Dimostrata la fattibilità tecnica della produzione di carburanti sostenibili

Negli ultimi due anni, i ricercatori guidati da Aldo Steinfeld, professore di Fonti energetiche rinnovabili presso l'ETH di Zurigo, hanno messo in funzione una mini raffineria solare sul tetto del laboratorio di macchine nel centro di Zurigo. Questo impianto, unico nel suo genere, è in grado di produrre combustibili liquidi come il metanolo o la paraffina dalla luce solare e dall'aria in un processo a più fasi.

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 di Zurigo, spiegano cosa hanno rivelato gli esperimenti, dove c'è bisogno di ottimizzazione e come la paraffina solare può riuscire a entrare nel mercato.

La mini raffineria solare è in funzione da due anni. Qual è il suo bilancio?
Aldo Steinfeld: "Siamo riusciti a dimostrare con successo la fattibilità tecnica dell'intera catena del processo termochimico per la conversione della luce solare e dell'aria ambiente in carburanti drop-in. L'intero sistema funziona in modo stabile in condizioni reali di radiazione solare e ci serve come piattaforma unica per ulteriori ricerche e sviluppi".

Cosa si intende per carburanti drop-in?
Aldo Steinfeld: I carburanti drop-in sono alternative sintetiche agli idrocarburi liquidi derivati dal petrolio, come la paraffina e la benzina. Questi carburanti sintetici sono pienamente compatibili con le infrastrutture esistenti per lo stoccaggio, la distribuzione e l'utilizzo finale e possono contribuire in particolare alla sostenibilità del trasporto aereo a lungo raggio.

Questi combustibili sintetici sono a base di CO₂-neutrale?
Aldo Steinfeld: Sì, sono impianti che trasformano la CO₂-neutrale, perché per produrlo si utilizza l'energia solare e perché la quantità di CO₂ viene rilasciata nella stessa quantità di quella precedentemente estratta dall'aria per la loro produzione. La valutazione del ciclo di vita della catena di produzione dei combustibili solari mostra che le emissioni di gas serra possono essere evitate dell'80% rispetto alla paraffina fossile e che sono prossime allo zero se i materiali utilizzati per costruire gli impianti di produzione, come il vetro e l'acciaio, sono prodotti con energie rinnovabili.

Una raffineria che produce carburanti dalla luce del sole e dall'aria: sembra fantascienza. Ma come funziona?
Aldo Steinfeld: Non si tratta di fantascienza. La tecnologia si basa sulla pura termodinamica. Consiste in tre unità di conversione termochimica collegate in serie. In primo luogo, l'unità di separazione dell'aria, che estrae anidride carbonica e acqua direttamente dall'aria ambiente. In secondo luogo, l'unità di ossidoriduzione solare, che estrae la CO₂ e H₂O in una miscela specifica di CO e H₂,chiamato syngas. E terzo: l'unità di sintesi gas-liquido, che converte infine il syngas in idrocarburi liquidi.

Qual è stata la resa di syngas e metanolo nei due anni di funzionamento?
Aldo Steinfeld: La nostra mini raffineria solare è un impianto a scopo di ricerca; di conseguenza, ha prodotto solo piccole quantità di carburante. Tuttavia, abbiamo ottenuto questo risultato in condizioni reali, con la radiazione solare non ottimale di Zurigo. In un'operazione giornaliera rappresentativa, la quantità di syngas prodotta è di circa 100 litri standard, che possono essere trasformati in circa mezzo decilitro di metanolo puro.

Cosa è andato bene, cosa non è andato in modo ottimale?
Aldo Steinfeld: L'aspetto eccezionalmente positivo è che abbiamo ottenuto una selettività completa. Ciò significa che non abbiamo ottenuto alcun sottoprodotto indesiderato durante la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno e durante la scissione dell'anidride carbonica in monossido di carbonio e ossigeno. Inoltre - e questo è fondamentale per l'integrazione del processo - siamo stati in grado di adattare la composizione del syngas alla sintesi di metanolo o paraffina. Tuttavia, l'efficienza energetica è ancora troppo bassa. Finora, l'efficienza più alta che abbiamo misurato per il reattore solare è del 5,6%. Sebbene questo valore rappresenti un record mondiale per la fissione termochimica solare, non è sufficiente. ? ancora necessaria una notevole ottimizzazione del processo.

Quali ottimizzazioni sono particolarmente importanti?
Aldo Steinfeld: Il recupero del calore tra le fasi di reazione del ciclo termochimico è essenziale, in quanto può aumentare l'efficienza del reattore solare fino a oltre il 20%. Inoltre, la struttura del materiale redox può essere ottimizzata, ad esempio attraverso strutture gerarchiche stampate in 3D che migliorano il trasferimento di calore e massa. Stiamo facendo grandi sforzi in entrambe le direzioni e sono ottimista sul fatto che presto raggiungeremo un nuovo record di efficienza energetica.

Per il processo chimico, la CO₂ e H₂L'O può essere estratto dall'aria e immesso nel sistema. Quanta energia è necessaria?
Il fabbisogno energetico specifico per mole di CO₂ è di circa 15 kilojoule di lavoro meccanico per la pompa del vuoto e di 500-600 kilojoule di calore a 95°C, a seconda dell'umidità relativa. Tuttavia, possiamo utilizzare il calore di scarto del reattore solare per azionare l'estrazione. Tuttavia, la maggior parte del calore di processo ad alta temperatura viene utilizzato per la scissione dell'acqua e della CO₂ e fornita dall'energia solare concentrata.

