Una tecnologia promettente, ma in ritardo di anni. Molti esperti dubitano che si riuscirà mai a rispettare gli impegni presi
James Temple
La scorsa estate, gli investitori si sono riuniti nel parcheggio di un ex magazzino a Santa Cruz, in California. Rob McGinnis, fondatore e amministratore delegato di Prometheus Fuels, era pronto a sfoggiare il suo “Maxwell Core”, vale a dire un dispositivo a forma di tubo imballato con una membrana “crivellata” di nanotubi di carbonio, che formano pori che separano gli alcoli dall’acqua.
Mentre McGinnis ha spiegato come funzionava la tecnologia, il suo staff l’ha usata per riempire il serbatoio di una motocicletta Harley-Davidson. L’alcol è filtrato attraverso la membrana, con la giusta concentrazione per alimentare il veicolo. I partecipanti sono stati quindi invitati a fare un giro con l’Harley. È stata una dimostrazione teatrale della tecnologia chiave che, secondo McGinnis, trasformerà il settore globale dei combustibili estraendo gas serra dall’aria e convertendolo in combustibili a emissioni zero, allo stesso costo di quelli sporchi e convenzionali.
Gli investitori hanno finanziato l’azienda. Prometheus afferma di aver raccolto oltre 50 milioni di dollari dal ramo di investimento di BMW, dal gigante delle spedizioni Maersk, Y Combinator e altri. La startup ha già concluso accordi per vendere milioni di litri dei suoi carburanti ad American Airlines e altre compagnie aeree. Si è guadagnata una citazione in un annuncio dell’amministrazione Biden che descrive in dettaglio le iniziative degli Stati Uniti per passare a combustibili sostenibili per l’aviazione. E dopo aver chiuso il suo round di venture capital lo scorso settembre, l’azienda ha annunciato di essere stata valutata oltre 1,5 miliardi di dollari.
Qual è il problema allora? Ci sono poche prove disponibili che possa effettivamente essere all’altezza di quanto propone. McGinnis e il suo staff hanno costruito un prototipo che combina la membrana di nanotubi con un dispositivo che aspira l’anidride carbonica e una nuova cella elettrochimica. Il sistema converte il carbonio catturato in alcoli e quindi li concentra, evitando quella che altrimenti sarebbe una fase di distillazione costosa e ad alto consumo di energia, nonché altri costi.
Una versione su scala commerciale funzionerebbe con energia rinnovabile e aggiungerebbe una fase finale: convertire quegli alcoli in forme sintetiche di benzina, diesel e carburante per aerei. McGinnis ha affermato che i combustibili risultanti saranno “competitivi in termini di prezzo” con quelli derivati da combustibili fossili e non emetteranno più gas serra di quanto il processo rimuove dall’aria.
La tecnologia non assomiglierebbe in alcun modo alle enormi raffinerie da cui il mondo dipende per i suoi combustibili da trasporto. Sarebbero unità modulari che potrebbero essere costruite ovunque, relativamente a buon mercato. Lo scorso aprile, Prometheus ha annunciato che prevede di avere mezzo milione di questi impianti operativi entro il 2030. Con questi numeri, potrebbero produrre circa 190 miliardi di litri di carburante all’anno e aspirare quasi 7 miliardi di tonnellate di anidride carbonica entro la fine del decennio.
Se fosse vero, Prometheus rivoluzionerebbe il mercato globale dell’energia. Offrirebbe un modo semplice per neutralizzare le emissioni delle auto e dei camion già in circolazione, nonché delle flotte mondiali di navi e aerei. E ridurrebbe la pressione per continuare a estrarre combustibili fossili e costruire raffinerie di petrolio, allentando la dipendenza mondiale dagli stati venditori di petrolio.
Ma le affermazioni di Prometheus hanno sollevato parecchi dubbi tra ricercatori, imprenditori e venture capitalist. Diversi esperti che hanno esaminato una presentazione per gli investitori ottenuta da “MIT Technology Review” dubitano che l’azienda possa raggiungere i costi dichiarati. “È ridicolo”, afferma Eric McFarland, professore di ingegneria chimica all’Università della California, a Santa Barbara. “È una nuova bolla tecnologica”, ha aggiunto. “Le persone stanno investendo soldi in molte cose che alla fine non funzioneranno mai, come in questo caso”.
