Diverse sfide legate alla transizione energetica possono essere gestite accoppiando i settori dell'energia elettrica e della mobilità. L'energia verde potrebbe essere immagazzinata a lungo termine, combustibili ad alta densità energetica potrebbero essere utilizzati in modo carbon neutral. L'accoppiamento settoriale è stato ora dimostrato dai partner del progetto P2X Kopernikus presso la sede del Karlsruhe Institute of Technology (KIT). I primi litri di carburante sono stati prodotti dall'anidride carbonica catturata dall'aria e dall'energia verde. Per la prima volta, una struttura di prova basata su container che integra tutte e quattro le fasi del processo chimico necessarie è stata utilizzata per implementare un processo continuo con il massimo utilizzo dell'anidride carbonica e un'efficienza energetica molto elevata.

"In tutto il mondo, vento e sole forniscono una quantità sufficiente di energia, ma non sempre al momento giusto, "dice il professor Roland Dittmeyer, KIT, per descrivere il dilemma della transizione energetica. Coordina il cluster di ricerca "Hydrocarbons and Long-chain Alcohols" del progetto Power-to-X (P2X) Kopernikus. "Inoltre, alcuni importanti settori dei trasporti, come il traffico aereo o pesante, continuerà ad avere bisogno di combustibili liquidi in futuro, poiché hanno un'alta densità di energia." Quindi, è ragionevole immagazzinare l'energia verde finora inutilizzata in vettori energetici chimici.

I partner del progetto Climaworks, Ineratec, fuoco di sole, e KIT hanno recentemente combinato le necessarie fasi del processo chimico in un impianto compatto, raggiunto il funzionamento accoppiato, e dimostrato il principio di funzionamento. Questa combinazione di tecnologie promette un utilizzo ottimale dell'anidride carbonica e la massima efficienza energetica, poiché i flussi di massa ed energia vengono riciclati internamente. L'impianto di prova esistente può produrre circa 10 litri di carburante al giorno. Nella seconda fase del progetto P2X Kopernikus, è previsto lo sviluppo di un impianto con una capacità di 200 litri al giorno. Dopo di che, un impianto dimostrativo preindustriale nella gamma dei megawatt, cioè con una capacità produttiva da 1500 a 2000 litri al giorno, sarà progettato. Tale impianto può teoricamente raggiungere efficienze di circa il 60%, il che significa che il 60% dell'energia verde utilizzata può essere immagazzinata nel combustibile come energia chimica.

Quattro passi per fare rifornimento

In un primo passo, l'impianto cattura l'anidride carbonica dall'aria ambiente in un processo ciclico. La tecnologia di cattura diretta dell'aria di Climeworks, uno spin-off del Politecnico di Zurigo, utilizza un materiale filtrante appositamente trattato per questo scopo. Mentre l'aria li attraversa, i filtri assorbono le molecole di anidride carbonica come una spugna. Sotto vuoto e a 95°C, l'anidride carbonica catturata si libera dalla superficie e viene pompata fuori.

Nella seconda fase, la scissione elettrolitica dell'anidride carbonica e del vapore acqueo avviene contemporaneamente. Questa cosiddetta tecnologia di co-elettrolisi commercializzata dall'impresa tecnologica Sunfire produce idrogeno e monossido di carbonio in un'unica fase di processo. La miscela può essere applicata come gas di sintesi per numerosi processi nell'industria chimica. La co-elettrolisi ha un'elevata efficienza e teoricamente lega nel gas di sintesi l'80% dell'energia verde utilizzata in forma chimica.

In un terzo passaggio, la sintesi Fischer-Tropsch viene utilizzata per convertire il gas di sintesi in molecole di idrocarburi a catena lunga, le materie prime per la produzione di combustibile. Per questo, Ineratec, uno spin-off di KIT, contribuisce con un reattore microstrutturato che offre un'ampia superficie in uno spazio minimo per rimuovere in modo affidabile il calore di processo e utilizzarlo per altre fasi del processo. Il processo può essere controllato facilmente, gestire bene i cicli di carico, e può essere scalato in modo modulare.

Nella quarta fase, la qualità del carburante e la resa sono ottimizzate. Questo processo, chiamato idrocracking, è stato integrato nella catena di processo da KIT. Sotto un'atmosfera di idrogeno, le lunghe catene idrocarburiche sono parzialmente fessurate in presenza di un catalizzatore platino-zeolite e, così, spostare la gamma di prodotti verso combustibili più direttamente utilizzabili, come benzina, cherosene, e diesel.

Grazie al suo carattere modulare, il processo ha un grande potenziale. A causa del basso rischio di ridimensionamento, la soglia di attuazione è di gran lunga inferiore a quella di una centrale, impianto chimico su larga scala. Il processo può essere installato decentralizzato in luoghi dove solare, l'energia eolica o idrica è disponibile.

Progetto P2X Kopernikus:uso flessibile delle risorse rinnovabili

"Power-to-X" si riferisce a tecnologie che convertono energia da fonti rinnovabili in materiali di accumulo di energia, vettori energetici, e prodotti chimici ad alta intensità energetica. Le tecnologie Power-to-X consentono l'utilizzo di energia da fonti rinnovabili sotto forma di combustibili personalizzati per veicoli o in polimeri migliorati e prodotti chimici ad alto valore aggiunto. Nell'ambito del programma Kopernikus finanziato dal governo, è stata istituita una piattaforma di ricerca nazionale "Power-to-X" (P2X) per studiare questo problema complesso. Del tutto, 18 istituti di ricerca, 27 aziende industriali, e tre organizzazioni della società civile sono coinvolte nel progetto P2X. Entro un periodo di dieci anni, si prevede di sviluppare nuovi sviluppi tecnologici fino alla maturità industriale. La prima fase di finanziamento si concentra sulla ricerca sull'intera catena del valore dall'energia elettrica ai materiali e ai prodotti che trasportano energia.