Senza passare dall’idrogeno Convertire direttamente la CO₂ in carburanti e prodotti chimici

Nell’elettrolisi diretta della CO₂ viene meno la produzione e lo stoccaggio separati dell’idrogeno come prima fase del processo. Per un impiego industriale, tuttavia, le celle devono consumare meno energia elettrica e funzionare in modo stabile più a lungo. Due progetti di ricerca mirano a superare questi ostacoli, aprendo così nuove strade verso la produzione di materie prime chimiche e di carburante sintetico per l’aviazione.

In futuro, l’anidride carbonica non dovrà solo essere evitata o catturata, ma anche utilizzata come materia prima: i ricercatori dell’Università Tecnica di Berlino stanno lavorando a processi che consentano di trasformare direttamente la CO₂, con l’ausilio dell’elettricità, in materie prime chimiche e componenti per carburanti sintetici. Nei prossimi tre anni, due nuovi progetti di ricerca affronteranno sfide diverse: mentre Jethylen continua a sviluppare la conversione elettrochimica diretta della CO₂ in etilene come materia prima per il carburante sintetico per aerei, Innocell lavora a celle elettrolitiche più efficienti e scalabili per la conversione della CO₂. Per entrambi i progetti, il dipartimento di Elettrochimica Tecnica ed Elettrocatalisi del Politecnico di Berlino riceverà complessivamente circa 2,6 milioni di euro.

In molti processi di produzione di carburanti sintetici, l’acqua viene innanzitutto scissa in idrogeno verde e ossigeno utilizzando energia elettrica rinnovabile proveniente dal sole, dal vento e dall’energia idroelettrica. L’idrogeno viene poi utilizzato per sintetizzare, insieme alla CO₂, materie prime e prodotti intermedi per l’industria chimica dei carburanti. I ricercatori del Politecnico di Berlino seguono un approccio diverso: nell’elettrolisi diretta della CO₂, l’anidride carbonica viene fatta reagire direttamente con l’acqua in una cella elettrochimica. In questo modo è possibile ottenere immediatamente precursori chimici per i carburanti, senza dover prima produrre e immagazzinare idrogeno come vettore energetico a sé stante. «Le reazioni fondamentali per questo processo sono già in corso in laboratorio», afferma il Prof. Dr. Peter Strasser, direttore del dipartimento di Elettrochimica Tecnica ed Elettrocatalisi. «Ora si tratta di rendere gli elettrolizzatori più efficienti, più durevoli e di dimensioni maggiori.»

L'etilene come materia prima per il carburante sintetico per aerei

Il progetto Jethylen è dedicato alla conversione elettrochimica diretta della CO₂ in etilene. L’etilene è un’importante materia prima per l’industria chimica e può fungere da materia prima per la produzione di carburante sintetico per aerei. In un processo a valle, viene dapprima combinato con idrocarburi più lunghi e successivamente lavorato ulteriormente. Il vantaggio di questo processo: la reazione elettrochimica diretta dell’anidride carbonica e la successiva trasformazione chimica dell’etilene comportano una catena di processo relativamente breve a temperature relativamente basse. Ciò aumenta l’efficienza energetica.

Il progetto è coordinato da Siemens Energy in qualità di capofila del consorzio. Tra le altre istituzioni partner figurano il Politecnico di Berlino, l’Istituto Fraunhofer per la tecnologia delle interfacce e dei processi biologici (IGB) e il think tank sul trasporto aereo Bauhaus Luftfahrt. Insieme intendono rendere l’elettrolisi diretta della CO₂ in etilene più efficiente, più durevole e applicabile a impianti di maggiori dimensioni. A tal fine è prevista una riduzione della tensione delle celle dagli attuali 4,5 a circa 2,5 volt. «Grazie a questa e ad altre misure, intendiamo aumentare l’efficienza energetica dall’attuale 27% circa al 50%. Allo stesso tempo, puntiamo a garantire un funzionamento stabile per almeno 1.000 ore», afferma Strasser. Anche in termini di dimensioni si tratta di un passo avanti significativo: mentre impianti di laboratorio comparabili finora funzionavano tipicamente con superfici elettrodiche di circa 10 centimetri quadrati, l’impianto tecnico dovrebbe consentire il funzionamento di celle con una superficie di diverse centinaia di cm² e, su questa base, saranno sviluppati concetti per un ridimensionamento industriale con superfici degli elettrodi fino a 0,5 metri quadrati – ovvero 5.000 centimetri quadrati. Jethylen è finanziato dal Ministero federale della Ricerca, della Tecnologia e dell’Spazio (BMFTR) nell’ambito del programma di finanziamento DISCO₂ («Approcci dirompenti per l’utilizzo industriale della CO₂»). Il progetto si svolgerà da marzo 2026 a febbraio 2029; al Politecnico di Berlino spetta un finanziamento di circa un milione di euro.

Nuove celle per l'elettrolisi della CO₂

Il secondo progetto, Innocell, affronta una sfida diversa: come è possibile progettare le celle elettrolitiche in modo che funzionino in modo efficiente e stabile anche su scala più ampia? Il punto di partenza è un design di cella sviluppato e brevettato presso il Politecnico di Berlino per i cosiddetti elettrodi a diffusione di gas. Questi consentono di convogliare la CO₂ gassosa direttamente al catalizzatore, raggiungendo così elevate densità di corrente. Nel progetto vengono utilizzati substrati polimerici idrorepellenti ed elettricamente isolanti. Questi contribuiscono a ridurre il rischio che gli elettrodi a diffusione di gas vengano inondati dall’elettrolita. Questo problema, noto come «flooding», provoca l’ostruzione dei pori negli elettrodi a diffusione di gas, ostacolando così in modo significativo il processo. Grazie ai substrati polimerici idrorepellenti, le celle possono funzionare in modo stabile anche a elevate densità di corrente. Per il collegamento elettrico necessario viene utilizzato un collettore di corrente appositamente sviluppato.

Non solo produzione di etilene

Le celle vengono testate a temperature comprese tra 60 e 80 gradi Celsius e a una pressione fino a 30 bar – condizioni rilevanti per le applicazioni industriali degli elettrolizzatori a CO₂. Il progetto punta a raggiungere densità di corrente di almeno 500 milliampere per centimetro quadrato, un’efficienza energetica di almeno il 45% e una durata operativa di almeno 1.000 ore. Il funzionamento delle celle non riguarda solo l’elettrolisi per la produzione di etilene: Innocell sta studiando anche la produzione di monossido di carbonio (CO). Il CO è un importante prodotto intermedio dell’industria chimica e un componente del gas di sintesi, dal quale si ricavano, tra l’altro, il metanolo e altri combustibili sintetici. «Quale applicazione verrà perseguita su scala più ampia verrà deciso nell’ambito del progetto in base ai valori di prestazione raggiunti», spiega Peter Strasser.

Il progetto si svolgerà dal 2026 al 2029 nell’ambito del programma “VIP+” del Ministero federale dell’Istruzione e della Ricerca. L’obiettivo è quello di valutare la fattibilità e sviluppare ulteriormente i risultati della ricerca che presentano un potenziale per applicazioni economiche o sociali. Il finanziamento concesso al Politecnico di Berlino ammonta a 1,6 milioni di euro.