Un angolo del deserto dell'Oman è ricoperto da un tipo di roccia con una sete inestinguibile di un gas incolore e inodore vitale per la vita sulla Terra. Quel gas è CO2, e quando reagisce con la peridotite, una roccia abbondante nel mantello terrestre, è assorbito, formando un carbonato solido simile al calcare.

La peridotite dell'Oman assorbe attualmente circa 10, da 000 a 100, 000 tonnellate di anidride carbonica all'anno, ma gli scienziati dicono che con un piccolo intervento umano, potrebbe essere accelerato per assorbire un ottavo dei 38 miliardi di tonnellate di CO2 emesse attraverso la combustione di combustibili fossili in tutto il mondo. Un gas serra, La CO2 si accumula nell'atmosfera terrestre, dove intrappola il calore e fa aumentare la temperatura media globale, alimentando condizioni meteorologiche estreme come ondate di calore più calde, siccità più frequenti, e uragani più potenti. L'attuale concentrazione di CO2 è di circa 400 ppm, il più alto è stato almeno negli ultimi 800, 000 anni.

Sebbene sia solo uno dei tipi di roccia con proprietà di assorbimento della CO2, e un solo metodo per ridurre l'impatto delle emissioni di CO2, la peridotite potrebbe aiutare a mitigare i rischi imminenti posti dal cambiamento climatico.

I pionieri dietro la ricerca sulla peridotite, Peter Kelemen e Juerg Matter, geologi del Lamont-Doherty Earth Observatory della Columbia University, hanno scoperto l'affinità della peridotite per il consumo di CO2 quando l'hanno portata in laboratorio per determinarne l'età. Rendendosi conto che la peridotite aveva reagito con la CO2 relativamente di recente, hanno iniziato a concettualizzare come potrebbe essere ridimensionata la reazione.

Anche se sarebbe troppo costoso spostare la roccia vicino alle centrali elettriche dove potrebbe assorbire le emissioni, i ricercatori suggeriscono che la CO2 potrebbe essere incanalata nel mantello terrestre carico di peridotite attraverso un processo simile alla fratturazione idraulica. Questo potrebbe aprire un gigantesco deposito per il gas che non dipenderebbe dalla posizione, ma comporta implicazioni ambientali che dovrebbero essere prese in attenta considerazione.

Soluzioni guidate dalla natura

I geologi hanno capito da tempo che le rocce sono un importante pozzo di carbonio. L'erosione delle rocce si verifica quando la CO2 si dissolve in goccioline di acqua piovana, aggiungendo l'acidità necessaria per sciogliere i minerali che compongono la roccia. L'erosione delle rocce estrae annualmente dall'atmosfera circa un miliardo di tonnellate di CO2.

"La comprensione di questi processi chimici naturali può portare a scoperte che ci consentono di utilizzare e accelerare i processi che riducono la CO2 nell'atmosfera, "dice Bradley Sageman, professore e cattedra di scienze della terra e planetarie alla Northwestern. "Metodi come questi che oggi sono tecnologia standard erano considerati fantascienza in passato. Prendiamo l'esempio della peridotite dell'Oman. Se potessimo sfruttare quella reazione, abbiamo un meccanismo potenzialmente trasformativo per assorbire la CO2 su larga scala".

Alcuni dei colleghi di Sageman studiano la cinetica delle reazioni degli agenti atmosferici per acquisire una comprensione fondamentale del ciclo del carbonio, la trasformazione circolare del carbonio tra gli esseri viventi e l'ambiente. Gli utilizzatori naturali di CO2 includono foreste, zone umide, e torbiere. Gli scienziati hanno studiato questi e altri serbatoi di carbonio per sviluppare molti processi artificiali che producono effetti simili.

Due tipi di sequestro artificiale comunemente discussi sono lo stoccaggio oceanico, il pompaggio di CO2 in profondità nell'oceano, e il sequestro geologico, l'iniezione di CO2 in profondità nei giacimenti di petrolio e gas esauriti o nei letti di carbone che non possono essere estratti. Gli scienziati esitano a perseguire una di queste soluzioni in modo aggressivo per preoccupazioni sulla stabilità dei sistemi naturali disturbati e sui potenziali effetti sulla vita oceanica.

