Potere al liquido

Con il termine Power to Liquid (PtL) si intende la conversione della corrente elettrica in combustibile liquido. Il processo PtL è una serie di diversi sottoprocessi. Questo processo non è ancora utilizzato su scala industriale, ma potenzialmente consente la fornitura di carburante da elettricità rinnovabile per quei settori che non possono fare a meno del carburante liquido (es.

La figura seguente mostra la combinazione più comune di fasi di processo; tuttavia, ci sono anche diverse combinazioni.

Descrizione dei sottoprocessi power-to-liquid

descrizione del processo

Produzione di energia elettrica

Poiché l' elettricità è un bene omogeneo, qualsiasi tipo di elettricità può essere utilizzata nella produzione di PtL. L'estrazione di PtL dai combustibili fossili, tuttavia, non sarebbe né economicamente né ecologicamente ragionevole a causa delle numerose fasi di conversione e delle perdite. Lo stesso vale per la produzione di PtL dalla conversione della biomassa in energia elettrica . Solo la generazione da energie rinnovabili (eolica, solare, idrica), ovvero da idrogeno verde generato elettricamente , ha senso dal punto di vista ecologico . L'estrazione di PtL sulla base dell'attuale mix elettrico nella Repubblica federale di Germania comporterebbe solo una leggera riduzione delle emissioni di CO2 rispetto all'estrazione della stessa quantità di combustibile dal petrolio greggio fossile .

Quando si fornisce energia al processo PtL, va notato che i processi di sintesi in esecuzione alla fine della catena di processo avvengono idealmente continuamente, ma l'energia eolica e solare sono disponibili solo in base all'ora del giorno e alle condizioni meteorologiche. Se l'elettricità non può essere generata esclusivamente dall'energia idroelettrica, le fluttuazioni dell'elettricità devono quindi essere ammortizzate.

elettrolisi

L'elettrolisi è la scissione chimica di una sostanza nei suoi componenti fornendo energia sotto forma di corrente elettrica. L'elettrolisi tipica del processo PtL è l'elettrolisi dell'acqua , in cui l' acqua (H 2 O ) viene scissa nelle sue componenti idrogeno (H 2 ) e ossigeno (O 2 ).

Esistono tre forme principali di elettrolisi:

  • Elettrolisi alcalina
  • Elettrolisi PEM
  • Elettrolisi ad alta temperatura

Gli elettrolizzatori alcalini utilizzano un separatore poroso che separa fisicamente i gas idrogeno e ossigeno, ma consente comunque lo scambio dell'elettrolita liquido. Questa è la forma più antica di elettrolisi ed è stata utilizzata su scala industriale per circa un secolo. Attualmente questi elettrolizzatori alcalini vengono utilizzati principalmente per l' elettrolisi cloro-alcali per ottenere cloro e soda caustica. Se utilizzati per generare idrogeno, la loro efficienza di conversione è di circa il 66%. In una certa misura è possibile reagire in modo flessibile alle fluttuazioni dell'alimentazione, ma a questo punto sono limitati (campo di carico tra 15 e 100%, tempo di reazione per avviamenti a freddo circa 50 minuti).

L'elettrolisi PEM (Proton Exchange Membrane) risale alla ricerca degli anni '70. Il nome deriva dal fatto che una cella di elettrolisi PEM ha una membrana conduttrice di protoni. Questo è un elettrolita solido a tenuta di gas che isola l'anodo dal catodo, ma chiude il circuito elettrico attraverso la conduttività selettiva per i cationi. L'efficienza di conversione è simile a quella dell'elettrolisi alcalina. Il vantaggio dell'elettrolisi PEM è la sua maggiore flessibilità a carico parziale, che teoricamente va dallo 0 al 100%, con un limite inferiore di circa il 5% della potenza nominale che si assume in pratica per il consumo interno dei componenti periferici. Il tempo di avvio per l'avviamento a freddo è di circa 10 minuti, il tempo dallo stand-by alla potenza nominale è di soli 10 secondi.

