Progetto "move" dell'Empa: Dalle energie rinnovabili ai combustibili sintetici

carburante sintetico empa

Come possiamo imprigionare l'energia solare in un serbatoio?

La piattaforma dimostrativa "move", avviato dall'Empa e sviluppato con altri partner, affronta il tema del futuro della mobilità, che comprende le tecnologie power-to-X, in particolare la produzione di metano sintetico.

Prodotti in modo sostenibile, i carburanti sintetici contribuiscono a spostare la mobilità verso le energie rinnovabili per raggiungere gli obiettivi climatici per il trasporto su strada, secondo il "motore d'innovazione" svizzero Empa. I carburanti sintetici sono adatti all'uso del trasporto pesante ed a lungo raggio. Insieme alla mobilità elettrica e a idrogeno, questi carburanti, conosciuti come "synfuel" o "syngas", rappresentano una delle tre possibili soluzioni tecnologiche per la riduzione della CO2 nella piattaforma dimostrativa "move". Il progetto più recente ruota attorno alla produzione di metano sintetico a partire da idrogeno e CO2. Ad avviso dell'Empa i carburanti così prodotti possono essere "trasportati secondo le modalità convenzionali e messi a disposizione tramite le infrastrutture esistenti, un discorso interessante sia per la Svizzera che a livello globale, perché in tal modo si un enorme potenziale per il settore delle energie rinnovabili". Con la piattaforma dimostrativa per la mobilità si punta alla produzione di 3,6 kg/h di metano. Per fare un confronto, la capienza del serbatoio di un'auto alimentata a gas naturale per autotrazione (CNG) normalmente è di 80 litri, corrispondenti a 13,5 kg di CNG oppure a ~20 l di benzina. A seconda del tipo di veicolo, tali valori corrispondono a un'autonomia compresa tra 50 e 200 chilometri. In 24 ore di funzionamento la piattaforma dimostrativa per la mobilità produrrebbe carburante per circa 2000 km. Per la produzione di metano sintetico svolge un ruolo sostanziale il sensore per punto di rugiada "Optidew401 di PST"

Il processo di metanazione convenzionale

Nel processo convenzionale, la conversione catalitica di anidride carbonica (CO2) e idrogeno (H2) genera metano (CH4) e acqua (H2O). Tuttavia, per ottenere un sufficiente grado di purezza, la metanazione si compone di varie fasi in sequenza – intervallate da zone di condensazione e accompagnate dall'essiccazione del prodotto. Il prodotto gassoso della reazione di metanazione contiene soprattutto acqua e gas inerti, il che impedisce l'immissione diretta nella rete del gas, in conformità alla direttiva corrispondente, perché innanzi tutto occorre purificare il prodotto.

Metanazione innovativa: con "adsorbimento ottimizzato"

Al contrario, l'innovativo processo di metanazione proposto dal progetto "move" può essere addirittura monofase, raggiungendo le condizioni di immissione senza ulteriore purificazione del gas prodotto. L'idea da cui prende le mosse prevede che l'acqua di reazione venga adsorbita durante il processo di metanazione su un supporto catalitico poroso, una zeolite, quindi sia eliminata dal processo di reazione. Questa sottrazione continua di acqua sposta l'equilibrio della reazione verso un rendimento del metano quasi nell'ordine del 100%. L'Empa sostiene che il prodotto gassoso possa quindi essere direttamente immesso nella rete del gas senza un'ulteriore purificazione, ad esempio per essere usato per il rifornimento di veicoli alimentati a gas.

conversation
rcel Jenny (Key Account Manager PST/Rotronic) dialoga con il Dr.-Ing. Florian Kiefer (laboratorio Automotive Powertrain Technologies, Empa). Sullo sfondo l'impianto sperimentale.

Metano da energia solare

La CO2 per la metanazione e l'acqua per la produzione dell'idrogeno vengono catturate sul posto, direttamente dall'atmosfera, mediante un collettore di CO2 messo a punto da Climeworks, azienda spin-off del Politecnico Federale di Zurigo (ETH). L'impianto aspira l'aria dell'ambiente, il suo materiale filtrante cattura le molecole di CO2 , che saranno poi rilasciate dal filtro mediante apporto di calore a circa 100 °C. Oltre alla CO2 l'impianto della Climeworks sottrae all'aria anche l'acqua, utilizzabile nell'impianto di elettrolisi per la produzione di idrogeno tramite una linea della condensa. In tal modo questo genere di impianti è fattibile anche in zone prive di approvvigionamento idrico.