Per comprendere meglio le dinamiche delle soluzioni di storage, Sageman e il suo team esaminano periodi della storia della Terra caratterizzati da alti livelli di CO2 atmosferica e riscaldamento. "Molto del lavoro che facciamo è migliorare la nostra comprensione di come si è comportato il sistema terrestre durante gli eventi passati del riscaldamento globale. Ciò dovrebbe portare a un quadro migliore per discernere cosa potrebbe accadere in un futuro riscaldamento mondiale, " lui dice.

Mentre la cattura e lo stoccaggio a lungo termine della CO2 suggeriscono alcune soluzioni praticabili per mitigare la CO2, gli scienziati stanno anche considerando il gas come una risorsa per creare energia pulita. In tutto il mondo, ricercatori stanno dimostrando che la CO2 può essere un ingrediente chiave in molte tecnologie che producono prodotti puliti, energia a emissioni zero.

Tali tecnologie potrebbero integrare gli attuali sistemi basati sui combustibili fossili per ridurre le emissioni, e infine catturare la CO2 dall'atmosfera per aiutare a mitigare il cambiamento climatico. Le aziende grandi e piccole, in tutti i settori che vanno dall'energia alle compagnie aeree all'automotive, stanno prendendo nota.

Soluzioni di resistenza industriale

Strateghi del settore su tutta la linea, dalle piccole startup alle multinazionali, stanno cercando di definire i loro ruoli e le opportunità in un futuro di energia pulita. Cercano competenze complementari, tecnologie, o tecnologi che stanno sviluppando innovazioni tecnicamente fattibili, ma manca una visione verso il mercato. Sanno che con il rischio arriva la ricompensa, ei pionieri non stanno aspettando la soluzione perfetta ai loro bisogni energetici; stanno lavorando con i tecnologi più brillanti per crearlo.

Rispetto alle aziende di molti altri settori, le utility non sono note per investire pesantemente in ricerca e sviluppo, basandosi invece su una base di conoscenza relativamente statica. Rompere quello status quo, Exelon, la più grande utility regolamentata del paese che serve 10 milioni di consumatori, sta investendo in modo aggressivo in tecnologie che può trasformare in prodotti rivolti al cliente.

Exelon sta investendo in molti progetti in fase iniziale e intermedia che integrano i suoi servizi riducendo anche la sua impronta di carbonio, compresi gli investimenti in energia solare, celle a combustibile, e batterie. Un esempio, una società chiamata NetPower, utilizza la CO2 come fluido di lavoro per azionare una turbina a combustione che genera elettricità senza produrre emissioni. Il sistema produce anche CO2 di qualità nelle condutture che può essere immagazzinata o utilizzata nei processi industriali, compreso un processo avanzato di recupero dell'olio in cui la CO2 viene iniettata in un giacimento di petrolio per aumentare la produzione.

A marzo 2016, NetPower ha avviato un impianto dimostrativo da 50 megawatt a La Porte, Texas, con l'obiettivo di operare con la stessa efficienza dei migliori impianti di gas naturale oggi. Parte di un programma da 140 milioni di dollari, l'impianto includerà il progresso tecnologico in corso, un programma completo di test e operazioni, e sviluppo di prodotti commerciali. Toshiba fornirà una turbina a CO2 supercritica e un combustore per il progetto.

"Molte persone dicono che il gas naturale è un combustibile ponte per ridurre le emissioni nel settore elettrico, ma poiché la maggior parte degli impianti a gas naturale è alimentata da turbine che si basano su un tradizionale ciclo a vapore, non possono produrre CO2 di alta qualità che può essere riutilizzata per altre cose, " dice Gould. "Inoltre, poiché gli impianti NetPower non richiedono vapore per azionare le turbine, elimina anche il consumo di acqua."

