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Dimostrazione della fattibilità tecnica della produzione di combustibili sostenibili

(L'amico Gianni B. ci segnala questo interessante articolo)

Di: Peter Rüegg
I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato la tecnologia di processo in grado di produrre combustibili per il trasporto a emissioni zero dalla luce solare e dall'aria. Ora, in una pubblicazione su Nature, dimostrano il funzionamento stabile e affidabile della miniraffineria solare in condizioni reali sul sole. E mostrano un modo per introdurre i combustibili solari sul mercato senza tasse aggiuntive sul carbonio.



La miniraffineria solare dell'ETH di Zurigo ha dato prova di sé in due anni di operazioni di prova. (Foto: Alessandro Della Bella / ETH Zurigo)

Negli ultimi due anni, i ricercatori guidati da Aldo Steinfeld, professore di vettori di energia rinnovabile all'ETH di Zurigo, hanno gestito una miniraffineria solare sul tetto del laboratorio di macchine nel centro di Zurigo. Questo sistema unico può produrre combustibili liquidi per il trasporto, come metanolo o cherosene, dalla luce solare e dall'aria in un processo termochimico multistadio.
In un'intervista, l'architetto del progetto Steinfeld e il coautore dello studio Anthony Patt, professore presso il Dipartimento di Scienze dei sistemi ambientali dell'ETH, spiegano cosa hanno rivelato gli esperimenti, dove è necessaria l'ottimizzazione e come il cherosene solare può riuscire ad entrare nel mercato.
La miniraffineria solare sul tetto di un edificio dell'ETH è in funzione da due anni. Come riassumeresti questo lavoro?
Aldo Steinfeld: Abbiamo dimostrato con successo la fattibilità tecnica dell'intera catena di processo termochimico per convertire la luce solare e l'aria ambiente in combustibili per il trasporto drop-in. L'intero sistema integrato raggiunge un funzionamento stabile in condizioni reali di radiazione solare intermittente e funge da piattaforma unica per ulteriori ricerche e sviluppi.
Nel titolo del tuo articolo su Nature fai riferimento ai "carburanti drop-in". Cosa vuoi dire con questo?
Aldo Steinfeld: I combustibili drop-in sono alternative sintetiche agli idrocarburi liquidi derivati ​​dal petrolio come cherosene e benzina, che sono pienamente compatibili con le infrastrutture esistenti per lo stoccaggio, la distribuzione e l'utilizzo dei combustibili per il trasporto. Questi combustibili sintetici possono aiutare in particolare a rendere sostenibile l'aviazione a lungo raggio.
Questi combustibili sono a emissioni zero?
Aldo Steinfeld: Sì, sono carbon neutral perché l'energia solare viene utilizzata per la loro produzione e perché rilasciano durante la combustione solo la quantità di CO 2 che è stata precedentemente estratta dall'aria per la loro produzione. La valutazione del ciclo di vita della catena di produzione del carburante solare indica un'eliminazione dell'80% delle emissioni di gas serra rispetto al carburante fossile per aviogetti e che si avvicina al 100%, o emissioni zero, quando i materiali da costruzione (ad es. acciaio, vetro) sono fabbricati utilizzando energia rinnovabile.
Una raffineria che produce combustibili dalla luce solare e dall'aria... sembra fantascienza. Come funziona?
Aldo Steinfeld: Questa non è fantascienza; si basa sulla pura termodinamica. La raffineria solare è costituita da tre unità di conversione termochimica integrate in serie: la prima, l'unità di cattura diretta dell'aria, che co-estrae CO 2 e H 2 O direttamente dall'aria ambiente. In secondo luogo, l'unità redox solare, che converte CO 2 e H 2 O in una specifica miscela di CO e H 2 i cosiddetti syngas. E terzo, l'unità di sintesi gas-liquido, che alla fine converte il syngas in idrocarburi liquidi.
Com'è stata la resa di syngas/metanolo?
Aldo Steinfeld: La nostra miniraffineria solare è davvero un "mini" sistema per scopi di ricerca. E sebbene abbiamo prodotto quantità relativamente piccole di carburante, lo abbiamo fatto in condizioni reali con l'irraggiamento solare non ottimale di Zurigo. Ad esempio, durante una corsa giornaliera rappresentativa, la quantità di syngas prodotta è di circa 100 litri standard, che possono essere trasformati in circa mezzo decilitro di metanolo puro. Diversi componenti della catena di produzione non sono ancora ottimizzati. L'ottimizzazione è la fase successiva.
Cosa è andato bene e cosa non è stato così ottimale?
Aldo Steinfeld: Ciò che è andato eccezionalmente bene è che abbiamo ottenuto la selettività totale per la scissione di H 2 O in H 2 e ½ O 2 , e di CO 2 in CO e ½ O 2 , cioè nessun sottoprodotto indesiderato del termochimico reazioni. Inoltre, e fondamentale per l'integrazione del processo, siamo stati in grado di personalizzare la composizione del syngas per la sintesi del metanolo o del cherosene. Tuttavia, l'efficienza energetica è ancora troppo bassa. Ad oggi, il valore di efficienza più alto che abbiamo misurato per il reattore solare è del 5,6%. Sebbene questo valore sia un record mondiale per la scissione termochimica solare, non è abbastanza buono. È ancora necessaria una sostanziale ottimizzazione del processo.
Come può essere ulteriormente migliorato il sistema per aumentare l'efficienza?
Aldo Steinfeld: Il recupero del calore tra le fasi redox del ciclo termochimico è essenziale perché può aumentare l'efficienza del reattore solare di oltre il 20 percento. Inoltre, c'è spazio per l'ottimizzazione della struttura del materiale redox, ad esempio mediante strutture ordinate gerarchicamente stampate in 3D per un migliore trasferimento di calore e massa. Stiamo investendo grandi sforzi in entrambe le direzioni e sono ottimista che presto saremo in grado di registrare un nuovo valore record di efficienza energetica.
Per il processo chimico, CO 2 e H 2 O devono prima essere estratti dall'aria e immessi nel sistema. Quanta energia deve essere investita per questo?
Aldo Steinfeld: I fabbisogni energetici specifici per mole di CO 2 catturata sono circa 15 kJ di lavoro meccanico per il pompaggio del vuoto e 500-600 kJ di calore a 95°C a seconda dell'umidità relativa dell'aria. In linea di principio, possiamo utilizzare il calore disperso per azionare l'unità di cattura dell'aria diretta. Ma è necessaria un'enorme quantità di calore di processo ad alta temperatura per scindere l'H 2 O e la CO 2 , e questo è fornito dall'energia solare concentrata.
Scalabilità su scala industriale: è fattibile?
Aldo Steinfeld: Certamente. Un campo eliostato focalizzato su una torre solare può essere utilizzato per l'ingrandimento. L'attuale miniraffineria solare utilizza un reattore solare da 5 kW e, mentre una scala 10x del reattore solare è già stata testata in una torre solare, è ancora necessaria una scala aggiuntiva 20x per un modulo di reattore solare da 1 MW. La torre solare di dimensioni commerciali prevede una serie di moduli di reattore solare e, in particolare, può utilizzare l'infrastruttura di concentrazione solare già stabilita per le centrali solari termiche commerciali.
Tu e il tuo gruppo ve ne prenderete cura?
Aldo Steinfeld: No, questo dipende dai nostri partner industriali. Noi di ETH ci concentriamo sugli aspetti più fondamentali delle tecnologie. Ma ci occupiamo anche del trasferimento tecnologico all'industria, ad esempio attraverso la concessione di licenze di brevetti. Dal mio gruppo, fondato da ex dottorandi, sono già emerse due spin-off: Climeworks commercializza la tecnologia per la cattura della CO 2 dall'aria, mentre Synhelion commercializza la tecnologia per la produzione di combustibile solare da CO 2 .
Per i combustibili bisognerebbe imporre solo un piccolo costo aggiuntivo al volo, grazie all'attuale dominio di mercato dei combustibili fossili, per finanziare gli investimenti nella produzione di combustibili rinnovabili.
Anthony Patt, in qualità di coautore dello studio, ha esaminato come i combustibili solari potrebbero entrare nel mercato e diventare competitivi. Che tipo di politiche sarebbero necessarie per contribuire a renderlo possibile?

