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Utilizzare anidride carbonica per produrre energia è un obiettivo importante per limitare gli effetti dannosi delle emissioni di questo gas in atmosfera. Una particolare cella elettrochimica, che lavora in base a un gradiente di pH, potrebbe permettere in futuro di produrre elettricità utilizzando CO2.

Mitigare le emissioni di CO2 in atmosfera è (o dovrebbe essere) un obiettivo cruciale per gli abitanti del nostro pianeta, in quanto —come già discusso più volte su il Positivismo— esse contribuiscono al fenomeno globale del cambiamento climatico. Gli scienziati di tutto il mondo sono costantemente alla ricerca di metodi alternativi per limitare le emissioni, in particolar modo nel periodo di tempo in cui l’utilizzo di fonti rinnovabili è ancora limitato.

Un metodo molto studiato dai ricercatori è quello di trasformare l’anidride carbonica in un carburante, un combustibile che possa essere utilizzato per generare energia (ad esempio, in metanolo). Un’altra soluzione, sempre discussa su questo sito, è rappresentata dal carbon capture and storage. Questa particolare strategia consiste nell’immagazzinare in profondità il dannoso gas serra (approfondisci). I ricercatori dell’Università della Pennsylvania, negli Stati Uniti, hanno studiato un metodo alternativo, ossia l’utilizzo di CO2 per la produzione di energia elettrica attraverso una cella elettrochimica. Questa interessante flow cell lavora in base alla differenza di pH tra due soluzioni e produce elettricità grazie a due elettrodi, a base di manganese, che sono pH dipendenti.

schema della flow cell
Flow-cell utilizzata per la produzione di energia elettrica

Come funziona la flow cell a CO2

I ricercatori hanno utilizzato due soluzioni di NaHCO3  (bicarbonato di sodio) con la stessa concentrazione: nella prima si fa passare CO2, nella seconda aria. Tali soluzioni posseggono un pH differente, per cui inviandole nella cella elettrochimica (attraverso una pompa) si crea un gradiente di pH (in questo particolare sistema ΔpH = 1.7).  La differenza di pH, grazie agli elettrodi composti di MnO2, permette di generare una differenza di potenziale pari a 0.196 V.

Gli elettrodi a base di manganese, infatti, permettono le seguenti reazioni redox:

MnO2 + H+ + e = MnOOH
MnO2 + Na+ + e = MnOONa

definizione di pH
Ricordate la definizione di pH?

Come detto in precedenza, però, le concentrazioni di bicarbonato di sodio (e quindi degli ioni Na+) sono uguali in entrambe le soluzioni, per cui la differenza di potenziale generata è dipendente soltanto dalla differenza di pH (concentrazione di H+).

Chiudendo il circuito, la differenza di potenziale permette il passaggio degli elettroni e, di conseguenza, la produzione di elettricità. La batteria, naturalmente, con il proseguire della reazione redox si scarica, ma ciò non rappresenta un problema. Invertendo le due soluzioni, infatti, si ripristina la situazione iniziale (e gli elettroni si muovono in direzione opposta). Lo studio, pubblicato su Environmental Science & Technology Letters, ha evidenziato come la flow cell risulti stabile per almeno 50 cicli.

Pensare in grande

energia co2La densità di potenza ottenuta grazie a questo particolare sistema è pari a 0.8 W/m2, paragonabile a quella ottenuta nelle tecnologie a gradiente di salinità che permettono la produzione di elettricità dall’acqua marina, ad esempio. Ciononostante, tale valore di potenza non è paragonabile a quello di fuel cell che utilizzano CO2, che si aggira intorno ad 1-10 kW/m2. Queste ultime, però, utilizzano altri combustibili —quali ad esempio idrogeno (H2)— e necessitano di temperature elevate. Entrambi i fattori aumentano sensibilmente l’energia potenziale del sistema convertibile in energia elettrica. Il sistema elettrochimico a gradiente di pH, invece, ha l’importante pregio di lavorare a temperatura ambiente e con materiali particolarmente economici.

Lo scale-up, cioè l’applicazione su larga scala, è quindi almeno al momento fuori portata. Sono necessari ulteriori approfondimenti per capire la fattibilità di un progetto simile e soprattutto per valutare i costi necessari al suo funzionamento. Un flue gas proveniente da una camera di combustione, infatti, ha una concentrazione di CO2 relativamente bassa, intorno al 10-15%, differente quindi dalla corrente di anidride carbonica pura utilizzata in questo studio. Inoltre, il gas industriale possiede contaminanti a base di zolfo, ad esempio, per cui vanno analizzati anche i costi di purificazione.

Le emissioni di COproducono un’energia potenziale approssimativamente pari a 1750 TWh-1 , che corrisponde a circa un terzo dell’energia elettrica utilizzata ogni anno negli Stati Uniti. Trovare un sistema che permetta di utilizzare quest’energia potrebbe essere una svolta epocale nella gestione dell’energia e delle emissioni di gas serra nel nostro pianeta.

ilpositivismo.com

Fonti & Approfondimenti:

Taeyoung Kim, Bruce E. Logan e Cristopher A. Gorski, “A pH gradient flow cell for converting waste CO2 into electricity”, Environmental Science & Technology Letters, 2017.

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