Altri sono scettici sul fatto che una piccola startup abbia integrato silenziosamente una chimica all’avanguardia, nuovi catalizzatori e una membrana rivoluzionaria in un unico pacchetto conveniente che sarà facilmente scalabile a livelli commerciali. Fanno anche notare che l’azienda non ha dimostrato pubblicamente un sistema completamente funzionante, non ha sottoposto il processo a una revisione tra pari o fornito informazioni più dettagliate su come funziona, nemmeno ad alcuni potenziali investitori.
Il fatto che l’azienda abbia ampiamente mancato i propri obiettivi per la fornitura di combustibili sintetici al mercato ha sollevato ulteriori dubbi. McGinnis aveva inizialmente affermato che Prometheus avrebbe venduto la sua benzina alternativa a 3 dollari al gallone entro il 2020, sottoquotando il carburante venduto alla pompa. Invece, due anni dopo, l’azienda deve ancora mettere insieme un dispositivo integrato che generi carburanti in grado di alimentare i veicoli attuali. Tutto ciò ha confermato l’impressione tra alcuni che McGinnis, un attore teatrale e drammaturgo, prima di conseguire un dottorato in ingegneria ambientale a Yale, sia in parte uno showman.
Elettrocarburanti: il futuro del trasporto
Prometheus e alcune altre startup che lavorano per produrre combustibili dal carbonio catturato, descrivono il prodotto finale come “elettrocarburanti“, per trasformare l’elettricità in combustibili liquidi. La promessa è che potrebbero fornire un pezzo mancante nel puzzle climatico: una fonte di energia a emissioni zero per l’intero settore dei trasporti. Le batterie funzionano bene per le autovetture elettriche, ma ci vorranno ancora decenni per costruire l’infrastruttura di ricarica necessaria. Inoltre, nessuno si aspetta che le batterie alimenteranno presto grandi navi e aerei.
È semplicemente difficile battere la densità di energia e la convenienza degli idrocarburi liquidi. Sono economici e sono facili da spedire, immagazzinare e bruciare, afferma Merritt Dailey, ricercatore del Center for Negative Carbon Emissions dell’Arizona State University. Gli elettrocarburanti offrono un modo per continuare a utilizzare tali combustibili, insieme all’ infrastruttura già esistente, senza emettere più gas serra di quelli rimossi dal processo.
Il percorso più lineare per la produzione di questi combustibili è costruire impianti di cattura diretta dell’aria che utilizzino assorbenti o solventi per assorbire l’anidride carbonica. Separatamente, i dispositivi noti come elettrolizzatori possono dividere l’acqua per produrre una forma pulita di idrogeno, che può quindi essere fatto reagire con il carbonio per produrre idrocarburi. Si tratta di un procedimento chimico ed è il percorso che una dei rivali di Prometheus, Carbon Engineering, sta perseguendo.
Nel 2017, l’azienda, con sede nella Columbia Britannica, ha acquisito la capacità di produrre combustibili dal carbonio catturato nel suo impianto pilota a Squamish. Inoltre, ha annunciato l’intenzione alla fine dello scorso anno di iniziare i lavori di progettazione di un impianto commerciale vicino a Merritt, BC, che potrebbe produrre più di 25 milioni di galloni di versioni a basse emissioni di carbonio di benzina, diesel e carburante per aerei all’anno.
Ma il problema è che le apparecchiature per la cattura diretta dell’aria e gli elettrolizzatori sono entrambi costosi da costruire e far funzionare. Il sistema richiede notevole calore per separare l’anidride carbonica raccolta dagli assorbitori e concentrare il gas. Non ultimo, ci vuole molta elettricità per alimentare gli elettrolizzatori.
