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Tecnologie di riutilizzo della CO2

La recente attenzione per i mutamenti climatici ha portato, negli ultimi decenni, allo sviluppo delle tecnologie di separazione e confinamento della CO2 (CCS, carbon capture and storage), capaci di contenere le emissioni di anidride carbonica – il principale gas serra – in atmosfera. Per l’anidride carbonica, estremamente dannosa per il clima del pianeta e quindi da eliminare, l’unica opzione era quella del confinamento geologico permanente, possibilmente in giacimenti di petrolio o gas prossimi all’esaurimento, al fine di incrementare la produzione.

Solo negli ultimi anni la comunità scientifica ha iniziato a considerare la CO2 non più solo come un problema, ma come una risorsa. L’anidride carbonica, infatti, può essere impiegata come materia prima, insieme all’idrogeno prodotto da fonti rinnovabili, per la produzione di combustibili puliti (come il metanolo, che ha un mercato in enorme espansione, e il dimetiletere, potenziale sostituto del GPL o del gasolio), prodotti chimici e altri materiali. E se è vero, nel caso dei combustibili, che un loro impiego comporta comunque l’emissione della CO2 in essi intrinsecamente contenuta, è anche vero che questi andranno comunque a sostituire gli analoghi combustibili prodotti da fonti fossili, riducendone il fabbisogno.

Inoltre, la sempre maggiore diffusione di impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili non controllabili, quali sole e vento, rende spesso disponibile un eccesso di produzione di energia elettrica. In tal caso, le tecnologie di riutilizzo della CO2 per la produzione di combustibili fossili possono essere impiegate come accumulatori di energia e stabilizzatori della rete elettrica. Infatti, la sovrapproduzione elettrica da fonti rinnovabili potrebbe essere impiegata per la produzione di idrogeno, che alimenterebbe i sistemi di conversione consentendo la produzione di metanolo e altri combustibili, da immettere nel mercato o reimpiegare per sopperire alla domanda elettrica nei periodi di punta.

Per tali ragioni, nel corso del progetto CEEP è stato installato e collaudato un impianto pilota concepito principalmente per lo sviluppo e la caratterizzazione dei catalizzatori per il processo di conversione della CO2 in combustibili, come metanolo e dimetiletere. Tale infrastruttura include anche una sezione da banco di gassificazione per consentire, con la massima flessibilità, test sperimentali di produzione di combustibili liquidi o gassosi a partire da biomasse e rifiuti.

Laboratorio per la conversione di CO2 in combustibili (metanolo e dimetiletere)

Il cuore dello studio consiste nella sintesi e nella caratterizzazione sperimentale di catalizzatori, con composizioni chimiche e metodi di preparazione differenti, per il processo di idrogenazione catalitica della CO2 dal quale si ricavano i combustibili liquidi o gassosi. L’attività di ricerca, condotta in parte in collaborazione con importanti istituti di ricerca quali il Dipartimento di Chimica dell’Università di Cagliari e l’Indian Institute of Technology Madras (India), ha permesso di valutare le ottime prestazioni dei catalizzatori testati con risultati significativamente migliori di altri catalizzatori (commerciali e non) pensati per lo stesso processo.

Reattori catalitici per l’idrogenazione catalitica della CO2

Uno dei risultati principali è un catalizzatore, interamente sviluppato dai ricercatori Sotacarbo mettendo insieme materiali avanzati e metodi innovativi, che presenta prestazioni sorprendenti in termini di efficienza di conversione e stabilità (anche in presenza di ossigeno) e che, soprattutto, non ha la necessità di essere pre-attivato, a differenza di tutti i catalizzatori oggi disponibili in commercio. Questo materiale è oggi oggetto di un brevetto italiano e una domanda di brevetto internazionale già pubblicata dall’Organizzazione Mondiale della Proprietà Intellettuale (WIPO).

In parallelo allo studio sui catalizzatori, è oggi in programma la realizzazione (entro il 2021) di un nuovo impianto pilota pensato per ottimizzare il processo di sintesi nel suo insieme.

In parallelo, sempre in collaborazione con l’Università di Cagliari, è stato studiato sperimentalmente il processo di riduzione fotoelettrochimica della CO2, nel quale la conversione della stessa ha luogo non in un reattore catalitico ma all’interno di una cella elettrochimica che sfrutta l’energia solare per il sostentamento del processo.

Laboratorio di elettrochimica

Le attività condotte nell’ambito del progetto CEEP riguardanti la separazione o cattura dell’anidride carbonica possono essere distinte in:
1. Attività sperimentale di conversione della CO2 in combustibili rinnovabili
2. Sviluppo di catalizzatori per la sintesi del metanolo e del dimetiletere
3. Sviluppo di processi elettrochimici per il riutilizzo della CO2

PRODUZIONE SCIENTIFICA

Sono di seguito riportati gli articoli pubblicati su riviste scientifiche internazionali prodotti grazie alle attività di ricerca della presente linea:

Mauro Mureddu, Francesca Ferrara, Alberto Pettinau. Highly efficient CuO/ZnO/ZrO2@SBA-15 nanocatalysts for methanol synthesis from the catalytic hydrogenation of CO2. Applied Catalysis B: Environmental 2019; 258:117941.

Laura Mais, Simonetta Palmas, Annalisa Vacca, Michele Mascia, Francesca Ferrara, Alberto Pettinau. Catalytic activity of Cu and Cu/Sn electrodes during CO2 reduction from aqueous media. Chemical Engineering Transactions 2019; 74.