fonte: visionari.org

 

Ottenere carburante a basso costo o immagazzinare l’energia residua degli impianti solari: due aziende hanno esplorato nuovi metodi per risolvere il problema.

L’anidride carbonica (CO2) è il vero e proprio prodotto di scarto della società, e ogni anno vengono iniettati nell’aria miliardi di tonnellate di materiale. Ma riciclarlo in preziosi combustibili e prodotti chimici ha sempre richiesto troppa energia per avere un senso economico. Ora, i ricercatori hanno trovato due modi efficienti per convertire la CO2 in sottoprodotti ricchi di energia, come hanno riferito la scorsa settimana in una riunione della American Chemical Society (ACS). Se ottenessero trazione, potrebbero aiutare a risolvere un altro problema importante: poiché entrambi gli approcci richiedono un flusso costante di elettroni da una fonte di energia elettrica, potrebbero accumulare tutta l’energia solare ed eolica “perduta” che attualmente non può essere immagazzinata nelle reti elettriche.

Per riciclare CO2, alcuni ricercatori stanno imitando la fotosintesi, sfruttando la luce solare per convertire la molecola in carboidrati. Ma questi reattori a energia solare spesso hanno bisogno di funzionare a temperature di 1000°C. Altri chimici favoriscono un approccio più tradizionale che effettuerebbe reazioni simili, ma vicine alla temperatura ambiente in celle elettrochimiche che necessitano di elettricità e catalizzatori speciali.

Il primo passo in un simile approccio elettrolitico è dividere la CO2, una molecola dura e stabile, in ossigeno e monossido di carbonio (CO), una molecola un po’ più ricca di energia che può costituire la base per combustibili idrocarburici come il metanolo. Il processo inizia con due elettrodi rivestiti di catalizzatore in un becher di acqua in cui è stata disciolta CO2. Il flusso di elettroni tra questi elettrodi effettua reazioni separate che dividono l’ acqua e la CO2, in ultima analisi generando CO e più acqua.

A livello teorico, ci vorrebbero solo 1,33 volt di energia elettrica — meno di quella prodotta da una batteria AA. Ma in pratica, i ricercatori devono alzare la tensione di circa un altro volt per provocare la reazione in modo più veloce. Questa tensione supplementare, nota come sovratensione, equivale a un sovrapprezzo energetico che riduce l’efficienza della cella. Un altro problema è che la maggior parte dei catalizzatori incanalano una quantità maggiore di elettroni disponibili nella suddivisione dell’ acqua invece di convertire CO2 in CO.

Nel 2011, ricercatori guidati da Richard Masel, chimico e CEO di Dioxide Materials a Boca Raton, Florida, hanno testato un setup con catalizzatori dell’ossido di argento e di iridio e un elettrolito liquido per promuovere la reazione CO2 — CO. L’ elettrolito conteneva un composto chiamato imidazolio che formava uno strato protettivo intorno all’elettrodo ricoperto d’argento. Ciò ha bloccato la reazione di separazione dell’acqua e ha incoraggiato il catalizzatore a trasferire quasi tutti i suoi elettroni alla conversione di CO2. Ha anche prodotto CO con un potenziale di soli 0,17 Volt. Tuttavia, i liquidi ionici possono essere costosi e corrosivi. Così Dioxide Materials si è prefissata di realizzare una membrana in plastica resistente ed economica che potesse svolgere la stessa funzione quando posta sopra un elettrodo in argento.

L’anno scorso, l’azienda ha riferito di aver realizzato con successo le membrane. Ma alla riunione dell’ACS, il chimico di Dioxide Materials Richard Ni ha riferito che i dispositivi che li utilizzavano producevano CO con un’efficienza quasi doppia di quella delle membrane alternative. Ni ha anche riferito che con i recenti aggiornamenti, le loro celle possono trasformare la CO2 in CO ad un ritmo doppio rispetto ad altri elettrolizzatori di CO2 di dimensioni paragonabili, il che potrebbe aiutarli a elaborare grandi volumi di CO2 una volta scalati. Ni ha aggiunto che i dispositivi dell’azienda rimangono stabili e non peggiorano dopo 6 mesi di funzionamento continuo.

“Questi sono risultati molto buoni” e considerati buoni abbastanza per un prodotto commerciale, dice Fan Shi, chimico del National Energy Technology Laboratory di Pittsburgh, in Pennsylvania. Dioxide Materials non è l’unica a cercare di commercializzare il processo: il gigante chimico BASF ha annunciato di avere intenzione di produrre carburante liquido a base di metanolo utilizzando un metodo simile. E un’azienda tedesca di nome Sunfire ha annunciato a maggio che sta producendo “grezzo blu”, un carburante diesel sintetico a base di CO2 e acqua utilizzando un processo ad alta temperatura.

Nel frattempo, Dioxide Materials ha aumentato le dimensioni dei suoi elettrodi da quadrati più piccoli di un francobollo americano a quelli più grandi di una mano adulta, consentendo un flusso di CO maggiore. La società ha collaborato con il gigante industriale 3M per produrre nastri di membrane ad imidazolo in un processo a bobina. L’azienda sta anche discutendo con i produttori di prodotti chimici industriali come Linde e Siemens, esplorando luoghi dove potrebbero essere in grado di accedere a puri flussi di rifiuti di CO2 e all’energia rinnovabile in eccesso. “Questo potrebbe essere fondamentale”, dice Shi. “È possibile immagazzinare l’energia in periodi di scarsa domanda”.

Per fare un impatto su larga scala, l’azienda può avere bisogno di trovare catalizzatori per elettrodi più economici rispetto all’argento e all’ossido di iridio, dice Haotian Wang, chimico dell’Università di Harvard. Ni dice che l’azienda sta cercando opzioni più economiche per sostituire l’iridio, un metallo raro e costoso.

Un’altra prospettiva a lungo termine è stata sollevata alla riunione ACS da Paul Kenis, un chimico dell’Università dell’Illinois di Urbana. Anche se convertire CO2 in CO è l’opzione più semplice, Kenis e altri stanno cercando di trasformare la CO2 in un colpo solo in metano, acido formico, metanolo o altri idrocarburi complessi con più energia e valore più elevato. Ma le reazioni sono più complicate, richiedendo non solo una fonte di elettroni ma anche di protoni. Per eseguire queste reazioni, i ricercatori in genere usano un anodo per dividere le molecole d’acqua in protoni, elettroni e ossigeno, e poi alimentare i protoni e gli elettroni ad un catodo, dove reagiscono con CO2 per produrre idrocarburi. La reazione di separazione dell’acqua richiede normalmente anche un supplemento di energia considerevole.

Nel corso della riunione ACS, Kenis ha riferito che il suo gruppo ha creato un dispositivo di divisione della CO2 in cui hanno sostituito l’acqua all’anodo con un liquido chiamato glicerolo, un prodotto di scarto prodotto a tonnellate negli impianti biodiesel. Usando il glicerolo, Kenis dice che il suo team è stato in grado di ridurre il potenziale eccessivo in quella parte del loro sistema di quasi due terzi e sfornare acido formico, che è ampiamente usato nella sintesi chimica. Kenis confessa che il nuovo setup può generare prodotti collaterali che non conosce ancora e che ha molta strada da fare prima di diventare una tecnologia commerciale. Ma William Goddard, chimico del California Institute of Technology di Pasadena, afferma di essere rimasto impressionato dall’ idea.

“Prendere quello che ora è considerato spazzatura e convertirlo, ha un potenziale reale”, dice.


Tradotto in Italiano. Articolo originale: Science


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