L’economia del metanolo è un’economia futura suggerita in cui metanolo e dimetil etere sostituiscono i combustibili fossili come mezzo di stoccaggio dell’energia, combustibile per il trasporto di terra e materia prima per gli idrocarburi sintetici e i loro prodotti. Offre un’alternativa all’economia dell’idrogeno proposta o all’economia dell’etanolo.

Negli anni ’90, il premio Nobel George A. Olah sosteneva un’economia del metanolo; nel 2006, lui e due co-autori, G. K. Surya Prakash e Alain Goeppert, hanno pubblicato una sintesi dello stato del combustibile fossile e delle fonti di energia alternativa, inclusa la loro disponibilità e limiti, prima di suggerire un’economia del metanolo.

Il metanolo può essere prodotto da un’ampia varietà di fonti, tra cui i combustibili fossili ancora abbondanti (gas naturale, carbone, scisti bituminosi, sabbie bituminose, ecc.), Nonché prodotti agricoli e rifiuti urbani, legno e varie biomasse. Può anche essere fatto dal riciclo chimico dell’anidride carbonica.

introduzione
Nel 2005, il premio Nobel George A. Olah ha chiesto la creazione di un’economia in metanolo nel saggio Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy e nel 2006 insieme ad altri due coautori ha pubblicato un libro su questo argomento In questi libri, gli autori riassumono lo stato delle fonti di combustibili fossili e di altre fonti energetiche alternative, la loro disponibilità e limitazioni prima di suggerire la sperimentazione della cosiddetta economia del metanolo.

Il metanolo è un combustibile che può essere utilizzato sia per i motori termici che per le celle a combustibile. Grazie al suo buon numero di ottano può essere utilizzato direttamente come carburante nelle auto (incluse auto ibride e modelli plug-in) utilizzando vari tipi di motori a combustione interna già in uso. Il metanolo può anche essere utilizzato nella cella a combustibile, sia direttamente, in cellule DMFC, sia indirettamente, dopo la sua trasformazione in idrogeno mediante reforming.

In condizioni normali, il metanolo è un liquido che consente di conservarlo, trasportarlo e distribuirlo facilmente, in modo analogo a quanto fatto con benzina e diesel. Chimicamente, può anche essere rapidamente trasformato dalla disidratazione in dimetil etere, un sostituto del diesel che ha un numero di cetano di 55.

Negli anni 2000, il metanolo è usato su larga scala (circa 37 milioni di tonnellate all’anno) come un mattone chimico elementare per produrre numerosi prodotti chimici complessi e materiali polimerici. Inoltre, può essere facilmente convertito dal processo “metanolo in olefina” (MTO) in etilene e propilene, idrocarburi insaturi che possono essere utilizzati per produrre idrocarburi sintetici di peso molecolare più elevato e altri derivati ​​di questi, che sono normalmente ottenuti dal petrolio e gas naturale.

Fonti di metanolo
Il metanolo può essere efficacemente prodotto da un’ampia varietà di fonti, compresi alcuni tipi molto abbondanti di combustibili fossili (gas naturale, carbone, scisti bituminosi, sabbia bituminosa, ecc.), Ma anche da rifiuti agricoli e rifiuti urbani differenziati, dal legno e da vari tipi di biomassa.

Riciclaggio del biossido di carbonio
Un’ipotesi molto più radicale è quella di ottenere metanolo dal riciclo chimico dell’anidride carbonica. Inizialmente la fonte principale potrebbe essere le emissioni ricche di CO 2 da centrali elettriche che bruciano combustibili fossili o scarichi da cementifici e altre fabbriche. In un tempo più lungo, considerando la diminuzione delle risorse di combustibili fossili e l’effetto del loro uso sull’atmosfera terrestre, anche la bassa concentrazione di CO 2natural potrebbe essere catturata e riciclata per ottenere metanolo: in questo modo sarebbe un supplemento a lo stesso ciclo naturale della fotosintesi. Vengono sviluppate nuove sostanze assorbenti più efficienti, in grado di catturare la CO 2 atmosferica, che in alcuni casi imita l’azione delle piante viventi. Il riciclaggio chimico della CO 2 per ottenere nuovi combustibili e materiali potrebbe quindi diventare possibile e sostenibile, rendendo questi “combustibili fossili non fossili” rinnovabili su una scala temporale paragonabile alla durata della vita umana. In Islanda, nel 2011/2012, con questo sistema è già iniziata una produzione di due milioni di litri di metanolo all’anno.

