Trasformare la CO₂ in combustibili: i chimici risolvono un problema fondamentale legato al ridimensionamento
Il Centro Tecnico LIKAT produce per la prima volta catalizzatori su scala chilogrammo per un impianto pilota
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I chimici del Centro Tecnico LIKAT di Rostock sono riusciti per la prima volta a produrre un nuovo catalizzatore su scala pilota. I primi dieci chilogrammi della sostanza sono stati ora consegnati ai partner di ricerca ad Amburgo e Vienna. Il catalizzatore, sviluppato presso il LIKAT nell’ambito di un precedente progetto collaborativo, è destinato alla produzione di carburanti a emissioni zero di CO₂ a Vienna e a dimostrare la sua idoneità pratica per impianti di maggiori dimensioni. Si tratta del fulcro di una versione moderna della sintesi Fischer-Tropsch (FTS), sviluppata cento anni fa da due chimici tedeschi per liquefare il carbone e il gas naturale. Al posto delle materie prime fossili, questa nuova variante della FTS liquefa ora il gas serra CO₂.
Il dott. Christoph Wulf e il dott. Simon Haida (da sinistra) mostrano una parte del materiale sintetizzato
Rachow, LIKAT
La nuova versione di questo catalizzatore Fischer-Tropsch è stata sviluppata presso l’Istituto Leibniz per la Catalisi. Il processo converte l’anidride carbonica (CO₂), insieme all’idrogeno (H₂) prodotto in modo sostenibile, in combustibili sintetici rispettosi del clima. Questi combustibili possono alimentare i motori a combustione interna convenzionali e, a differenza della benzina o del diesel, non contengono alcun composto di zolfo o azoto. «La ricerca punta a una mobilità sostenibile e a emissioni zero di CO₂, che è anche uno dei punti chiave dell’agenda nazionale per l’alta tecnologia», afferma il dott. Christoph Wulf, responsabile di gruppo presso il Centro Tecnico di Trasferimento LIKAT.
Il successore di InnoSyn
Come il processo classico, anche il metodo moderno si svolge nei cosiddetti reattori a colonna a bolle, ma in condizioni di reazione molto più moderate. All’interno di lunghi tubi verticali, tutte le sostanze coinvolte si fanno strada attraverso un liquido viscoso dal basso verso l’alto: da un lato, le “bolle”, ovvero le materie prime gassose CO₂, H₂ e, successivamente, il monossido di carbonio (CO). D’altra parte, vi sono tutti i prodotti intermedi e finali liquidi, nonché il catalizzatore sotto forma di microsfere a base di ossido di ferro.
Questo catalizzatore è stato sviluppato nell’ambito del progetto del consorzio InnoSyn, finanziato a livello federale — una componente dell’iniziativa “Repubblica dell’Idrogeno della Germania” — in combinazione con un modello di intelligenza artificiale per il CO₂-FTS, sotto la direzione del chimico del LIKAT, il dott. David Linke (vedi anche https://idw-online.de/de/news851343 ). I partner dell’Istituto Engler-Bunte del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno dimostrato la fattibilità di questo processo in un sistema di reattori multifase su scala di grammi. In un progetto successivo, denominato «Green Fuel and Chemicals», il processo verrà ora preparato per l’applicazione industriale. Ciò comprende una dimostrazione su scala chilogrammo in un impianto pilota presso la sede viennese della Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH (BEST). Lì, entro l’inizio del 2027, diversi chilogrammi di CO₂ saranno convertiti in combustibili e prodotti chimici sostenibili.
Formulazione del catalizzatore per il potenziamento su scala industriale
Quando i nuovi catalizzatori escono dal laboratorio di ricerca, in genere funzionano in quantità di pochi milligrammi. Per il potenziamento su scala industriale — come lo definiscono i chimici — fino a scale di diversi chilogrammi e volumi di soluzione fino a 100 litri, il catalizzatore richiede una formulazione diversa. L’obiettivo della nuova collaborazione di ricerca era trovare l’approccio appropriato. Il dott. Christoph Wulf e il dott. Simon Haida hanno assunto questo incarico presso il Centro Tecnico di Trasferimento LIKAT.
Come spiegano entrambi i chimici, ciò ha comportato anche lo sviluppo di una tecnologia di produzione pratica per il catalizzatore. Il catalizzatore per la nuova sintesi Fischer-Tropsch si forma a partire da sali metallici in una reazione di precipitazione, producendo una “pasta” rosso ruggine di ossido di ferro — una sorta di impasto che viene successivamente essiccato a spruzzo e trattato termicamente. Il risultato sono particelle dalla forma sferica praticamente perfetta. Le sfere hanno dimensioni variabili e devono quindi essere frazionate, ovvero selezionate in base alle dimensioni.
La dimensione delle particelle ne determina la funzione
«Il nocciolo della questione è che il comportamento di un catalizzatore non può essere previsto su larga scala», afferma Simon Haida. Agitare e mescolare accuratamente una soluzione da 100 millilitri può sembrare semplice. «Su una scala di 50 litri, però, la fase di lavorazione specifica — in particolare la filtrazione che separa il prodotto grezzo dalla soluzione di reazione — rappresenta una sfida». Ciò richiede esperimenti sistematici in cui i volumi di reazione vengono aumentati gradualmente.
Questo lavoro è stato condotto in stretta collaborazione con il chimico del LIKAT, il dott. Aleksandr Fedorov, che aveva originariamente sviluppato il catalizzatore. Ad ogni nuova fase, egli ha riadattato il catalizzatore e ne ha testato le prestazioni. I chimici hanno quindi dovuto progettare le attrezzature per la fase successiva.
In questo modo, sono passati da un lotto di pochi millilitri a 50 litri, una quantità che può essere utilizzata per rifornire impianti pilota. Uno dei risultati emersi dagli esperimenti è che la dimensione delle particelle influenza in modo significativo le prestazioni del catalizzatore. Il dott. Wulf: «Le sfere di ossido di ferro non devono essere troppo grandi, in modo da poter continuare a galleggiare — per così dire — nel successivo reattore a colonna a bolle. Se invece sono troppo piccole, si aggregano e intasano il filtro all’uscita del reattore o finiscono addirittura nel prodotto, contaminandolo».
L’impianto pilota consente il passaggio su scala industriale
LIKAT è uno dei primi istituti scientifici in Germania in grado di produrre nuovi catalizzatori per la propria ricerca su scala pilota. Sebbene altri istituti dispongano di impianti pilota per testare i catalizzatori, Christoph Wulf osserva: «Ma non dispongono delle attrezzature necessarie per produrre le sostanze di prova nella scala richiesta». Presso il LIKAT, la struttura tecnica Catalysis2Scale è stata ora ben attrezzata con strumenti e apparecchiature grazie a progetti finanziati da sovvenzioni e collaborazioni di ricerca. Con i primi dieci chilogrammi del loro catalizzatore a base di ossido di ferro per la nuova sintesi Fischer-Tropsch, il dott. Wulf e il dott. Haida puntano ora ad attirare l’attenzione di potenziali partner di ricerca su questa opportunità.
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