Piattaforma di sintesi per il metanolo e i suoi derivati da fonti rinnovabili
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Utilizzando la CO₂ come unica fonte di carbonio, un impianto pilota presso il centro tecnico LIKAT Catalysis2Sacle di Rostock produce metanolo, una sostanza chimica di base, nonché prodotti derivati sotto forma di due carburanti sintetici. L’impianto dimostrativo mostra come i processi chimici fondamentali possano funzionare utilizzando esclusivamente materie prime rinnovabili e come questi possano essere combinati in modo efficace per creare linee di produzione. L’impianto fa parte di uno sforzo globale da parte della comunità scientifica volto a sottrarre l’anidride carbonica (CO₂), dannosa per il clima, dai flussi di gas di scarico della civiltà e a riutilizzarla come materia prima. Lo sviluppo dell’impianto è stato finanziato dal Ministero federale tedesco per il Digitale e i Trasporti.
L'idrogeno ottenuto dall'elettrolisi reagisce con la CO₂: o, insieme a H₂ aggiuntivo, forma monossido di carbonio, che viene trasformato in gas di sintesi e, successivamente, in metanolo; oppure reagisce direttamente con la CO₂ per formare metanolo, che a sua volta reagisce per formare MeFo o DMC.
Copyright: LIKAT
L’obiettivo del progetto denominato SuME (Sustainable Mobility Enabler) era la produzione di due rappresentanti di «una nuova generazione di carburanti», come si legge sul sito web ufficiale del progetto: il formiato di metile (MeFo) e il carbonato di dimetile (DMC). «Entrambi sono composti prodotti a impatto zero in termini di CO₂, che bruciano in modo pressoché privo di sostanze nocive e con un numero di ottani simile a quello delle sostanze convenzionali», spiega il coordinatore del progetto SuME, il dott. Sebastian Wohlrab. Il DMC funge inoltre da elettrolita per la mobilità elettrica.
Carbonio ricavato interamente dalla CO₂
Presso l’Istituto Leibniz per la Catalisi, Sebastian Wohlrab guida un team di ricerca composto da quattro persone che, insieme ai partner, ha sviluppato e reso operativo l’impianto pilota in tre anni e mezzo. L’impianto funziona in regime continuo con una resa massima di un litro all’ora. Il progetto è stato finanziato con 7,11 milioni di euro. «Come elemento fondamentale, i nostri prodotti finali contengono carbonio, proprio come molte importanti materie prime chimiche», spiega Sebastian Wohlrab. Il punto forte: a differenza di quanto avviene solitamente in chimica, questo carbonio non proviene da petrolio, gas o carbone, ma interamente dalla CO₂. Le fonti da cui proviene sono, ad esempio, i gas di scarico della produzione di cemento o di biogas oppure l’anidride carbonica presente nell’aria. Anche le altre materie prime per il metanolo e per i due carburanti DMC e MeFo, ovvero l’idrogeno e l’ossigeno, provengono da fonti sostenibili.
Percorsi alternativi nella chimica
Il metanolo, con formula molecolare CH₃OH, è la molecola più semplice del gruppo degli alcoli e, con una produzione annua di 112 milioni di tonnellate (2024), è una delle sostanze chimiche di base più importanti per l’industria globale. Viene prodotto su larga scala a partire dal gas di sintesi, una miscela di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H₂) di origine fossile. Il passaggio della sintesi del metanolo a materie prime rinnovabili è un obiettivo di ricerca a lungo termine a livello mondiale. Presso il LIKAT e in altri laboratori all’avanguardia sono state individuate le prime soluzioni in tal senso, alcune delle quali sono già in fase di sperimentazione su scala pilota. L’impianto di Rostock integra ora un processo alternativo per la produzione di metanolo con percorsi di reazione altrettanto sostenibili per i prodotti derivati in un processo di produzione continuo. Il dott. Wohlrab afferma: «Partendo da questa piattaforma di sintesi, è possibile esplorare l’intera chimica derivata dal metanolo attraverso reazioni alternative». Oltre ai due ossigenati C1 MoFe e DMC, il suo team di ricerca ha nel mirino altri prodotti target, come il cherosene e gli idrocarburi superiori, quali alcani a catena più lunga e olefine.
Ecco come funziona l’impianto SuME
Nel padiglione tecnico del LIKAT l’impianto pilota salta subito all’occhio: reattori, pompe, regolatori, sistemi di pressione, il tutto di dimensioni imponenti e circondato da tubazioni e da un involucro protettivo in plexiglas. Lo schema di flusso, un documento di 160 pagine, può essere descritto a grandi linee come segue: un elettrolizzatore scinde innanzitutto l’acqua in idrogeno (H₂) e ossigeno (O₂). L’energia elettrica necessaria a tale scopo viene immessa in rete dall’impianto fotovoltaico del centro tecnico LIKAT. L’idrogeno viene poi trasformato in due modi diversi. In una variante, reagisce con la CO₂ formando monossido di carbonio (CO), che con l’aggiunta di ulteriore H₂ viene praticamente convertito in gas di sintesi, dal quale a sua volta si ottiene metanolo. Simile al processo su larga scala, ma completamente privo di materie prime fossili. Nella seconda variante, l’H₂ viene aggiunto alla CO₂, che reagisce quindi direttamente formando metanolo, con l’acqua come sottoprodotto. Il metanolo viene poi impiegato in due linee di produzione: o viene convertito in MeFo con rilascio di H₂, oppure reagisce con CO e ossigeno per formare DMC.
Chimica della CO₂ complessa
La chimica della CO₂ è di tendenza ed è complessa, poiché questo gas serra è estremamente inerte. Ciò rappresenta una sfida soprattutto per lo sviluppo dei catalizzatori, il campo di competenza per eccellenza del LIKAT, che vanta una comprovata esperienza e know-how nella sintesi del metanolo. Può sembrare sorprendente, ma per l’attivazione delle molecole di CO₂ ai fini della produzione di metanolo, come spiega il dott. Wohlrab, sono adatti i catalizzatori a base di rame-zinco, gli stessi utilizzati dall’industria anche per la produzione di metanolo da gas di sintesi fossile. Tuttavia, questi catalizzatori perdono la loro efficacia a contatto con l’acqua, un fenomeno inevitabile in questa reazione alternativa. Quattro anni fa, presso il LIKAT, si è riusciti a sintetizzare un catalizzatore con maggiore stabilità, «con una composizione chimica simile ma con una struttura micro e superficiale notevolmente modificata», come afferma Sebastian Wohlrab. In quel periodo è nata anche l’idea di sviluppare una piattaforma di sintesi per il metanolo nel centro tecnico del LIKAT appena inaugurato e di mettersi alla ricerca di finanziamenti e personale di ricerca.
Partner di progetto e temi attuali
Tra i partner del progetto figuravano la TU Bergakademie Freiberg e il Fraunhofer-IKTS di Dresda, nonché le aziende EnProCo Berlin e HydroExeed. Nel frattempo, il team del progetto SuME ha acquisito una vasta conoscenza dell’influenza dell’acqua e di altri componenti di reazione sul processo catalitico ed è riuscito a perfezionare il catalizzatore a base di rame e zinco. Attualmente i chimici stanno valutando quale dei due percorsi di reazione per ottenere il metanolo sia economicamente più vantaggioso: quello che passa dalla CO₂ alla CO o quello direttamente dalla CO₂.
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