Cattura della CO2: dal Politecnico di Losanna, una soluzione per il trasporto pesante

In Europa, il 30% delle emissioni di CO2 dipende dal trasporto e, soprattutto, dal trasporto su strada. Un gruppo di ingegneri di Losanna ha escogitato un modo, energeticamente poco dispendioso e ispirato ai principi della circolarità, per catturare e riutilizzare la CO2 prodotta dal trasporto commerciale su gomma.

I ricercatori dell’EPFL brevettano un sistema di cattura della CO2 da applicare al sistema di scarico di camion e bus.

(Rinnovabili.it) – Un gruppo di ricercatori del Politecnico di Losanna (EPFL) sta lavorando ad un metodo di cattura della CO2 che potrebbe ridurre le emissioni dovute al trasporto di mezzi pesanti di circa il 90%. Secondo i dati dell’European Environment Agency, in Europa il trasporto è responsabile di quasi il 30% delle emissioni totali di CO2. Di questo, circa il 72% è dovuto al trasporto su strada. Tuttavia, se la diffusione delle auto elettriche può contribuire alla riduzione delle emissioni nel trasporto personale, il problema permane nell’ambito del trasporto commerciale e nell’uso di mezzi pesanti come camion e autobus.

Per questa ragione, i ricercatori svizzeri hanno individuato una soluzione di cattura della CO2 che intercetta le emissioni all’interno del sistema di scarico dei mezzi. Ma c’è di più, perché questa soluzione permette anche di convertire l’anidride carbonica in liquido e di trasformarla di nuovo in combustibile convenzionale, facendo uso di energia da fonti rinnovabili. Il progetto, coordinato dal gruppo di Ingegneria dei processi industriali e dei sistemi energetici, è stato brevettato ed è oggetto di una pubblicazione sulla rivista scientifica Frontiers in Energy Research.

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Nello specifico, gli scienziati hanno combinato le diverse tecnologie sviluppate dall’istituto svizzero per mettere a punto un processo in grado di recuperare la maggior parte dell’energia disponibile a bordo, anche quella derivante dal calore dal motore. In primo luogo, i gas presenti del tubo di scarico del veicolo vengono raffreddati, permettendo così la separazione dell’acqua dai gas. In un secondo momento, l’anidride carbonica viene isolata dagli altri gas (come azoto e ossigeno), utilizzando un materiale assorbente composto da strutture metallo-organiche (MOF) e appositamente progettato per la cattura della CO2.

Una volta che il materiale è saturo di gas, viene riscaldato in modo da poter permettere l’estrazione di anidride carbonica pura, la quale viene poi compressa e trasformata in liquido. Questo liquido viene immagazzinato in un serbatoio (ubicato sul tettuccio del veicolo, in corrispondenza della cabina di guida) e può quindi essere riconvertito in combustibile convenzionale presso le stazioni di servizio. L’intero processo di svolge all’interno di una capsula il cui peso, insieme a quello del serbatoio di CO2 liquida, è pari al 7% del carico di un veicolo commerciale.

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I calcoli dei ricercatori mostrano che un camion che utilizza 1 kg di carburante convenzionale potrebbe produrre 3 kg di CO2 liquida e che la conversione non comporterebbe alcuna penalità energetica. Inoltre, ben il 90% di CO2 può essere riutilizzata. Il sistema (che potrebbe teoricamente funzionare con tutti i camion, gli autobus e persino le barche, e con qualsiasi tipo di carburante) ha il vantaggio di poter essere applicato su tutte le vetture, neutralizzando il loro impatto in termini di emissioni di carbonio.

Grazie ad un nuovo processo sintetico è stato creato un elettrolita di solfuro solido dotato della più alta conduttività per gli ioni di sodio più alta mai registrata. Circa 10 volte superiore a quella richiesta per l'uso pratico

Batterie al Sodio allo Stato Solido più facili da Produrre

La batterie allo stato solido incarnano a tutti gli effetti il nuovo mega trend dell’accumulo elettrochimico. E mentre diverse aziende automobilistiche tentano di applicare questa tecnologia agli ioni di litio, c’è chi sta percorrendo strade parallele. É il caso di alcuni ingegneri dell’Università Metropolitana di Osaka, in Giappone. Qui i professori Osaka Atsushi Sakuda e Akitoshi Hayash hanno guidato un gruppo di ricerca nella realizzazione di batterie al sodio allo stato solido attraverso un innovativo processo di sintesi.

Batterie a Ioni Sodio, nuova Frontiera dell’Accumulo

Le batterie al sodio (conosciute erroneamente anche come batterie al sale) hanno conquistato negli ultimi anni parecchia attenzione da parte del mondo scientifico e industriale. L’abbondanza e la facilità di reperimento di questo metallo alcalino ne fanno un concorrente di primo livello dei confronti del litio. Inoltre l’impegno costante sul fronte delle prestazioni sta portando al superamento di alcuni svantaggi intrinseci, come la minore capacità. L’ultimo traguardo raggiunto in questo campo appartiene ad una ricerca cinese che ha realizzato un unità senza anodo con una densità di energia superiore ai 200 Wh/kg.

