CO2 valorization with green H2: pathways toward synthetic H2 carriers and energy vectors

In recent years, the need to reduce carbon dioxide (CO₂) emissions has become increasingly important. This can be pursued using renewable resources, new energy systems with zero environmental impact and through the application of Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) technologies. The CO₂ captured by these systems can be exploited by using it as a hydrogen (H2) carrier or as a reactant in new production cycles. H2 carriers are substances capable of transporting hydrogen over long distances, overcoming the technical limitations of transporting gaseous hydrogen due to its low volumetric energy density. Among these carriers, ammonia, methanol, and LOHCs (liquid organic hydrogen carriers) stand out. This study investigated the possibility of using formic acid (FA) as an H2 carrier by comparing it with the other hydrogen carriers mentioned, whose economic feasibility has already been discussed in the literature through a technical analysis of each stage of the hydrogen value chain. The results obtained by studying formic acid as a hydrogen carrier indicate that the most expensive stage of the value chain is the initial synthesis process of this molecule. The CO₂ hydrogenation reaction, in fact, requires such a high energy expenditure that it makes formic acid uncompetitive with other carriers used for hydrogen transport. Aiming to the reduction of CO₂ emissions into the atmosphere and to the valorization of the CO₂ captured by CCUS systems, the second section of this work examines the production of sustainable aviation fuels (SAF). Green hydrogen reacts with captured CO₂ to form syngas, which can then undergo Fischer-Tropsch synthesis. Through appropriate separation and treatment of the resulting hydrocarbon mixture, it is possible to obtain a paraffinic fraction compatible with the jet fuel used in aviation. This work conducts a preliminary study of the reactions involved in the e-SAF production process, with an in-depth analysis of the kinetic aspects related to the stages that characterize its synthesis process. This investigation provides a solid basis for the implementation of these reactive steps in appropriate simulation software such as Aspen Plus ® , from which it will be possible to carry out an economic feasibility analysis of the proposed e-SAF production process.

Negli ultimi anni ha assunto sempre più importanza la necessità di ridurre le emissioni di anidride carbonica (CO2), sia tramite l’utilizzo di risorse rinnovabili e nuovi sistemi energetici con impatto ambientale nullo, sia tramite l’applicazione di tecnologie di Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS). La CO2 catturata da questi sistemi può essere valorizzata impiegandola come hydrogen (H2) carrier, oppure come reagente in nuovi cicli produttivi. Gli H2 carrier sono sostanze capaci di trasportare idrogeno per lunghe distanze, superando i limiti tecnici di trasporto dell’idrogeno gassoso legati alla sua bassa densità energetica volumetrica. Tra questi carrier, si contraddistinguono l’ammoniaca, il metanolo e gli LOHC (liquid organic hydrogen carriers). In questo lavoro è stata investigata la possibilità di usare l’acido formico come H2 carrier tramite un confronto con gli altri H2 carrier menzionati, la cui fattibilità economica è già discussa in letteratura per mezzo di un’analisi tecnica di ogni fase caratterizzante la value chain dell'idrogeno. I risultati ottenuti studiando l’acido formico come vettore di idrogeno indicano che la fase più costosa della value chain è il processo di sintesi iniziale di tale molecola. La reazione di idrogenazione della CO2, infatti, richiede un dispendio energetico talmente elevato da rendere l’acido formico non competitivo con gli altri vettori usati per il trasporto di idrogeno. Nell’ottica di ridurre le emissioni di CO2 nell’atmosfera e di valorizzare la CO2 catturata dai sistemi di CCUS, nella seconda sezione di questo lavoro è stata studiata la produzione di combustibili sostenibili per l’aviazione. L’idrogeno verde, reagendo con la CO2 catturata, forma del syngas, il quale può essere sottoposto a una sintesi Fischer Tropsch. Tramite opportune separazioni e trattamenti della miscela di idrocarburi risultante, è possibile ottenere una frazione paraffinica compatibile con il jet fuel utilizzato nell’ambito dell’aviazione. In questo lavoro viene condotto uno studio preliminare delle reazioni coinvolte nel processo di produzione dell'e-SAF, con un'analisi approfondita degli aspetti cinetici relativi alle fasi che caratterizzano il suo processo di sintesi. Tale investigazione è in grado di fornire una solida base per l’implementazione di tali step reattivi in opportuni software di simulazione quali Aspen Plus®, dai cui sarà possibile effettuare un’analisi di fattibilità economica del processo di produzione di e-SAF proposto.