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Filtrazione a membrana di CO2 per centrali elettriche

L’UE ha fissato obiettivi per una drastica, ma economica riduzione delle emissioni di CO2 da centrali elettriche a carbone. Il trucco potrebbe essere rappresentato dall'utilizzo di un particolare tipo di membrana composita.
Filtrazione a membrana di CO2 per centrali elettriche
La CO2 è un importante gas a effetto serra, rilasciato in grandi quantità dalle centrali elettriche a carbone. Sebbene tali impianti alla fine diventeranno obsoleti, fintanto che rimangono in funzione gli operatori spesso rimuovono più CO2 possibile dalle relative emissioni.

Un nuovo tipo di materiale chiamato membrane polimeriche può filtrare selettivamente determinati gas dall'aria. Tuttavia, le membrane possono garantire solo selettività o permeabilità, non entrambe. Le membrane a matrice mista potrebbero teoricamente superare questo limite, sebbene il guadagno in termini di prestazioni non sia stato ancora raggiunto.

Membrane a matrice mista

Si prevede che un tipo di membrana nuovo ma relativamente poco collaudato chiamato M4 (membrane a matrice mista basate su strutture metallorganiche) risolva le incompatibilità tra le membrane e i polimeri. Le strutture metallorganiche sono materiali cristallini porosi formati da linker organici e nodi inorganici. Tali strutture funzionano essenzialmente come setacci accuratamente progettati che, in base all’applicazione, consentono l’attraversamento ad alcune molecole, ma non ad altre.

Il progetto M4CO2, finanziato dall’UE, ha messo a punto un sistema di filtrazione di CO2 ad alta efficienza energetica basato su una membrana M4. Lo scopo era di consentire il rispetto dei piani UE per una riduzione del 90 % delle emissioni di CO2 a meno di 25 EUR per tonnellata di CO2. Il progetto ha anche sviluppato nuove strutture metallorganiche e polimeri e ha migliorato la comprensione teorica dell'interazione tra i componenti. Il gruppo di ricerca ha inoltre creato prototipi di prova e tecniche per l’aumento del valore.

«Il nostro principale risultato, tra molti troppo numerosi da menzionare, è stato lo sviluppo e la dimostrazione riusciti di una nuova tecnologia M4 adatta per l'acquisizione continua di CO2», afferma il capo del progetto, il professor Freek Kapteijn.

Filtrazione efficace ed economica

I ricercatori hanno stimato che i costi per la rimozione da parte di M4 di CO2 di pre-combustione usando la nuova tecnologia sarebbero inferiori a 20 EUR per tonnellata di CO2. Tuttavia, a seconda delle pressioni in un processo a tre fasi, i costi potrebbero essere ulteriormente ridotti a 16 EUR per tonnellata, mentre l'eliminazione post-combustione dovrebbe aggirarsi intorno ai 28 EUR per tonnellata. Un processo a due stadi che combina membrane a basso flusso altamente sensibili con i loro opposti sarebbe paragonabile ai migliori processi di scrub a carbone. Lo scrubbing coinvolge un liquido circolante che assorbe CO2 a bassa temperatura e la rilascia ad alta temperatura.

Il gruppo ha anche ideato moduli a membrana in fibra cava, che contengono fasci di fibre cave in un alloggiamento cilindrico. La miscela di gas da separare viene alimentata a un'estremità del modulo, quindi scorre attorno alle fibre e fuoriesce dall'altra estremità. «Una notevole difficoltà si è rivelata l'aumento della produzione di membrane a fibre cave», osserva il prof. Kapteijn. «Le membrane su scala di laboratorio hanno funzionato bene, mentre non hanno funzionato come previsto nei test sul campo.» Nonostante le battute d’arresto, il gruppo ha imparato come fabbricare materiali e moduli.

La tecnologia a membrana M4CO2 può essere applicata a qualsiasi gas contenente CO2. Non solo la tecnologia rimuove la CO2 dai gas di carbone dopo la combustione e prima del rilascio nell’atmosfera, ma la rimuove anche dai gas di pre-combustione, producendo un gas ricco di idrogeno adatto per una combustione pulita.

In altri contesti, la tecnologia M4CO2 potrebbe essere applicabile alle unità di produzione dell'idrogeno, comprese quelle sviluppate dal progetto EU HyGear. Ogni tipo di separazione richiede un design della membrana ottimizzato.

Anche se il progetto si è concluso, i lavori continueranno in MEMBER, un nuovo progetto Orizzonte 2020 con molti degli stessi partner. Il nuovo progetto continuerà a sviluppare varie applicazioni per l’acquisizione continua di CO2 ed esaminerà le prospettive del mercato.

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