Uno studio sugli elettrocarburanti, apparso su “Environmental Science & Technology” ha rilevato che con le tecnologie standard, anche su vasta scala commerciale, un equivalente in benzina costerebbe circa 16,80 dollari al gallone. I costi potrebbero scendere a circa 6,40 dollari nel prossimo decennio e 3,60 dollari entro il 2050, ma solo se ci saranno importanti riduzioni dei costi delle attrezzature e dell’elettricità necessarie.
Dati questi costi, la maggior parte degli osservatori ritiene che gli elettrocarburanti non prenderanno piede nel mercato senza politiche sulle emissioni e i prezzi elevati del carbone. Carbon Engineering, per esempio, dice che fa affidamento sui sussidi governativi per far funzionare l’economia. Ma Prometheus promette che i suoi combustibili competeranno direttamente con i derivati dal petrolio e che non ci vorranno decenni prima che ciò accada, ma solo pochi anni.
La sottoquotazione della benzina
Nel 2012, McGinnis ha lasciato una startup di desalinizzazione di cui è stato cofondatore, Oasys Water, ma ha continuato a lavorare sui modi per migliorare un pezzo fondamentale della tecnologia: le membrane. Il suo lavoro si è concentrato sul potenziale dei nanotubi di carbonio, che possono essere progettati per assorbire o rifiutare determinati composti. Ha passato anni a capire come incorporarli in fogli di plastica, allineandoli perpendicolarmente alla superficie per creare pori selettivi nei materiali.
Nel 2018, è stato coautore di un articolo su “Science Advances” in cui ha dimostrato di poter produrre membrane di nanotubi di carbonio efficaci nel respingere il sale e il solfato di magnesio. Ulteriori perfezionamenti ed esperimenti hanno prodotto nanotubi con aperture abbastanza grandi da consentire il passaggio di complesse molecole di alcol, senza far filtrare all’interno l’acqua. McGinnis ha ritenuto di utilizzare la tecnologia per semplificare un passaggio costoso e complesso in un unico percorso per la produzione di combustibili sintetici.
Alla fine del 2018, McGinnis è entrato nel programma di accelerazione di Y Combinator rivolto alle startup per la rimozione del carbonio. Durante il Demo Day di YC a San Francisco il marzo successivo, McGinnis è salito sul palco per presentare il suo discorso alla folla di investitori e mostrare un prototipo delle dimensioni di un frigorifero del dispositivo che aveva completato giorni prima dell’evento . Si era verificata una perdita e non funzionava bene, ha scritto “Science” all’epoca, ma ciò non gli ha impedito di fare un’affermazione decisamente audace: “Oggi, la benzina viene venduta a 3,50 dollari al gallone in California. L’anno prossimo la venderemo a 3 dollari al gallone”.
Come funziona la tecnologia
Il processo si articola in quattro fasi principali, secondo i materiali per gli investitori di Prometheus. Nella fase uno, i ventilatori industriali aspirano aria e la soffiano attraverso una miscela di acqua e altri composti, che secondo McGinnis potrebbero includere carbonato di sodio, una sostanza naturale che reagisce prontamente con le molecole di anidride carbonica nell’aria, trasformandosi in gran parte in bicarbonato.
La soluzione risultante si sposta quindi in una cella simile a una batteria con una membrana al centro ed elettrodi su entrambe le estremità, che utilizza l’elettricità per innescare una serie di reazioni chimiche che producono alcoli complessi. Il sistema è dotato di un catalizzatore basato su una tecnologia concessa in licenza dall’Oak Ridge National Laboratory. In una precedente descrizione, la struttura del Dipartimento dell’Energia statunitense ha affermato di aver sviluppato un catalizzatore costituito da minuscole punte di carbonio ricoperte da nanoparticelle di rame. Quando è stata applicata una tensione, ha convertito l’anidride carbonica disciolta in acqua in etanolo “con una resa del 63 per cento”.
Le membrane in nanotubi di carbonio di Prometheus entrano in gioco nella fase tre, separando gli alcoli dall’acqua. E nella fase finale, vengono utilizzati diversi catalizzatori per combinare gli alcoli e convertirli in benzina sintetica, diesel o carburante per aerei. Nel 2020, Prometheus ha concesso in licenza una tecnologia sviluppata dell’Oak Ridge che può essere utilizzata per produrre carburante per aerei dall’etanolo, attraverso un processo in più fasi che si basa su un catalizzatore nuovo, ma non specificato.
