Una ricetta per «blue hydrogen» a zero emissioni

Un progetto di PNNL e West Virginia University grazie a un catalizzatore bi-metallico ottiene dal metano idrogeno e carbonio cristallino come sottoprodotto: ora punta a passare dal laboratorio alla commercializzazione

Ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory e della West Virginia University, in collaborazione coi partner industriali Southern California Gas Company e C4-MCP ed il Dipartimento dell’Energia americano, stanno sviluppando un processo che converte metano in idrogeno senza senza emettere CO2.

Il processo ha come prodotto principale molecole di idrogeno utilizzabili per usi veicolari o stazionari, evitando inoltre la fase necessaria di cattura delle emissioni clima-alteranti che fa invece parte della produzione del cosiddetto blue hydrogen che fa parte finora di molti progetti di sviluppo del settore, in particolare in Cina, Giappone e Corea del Sud, mentre esprimono più favore nel sostenere chi punta sul green hydrogen. l’Europa e l’Italia.

Gli autori hanno inoltre rivelato come il loro progetto generi come sottoprodotto materiali cristallini a base carbonio utilizzabili in varie applicazioni della manifattura in elettronica, apparati medici, materiali compositi per l’aerospaziale e veicoli ad alte prestazioni. La componente della vendita di prodotti in carbonio è rilevante nel compensare i costi di produzione dell’idrogeno. Secondo C4-MCP il mercato globale per questo genere di materiali varrà $8,7 miliardi nel 2022.

Secondo Ron Kent, manager di SoCalGas: “l’idrogeno sarà un componente necessario a raggiungere la neutralità nelle emissioni e dobbiamo immaginarci modi di produrlo in modo pulito ed economico. Malgrado questo nuovo metodo sia ancora nella fasi iniziali, i risultati su scala di laboratorio appaiono super-promettenti”.

Il nuovo approccio, che malgrado l’assenza di una fase di costosa carbon capture è considerato blue hydrogen, è nato nel solco della ricerca del PNNL e di altri laboratori di puntare su catalizzatori per ridurre le emissioni di CO2. Tra quegli studiosi c’è John Hu, in passato nell’organico del PNNL e oggi docente alla facoltà di Ingegneria in West Virginia.

Hui e il suo staff hanno lavorato su catalizzatori e processi in grado di convertire in modo pulito il metano attraverso l’impiego della pirolisi in forni a circa 600°, uno dei metodi più usati anche nella fase di riciclo delle materie prime, incluso quelle delle batterie, ma anche per processi più comuni, come la pulizia dei forni.

La pirolisi si basa sulla conversione ad alta temperatura ed eventualmente alta pressione della materia organica usando un catalizzatore in atmosfera inerte, processo che avviene in autoclavi pirolitiche. Le reazioni termochimiche che si producono durante il processo trasformano le proprietà originarie del materiale in nuovi prodotti.

Nelle loro ricerche Hu e colleghi hanno identificato una formulazione di catalizzatore basato sul nichel che è in grado di contribuire alla formazione di nano-cristalli di carbonio, con la possibilità di recuperare CNT e CNF, ovvero nano-tubi e nano-fibre di carbonio. “Purezza e grado di cristallinità dei prodotti in carbonio ottenuti dal gas naturale sono importanti”, ha commentato Hu.

Perfezionati e migliorati, CNT e CNF ottenuti dal metano senza emissioni possono costituire una alternativa in numerosi mercati dove sono già utilizzati oggi prodotti fatti coi carburanti fossili ma generando emissioni di CO2.

Hue aveva pubblicato i primi risultati nel 2017 sollevando l’interesse del PNNL e dell’industria, che ha messo al lavoro due laboratori: l’Institute of Integrated Catalysis e l’Environmental Molecular Sciences Laboratory (cui si riferisce la foto di apertura), per condurre test approfonditi. Controllare il meccanismo di crescita dei nano-tubi in carbonio si è rivelato complesso e sono stati necessari numerosi miglioramenti alle proprietà del catalizzatore.

Modificando le dimensioni delle particelle di nichel ed abbinandole a differenti metalli ma mano gli scienziati sono riusciti a identificare un secondo metallo che alterava nel modo voluto la crescita del carbonio e migliorava la stabilità del catalizzatore.

Rob Dagle, ingegnere chimico che ha preso parte allo studio, ha detto: “la chiave era nelle dimensioni e strutture delle particelle di nichel. Abbiamo quantificato come la stabilità del catalizzatore aumenti con le dimensioni delle particelle. Se il nichel è troppo piccolo si formano altri tipi di carbonio e ricoprono completamente il catalizzatore, bloccandone l’attività invece di far crescere quei bei lunghi nano-tubi cristallini”.

Il ciclo TCD sviluppato da Pacific Northwest National Laboratory e West Virginia University inserisce gas metano nel forno pirolitico e produce idrogeno senza emettere CO2, mentre si accumulano strati di carbonio sul catalizzatore bi-metallico, che viene poi separato coi precursori metallici reimessi nel ciclo e il carbonio solido ottenuto adatto ad usi industriali (credito immagine Mike Perkins | Pacific Northwest National Laboratory)

I ricercatori hanno pubblicato i risultati dello studio nel quale hanno sviluppato il metodo di decomposizione termo-catalitica (TCD) per separare e ri-sintetizzare il catalizzatore in processi a circuito chiuso sulla rivista scientifica specializzata Applied Catalysis A.

Il ciclo del TCD parte con gas metano che affluisce in un forno attraverso il catalizzatore bi-metallico. La reazione chimica produce idrogeno e carbonio solido si stratifica sul catalizzatore. Nella fase seguente acidi separano i prodotti a base carbonio dai precursori metallici del catalizzatore. Poi i precursori sono ri-sintetizzati usando parte del carbonio prodotto come supporto al catalizzatore, prima della fase finale in cui il catalizzatore rientra il reattore completando il loop.

Per evolvere dalla fase di laboratorio a quella commerciale la pirolisi del metano, che richiede una abbondante energia, esige di passare a un progetto-pilota che faccia ricorso a reattori a letto fluidizzato. Reattori nei quali si possano effettuare in modo compatibile con grandi volumi separazione e trasporto dei materiali, che negli esperimenti in laboratorio invece sono effettuati in modo artigianale.

Andando a muoversi su larga scala (che secondo i protagonisti potrebbe portare a futuri attraenti costi di produzione di $2 al chilo) PNNL e West Virginia University punteranno anche a intervenire sulle temperature d’esercizio per migliorare i rendimenti e la stabilità per ogni ciclo, mentre i partner industriali esploreranno le opportunità di mercato per CNT e CNF prodotti dai processi di questo (finora unico) blue hydrogen a zero emissioni.

Credito foto di apertura: Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory