La mitigazione degli effetti del cambiamento climatico è diventata una delle principali preoccupazioni a livello mondiale. I Paesi e le organizzazioni internazionali stanno sviluppando diverse strategie per affrontare questa sfida. La riduzione delle emissioni di CO2 è in cima all’agenda e le tecnologie di cattura del carbonio sono una strada promettente.
Tuttavia, colmare il divario tra la ricerca e l’attuazione pratica delle soluzioni di cattura del carbonio si è rivelato così difficile da essere soprannominato la "valle della morte". La necessità di tenere conto dei punti di vista e delle priorità delle diverse parti interessate durante l’intero processo aumenta la complessità di questa sfida.
Tradizionalmente, lo sviluppo delle tecnologie di cattura del carbonio inizia con la progettazione dei materiali da parte dei chimici e lo sviluppo dei processi da parte degli ingegneri. Gli impatti economici e ambientali vengono valutati in una fase successiva. I risultati sono spesso inferiori alle aspettative e ritardano solo l’implementazione di soluzioni concrete.
Per ovviare a questo problema, gli scienziati guidati da Berend Smit dell’EPFL e da Susana Garcia della Heriot-Watt University hanno sviluppato la piattaforma PrISMa (Process-Informed design of tailormade Sorbent Materials). Questo strumento innovativo combina armoniosamente la scienza dei materiali, la progettazione dei processi, la tecno-economia e la valutazione del ciclo di vita, tenendo conto dei punti di vista delle varie parti interessate fin dall’inizio.
Grazie a simulazioni avanzate e all’apprendimento automatico, PrISMa è in grado di identificare le soluzioni più efficienti e sostenibili e di prevedere le prestazioni di nuovi materiali, diventando così un potente strumento nella lotta al cambiamento climatico.
Questo approccio innovativo accelera la scoperta di materiali ad alte prestazioni per la cattura del carbonio, andando oltre i tradizionali metodi di prova ed errore.P rofessor Berend Smit, EPFL
Valutazione degli indicatori chiave di prestazione
PrISMa valuta quattro indicatori chiave di prestazione (KPI), o "strati", per valutare la fattibilità di un materiale per la cattura del carbonio, dal suo sviluppo iniziale fino alla sua implementazione in un impianto completo di cattura del carbonio.- Livello dei materiali: utilizzando dati sperimentali e simulazioni molecolari, la piattaforma predice le proprietà di adsorbimento dei potenziali materiali sorbenti.
- Strato del processo: PrISMa calcola i parametri delle prestazioni del processo, come la purezza, il recupero e i requisiti energetici.
- Livello di analisi tecnico-economica: PrISMa valuta la fattibilità economica e tecnica di un impianto di cattura del carbonio.
- Livello di valutazione del ciclo di vita: PrISMa valuta l’impatto ambientale dell’impianto durante il suo ciclo di vita, garantendo la sostenibilità complessiva.
Test di PrISMa su casi di studio
Gli scienziati hanno utilizzato PrISMa per confrontare più di sessanta casi di studio concreti, in cui la CO2 viene catturata da varie fonti in cinque regioni del mondo utilizzando diverse tecnologie. Considerando i punti di vista delle varie parti interessate, PrISMa ha permesso di individuare le soluzioni più efficaci e sostenibili.Una delle caratteristiche uniche della piattaforma PrISMa è la sua capacità di prevedere le prestazioni dei nuovi materiali utilizzando simulazioni avanzate e l’apprendimento automatico", afferma Berend Smit. Questo approccio innovativo accelera la scoperta di materiali ad alte prestazioni per la cattura del carbonio, superando i tradizionali metodi di prova ed errore".
Simulazioni molecolari
La piattaforma integra la teoria funzionale della densità (DFT) e la simulazione molecolare per prevedere le proprietà dei materiali necessarie alla progettazione del processo. Il team ha testato questo approccio su un impianto di cattura di CO2 osservando le emissioni indirette per 30 anni di funzionamento dell’impianto. Ha poi combinato questo approccio con una valutazione tecno-economica, che ha stimato il costo del processo."Siamo riusciti a combinare il movimento degli elettroni a livello di DFT per calcolare la quantità totale di CO2 catturata nell’arco di 30 anni di vita di un impianto di cattura, nonché i costi", afferma Berend Smit.
La prospettiva delle parti interessate
PrISMa fornisce informazioni preziose alle varie parti interessate. Fornisce agli ingegneri gli strumenti necessari per progettare i processi di cattura del carbonio più efficienti ed economici e guida i chimici sulle caratteristiche molecolari che migliorano le prestazioni dei materiali.I responsabili della gestione ambientale hanno accesso a valutazioni complete degli impatti ambientali, che consentono loro di prendere decisioni più informate, mentre gli investitori beneficiano di analisi economiche dettagliate che riducono i rischi e le incertezze associate agli investimenti in nuove tecnologie.
Scoprire nuovi materiali
PrISMa può accelerare la scoperta di materiali ad alte prestazioni per la cattura del carbonio, andando oltre i tradizionali metodi di prova ed errore. I suoi strumenti interattivi consentono agli utenti di esplorare più di 1.200 materiali e di comprendere i compromessi tra costi, impatto ambientale e prestazioni tecniche.Questo approccio olistico garantisce che le soluzioni scelte catturino la CO2 in modo efficiente, riducendo al contempo l’impatto ambientale.
Berend Smit prevede l’utilizzo di PrISMa in particolare per la scoperta di reti organometalliche (MOF), materiali porosi che possono essere utilizzati in numerose applicazioni, tra cui la cattura del carbonio. "L’idea è che i chimici possano scaricare le strutture cristalline dei loro MOF. La piattaforma classifica questi materiali per tutti i tipi di processi di cattura", spiega. "In questo modo, anche i chimici che non conoscono le tecnologie di cattura del carbonio possono determinare quale MOF funziona meglio e perché".
PrISMa può accelerare lo sviluppo delle tecnologie di cattura del carbonio e contribuire a raggiungere l’obiettivo delle emissioni nette zero, coinvolgendo tutte le parti interessate fin dall’inizio del processo di ricerca. Fornendo una valutazione completa di materiali e processi, PrISMa consente di prendere decisioni più informate, portando allo sviluppo di soluzioni di cattura del carbonio più efficienti e sostenibili.