L'elettrolisi ad alta temperatura (HTES - High Temperature Electrolysis of Steam ) è attualmente (intorno al 2016) non ancora utilizzata su larga scala, ma è piuttosto oggetto di ricerca di base. Nell'elettrolisi ad alta temperatura, parte dell'energia necessaria per scindere l'acqua viene fornita termicamente. Questo processo funziona con un livello di temperatura da 800 a 1000 ° C. A causa delle alte temperature, l'elettrolisi ad alta temperatura gestisce tensioni di cella notevolmente inferiori rispetto agli altri processi di elettrolisi e raggiunge quindi elevate efficienze legate alla corrente. Questa elevata efficienza di conversione (elettrica) (circa l'80%) è il principale vantaggio dell'elettrolisi ad alta temperatura: le perdite di conversione sono solo circa la metà rispetto ad altri processi di elettrolisi. Tuttavia, questa efficienza elettrica può essere raggiunta in pratica solo se l'elevata temperatura richiesta non deve essere generata dall'elettricità stessa, ma è fornita in un altro modo. Se la sintesi a valle avviene nello stesso luogo dell'elettrolisi, il calore di scarto del processo di sintesi può essere utilizzato come fonte di calore, ma nel caso dell'estrazione di CO 2 dall'aria ambiente compete con il fabbisogno energetico associato.

Il principale svantaggio dell'elettrolisi ad alta temperatura è la sua bassa flessibilità. L'accensione e lo spegnimento degli elettrolizzatori e le relative fluttuazioni di temperatura portano a carichi elevati sulle celle, che ne riducono drasticamente la durata e, in caso di avvio irregolare del modulo di elettrolisi (stack), possono portare alla distruzione diretta di le cellule. Anche il comportamento a carico parziale dell'elettrolisi ad alta temperatura non è molto dinamico. È quindi adatto principalmente a situazioni con alimentazione continua, ad es. B. da energia idroelettrica.

CO 2 di alimentazione

Oltre all'energia e all'acqua, la CO 2 è il terzo fattore di input essenziale per il processo PtL. La CO 2 è presente praticamente ovunque nell'atmosfera , ma solo in una concentrazione molto bassa dello 0,04%. Pertanto, un'estrazione diretta dall'atmosfera terrestre richiede il flusso di grandi quantità di aria ed è quindi corrispondentemente complessa. Un tipo fondamentalmente più semplice è l'estrazione dai gas di scarico degli emettitori fissi, in cui la CO 2 è contenuta in proporzioni molto maggiori.

Estrazione di CO 2 dai gas di scarico di emettitori fissi

Gli emettitori fissi più importanti sono elencati nella Tabella 1.

Tabella 1: Fonti fisse di CO 2 nella Repubblica federale di Germania, 2016

Industria Quantità di CO 2 all'anno (milioni di tonnellate) Osservazioni
Centrali elettriche a lignite 159 Funzionamento quasi continuo
Centrali elettriche a carbone duro 96 Operazione scontata
Industria siderurgica 57
Raffinerie di olio minerale 23
Industria totale del cemento 23
Industria del cemento a causa dell'energia 11 Alta percentuale di combustibili alternativi
Industria del cemento a causa delle materie prime 12°
Industria totale della calce 8°
Industria della calce legata all'energia 5
Industria della calce a causa delle materie prime 3
Produzione totale di ammoniaca 6° Funzionamento quasi continuo
Produzione di ammoniaca CO 2 gas di processo 4° Grado di purezza 99,5%
Produzione di ammoniaca legata all'energia (gas di combustione) 2
Industria del vetro 4° Funzionamento quasi continuo
Fonti di CO 2 a base biologica
Impianti di biogas 1 Distribuito su centinaia di sistemi
Fermentazione dei rifiuti organici 0,3
Impianti di gas di scarico 0.8 Distribuito su centinaia di sistemi
Produzione di bioetanolo 1

Di gran lunga la maggior parte delle emissioni industriali di CO 2 è causata dalla combustione per generare energia, sia per generare elettricità nella centrale elettrica o per generare calore di processo (ad esempio negli altiforni o nella produzione di vetro). Questi gas di combustione hanno inevitabilmente alti livelli di contaminazione da fuliggine, azoto o altri prodotti di combustione incompleti. Se si utilizzano combustibili fossili contenenti zolfo, si deve prevedere anche la presenza di zolfo e composti solforati nei gas di scarico.

