Impianto DAC con torre filtro sorbente e pipeline di sequestro geologico

Le tecnologie DAC, Direct Air Capture, rappresentano una delle ultime frontiere della battaglia contro il cambiamento climatico. Macchine gigantesche filtrano la CO2 direttamente dall'atmosfera, un'impresa termodinamica complessa che richiede materiali sorbenti innovativi e sequestro geologico permanente.LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

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Il problema della concentrazione: perché la DAC è così difficile
La cattura diretta dell'aria rappresenta una delle sfide termodinamiche più difficili che l'ingegneria moderna deve affrontare. La ragione è semplice ma devastante: la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera è estremamente bassa, attualmente circa 420 parti per milione. Questo significa che in ogni milione di molecole d'aria, solo 420 sono CO2. Separare questa minima frazione dalle 999.580 molecole di azoto, ossigeno e altri gas richiede enormi quantità di energia per il processo di separazione.

Il confronto con la cattura post-combustione illustra il problema in modo eloquente. Nelle centrali termiche tradizionali, i gas di scarico contenuto CO2 in concentrazioni del 10-15 percento. Questa concentrazione, decuplicata rispetto all'atmosfera, rende la separazione chimica enormemente più efficiente energeticamente. La DAC deve lavorare con una concentrazione 250 volte più bassa, richiedendo di processare quantità colossali di aria per catturare quantità modeste di CO2.

Un impianto DAC tipico deve processare circa 10 milioni di metri cubi d'aria per catturare una singola tonnellata di CO2. Questa cifra enorme implica installazioni fisicamente massive: enormi ventilatori per forzare l'aria attraverso i filtri, strutture di accoglimento che coprono decine di migliaia di metri quadrati, e consumo energetico corrispondente. La termodinamica impone un costo energetico minimo per la separazione: questa limite funzionale è una legge fondamentale della fisica che nessuna innovazione tecnologica potrà mai superare.

Il ciclo di adsorbimento e rigenerazione
Le tecnologie DAC attualmente in sviluppo utilizzano materiali sorbenti: sostanze chimiche che catturano selettivamente molecole di CO2 dalle correnti d'aria che attraversano i filtri. Il processo funziona in due fasi principali che si alternano ciclicamente, in modo simile a come i polmoni umani alternano ispirazione ed espirazione.

Nella fase di cattura, enormi ventilatori spingono aria ambiente attraverso moduli contenenti materiali sorbenti. Questi materiali, tipicamente amini organici depositati su substrati porosi come allumina o silica, reagiscono chimicamente con la CO2 presente nell'aria, formando legami molecolari stabili. Le altre componenti dell'aria, azoto e ossigeno, non reagiscono e passano attraverso il filtro non modificate. Il risultato è un filtro che ha letteralmente catturato la CO2 atmosferica in forma chimica.

Nella fase di rigenerazione, il materiale sorbente viene riscaldato a temperature elevate, tipicamente tra 80 e 150 gradi Celsius secondo la tecnologia utilizzata, per rompere i legami chimici con la CO2 e rilasciarla in forma concentrata. Questa fase richiede significativo input energetico, rappresentando il consumo principale dell'intero processo. La CO2 rilasciata è ora in concentrazione molto elevata, ideale per lo stoccaggio o l'uso industriale. Il materiale sorbente, rigenerato, viene riutilizzato per un nuovo ciclo di cattura.

Questo ciclo di adsorbimento-rigenerazione può ripetersi migliaia di volte prima che il materiale sorbente si deteriori, ma la degradazione inevitabile richiede sostituzione periodica. Il costo dei materiali sorbenti e della loro manutenzione rappresenta una componente significativa del costo totale della DAC, aspetto su cui la ricerca attuale si concentra intensamente.

I nuovi materiali sorbenti: ricerca sulla frontiera
Il cuore della tecnologia DAC è il materiale sorbente: la sua capacità di catturare CO2, velocità di reazione, resistenza alla degradazione e energia richiesta per la rigenerazione determinano direttamente l'efficienza e il costo dell'intero processo. La ricerca attuale si concentra su diverse famiglie di materiali per ottimizzare queste parametri.

Gli amini liquidi, soluzioni di composti aminici in solvente organico, offrono alta capacità di assorbimento ma presentano problemi di corrosione, evaporazione del solvente e stabilità a lungo termine. Aziende come Carbon Engineering, fondata dal fisico Keith Lackner, hanno sviluppato sistemi basati su soluzioni alcaline di potassio o sodio che catturano CO2 in forma di carbonato, processo ben compreso chimicamente ma particolarmente intensivo dal punto di vista energetico.

I materiali sorbenti solidi rappresentano una promessa maggiore per efficienza energetica. Amini grafittizzati su silica mesoporosa, ossidi di metalli di transizione e framework metallorganici con cavità molecolari calibrate per la dimensione della molecola CO2 mostrano risultati promettenti nei laboratori. I MOF, Material Organici-Metallici, sono particolarmente interessanti: strutture cristalline dove atomi di metallo sono collegati da ligandi organici formando reti tridimensionali con porosità controllabile a livello molecolare.

