Berkeley Lab sta portando avanti un portafoglio di tecnologie per le emissioni negative e la relativa ricerca per rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera. Credito:Gary Whitton/Shutterstock
L'attività umana sta ora portando all'equivalente di 40 miliardi di tonnellate di anidride carbonica emessa nell'atmosfera ogni anno, mettendoci sulla buona strada per aumentare la temperatura del pianeta di 1,5 gradi Celsius rispetto ai livelli preindustriali entro il 2040. Secondo l'Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), dobbiamo limitare il riscaldamento globale a 1,5 gradi Celsius per evitare gli impatti più pericolosi del cambiamento climatico.
Sempre più, gli scienziati riconoscono che le tecnologie a emissioni negative (NET) per rimuovere e sequestrare l'anidride carbonica dall'atmosfera saranno una componente essenziale della strategia per mitigare il cambiamento climatico. Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), un laboratorio di ricerca multidisciplinare del Dipartimento di Energia, sta portando avanti un portafoglio di tecnologie per le emissioni negative e la relativa ricerca. Questi vanno dal sequestro geologico e terrestre, alla conversione in bioprodotti, ai reattori termici per combustibili a idrogeno.
Una tecnologia promettente in fase di sviluppo per le reti è la cattura del carbonio utilizzando un materiale chiamato MOF, o struttura metallo-organica. Jeffrey Long, uno scienziato senior nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e anche professore al College of Chemistry dell'UC Berkeley, ha lavorato con questo materiale unico per un certo numero di anni.
D. Che cos'è un MOF e che ruolo può svolgere nella riduzione della CO 2 emissioni?
UN MOF, o struttura metallo-organica, è un tipo di materiale solido altamente poroso e si comporta come una spugna, in grado di assorbire grandi quantità di una specifica molecola di gas, come l'anidride carbonica. Sono stati circa 20 anni, e c'è stata un'esplosione nella ricerca nell'ultimo decennio poiché gli scienziati stanno trovando sempre più applicazioni pratiche. La particolarità dei MOF è che hanno superfici interne estremamente elevate. Solo un grammo di MOF, una quantità simile a una zolletta di zucchero, può avere una superficie maggiore di un campo da calcio. Di conseguenza, se progettato correttamente, una piccola quantità di MOF può rimuovere un'enorme quantità di CO 2 dai gas di scarico prodotti dalla combustione di combustibili fossili.
Qualche anno fa abbiamo fatto una scoperta fortuita che alcuni MOF possono catturare l'anidride carbonica attraverso un meccanismo simile a un interruttore senza precedenti. Abbiamo ulteriormente ottimizzato il materiale per un'efficace rimozione della CO 2 da una canna fumaria di una centrale elettrica prima che il gas entri nell'atmosfera. Abbiamo dimostrato che la cattura e il rilascio di anidride carbonica dal MOF potrebbe essere ottenuto utilizzando variazioni di temperatura molto più piccole di quelle richieste per altre tecnologie, dandogli un grande vantaggio rispetto ai modi convenzionali per catturare la CO 2 . (La CO . adsorbita 2 può quindi essere utilizzato in altri prodotti.) Questa strategia elimina la necessità di deviare vapore ad alta temperatura lontano dalla produzione di energia, evitando un forte aumento del costo dell'energia elettrica. Nel corso di questi sforzi, abbiamo anche dimostrato che varianti dei MOF potrebbero essere efficienti per la rimozione di CO 2 da altre miscele di gas, compreso il biogas, gas naturale, e anche direttamente dall'aria.
Per la cattura diretta dell'aria, I MOF sono il modo migliore che abbiamo per farlo che vedo. Per la parte relativa alla cattura del carbonio del BECCS (o bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio, una tecnologia emergente per le emissioni negative), dove stai essenzialmente coltivando alberi o colture, bruciandoli come combustibile, quindi catturando e sequestrando quella CO 2 , Penso che i MOF potrebbero anche fare la parte di acquisizione meglio di qualsiasi altro materiale.