usi

Carburante
Il metanolo è un combustibile per motori a calore e celle a combustibile. Grazie al suo elevato numero di ottano, può essere utilizzato direttamente come carburante nelle automobili flex-fuel (compresi i veicoli ibridi e plug-in ibridi) utilizzando i motori a combustione interna esistenti (ICE). Il metanolo può anche essere bruciato in alcuni altri tipi di motore o per fornire calore come vengono utilizzati altri combustibili liquidi. Le celle a combustibile possono utilizzare il metanolo direttamente nelle celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) o indirettamente (dopo la conversione in idrogeno mediante reforming).
Nei motori a combustione interna (ICE)
Il metanolo ha un numero di ottano elevato (RON di 107 e MON di 92), che lo rende un sostituto adeguato per la benzina. Ha una maggiore velocità della fiamma rispetto alla benzina, il che comporta una maggiore efficienza e un maggiore calore di vaporizzazione latente (3,7 volte superiore rispetto alla benzina), il che implica che il calore generato dal motore può essere rimosso in modo più efficace, rendendo possibile l’uso dell’aria motori raffreddati Inoltre, le ustioni di metanolo producono meno inquinamento della benzina ed è più sicuro in caso di incendio. Tuttavia, il metanolo ha solo la metà del contenuto di energia per volume rispetto alla benzina (8.600 BTU / libbra).

Nei motori ad accensione per compressione (motore diesel)
Il metanolo è di per sé un cattivo sostituto dei carburanti diesel. Ma, a causa della disidratazione chimica, il metanolo può essere trasformato in dimetil etere (DME), che è invece un buon gasolio con un numero di cetano di 55-60, migliore del numero di cetano 45-55 del normale diesel. Rispetto ai carburanti diesel, il DME ha emissioni molto più basse di particolato, NO x e CO e non emette alcun tipo di anidride solforosa o biossido di zolfo (SO x). Il metanolo è anche usato per produrre biodiesel, attraverso la transesterificazione degli oli vegetali.

Nei motori avanzati o nelle celle a combustibile alimentate a metanolo
L’uso di metanolo ed etere-dimetile può essere combinato con le tecnologie dei motori ibridi e delle auto elettriche, in modo da ottenere un chilometraggio maggiore (chilometri per litro) e minori emissioni. Questi combustibili possono essere utilizzati sia in celle a combustibile che in catalizzatori che funzionano riformando ottenendo idrogeno per alimentare la cella a combustibile o direttamente “bruciando” metanolo in celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC).

Per la produzione di energia elettrica
Metanolo e DME possono essere utilizzati nelle turbine a gas per generare elettricità. I modelli attualmente molto costosi di celle a combustibile (PAFC, MCFC, SOFC) possono essere utilizzati per la produzione di energia elettrica, specialmente in ambienti in cui è richiesta una bassa rumorosità, oltre alla bassa generazione di calore, come gli ospedali; o un peso molto basso della pianta, come nei veicoli di trasporto aereo o spaziale.

Come combustibile domestico
Metanolo e DME possono essere utilizzati negli edifici commerciali e nelle case per generare calore e / o elettricità. Il DME può essere utilizzato nelle cucine / cucine a gas commerciali, senza importanti modifiche. Nei paesi in via di sviluppo, il metanolo potrebbe essere usato come combustibile per la cucina, poiché brucia molto più pulito del legno (meno nanoparticelle e CO), e in questo modo riduce alcuni dei problemi legati all’inquinamento domestico .. Dovrebbe comunque essere miscelato con benzina, diesel o con coloranti adulteranti, per evitare ogni possibile frode, e l’uso letale come additivo alle bevande, un evento accaduto in Italia con la truffa del vino al metanolo.

