Produzione più flessibile di metano sintetico

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L’attenzione si è concentrata sull’upscaling del processo, cioè su uL’attenzione si è concentrata sull’upscaling del processo, cioè su un concetto per l’implementazione del processo in impianti su larga scala. Florian Kiefer, project manager del progetto di digestione anaerobica potenziata mediante sorteggio, si trova accanto all’impianto sperimentale. Immagine: Empa

Le fonti energetiche sintetiche rispettano il ciclodella CO2 e possono rendere l’energia rinnovabile trasportabile e immagazzinabile a lungo termine. Il metano prodotto artificialmente è uno di questi. Il problema è che la sua produzione è associata a perdite energetiche relativamente elevate e gli attuali processi richiedono la purificazione del metano. Per superare questo problema, i ricercatori dell’Empa hanno sviluppato un nuovo concetto di reattore ottimizzato per la metanizzazione.

La svolta energetica richiede fonti energetiche rispettose del clima, ossia fonti energetiche la cui produzione e il cui utilizzo generino il minor numero possibile di emissioni diCO2 - idealmente nessuna. Le fonti di energia sintetica, cioè quelle ottenute con processi di conversione da energie rinnovabili, sono una delle soluzioni a questo problema. L’uso di queste fonti energetiche produce solo la quantità diCO2 che è stata estratta dall’atmosfera per la loro produzione.

Il metano prodotto artificialmente rientra in questa categoria. "Il gas sintetico ha un enorme potenziale se prodotto a partire dallaCO2 atmosferica e dall’idrogeno prodotto in modo rinnovabile", afferma Christian Bach, responsabile del Dipartimento Sistemi di Propulsione Automobilistica dell’Empa. "Ma per produrre idrogeno non serve solo elettricità rinnovabile, ma anche molta acqua. Nel nostro dimostratore di mobilità "move", vogliamo quindi estrarre non solo laCO2 dall’atmosfera, ma anche l’acqua necessaria per produrre idrogeno, utilizzando un collettore diCO2 dello spin-off del Politecnico di Zurigo "Climeworks", direttamente sul posto. "Tali concetti potrebbero essere implementati in futuro nelle regioni desertiche prive di riserve d’acqua liquida".

La produzione di metano sintetico da idrogeno eCO2 - la cosiddetta metanizzazione - presenta tuttavia degli inconvenienti. Finora il gas prodotto in un processo catalitico conteneva anche idrogeno, rendendo impossibile l’immissione diretta nella rete del gas. I ricercatori dell’Empa Florian Kiefer, Marin Nikolic, Andreas Borgschulte e Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler hanno quindi sviluppato un nuovo concetto di reattore in cui la formazione di idrogeno è impedita sul lato prodotto. I ricercatori dell’Empa hanno così ottenuto un controllo del processo più semplice e una migliore idoneità al funzionamento dinamico, ad esempio l’accoppiamento con energie rinnovabili disponibili a intermittenza. Il progetto è sostenuto dal Cantone di Zurigo, da Avenergy Svizzera, Migros, Lidl Svizzera, Armasuisse, Swisspower e dal Consiglio dei PF.

Il metano senza idrogeno viene prodotto nel "movimento" tramite la cosiddetta metanizzazione con assorbimento. L’idea è la seguente: L’acqua prodotta dalla reazione viene permanentemente adsorbita su un supporto catalitico poroso durante il processo di metanizzazione. Questa continua rimozione dell’acqua fa sì che il prodotto risultante sia solo metano, in forma pura. Non è quindi necessario purificare la miscela di prodotti (come è stato fatto finora). Al termine della reazione, il supporto catalitico viene nuovamente essiccato riducendo la pressione ed è pronto per il ciclo di reazione successivo. "Questo processo è più flessibile e stabile rispetto ai processi precedenti, ma ha anche un certo potenziale di risparmio energetico, in quanto operiamo a una pressione inferiore del reattore e possiamo fare a meno della separazione e del riciclo dell’idrogeno. Tuttavia, una valutazione precisa dell’efficienza energetica sarà possibile solo una volta completato il dimostratore", spiega Florian Kiefer, responsabile del progetto di metanizzazione potenziata mediante sorteggio presso "move".

Per quasi tre anni, Florian Kiefer e il suo team hanno studiato un nuovo concetto di reattore con pellet di zeolite che agiscono come supporto poroso del catalizzatore e allo stesso tempo assorbono l’acqua prodotta durante la reazione di metanizzazione. L’attenzione si è concentrata sull’"upscaling" del processo, ovvero su un concetto di implementazione del processo in impianti su larga scala. A tal fine, l’Empa ha collaborato con diversi partner industriali. Il fattore decisivo nella progettazione del reattore e nella pianificazione del processo è soprattutto il tempo di rigenerazione, cioè il tempo necessario per l’essiccazione del reattore. Per garantire una produzione continua di metano, è necessario far funzionare alternativamente almeno due reattori. Per l’essiccazione dei reattori, è inoltre essenziale disporre di un’adeguata gestione termica, sia attraverso la rimozione del calore dal reattore sia attraverso l’accumulo di calore interno nel letto di catalizzatore. Il team di Florian Kiefer ha depositato un brevetto in questo campo.

I Synfuels possono essere utilizzati nei veicoli convenzionali a benzina, diesel e gas. Lo svantaggio della produzione di synfuel è rappresentato dalle elevate perdite di conversione. Oggi, circa il 50% dell’energia primaria viene persa nella produzione di synfuels da elettricità rinnovabile. Queste perdite possono probabilmente essere ridotte al 40-45% in futuro. Le considerazioni economiche dimostrano che i synfuels sono utili solo nei casi in cui non è possibile l’elettrificazione diretta, ad esempio per il trasporto su lunghe distanze e per il trasporto merci, nelle navi e negli aerei da carico.
Tuttavia, in termini di sistema energetico complessivo, i synfuels presentano un vantaggio decisivo: queste fonti energetiche possono essere facilmente trasportate su lunghe distanze, consentendo così lo sfruttamento di risorse energetiche rinnovabili lontane. Inoltre, possono essere conservati senza perdite per lunghi periodi. Ciò consente la necessaria flessibilità del sistema energetico indigeno e rinnovabile.