Integrare questa tecnologia con l’impiego di elettroliti solidi potrebbe teoricamente dare un’ulteriore boost alla densità energetica e migliorare i cicli di carica-scarica (nota dolente per le tradizionali batterie agli ioni di sodio). Quale elettrolita impiegare in questo caso? Quelli di solfuro rappresentano una scelta interessante grazie alla loro elevata conduttività ionica e lavorabilità. Peccato che la sintesi degli elettroliti solforati non sia così semplice e controllabile. Il che si traduce in un’elevata barriera per la produzione commerciale delle batterie al sodio allo stato solido.

Un Flusso di Polisolfuro reattivo

É qui che si inserisce il lavoro del team di Sakuda a Hayash. Gli ingegneri hanno messo a punto un processo sintetico che impiega sali fusi di polisolfuro reattivo per sviluppare elettroliti solidi solforati. Nel dettaglio utilizzando il flusso di polisolfuro Na₂S_x come reagente stechiometrico, i ricercatori hanno sintetizzato due elettroliti di solfuri di sodio dalle caratteristiche distintive, uno dotato della conduttività degli ioni di sodio più alta al mondo (circa 10 volte superiore a quella richiesta per l’uso pratico) e uno vetroso con elevata resistenza alla riduzione.

“Questo processo è utile per la produzione di quasi tutti i materiali solforati contenenti sodio, compresi elettroliti solidi e materiali attivi per elettrodi“, ha affermato il professor Sakuda. “Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali, rende più semplice ottenere composti che mostrano prestazioni più elevate, quindi crediamo che diventerà una metodologia mainstream per il futuro sviluppo di materiali per batterie al sodio completamente allo stato solido“.  I risultati sono stati pubblicati su Energy Storage Materials and Inorganic Chemistry .

Un gruppo di scienziati della Lehigh University ha sviluppato un materiale dotato di una efficienza quantistica esterna di 90 punti percentuali sopra quella delle celle solari tradizionali

Nuovo materiale quantistico con un assorbimento solare medio dell’80%

Atomi di rame inseriti tra strati bidimensionali di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. Questa la ricetta messa a punto dai fisici Srihari Kastuar e Chinedu Ekuma nei laboratori della Lehigh University, negli Stati Uniti, per dare una svecchiata alla prestazioni delle celle solari. Il duo di ricercatori ha così creato un nuovo materiale quantistico dalle interessanti proprietà fotovoltaiche. Impiegato come strato attivo in una cella prototipo, infatti, il nuovo materiale ha mostrato un assorbimento solare medio dell’80%, un alto tasso di generazione di portatori fotoeccitati e un’efficienza quantistica esterna (EQE) record del 190%. Secondo gli scienziati il risultato raggiunto supera di gran lunga il limite teorico di efficienza di Shockley-Queisser per i materiali a base di silicio e spinge il campo dei materiali quantistici per il fotovoltaico a nuovi livelli. 

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L’efficienza quantistica esterna

Tocca fare una precisazione. L’efficienza quantistica esterna non va confusa con l’efficienza di conversione, il dato più celebre quando si parla di prestazioni solari. L’EQE rappresenta il rapporto tra il numero di elettroni che danno luogo a una corrente in un circuito esterno e il numero di fotoni incidenti ad una precisa lunghezza d’onda. 

Nelle celle solari tradizionali, l’EQE massimo è del 100%, tuttavia negli ultimi anni alcuni materiali e configurazioni avanzate hanno dimostrato la capacità di generare e raccogliere più di un elettrone da ogni fotone ad alta energia incidente, per un efficienza quantistica esterna superiore al 100%. Il risultato di Kastua e Ekuma, però, rappresenta un unicum nel settore.

Celle solari a banda intermedia

Per il loro lavoro due fisici sono partiti da un campo particolare della ricerca fotovoltaica. Parliamo delle celle solari a banda intermedia (IBSC – Intermediate Band Solar Cells), una tecnologia emergente che ha il potenziale per rivoluzionare la produzione di energia pulita. In questi sistemi la radiazione solare può eccitare i portatori dalla banda di valenza a quella di conduzione, oltre che direttamente, anche in maniera graduale. Come?  “Passando” per l’appunto attraverso stati di una banda intermedia, livelli energetici specifici posizionati all’interno della struttura elettronica di un materiale creato ad hoc. “Ciò consente a un singolo fotone di provocare generazioni multiple di eccitoni attraverso un processo di assorbimento in due fasi“, scrivono i due ricercatori sulla rivista Science Advances.

Nel nuovo materiale quantistico creato dagli scienziati della Lehigh University questi stati hanno livelli di energia all’interno dei gap di sottobanda ideali. Una volta testato all’interno di una cella fotovoltaica prototipale il materiale ha mostrato di poter migliorare l’assorbimento e la generazione di portatori nella gamma dello spettro dal vicino infrarosso alla luce visibile. 

La rivoluzione dei materiali quantistici

Il duo ha sviluppato il nuovo materiale sfruttando i “gap di van der Waals”, spazi atomicamente piccoli tra materiali bidimensionali stratificati. Questi spazi possono confinare molecole o ioni e gli scienziati dei materiali li usano comunemente per inserire, o “intercalare”, altri elementi per ottimizzare le proprietà dei materiali. Per la precisione hanno inserito atomi di rame tra strati di seleniuro di germanio e solfuro di stagno. “Rappresenta un candidato promettente per lo sviluppo di celle solari ad alta efficienza di prossima generazione – ha sottolineato Ekuma – che svolgeranno un ruolo cruciale nell’affrontare il fabbisogno energetico globale“.