Elemento base per chimica e materiali polimerici
Attualmente il metanolo è ampiamente utilizzato su larga scala come materiale di base per la produzione di una varietà di prodotti chimici e altri prodotti come i polimeri plastici. Con il processo noto come “metanolo a benzina” (MTG), il metanolo può essere trasformato in benzina. Utilizzando il processo “metanolo in olefina” (MTO), il metanolo può essere convertito in alcheni di etilene e propilene, le due sostanze chimiche prodotte in maggiore quantità dall’industria petrolchimica. Questi sono elementi costitutivi importanti per la produzione di polimeri essenziali (LDPE, HDPE, PP) e altri intermedi chimici attualmente prodotti da derivati ​​del petrolio. La loro produzione a partire dal metanolo potrebbe quindi ridurre la dipendenza dal petrolio. Consentirà inoltre di continuare a produrre questi prodotti chimici e plastiche di base, anche dopo la fine dei depositi di combustibili fossili.

materia prima
Il metanolo è già utilizzato oggi su larga scala per produrre una varietà di prodotti chimici e di prodotti. La domanda mondiale di metanolo come materia prima chimica ha raggiunto circa 42 milioni di tonnellate all’anno a partire dal 2015. Tramite il processo metanolo-a-benzina (MTG), può essere trasformato in benzina. Utilizzando il processo metanolo-olefina (MTO), il metanolo può anche essere convertito in etilene e propilene, le due sostanze chimiche prodotte in grandi quantità dall’industria petrolchimica. Questi sono elementi costitutivi importanti per la produzione di polimeri essenziali (LDPE, HDPE, PP) e come altri intermedi chimici sono attualmente prodotti principalmente da materie prime petrolifere. La loro produzione da metanolo potrebbe quindi ridurre la nostra dipendenza dal petrolio. Permetterebbe anche di continuare a produrre queste sostanze chimiche quando le riserve di combustibili fossili sono esaurite.

Produzione
Oggi la maggior parte del metanolo è prodotta da metano attraverso syngas. Trinidad e Tobago è attualmente il più grande esportatore di metanolo del mondo, con esportazioni principalmente negli Stati Uniti. Il gas naturale che funge da materia prima per la produzione di metanolo proviene dalle stesse fonti di altri usi. Le risorse di gas non convenzionali come il metano di carbone, il gas di sabbia stretto e infine le ingenti risorse di idrato di metano presenti nelle piattaforme continentali dei mari e della tundra siberiana e canadese potrebbero essere utilizzate anche per fornire il gas necessario.

La via convenzionale al metanolo dal metano passa attraverso la generazione di syngas mediante steam reforming combinato (o meno) con ossidazione parziale. Si stanno anche sviluppando nuovi e più efficienti metodi per convertire il metano in metanolo. Questi includono:

Ossidazione del metano con catalizzatori omogenei in mezzi di acido solforico
Bromurazione di metano seguita da idrolisi del bromometano ottenuto
Ossidazione diretta di metano con ossigeno
Conversione microbica o fotochimica di metano
Ossidazione parziale del metano con intrappolamento del prodotto parzialmente ossidato e successiva estrazione su zeolite scambiata con rame e ferro (ad esempio alfa-ossigeno)

Tutte queste vie sintetiche emettono CO2 ad anidride carbonica a effetto serra. Per mitigarlo, il metanolo può essere realizzato attraverso modi che riducono al minimo l’emissione di CO2. Una soluzione è quella di produrlo da syngas ottenuto dalla gassificazione della biomassa. A tale scopo è possibile utilizzare qualsiasi biomassa, compresi il legno, i rifiuti di legno, l’erba, le colture agricole e i loro sottoprodotti, i rifiuti di origine animale, le piante acquatiche e i rifiuti urbani. Non è necessario utilizzare colture alimentari come nel caso dell’etanolo da mais, canna da zucchero e grano.