Questa tecnologia può essere implementata su scala industriale?
Aldo Steinfeld: Assolutamente sì. Un campo eliostatico focalizzato su una torre solare può essere usato per scalare. L'attuale mini raffineria solare utilizza un reattore solare da 5 kilowatt. Un sistema dieci volte più grande è già stato testato in una torre solare. Per un modulo di reattore solare da 1 megawatt è ancora necessario un ridimensionamento di 20 volte. La torre solare su scala industriale prevede una serie di moduli di reattori solari e può utilizzare in primo luogo l'infrastruttura di concentrazione solare già esistente per le centrali solari termiche commerciali.

Tu e il tuo gruppo riuscirete a risolverlo?
Aldo Steinfeld: No, questa è una questione che riguarda i nostri partner industriali. Noi dell'ETH ci concentriamo sugli aspetti fondamentali della tecnologia. Ma ci occupiamo anche del trasferimento delle tecnologie all'industria, ad esempio concedendo licenze per i brevetti. Dal mio gruppo sono già nate due aperture, fondate da dottorandi: Climeworks commercializza la tecnologia per la cattura della CO₂-dall'aria, mentre Synhelion sta sviluppando la tecnologia per produrre carburante solare dalla CO₂ commercializzato.

Anthony Patt, in qualità di coautore dello studio su Nature, avete analizzato come dovrebbe essere organizzato l'ingresso sul mercato del combustibile solare. Quale sarebbe una misura politica efficace per aiutare la tecnologia a raggiungere una svolta?
Tony Patt: La nostra analisi delle misure politiche mostra che le misure di sostegno dovrebbero essere simili a quelle per l'energia eolica e solare. Quando i governi hanno iniziato a sovvenzionare queste energie, l'elettricità prodotta dall'energia eolica e solare era dieci volte più costosa di quella generata dai combustibili fossili. Oggi il rapporto tra il prezzo della paraffina solare e quello dei combustibili fossili è simile. Un confronto con altre tecnologie di energia rinnovabile mostra che, con le giuste misure di sostegno, il prezzo della paraffina prodotta dalle raffinerie solari scenderà al livello attuale della benzina fossile entro pochi anni.

Quale ostacolo si frappone?
Tony Patt: La cosa più difficile è superare la barriera del prezzo inizialmente elevato. Con la cattura di CO₂-Non si può fare con le tasse. Se si mettesse una tassa sul carburante fossile per l'aviazione per renderlo costoso come il carburante solare per l'aviazione, la paraffina fossile sarebbe inizialmente dieci volte più costosa. Nessuno sarebbe disposto a pagare questo prezzo. E i politici non sono disposti a introdurre tasse così alte. Tuttavia, gli strumenti che richiedono solo una piccolissima sovrattassa sui combustibili fossili, che dominano il mercato, hanno funzionato bene nel promuovere l'energia solare ed eolica. Il prezzo dei combustibili fossili deve essere aumentato solo leggermente per generare fondi sufficienti a promuovere i combustibili rinnovabili a causa del potere di mercato dei combustibili fossili. Abbiamo bisogno di un meccanismo di prezzo di questo tipo per aiutare il reattore solare e la benzina solare per l'aviazione che produce a raggiungere una svolta.

Secondo lei, qual è lo strumento più efficace per aiutare il combustibile solare a raggiungere una svolta?
Tony Patt: un sistema di quote è il più adatto. Funziona così: Le compagnie aeree e gli aeroporti sono obbligati ad aggiungere una percentuale minima prescritta di carburante solare per l'aviazione a ogni litro di paraffina che riempiono. Inizialmente questa percentuale potrebbe essere, ad esempio, dall'1 al 2%. Anche se questo renderà la paraffina complessivamente più costosa, l'aumento di prezzo sarà modesto e probabilmente di pochi franchi a biglietto per i voli in Europa. La quota sarà poi aumentata ogni anno fino a raggiungere il 100% dopo un certo periodo di tempo, il che significa che sarà possibile rifornirsi solo di paraffina solare. L'aumento graduale della quota porterà a un drastico calo del prezzo della paraffina solare, proprio come abbiamo visto con l'energia eolica e solare. Secondo i nostri calcoli, il carburante solare per l'aviazione costerà già oggi come la paraffina fossile con una quota del 10-15%. Questo è politicamente realistico e più facile da realizzare.

Dove avrebbe senso costruire grandi impianti?
Tony Patt: Il reattore solare ha bisogno della luce diretta del sole. Per questo motivo ha senso costruire impianti su larga scala solo nelle regioni desertiche, ad esempio nel sud della Spagna e nel Nord Africa, nella penisola arabica, in Australia, nel sud-ovest degli Stati Uniti, nel deserto del Gobi in Cina o nel deserto di Atacama in Cile. La catena del processo solare richiede come materiale di partenza l'acqua dell'aria, che è disponibile in quantità sufficienti anche nell'aria secca del deserto. Inoltre, i terreni desertici sono poco costosi e in genere non ci sono altri requisiti di utilizzo come nelle aree densamente popolate. Come gli attuali combustibili fossili, i combustibili solari sarebbero materie prime globali che si affidano alle stesse infrastrutture per il trasporto e la consegna.

Aldo Steinfeld: I luoghi adatti sono regioni in cui la normale radiazione solare diretta annuale è superiore a 2000 kWh per metro quadro all'anno. A differenza dei biocarburanti, che sono limitati dall'offerta di risorse, la domanda globale di carburanti solari per l'aviazione può essere soddisfatta utilizzando meno dell'uno per cento della terra secca mondiale, senza entrare in competizione con la produzione alimentare. Per fare un confronto: nel 2019, il consumo globale di paraffina nel settore dell'aviazione è stato di 414 miliardi di litri. L'area totale di tutti gli impianti solari che sarebbero necessari per coprire completamente la domanda globale sarebbe di circa 45.000 chilometri.² che corrisponde allo 0,5% dell'area del Sahara.