È più solida e più flessibile la via svizzera al metano sintetico

I vettori energetici sintetici sono a zero emissioni di carbonio e rendono l’energia rinnovabile trasportabile e immagazzinabile a lungo termine.
Il metano prodotto sinteticamente è uno di questi, ma c’è un problema: la produzione comporta perdite energetiche piuttosto elevate; inoltre, i processi esistenti richiedono la purificazione del metano.
Per cambiare questa situazione, in Svizzera i ricercatori dell’EMPA hanno sviluppato un nuovo concetto di reattore ottimizzato per la metanazione, cioè la generazione di metano sintetico.

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È prodotta soltanto la quantità di CO2 precedentemente rimossa dal vapor acqueo dell’atmosfera

Una transizione energetica di successo richiede fonti energetiche che siano rispettose del clima; ciò significa: meno emissioni di CO2 possibili (idealmente nessuna), durante la produzione e l’utilizzo.
I vettori energetici sintetici, cioè quelli ottenuti da energia rinnovabile attraverso processi di conversione chimica, sono una delle opzioni più promettenti.
L’uso di questi vettori energetici produce soltanto la quantità di CO2 che è stata precedentemente rimossa dall’atmosfera per la loro produzione.

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Christian Bach: “Un collettore realizzato per noi dalla Climeworks, spin-off del Politecnico di Zurigo”

Il metano prodotto artificialmente rientra in questa categoria.
“Il gas sintetico offre un enorme potenziale se viene prodotto a partire dalla CO2 atmosferica e dall’idrogeno generato in modo rinnovabile”, spiega Christian Bach, responsabile del laboratorio Automotive Powertrain Technologies dell’EMPA.
“Tuttavia, per la produzione di idrogeno è necessario disporre di molta acqua e di elettricità rinnovabile. Nel nostro dimostratore di mobilità, vogliamo quindi estrarre non soltanto l’anidride carbonica, ma anche l’acqua per la produzione di idrogeno direttamente dall’atmosfera con l’aiuto di un collettore di CO2 realizzato da una spin-off del Politecnico di Zurigo, la Climeworks”.
In futuro, questi concetti potrebbero essere implementati nelle regioni desertiche che non dispongono di riserve di acqua liquida.

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Niente “H” dal lato prodotto negli studi di Kiefer, Nikolic, Borgschulte e Dimopoulos Eggenschwiler

Tuttavia, la produzione di metano sintetico da idrogeno e CO2, la cosiddetta metanazione, presenta delle insidie.
Infatti, il metano prodotto da questo processo catalitico contiene ancora idrogeno, il che impedisce di immetterlo direttamente 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 viene impedita la formazione di idrogeno sul lato prodotto.
Questo porta a un controllo più semplice del processo e a una maggiore idoneità al funzionamento dinamico, ad esempio per l’accoppiamento con energie rinnovabili disponibili in modo instabile.
Il progetto è sostenuto dal Cantone di Zurigo, da Avenergy Suisse, Migros, Lidl Svizzera, Armasuisse, Swisspower e dal Consiglio dei Politecnici Federali.

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Possibile un’immissione diretta del “neometano” nella rete del gas grazie all’adsorbimento di H2O

Il metano privo di idrogeno viene prodotto mediante un processo chiamato metanazione con assorbimento.
L’idea: l’acqua prodotta durante la reazione viene continuamente adsorbita su un supporto catalitico poroso durante la metanazione.
L’adsorbimento, diverso dall’assorbimento, è un fenomeno chimico-fisico che consiste nell’accumulo di una o più sostanze fluide sulla superficie di un condensato.
La continua rimozione dell’acqua permette di ottenere come prodotto soltanto metano, in forma pura, eliminando la necessità di purificare la miscela di prodotti (precedente).
Al termine della reazione, il materiale del supporto catalitico viene nuovamente essiccato abbassando la pressione ed è pronto per il ciclo di reazione successivo.
“Questo processo è più flessibile e stabile rispetto ai sistemi precedenti, ma ha anche un certo potenziale di risparmio energetico perché possiamo farlo funzionare a una pressione più bassa e fare a meno della separazione e del ricircolo dell’idrogeno”, spiega Florian Kiefer, responsabile del progetto per la metanazione potenziata mediante dall’assorbimento presso Move.
“Tuttavia, una valutazione precisa dell’efficienza energetica sarà possibile solo quando il dimostratore sarà in piena attività”.

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Dal laboratorio all’impianto industriale: tre anni di ricerca con pellet di zeolite conclusi dal brevetto

Florian Kiefer e il suo team hanno impiegato circa tre anni per sviluppare un nuovo concetto di reattore con pellet di zeolite che fungono da supporto poroso per il catalizzatore e contemporaneamente assorbono l’acqua prodotta durante la reazione di metanazione.
L’attenzione si è concentrata anche sull’upscaling del processo: in altre parole, hanno ragionato sul concetto di come questo processo possa essere implementato per impianti su larga scala.
A tal fine, l’EMPA ha collaborato con diversi partner industriali.
Il tempo di rigenerazione, cioè il tempo necessario per asciugare il reattore, è fondamentale per la progettazione del reattore stesso e per la pianificazione del processo.
Per garantire una produzione continua di metano sintetico, almeno due reattori devono funzionare alternativamente.
Anche la gestione del calore è fondamentale per l’essiccazione dei reattori, sia rimuovendo il calore dal reattore sia immagazzinando il calore all’interno del letto catalitico.
E il team di Florian Kiefer ha già depositato un brevetto in questo settore.

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Un sistema energetico flessibile grazie ai synfuels: essi sono facilmente immagazzinabili e trasportabili

I carburanti sintetici sono utilizzati nei veicoli convenzionali a benzina, Diesel o gas.
Le elevate perdite di conversione sono lo svantaggio maggiore dei synfuels: oggi, circa il 50 per cento dell’energia primaria viene persa durante la produzione di carburanti sintetici da elettricità rinnovabile.
In futuro queste perdite potranno probabilmente essere ridotte al 40-45 per cento.
Le analisi economiche mostrano che i synfuels hanno senso soltanto nei casi in cui non è possibile un’elettrificazione diretta: ad esempio, nel trasporto di merci pesanti e a lunga distanza, nelle navi da carico e negli aerei.
Tuttavia, se si considera l’intero sistema energetico, i synthetic fuels hanno un vantaggio decisivo: possono essere facilmente trasportati su lunghe distanze, il che consente di sfruttare anche risorse energetiche rinnovabili lontane.
Inoltre, possono essere immagazzinati per lunghi periodi di tempo senza alcuna perdita.
In questo modo rendono il nostro sistema energetico domestico rinnovabile molto più flessibile.

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