Nonostante alcuni pericolosi retromarcia dettati da ragioni politiche, il sistema energetico globale è oggi in transizione da un modello basato su un’alimentazione prevalente da combustibili fossili a uno più sostenibile, basato soprattutto sull’utilizzo di energia rinnovabile prodotta a partire da un mix di fonti diverse (eolico, solare, ecc). Ci sono però due ordini di problemi: il primo, sufficientemente conosciuto, è rappresentato dalla volatilità della maggioranza delle energie pulite, che non producono elettricità 24 ore su 24, ma soltanto in presenza della disponibilità della risorsa che ne è alla base (sole, vento, ecc). Il secondo ostacolo è che questo tipo di fonti generano esclusivamente elettricità, la quale rappresenta soltanto una fetta del fabbisogno energetico globale, legato anche alla domanda termica e dei trasporti.

C’è però una soluzione: la conversione chimica dell’energia (chemical energy conversion, Cec), che permette la trasformazione dell’elettricità in combustibili. Una soluzione non certo nuova per i laboratori di ricerca, ma che su larga scala eccede di un ordine di grandezza le attuali dimensioni dell’industria chimica mondiale.  Inoltre, la Cec richiede l’attivazione di molecole molto stabili quali acqua (H2O), azoto (N2), ossigeno (O2) e anidride carbonica (CO2), che necessitano di processi chimici molto efficienti che utilizzano enormi quantitativi di catalizzatori stabili, a elevate prestazioni e poco costosi.

Su questo punto si concentrano da anni gli studi di Robert Schlögl, ricercatore tedesco premiato nell’ambito dell’Eni Award 2017 per la transizione energetica, che nel recente passato ha fondato l’Istituto Max Planck per la Conversione Chimica dell’Energia a Mülheim an der Ruhr. Schlögl ha guidato il suo team di ricerca nello sviluppo di un approccio innovativo nello studio della catalisi, eliminando – attraverso nuove tecniche di osservazione – la tradizionale separazione tra la trasformazione dei reagenti e la funzione catalitica.  Il punto di partenza del lavoro è stato quello di riconoscere che sia la sintesi che il funzionamento dei catalizzatori sono fenomeni cinetici che dipendono dall’ambiente in cui vengono condotti. Le reattività dei catalizzatori e dei reagenti sono dunque fortemente interconnesse e non possono essere considerate in modo indipendente, almeno nelle condizioni di elevate prestazioni del sistema catalitico. Di conseguenza, è essenziale controllare gli ambienti in cui si preparano e si utilizzano i catalizzatori, senza modificarli.

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Robert Schlögl

All’interno dell’ecosistema della Max-Planck  Society,  il team tedesco ha sviluppato e applicato con successo una serie di tecniche “in-situ”, che permettono di “osservare” i catalizzatori nell’ambiente e nelle condizioni di reazione per una serie di processi di conversione chimica dell’energia. Nell’immediato, l’utilizzo di questi risultati aiuta la progettazione di catalizzatori per lo splitting elettrochimico dell’acqua in idrogeno (H2) e ossigeno (O2), per la riduzione dell’anidride carbonica (CO2) con idrogeno (H2) a metanolo (CH3OH), ossia una molecola di primaria importanza nel processo Cec.

Un concreto ambito di applicazione della combinazione dei due campi di ricerca è la sintesi dei cosiddetti e-fuels, che in futuro dovrebbero sostituire buona parte dei carburanti diesel di origine fossile. Il procedimento dei ricercatori tedeschi comporta numerosi vantaggi, tra cui l’azzeramento delle emissioni di particolato e la forte riduzione delle emissioni di NOx dagli scarichi autoveicolari. In questo modo è realmente possibile portare l’energia rinnovabile sotto forma di idrogeno “green” nel settore trasporti, senza necessità di rivoluzionare le attuali infrastrutture di mobilità.