Alimentare la creazione di valore

Come NetPower, molte aziende tecnologiche hanno sviluppato processi per aiutare le industrie a ridurre la loro impronta di carbonio, e in alcuni casi, fare nuovi prodotti nel processo. Una di queste società, LanzaTech, sta facendo scalpore nel riciclaggio del carbonio con un processo biologico proprietario che utilizza un microbo per convertire le emissioni industriali in combustibili e sostanze chimiche utili.

"Trasformiamo le emissioni in una varietà di nuovi prodotti di valore che altrimenti verrebbero da materie prime, "dice Prabhakar Nair, Vicepresidente di LanzaTech per lo sviluppo del business.

Il processo di LanzaTech funziona con una varietà di microbi, consentendo a un cliente di specificare l'output desiderato, attualmente etanolo o butandiolo, e di sfruttare le condizioni di mercato.

Dopo aver aperto due stabilimenti di pre-produzione in Cina, LanzaTech prevede di aprire il suo primo impianto commerciale in scala a Shanghai alla fine del 2017. La società sta anche lavorando con il più grande produttore mondiale di acciaio, ArcelorMittal, realizzare un progetto su scala commerciale presso la sua acciaieria di punta in Belgio.

La chiave del successo dell'azienda, secondo Nair, risiede nella sinergia tra la tecnologia, partner del settore, e acquirenti di prodotti. Il servizio completo in una struttura su scala demo include il collegamento di partner del settore con acquirenti per il sottoprodotto che viene prodotto lì. Per esempio, LanzaTech ha collegato i produttori di acciaio alle raffinerie locali che sono obbligate dalla normativa a mescolare l'etanolo nelle loro miscele di combustibili.

"Svolgendo il ruolo di ponte tra le industrie che hanno una fornitura di materie prime e quelle che ne hanno bisogno, e facendo ciò con le emissioni di rifiuti, stiamo mettendo in moto l'economia circolare, "dice Nair.

L'azienda ha recentemente ricevuto 4 milioni di dollari dall'Ufficio per le tecnologie bioenergetiche del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti per progettare e pianificare un impianto dimostrativo che utilizza i gas di scarico industriali della produzione di acciaio per produrre tre milioni di galloni di jet a basse emissioni di carbonio e carburanti diesel all'anno. Questo avviene sulla scia di una partnership con Virgin Atlantic, che prevede un volo di prova nel 2017 utilizzando carburante per jet a base di etanolo a basse emissioni di carbonio proprietario di LanzaTech. LanzaTech stima che la sua tecnologia sia compatibile con il 65% delle acciaierie, e se implementato potrebbe produrre 15 miliardi di galloni di carburante per aerei all'anno, o un quinto del carburante per aviazione utilizzato in tutto il mondo.

La corsa alla raffineria solare

Immagina di fermarti alla stazione di servizio domani, ma invece di scegliere tra senza piombo, più, o diesel, raggiungi un carburante altamente efficiente fatto solo dalla luce del sole, acqua, e CO2.

Questi stessi componenti che compongono questo "combustibile solare" sono le stesse tre cose che le piante viventi convertono in cibo. Soprannominata "fotosintesi artificiale, " su larga scala questo processo potrebbe superare grandi ostacoli nella riduzione della dipendenza dai combustibili fossili.

Con i suoi vantaggi, non c'è da meravigliarsi se la ricerca sui combustibili solari è decollata in tutto il mondo, dagli hub in Giappone e Svezia al Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP) in California, fondata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nel 2010. Con un budget di 122 milioni di dollari in cinque anni, La missione di JCAP è costruire un prototipo di un sistema di combustibili solari.

I componenti del sistema immaginato da JCAP sono abbastanza basilari. Il sistema richiede un materiale fotovoltaico per assorbire l'energia luminosa dal sole, che viene poi diretto a due catalizzatori separati per abbassare l'ostacolo energetico per una reazione. Un catalizzatore divide l'acqua in protoni e ossigeno e l'altro converte l'anidride carbonica e i protoni in idrocarburi, i principali componenti dei combustibili. Sebbene questi processi siano attualmente possibili, presentano ancora delle sfide.