Biomassa → Syngas (CO, CO _{2 , H 2 ) → CH 3 OH}

Il metanolo può essere sintetizzato da carbonio e idrogeno da qualsiasi fonte, compresi i combustibili fossili ancora disponibili e la biomassa. La CO2 emessa da centrali elettriche a combustione di combustibili fossili e altre industrie e alla fine anche la CO2 contenuta nell’aria, può essere una fonte di carbonio. Può anche essere ottenuto dal riciclaggio chimico del biossido di carbonio, che Carbon Recycling International ha dimostrato con il suo primo impianto commerciale. Inizialmente la fonte principale saranno i gas di scarico ricchi di CO2 delle centrali elettriche a combustione di combustibili fossili o di scarico di cemento e altre fabbriche. Nel raggio più lungo tuttavia, considerando la diminuzione delle risorse di combustibili fossili e l’effetto del loro utilizzo sull’atmosfera terrestre, anche la bassa concentrazione di CO2 atmosferica stessa potrebbe essere catturata e riciclata tramite metanolo, integrando così il ciclo fotosintetico della natura. Si stanno sviluppando nuovi assorbenti efficienti per catturare la CO2 atmosferica, imitando l’abilità delle piante. Il riciclaggio chimico di CO2 a nuovi combustibili e materiali potrebbe quindi diventare fattibile, rendendoli rinnovabili nei tempi umani.

Il metanolo può anche essere prodotto dalla CO2 mediante idrogenazione catalitica di CO2 con H2 dove l’idrogeno è stato ottenuto dall’elettrolisi dell’acqua. Questo è il processo utilizzato da Carbon Recycling International of Iceland. Il metanolo può anche essere prodotto attraverso la riduzione elettrochimica di CO2, se l’energia elettrica è disponibile. L’energia necessaria per queste reazioni per essere neutrale dal punto di vista del carbonio verrebbe da fonti di energia rinnovabile come l’energia eolica, idroelettrica, solare e nucleare. In effetti, tutti consentono di immagazzinare energia libera in metanolo facilmente trasportabile, che viene prodotto immediatamente dall’idrogeno e dal biossido di carbonio, piuttosto che tentare di immagazzinare energia in idrogeno libero.

CO _{2 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O
o con energia elettrica}

CO _{2 + 5H 2 O + 6 e ^{-1 → CH 3 OH + 6 HO – 1
6 HO -1 → 3H 2 O + 3/2 O 2 + 6 e -1
Totale:
CO 2 + 2H 2 O + energia elettrica → CH 3 OH + 3/2 O 2
La CO2 necessaria verrebbe catturata dalle centrali elettriche a combustione di combustibili fossili e da altri gas di scarico industriali, comprese le fabbriche di cemento. Con la diminuzione delle risorse di combustibili fossili e quindi delle emissioni di CO2, è possibile utilizzare anche il contenuto di CO2 nell’aria. Considerando la bassa concentrazione di CO2 nell’aria (0,04%), dovranno essere sviluppate tecnologie migliorate ed economicamente valide per assorbire CO2. Per questo motivo, l’estrazione di CO2 dall’acqua potrebbe essere più fattibile a causa delle sue maggiori concentrazioni in forma disciolta. Ciò consentirebbe il riciclo chimico della CO2, imitando così la fotosintesi della natura.}}

vantaggi
Nel processo della fotosintesi, le piante verdi usano l’energia della luce solare per dividere l’acqua in ossigeno libero (che viene rilasciato) e idrogeno libero. Anziché tentare di immagazzinare l’idrogeno, le piante catturano immediatamente l’anidride carbonica dall’aria per consentire all’idrogeno di ridurlo a combustibili immagazzinabili come gli idrocarburi (oli vegetali e terpeni) e i polialcoli (glicerolo, zuccheri e amidi). Nell’economia del metanolo, qualsiasi processo che produca allo stesso modo idrogeno libero, propone di utilizzarlo immediatamente “in modo accidentale” per ridurre l’anidride carbonica in metanolo, che, come i prodotti vegetali dalla fotosintesi, ha grandi vantaggi nello stoccaggio e nel trasporto dell’idrogeno stesso.

Il metanolo è un liquido in condizioni normali, che consente di conservarlo, trasportarlo ed erogarlo facilmente, proprio come la benzina e il gasolio. Può anche essere facilmente trasformato dalla disidratazione in dimetil etere, un sostituto del carburante diesel con un numero di cetano di 55.