Anthony Patt: La nostra analisi degli strumenti politici mostra la necessità di un supporto tecnologico simile a quello che è esistito per l'energia solare ed eolica. Entrambi costavano circa dieci volte di più per costruire e far funzionare i generatori fossili, quando i governi hanno iniziato a sostenerli. L'attuale rapporto tra il prezzo del cherosene solare e quello fossile è dello stesso ordine. Un confronto con altre tecnologie di energia rinnovabile mostra che con un meccanismo di supporto simile, dovrebbe essere possibile ridurre il costo del cherosene solare all'attuale costo del carburante fossile per l'aviazione.
Quali sono le barriere più importanti?
Anthony Patt: La parte più difficile è superare l'elevata barriera del prezzo iniziale. Le tasse sul carbonio non saranno probabilmente efficaci. Se dovessimo tassare il carburante fossile per l'aviazione al punto che il suo costo per le compagnie aeree fosse lo stesso dei combustibili solari, che è ciò che sarebbe necessario, significherebbe renderlo dieci volte più costoso. Nessuno vorrebbe pagare questo costo aggiuntivo per il volo e i politici non sarebbero disposti a imporre questo onere alle persone. Con l'energia solare ed eolica, tuttavia, altri strumenti politici si adattano molto meglio al contesto. Hanno imposto un piccolo costo aggiuntivo sull'elettricità totale consumata e hanno utilizzato queste entrate per finanziare il costo che l'eolico e il solare hanno aggiunto al sistema. Analogamente per i combustibili, bisognerebbe imporre solo un piccolo costo aggiuntivo al volo, grazie all'attuale predominio del mercato dei combustibili fossili, al fine di finanziare investimenti nella produzione di combustibili rinnovabili. Ciò aiuterebbe sicuramente il reattore solare e i combustibili solari a prendere piede nel mercato.
Secondo te, quale sarebbe lo strumento politico ideale per aiutare i combustibili solari nel mercato?
Anthony Patt: Lo strumento più adatto al mercato dei combustibili sarebbe un sistema di quote. Ciò funzionerebbe come segue: le compagnie aeree e gli aeroporti dovrebbero avere una quota minima di combustibili rinnovabili nel volume totale di carburante che immettono nei loro aeromobili. Questo comincerebbe in piccolo, ad esempio l'1 o il 2%. Aumenterebbe i costi totali del carburante, ma solo in misura minima; la quota inizialmente esigua aggiungerebbe solo pochi franchi svizzeri al costo di un tipico volo europeo. La quota aumenterebbe ogni anno, alla fine verso il 100%, il che significa che verrebbero bruciati solo combustibili solari. L'aumento della quota porterebbe a investimenti e questo a sua volta a una diminuzione dei costi, proprio come abbiamo osservato con l'eolico e il solare. Quando i combustibili solari raggiungono il 10-15 percento del volume di combustibile, dovremmo vedere i costi dei combustibili solari avvicinarsi a quelli del cherosene fossile.
Quali posizioni sarebbero adatte per grandi impianti di produzione?
Anthony Patt: Un reattore solare ha bisogno di luce solare diretta, senza nuvole di mezzo. Ha senso costruirli in ambienti aridi, come quelli del sud della Spagna e del Nord Africa, della penisola arabica, dell'Australia, nel sud-ovest degli Stati Uniti, nel deserto del Gobi in Cina o nel deserto di Atacama in Cile. La catena di processo condensa l'acqua dall'aria come un input, ma anche l'aria del deserto è abbastanza umida da fornire le quantità necessarie. Infine, la terra del deserto è relativamente poco costosa, senza usi concorrenti. I combustibili solari sarebbero una merce globale simile ai combustibili fossili odierni e in effetti farebbero affidamento sulla stessa infrastruttura di base per la spedizione e la consegna.
Aldo Steinfeld: I luoghi idonei sono le regioni in cui l'irraggiamento solare diretto annuo normale è superiore a 2000 kWh/m 2 all'anno. A differenza dei biocarburanti, che sono limitati dalla disponibilità di risorse, la domanda globale di carburante per aerei può essere soddisfatta utilizzando meno dell'uno per cento delle terre aride mondiali, che non sono in concorrenza con la produzione alimentare. Per contestualizzare, il consumo globale di cherosene per l'aviazione nel 2019 è stato di 414 miliardi di litri; l'impronta terrestre totale di tutti gli impianti solari necessari per soddisfare pienamente la domanda globale sarebbe di circa 45.000 km 2 , pari allo 0,5 per cento dell'area del deserto del Sahara.



