L’ammoniaca, utilizzata nei fertilizzanti, è essenziale per la nostra vita. Addis Energy sta cercando di produrre la sostanza chimica nel sottosuolo.
Dimenticate gli enormi serbatoi d’acciaio: alcuni scienziati vogliono produrre sostanze chimiche con l’aiuto delle rocce in profondità sotto la superficie terrestre.
Una nuova ricerca dimostra che l’ammoniaca, una sostanza chimica fondamentale per i fertilizzanti, può essere prodotta dalle rocce a temperature e pressioni comuni nel sottosuolo. La ricerca è stata pubblicata oggi su Joule e MIT Technology Review può riferire in esclusiva che è stata fondata una nuova società, chiamata Addis Energy, per commercializzare il processo.
L’ammoniaca è utilizzata nella maggior parte dei fertilizzanti ed è una parte vitale del nostro sistema alimentare moderno. Si sta anche pensando di utilizzarla come carburante ecologico in settori come la navigazione transoceanica. Il problema è che gli attuali processi di produzione dell’ammoniaca richiedono molta energia e producono enormi quantità di gas serra che causano il cambiamento climatico, oltre l’1% del totale globale. Il nuovo studio rileva che le condizioni interne del pianeta possono essere utilizzate per produrre ammoniaca con un processo molto più pulito.
“La Terra può essere una fabbrica per la produzione di sostanze chimiche”, afferma Iwnetim Abate, professore al MIT e autore del nuovo studio.
Questa idea potrebbe rappresentare un grande cambiamento per l’industria chimica, che oggi si affida a enormi impianti che eseguono reazioni a temperature e pressioni estremamente elevate per produrre ammoniaca.
Gli ingredienti chiave per la produzione di ammoniaca sono fonti di azoto e idrogeno. Attualmente, gran parte dell’attenzione sui metodi di produzione più puliti si concentra sulla ricerca di nuovi modi per produrre idrogeno, poiché questa sostanza chimica costituisce la maggior parte dell’impronta climatica dell’ammoniaca, afferma Patrick Molloy, direttore dell’agenzia di ricerca no-profit Rocky Mountain Institute.
Recentemente, ricercatori e aziende hanno individuato depositi naturali di idrogeno nel sottosuolo. Le rocce ricche di ferro tendono a innescare le reazioni che producono il gas e questi depositi naturali potrebbero fornire una fonte di idrogeno a basso costo e a basse emissioni.
Sebbene l’idrogeno geologico sia ancora agli inizi come industria, alcuni ricercatori sperano di favorire il processo stimolando la produzione di idrogeno nel sottosuolo. Con le rocce giuste, il calore e un catalizzatore, è possibile produrre idrogeno a basso costo e senza emettere grandi quantità di inquinamento climatico.
L’idrogeno, però, può essere difficile da trasportare, quindi Abate era interessato a fare un ulteriore passo avanti lasciando che le condizioni del sottosuolo facessero il lavoro duro per alimentare le reazioni chimiche che trasformano l’idrogeno e l’azoto in ammoniaca. “Scavando, si ottengono calore e pressione gratuitamente”, spiega Abate.
Per verificare come potrebbe funzionare, Abate e il suo team hanno frantumato minerali ricchi di ferro e aggiunto nitrati (una fonte di azoto), acqua (una fonte di idrogeno) e un catalizzatore per favorire le reazioni in un piccolo reattore in laboratorio. Hanno scoperto che, anche a temperature e pressioni relativamente basse, potevano produrre ammoniaca in poche ore. Secondo i ricercatori, se il processo fosse scalato, un pozzo potrebbe produrre 40.000 chilogrammi di ammoniaca al giorno.
Sebbene le reazioni tendano ad accelerare ad alta temperatura e pressione, i ricercatori hanno scoperto che la produzione di ammoniaca potrebbe essere un processo economicamente valido anche a 130 °C (266 °F) e a poco più di due atmosfere di pressione, condizioni che sarebbero accessibili a profondità raggiungibili con l’attuale tecnologia di perforazione.
Sebbene le reazioni funzionino in laboratorio, c’è ancora molto lavoro da fare per determinare se e come il processo possa effettivamente funzionare sul campo. Una cosa che il team dovrà capire è come mantenere le reazioni, perché nella reazione che forma l’ammoniaca, la superficie delle rocce ricche di ferro si ossida, lasciandole in uno stato in cui non possono continuare a reagire. Abate dice che il team sta lavorando per controllare lo spessore dello strato di roccia inutilizzabile e la sua composizione, in modo che le reazioni chimiche possano continuare.
Per commercializzare questo lavoro, Abate sta co-fondando una società chiamata Addis Energy con 4,25 milioni di dollari in fondi pre-seed da investitori tra cui Engine Ventures. Tra i suoi cofondatori figurano Michael Alexander e Charlie Mitchell (che hanno entrambi lavorato nell’industria del petrolio e del gas) e Yet-Ming Chiang, professore al MIT e imprenditore seriale. L’azienda si occuperà di scalare la ricerca, compresa la ricerca di potenziali siti con le condizioni geologiche per produrre ammoniaca nel sottosuolo.
La buona notizia per le iniziative di scale-up è che gran parte della tecnologia necessaria esiste già nelle operazioni di estrazione del petrolio e del gas, afferma Alexander, CEO di Addis. Un sistema installato sul campo comporterà la perforazione, il pompaggio di fluidi nel terreno e l’estrazione di altri fluidi da sotto la superficie, tutte operazioni molto comuni in questo settore. “Si tratta di una chimica innovativa racchiusa in un pacchetto per il petrolio e il gas”, afferma Alexander.
Il team lavorerà anche per affinare le stime dei costi del processo e per comprendere meglio la sicurezza e la sostenibilità, dice Abate. L’ammoniaca è una sostanza chimica tossica per l’industria, ma è abbastanza comune da avere procedure consolidate per la manipolazione, lo stoccaggio e il trasporto, spiega Molloy di RMI.
A giudicare dalle prime stime dei ricercatori, l’ammoniaca prodotta con questo metodo potrebbe costare fino a 0,55 dollari al chilogrammo. Si tratta di un prezzo superiore a quello dell’ammoniaca prodotta oggi con i combustibili fossili (0,40 dollari/kg), ma la tecnica sarebbe probabilmente meno costosa di altri metodi di produzione della sostanza chimica a basse emissioni. Le modifiche al processo, tra cui l’utilizzo dell’azoto dell’aria al posto dei nitrati, potrebbero contribuire a ridurre ulteriormente i costi, fino a 0,20 dollari/kg.
Nuovi approcci alla produzione di ammoniaca potrebbero essere cruciali per gli sforzi sul clima. “È una sostanza chimica essenziale per il nostro stile di vita”, afferma Karthish Manthiram, professore al Caltech che studia l’elettrochimica, compresi i metodi alternativi di produzione dell’ammoniaca.
La ricerca del team sembra essere stata progettata fin dall’inizio con l’obiettivo della scalabilità e l’utilizzo della Terra stessa come reattore è il tipo di pensiero necessario per accelerare il percorso a lungo termine verso una produzione chimica sostenibile, aggiunge Manthiram.
Mentre l’azienda si concentra sugli sforzi di scalabilità, c’è ancora molto lavoro fondamentale da fare per Abate e altri laboratori per capire cosa succede durante le reazioni a livello atomico, in particolare all’interfaccia tra le rocce e il fluido di reazione.
La ricerca in laboratorio è entusiasmante, ma è solo il primo passo, dice Abate. Il prossimo è vedere se funziona davvero sul campo.