Solo una parte relativamente piccola delle emissioni di CO 2 è dovuta alla natura delle materie prime ed è quindi inevitabile. La maggior parte di tali emissioni di CO 2 si verifica nell'industria del cemento con circa 12 milioni di tonnellate all'anno. Il grado di purezza di tali emissioni di CO 2 tende ad essere significativamente più elevato. È maggiore nella produzione di ammoniaca, dove la CO 2 è quasi pura a causa del processo (99,5%).

Come prodotto della decomposizione biologica naturale, la CO 2 si trova negli impianti di biogas, nella fermentazione dei rifiuti organici, negli impianti di trattamento delle acque reflue e nella produzione di bioetanolo. Anche questa CO 2 tende ad avere un grado di purezza molto elevato. La quantità annua assoluta, tuttavia, è piuttosto ridotta con un totale di 3 milioni di tonnellate di CO 2 e corrisponde stechiometricamente solo al carbonio equivalente di un milione di tonnellate di kerosene. Inoltre, questa CO 2 è distribuita localmente su centinaia di sistemi.

In totale, le emissioni di CO 2 dovute alle materie prime o alla decomposizione sono di circa 22 milioni di tonnellate all'anno, che corrispondono stechiometricamente a circa 7 milioni di tonnellate di kerosene o gasolio. Le emissioni di CO 2 dovute alla combustione sono più che decuplicate.

Estrazione di CO 2 dall'atmosfera

L'estrazione di CO 2 dall'atmosfera è stata studiata già negli anni '90 nell'ambito di un progetto dello stato del Baden-Württemberg ed è attualmente perseguito da diverse cattedre e startup. Un esempio è l'azienda svizzera Climeworks, che gestisce già due di questi sistemi a Hinwil. In questi sistemi, l'aria viene aspirata da pompe e fatta passare attraverso un filtro in cui la CO 2 è legata chimicamente. Quando il filtro è pieno, viene riscaldato a circa 100°C, che libera la CO 2 dal legame chimico e la rende disponibile per ulteriori fasi di processo. Questo primo di questi impianti è in funzione da maggio 2017 con una capacità di generare 900 tonnellate di CO 2 all'anno. Altre aziende che lavorano in questo campo sono Carbon Engineering e Global Thermostat.

Produzione di gas di sintesi

Nel tipico processo PtL, l'idrogeno viene prima generato e poi combinato con CO 2 . Tuttavia, la CO 2 è inerte e deve essere convertita in CO per le successive fasi di sintesi. Questa fase del processo è nota come reazione di spostamento inverso del gas dell'acqua. Il risultato è un gas di sintesi composto da idrogeno e CO, idealmente in un rapporto stechiometrico di 2: 1.

Al contrario, l'elettrolisi ad alta temperatura e il processo STL (Solar to Liquid) convertono l'acqua e la CO 2 in idrogeno e CO in un unico passaggio. Nel caso dell'elettrolisi ad alta temperatura, questa avviene come co-elettrolisi utilizzando vapore acqueo, e nel caso del processo STL direttamente attraverso il riscaldamento solare termico di acqua e CO 2 . I vantaggi di questo approccio sono le minori perdite di conversione rispetto alla procedura sequenziale e il fatto che le due reazioni (elettrolisi e reazione inversa di water gas shift) avvengono in un reattore, il che riduce la spesa per le apparecchiature.

Sintesi e trasformazione in cherosene

Sono noti tre approcci alternativi per la produzione di combustibili liquidi da gas di sintesi.

