L'aspirazione di CO2 dall'atmosfera può davvero funzionare?

Il fisico Peter Eisenberger si aspettava che i colleghi reagissero alla sua idea con scetticismo. Dopotutto, sosteneva di aver inventato una macchina in grado di pulire l'atmosfera dall'anidride carbonica in eccesso, trasformandola in combustibile o immagazzinandola sottoterra. E lo scienziato della Columbia University era consapevole del fatto che nominare la sua startup di due anni Global Thermostat non era stato esattamente un esercizio di umiltà.

Ma l'accoglienza nella primavera del 2009 era stata ancora più sprezzante di quanto si aspettasse. In primo luogo, ha parlato con un comitato speciale convocato dall'American Physical Society per esaminare possibili modi per ridurre l'anidride carbonica nell'atmosfera attraverso la cosiddetta cattura dell'aria, il che significa, essenzialmente, eliminarla dal cielo. Hanno ascoltato educatamente la sua presentazione ma hanno fatto a malapena domande. Poche settimane dopo ha parlato al National Energy Technology Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nel West Virginia a un pubblico altrettanto scettico. Eisenberger ha spiegato che la ricerca del suo laboratorio coinvolge sostanze chimiche chiamate ammine che sono già utilizzate per catturare l'anidride carbonica concentrata emessa dalle centrali elettriche a combustibili fossili. Questa stessa tecnologia basata sull'ammina, ha affermato, ha anche mostrato il potenziale per il compito molto più difficile e ambizioso di catturare il gas dall'aria aperta, dove si trova anidride carbonica a concentrazioni di 400 parti per milione. È fino a 300 volte più diffuso rispetto ai camini delle centrali elettriche. Ma Eisenberger ha affermato di avere un progetto semplice per realizzare l'impresa in modo conveniente, in parte a causa del modo in cui avrebbe riciclato le ammine. Non si è nemmeno registrato, ricorda. Sentivo che molte persone stavano pisciando su di me.

Il CTO e il co-fondatore Peter Eisenberger davanti alla macchina di cattura dell'aria di Global Thermostat.

Il giorno dopo, però, un manager del laboratorio lo chiamò eccitato. Gli scienziati del DOE si erano resi conto che i campioni di ammina che si trovavano intorno al laboratorio si erano legati con l'anidride carbonica a temperatura ambiente, un fatto che fino ad allora non avevano apprezzato molto. Significava che l'approccio di Eisenberger alla cattura dell'aria era almeno fattibile, afferma uno dei chimici del laboratorio del DOE, Mac Gray.

Cinque anni dopo, la società di Eisenberger ha raccolto 24 milioni di dollari di investimenti, costruito un impianto dimostrativo funzionante e concluso accordi per fornire ad almeno un cliente l'anidride carbonica raccolta dal cielo. Ma la prossima sfida è dimostrare che la tecnologia potrebbe avere un impatto trasformativo sul mondo, come si addice al nome della sua azienda.

La necessità di una macchina per l'aspirazione del carbonio è facile da vedere. La maggior parte delle tecnologie per la mitigazione dell'anidride carbonica funziona solo dove il gas viene emesso in grandi concentrazioni, come nelle centrali elettriche. Ma le macchine per la cattura dell'aria, installate ovunque sulla terra, potrebbero gestire il 52% delle emissioni di anidride carbonica causate da fonti distribuite e più piccole come automobili, fattorie e case. In secondo luogo, la cattura dell'aria, se mai diventasse pratica, potrebbe ridurre gradualmente la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera. Con l'accelerazione delle emissioni - ora stanno aumentando del 2% all'anno, il doppio rispetto agli ultimi tre decenni del 20° secolo - gli scienziati hanno iniziato a riconoscere l'urgenza di raggiungere le cosiddette emissioni negative.

L'ovvia necessità della tecnologia ha indotto molti altri sforzi per elaborare vari approcci che potrebbero essere pratici. Ad esempio, Climate Engineering, con sede a Calgary, cattura il carbonio utilizzando una soluzione liquida di idrossido di sodio, una tecnica industriale consolidata. Un'azienda cofondata da uno dei primi pionieri dell'idea, il collega di Eisenberg alla Columbia, Klaus Lackner, ha lavorato al problema per diversi anni prima di rinunciare nel 2012.

Le emissioni negative sono sicuramente necessarie per ripristinare l'atmosfera, dato che supereremo di gran lunga qualsiasi limite di sicurezza per la CO2, se ce n'è uno. La domanda nella mia mente è: si può fare in modo economico?

Un rapporto pubblicato ad aprile dal Gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici afferma che evitare l'obiettivo concordato a livello internazionale di 2 °C di riscaldamento globale richiederà probabilmente lo spiegamento globale di strategie di rimozione dell'anidride carbonica come la cattura dell'aria. (Vedi Il costo della limitazione dei cambiamenti climatici potrebbe raddoppiare senza la tecnologia di cattura del carbonio.) Le emissioni negative sono assolutamente necessarie per ripristinare l'atmosfera dato che supereremo di gran lunga qualsiasi limite di sicurezza per la CO2, se esiste, afferma Daniel Schrag, direttore del Centro per l'Ambiente dell'Università di Harvard. La domanda nella mia mente è: si può fare in modo economico?

La maggior parte degli esperti è scettica. (Vedi cosa non può fare la cattura del carbonio.) Un rapporto del 2011 dell'American Physical Society ha identificato le principali sfide fisiche ed economiche. Il fatto che l'anidride carbonica si leghi alle ammine, formando una molecola chiamata carbammato, è una chimica ben nota. Ma l'anidride carbonica rappresenta ancora solo una su 2.500 molecole nell'aria. Ciò significa che un'efficace macchina per la cattura dell'aria dovrebbe spingere grandi quantità di aria oltre le ammine per ottenere abbastanza anidride carbonica per attaccarsi ad esse e quindi rigenerare le ammine per catturarne di più. Ciò richiederebbe molta energia e quindi sarebbe molto costoso, afferma il rapporto del 2011. Ecco perché ha concluso che la cattura dell'aria non è attualmente un approccio economicamente sostenibile per mitigare il cambiamento climatico.

Le persone di Global Thermostat comprendono questi aspetti economici scoraggianti, ma rimangono con aria di sfida e ottimisti. Il modo per rendere redditizia la cattura dell'aria, afferma Graciela Chichilnisky, cofondatrice di Global Thermostat, economista e matematica della Columbia University, è sfruttare la domanda di gas da parte di vari settori. Esiste già un mercato consolidato da miliardi di dollari per l'anidride carbonica, che viene utilizzata per ringiovanire i pozzi petroliferi, produrre bevande gassate e stimolare la crescita delle piante nelle serre commerciali. Storicamente, il gas viene venduto a circa $ 100 per tonnellata. Ma Eisenberger afferma che il prototipo di macchina della sua azienda potrebbe estrarre una tonnellata concentrata di gas per molto meno. L'idea è di vendere prima l'anidride carbonica a mercati di nicchia, come il recupero dei pozzi petroliferi, per poi crearne di più grandi, come l'utilizzo di catalizzatori per produrre combustibili in processi guidati dall'energia solare. Una volta che catturare il carbonio dall'aria è redditizio, le persone che agiscono nel proprio interesse lo realizzeranno, afferma Chichilnisky.

Riscaldamento

Eisenberger e Chichilnisky erano colleghi della Columbia nel 2008, quando si resero conto di avere interessi complementari: il suo nell'energia e il suo nell'economia ambientale, incluso il lavoro per contribuire a plasmare il Protocollo di Kyoto del 1991, il primo trattato globale sulla riduzione delle emissioni. Le nazioni avevano promesso grandi tagli, dice Chichilnisky, ma le realtà economiche e politiche non avevano fornito alcun modo per attuarlo. La coppia ha deciso di creare un business per affrontare la sfida del carbonio.

Si sono concentrati sulla cattura dell'aria, che è stata sviluppata per la prima volta dagli scienziati nazisti che hanno utilizzato assorbenti liquidi per rimuovere gli accumuli di CO2 nei sottomarini. Nell'inverno del 2008 Eisenberger si è sequestrato in una casa tranquilla con grandi finestre di vetro che si affacciano sull'oceano nella contea di Mendocino, in California. Lì ha studiato la letteratura esistente sulla cattura del carbonio e ha preso una decisione chiave. Gli scienziati che sviluppano tecniche per catturare la CO2 hanno finora cercato di lavorare ad alte concentrazioni di gas. Ma Eisenberger e Chichilnisky si sono concentrati su un altro termine in quelle equazioni: temperatura.

Gli ingegneri hanno precedentemente utilizzato ammine per eliminare la CO2 dai gas di combustione, le cui temperature sono di circa 70 °C quando escono dalle centrali elettriche. La successiva rimozione della CO2 dalle ammine, rigenerando le ammine, richiede generalmente reazioni a 120 °C. Al contrario, Eisenberger ha calcolato che il suo sistema avrebbe funzionato a circa 85 °C, richiedendo meno energia totale. Userebbe vapore relativamente economico per due scopi. Il vapore riscalderebbe la superficie, allontanando la CO2 dalle ammine da raccogliere, soffiando anche via la CO2 dalla superficie.

Anche se un giorno la cattura aerea dovesse rivelarsi redditizia, un'altra domanda è se debba essere aumentata.

Il risultato? Con un'infrastruttura di gestione del calore inferiore a quella richiesta con le ammine nelle ciminiere delle centrali elettriche, la progettazione di uno scrubber potrebbe essere più semplice e quindi più economica. Utilizzando i dati del loro prototipo, il team di Eisenberger calcola che l'approccio potrebbe costare tra $ 15 e $ 50 per tonnellata di anidride carbonica catturata dall'aria, a seconda della durata della superficie dell'ammina.

Se Global Thermostat può raggiungere un livello vicino ai prezzi che sta pubblicizzando, un certo numero di mercati di nicchia fa appello. La startup ha collaborato con una società con sede a Carson City, Nevada, chiamata Algae Systems, per produrre biocarburanti utilizzando anidride carbonica e alghe. Nel frattempo è in aumento la domanda di anidride carbonica da iniettare nei pozzi petroliferi impoveriti, una tecnica nota come recupero avanzato del petrolio. Uno studio stima che l'applicazione potrebbe richiedere fino a 3 miliardi di tonnellate di anidride carbonica all'anno entro il 2021, un aumento di quasi dieci volte rispetto al mercato del 2011.

Ciò rappresenta ancora una goccia nel mare in termini di quantità necessarie per ridurre o addirittura stabilizzare la concentrazione di CO2 nell'atmosfera. Ma Eisenberger dice che non ci sono davvero alternative alla cattura aerea. La semplice cattura delle emissioni di carbonio dalle centrali elettriche a carbone, dice, estende solo la dipendenza della società dal carbone ad alta intensità di carbonio.

Succhialo

È un caldo pomeriggio di dicembre nella Silicon Valley mentre io e Eisenberger ci facciamo strada attraverso il centro di ricerca concreto di SRI International. È in questi edifici bassi che gli ingegneri hanno dimostrato per la prima volta ARPAnet, il software Siri di Apple e innumerevoli altri progressi tecnologici. A circa un quarto di miglio dall'ingresso, appare una torre alta 40 piedi di ventilatori, tubi d'acciaio e d'argento. Questo è l'impianto dimostrativo del termostato globale. È imponente e pulito. Eisenberger osserva la scena tranquilla intorno alla torre, che include un albero alto. Sta facendo esattamente quello che sta facendo l'albero, dice Eisenberger. Ma poi si corregge. Bene, in realtà, lo sta facendo molto meglio.

Dopo che Eisenberger ha conseguito un dottorato di ricerca in fisica nel 1967 ad Harvard, sono seguiti periodi presso i Bell Labs, Princeton e Stanford. Alla Exxon negli anni '80 ha guidato il lavoro sull'energia solare, poi è stato direttore di Lamont-Doherty, il laboratorio di geoscienze della Columbia. Lì ha tenuto un seminario di lunga data chiamato The Earth/Human system. È stato in quel seminario, nel 2007, con Lackner come docente ospite, che Eisenberger ha sentito parlare per la prima volta della cattura aerea. Dopo circa un anno di preparazione, lui e Chichilnisky hanno contattato il miliardario Edgar Bronfman Jr. A volte, quando senti qualcosa che deve essere troppo bello per essere vero, è perché lo è, è stata la reazione di Bronfman, secondo suo figlio, che era presente all'incontro. Ma il rampollo implorò suo padre: se hanno ragione, questa è una delle più grandi opportunità là fuori. La famiglia ha investito 18 milioni di dollari.

Quella generosità ha permesso alla compagnia di costruire la sua dimostrazione nonostante praticamente nessun supporto federale per la ricerca sulla cattura aerea. (Global Thermostat ha scelto SRI come sede a causa della precedente esperienza della struttura con la tecnologia di cattura del carbonio.) La torre rettangolare utilizza ventole per aspirare l'aria su superfici alternate larghe 10 piedi note come contattori. Ciascuno è composto da 640 cubi di ceramica incorporati con l'assorbente amminico. La torre solleva un contattore mentre un altro viene abbassato. Ciò consente ai cubetti di uno di raccogliere CO2 dall'aria ambiente mentre l'altro viene privato del gas mediante l'applicazione del vapore, a 85 °C. Per ora quel gas viene semplicemente scaricato, ma a seconda del cliente potrebbe essere iniettato nel terreno, spedito tramite tubazione o trasferito in un impianto chimico per uso industriale.

Una sfida chiave che l'azienda deve affrontare è la robustezza delle superfici assorbenti dell'ammina. Tendono a decadere rapidamente quando ossidati e la sostituzione frequente dei sorbenti potrebbe rendere il processo molto meno conveniente rispetto ai progetti Eisenberger.

Falsa speranza

Nessuna delle migliaia di centrali a carbone nel mondo è stata attrezzata per la cattura su vasta scala del loro inquinamento da carbonio. E se non è economico per l'uso nelle centrali elettriche, con la loro fonte concentrata di anidride carbonica, le prospettive di catturarlo dall'aria sembrano deboli a molti esperti. Ci sono davvero poche possibilità che tu possa catturare la CO2 dall'aria ambiente in modo più economico rispetto a una centrale a carbone, dove i gas di combustione sono 300 volte più concentrati, afferma Robert Socolow, direttore del Princeton Environment Institute e co-direttore dell'iniziativa di mitigazione del carbonio dell'università .

In aggiunta allo scetticismo sulla fattibilità della cattura dell'aria c'è che ci sono altri modi più economici per creare le cosiddette emissioni negative. Un modo più pratico per farlo, afferma Schrag, comporterebbe la derivazione di combustibili dalla biomassa, che rimuove la CO2 dall'atmosfera mentre cresce. Poiché quella materia prima viene fermentata in un reattore per creare etanolo, produce un flusso di anidride carbonica pura che può essere catturata e immagazzinata sottoterra. È una tecnica collaudata ed è stata testata in una manciata di siti in tutto il mondo.

Anche se la cattura aerea un giorno si sarebbe rivelata redditizia, se lo fosse Dovrebbe essere scalato è un'altra domanda. Supponiamo che una centrale solare sia costruita all'esterno di una centrale a carbone esistente. L'energia prodotta dalla nuova centrale solare dovrebbe essere utilizzata per aspirare il carbonio dall'atmosfera o per consentire la chiusura della centrale a carbone sostituendo la sua produzione di energia? Quest'ultimo ha molto più senso, dice Socolow. Lui e altri hanno un'altra preoccupazione sulla cattura dell'aria: che le affermazioni sulla sua fattibilità potrebbero generare compiacimento. Non voglio che diamo alle persone la falsa speranza che la cattura dell'aria possa risolvere il problema delle emissioni di carbonio senza una forte attenzione alla [riduzione dell'uso] dei combustibili fossili, dice.

Eisenberger e Chichilnisky sono irremovibili sull'importanza di risucchiare la CO2 dall'atmosfera piuttosto che concentrarsi interamente sulla cattura dalle centrali a carbone. Nel 2010, la coppia ha sviluppato una versione della loro tecnologia che mescola l'aria con i fumi di una centrale elettrica a carbone oa gas. Questo approccio fornisce una fonte di vapore catturando sia il carbonio atmosferico che le nuove emissioni. Potrebbe anche ridurre i costi fornendo una maggiore concentrazione di CO2 da catturare per la macchina. È un sistema davvero impressionante, un trionfo, dice Socolow, che pensa che i progressi scientifici compiuti nella cattura dell'aria alla fine verranno utilizzati principalmente sulle centrali elettriche a carbone e gas.

Tale applicazione potrebbe svolgere un ruolo fondamentale nella bonifica delle emissioni di gas serra. Ma Eisenberger ha rivelato obiettivi ancora più alti. Un brevetto concesso a lui e Chichilnisky nel 2008 descriveva la tecnologia di cattura dell'aria come, tra le altre cose, un termostato globale per il controllo della temperatura media dell'atmosfera di un pianeta.

Eli Kintisch è corrispondente per Scienza rivista.

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