Nuovi nanomateriali migliorano l’efficienza del processo di cattura e stoccaggio del carbonio
Il principale obiettivo dell’iniziativa INTERACT (INnovaTive Enzymes and polyionic-liquids based membRAnes as CO2 Capture Technology) consisteva nel potenziare il livello di efficienza energetica e di efficacia sotto il profilo dei costi dei processi di cattura del carbonio esistenti. A tal fine, il team di lavoro ha utilizzato enzimi biocatalizzatori straordinariamente rapidi e sviluppato nanomateriali altamente efficienti chiamati “liquidi poli(ionici)” (polyionic liquid, PIL). Questi ultimi sono stati impiegati nell’ambito della creazione di membrane altamente selettive per la separazione dei gas che, a loro volta, venivano integrate in tecnologie innovative. “I processi post-combustione attualmente utilizzati, come ad esempio l’abbattimento chimico, sono chiamati a misurarsi con alcune complessità economiche dovute agli elevati consumi energetici”, spiega il prof. Andrzej Gorak, coordinatore del progetto per l’Università Tecnica di Dortmund. “Il progetto INTERACT offre una base tecnologica per lo sviluppo di tali processi: siamo stati in grado di migliorare in maniera significativa il processo di abbattimento del gas grazie a sistemi di solventi catalizzati da enzimi e a dispositivi innovativi come i contattori a membrana. Fondamentalmente, abbiamo tentato di sfruttare le sinergie tra l’elevata affinità dei nostri materiali per la cattura di CO2 e le tecnologie rafforzate, analizzandone nel contempo le prestazioni sulla base di una valutazione dettagliata di tipo tecno-economico e incentrata sul ciclo di vita”. Nell’ambito del progetto INTERACT sono state condotte sperimentazioni di vasta portata e sono stati realizzati accurati modelli prestazionali per ciascuna tecnologia, non solo a livello di laboratorio, ma anche su scala pilota. Ad esempio, al fine di identificare sistemi enzima-solvente idonei, il team ha dapprima eseguito saggi di attività enzimatica, occupandosi successivamente dell’analisi di sistemi di stabilità a lungo termine dal punto di vista dei miglioramenti relativi allo scambio di materia in esperimenti in laboratorio dedicati in una colonna a pareti bagnate. I sistemi enzima-solvente più promettenti sono stati quindi sottoposti all’azione di colonne di assorbimento su scala tecnica in luoghi diversi e con diametri e altezze di ingombro diversi. “L’utilizzo di enzimi efficaci consente di sfruttare solventi con un minor assorbimento di calore e una maggiore capacità di assorbimento della CO2, che si traduce in definitiva in una drastica riduzione dell’energia richiesta dal processo di assorbimento chimico”, spiega il prof. Gorak. L’utilizzo combinato di anidrasi carbonica e di una soluzione acquosa di metildietanolammina (MDEA) con il nuovo enzima ha registrato un miglioramento in termini di trasferimento di CO2 di un fattore massimo di nove e la possibilità di utilizzare questo sistema con tecnologie di abbattimento all’avanguardia. Il prof. Gorak è fiducioso che in futuro sarà possibile ottenere ulteriori miglioramenti. Un potenziale inutilizzato Le membrane per la separazione dei gas a base di PIL sviluppate nell’ambito del progetto hanno anche evidenziato un potenziale di miglioramento del livello di efficienza energetica del processo di cattura della CO2, sebbene, come afferma il prof. Gorak, sia tuttora necessario un potenziamento sul piano economico: “Il contattore di membrane ibride sviluppato dall’iniziativa, che applica contemporaneamente sia i PIL che gli enzimi, rappresenta un concetto interessante che consente di sfruttare le sinergie tra questi materiali ma che, tuttavia, necessita di ulteriori approfondimenti prima di una valutazione finale”. I PIL più selettivi, porosi e densi si sono rivelati degli assorbenti competitivi adatti ai processi di adsorbimento, nonché degli strati altamente selettivi e attivi nell’ambito di processi basati su membrane per la separazione dei gas composite e a film sottile. “È interessante notare che uno dei materiali a base di PIL sviluppati, commercializzato da un partner del progetto, ha finora suscitato un interesse considerevole nel campo dei sistemi di stoccaggio di energia elettrochimica come componente degli elettroliti a base di gel/polimerici. Questo materiale potrebbe garantire un miglioramento dei sistemi di stoccaggio energetico e dell’utilizzo delle energie rinnovabili”, afferma il prof. Gorak. Il prof. Gorak e il suo team hanno fatto in modo che, per ogni nuova tecnologia sviluppata, fossero disponibili idee di processi adeguate in grado di sfruttare i possibili vantaggi e di tenere conto delle potenziali restrizioni. Tutte queste idee sono state valutate nell’ambito di uno scenario di emissioni di CO2 a livello industriale. Da una serie di valutazioni di natura tecno-economica e ambientale è emerso che le tecnologie INTERACT non sarebbero solo in grado di garantire una drastica riduzione dell’impatto ambientale delle centrali elettriche a carbone e di altri processi che generano CO2, ma anche di superare le prestazioni del processo all’avanguardia di abbattimento dell’ammina. Il prof. Gorak prevede che in futuro verranno realizzate applicazioni in grado di garantire prestazioni superiori in termini di cattura della CO2 dai gas effluenti delle centrali elettriche. In tale ambito rientra il trattamento dei gas effluenti e dei biogas ricavati dalla produzione del cemento: “L’utilizzo delle nostre tecnologie ai fini della produzione di “gas naturale rinnovabile” (GNR) stimolerebbe la produzione di combustibili per il trasporto più sostenibili. La presenza di infrastrutture di biogas relativamente grandi rende il potenziale di questo settore enorme. Inoltre il GNR è un combustibile di tipo “drop in” che può essere, cioè, anche impiegato in sostituzione del diesel per navi e veicoli a elevata potenza per i quali esistono poche alternative a basse emissioni di carbonio. Una cosa è certa: i materiali progettuali terranno vivo il dibattito su questi argomenti per molti anni a venire.
Parole chiave
INTERACT, enzimi, CCS, cattura del carbonio, nanomateriali, liquido poli(ionico), abbattimento dell’ammina, solvente enzimatico, PIL, sorbente, gas effluente, gas naturale rinnovabile