Confronto con l’idrogeno
Vantaggi del metanolo rispetto ad un’economia dell’idrogeno:

Efficiente accumulo di energia in volume, rispetto all’idrogeno compresso. Quando si tiene conto della nave di confinamento sotto pressione dell’idrogeno, si può anche realizzare un vantaggio in termini di accumulo di energia in base al peso. La densità volumetrica di energia del metanolo è notevolmente superiore all’idrogeno liquido, in parte a causa della bassa densità di idrogeno liquido di 71 grammi / litro. Quindi c’è in realtà più idrogeno in un litro di metanolo (99 grammi / litro) che in un litro di idrogeno liquido, e il metanolo non ha bisogno di contenitori criogenici mantenuti a una temperatura di -253 ° C.
Un’infrastruttura di idrogeno liquido sarebbe proibitivamente costosa. Il metanolo può utilizzare l’infrastruttura di benzina esistente con solo modifiche limitate.
Può essere miscelato con benzina (ad esempio in M85, una miscela contenente 85% di metanolo e 15% di benzina).
Di facile utilizzo. L’idrogeno è volatile e i suoi confini utilizzano sistemi ad alta pressione o criogenici.
Meno perdite: l’idrogeno perde più facilmente del metanolo. Il calore farà evaporare l’idrogeno liquido, con perdite attese fino allo 0,3% al giorno in serbatoi di stoccaggio. (vedi Cartucce di stoccaggio Ferox Chart ossigeno liquido).

Confronto con etanolo
Può essere fatto da qualsiasi materiale organico utilizzando la tecnologia collaudata che passa attraverso syngas. Non è necessario utilizzare colture alimentari e competere con la produzione alimentare. La quantità di metanolo che può essere generata dalla biomassa è molto maggiore di quella dell’etanolo.
Può competere e integrare l’etanolo in un mercato energetico diversificato. Il metanolo ottenuto dai combustibili fossili ha un prezzo inferiore rispetto all’etanolo.
Può essere miscelato a benzina come l’etanolo. Nel 2007, la Cina ha miscelato più di 1 miliardo di galloni americani (3.800.000 m3) di metanolo in carburante e introdurrà lo standard per il metanolo a metà del 2008. M85, una miscela di 85% di metanolo e 15% di benzina può essere utilizzata come l’E85 venduta oggi in alcune stazioni di servizio.

svantaggi
Elevati costi energetici attualmente associati alla produzione e al trasporto di idrogeno fuori sede.
A seconda della materia prima, la generazione in sé può non essere pulita.
Attualmente generato da gas naturale ancora dipendente dai combustibili fossili (anche se può essere utilizzato qualsiasi idrocarburo combustibile).
Densità energetica (in peso o volume) metà di quella della benzina e del 24% in meno rispetto all’etanolo

maneggio
Se non vengono utilizzati inibitori, il metanolo è corrosivo per alcuni metalli comuni tra cui alluminio, zinco e manganese. Parti dei sistemi di aspirazione del carburante del motore sono in alluminio. Analogamente all’etanolo, è necessario utilizzare materiale compatibile per serbatoi di carburante, guarnizione e aspirazione del motore.
Come con l’etanolo altrettanto corrosivo e idrofilo, le condutture esistenti progettate per i prodotti petroliferi non possono gestire il metanolo. Pertanto, il metanolo richiede la spedizione a costi energetici più elevati in camion e treni, fino a quando non sarà possibile costruire nuove infrastrutture di condotte, o le tubazioni esistenti verranno sostituite per il trasporto di metanolo.
Il metanolo, come alcol, aumenta la permeabilità di alcune materie plastiche per alimentare i vapori (ad esempio polietilene ad alta densità). Questa proprietà del metanolo ha la possibilità di aumentare le emissioni di composti organici volatili (VOC) dal carburante, che contribuisce all’aumento dell’ozono troposferico e probabilmente dell’esposizione umana.

