questo sistema potrebbe adattarsi".

Nella pratica, il sistema del MIT potrebbe essere adottato immediatamente nell'industria pesante; l'elettrodo, infatti, si adatta perfettemante alle camere esistenti e attualmente utilizzate per la cattura della CO2, togliendo la necessità della soluzione di cattura, dal momento che basterebbe applicare una tensione all'elettrodo.

A quel punto gli elettroni fluiscono sulla forma reattiva dell'anidride carbonica, convertendola in un nuovo prodotto utilizzando i protoni forniti dall'acqua. Ciò rende l'assorbente disponibile per legare più anidride carbonica, anziché utilizzare il vapore per fare lo stesso.

Gallant aveva già precedentemente dimostrato che questo processo elettrochimico poteva funzionare per catturare e convertire l'anidride carbonica in una forma solida di carbonato. 

"Abbiamo dimostrato che questo processo elettrochimico era fattibile nei primissimi concetti", ha affermato la ricercatrice. "Da allora, ci sono stati altri studi incentrati sull'utilizzo di questo processo per tentare di produrre sostanze chimiche e combustibili utili, ma questo è ancora in fase di studio".

Questa seconda ricerca, tramite esperimenti in laboratorio, ha permesso al team di studiare e generare soluzioni amminiche che somigliassero alle soluzioni di cattura industriale utilizzate per estrarre l'anidride carbonica dai gas di combustione.

Gli accademici hanno prima di tutto alterato metodicamente varie proprietà di ciascuna soluzione, come il pH, la concentrazione e il tipo di ammina, quindi hanno fatto passare ciascuna soluzione davanti a un elettrodo composto di argento, un metallo ampiamente utilizzato negli studi sull'elettrolisi e noto per convertire in modo efficiente l'anidride carbonica in monossido di carbonio (CO).

L'ultimo step è stata la misurazione della concentrazione di CO convertito alla fine della reazione e il confronto del numero ottenuto con quello di ogni altra soluzione testata, per vedere quale parametro aveva la maggiore influenza sulla quantità di monossido di carbonio prodotta.

La conclusione a cui il team è giunto è stata che ad essere importante non era il tipo di ammina utilizzata per catturare inizialmente l'anidride carbonica, come ritenuto finora, ma la concentrazione di singole molecole di anidride carbonica fluttuanti, che evitavano il legame con le ammine pur presenti nella soluzione.

Questo "solo-CO2" determinava la concentrazione di monossido di carbonio che alla fine veniva prodotto.

"Abbiamo scoperto che è più facile far reagire questa CO2 'solitaria', rispetto alla CO2 catturata dall'ammina", ha spiegato Leverick, uno dei co-autori della ricerca. "Questo è uno snodo cruciale per i futuri ricercatori, perché significa che questo processo potrebbe essere fattibile per i flussi industriali, dove alte concentrazioni di anidride carbonica potrebbero essere catturate in modo efficiente e convertite in sostanze chimiche e combustibili utili".

"Questa non è una tecnologia di rimozione, ed è importante precisarlo", ha sottolinea Gallant. "Il valore che apporta è che ci consente di riciclare l'anidride carbonica un certo numero di volte sostenendo i processi industriali esistenti, con minori emissioni associate. In definitiva, il mio sogno è che i sistemi elettrochimici possano essere utilizzati per facilitare la mineralizzazione e lo stoccaggio permanente della CO2: una vera tecnologia di rimozione. Questa è una visione a lungo termine. E gran parte della scienza che stiamo iniziando a comprendere è un primo passo verso la progettazione di tali processi".

A proposito di CCS (Cattura e Stoccaggio della CO2) e delle soluzioni messe in campo per rendere questa opzione realmente attuabile, anche in Italia la start-up Limenet (a cui abbiamo dedicato questo articolo) sta portando avanti un interessante progetto, volto non solo a ridurre l'anidride carbonica in atmosfera ma anche a contrastare l'acidificazione di mari ed oceani, un fenomeno preoccupante che sta mettendo a repentaglio la vita di molte creature marine, in primis coralli e crostacei.

Per approfondimenti:

- Il più grande impianto di cattura di CO2 al mondo è ora attivo! Ecco come funziona;

- Dalla CCS alla DACC, così gli Stati Uniti intendono investire quasi 4 mld di dollari contro i cambiamenti climatici;

- Canada: la CCS – Cattura&Stoccaggio del carbonio – costa troppo e richiede troppo tempo;