Rimuovere il carbonio

Una nuova tecnologia, sviluppata dall’americana Verdox, consentirà la rimozione del carbonio senza l’approccio elettrochimico.

di Lisa Borreani

La combinazione tra elettrificazione diffusa ed energia rinnovabile sta consentendo al mondo di ridurre le emissioni di anidride carbonica in molti settori dell’economia. Tuttavia, gran parte delle emissioni legate ai processi, ai trasporti e ad altre emissioni restano difficili da evitare. Per ripristinare la stabilità climatica è necessario catturare queste emissioni alla fonte o rimuoverle direttamente dall’aria.

Le soluzioni naturali sono parte della risposta, ma da sole sono insufficienti. Mancavano finora dei sistemi tecnologici accessibili per rimuovere le emissioni in eccesso dall’atmosfera e nessuno di questi sistemi è costruito per un futuro completamente elettrico.

Verdox, spin-off di ingegneria chimica del MIT, lanciata nel 2019, ha trovato la soluzione.

La tecnologia brevettata di Verdox è radicalmente diversa dalle soluzioni esistenti sul mercato per la rimozione del carbonio. Questi utilizzano grandi quantità di calore nei loro processi, mentre Verdox controlla la cattura e la distribuzione della CO₂ applicando una corrente elettrica con tensioni selezionate.

L’ approccio elettrochimico è indipendente dalla concentrazione di CO₂ del gas sorgente, consentendo di catturare in modo efficiente la CO₂ non solo da fonti industriali, ma anche dall’aria. Inoltre, la natura elettrochimica consente ai sistemi di funzionare interamente con elettricità rinnovabile ed evitare ulteriori emissioni.

“Sebbene la nostra tecnologia di base sia stata convalidata dal significativo miglioramento dei parametri di prestazione, questo riconoscimento esterno verifica ulteriormente la nostra visione“, afferma Sahag Voskian SM , PhD , co-fondatore e chief technology officer di Verdox. “Ciò dimostra che la strada che abbiamo scelto è quella giusta”.

La ricerca di tecnologie praticabili per la cattura del carbonio si è intensificata negli ultimi anni, poiché i modelli scientifici mostrano con crescente certezza che qualsiasi speranza di evitare cambiamenti climatici catastrofici implica di riuscire a limitare le concentrazioni di CO₂ al di sotto di 450 parti per milione entro il 2100. Le energie alternative non riusciranno a raggiungere gli obiettivi prefissati in tempo, conseguentemente sarà necessario effettuare una vasta rimozione di CO₂.

Il progetto

Voskian ha iniziato a sviluppare l’innovativa tecnologia per la cattura del carbonio nel laboratorio di T. Alan Hatton, professore di ingegneria chimica Ralph Landau al MIT. “È emozionante vedere le idee passare dal laboratorio alla potenziale produzione commerciale”, afferma Hatton, co-fondatore dell’azienda e consulente scientifico. Aggiunge che Verdox ha rapidamente superato gli intoppi tecnici iniziali incontrati da molte aziende in fase iniziale.

Il principio di assorbimento del carbonio

Al centro del progetto c’è la tecnologia che Voskian descrive come “elegante ed efficiente”. La maggior parte dei tentativi di catturare il carbonio da un flusso di gas di scarico o dall’aria stessa richiedono una grande quantità di energia. Voskian e Hatton hanno ideato un progetto la cui elettrochimica fa eseguire la cattura del carbonio quasi senza sforzo. La loro invenzione consiste in un tipo particolare di batteria: elettrodi conduttivi rivestiti con un composto chiamato poliantrachinone, che ha un’attrazione chimica naturale per l’anidride carbonica in determinate condizioni, e nessuna affinità per la CO₂ quando queste condizioni vengono a cessare. Quando viene attivata da una corrente elettrica di basso livello, la batteria si carica, reagendo con le molecole di CO₂ e attirandole sulla sua superficie. Una volta che la batteria si satura, la CO₂ può essere rilasciata come flusso di gas puro, con un cambio di tensione.

