Il nuovo rapporto di IDTechEx, "Metal-Organic Frameworks (MOF) 2024-2034: Mercato, Tecnologia e Attori", valuta il ruolo dei MOF nell'accelerare la decarbonizzazione industriale e le sfide associate alla loro adozione in ambito industriale.

5 tecnologie chiave basate sui MOF che possono contribuire alla decarbonizzazione industriale. Fonte: IDTechEx

1. Assorbenti MOF per soluzioni di cattura del carbonio da fonti puntuali, destinate a settori industriali difficili da ridurre

L'impiego di tecnologie di cattura del carbonio è fondamentale per affrontare le emissioni provenienti da settori industriali difficili da decarbonizzare (ad esempio, cemento, acciaio, ecc.), supportare la produzione di idrogeno a basse emissioni di carbonio e rimuovere la CO2 dall'atmosfera. I MOF possono fungere da filtri altamente selettivi, capaci di adsorbire la CO2 in presenza di altri gas, come N2 e vapore acqueo, con cinetiche rapide. Il vantaggio principale è che i filtri saturi possono essere rigenerati in pochi minuti utilizzando calore industriale a bassa temperatura o processi a variazione di pressione consolidati, offrendo percorsi di rigenerazione a basso consumo energetico rispetto ai metodi attuali. Sebbene queste tecnologie operino su una scala sostanzialmente inferiore rispetto allo scrubbing con ammine, esiste il potenziale per una rapida espansione di queste tecnologie modulari nel medio termine.

2. I MOF possono ridurre l'impronta di carbonio associata alla produzione chimica

I processi di separazione e purificazione chimica sono tra i maggiori responsabili del consumo energetico nell'industria chimica. Esiste un'importante opportunità di sviluppare tecnologie di separazione alternative che utilizzino materiali innovativi (ad esempio, MOF) per sostituire o integrare i sistemi esistenti e ridurre così il consumo energetico. Ad esempio, il propilene, una materia prima chimica fondamentale, può essere separato dal propano per produrre propilene di grado polimerico utilizzando una tecnologia a membrana basata su MOF. La startup svizzera UniSieve ha dichiarato a IDTechEx che la sua tecnologia a membrana a setaccio molecolare può ridurre il consumo energetico associato alla separazione propilene/propano fino al 90% rispetto ai processi di distillazione convenzionali.

3. Tecnologie di estrazione diretta del litio basate su MOF per affrontare le previste sfide di domanda e offerta

Le tecnologie per l'energia pulita, come le batterie per veicoli elettrici, richiedono grandi quantità di minerali essenziali. Attualmente, il 60% della domanda totale di litio proviene dalle energie pulite e si prevede che questa percentuale si avvicinerà al 90% entro il 2030, secondo lo scenario a emissioni nette zero (NZE) dell'AIE. Si prevede che la domanda di litio supererà le 700.000 tonnellate entro il 2030 nello scenario NZE dell'AIE, mentre l'offerta prevista coprirà solo circa il 70% della domanda. Inoltre, il rapporto IDTechEx "Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033" prevede una carenza di offerta a partire dal 2026 (o anche prima). Pertanto, una rapida espansione e diversificazione di catene di approvvigionamento di minerali solide e sostenibili sono essenziali per una crescita continua.

La capacità di adattare i MOF per separare selettivamente le sostanze chimiche può essere sfruttata per le tecnologie di estrazione diretta del litio (DLE), un'alternativa ai metodi convenzionali di isolamento del litio. L'azienda statunitense EnergyX ha sviluppato una propria tecnologia modulare per il trasporto e la separazione degli ioni di litio (LiTAS™), che utilizza membrane a base di MOF. Attualmente sta conducendo dimostrazioni pilota della sua tecnologia in Nord e Sud America. L'azienda ha anche ricevuto un investimento da General Motors (GM) per sviluppare la sua tecnologia DLE e di raffinazione e per supportarne la commercializzazione. L'accordo consente inoltre a GM di accedere a fonti di litio competitive per l'uso esclusivo nella produzione di veicoli elettrici e supporta progetti di produzione di litio in Nord e Sud America, con l'obiettivo di diversificare le opportunità della catena di approvvigionamento.

4. I MOF possono ampliare la gamma di refrigeranti recuperabili

Un altro ambito di interesse è il recupero dei refrigeranti. I refrigeranti fluorocarburici hanno un potenziale di riscaldamento globale (GWP) da diverse centinaia a diverse migliaia di volte superiore a quello della CO2 (GWP della CO2=1). In seguito all'emendamento di Kigali al Protocollo di Montreal, la produzione di refrigeranti idrofluorocarburici dovrà essere significativamente ridotta entro il 2036. Pertanto, Daikin, produttore di refrigeranti e apparecchiature per il riscaldamento, la ventilazione e il condizionamento dell'aria, sta promuovendo attivamente il recupero dei refrigeranti. Le tecnologie di separazione basate su MOF attualmente in fase di sviluppo consentono la separazione di refrigeranti fluorocarburici con piccole differenze di punto di ebollizione, cosa generalmente impossibile con i metodi di separazione convenzionali come la distillazione.

5. Sistemi HVAC basati su MOF per affrontare l'elevato consumo energetico associato al raffreddamento degli ambienti

Secondo l'aggiornamento 2023 della Net Zero Roadmap dell'IEA, il consumo energetico associato al raffreddamento degli ambienti raddoppierà entro il 2050, spinto dalla crescente domanda di aria condizionata nei mercati emergenti e nelle economie in via di sviluppo. Per gestire la pressione sulla produzione di energia elettrica e sulle infrastrutture, sono necessari sistemi di condizionamento dell'aria più efficienti dal punto di vista energetico. Ad esempio, Montana Technologies sta commercializzando AirJoule®, che utilizza contattori in alluminio rivestiti con MOF per l'integrazione nei sistemi HVAC e di raccolta dell'acqua atmosferica, eliminando la necessità di refrigeranti. L'azienda afferma che la sua tecnologia può ridurre il consumo di elettricità di circa il 75%. Nel marzo 2024, Montana Technologies ha annunciato di aver ottenuto tutti i finanziamenti necessari per commercializzare la sua tecnologia con partner tra cui BASF, GE Vernova, CATL e Carrier.

Prospettive di IDTechEx

I MOF possono dare il via a tecnologie dirompenti di nuova generazione, essenziali per la decarbonizzazione industriale. Tuttavia, la produzione economicamente vantaggiosa di MOF per applicazioni industriali e lo sviluppo di tecnologie robuste e scalabili che integrino questi materiali presentano diverse sfide. Sebbene i test iniziali e i dati pilota mostrino risultati promettenti, le tecnologie non sono ancora state dimostrate su scala industriale. Le partnership tra produttori di MOF e sviluppatori di tecnologie sono fondamentali per far progredire queste tecnologie e realizzare il potenziale di questi materiali, con investimenti strategici da parte di partner industriali che risultano cruciali per portare queste tecnologie sul mercato.

Il nuovo report di IDTechEx, "Metal-Organic Frameworks (MOF) 2024-2034: Mercato, Tecnologia e Attori", offre un'analisi indipendente di queste tendenze e prende in considerazione le applicazioni dei MOF per diverse altre tecnologie in fase iniziale, tra cui lo stoccaggio dell'idrogeno, l'accumulo di energia, i sensori e altro ancora. Basato su risultati di ricerca primaria, il report analizza i principali attori del settore e fornisce previsioni di mercato in termini di domanda annua di massa e valore di mercato segmentato per applicazione.

Autore: Dott. Shababa Selim, analista tecnologico presso IDTechEx