Sintesi Fischer-Tropsch

L'approccio più noto e più diffuso è la sintesi di Fischer-Tropsch . Questo processo è stato sviluppato già nel 1925 presso il Kaiser Wilhelm Institute for Coal Research come processo per la produzione di combustibili dal carbone, e nei decenni successivi è stato ulteriormente sviluppato e utilizzato su larga scala. Fu di particolare importanza durante la seconda guerra mondiale, poiché l'importazione di petrolio greggio per rifornire le raffinerie tedesche era possibile solo in misura limitata a causa della guerra e l'approvvigionamento di carburante delle forze armate tedesche richiedeva quindi il passaggio ai combustibili sintetici.

Con la disponibilità di petrolio greggio a buon mercato dopo la fine della seconda guerra mondiale, la raffinazione del petrolio greggio divenne l'alternativa più economica, quindi la produzione di combustibili sintetici cessò. Un'eccezione fu il Sudafrica, dove, a partire dagli anni '50, iniziò a essere costruita un'industria che convertiva il carbone sudafricano in combustibili liquidi. Un fattore importante nell'espansione di questo settore è stato l'embargo globale contro il regime di apartheid sudafricano e i problemi associati all'importazione di petrolio greggio negli anni '80. Negli impianti Fischer-Tropsch costruiti per questo dalla società sudafricana Sasol ( Suid Afrikaanse Steenkool en Olie ), per la prima volta è stato prodotto anche cherosene dal carbone.

Sebbene il processo Fischer-Tropsch sia stato originariamente sviluppato per la conversione del carbone, oggi viene utilizzato principalmente per la conversione del gas naturale, soprattutto in Qatar e Malesia. Sono stati fatti vari tentativi di utilizzare il processo di conversione della biomassa, prima una decina di anni fa dalla società Choren , ma finora non ha avuto successo. Due più recenti tentativi di estrarre cherosene FT dalla biomassa sono attualmente in corso attraverso progetti delle società americane Fulcrum (materiale in ingresso: rifiuti domestici) e Red Rocks (materiale in ingresso: legno), i cui impianti dovrebbero iniziare a produrre kerosene FT nel corso del 2021.

Il processo Fischer-Tropsch è un processo consolidato che viene già utilizzato industrialmente su larga scala. Gli impianti Fischer-Tropsch più grandi del mondo sono attualmente quelli del Pearl Consortium in Qatar, con una produzione annua di combustibile liquido di 95 milioni di tonnellate, la cui costruzione ha richiesto investimenti per 24 miliardi di dollari. Ci sono diversi grandi operatori di mercato con conoscenza della costruzione di impianti Fischer-Tropsch, in particolare Shell (partner del consorzio Pearl) e Sasol. Tuttavia, questo tipo di sistema è associato a costi fissi molto elevati e può quindi essere gestito economicamente solo su scala molto ampia. Per poter utilizzare anche materie prime da fonti più piccole (es. singoli impianti di biogas), i singoli enti di ricerca, in collaborazione con le startup, hanno sviluppato processi pensati per l'utilizzo di piccole fonti. I protagonisti principali sono la società inglese Velocys e la società tedesca Ineratec, spin-off di KIT .

Nel processo Fischer-Tropsch, il gas di sintesi viene convertito in cere con lunghezze di catena molto diverse con l'ausilio di catalizzatori di ferro o cobalto, per cui la distribuzione della lunghezza delle catene di idrocarburi può essere regolata in una certa misura. Le cere vengono quindi ulteriormente trasformate in combustibili liquidi mediante isomerizzazione e idrocracking.

Sintesi del metanolo

Nella sintesi del metanolo, il gas di sintesi viene convertito in metanolo utilizzando catalizzatori a base di rame, zinco o ossido di alluminio. Questa fase del processo è stata testata diversi decenni fa dalla società Mobil e può essere considerata generalmente ben nota. Esiste già un impianto gestito da Carbon Recycling International per convertire CO 2 e acqua in metanolo. Questo impianto è stato messo in funzione nel 2012 e ha una capacità annua di 4.000 tonnellate ed è quindi più a carattere dimostrativo. Tuttavia, l'azienda offre soluzioni tecnologiche per impianti per la produzione di metanolo con una capacità annua da 50.000 a 100.000 tonnellate di metanolo. Altri giocatori in quest'area sono Thyssenkrupp e Mitsubishi Hitachi. Il vantaggio della sintesi del metanolo rispetto alla sintesi di Fischer-Tropsch è l'evitare la fase di spostamento inverso del gas d'acqua e le relative perdite di energia.