Il processo generale è sostanzialmente diverso da quello di altre aziende che convertono il carbonio catturato in combustibili. Come ha spiegato McGinnis su “Joule”, i sistemi di Prometheus possono funzionare a pressione atmosferica standard e a temperatura ambiente. La tecnologia evita anche l’energia termica necessaria per produrre anidride carbonica concentrata, nonché i costi di capitale di un elettrolizzatore dedicato alla produzione di idrogeno. Invece, afferma l’azienda, può sintetizzare gli alcoli direttamente dall’anidride carbonica disciolta nell’acqua e quindi convertirli in combustibili standard.
“Se avessero davvero capito come farlo, ci sarebbero notevoli risparmi di energia e costi”, afferma Evan David Sherwin, ricercatore di Stanford e autore dello studio apparso su “Environmental Science & Technology”. Una delle ultime diapositive nei materiali per gli investitori mostra una stazione di servizio a marchio Prometheus, con un cartello al neon rosso “Zero Net Carbon” che pubblicizza prezzi della benzina di 3,50 dollari al gallone e diesel a 3,75 dollari, ben al di sotto dei prezzi medi attuali negli Stati Uniti.
Una previsione azzardata
Nel suo articolo su “Joule” del marzo 2020, McGinnis ha posticipato l’obiettivo, con le seguenti parole: “Prevediamo che sarà possibile offrire benzina rinnovabile dalla cattura della CO2 a un prezzo competitivo entro i prossimi due anni”. Ma non ha mantenuto nessuna delle due promesse. McGinnis ha incolpato il fallimento ai ritardi legati alla pandemia e ai successivi problemi della catena di approvvigionamento e ha evitato di dichiarare quando l’azienda venderà benzina alla pompa, anche se seguito ha aggiunto che se “tutto va nel modo giusto” il carburante potrebbe essere disponibile per la fine dell’anno ed essere commercializzato nel 2023.
Anche altri problemi hanno attirato l’attenzione di osservatori esterni. Il primo è il prezzo dell’energia solare su cui Prometheus fa affidamento per le sue stime dei costi: 2 centesimi per kilowattora, che secondo McGinnis si basava sulla notizia che la città di Los Angeles aveva negoziato un contratto per l’acquisto di energia rinnovabile per quell’importo.
Ma le cifre di Los Angeles riflettevano un contratto di 25 anni con un cliente di grandi dimensioni che era in grado di garantire tariffe che probabilmente non sarebbero state proposte a una azienda più piccola. I costi non sovvenzionati se si costruisce e si preleva energia direttamente da una centrale elettrica basata sul solare nelle zone più soleggiate degli Stati Uniti sono di circa 3 centesimi per kilowattora, afferma Ramez Naam, un investitore di energia pulita concentrato sul settore solare, che è rialzista sugli elettrocombustibili. Se un impianto viene alimentato da più lontano, i costi salgono.
“Penso che si tratti di una previsione azzardata”, dice, anche se aggiunge che i costi dell’energia solare potrebbero raggiungere i livelli che l’azienda prevede ad un certo punto in questo decennio. Affidarsi interamente all’elettricità pulita, che è fondamentale per far funzionare la matematica a emissioni zero, crea altri vincoli. Per funzionare in modo redditizio basandosi esclusivamente sull’energia solare o eolica, gli impianti stessi dovranno essere molto a basso costo, altamente automatizzati e flessibili.
Oppure dovranno incorporare l’accumulo di energia, con grandi banchi di batterie, che aumenterebbero notevolmente i costi. In alcune regioni, gli impianti potrebbero anche fare affidamento su fonti stabili di energia priva di emissioni di carbonio come nucleare, geotermica o un mix di risorse eoliche e solari che in gran parte si bilanciano a vicenda.