Una innovazione recente concerne l'uso di catalizatori fotoresponsivi che utilizzano energia solare direttamente per il ciclo di cattura e rilascio. Questi materiali adsorbono CO2 in luce debole e la rilasciano quando esposti a luce intensa di lunghezze d'onda specifiche, eliminando la necessità di riscaldamento convenzionale. Se questa tecnologia raggiunge efficienza pratica, potrebbe ridurre drasticamente il consumo energetico della DAC utilizzando direttamente l'energia solare abbondante.

Sequestro geologico permanente
La cattura della CO2 risolve solo metà del problema climatico: la CO2 estratta dall'atmosfera deve essere stoccata in modo permanente, altrimenti nel tempo viene rilasciata nuovamente, annullando il beneficio della cattura. Lo sequestro geologico rappresenta il metodo più consolidato per garantire questa permanenza a scala millenaria.

Il principio è relativamente semplice: la CO2 viene compressa fino a diventare un fluido supercritico denso e iniettata profonda sotto la superficie terrestre in formazioni geologiche adatte. A profondità superiori a 800 metri, le condizioni di pressione e temperatura mantengono la CO2 in stato supercritico, più denso dell'acqua, impedendo a questa di risalire verso la superficie. La CO2 riempie i pori delle rocce di arenaria porosa, trattenuta da strati di caprock impermeabili sovrastanti.

Nel tempo, processi geochimici lenti trasformano la CO2 iniettata in carbonati minerali, forma permanente e stabile. Questa mineralizzazione richiede decenni o secoli ma garantisce una permanenza veramente millenaria. Il sito più avanzato di sequestro geologico associato a DAC è quello di Climeworks in Islanda, dove la CO2 viene iniettata in basalto vulcanico. La reattività chimica del basalto accelera la mineralizzazione a tempi di anni invece di secoli, con i primi blocchi di CO2 iniettati già mineralizzati nel 2017.

Costi e scala attuale
Il costo attuale della DAC è il principale ostacolo alla sua adozione di massa. Le stime dei costi variano enormemente secondo la tecnologia e la scala operativa, ma il range attuale si colloca tra 400 e 1.000 dollari per tonnellata di CO2 catturata. Per confronto, il costo economico del danno causato dalla CO2 nell'atmosfera, calcolato nei modelli di danno climatico, è stimato tra 50 e 200 dollari per tonnellata secondo le diverse metodologie adottate dagli economisti.

La scala attuale è corrispondentemente modesta. Climeworks, azienda svizzera leader del settore, opera il più grande impianto DAC del mondo a Mammoth, in Islanda, con una capacità di 36.000 tonnellate di CO2 all'anno. Questa cifra rappresenta solo una frazione trascurabile delle emissioni globali annuali, circa 37 miliardi di tonnellate. Per avere impatto climatico significativo, la DAC dovrebbe scalare di fattori di milioni.

Il percorso verso questa scala è guidato dalle curve di apprendimento, pattern osservati in altre tecnologie energetiche pulite. Il solare fotovoltaico ha ridotto il suo costo del 99 percento in due decenni attraverso economia di scala, innovazione continua e apprendimento operativo. Se la DAC segue un percorso simile, i costi potrebbero scendere sotto 100 dollari per tonnellata entro il 2040.

Applicazioni e dibattito scientifico
La CO2 catturata dalla DAC non deve necessariamente essere sequestrata: può essere utilizzata come feedstock per produrre carburanti sintetici carbon-neutral. Questi e-fuel, che combinano CO2 catturata con idrogeno verde, possono alimentare veicoli, aerei e navi esistenti senza modifiche, rappresentando una soluzione di decarbonizzazione dei trasporti che non richiede infrastruttura nuova.

La DAC ha anche applicazioni nella scita agricola: arricchimento di CO2 nelle serre per aumentare la produttività delle piante. Greenhouse che operano vicino a impianti DAC possono utilizzare la CO2 catturata per aumentare la concentrazione atmosferica interna da 400 parti per milione a oltre 1.000, potenzialmente raddoppiando la produzione con minore uso di acqua e fertilizzanti.

La DAC genera un dibattito significativo nella comunità scientifica. Il IPCC ha identificato la rimozione di CO2 atmosferica come necessaria per raggiungere gli obiettivi di Paris. I critici, tuttavia, esprimono preoccupazioni giustificate sul rischio di moral hazard: la disponibilità di una tecnologia promessa per rimuovere CO2 potrebbe ridurre la pressione politica per ridurre le emissioni alla fonte, l'azione più efficace e urgente. La posizione più equilibrata riconosce la DAC come componente necessaria ma non sufficiente, complemento indispensabile per i settori dove la decarbonizzazione diretta è tecnicamente impossibile.

La cattura diretta dell'aria rappresenta un tentativo audace di invertire direttamente il danno climatico accumulato da un secolo e mezzo di emissioni fossili. Sebbene ancora costosa e limitata in scala, la DAC sfida i limiti della termodinamica con ingegneria innovativa e materiali avanzati. Il suo successo dipenderà dalla capacità di ridurre drasticamente i costi attraverso innovazione e economia di scala, integrando questa tecnologia nel sistema energetico rinnovabile globale.

 

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