Sintesi dell'alcol

Nella sintesi di alcol, il primo passaggio del processo è la conversione catalitica del gas di sintesi in alcoli superiori come etanolo , propanolo o butanolo . Questo approccio è attualmente oggetto di ricerca da Swedish Biofuels.

Rischio di confusione con altri processi

Da non confondere con l'approccio PtL sono approcci in cui la radiazione solare viene utilizzata direttamente per produrre combustibili liquidi senza che venga generata elettricità in anticipo. In particolare, il termine inglese "solar power" (energia solare) può creare confusione con la generazione da "power" (elettricità). Una descrizione di tale processo, che è legato anche alle energie rinnovabili, si trova, ad esempio, in Scientific American , dove a fine marzo 2012 un articolo intitolato "I microbi aiutano a convertire l'energia solare in combustibile liquido" (Solar Power to Combustibile liquido) è apparso. Descrive un bioreattore elettromicrobico integrato , che si dice sia in grado di utilizzare Ralstonia eutropha geneticamente modificata per produrre vari butanoli liquidi come l' 1-butanolo , che sono adatti come combustibile. Questo è un processo completamente diverso dalla produzione di PtL.

Un altro approccio è l'approccio StL (Solar to Liquid). L'approccio solare-liquido è attualmente oggetto di ricerca principalmente presso l'ETH di Zurigo (sede del professor Steinfeld). Concettualmente, l'approccio è quello di concentrare la luce solare utilizzando specchi parabolici in un punto e quindi di raggiungere in questo punto una temperatura di 1.500 ° C, alla quale l'acqua e la CO 2 vengono convertite direttamente in un gas di sintesi costituito da idrogeno e CO. Il vantaggio di questo processo è che evita le perdite di conversione che si verificano nel processo PtL inizialmente durante la generazione di energia e poi durante l'elettrolisi. Queste perdite di conversione sono considerevoli, poiché i comuni collettori solari convertono meno del 20% dell'energia solare in ingresso in elettricità e ulteriori perdite di conversione fino al 33% si verificano durante la successiva elettrolisi dell'elettricità generata. Al contrario, il raggruppamento della luce solare da parte degli specchi è associato solo a perdite minori; la massa dell'energia solare intervallata può essere utilizzata per raggiungere le alte temperature desiderate. Lo svantaggio del metodo è la complessa meccanica per l'inseguimento costante degli specchi, necessaria per mantenere continuamente la messa a fuoco nonostante la posizione del sole in costante cambiamento. Un altro svantaggio è che questo metodo si basa esclusivamente sull'energia solare; Con questo metodo non è possibile compensare i periodi con poco soleggiamento con l'energia eolica, a differenza dell'elettricità.

Sul tetto del Politecnico di Zurigo esiste un sistema di laboratorio per il concetto StL. Questo sistema funziona continuamente e produce carburante liquido nell'ordine dei millilitri (circa 100 ml al giorno). Uno stabilimento dieci volte più grande si trova a Móstoles in Spagna. Sono stati progettati sistemi significativamente più grandi, in particolare un sistema su larga scala in Spagna, ma non sono ancora andati oltre lo stato degli studi cartacei.

Investimenti

Nell'aprile 2012 è stato messo in funzione in Islanda un impianto power-to-liquid da otto milioni di euro da Carbon Recycling International (CRI) con una capacità di 1,3 milioni di litri all'anno. Nel 2015, CRI ha ampliato il sistema a più di 5 milioni di litri all'anno. L' impianto, che prende il nome da George Olah , doveva inizialmente utilizzare 4.500 tonnellate di CO 2 all'anno e produrre così metanolo . Sia la CO 2 che l'energia elettrica provengono dalla vicina centrale elettrica di Svartsengi .

Guarda anche

letteratura

link internet

Evidenze individuali

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