La cattura e conversione della CO2 in etilene

Il progetto SolDAC mira allo sviluppo di un processo di cattura della CO2 dall’aria e alla sua conversione fotoelettrochimica ad etilene “carbon-neutral”

Bluenzyme cattura co2 — Via depositphotos.com

di Valeria Palomba

(Rinnovabili.it) – L’etilene è l’elemento costitutivo primario delle sostanze chimiche più utilizzate al mondo e il suo attuale tasso di produzione annuo è di 185 Mt, di cui 24,5 Mt rappresentano il mercato nell’UE a 28 paesi. La produzione di tale materiale comporta l’emissione di circa 0.2 Gt di CO2eq. La posizione dell’etilene è unica se confrontata con altri prodotti direttamente ottenibili dalla CO2. Nell’ambito del progetto CarbonNext EU (https://carbonnext.eu/) la conversione della CO2 in etilene mediante riduzione elettrochimica diretta è stata classificata tra i primi cinque migliori percorsi di conversione della CO2, con l’etilene come prodotto chimico derivabile più remunerativo (810-875 €/tonnellata contro il metano a 571 €/tonnellata e l’etanolo a 750 €/tonnellata). Ciò indica come la conversione della CO2 ad etilene possa rappresentare un’opportunità di mercato globale di oltre 170 miliardi di dollari all’anno.

L’unica via possibile per convertire la CO2 direttamente in etilene è quella elettrochimica. La conversione fotoelettrochimica (PEC) è una particolare tecnica di conversione, che riduce l’intensità energetica rispetto alla sua controparte puramente elettrochimica. A questo proposito, l’utilizzo di energia solare per la conversione è attualmente studiata da diversi ricercatori [1-2]. Tuttavia, la vera sfida che la produzione di etilene ad emissioni zero. Ciò può essere ottenuto solo integrando il processo di produzione dell’etilene da CO2 con un processo di cattura di CO2 dall’aria (DAC) che sia, esso stesso, carbon-neutral o carbon-negative.

Rispetto alle alternative di origine biologica, l’approvvigionamento di CO2 dall’aria presenta il notevole vantaggio di tassi di cattura di un ordine di grandezza più elevati per area di installazione. Tuttavia, le tecnologie DAC rappresentano un’impresa incredibile nell’ingegneria della separazione: la quantità di aria che contiene 1 tonnellata di CO2 si può immaginare come una colonna d’aria atmosferica con la base di 1 m2 e l’altezza equivalente alla distanza tra il punto più meridionale e quello più settentrionale della Germania. Rimuovere la CO2 dall’aria è arduo, ma concentrare la CO2 rimossa è la vera sfida. Infatti, la concentrazione di CO2 ad elevata purezza (95+%) di un fattore di quasi 2300, a partire da 410 ppm è estremamente dispendiosa in termini energetici, indipendentemente dal processo di separazione scelto per portare a termine il compito.

Se si prendono come rappresentativi del settore 8,81 GJ di energia primaria per tonnellata di CO2 pura, la cattura di 1 tonnellata al giorno di CO2 (necessaria per produrre 0,32 tonnellate al giorno di etilene) dall’atmosfera richiederebbe 102 kW da un impianto a zero emissioni di carbonio [3]. Se la combinazione DAC+PEC è una misura obbligatoria per la produzione di etilene a zero emissioni di carbonio dalla CO2, qualunque sia il dispositivo ingegneristico che integra questi due processi ad alta intensità energetica, dovrà affrontare gravi sfide nell’approvvigionamento energetico. Questa intensità energetica estremamente elevata richiede livelli di efficienza record a livello mondiale lungo l’intera catena, dall’approvvigionamento di energia rinnovabile ai prodotti derivati.

In questo contesto, si inserisce il progetto finanziato dalla comunità europea SolDAC (soldac-project.eu), che mira allo sviluppo di un processo di cattura della CO2 dall’aria e alla sua conversione ad etilene “carbon-neutral”.

Il processo SolDAC, mostrato in Figura 1, consta di tre unità principali: l’unità di conversione fotoelettrochimica (PEC), un collettore solare a spettro completo (FSS) e una unità di cattura diretta di CO2 dall’aria (DAC).

L‘unità di conversione fotoelettrochimica (PEC) consente la conversione diretta dell’anidride carbonica in etilene ed è attualmente in fase di sviluppo presso l’Università di Edimburgo ed il centro di ricerca spagnolo IREC.
Questa unità sfrutta la luce in un intervallo di larghezza di banda specifico, che deriva da un collettore solare a cosiddetto spettro intero (FSS), che divide lo spettro solare per la generazione di elettricità e calore con un’efficienza superiore rispetto ai moduli fotovoltaici autonomi e ai collettori solari termici. Il collettore solare a spettro completo sfrutta un’ottica avanzata e degli specifici ricevitori che sono sviluppati dall’Università di Lleida in Spagna, con il supporto di una PMI spagnola (COMET).
Il calore viene utilizzato in un’innovativa unità di cattura diretta di CO2 dall’aria (DAC) a bassissima temperatura (~60 °C), favorendo l’eventuale integrazione con le reti di teleriscaldamento o con collettori solari termici a basso costo. L‘unità DAC rimuove l’anidride carbonica dall’aria, la concentra a più del 95% e la comprime per alimentare lo stack PEC e una tubazione per lo stoccaggio dell’anidride carbonica. Attualmente, il prototipo dell’unità di cattura della CO2 è in fase di realizzazione presso l’Università di Edimburgo ed il centro di ricerca CNR ITAE.

L’operazione sinergica di tali componenti consentirà di compensare l’impronta di carbonio dell’intero processo, garantendo una fonte rinnovabile come sorgente primaria e consentendo, in un’economia di scala, di ottenere crediti di carbonio, aprendo un’opportunità per andare persino oltre la neutralità climatica e produrre etanolo come sottoprodotto a emissioni negative di carbonio.