Intervista al Prof. Reisner: "Il valore del reattore deriverà dalle sostanze chimiche, non dall'idrogeno"

Introduzione

Trasformare i rifiuti in combustibile utilizzando solo la luce solare è una delle promesse più allettanti della chimica sostenibile, ma anche una delle più difficili da implementare.

In uno studio pubblicato sulla rivista Nature Chemical Engineering, il gruppo coordinato dal Prof. Erwin Reisner dell'Università di Cambridge ha preso un sistema fotocatalitico, realizzato normalmente in laboratorio su campioni da un centimetro quadrato e lo ha ingrandito fino a realizzare un pannello di un metro quadrato in grado di funzionare all'aperto sotto la luce diretta del sole.

I pannelli convertono glucosio e cellulosa in idrogeno e in composti organici a valore aggiunto come formiato, acetato e glicolato, utilizzando uno strato di co-catalizzatore che viene semplicemente realizzato spruzzando il materiale a temperatura ambiente, senza impiegare forni ad alta temperatura né metalli preziosi.

La particolarità dell'articolo risiede nel fatto che gli autori hanno pubblicato anche un'analisi tecnico-economica basata sui dati raccolti durante gli esperimenti condotti sul sistema all'aperto, anziché su ipotesi teoriche ideali, il risultato non è affatto incoraggiante.

Abbiamo chiesto al Prof. Reisner di spiegarci i dati raccolti, quali sono gli ostacoli che si frappongono ancora tra un pannello in fase prototipale e una centrale elettrica reale e per quali motivi ritiene che l'idrogeno sia la cosa meno preziosa prodotta dal suo sistema.

Erwin Reisner è professore di Energia e Sostenibilità presso il Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied dell'Università di Cambridge, dove ricopre anche una Cattedra della Royal Academy of Engineering in Tecnologie Emergenti ed è membro del St John's College. Formatosi a Vienna, al MIT e a Oxford, dirige il Reisner Lab di Cambridge dal 2010. Il gruppo sviluppa processi di produzione di combustibili e prodotti chimici basati sull’energia solare ed elettrica per l'economia circolare con particolare attenzione al riciclo di rifiuti plastici e di biomasse e all'utilizzo di anidride carbonica e acqua come materie prime.

Il percorso che ha portato a questa ricerca

Domanda 1. Quali scoperte precedenti, nel vostro gruppo o sul campo, vi hanno spinto a studiare il processo di photoreforming solare dei rifiuti come via per la produzione di idrogeno green? C'è stato un momento o un'osservazione specifica che vi ha convinto per la prima volta che i flussi derivati ​​da cellulosa e PET potessero funzionare come materie prime?

Prof. Reisner: La reazione di ossidazione dell'acqua, che di solito funge da necessaria contro -reazione per la produzione di idrogeno, è termodinamicamente dispendiosa e spesso limita la velocità complessiva di produzione dell’idrogeno. Nonostante la sostituzione dell'ossidazione dell'acqua con l'ossidazione di composti organici è studiata da molto tempo, questi approcci si sono basati tipicamente su sostanze chimiche preziose e non sostenibili come ad esempio i substrati sacrificali (anche detti substrati a perdere).

L'utilizzo di materie prime derivate dai rifiuti offre invece un'alternativa economicamente vantaggiosa e sostenibile, consentendo la produzione di sostanze chimiche di valore e riducendo al contempo i rifiuti ambientali. Abbiamo iniziato a lavorare su questa idea dieci anni fa, dimostrando che gli abbondanti flussi di rifiuti solidi possono fungere da materie prime efficaci per il photoreforming.

Domanda 2. Quale lacuna intendevate colmare passando dalle dimostrazioni condotte in laboratorio a un pannello di 1 m² funzionante all'aperto sotto la luce naturale del sole?

Prof. Reisner: sono già stati sviluppati numerosi sistemi fotocatalitici per la produzione di idrogeno e il photoreforming dei rifiuti. Tuttavia, questi sistemi sono stati perlopiù dimostrati solo in laboratorio, tipicamente su aree di circa 1 cm², con scarsa attenzione alla loro possibile trasposizione in applicazioni pratiche su larga scala. In questo lavoro, abbiamo utilizzato precursori a singola fonte per sviluppare un sistema di photoreforming versatile e scalabile, adatto all'utilizzo all'aperto. Altrettanto importante è il fatto che abbiamo dimostrato la trasposizione sistematica di tale tecnologia da dispositivi funzionanti in scala "laboratorio" a reattori sulla scala del metro quadrato.

Risultati, impatto e rilevanza

Domanda 3. La vostra analisi tecnico-economica si basa su dati reali di prestazioni sul campo, piuttosto che su ipotesi idealizzate. Come si confrontano i vostri risultati con altri metodi a basse emissioni per la produzione di idrogeno, come l'elettrolisi dell'acqua, ma anche con i sistemi di riferimento per la scissione fotocatalitica dell'acqua? E cosa rivela l'analisi sul percorso realistico per la sua implementazione?

Prof. Reisner: la nostra analisi preliminare indica che l'idrogeno prodotto dal nostro sistema di fotoriformazione è attualmente più costoso dell'idrogeno generato da altre tecnologie di produzione a basse emissioni.

