[lid] L’approccio converte direttamente il gas serra in formiato, un combustibile solido che può essere immagazzinato indefinitamente e potrebbe essere utilizzato per riscaldare le case o le industrie energetiche.

Immagine: Shuhan Miao, Harvard Graduate School of Design

Uno schema mostra il processo di formattazione. L’angolo in alto a sinistra mostra un’abitazione alimentata direttamente dalla cella a combustibile a formiato, con il combustibile immagazzinato nel serbatoio sotterraneo. Al centro è mostrata la cella a combustibile che sfrutta il formiato per fornire elettricità. In basso a destra c’è l’elettrolizzatore che converte il bicarbonato in formiato.

La ricerca è in corso in tutto il mondo per trovare modi per estrarre l’anidride carbonica dall’aria o dai gas di scarico delle centrali elettriche e trasformarla in qualcosa di utile. Una delle idee più promettenti è quella di trasformarlo in un combustibile stabile che possa sostituire i combustibili fossili in alcune applicazioni. Ma la maggior parte di questi processi di conversione hanno avuto problemi con la bassa efficienza del carbonio, oppure producono combustibili che possono essere difficili da maneggiare, tossici o infiammabili.

Ora, i ricercatori del MIT e dell’Università di Harvard hanno sviluppato un processo efficiente in grado di convertire l’anidride carbonica in formiato, un materiale liquido o solido che può essere utilizzato come idrogeno o metanolo per alimentare una cella a combustibile e generare elettricità. Il formiato di potassio o di sodio, già prodotto su scala industriale e comunemente utilizzato come antighiaccio per strade e marciapiedi, è atossico, non infiammabile, facile da immagazzinare e trasportare e può rimanere stabile nei normali serbatoi di acciaio per essere utilizzato per mesi o addirittura anni , dopo la sua produzione.

Il nuovo processo, sviluppato dagli studenti di dottorato del MIT Zhen Zhang, Zhichu Ren e Alexander H. Quinn; Dawei Xi, dottorando dell’Università di Harvard; e il professor Ju Li del MIT, è descritto questa settimana in un articolo ad accesso libero pubblicato su Cell Reports Physical Science . L’intero processo, compresa la cattura e la conversione elettrochimica del gas in una polvere di formiato solido, che viene poi utilizzata in una cella a combustibile per produrre elettricità, è stato dimostrato su piccola scala di laboratorio. Tuttavia, i ricercatori si aspettano che sia scalabile in modo da poter fornire calore ed elettricità senza emissioni alle singole case e persino essere utilizzato in applicazioni industriali o su scala di rete.

Altri approcci per convertire l’anidride carbonica in combustibile, spiega Li, di solito comportano un processo in due fasi: prima il gas viene catturato chimicamente e trasformato in una forma solida come carbonato di calcio, quindi il materiale viene riscaldato per eliminare l’anidride carbonica e convertirla. a una materia prima combustibile come il monossido di carbonio. Questo secondo passaggio ha un’efficienza molto bassa, convertendo in genere meno del 20% dell’anidride carbonica gassosa nel prodotto desiderato, afferma Li.

Al contrario, il nuovo processo raggiunge una conversione ben superiore al 90% ed elimina la necessità dell’inefficiente fase di riscaldamento convertendo prima l’anidride carbonica in una forma intermedia, il bicarbonato di metallo liquido. Quel liquido viene poi convertito elettrochimicamente in potassio liquido o formiato di sodio in un elettrolizzatore che utilizza elettricità a basso contenuto di carbonio, ad esempio energia nucleare, eolica o solare. La soluzione liquida altamente concentrata di formiato di potassio o di sodio prodotta può quindi essere essiccata, ad esempio mediante evaporazione solare, per produrre una polvere solida altamente stabile e che può essere conservata in normali serbatoi di acciaio per anni o addirittura decenni, afferma Li.

Diverse fasi di ottimizzazione sviluppate dal team hanno fatto la differenza nel trasformare un processo di conversione chimica inefficiente in una soluzione pratica, afferma Li, che ricopre incarichi congiunti nei dipartimenti di Scienza e ingegneria nucleare e di Scienza e ingegneria dei materiali.

Il processo di cattura e conversione del carbonio prevede innanzitutto una cattura basata su una soluzione alcalina che concentra l’anidride carbonica, proveniente da flussi concentrati come le emissioni delle centrali elettriche o da fonti a concentrazione molto bassa, anche all’aria aperta, sotto forma di un metallo liquido- soluzione di bicarbonato. Quindi, attraverso l’uso di un elettrolizzatore a membrana a scambio cationico, questo bicarbonato viene convertito elettrochimicamente in cristalli di formiato solido con un’efficienza del carbonio superiore al 96%, come confermato negli esperimenti su scala di laboratorio del team.