Il riflettore parabolico a inseguimento solare fornisce luce solare concentrata a un reattore solare (visibile attraverso il riflettore secondario) che converte l'acqua e la CO 2 estratta dall'aria in una miscela di syngas, che a sua volta viene ulteriormente trasformata in combustibili drop-in come il cherosene ( Fotografia: ETH Zurigo).
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Ciao 
l'articolo  sui carburanti sintetici e` intessante anche se la comprensione delle reazioni termochimiche non sono mai stato il mio forte. Ho capito che in queste reazioni e` fondamentale estrarre HO2 dall'atmosfera ma ho trovato curioso il suggerimento di uno degli scienziati di costruire questo tipo di miniraffinerie in zone desertiche dove la percentuale di HO2 nell'aria e` minima. Lo scienziato sembra giustificare quell'idea sul fatto che nei deserti il costi immobiliari sono irrilevanti. E` lo stesso discorso che ha stimolato la costruzione dei grossi "data center" nei deserti dall'Arizzona, Utha e Nevadama, ma ora sembra che i costi energetici ricorrenti per il condizionamento di queste strutture ecceda i risparmi attribuiti al basso costo dei terreni. Le solite minchie.
Tra l'altro la Germania, quando perse il controllo dei pozzi di Ploesti durante WWII, si inpegno` totalmente nella produzione di carburanti sintetici ma la differenza con quelli dell'articolo e` che i tedeschi estraevano i carburanti dal carbone con processi estremamente inquinanti.

LG
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Mi pare che la cosa fondamentale del processo sia la luce solare e l'energia senza nuvole intermedie è quello il motivo della scelta dei deserti il basso costo del terreno è solo un sottoprodotto
Clark
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Ottima idea di fidarsi degli svizzeri !? Sono gli stessi che volevano venderci la "pietra filosofale" per creare l'oro dal piombo.
Adesso ci vogliono vendere l'energia presa dall'aria: HA,HA,HA !
Andrea
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