Domande e risposte: viaggio nel carbonio

Jan 10, 2024

I ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Penn State hanno ricevuto una sovvenzione di 2 milioni di dollari dal Navy Decarbonization Research Consortium per studiare la cattura del carbonio a bordo delle navi e l’utilizzo di combustibili alternativi. Il progetto è riassunto in una sessione di domande e risposte con il professore associato Brian Fronk. Credito: Kate Myers/Penn State. Tutti i diritti riservati.

9 agosto 2023

Di Sarah Piccolo

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania — Il Navy Decarbonization Research Consortium è una collaborazione pubblico-privata che mira a far avanzare la ricerca interdisciplinare per aiutare la Marina degli Stati Uniti ad affrontare le complesse sfide della decarbonizzazione delle piattaforme, con particolare attenzione a navi e aerei, secondo il sito web del consorzio. Nell'ambito di questa iniziativa, il professore associato di ingegneria meccanica della Penn State Brian Fronk e la professoressa di ingegneria meccanica Jacqueline O'Connor, hanno ricevuto una sovvenzione triennale di 2 milioni di dollari dall'Office of Naval Research per sviluppare un sistema di cattura del carbonio a bordo delle navi per utilizzo con turbine a gas navali. Anche l'illustre professore di ingegneria meccanica della Penn State, Adri van Duin, assisterà alla ricerca.

Di seguito è riportata una sessione di domande e risposte con Fronk che descrive in dettaglio la ricerca pianificata.

D: Cos’è la cattura del carbonio e cosa sono gli “e-fuel”?

Fronte: La cattura del carbonio è il processo di rimozione dell’anidride carbonica, direttamente dall’atmosfera o dallo scarico di apparecchiature, come le turbine a gas, che bruciano combustibili contenenti carbonio. Il carbonio catturato può quindi essere sequestrato per impedirne l’immissione nell’atmosfera o riciclato per produrre nuovi combustibili contenenti carbonio che possono essere utilizzati nelle navi e nei motori esistenti.

I combustibili idrocarburi prodotti utilizzando elettricità da fonti rinnovabili o nucleari sono considerati “e-fuel”. Sono essenzialmente versioni sintetiche dei combustibili fossili liquidi che conosciamo. Questi combustibili alternativi sono ad alta densità energetica – maggiore è la densità, maggiore è l’energia che può essere immagazzinata e trasportata per lo stesso volume – e tuttavia hanno basse emissioni nette di carbonio e teoricamente possono essere prodotti ovunque.

D: Come si applica questo alla Marina degli Stati Uniti?

Fronte: Nelle applicazioni navali, la materia prima di idrogeno per questo combustibile può essere ottenuta dall'acqua di mare mediante elettrolisi, mentre la materia prima di anidride carbonica potrebbe essere catturata tramite un sistema di bordo dall'atmosfera, dai gas di scarico o anche dall'acqua di mare. Pertanto, supporta la missione di decarbonizzazione della Marina offrendo allo stesso tempo un percorso verso la produzione distribuita e l’utilizzo di combustibili alternativi, fornendo un vantaggio logistico.

Una cosa fondamentale da notare è che esiste una penalità energetica per la cattura del carbonio, il che significa che viene utilizzata energia per alimentare le apparecchiature a tal fine, contribuendo potenzialmente alle emissioni a seconda della fonte di energia. Tuttavia, la sanzione è minore se c’è più carbonio da catturare. Le navi in ​​genere utilizzano motori a turbina a gas per l'energia e la propulsione, ed è meno dispendioso in termini energetici catturare il carbonio dagli scarichi delle turbine a gas, dove l'anidride carbonica costituisce circa dal 5% al ​​15% dello scarico, che direttamente dall'atmosfera, dove l'anidride carbonica tipicamente costituisce circa lo 0,05%.

D: Come pensi di catturare il carbonio dallo scarico della turbina?

Fronte: I sistemi di cattura del carbonio più maturi per applicazioni terrestri utilizzano soluzioni chimiche per assorbire l’anidride carbonica dall’atmosfera o dai gas di scarico, ma l’uso della cattura del carbonio a base chimica sulle navi non è l’ideale a causa di problemi di salute e sicurezza. In questo progetto, separeremo l’anidride carbonica comprimendo, raffreddando ed espandendo il gas di scarico per produrre direttamente anidride carbonica congelata – ghiaccio secco – dal flusso di scarico. Questo sistema può essere reso compatto, relativamente semplice da utilizzare e integrato nelle navi militari esistenti e future.

Per promuovere una cattura più efficiente, esploreremo anche l’uso del ricircolo dei gas di scarico (EGR), in cui una percentuale del gas di scarico viene fatta circolare nuovamente all’ingresso per aumentare la concentrazione di anidride carbonica. Questa tecnologia è stata utilizzata per qualche tempo nei motori commerciali dei camion e delle automobili, ma non è stata ampiamente applicata alle turbine a gas, sebbene riscuota molto interesse.