Ottimizzazione dell'impianto con Optidew 401

Florian Kiefer, del gruppo di ricerca "Vehicle Energy Technologies" dell'Empa, precisa che nell'ambito di tale processo di metanazione il punto di rugiada viene determinato in più posizioni con il dispositivo "Optidew 401" di Rotronic. "Inoltre nel nostro progetto "move-MEGA" pianifichiamo l'impiego di sensori per punto di rugiada e CO2 più robusti per il controllo dell'impianto e la regolazione dell'impianto di metanazione". Florian Kiefer spiega che attualmente nei test preliminari si utilizza l'igrometro a specchio raffreddato per la flessibilità e precisione che lo caratterizzano. Nell'impianto vero e proprio è possibile, ma soprattutto necessario, sostituirlo con un sensore industriale (per esempio il Michell Easidew I.S.). Un tale sensore si può selezionare e ottimizzare sulla base delle conoscenze ottenute dai test preliminari. In linea di principio, l'impianto offre un' ulteriore potenziale anche per altri sensori, fra i quali sensori di CO2 per la regolazione dell'impianto oppure un gascromatografo per il monitoraggio della qualità del gas immesso. Finora "Optidew401" è stato impiegato come igrometro a specchio l' raffreddato per sostituire uno strumento difettoso. Florian Kiefer sottolinea come sia stato semplice procurarsi il dispositivo inizialmente come unità a noleggio per per colmare i tempi di consegna di quello ordinato.

Nei prossimi anni Florian Kiefer prevede che il gruppo di ricerca si concentrerà in particolare nello sviluppo di soluzioni nell'ambito Power-to-Gas o Power-to-Liquid assieme a partner industriali. Inoltre il gruppo si occupa già dello sviluppo di tecnologie ad emissioni negative, sempre "focalizzate su applicazioni industriali, scalabilità e modalità operativa flessibile in interazione con le energie rinnovabili."

Prodotti PST relativi al progetto

ProdottoTipoApplicazione
Michell Optidew 401Igrometro a specchio raffreddato (-40...120 °C)Rilevazione dell'umidità in idrogeno, metano o CO2
Michell EasidewTrasmettitore di dew-pointRilevazione dell'umidità in tracce in idrogeno, metano o CO2

Possibile uso in futuro

ProductTypeApplication
Michell Easidew I.S.Trasmettitore di dew-point a sicurezza intrinsecaRilevazione dell'umidità in tracce in idrogeno, metano o CO2
Michell XTC601Analizzatore a conducibilità termicaRilevazione, per esempio, di residui di CO2 nel metano
Rotronic HF5 with HC2-LDP110-EXHumidity and temperature transmitter with dew point sensorDetermination of dew point in, for example, methane
Rotronic CCA-S-CO2-X5-SETSensore NDIR. 0…5% CO2Rilevazione di CO2 nel metano
Michell S8000Specchio raffreddato ...-60 °CRilevazione dell'umidità residua in idrogeno, metano o CO2

Informazioni sull'Empa

In qualità di istituto di ricerca interdisciplinare appartenente al settore dei Politecnici Federali dedicato alla scienza e alla tecnologia dei materiali, l'Empa svolge una funzione di intermediario fra la ricerca e l'applicazione pratica. I ricercatori elaborano soluzioni innovative destinate alle problematiche prioritarie di industria e società nei settori dei materiali e delle superfici "smart" nanostrutturati, delle tecnologie energetiche, edilizie e ambientali, dell'efficienza delle risorse, nonché delle tecnologie medicali e della medicina personalizzata. Attraverso un trasferimento tecnologico il più possibile efficiente e diretto, i risultati della ricerca dei laboratori dell'Empa devono poi essere trasformati in innovazioni commercializzabili assieme ai partner industriali. In questo modo, l'Empa contribuisce in maniera sostanziale all'ulteriore consolidamento della spinta innovativa e della competitività dell'economia svizzera in uno scenario globale sempre più concorrenziale.

Informazioni sul Dr. Ing. Florian Kiefer

Florian Kiefer si è laureato in Ingegneria meccanica alla TU München (Politecnico di Monaco), con specializzazione in tecnologie energetiche e di processo e di seguito ha conseguito il Dottorato presso la Cattedra di Termodinamica. Attualmente è responsabile del processo di industrializzazione di un sistema Power-to-Gas nell'ambito della piattaforma dimostrativa per la mobilità del futuro "move" dell'Empa. Ha accumulato esperienze nel campo delle tecnologie energetiche e di processo presso il Fraunhofer ISE e Fichtner Consulting, oltre ad aver preso parte a progetti ingegneristici presso la TU München e l'Empa, riguardanti la tecnologia delle centrali termoelettriche, le energie rinnovabili, il trattamento delle acque e le reti di reattori catalitici.




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