Tabella di marcia per chiudere il ciclo del carbonio

Guidato dal chimico Wendy Shaw del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), uno sforzo multi-istituzionale ha prodotto una nuova tabella di marcia per ridurre le emissioni nei segmenti dell’economia difficili da elettrificare. L’approccio multiforme comprende lo sviluppo di combustibili non contenenti carbonio, la ricerca di fonti di carbonio non fossili e il mantenimento del carbonio in gioco una volta entrato nel ciclo, con il risultato ideale di molteplici usi di ciascun atomo di carbonio.

Il carbonio monouso non può più essere diffuso, affermano gli autori della roadmap. Il carbonio deve essere mantenuto in gioco attraverso un’economia circolare in cui ogni atomo di carbonio viene utilizzato numerose volte. Il carbonio può essere riutilizzato all’interno dello stesso settore industriale o fungere da materia prima per un nuovo settore industriale. Ad esempio, lo sviluppo di processi di upcycling dei polimeri e il riutilizzo efficiente di materiali a base di carbonio saranno fondamentali per un futuro a zero emissioni nette di carbonio.

“Abbiamo bisogno di soluzioni nuove e creative per realizzare i nostri obiettivi di decarbonizzazione”, ha affermato il direttore del PNNL Steven Ashby. “E la collaborazione è fondamentale per accelerare la ricerca scientifica ispirata all’uso nella scienza della catalisi e delle separazioni che sosterrà queste soluzioni. Attendo con impazienza questi risultati e il loro impiego nell’aviazione, negli autotrasporti pesanti e nel trasporto marittimo.”

Le idee sono emerse da un workshop sulla “Chiusura del ciclo del carbonio”, ospitato congiuntamente da PNNL, Ames National Laboratory, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory e SLAC National Accelerator Laboratory. I responsabili di ciascun laboratorio includevano rispettivamente Shaw, James Morris, Max Delferro, Sanjaya Senanayake, Francesca Toma, Michelle Kidder e Simon Bare.

“Il progresso delle tecnologie di riciclaggio e conversione del carbonio è fondamentale per un futuro di energia pulita e Argonne è impegnata a sostenerne lo sviluppo”, ha affermato il direttore di Argonne Paul Kearns. “Mi congratulo con i ricercatori che stanno collaborando all’interno del complesso di laboratori nazionali del Dipartimento dell’Energia per guidare queste innovazioni trasformative per raggiungere l’obiettivo zero entro il 2050.”

Una tabella di marcia verso la decarbonizzazione

L’idrogeno e l’ammoniaca hanno entrambi il potenziale come combustibili privi di carbonio. Tuttavia, entrambi presentano chiare sfide per l’attuazione. In particolare, il costo per immagazzinare e trasportare l’idrogeno lo rende impraticabile con le tecnologie attuali. Il lavoro per sviluppare molecole e materiali trasportatori per consentire un trasporto sicuro ed economico dell’idrogeno integrerà l’obiettivo Hydrogen Earthshot del Dipartimento dell’Energia di produrre idrogeno rinnovabile per 1 $/chilogrammo o meno. Questa riduzione dei costi potrebbe aiutare a creare sistemi sostenibili basati sull’idrogeno.

L’utilizzo del carbonio proveniente da diverse fonti è fondamentale per l’approccio proposto. Il carbonio continuerà a essere essenziale per molti settori economici critici. Questi settori sono candidati al riciclaggio circolare del carbonio attraverso il riciclaggio e l’integrazione di più fonti di carbonio. Le possibili fonti di carbonio prezioso includono biomassa, rifiuti alimentari e rifiuti di plastica. Per rendere questo processo una realtà sono necessarie separazioni e conversioni efficaci ed efficienti poiché miscele complesse costituiscono la maggior parte dei flussi di carbonio non fossile.

“Il carbonio dovrebbe essere visto come un bene prezioso che deve essere conservato e riutilizzato”, ha affermato Shaw, responsabile scientifico e tecnologico della direzione delle scienze fisiche e computazionali del PNNL. “La nostra visione è quella di trasformare il ruolo del carbonio nella nostra economia riutilizzando ogni atomo di carbonio più volte in un’economia circolare.”

Trasformare efficacemente i materiali di scarto “tradizionali” in materiali riutilizzabili rimane fondamentale. La combinazione delle fasi di separazione e conversione attraverso separazioni reattive può fornire un approccio pratico. Le separazioni reattive combinano reazioni chimiche con separazioni purificanti e possono fornire un’intensificazione del processo, convertendo il carbonio non fossile in modo più efficiente.

“Abbiamo bisogno di nuovi sviluppi scientifici fondamentali per produrre approcci industriali integrati”, ha affermato Morris. “Le tecnologie risultanti creeranno nuove opportunità economiche, sviluppo educativo e ulteriore crescita occupazionale”.

La tabella di marcia presenta un futuro senza rifiuti, in cui il carbonio viene trattato come un bene prezioso piuttosto che come una risorsa usa e getta. Per questo futuro è essenziale introdurre fonti sostenibili di carbonio nell’economia del circolo del carbonio.

Questa tabella di marcia è il risultato di un workshop intitolato “Closing the Carbon Cycle: Opportunities in Energy Science”, organizzato da sette laboratori nazionali del Dipartimento di Energia il 18 e 19 luglio 2022. L’articolo completo è disponibile in Chimica delle recensioni della natura.