D. Sembra molto promettente. Qual è lo stato attuale di questa tecnologia? Viene utilizzato commercialmente?
Una società di avvio chiamata Mosaic Materials (in cui ho un interesse finanziario) è stata costituita nel 2014 per perseguire la produzione commerciale di MOF per vari CO 2 processi di separazione. Al Berkeley Lab stiamo conducendo un progetto finanziato attraverso il National Energy Technology Laboratory (NETL) in cui stiamo lavorando con Mosaic Materials e una società di ingegneria canadese chiamata Svante per effettuare una dimostrazione pilota per un gas di combustione di una centrale elettrica a carbone.
Qui, l'uso del MOF in un esclusivo sistema a letto rotante può ottenere tempi di ciclo di cattura-rilascio rapidi e un consumo energetico ridotto. In definitiva, si prevede che la diffusione commerciale diffusa di tale tecnologia potrebbe comportare una drastica riduzione dei costi e dell'energia associati alla cattura del carbonio, poiché viene necessariamente implementato in tutto il mondo.
Altrove, I MOF sono in uso commerciale per lo stoccaggio sicuro di altri gas pericolosi. Per la cattura di CO2, Direi che ora sono quasi pronti per la distribuzione commerciale.
D. Se questo è il caso, allora quali ulteriori ricerche sui MOF sono necessarie?
Dobbiamo ridurre drasticamente il costo della cattura diretta dell'aria. È molto costoso da fare ora. Ci sono già aziende che lo fanno—costruiscono unità con ventilatori che soffiano aria attraverso dispositivi contenenti materiali porosi—ma i materiali in uso non sono molto efficaci, rendendo le unità estremamente costose da utilizzare. Il costo della rimozione della CO 2 con una tale tecnologia è attualmente dell'ordine di $ 500 a $ 1, 000 per tonnellata. Abbiamo bisogno di escogitare materiali ad alte prestazioni per aiutare a ridurre i costi al di sotto di $ 100 per tonnellata.
Il problema principale alla base di questo costo elevato è la quantità di energia necessaria per rigenerare l'adsorbente, ovvero per il rilascio di CO 2 in forma pura in modo che il materiale possa essere riutilizzato per catturare più CO 2 . Qui, pensiamo che il meccanismo di adsorbimento cooperativo accessibile nei MOF potrebbe ridurre significativamente i requisiti di calore e vuoto per la rigenerazione.
Un'altra considerazione, anche se, è l'energia necessaria per soffiare aria. Se hai un flusso d'aria che entra sono 410 parti per milione di CO 2 , una delle difficoltà è che la maggior parte dei materiali potrebbe rimuoverne una piccola quantità e abbassare la CO 2 concentrazione su, dire, 300 ppm, catturando il 25% della CO 2 . Questo è quello che viene chiamato il tasso di cattura. E poi per catturare di più, devi fondamentalmente far fluire più aria attraverso il materiale per riempirlo.
Ma con un tasso di cattura di, dire, 90% potresti abbassare la CO 2 concentrazione a 40 parti per milione con un solo passaggio. Ciò significa che stai soffiando molta meno aria per rimuovere la CO 2 e quindi risparmio energetico.
Uno dei nostri obiettivi di ricerca è quello di sviluppare materiali che abbiano un'elevata capacità, un alto tasso di cattura, cinetica veloce per CO 2 adsorbimento, e una bassa temperatura di rigenerazione, limitando anche il co-assorbimento dell'acqua in modo da non sprecare energia nel suo desorbimento se non è necessario. La cinetica significa quanto velocemente la CO 2 è ripreso dal materiale.
Penso che ci sia un percorso per arrivare a meno di $ 100 per tonnellata di CO 2 rimosso dall'aria. C'è ancora molta ricerca necessaria per arrivarci. Dobbiamo davvero ripensare ad alcuni dei modi in cui i materiali sono progettati e capire come manipolare cose come delta-S (entropia) per CO 2 adsorbimento, in modo che sia richiesto meno calore per la CO 2 pubblicazione.
