Report McKinsey: le potenzialità del quantum computing per la riduzione delle emissioni di CO2

Un nuovo report a cura di McKinsey & Company dal titolo “Quantum Computing might just save the planet” analizza le potenzialità offerte dal quantum computing in termini di riduzioni delle emissioni di CO2.

Vediamo nello specigico alcuni punti chiave del report.

• Il raggiungimento del net zero non sarà possibile senza enormi progressi nella tecnologia climatica. Il quantum computing potrebbe essere rivoluzionario in questo senso, contribuendo allo sviluppo di tecnologie climatiche capaci di abbattere le emissioni aggiuntive di CO2 fino a 7 gigatoni annui entro il 2035 (o, complessivamente, fino a 150 gigatoni nei prossimi trent’anni), rispetto alla traiettoria attuale, e di portare il pianeta in linea con il target di 1.5°C.
• Il quantum computing potrebbe aiutare a ridurre le emissioni in alcuni dei settori più sfidanti o a maggiore intensità di emissioni, come l’agricoltura, e potrebbe accelerare lo sviluppo di tecnologie necessarie su larga scala, come i pannelli solari e le batterie.
• Il quantum computing potrebbe inoltre contribuire a risolvere problemi di sostenibilità persistenti come il miglioramento delle batterie elettriche per il settore automotive, la produzione di cemento a emissioni zero, lo sviluppo di una tecnologia solare rinnovabile più avanzata, l’identificazione di modalità più rapide per ridurre il costo dell’idrogeno rendendolo una valida alternativa ai combustibili fossili e, infine, l’impiego dell’ammoniaca green come combustibile e fertilizzante.

• Shift n.1 – Elettrificazione

• Batterie: il miglioramento della densità energetica delle batterie agli ioni di litio (Li-ion) consente applicazioni nei veicoli elettrici e nello storage di energia a costi accessibili. Negli ultimi dieci anni, tuttavia, l'innovazione si è fermata: la densità energetica delle batterie è migliorata del 50% tra il 2011 e il 2016, ma solo del 25% tra il 2016 e il 2020 e si prevede che migliorerà solo del 17% tra il 2020 e il 2025.

Il quantum computing potrebbe consentire passi avanti, avendo una migliore comprensione del processo di formazione del complesso elettrolitico, aiutando a trovare un materiale sostitutivo per il catodo/anodo con le stesse proprietà e/o eliminando il separatore della batteria.

Sarebbe quindi possibile creare batterie con una densità energetica superiore del 50% per l’uso nei veicoli elettrici pesanti, il che potrebbe anticipare notevolmente il loro utilizzo economico. I benefici in termini di emissioni di anidride carbonica per i veicoli elettrici per passeggeri non sarebbero enormi, poiché si prevede che raggiungeranno la parità di costo in molti Paesi prima che la prima generazione di computer quantistici sia online, ma i consumatori potrebbero comunque godere di un risparmio economico.

Le batterie ad alta intensità energetica possono servire anche come soluzione di stoccaggio grid-scale. L’impatto sulle reti mondiali sarebbe rivoluzionario. Dimezzare il costo di stoccaggio grid-scale potrebbe consentire un cambio di passo nell’utilizzo dell’energia solare, che sta diventando economicamente competitiva, ma è limitata da criticità legate al processo di generazione. Secondo le analisi di McKinsey, dimezzare il costo dei pannelli solari potrebbe aumentarne l’uso del 25% in Europa entro il 2050, ma dimezzare il costo sia dell’energia solare sia delle batterie potrebbe aumentarne l’utilizzo del 60%.

• Shift n. 2 – Adeguamento delle attività industriali

• Cemento - Durante la calcinazione per il processo di produzione del clinker, una polvere usata per fare il cemento, le materie prime utilizzate rilasciano CO2. Questo processo è responsabile di circa due terzi delle emissioni di cemento. Materiali leganti alternativi (o "clinker") per il cemento possono eliminare queste emissioni, ma attualmente non esiste un clinker alternativo maturo in grado di ridurre significativamente le emissioni a un costo accessibile. Il quantum computing può consentire di simulare combinazioni teoriche di materiali per trovarne una che superi le sfide attuali (durabilità, disponibilità di materie prime ed efflorescenza), con un impatto aggiuntivo stimato di 1 gigatone all’anno entro il 2035.

• Shift n.3 – Decarbonizzazione dell’energia e dei combustibili

• Pannelli solari – Saranno una delle principali fonti di generazione elettrica in un’economia a emissioni zero. Ma sebbene siano sempre più economici, sono ancora lontani dalla massima efficienza teorica.

Oggi i pannelli solari si basano sul silicio cristallino e hanno un’efficienza di circa il 20%. I pannelli basati su strutture cristalline di perovskite, con un’efficienza teorica fino al 40%, potrebbero essere un’alternativa migliore. Presentano però delle sfide, perché mancano di stabilità di lungo periodo e, in alcune varianti, potrebbero essere più tossici. Questa tecnologia, inoltre, non ha ancora raggiunto livelli di produzione di massa.

Il quantum computing potrebbe consentire una simulazione precisa delle strutture di perovskite in tutte le combinazioni, utilizzando atomi di base e drogaggi differenti, identificando così un’efficienza più elevata, una maggiore durabilità e soluzioni non tossiche. Se si riuscisse ad avere un aumento dell’efficienza teorica, il Levelized Cost of Electriciy (LCOE – costo livellato dell’energia) diminuirebbe del 50%.

Questa tecnologia potrebbe abbattere 0,4 gigatoni di CO2 ulteriori entro il 2035.