IL SISTEMA
Il gas entra in ciascuna pila da un lato e viene incanalato attraverso gli elettrodi che compongono la pila, nei quali viene assorbita la CO₂. Il gas rimanente passa semplicemente attraverso il camino ed esce dall’altra parte. Una volta che il camino è saturo di CO₂, il gas in entrata viene interrotto e la CO₂ pura esce dal camino dall’altro lato. L’installazione di camini in parallelo con cicli alternati consente un flusso continuo di gas misto in entrata e CO₂ pura in uscita.

La tecnologia Verdox consente a un flusso di aria o gas di combustione contenente anidride carbonica di entrare nel sistema da sinistra. Mentre passa tra le sottili piastre degli elettrodi della batteria, l’anidride carbonica si attacca alle piastre cariche mentre il flusso d’aria pulito passa attraverso ed esce a destra.

La formazione del team

“Abbiamo dimostrato che la nostra tecnologia funziona in un’ampia gamma di concentrazioni di CO₂ , dal 20% o più presente nei flussi di scarico dell’industria del cemento e dell’acciaio, fino al diffuso 0,04% nell’aria stessa”, afferma Hatton. La scienza del cambiamento climatico suggerisce che rimuovere la CO₂ direttamente dall’aria “è una componente importante dell’intera strategia di mitigazione”, aggiunge.

“Si è trattato di una svolta accademica”, afferma Brian Baynes PhD ’04, CEO e co-fondatore di Verdox. Baynes, alunno di ingegneria chimica ed ex socio di Hatton, ha molte startup a suo nome e una storia come venture capitalist e mentore. Quando ha incontrato per la prima volta la ricerca di Hatton e Voskian nel 2018, è rimasto “impressionato dal fatto che la loro tecnologia avesse dimostrato di poter ridurre il consumo di energia per alcuni tipi di cattura del carbonio del 70% rispetto ad altre tecnologie”, afferma. “Sono stato incoraggiato e colpito da questo basso consumo energetico e ho consigliato loro di avviare un’azienda.”

Né Hatton né Voskian avevano mai commercializzato un prodotto prima, quindi chiesero a Baynes di aiutarli. “Normalmente rifiuto queste richieste, perché i costi sono generalmente maggiori del ricavo”, afferma Baynes. “Ma questa innovazione aveva il potenziale per spostare l’ago della bilancia sul cambiamento climatico, e l’ho vista come una rara opportunità”.

Le sfide future

Il team Verdox non si fa illusioni sulla sfida che lo aspetta. “La portata del problema è enorme”, afferma Voskian. “La nostra tecnologia deve essere in grado di catturare mega e gigatonnellate di CO₂ dall’aria e dalle fonti di emissione”. Infatti, il Gruppo internazionale sui cambiamenti climatici stima che il mondo dovrà rimuovere 10 gigatonnellate di CO₂ all’anno entro il 2050 per mantenere l’aumento della temperatura globale al di sotto dei 2 gradi Celsius.

L’azienda sta superando una serie di ostacoli tecnici man mano che avanza: consentire alla batteria per la cattura del carbonio di eseguire centinaia di migliaia di cicli prima che le sue prestazioni diminuiscano e migliorare la chimica del poliantrachinone in modo che il dispositivo sia ancora più selettivo per la CO₂.

I progetti attuali

Dopo aver superato traguardi cruciali, Verdox sta ora lavorando con il suo primo cliente commerciale annunciato. La società norvegese di alluminio Hydro mira a eliminare la CO₂ dagli scarichi delle sue fonderie mentre passa alla produzione a zero emissioni di carbonio.

Verdox sta inoltre sviluppando sistemi in grado di estrarre in modo efficiente la CO₂ dall’aria ambiente. “Stiamo progettando unità che assomiglieranno a file e file di grandi ventilatori che porteranno l’aria nelle scatole contenenti le nostre batterie”, afferma Voskian. Tali approcci potrebbero rivelarsi particolarmente utili in luoghi come gli aeroporti, dove sono presenti concentrazioni di emissioni di CO₂ superiori al normale .

