EPFL: Cattura e Stoccaggio del Biossido di Carbonio in un Ciclo Chiuso

Ciclo chiuso per i gas serra

Non basta ridurre le emissioni di CO2 per vincere la battaglia contro la crisi climatica. Occorre anche catturare e stoccare il biossido di carbonio. L’EPFL apre la strada con un progetto pilota unico nel suo genere.

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Il problema è chiaro: i gas serra nell’atmosfera – biossido di carbonio in primis – infiammano la crisi climatica. La soluzione è solo una: il cosiddetto zero netto. Ergo, smettere di rilasciare gas serra. Riuscirci però non è facile. Abbandonare all’istante e del tutto i vettori energetici fossili, dai quali si originano le emissioni dannose, non è possibile. Inoltre, i gas serra rilasciati hanno effetti duraturi: il biossido di carbonio può permanere in atmosfera anche per secoli.

Stabilire nuovi benchmark

Ma il tempo stringe: il timore oggi è che il mondo manchi i suoi obiettivi climatici. Per impedirlo è necessario abbattere su più vasta scala possibile le emissioni di gas serra, ma al tempo stesso catturare anche il biossido di carbonio rilasciato. Servono approcci e tecnologie diverse – non tutti però sono maturi per il mercato.

L’EPFL sta facendo un lavoro pionieristico e potrebbe letteralmente definire nuovi benchmark con un progetto per la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio ad alta efficienza energetica del carbonio all’interno di un sistema chiuso – in linea con un’economia sostenibile e circolare.

Nel concreto, grazie al finanziamento ottenuto con un’iniziativa interna all’EPFL (vedi riquadro), nel campus dell’EPFL nel Vallese nascerà un cosiddetto dimostratore, un progetto pilota per la collaborazione di diversi gruppi di ricerca dell’EPFL che lavorano in maniera complementare, e che qui avranno la possibilità di simulare e di sviluppare nuove scoperte e approcci e di renderli (si spera) in parte maturi per il mercato. Il loro obiettivo: catturare e trattare fino a una tonnellata di CO2 al giorno.

Il biossido di carbonio deve essere separato e catturato in maniera puntuale da un impianto industriale e dall’atmosfera (Carbon Capture). Il gas serra può essere poi convertito in vettori energetici sintetici e in prodotti chimici ad alto valore aggiunto. Un’altra possibilità è stoccarlo sul breve o lungo periodo, ad esempio nelle viscere della terra a chilometri di profondità.

Esistono già tecnologie mature utilizzate in ambito commerciale, soprattutto nel campo della Carbon Capture. Ma sono onerose e consumano tanta energia «quindi non particolarmente ecologiche », spiega Kumar Agrawal, il professore responsabile del Laboratory of Advanced Separations e del progetto del dimostratore. «Il nostro approccio ha grandi potenzialità perché rispetto ad altri risparmia molta energia».

Con la sua squadra, Agrawal ha sviluppato membrane in grafene per isolare il biossido di carbonio. Questo materiale è costituito da molecole di carbonio con una struttura geometrica a nido d’ape in strati spessi quanto un solo atomo. A rendere il grafene così promettente è la sua variabilità e le sue svariate applicazioni. «Sta sollevando un grande interesse nel settore», osserva Agrawal.

Membrane di grande formato

In una prima fase, il professore dell’EPFL ha sviluppato un processo per produrre sottilissime membrane di grafene resistenti a strappi e rotture. Poi le ha dotate di fori le cui dimensioni potessero essere controllate con precisione. Solo così le membrane formano un filtro selettivo che fa passare soltanto il biossido di carbonio.

Dimostratori più piccoli hanno messo in evidenza che questo approccio di Carbon Capture funziona: per le fonti puntuali e, in misura minore, anche per l’atmosfera. Ora, come accade per altri approcci in progetto, si tratterà di renderlo scalabile. «Per ora ci troviamo ancora nella prima fase di progetto della produzione di membrane di grande formato », dice Agrawal. «Poi si passerà alla costruzione e alla messa in funzione del dimostratore». Una prova di resistenza per le nuove tecnologie molto vicina alla realtà.

