I ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo sistema che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per convertire le emissioni di anidride carbonica delle centrali elettriche in combustibili utili per le automobili, camion, e aerei, nonché in materie prime chimiche per un'ampia varietà di prodotti.

Il nuovo sistema basato su membrane è stato sviluppato dal postdoc del MIT Xiao-Yu Wu e Ahmed Ghoniem, il professore di ingegneria meccanica Ronald C. Crane, ed è descritto in un articolo sulla rivista ChemSusChem . La membrana, fatto di un composto di lantanio, calcio, e ossido di ferro, consente all'ossigeno di un flusso di anidride carbonica di migrare dall'altra parte, lasciando dietro di sè il monossido di carbonio. Altri composti, noti come conduttori elettronici ionici misti, sono anche in esame nel loro laboratorio per l'uso in molteplici applicazioni, tra cui la produzione di ossigeno e idrogeno.

Il monossido di carbonio prodotto durante questo processo può essere utilizzato come combustibile da solo o combinato con idrogeno e/o acqua per produrre molti altri idrocarburi liquidi nonché sostanze chimiche tra cui il metanolo (utilizzato come carburante per autoveicoli), syngas, e così via. Il laboratorio di Ghoniem sta esplorando alcune di queste opzioni. Questo processo potrebbe diventare parte della suite di tecnologie note come cattura del carbonio, utilizzo, e stoccaggio, o CCUS, che se applicato alla produzione di elettricità potrebbe ridurre l'impatto dell'uso di combustibili fossili sul riscaldamento globale.

La membrana, con una struttura nota come perovskite, è "100% selettivo per l'ossigeno, "lasciando passare solo quegli atomi, Wu spiega. La separazione è guidata da temperature fino a 990 gradi Celsius, e la chiave per far funzionare il processo è mantenere l'ossigeno che si separa dall'anidride carbonica che scorre attraverso la membrana fino a raggiungere l'altro lato. Questo potrebbe essere fatto creando un vuoto sul lato della membrana opposto al flusso di anidride carbonica, ma ciò richiederebbe molta energia per mantenerlo.

Al posto del vuoto, i ricercatori utilizzano un flusso di carburante come l'idrogeno o il metano. Questi materiali sono così facilmente ossidabili che attireranno effettivamente gli atomi di ossigeno attraverso la membrana senza richiedere una differenza di pressione. La membrana impedisce anche all'ossigeno di tornare indietro e ricombinarsi con il monossido di carbonio, per formare di nuovo anidride carbonica. In definitiva, e a seconda dell'applicazione, una combinazione di un po' di vuoto e di un po' di carburante può essere usata per ridurre l'energia richiesta per guidare il processo e produrre un prodotto utile.

L'input di energia necessario per mantenere il processo in corso, Wu dice, è calore, che potrebbe essere fornita dall'energia solare o dal calore di scarto, alcuni dei quali potrebbero provenire dalla stessa centrale elettrica e altri da altre fonti. Essenzialmente, il processo permette di immagazzinare quel calore in forma chimica, da usare ogni volta che è necessario. L'immagazzinamento di energia chimica ha una densità energetica molto elevata, la quantità di energia immagazzinata per un dato peso di materiale, rispetto a molte altre forme di immagazzinamento.

A questo punto, Wu dice, lui e Ghoniem hanno dimostrato che il processo funziona. La ricerca in corso sta esaminando come aumentare i tassi di flusso di ossigeno attraverso la membrana, magari cambiando il materiale usato per costruire la membrana, modificando la geometria delle superfici, o aggiungendo materiali catalizzatori sulle superfici. I ricercatori stanno anche lavorando all'integrazione della membrana nei reattori funzionanti e all'accoppiamento del reattore con il sistema di produzione del carburante. Stanno esaminando come questo metodo potrebbe essere ampliato e come si confronta con altri approcci per catturare e convertire le emissioni di anidride carbonica, in termini sia di costi che di effetti sull'operatività complessiva della centrale.

In una centrale elettrica a gas naturale su cui il gruppo di Ghoniem e altri hanno lavorato in precedenza, Wu dice che il gas naturale in arrivo potrebbe essere diviso in due flussi, uno che verrebbe bruciato per generare elettricità producendo un flusso puro di anidride carbonica, mentre l'altro flusso andrebbe al lato del carburante del nuovo sistema a membrana, fornendo la fonte di combustibile che reagisce con l'ossigeno. Quel flusso produrrebbe un secondo output dall'impianto, una miscela di idrogeno e monossido di carbonio noto come syngas, che è un combustibile industriale e una materia prima ampiamente utilizzati. Il syngas può anche essere aggiunto alla rete di distribuzione del gas naturale esistente.

Il metodo può quindi non solo ridurre le emissioni di gas serra; potrebbe anche produrre un altro potenziale flusso di entrate per aiutare a sostenere i suoi costi.

Il processo può funzionare con qualsiasi livello di concentrazione di anidride carbonica, Wu dice—l'hanno testato fino in fondo dal 2 percento al 99 percento—ma maggiore è la concentrazione, più efficiente è il processo. Così, è particolarmente adatto al flusso di uscita concentrato delle centrali elettriche convenzionali a combustione di combustibili fossili o di quelle progettate per la cattura del carbonio come gli impianti di ossicombustione.