Come la CO2 si trasforma in carburante?

Per promuovere la crescita sostenibile occorre avviare una corretta integrazione tra diversi processi industriali al fine di minimizzare le emissioni di CO₂ in atmosfera e nello stesso tempo garantire un’effettiva crescita economica. Le tecnologie di cattura, stoccaggio e riuso del carbonio (Carbon Capture Use and Storage, CCUS) offrono un’opzione per una chiusura efficiente del ciclo del carbonio emesso non solo dal settore industriale ma anche dal trasporto di lunga distanza marittimo, aereo e terrestre. Tre comparti che, a livello mondiale, assorbono metà del consumo di energia utilizzato per il trasporto, per un volume emissivo annuale di CO₂ pari a 3,6 Gt.

I processi CCUS possono contribuire alla decarbonizazzione del settore del trasporto di lunga distanza attraverso un approccio sistemico che si avvale di diverse tecnologie a basse emissioni di carbonio. L’anidride carbonica necessaria per la produzione di combustibile sintetico rinnovabile potrebbe provenire oltre che da impianti industriali ed energetici anche da navi cargo per il trasporto di lunga distanza. È allo studio la possibilità di decarbonizzare i fumi provenienti da un motore navale attraverso l’uso di sorbenti solidi a base di calcio. Tali sorbenti verrebbero in seguito rigenerati sulla terraferma attraverso una reazione di calcinazione liberando una corrente altamente concentrata di CO₂.

La CO₂ così catturata può essere convertita in idrocarburi sintetici (e.g. benzina, diesel, cherosene) che sono facilmente immagazzinabili, trasportabili e utilizzabili. La chiusura del ciclo del carbonio attraverso la produzione di combustibili sintetici richiede, però, una certa quantità di energia per la produzione di idrogeno. Perché tale ciclo sia virtuoso e non incrementi quindi ulteriormente l’accumulo della CO₂ in atmosfera e nell’idrosfera è necessario che l’energia richiesta provenga da fonti energetiche rinnovabili. Da un punto di vista sistemico, includendo le industrie da cui proviene la CO₂ di origine fossile ed il settore dei trasporti da cui viene riemessa nuovamente, il livello di cattura del carbonio è del 50%. Per avere una decarbonizzazione più spinta è necessario che la CO₂ utilizzata provenga soprattutto da materiale biogenico o dall’aria. Se la CO₂ catturata nell’industria è di origine biogenica (Biomass Energy with Carbon Capture and Storage, BECCS) e un ulteriore flusso di CO₂ viene assorbita direttamente dall’aria (Direct Air Capture, DAC), i combustibili che verranno così prodotti e successivamente utilizzati nel settore del trasporto, daranno origine a emissioni “negative”. In altre parole, le emissioni di CO₂ prodotte dall’utilizzo dei combustibili sintetici rinnovabili risultano più basse delle emissioni dei rispettivi combustibili convenzionali.

Anche il carbonio, quindi, come l’idrogeno, può essere “green” contribuendo in modo sempre più sostenibile ad uno stoccaggio efficiente degli eccessi di energia attraverso la produzione di combustibili sintetici rinnovabili che verranno utilizzati nel settore dei trasporti a lunga distanza. Inoltre, la produzione di combustibili sintetici da carbonio verde permetterebbe di avere un vettore energetico ad alta intensità energetica: un litro di benzina contiene circa 47 MJ, una batteria agli ioni di litio completamente carica potrebbe contenere la stessa quantità di energia ma peserebbe 50 kg. Ancora, le tecnologie CCUS consentirebbero di decarbonizzare il settore del trasporto aereo e marittimo difficilmente elettrificabili. Infine, a differenza dei biocombustibili, i combustibili sintetici verrebbero prodotti senza essere soggetti ai vincoli di disponibilità di terreni per la coltura energetica.

Secondo le stime della IEA, dal 2030 l’uso del carbonio “green” da biomassa o catturato direttamente dall’atmosfera conoscerà un aumento e vedrà decuplicato il suo valore al 2050, mentre, nello stesso periodo il carbonio estratto dalla litosfera si ridurrà di un 46%. Dal 2050 al 2070, l’uso del carbonio verde triplicherà il suo valore aiutando a raggiungere la neutralità climatica insieme ad un maggiore livello di stoccaggio del carbonio.

Entrando nello specifico della produzione dei combustibili sintetici, questi vengono prodotti convertendo cataliticamente l’anidride carbonica e l’idrogeno in lunghe catene di idrocarburi che compongono i combustibili. Il metodo convenzionale di produzione di combustibili che utilizza l’idrogeno ed il monossido di carbonio (CO) come fonte di carbonio è il processo di Fischer-Tropsch. Per tale motivo la ricerca attualmente sta concentrando i propri sforzi nell’ottimizzare il processo di produzione del CO a partire dalla CO₂. Il processo termochimico principale è la reazione inversa dello spostamento del gas d’acqua: CO+H2O ⇌ CO2 + H2. Questo processo chimico può essere forzato verso più alti contenuti di CO attraverso un aumento del tenore di CO₂ favorendone, quindi, la reazione inversa.

Le ultime frontiere della produzione di idrocarburi dalla CO₂ prendono in considerazione l’uso di reattori al plasma. Il plasma, ottenuto applicando energia elettrica ad un gas, si compone di particelle ionizzate con vari livelli di eccitazione. Queste specie altamente reattive permettono la contemporanea dissociazione di H2O e CO₂ direttamente in H2 e CO e quindi una produzione intensificata di combustibili senza la necessità di uno stoccaggio a monte dell’idrogeno. Inoltre, tali processi consentono di convertire quasi istantaneamente (approssimativamente 10^-5 secondi) molecole inerti come la CO₂ ed H₂O in ioni o radicali altamente reattivi utilizzati come mattoni nella costruzione delle molecole più complesse.

In questo modo i futuri sistemi energetici basati sul plasma potranno operare a carico parziale con una risposta molto rapida: così facendo l’energia rinnovabile si converte direttamente in idrocarburi facilmente stoccabili senza passare per l’accumulo di H2 che è difficile allo stato attuale implementare su larga scala.