Uno è economico. I materiali utilizzati sia nel fotovoltaico che nei catalizzatori sono costosi, compresi materiali rari come iridio o platino, che presenta una sfida di scalabilità. L'altro è l'efficienza. Sebbene dieci volte più efficiente della fotosintesi naturale nel catturare e convertire l'energia solare, la più alta efficienza registrata per la fotosintesi artificiale è ancora solo del 10 percento. È meno della metà dell'efficienza dei pannelli in silicio oggi sul mercato.

Allora perché tutto il trambusto per produrre combustibili ad alta densità energetica quando oggi disponiamo di tecnologie rinnovabili più efficienti? Fonti di energia rinnovabile, compreso solare ed eolico, può essere generato solo a intermittenza, quando splende il sole o soffia il vento. I combustibili rappresentano un'opzione praticabile per lo stoccaggio di energia su scala di rete che potrebbe compensare tale intermittenza ed essere facilmente trasportati dove sono necessari.

La densità energetica dei combustibili è inoltre circa 100 volte maggiore di quella delle batterie più performanti, e molti mezzi di trasporto, comprese automobili, navi, e aeroplani:hanno già l'infrastruttura per funzionare con i combustibili. E quando si tratta di mitigare gli effetti del cambiamento climatico, se questi combustibili fossero prodotti dall'anidride carbonica catturata dall'aria, il processo sarebbe a zero emissioni di carbonio e non emetterebbe nuovi gas serra nell'atmosfera.

Collaborazione su scala globale

Poiché molte domande rimangono senza risposta, JCAP ha modificato il suo obiettivo di creare un sistema di combustibili solari, concentrandosi invece sull'ottenere i fondamenti giusti. Nel frattempo, altri scienziati portano avanti un approccio all'intero sistema.

Questo approccio richiederà collaborazione e ingegneria dei sistemi, dice Michael R. Wasielewski, Clare Hamilton Hall Professoressa di chimica e direttrice dell'Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center (ANSER). "I ricercatori hanno sottosistemi in grado di eseguire a un certo livello di base, ma quando cerchi di integrarli, non è senza soluzione di continuità e quindi non è commercialmente redditizio. Hai bisogno di scienziati che collaborino con gli ingegneri per risolvere i bug e creare un sistema funzionante completo, " dice Wasielewski.

In ANSER, un Energy Frontier Research Center del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Wasielewski lavora con più di 60 ricercatori per sviluppare una comprensione fondamentale delle molecole, materiali, e metodi necessari per creare tecnologie significativamente più efficienti per i combustibili solari e la produzione di elettricità solare. Nel 2013, Wasielewski ha anche fondato il Solar Fuels Institute (SOFI).

SOFI ha lanciato un progetto dimostrativo in sei fasi nel 2016 con l'obiettivo di adottare un approccio sistemico allo sviluppo di combustibili solari. Alla fine dello scorso anno, Gli scienziati di SOFI hanno prodotto con successo metanolo nel laboratorio della Northwestern. "Il progetto demo SOFI è stato visto come un sistema fin dall'inizio, " dice Wasielewski. "Avremo bisogno di fare questo lavoro da un'estremità all'altra. Ma non possiamo farcela da soli".

In qualità di consorzio globale, SOFI ha partner universitari e industriali di tutto il mondo, da istituzioni accademiche che abbracciano tre continenti a importanti multinazionali come Shell e Total. Ancora, SOFI è alla ricerca di collaborazioni da settori di ampio respiro, tra cui economia e politica, lavorare sulle strategie di attuazione.

"Parlando in generale, "Wassielewski dice, "scienziati e ingegneri possono trovare più di una soluzione a un problema. Possiamo mettere a punto un processo per renderlo molto più efficiente, ma non possiamo sapere quali sono le priorità per i clienti del mondo reale se non li coinvolgiamo all'inizio. Questo è ciò che costituisce una tecnologia rivoluzionaria".