Le applicazioni della CO2 catturata nell’industria chimica

L’industria chimica, che dipende fortemente dalle fonti fossili, è responsabile del 2 per cento delle emissioni globali di CO₂ di origine antropica. Un nuovo rapporto di IDTechEx, intitolato “Utilizzo della CO₂ 2025-2045: tecnologie, previsioni di mercato e attori”, esplora come la CO₂ catturata possa essere utilizzata come materia prima per una molteplicità di prodotti chimici, offrendo un incentivo economico e ambientale alla cattura dell’anidride carbonica e promuovendo l’economia circolare.

L’utilizzo della CO₂ nell’industria chimica

La cattura del carbonio è considerata una tecnologia essenziale per ridurre le emissioni globali di gas serra, poiché può contribuire alla decarbonizzazione dei settori hard-to-abate. Tuttavia, le tecnologie di cattura del carbonio sono ancora costose.

Se il carbonio catturato potesse essere utilizzato per produrre prodotti chimici redditizi, questo flusso di entrate potrebbe fornire un incentivo economico per accelerare l’adozione delle tecnologie di CCUS (cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio) fino a quando non emergeranno normative più rigorose che promuoveranno lo stoccaggio della CO₂.

Anche se molti prodotti chimici derivati dalla CO₂ non sono a emissioni zero, rappresentano comunque un’alternativa meno inquinante rispetto a quelli derivanti dai combustibili fossili. Non dovrebbero essere sottovalutati come strumenti di decarbonizzazione, specialmente in settori come l’edilizia e l’aviazione, secondo gli analisti di IDTechEx.

I processi di trasformazione della CO₂

Milioni di composti chimici contengono carbonio, tra cui la benzina e il metanolo, oltre a plastiche di uso quotidiano, come PET e polietilene. Riciclare la CO₂ catturata e combinarla con idrogeno a basso contenuto di carbonio offre una nuova via per la produzione di questo tipo di composti: la capacità produttiva di policarbonato a partire da questo processo ha già raggiunto un milione di tonnellate annue.

Poiché l’anidride carbonica è una molecola termodinamicamente stabile, è necessario un apporto energetico per far avvenire le reazioni. Attualmente, le vie di sintesi più mature per i prodotti chimici derivati dalla CO₂ sono di tipo termocatalitico; si basano cioè sull’utilizzo del calore e di appositi catalizzatori.

Tuttavia, vi è un notevole interesse per le vie di sintesi che possono essere effettuate a temperatura ambiente e in normali condizioni di pressione, con una riduzione della domanda energetica e dei costi. Le vie di sintesi alternative cui stanno lavorando startup e centri di ricerca come il Fraunhofer Institute includono la conversione biologica e gli approcci elettrochimici.

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La conversione biologica della CO₂

La natura è già un’esperta nell’utilizzo della CO₂. Durante la fotosintesi, le piante convertono l’anidride carbonica in glucosio. Diverse startup stanno cercando di sfruttare il potere della fotosintesi utilizzando microalghe o cianobatteri geneticamente modificati per produrre combustibili e prodotti chimici. Un esempio virtuoso è quello di Cemvita, che produce un olio C16-C18 con un profilo simile all’olio di palma, promettente per un utilizzo nell’ambito dei carburanti sostenibili per l’aviazione.

Altri stanno testando l’efficienza della chemosintesi, processo in cui sono le molecole inorganiche come l’idrogeno a fornire una fonte di energia invece della luce. LanzaTech, che già produce oltre 100mila tonnellate annue di etanolo dalla CO₂ catturata, sta commercializzando questo approccio utilizzando batteri acetogeni.

Perr i percorsi di conversione biologica della CO₂, una sfida tecnica riportata da diversi attori riguarda il limitato trasferimento di massa gas-liquido all’interno del reattore. Per ovviare a questo problema, LanzaTech ha combinato un dispositivo innovativo per la formazione di microbolle con una particolare geometria del reattore e uno specifico approccio di circolazione del liquido che hanno permesso di aumentare i coefficienti di trasferimento di massa del gas. Un’altra soluzione, in fase di sviluppo da parte dell’attore emergente CarbonBridge, è la fermentazione diretta del gas, che evita l’uso di un mezzo liquido.

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La conversione elettrochimica della CO₂

Per la conversione elettrochimica della CO₂, gli input richiesti sono acqua e anidride carbonica. L’elettrolisi della CO₂ a bassa temperatura può generare syngas e prodotti come etilene, etanolo e propanolo. Avantium, un innovatore in questo campo, ha avviato la produzione di acido formico e acido ossalico derivati dal carbonio utilizzando la sua piattaforma tecnologica Volta. Nel campo dei combustibili sintetici, il progetto commerciale Moses Lake SAF di Twelve è stato inaugurato nel 2024. Questo impianto utilizza un elettrolizzatore a membrana a scambio protonico per CO₂ a bassa temperatura per produrre syngas, seguito dalla ben consolidata sintesi di Fischer-Tropsch, che produce le catene di idrocarburi più lunghe del carburante sintetico.

Anche l’elettrolisi della CO₂ ad alta temperatura può essere eseguita utilizzando elettrolizzatori a ossido solido. L’operazione ad alta temperatura migliora la cinetica dell’elettrolisi dell’acqua e dell’anidride carbonica e l’attività catalitica rispetto agli elettrolizzatori a bassa temperatura, riducendo la necessità di catalizzatori costosi. Tuttavia, l’operazione ad alta temperatura causa un’accelerazione del degrado e aumenta i requisiti di manutenzione.

La riduzione termocatalitica generalmente richiede una produzione su larga scala per essere economicamente vantaggiosa. Al contrario, i metodi elettrochimici potrebbero, in teoria, essere operati in modo economico anche su piccola scala. Ciò potrebbe portare a una produzione chimica più distribuita, riducendo i costi di trasporto e offrendo un maggiore controllo della catena di approvvigionamento.

Le prospettive future

Concludendo, la realizzazione di prodotti chimici a partire dalla CO₂ catturata e riciclata è già una realtà, ma in questo momento le aziende si stanno concentrando sull’estendere la produzione a nuovi prodotti chimici e sull’identificazione di percorsi di sintesi alternativi. La conversione biologica e quella elettrochimica, come precedentemente evidenziato, sono molto promettenti, sebbene debbano essere ulteriormente affinate per diventare più economiche. IDTechEx prevede che, entro il 2045, saranno sintetizzate 19 milioni di tonnellate annue di prodotti chimici “drop-in” a partire dalla CO₂ catturata.