Questi cristalli hanno una durata di conservazione indefinita, rimanendo così stabili che potrebbero essere conservati per anni, o addirittura decenni, con poca o nessuna perdita. In confronto, anche i migliori serbatoi di stoccaggio dell’idrogeno disponibili consentono al gas di fuoriuscire a una velocità di circa l’1% al giorno, precludendo qualsiasi utilizzo che richiederebbe uno stoccaggio per un anno, afferma Li. Il metanolo, un’altra alternativa ampiamente esplorata per convertire l’anidride carbonica in un combustibile utilizzabile nelle celle a combustibile, è una sostanza tossica che non può essere facilmente adattata all’uso in situazioni in cui le perdite potrebbero rappresentare un pericolo per la salute. Il formiato, d’altro canto, è ampiamente utilizzato e considerato benigno, secondo gli standard di sicurezza nazionali.

Numerosi miglioramenti spiegano l’efficienza notevolmente migliorata di questo processo. Innanzitutto, un’attenta progettazione dei materiali della membrana e della loro configurazione supera un problema riscontrato in precedenti tentativi di realizzare un sistema del genere, ovvero l’accumulo di alcuni sottoprodotti chimici che modificano il pH, facendo sì che il sistema perda costantemente efficienza nel tempo. “Tradizionalmente, è difficile ottenere una conversione continua, stabile e a lungo termine delle materie prime”, afferma Zhang. “La chiave del nostro sistema è raggiungere un equilibrio del pH per la conversione allo stato stazionario”.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno effettuato modelli termodinamici per progettare il nuovo processo in modo che sia chimicamente bilanciato e che il pH rimanga ad uno stato stazionario senza alcun cambiamento di acidità nel tempo. Può quindi continuare a funzionare in modo efficiente per lunghi periodi. Nei test, il sistema ha funzionato per oltre 200 ore senza alcuna diminuzione significativa della produzione. L’intero processo può essere eseguito a temperatura ambiente e pressioni relativamente basse (circa cinque volte la pressione atmosferica).

Un altro problema era che le reazioni collaterali indesiderate producevano altri prodotti chimici che non erano utili, ma il team ha trovato un modo per prevenire queste reazioni collaterali introducendo uno strato “tampone” aggiuntivo di lana di vetro arricchita con bicarbonato che bloccava queste reazioni.

Il team ha inoltre costruito una cella a combustibile appositamente ottimizzata per l’utilizzo di questo combustibile formiato per produrre elettricità. Le particelle di formiato immagazzinate vengono semplicemente sciolte in acqua e pompate nella cella a combustibile secondo necessità. Sebbene il combustibile solido sia molto più pesante dell’idrogeno puro, quando si considerano il peso e il volume dei serbatoi di gas ad alta pressione necessari per immagazzinare l’idrogeno, il risultato finale è una produzione di elettricità quasi pari alla parità per un dato volume di stoccaggio, afferma Li.

Il combustibile formiato può potenzialmente essere adattato per qualsiasi cosa, dalle unità di dimensioni domestiche agli usi industriali su larga scala o ai sistemi di stoccaggio su scala di rete, dicono i ricercatori. Le prime applicazioni domestiche potrebbero coinvolgere un’unità elettrolitica delle dimensioni di un frigorifero per catturare e convertire l’anidride carbonica in formiato, che potrebbe essere immagazzinato in un serbatoio sotterraneo o sul tetto. Quindi, quando necessario, il solido in polvere verrebbe mescolato con acqua e immesso in una cella a combustibile per fornire energia e calore. “Questo è per dimostrazioni comunitarie o domestiche”, dice Zhang, “ma crediamo che anche in futuro potrebbe essere positivo per le fabbriche o la rete”.

“L’economia del formiato è un concetto intrigante perché i sali di formiato metallico sono molto benigni e stabili, nonché un vettore energetico avvincente”, afferma Ted Sargent, professore di chimica e di ingegneria elettrica e informatica presso la Northwestern University, che non è stato associato a questo lavoro. . “Gli autori hanno dimostrato una maggiore efficienza nella conversione da liquido a liquido da materia prima bicarbonato a formiato, e hanno dimostrato che questi combustibili possono essere utilizzati successivamente per produrre elettricità”, afferma.

Il lavoro è stato sostenuto dall’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.