Tutto questo carbonio catturato deve andare da qualche parte. Con Carbfix, partner di XPRIZE, che dispone di un metodo collaudato vecchio di dieci anni per mineralizzare la CO₂ catturata e depositarla in profonde caverne sotterranee, Verdox avrà un luogo di stoccaggio-riposo finale per la CO₂ che non può essere immediatamente riutilizzata per applicazioni industriali come nuovi combustibili o materiali di costruzione.

Le soluzioni sono costituite da pile di elettrodi assemblati in array. Per catturare più CO₂, vengono aggiunti più camini. Questo approccio modulare rende la tecnologia altamente scalabile ed elimina la necessità di riprogettare i sistemi per applicazioni più grandi.

Norsk Hydro e Verdox nella produzione di alluminio

La tecnologia Verdox per la cattura del carbonio dell’alluminio catturerà la CO₂ nei gas di scarico industriali provenienti dalle fonderie di alluminio di Hydro tramite adsorbimento elettroswing e renderà la CO₂ disponibile per lo stoccaggio.

La tecnologia è stata testata per valutarne l’applicabilità alla cattura della CO₂ nel gas di scarico della tecnologia della fonderia di alluminio primario di Hydro, e i primi risultati sono molto promettenti.

Hydro Sunndal, uno dei cinque stabilimenti norvegesi di Hydro per l’alluminio.

“Una parte fondamentale delle nostre ambizioni di sostenibilità è ridurre le emissioni dei nostri smelter di alluminio. Hydro è ben posizionata per essere un azionista attivo e apportare competenza ed esperienza che aggiungeranno valore a Verdox. La cooperazione accelererà la decarbonizzazione delle nostre fonderie”, afferma Eivind Kallevik, vicepresidente esecutivo di Aluminium Metal in Hydro. Hydro e Verdox hanno avviato una collaborazione all’inizio del 2021. La tecnologia è stata testata per valutarne l’applicabilità alla cattura della CO₂ nel gas di scarico del processo tecnologico della fonderia di alluminio primario di Hydro, e i primi risultati sono molto promettenti. La prossima fase di collaborazione prevede il test e la sperimentazione della tecnologia presso gli smelter di alluminio di Hydro con l’obiettivo di raggiungere la scala industriale entro il 2030.

Gli studi di Hydro hanno dimostrato che la cattura della CO₂ direttamente dai gas di scarico può eliminare la maggior parte delle emissioni dirette derivanti dal processo di fusione dell’alluminio. Le restanti emissioni possono essere rimosse attraverso un sistema di cattura diretta dell’aria collegato all’impianto.

Perchè l’assorbimento del carbonio nell’industria di alluminio?

“Hydro ha valutato più di 50 tecnologie di cattura del carbonio e ne ha trovate pochissime che prevediamo saranno applicabili alla produzione di alluminio. La tecnologia di Verdox ha il vantaggio di essere in grado di catturare la CO₂ a concentrazioni molto basse sia dai gas di scarico industriali che direttamente dall’aria“, afferma Kallevik. La maggior parte delle tecnologie di cattura del carbonio sono state sviluppate per catturare i gas di scarico derivanti dalla produzione di energia fossile e dalle industrie con concentrazioni più elevate di CO₂, in genere superiori al 4%. Il gas di scarico nelle fonderie di alluminio ha una concentrazione relativamente bassa di CO₂, pari a circa l’1%.

L’alluminio è un materiale cruciale nella transizione verde e, secondo l’International Aluminium Institute, si prevede che la domanda crescerà del 70% entro il 2050. Allo stesso tempo, catturare le emissioni di CO₂ provenienti da settori industriali difficili da abbattere, compreso l’alluminio, è fondamentale per raggiungere l’obiettivo di 1,5 gradi dell’accordo di Parigi. “La tabella di marcia di Hydro verso la produzione di alluminio a zero emissioni comprende soluzioni sia per la capacità di alluminio esistente che per quella nuova. La cattura del carbonio come la tecnologia Verdox garantirà la continua competitività delle nostre fonderie esistenti, mentre la nostra nuova tecnologia di processo innovativa, HalZero, sarà sviluppata per nuove capacità. In questo modo, aumentiamo le nostre possibilità di realizzare le nostre ambizioni climatiche e di assumere un ruolo guida nel settore dell’alluminio”, afferma Kallevik.