Alla domanda sui problemi sollevati dalla variabilità dell’energia rinnovabile, McGinnis ha affermato in un’e-mail che le fucine di carburante sono progettate per funzionare in modo flessibile, accendendosi e spegnendosi rapidamente a seconda della disponibilità e del prezzo dell’elettricità. Le strutture possono anche fare affidamento sull’idrogeno che generano come sottoprodotto per eseguire il processo in determinate circostanze, ha aggiunto.
Forse l’interrogativo maggiore è quanto bene le varie parti sperimentali del sistema di Prometheus, in particolare le celle elettrochimiche che producono alcoli, funzioneranno al di fuori del laboratorio. Sean McCoy, un professore del dipartimento di ingegneria chimica e petrolifera dell’Università di Calgary, afferma che i gruppi che lavorano su un processo elettrochimico per convertire l’anidride carbonica in alcol hanno prodotto “rendimenti molto bassi”. “È tecnicamente possibile farlo nel modo proposto? Sì”, ha scritto in una e-mail. “Ma, a meno che non abbiano risolto alcuni grossi problemi nel front-end, probabilmente passeranno molti anni per renderlo una realtà commerciale”.
McFarland aggiunge che sarebbe molto costoso realizzare la serie estesa di reazioni necessarie per generare alcoli complessi, dato l’alto costo delle celle elettrochimiche e dell’elettricità richiesta. “Anche se costa loro solo 2 centesimi per kilowattora, non saranno in grado di competere con i combustibili fossili“, ha detto in una e-mail. In effetti, alcuni pensano che sia improbabile che qualsiasi azienda o processo possa mai produrre combustibili sintetici dalla cattura diretta dell’aria a costi equivalenti, considerando l’hardware costoso, i requisiti di elettricità e la capacità delle principali nazioni produttrici di petrolio di ridurre il costo dei combustibili fossili scegliendo di estrarne di più.
Per alcuni, un indizio dell’incertezza è che Breakthrough Energy Ventures, Carbon Direct e Lowercarbon Capital, tre importanti società di venture capital con una reputazione di rigore scientifico e un’attenzione alla rimozione del carbonio, non abbiano investito nell’azienda. Fonti di Venture affermano che il costo finale e i presupposti tecnologici sembravano altamente improbabili e che McGinnis non avrebbe permesso loro di verificare alcune affermazioni scientifiche.
Sherwin di Stanford afferma che il progetto “non sembra folle”, ma osserva che alcune delle ipotesi di costo ed efficienza di Prometheus sembrano “molto aggressive”. Solleva un’altra questione, osservando che qualsiasi azienda che produce idrocarburi sintetici dovrà operare alla luce del sole, o essere soggetta a supervisione, per assicurarsi che il prodotto finale sia effettivamente a emissioni zero.
In una risposta inviata via e-mail, McGinnis ha affermato che l’azienda utilizzerà un mezzo imparziale di certificazione a emissioni zero quando sarà disponibile e saranno offerti ulteriori modi per verificare come sono stati prodotti i combustibili, anche attraverso l’analisi del carbonio. “Gli scettici senza pregiudizi”, ha continuato, ”sarebbero convinti se avessero accesso a i nostri dati, modelli e metodi”.
Come ha spiegato, l’azienda ha limitato quanto condivide sul suo processo per proteggere la proprietà intellettuale. “Abbiamo alcune tecnologie per le quali abbiamo depositato brevetti e vogliamo mantenere il segreto commerciale, che non possiamo svelare”, ha detto. Ora che l’azienda ha effettuato il suo round di finanziamento di serie B, prevede di andare avanti molto più velocemente.
McGinnis conclude ricordando che hanno già iniziato a parlare con le autorità di regolamentazione dei passaggi che dovrebbero intraprendere per vendere direttamente il carburante. Anche gli investitori di Prometheus rimangono ottimisti. Marcus Behrendt, amministratore delegato di BMW i Ventures, il ramo di rischio del gigante automobilistico, afferma che il suo gruppo è “molto fiducioso” che Prometheus sia sulla buona strada e che i suoi combustibili a emissioni zero siano “proprio dietro l’angolo”.
Immagine: Max-O-Matic
(rp)
