Ricerca di una soluzione energetica sostenibile con le strutture metallorganiche
Promuovere l'innovazione in campo energetico con le soluzioni di cattura e stoccaggio dell’ anidride carbonica, o CCS
Scorrere verso il basso
Rimuove in modo efficiente oltre il0dell'anidride carbonica emessa dalle centrali elettriche a
gas naturale
Una nuova famiglia di materiali potrebbe contribuire a trasformare il modo in cui il mondo riduce le emissioni.
I ricercatori dell'Università della California, a Berkeley, e la ExxonMobil hanno sviluppato nuovi materiali denominati strutture metallorganiche, o MOF. La ricerca è ancora in fase iniziale ma, se commercializzati, questi MOF potrebbero aiutare a catturare oltre il 90% delle emissioni di anidride carbonica (CO2) emesse dalle centrali a gas naturale per la produzione di energia elettrica. Si tratta di un risultato significativo, perché la CO2 in questi flussi di gas naturale è fortemente diluita rispetto a quella nei fumi di scarico degli impianti a carbone, per cui la rimozione di queste molecole può essere difficile.
I risultati della ricerca sono stati rivisti da esperti e pubblicati su Science, una delle principali riviste scientifiche a livello mondiale. È un altro risultato dell’ampio portafoglio di ricerche della ExxonMobil incentrate sulle tecnologie di cattura e stoccaggio dell’anidride carbonica (CCS).
CCS è un acronimo che indica una serie di tecnologie in grado di eliminare le emissioni di CO2 prima che raggiungano l'atmosfera. La CO2 viene quindi stoccata in modo sicuro e permanente nel sottosuolo, in giacimenti esauriti di petrolio e gas naturale. Un potenziale utilizzo delle tecnologie CCS è quello di catturare le emissioni dei flussi di scarico delle centrali elettriche, che rappresentano circa il 25% delle emissioni globali di CO2.
Insieme alle energie rinnovabili come l’energia solare e quella eolica, ai carburanti a basse emissioni e all’idrogeno, le tecnologie CCS sono fondamentali per aiutare la società a raggiungere l'obiettivo di un futuro energetico a ridotte emissioni di anidride carbonica. L'International Energy Agency ha segnalato che gli obiettivi di riduzione delle emissioni dell'Accordo di Parigi non possono essere soddisfatti senza tecnologie CCS.1 Un recente studio della Princeton University ha, inoltre, concluso che l'espansione delle centrali elettriche, insieme alla cattura dell'anidride carbonica e all'energia nucleare, è fondamentale per creare percorsi economicamente sostenibili verso l'azzeramento delle emissioni.
Le tecnologie CCS non sono una novità. La ExxonMobil è leader mondiale nel campo della CCS, avendo catturato più di 120 milioni di tonnellate2 di CO2 negli ultimi 30 anni. Ma la vera innovazione targata Berkeley-ExxonMobil è la struttura molecolare unica di questo materiale poroso che può essere adattato specificamente per funzionare in una vasta gamma di impianti che emettono CO2.
Sebbene promettente, il lavoro sui MOF è nelle sue fasi iniziali ed è parte di una ricerca scientifica a lungo termine a sostegno delle tecnologie a ridotte emissioni. L’attenzione della ExxonMobil sulla scienza di base, parte del suo portafoglio R&D leader del settore, comprende le ricerche condotte dal team di scienziati interno all’azienda, quelle in collaborazione con università, laboratori statali e altri partner.
Superare le sfide legate all'accesso e al consumo energetico sostenibili
STATI UNITI ED EUROPA
Solo quest'anno, nuove centrali elettriche a gas naturale negli Stati Uniti e in Europa produrranno 31 gigawatt di elettricità.
ASIA
Altri 10 gigawatt saranno prodotti dalle centrali elettriche a gas naturale in Asia5
India
In India, dove i blackout hanno un impatto su milioni di persone6, sono in fase di sviluppo piani per incrementare la produzione di energia elettrica raddoppiando la quota di gas naturale nel mix energetico del Paese.7
Entro il 2040, si prevede un aumento del 60% della domanda globale di elettricità
La domanda di energia, compresa l'elettricità, aumenterà man mano che le comunità si riprenderanno dalla pandemia e gli standard di vita continueranno a migliorare. Infatti, si prevede che entro il 2040 la domanda globale di elettricità crescerà del 60%3 e il gas naturale sarà la fonte di una porzione crescente di questo aumento. Ma con la produzione di energia elettrica che rappresenta un quarto delle emissioni mondiali di gas serra (GHG)4, la sfida consiste nel soddisfare la domanda di elettricità sicura e affidabile, mitigando al contempo i rischi associati al cambiamento climatico.
La domanda di energia, compresa l'elettricità, aumenterà man mano che le comunità si riprenderanno dalla pandemia e gli standard di vita continueranno a migliorare. Infatti, si prevede che entro il 2040 la domanda globale di elettricità crescerà del 60%3 e il gas naturale sarà la fonte di una porzione crescente di questo aumento. Ma con la produzione di energia elettrica che rappresenta un quarto delle emissioni mondiali di gas serra (GHG)4, la sfida consiste nel soddisfare la domanda di elettricità sicura e affidabile, mitigando al contempo i rischi associati al cambiamento climatico.
Per essere all'altezza delle promesse, le tecnologie CCS devono catturare più CO2 consumando meno energia e questa è la sfida che i ricercatori di Berkeley e della ExxonMobil stanno affrontando nel corso della ricerca sui MOF.