• Idrogeno – Prima delle impennate dei prezzi del gas del 2022, l’idrogeno verde era circa il 60% più costoso del gas naturale. Il miglioramento dell’elettrolisi potrebbe però ridurne il costo in modo significativo.

Gli elettrolizzatori a membrana elettrolitica polimerica (PEM) scindono l'acqua e sono un modo per produrre idrogeno verde. Negli ultimi tempi sono migliorati, ma devono ancora affrontare due sfide importanti, legate all’efficienza e all’interazione ancora non ottimale tra membrane e catalizzatori. Il quantum computing può aiutare a calcolare lo stato energetico dell’elettrolisi a impulsi e ottimizzare così l’uso del catalizzatore, ottimizzandone l’efficienza. Potrebbe inoltre analizzare la composizione di catalizzatori e membrane per garantire interazioni più efficienti. Infine, potrebbe aumentare l’efficienza dell’elettrolisi fino al 100% e ridurre il costo dell’idrogeno del 35%. Se combinato con pannelli solari più economici, il costo dell’idrogeno potrebbe ridursi del 60%.

Un maggiore utilizzo dell’idrogeno come conseguenza di questi miglioramenti potrebbe ridurre le emissioni di CO2 di 1,1 gigatoni ulteriori entro il 2035.

• Ammoniaca – Attualmente viene prodotta attraverso il processo di Haber-Bosch, ad alta intensità energetica, utilizzando il gas naturale. Esistono però altri approcci possibili, come la bioelettrocatalisi della nitrogenasi, realizzabile a temperatura ambiente e a 1 bar di pressione – rispetto ai 500°C ad alta pressione del processo di Haber-Bosch, che consuma grandi quantità di energia, sotto forma di gas naturale.

Grazie alle innovazioni attuali, potrebbe essere possibile replicare artificialmente la fissazione dell’azoto, ma solo superando sfide come la stabilità degli enzimi, la stabilità dell’ossigeno e i bassi tassi di produzione di ammoniaca da parte della nitrogenasi. Il quantum computing può consentire di simulare il processo di aumento della stabilità dell’enzima, proteggendolo dall’ossigeno e migliorando il tasso di produzione di ammoniaca. Ciò comporterebbe una riduzione dei costi del 67% rispetto all’attuale ammoniaca green prodotta tramite elettrolisi, rendendo l’ammoniaca green ancora più economica di quella prodotta tradizionalmente. Una simile riduzione dei costi potrebbe non solo ridurre l’impatto di CO2 della produzione di ammoniaca per uso agricolo, ma anche anticipare di dieci anni il breakeven dell’ammoniaca nel settore navale, dove si prevede che sarà una delle principali opzioni di decarbonizzazione.

L’utilizzo del quantum computing per facilitare l'utilizzo dell'ammoniaca green a costi inferiori come carburante per il trasporto marittimo potrebbe ridurre la CO2 di 0,4 gigatoni entro il 2035.

• Shift n.4 – Potenziamento delle attività di cattura e sequestro del carbonio

• Point Source Capture – consente di catturare CO2 direttamente da fonti industriali, come un altoforno per cemento o acciaio. Ma, nella maggior parte dei casi, la cattura di carbonio è ancora troppo costosa per essere praticabile, soprattutto a causa della sua intensità energetica.

Una possibile soluzione è rappresentata dai nuovi solventi, come quelli a base di acqua o multifase, che potrebbero offrire requisiti energetici inferiori, ma è difficile prevedere le proprietà dei potenziali materiali a livello molecolare. Il quantum computing promette di consentire un’analisi più accurata della struttura molecolare, così da progettare nuovi solventi efficaci per diverse fonti di CO2, potenzialmente riducendo il costo del processo del 30-50%. Avrebbe quindi un potenziale significativo per la decarbonizzazione dei processi industriali, con un abbattimento aggiuntivo fino a 1,5 gigatoni annui.

• Direct-air Capture – molto costosa (da 250 a 600 dollari per tonnellata al giorno) e richiede ancora più energia della Point Source Capture.

Il quantum computing può supportare l’avanzamento della ricerca su nuovi materiali di adsorbimento come le strutture metallorganiche (MOF) e le sfide derivanti dalla sensibilità all’ossidazione, all’acqua e alla degradazione causata dalla CO2. Nuovi materiali con un tasso di adsorbimento più elevato potrebbero ridurre il costo di questa tecnologia a 100 dollari per tonnellata di CO2 catturata, raggiungendo una possibile soglia critica per la sua adozione.

Questa applicazione del quantum computing potrebbe risultare in un’ulteriore riduzione di CO2 di 0,7 gigatoni all’anno entro il 2035.

• Shift n.5 – Trasformazione del settore alimentare e forestale

Il 20% delle emissioni annuali di gas serra proviene dall'agricoltura e il metano emesso dai bovini e dal settore lattiero-caseario è il principale responsabile (7,9 gigatoni di CO2 equivalente, sulla base del potenziale di riscaldamento globale a 20 anni). Una possibile soluzione è rappresentata dallo sviluppo di vaccini antimetano, che produce anticorpi diretti contro i microbi metanogeni. Il calcolo quantistico potrebbe accelerare la ricerca per trovare gli anticorpi giusti attraverso una simulazione precisa delle molecole. In base a una stima elaborata sulla base di dati della US Environmental Protection Agency, si arriverebbe a una riduzione delle emissioni di anidride carbonica fino a 1 gigatone aggiuntivo entro il 2035.