Bassa volatilità nei climi freddi: i motori puri a metanolo possono essere difficili da avviare e funzionano in modo inefficiente fino al riscaldamento. Questo è il motivo per cui una miscela contenente l’85% di metanolo e il 15% di benzina denominata M85 viene generalmente utilizzata negli ICE. La benzina consente al motore di avviarsi anche a temperature più basse.
Ad eccezione dell’esposizione a basso livello, il metanolo è tossico. Il metanolo è letale se ingerito in quantità maggiori (da 30 a 100 ml). Ma lo sono anche la maggior parte dei carburanti, tra cui la benzina (da 120 a 300 ml) e il gasolio. La benzina contiene anche piccole quantità di molti composti noti per essere cancerogeni (ad esempio benzene). Il metanolo non è cancerogeno e non contiene sostanze cancerogene. Tuttavia, il metanolo può essere metabolizzato nel corpo alla formaldeide, che è sia tossica che cancerogena. Il metanolo si trova naturalmente in piccole quantità nel corpo umano e nei frutti commestibili.
Il metanolo è un liquido: questo crea un rischio di incendio maggiore rispetto all’idrogeno negli spazi aperti, in quanto le perdite di metanolo non si dissipano. Il metanolo brucia in modo invisibile a differenza della benzina. Rispetto alla benzina, tuttavia, il metanolo è molto più sicuro. È più difficile accendere e rilascia meno calore quando brucia. Gli incendi di metanolo possono essere estinti con acqua naturale, mentre la benzina galleggia sull’acqua e continua a bruciare. L’EPA ha stimato che il passaggio dei carburanti dalla benzina al metanolo ridurrebbe l’incidenza degli incendi legati ai combustibili del 90%.
Il metanolo è solubile in acqua: rilasciato accidentalmente, può subire un trasporto delle acque sotterranee relativamente rapido, causando inquinamento delle acque sotterranee, sebbene questo rischio non sia stato studiato a fondo. Tuttavia, un rilascio accidentale di metanolo nell’ambiente causerebbe molto meno danni di una benzina comparabile o fuoriuscita di petrolio greggio. A differenza di questi combustibili, il metanolo è biodegradabile e totalmente solubile in acqua e viene rapidamente diluito a una concentrazione sufficientemente bassa da consentire al microrganismo di iniziare la biodegradazione. Questo effetto è già sfruttato negli impianti di trattamento delle acque, dove il metanolo è già utilizzato per la denitrificazione e come nutriente per i batteri.

Applicazione
Il metanolo e i suoi derivati, come il dimetil etere, possono quindi essere utilizzati per generare elettricità sia nei classici motori a combustione interna sia come combustibile nelle celle a combustibile a metanolo.

Lo stoccaggio, il trasporto e la distribuzione del metanolo, liquido a temperatura ambiente, possono utilizzare l’infrastruttura e la tecnologia esistenti. Le ampie distanze tra consumatori e produttori di energia rigenerativa possono quindi essere superate in modo efficiente. La densità di accumulo di energia è circa il 50% della densità di stoccaggio per benzina e diesel.

Europa
In Islanda, Carbon Recycling International gestisce un impianto di produzione di metanolo. La pianta prese il nome da Olah.

In Germania c’è un progetto dell’iniziativa Carbon2Chem di ThyssenKrupp e del ministero federale dell’Istruzione e della ricerca per la produzione di metanolo da fonderie.

Cina
Secondo uno studio della società di consulenza Methanol Market Services Asia (MMSA), si stima che la capacità mondiale aumenterà di 55,8 milioni di tonnellate nel 2027, di cui 38 milioni di tonnellate saranno utilizzate come combustibile.

La produzione di metanolo in Cina è basata principalmente sul carbone e deve essere utilizzata sia come combustibile contenente metanolo alto come M85 e M100 che come derivato come il dimetiletere. Nel 2007, il prezzo del metanolo spot in Cina era di circa il 40% del prezzo della benzina. Le commissioni statali in Cina stanno lavorando sugli standard nazionali per il metanolo, le case automobilistiche cinesi stanno lavorando su motori a metanolo migliorati.

Si prevede che la capacità cinese di produzione di dimetil etere da metanolo aumenti da poco meno di un milione di tonnellate nel 2007 a oltre sei milioni di tonnellate. La sola compagnia Sinopec vuole espandere la sua capacità DME a tre milioni di tonnellate.