Tuttavia, il photoreforming è ancora un campo relativamente giovane e la nostra analisi tecnico-economica si è limitata a un sistema di 1 m².

Si prevede che il continuo sviluppo e l'ottimizzazione tecnologica, unitamente a un ulteriore ampliamento della scala e alle relative economie di scala, ridurranno sostanzialmente il costo di produzione dell'idrogeno.

Inoltre, la nostra analisi attuale non tiene conto del valore aggiunto creato dalla conversione dei rifiuti in sostanze chimiche di valore. Prevediamo infatti che la redditività economica del photoreforming sarà in definitiva determinata più da questi prodotti chimici ad alto valore che dall'idrogeno stesso che verrà prodotto.

Domanda 4. Quali sono gli ostacoli maggiori, rilascio e durabilità del co-catalizzatore, efficienza, scalabilità, che ancora si frappongono tra questo prototipo e un sistema pratico? 

Prof. Reisner: l'ostacolo maggiore è rappresentato dalla stabilità a lungo termine del sistema. Finora, abbiamo dimostrato un funzionamento stabile su scale temporali di giorni. Tuttavia, l'implementazione pratica richiederà probabilmente una durata operativa misurata in anni. Questa sfida è stata identificata anche come un fattore chiave nella nostra analisi tecnico-economica, evidenziando l'importanza cruciale di migliorare la durabilità del sistema.

Domanda 5. In parole semplici, perché un cittadino comune – diciamo, un lettore italiano preoccupato per i costi energetici e i rifiuti di plastica – dovrebbe interessarsi al fatto che la luce solare può trasformare i rifiuti in idrogeno?

Prof. Reisner: i rifiuti di plastica possono persistere nell'ambiente per decenni, accumulandosi nei suoli e nei corsi d'acqua causando effetti dannosi sugli ecosistemi, sulla fauna selvatica e, in ultima analisi, sulla salute umana. Allo stesso tempo, sebbene si preveda che l'idrogeno svolgerà un ruolo chiave nella transizione verso un sistema energetico sostenibile, la maggior parte dell'idrogeno viene ancora prodotta da combustibili fossili, con conseguenti significative emissioni di carbonio. Il photoreforming offre un'opportunità unica per affrontare entrambe le sfide simultaneamente, riciclando i rifiuti di plastica in prodotti di valore e producendo idrogeno verde. In tal modo si fornisce una potenziale soluzione a due problemi urgenti con conseguenze dirette per la società.

Lo scienziato dietro la ricerca

Domanda 6. Il vostro sistema produce già, insieme all'idrogeno, composti organici a valore aggiunto come formiato, acetato e glicolato. Guardando al futuro, la maggiore opportunità risiede nella massimizzazione di questi sottoprodotti chimici o nell'estensione della piattaforma a flussi di rifiuti misti più complessi e reali? Quale direzione sta attivamente perseguendo il vostro gruppo?

Prof. Reisner: stiamo perseguendo attivamente entrambe le direzioni di ricerca, poiché nessuna delle due può essere trascurata se si vuole che il photoreforming diventi una tecnologia praticabile. Massimizzare la produzione di sostanze chimiche di valore a partire da materie prime di scarto è essenziale, poiché si prevede che questi prodotti contribuiscano in larga misura al valore economico del processo, mentre l'idrogeno è una materia prima di valore relativamente basso. Allo stesso tempo, estendere il photoreforming a flussi di rifiuti misti più complessi è altrettanto importante, poiché i rifiuti reali sono raramente composti da un singolo materiale. Insieme, questi progressi saranno fondamentali per trasferire il photoreforming dal laboratorio alle applicazioni pratiche.

Domanda 7. Qual è l'aspetto intellettualmente più stimolante di questo lavoro per lei a livello personale?
Prof. Reisner: il problema non rappresenta solo una sfida chimica, richiede infatti un approccio veramente olistico che abbracci le scienze fisiche, l'ingegneria, l'economia e le scienze sociali. Questo lo rende una sfida particolarmente stimolante, che spinge tutto il mio team oltre la nostra zona di comfort e ci incoraggia a pensare al di là dei confini disciplinari.

Domanda 8. Qual è stato un punto di svolta nella sua carriera, un momento che ha cambiato il suo approccio a un problema?

Prof. Reisner: ci sono già stati molti punti di svolta! Il punto fondamentale è arrivato quando abbiamo spostato la nostra attenzione dalle competenze già presenti nel nostro laboratorio al problema stesso. Nel mondo accademico, spesso veniamo formati in una serie specifica di tecniche e poi cerchiamo di giustificare la nostra ricerca applicando le nostre competenze specialistiche alle sfide contemporanee. Credo che il processo debba essere invertito: se vogliamo davvero affrontare importanti sfide sociali, dobbiamo partire dal problema e poi riunire le competenze necessarie per risolverlo.

Domanda 9. Che cosa l'ha inizialmente spinta verso la chimica in generale e i combustibili solari in particolare?
Prof. Reisner: il fascino di comprendere la fotosintesi e l'immensa sfida scientifica di replicare questo processo in laboratorio.