PER SAPERNE DI PIÙ SUGLI SCIENZIATI E SUI MOF CHE CATTURANO L'ANIDRIDE CARBONICA, SCORRI VERSO IL BASSO.
Che cosa sono i MOF e perché potrebbero essere una soluzione efficace per il cambiamento climatico?
Per oltre otto anni due scienziati, Jeffrey Long dell’Università della California di Berkeley e Simon Weston della ExxonMobil, insieme ai loro team hanno testato più e più volte la loro ipotesi di utilizzo delle strutture porose dei MOF per una cattura efficiente della CO2.
I MOF sono...
GRANDI E POROSI
A livello molecolare, i MOF presentano alcune delle più grandi superfici interne note all'uomo. Se un grammo di materiale, del peso all'incirca di una graffetta, si potesse distendere, potrebbe coprire un intero campo di calcio. La struttura a nido d'ape dei MOF con pori di dimensioni nanoscopiche è in grado di catturare le emissioni di CO2 come una spugna, mentre l'elevato rapporto superficie-volume la rende un materiale potenzialmente ideale per sostenere e migliorare le attuali tecnologie CCS.
VERSATILI E RIUTILIZZABILI
I MOF possono essere progettati utilizzando la chimica per creare materiali altamente personalizzabili che mostrano possibilità di utilizzo in molte applicazioni, tra cui quelle delle tecnologie CCS. Alle basse temperature, le molecole nei MOF formano un solido legame con la CO2. Il calore moderato elimina poi le molecole di CO2 per raccoglierle e stoccarle. Una volta eliminata la CO2, i MOF tornano allo stato originale, rendendo il materiale riutilizzabile anche dopo il contatto ripetuto con il calore e il vapore che fuoriesce dalle emissioni catturate.
LO SPECCHIO DELLA NATURA
I pori dei MOF sono inoltre rivestiti con specifiche molecole di ammina che attraggono selettivamente la CO2 attraverso un meccanismo unico. Questo meccanismo di cattura è simile alla RuBisCO, un enzima chiave delle piante e responsabile di uno dei processi di cattura dell'anidride carbonica più efficaci della natura: la fotosintesi.
EFFICIENTI
Dal momento che rispecchiano un processo naturale noto come legame cooperativo, la cattura di una singola molecola di CO2 rende più semplice per i MOF creare legami con altre molecole di CO2 fino a che non si è raggiunta la completa saturazione. Il processo di cattura è anche efficiente dal punto di vista energetico, poiché l’estrazione della CO2 dal materiale richiede solo l'utilizzo di vapore già ampiamente disponibile nelle centrali elettriche a gas naturale.
La ricerca continua, ma Long e Weston dimostrano che tecnologie CCS efficienti dal punto di vista energetico sono possibili utilizzando i MOF.
Il percorso verso la ricerca di una soluzione energetica sostenibile
La prospettiva di poter arrivare a dire "eureka” non era ciò che ha spinto Long, Weston e i membri dei loro team a diventare scienziati. Come molti dei loro colleghi, si sono basati sul lavoro svolto dai loro predecessori per dare un contribto alla comprensione di problemi chimici complessi. Mentre Long e Weston speravano che i loro contributi avrebbero spianato la strada a una scoperta importante, sapevano anche che questo tipo di lavoro spesso richiede anni, se non decenni.
Perciò quando il loro lavoro ha portato a una scoperta che potesse aiutare a risolvere una delle sfide ambientali più urgenti del mondo, è stato uno di quei momenti che possono cambiare la vita.
Guarda il video in cui Weston, Long ed Eugene Kim – un membro del team di ricerca di Long che ha svolto un ruolo fondamentale nel contribuire a fare questa scoperta – spiegano cosa significa per loro la scienza. Puoi anche scoprire di più su come i MOF, che hanno contribuito a sviluppare, potrebbero trasformare il gas naturale in un combustibile a emissioni ancora più basse.
La possibilità di lavorare sul cambiamento climatico, in modo specifico sulla cattura della CO2, e il sapere che potrebbe fare una grande differenza per il mondo, è un'opportunità incredibile.
I prossimi passi?
Sono necessarie ulteriori ricerche prima che gli scienziati e i loro team possano utilizzare i loro MOF in un impianto prototipo per testarne le prestazioni in un ambiente reale. L'accelerazione nell'applicazione della CCS richiede inoltre una serie di specifiche normative e politiche, compresi gli incentivi fiscali, per stimolare una diffusione degli investimenti in infrastrutture CCS.
La ricerca di Long e Weston, conferma comunque che la scienza e il suo processo continueranno a guidare la transizione globale verso un futuro energetico a ridotte emissioni di anidride carbonica.
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1. International Energy Agency (IEA), “The world needs to build on the growing momentum behind carbon capture” https://www.iea.org/news/the-world-needs-to-build-on-the-growing-momentum-behind-carbon-capture
2. ExxonMobil, Exxonmobil.com https://corporate.exxonmobil.com/Energy-and-innovation/Carbon-capture-and-storage
3. International Energy Agency (IEA), “Electricity Market Report – December 2020” https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
4. International Energy Agency (IEA), “Electricity Market Report – December 2020” https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
5. International Energy Agency (IEA), “Electricity Market Report – December 2020” https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
6. Council on Energy Environment and Water (CEEW), “State of Electricity Access in India – October 2020” https://www.ceew.in/sites/default/files/CEEW%20-%20India%20Residential%20Energy%20Survey%20-%20State%20of%20Electricity%20Access%20%2005Oct20.pdf
7. International Energy Agency (IEA), “India Energy Outlook 2021” https://www.iea.org/reports/india-energy-outlook-2021
