Basta fonti fossili per produrre etilene. É questo lo scenario che si apre grazie a uno studio i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science. «Nella prospettiva di un’economia sempre più sostenibile, meno inquinante ed energivora, il nostro studio suggerisce la possibilità di produrre etilene con un metodo innovativo e sostenibile, riducendo drasticamente la dipendenza da fonti fossili, svincolandone il costo dal prezzo delle materie prime e dell’energia, in particolare da petrolio e gas naturale».

Lo spiega Paolo Fornasiero, professore al Dipartimento di Scienze Chimiche e Farmaceutiche dell’Università di Trieste e membro del Consorzio interuniversitario nazionale per la scienza e tecnologia dei materiali (INSTM).

Associato all’Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICCOM-CNR) di Firenze, Fornasiero è tra gli autori dell’articolo che illustra il lavoro svolto da un gruppo di ricerca internazionale (ne fanno parte ricercatori del cinese Dalian National Laboratory for Clean Energy e della Fudan University di Shanghai) per risolvere le attuali criticità nella produzione di etilene.  

Che cos’è l’etilene

«L’etilene è una molecola organica che è una sorta di mattoncino lego alla base della produzione di moltissime plastiche e materiali sintetici». È un componente fondamentale infatti di plastiche che trovano molteplici impieghi in diversi settori, dall’imballaggio, all’abbigliamento, alla componentistica per attrezzature mediche. «La produzione annua di etilene supera i 150 milioni di tonnellate e si basa attualmente sulla trasformazione catalitica di idrocarburi fossili, contribuendo così all’aumento delle emissioni di gas a effetto serra» osserva Fornasiero.

Le criticità attuali

Attualmente, l’etilene viene prodotto principalmente attraverso la trasformazione di idrocarburi, come etano, propano, nafta e gasolio. «Un processo industriale dipendente quindi da fonti fossili che non sono localizzate in maniera omogenea sulla Terra, che richiede energia e alte temperature e ha un grosso impatto ambientale, considerato l’inquinamento generato ogni volta che si trasformano idrocarburi fossili» spiega Fornasiero.

Il processo prevede infatti il riscaldamento fino a 750-950 °C degli idrocarburi con vapore acqueo. Il vapore, oltre a contribuire a ridurre la formazione indesiderata di depositi sulla superficie dei catalizzatori, è coinvolto nella reazione di scissione degli idrocarburi più grandi in idrocarburi più piccoli, incluso l’etilene. 

Questo metodo ha un impatto ambientale oneroso. Non solo è energivoro, ma contribuisce in modo significativo alle emissioni di gas serra, aggravando il cambiamento climatico. Inoltre, il costo di produzione è fortemente dipendente dal tipo di idrocarburo utilizzato e dalla sua disponibilità. In altre parole, il prezzo dell’etilene è esposto alle oscillazioni del mercato energetico e alle dinamiche geopolitiche.

Questa ricerca punta a superare questa dipendenza, sviluppando una produzione più sostenibile di etilene a partire da CO2 e idrogeno, e contribuendo così a facilitare la transizione verso un’industria chimica più sostenibile.

«Noi vogliamo partire dall’anidride carbonica, il gas serra per eccellenza, l’inquinante che tutti abbiamo imparato a conoscere, combinandolo con l’idrogeno verde, prodotto per elettrolisi dell’acqua e che in un futuro molto prossimo sarà disponibile, o con l’idrogeno bianco che si sta scoprendo nei giacimenti sotterranei. Parliamo quindi di risorse rinnovabili».

L’impatto di questa ricerca

I ricercatori hanno scoperto un nuovo meccanismo di attivazione fotocatalitica dell’idrogeno che permette di sviluppare un nuovo processo per la conversione selettiva di biossido di carbonio (CO2) in etilene, utilizzando CO2 e idrogeno, senza dover usare petrolio o altri idrocarburi. Il tutto attivato dall’energia della luce.

La chiave di questa svolta è un nuovo meccanismo di “attivazione fotocatalitica dell’idrogeno”. In pratica, «il processo chimico prevede rottura e formazione di nuovi legami. Per rompere dei legami bisogna fornire energia e tipicamente lo si fa attraverso il riscaldamento. Noi – spiega il professore dell’Università di Trieste – abbiamo scoperto come rendere l’idrogeno molto più reattivo usando la radiazione luminosa, grazie a speciali fotocatalizzatori (materiali a base di oro su biossido di titanio) che riescono a rompere i legami e a formare poi, attraverso una ricombinazione di atomi, nuove molecole».

Un po’ come se la luce desse una “spinta” all’idrogeno per fargli “catturare” la CO2 e trasformarla in etilene. «Il “segreto” è usare la luce di lunghezza d’onda giusta e il catalizzatore giusto per ottenere un processo selettivo, cioè per produrre solo etilene e non una miscela di molecole che richiederebbe inevitabilmente ulteriore energia, tempo e conoscenze per separare l’etilene dal resto» chiarisce Fornasiero.

Questa nuova metodologia apre quindi la strada per una produzione più efficiente e sostenibile di etilene, senza la necessità di ricorrere a petrolio e gas naturale. E utilizzando CO2 come materia prima, contribuisce ai processi di decarbonizzazione, trasformando un inquinante a effetto serra in un prodotto di alto valore aggiunto. Inoltre, la possibilità di produrre etilene con idrogeno verde (prodotto cioè per elettrolisi con corrente da fonti rinnovabili) svincola il costo dal prezzo delle materie prime fossili e dell’energia.

Questa scoperta segna quindi un passo avanti verso un’industria più resiliente, allineandosi con i principi ESG (Environmental, Social, Governance) che devono guidare le scelte sostenibili di aziende e governi.

I ricercatori hanno già realizzato un primo prototipo e sono riusciti ad applicare i risultati in condizioni vicine a quelle di interesse industriale. «È un piccolo prototipo, un dimostratore che può essere duplicato per aumentare la produttività. Ma dovranno essere coinvolti ingegneri ed esperti di progettazione di reattori per avvicinarci a una scala industrialmente rilevante» conclude Fornasiero.