Un nuovo processo per la conversione della CO2 in prodotti chimici di base sostenibili
L'approccio promette alta efficienza e flessibilità
La produzione sostenibile di materiali chimici di base utilizzando la CO2 come fonte di carbonio è l'obiettivo del progetto "PKat4Chem". L'obiettivo è sviluppare ulteriormente il processo di catalisi al plasma a bassa temperatura (NTPK) in modo che i gas prodotti dalla biomassa possano essere convertiti in metanolo o etilene in un unico processo. L'Istituto Fraunhofer per la microstruttura dei materiali e dei sistemi IMWS contribuisce con la sua esperienza nell'analisi dei materiali utilizzati. L'approccio promette alta efficienza e flessibilità.
Distribuzione degli elementi all'interfaccia di un materiale elettrodico.
© Fraunhofer IMWS
Valutazione tridimensionale del comportamento di sinterizzazione di un rivestimento elettrodico mediante tomografia a raggi X.
© Fraunhofer IMWS
Produrre materiali chimici di base senza consumare materie prime fossili e quindi generareemissioni di CO2: questo è uno dei compiti più importanti per raggiungere gli obiettivi climatici. Queste sostanze chimiche di base, prodotte in quantità enormi, sono infatti il materiale di partenza per molti altri prodotti industriali e di uso quotidiano, come materie plastiche, fertilizzanti e carburanti.
Le tecnologie Power-to-X sono un approccio molto efficace per la produzione sostenibile di prodotti chimici organici di base come etilene, metanolo o stirene: Queste tecnologie utilizzano l'elettricità proveniente da energie rinnovabili. Anche l'idrogeno necessario per i composti chimici può essere prodotto senza emissioni grazie all'elettrolisi. Se si utilizza laCO2 come fonte di carbonio, è possibile chiudere il ciclo del carbonio e rimuovere dall'atmosfera anche i gas serra già emessi.
Il progetto "PKat4Chem" si concentra sulla conversione e quindi sull'utilizzo dellaCO2 per la produzione di materiali chimici di base. Il consorzio si concentra sulla catalisi al plasma a bassa temperatura (NTPK). Con questa tecnologia, i gas prodotti dalla biomassa, come il metano (CH4) in combinazione con laCO2, devono essere attivati in modo altamente efficiente utilizzando il plasma e convertiti in materiali chimici di base come il metanolo (CH3OH) o l'etilene (C2H4) utilizzando catalizzatori appropriati in un unico processo.
Il progetto si concentra sui reattori NTPK perché possono raggiungere efficienze molto elevate, fino al 95%. Offrono inoltre il vantaggio di una semplice scalabilità e di minori costi di investimento e di esercizio. Ciò consente un processo potenzialmente "chiavi in mano", che può essere attivato e disattivato in modo dinamico e in linea con la domanda.
L'obiettivo del progetto, che durerà fino alla fine del 2027, è creare un nuovo tipo di catena di processo. Il cuore del progetto è lo sviluppo di un modulo reattore NTPK per la sintesi di metanolo o etilene. Questo deve essere convalidato in prove sul campo su un banco di prova presso un impianto di biogas esistente. Nel progetto, il Fraunhofer IMWS è responsabile della caratterizzazione microstrutturale del materiale elettrodico brevettato e dei catalizzatori corrispondenti. I materiali sono analizzati in termini di microstruttura utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e le distribuzioni degli elementi sono esaminate con la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDXS). Il team del Fraunhofer si concentra anche sull'indagine dei cambiamenti dei materiali in prossimità della superficie causati dall'effetto dell'NTPK utilizzando la spettroscopia di fotoelettroni a raggi X (XPS) e la spettrometria di massa di ioni secondari a tempo di volo (ToF-SIMS).
"Per comprendere i processi all'elettrodo, vogliamo anche termoanalizzare le proprietà fondamentali e chiarire i processi redox alle varie interfacce dei materiali coinvolti usando la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni (EELS). Ciò renderebbe possibile lo sviluppo di materiali 'sotto visione'", spiega Christian Thieme, che guida il progetto presso il Fraunhofer IMWS. "L'approccio offre numerosi vantaggi, dall'elevata flessibilità e dall'applicazione decentralizzata alla possibilità di utilizzare interamente il biogas e di eliminare leemissioni di CO2 legate al processo. Infine, ma non meno importante, siamo anche motivati dal fatto che esiste un'enorme domanda di prodotti chimici di base sostenibili, sia per l'industria chimica che, a lungo termine, per il settore dei trasporti."
Oltre al coordinatore del progetto enaDyne GmbH, al progetto "PKat4Chem" partecipano anche EDL Anlagenbau Gesellschaft mbH, Arcanum Energy Systems GmbH & Co KG, HTWK Leipzig, TU Bergakademie Freiberg, Leipzig University, Ruhr University Bochum e Fraunhofer IMWS.
Il progetto è finanziato nell'ambito del programma di ricerca sull'energia del Ministero federale dell'Economia e della Protezione del Clima (BMWK).
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