A garantirlo sarà la collaborazione con il centro di incenerimento rifiuti Enevi, nel cuore del Vallese. «L’impianto produce già calore per l’EPFL», dice Agrawal. «E genera CO2 che vogliamo catturare e usare con le nostre membrane. Questo renderà l’impianto nel complesso più green e ridurrà l’impronta ecologica dell’EPFL». Assieme alla cattura del CO2, anche la tecnologia per la successiva trasformazione del biossido di carbonio in metano è pronta.

Lo stoccaggio del biossido di carbonio, invece, sarà solo simulato. Finora lo si è potuto calcolare solo in laboratorio su una scala di grandezza di pochi centimetri. Bisogna valutare anche come roccia e gas interagiscono tra loro a un chilometro di profondità in condizioni di pressione e tensione elevate. Eseguire nella pratica questo tipo di test sarebbe troppo oneroso, e monitorarli troppo complesso.

Per la prima volta, nell’ambito del progetto del dimostratore, il calcolo avverrà nell’ordine di grandezza del metro. Con biossido di carbonio realmente catturato e con un simulatore unico nel suo genere che mostrerà in condizioni controllate gli effetti di diverse strategie di stoccaggio del biossido di carbonio o anche di perdite nei depositi. In caso di successo, grazie a un sofisticato monitoraggio ad alta risoluzione, otterremo dati 3D importanti che permetteranno a tutto il campo di ricerca di fare passi avanti.

La scalabilità di tutte queste tecnologie è essenziale anche per convincere i partner industriali che sono valide. «Non si affidano volentieri ad approcci la cui validità è stata testata solo in laboratorio», prosegue Agrawal. «La scala è troppo piccola. Anche se con il dimostratore lavoriamo solo sulla media scala, ci sono prove a sufficienza che gli approcci funzionano anche in ambito commerciale».

Utilizzo commerciale

L’interesse dell’economia è grande. Il solo gruppo di Agrawal è già in contatto con imprese dell’ingegneria meccanica e dell’industria navale, dell’industria siderurgica e cementiera e, non da ultimo, con aziende specializzate nello smaltimento dei rifiuti. Il fornitore di energia Gaznat sta finanziando la cattedra di Agrawal. «Tutte le imprese analizzeranno nel dettaglio i risultati ottenuti con il dimostratore», sottolinea Agrawal. «I nostri partner industriali si augurano che avremo successo».

Dopotutto la posta in gioco è alta: dobbiamo affrontare la crisi climatica in modo rapido e globale. Il dimostratore prefigura come potrebbe essere una soluzione chiusa per la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio del biossido di carbonio. E se funzionerà, questi approcci potranno essere implementati in ambito commerciale – anche su scala mondiale.

L’EPFL porta avanti una strategia ambiziosa in materia di clima e di sostenibilità nella quale si inserisce l’iniziativa Solutions4Sustainability (S4S) che si basa sulle capacità di ricerca e di innovazione della Scuola nei settori Green Energy, Storage and Sustainability (GESS) e Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS). L’idea è sviluppare soluzioni sostenibili nel proprio campus attraverso progetti dimostrativi finalizzate a ridurre la dipendenza energetica e le emissioni di carbonio dell’EPFL per poi renderle scalabili.

I progetti finanziati sono sette e coinvolgono un totale di 26 laboratori in tre sedi dell’EPFL. Sono suddivisi in due categorie: cinque progetti con una durata di due anni ciascuno e due grandi progetti di sei anni ciascuno. Uno di questi è l’Energy-Efficient Carbon Capture, Usage & Storage for Sustainable and Circular Economy (SusEcoCCus) guidato dal professor Kumar Agrawal. Per lo sviluppo di un ciclo chiuso per la cattura, l’utilizzo e lo stoccaggio del biossido di carbonio sono stati stanziati in tutto nove milioni di franchi.

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