La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco di carbonio, quale ad esempio carbone, petrolio o biomassa, in monossido di carbonio, idrogeno e altre sostanze gassose.
SPECIALE IDROGENO. La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco di carbonio, quale ad esempio carbone, petrolio o biomassa, in monossido di carbonio, idrogeno e altre sostanze gassose.
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Introduzione
Il 90% della crescente domanda mondiale di energia è soddisfatta dai combustibili fossili e dal carbone. Di conseguenza si osserva un continuo aumento del livello di CO2 nell'atmosfera. A questo si aggiunge l’esaurimento delle riserve di combustibili fossili in quanto non sono risorse rinnovabili.
Il cambiamento climatico come conseguenza dell'aumento del livello di CO2 è stato identificato come una delle sfide più critiche per l'umanità e richiede un'azione immediata.
E’ necessario raggiungere una significativa riduzione delle emissioni di CO2 entro il 2050 ciò implica che l'umanità deve trasformare la sua tecnologia energetica da una base fossile a una rinnovabile.
La produzione attuale di idrogeno si basa su uno stretto numero di tecnologia: steam reforming del metano, reforming della nafta, gassificazione del carbone, ossidazione parziale degli idrocarburi, elettrolisi dell’acqua.
La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco di carbonio, quale ad esempio carbone, petrolio o biomassa, in monossido di carbonio, idrogeno e altre sostanze gassose.
Che cos’è la gassificazione
In un gassificatore il materiale carbonioso subisce diversi processi:
- Il processo di pirolisi avviene riscaldando in assenza di ossigeno e vengono liberate sostanze gassose quali idrogeno e metano e carbonio. Il processo dipende dalle caratteristiche del materiale carbonioso e determina la struttura e composizione del carbone, che subirà successivamente le reazioni di gassificazione.
- Il processo di combustione avviene quando i prodotti volatili e parte del carbone reagiscono con l'ossigeno formando diossido e monossido di carbonio (ossidazione parziale), liberando calorenecessario per le successive reazioni di gassificazione.
- Il processo di gassificazione avviene quando il carbone reagisce col diossido di carbonio e con il vapore acqueoproducendo monossido di carbonio e idrogeno:
C + CO2 → 2 CO (endotermica)
C + H2O → CO + H2 (endotermica)
Inoltre, il monossido di carbonio prodotto reagisce col vapore acqueo producendo una reazione d'equilibrio detta reazione di spostamento del gas d'acqua:
CO + H2O ⇄ CO2 + H2 (esotermica)
In pratica, dopo l'iniziale pirolisi viene introdotta nel reattore una quantità limitata di ossigeno, in modo che parte del materiale organico bruci producendo monossido di carbonio ed energia, utile per la reazione successiva che converte ulteriore materiale organico in idrogeno e altro monossido di carbonio.
La gassificazione può utilizzare qualsiasi materiale organico, comprese le biomasse e i rifiuti plastici. Il syngas (NOTA 1) prodotto brucia producendo vapor d'acqua e diossido di carbonio. Alternativamente, il syngas può essere convertito in metano tramite la reazione di Sabatier, o in combustibile sintetico simile al gasolio tramite il processo Fischer-Tropsch (NOTA 3). I componenti inorganici presenti nella materia prima di alimentazione, come i metalli e i minerali, restano "intrappolati" in una forma di cenere inerte e sicura dal punto di vista ambientale che trova uso come fertilizzante.
NOTA 1. syngas indica una miscela di gas, essenzialmente monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2), con la presenza in quantità variabile anche di metano (CH4) e anidride carbonica (CO2).
NOTA 2. La reazione di Sabatier, è una reazione chimica in cui il diossido di carbonio reagisce con l'idrogeno, in presenza di nichel quale catalizzatore e in condizioni di temperatura ottimale compresa tra 300-400 °C e alta pressione, producendo metano e acqua. CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
NOTA 3. Il processo Fischer-Tropsch è un processo chimico industriale utilizzato per produrre combustibili sintetici o olio sintetico a partire da miscele gassose di monossido di carbonio e idrogeno in presenza di un catalizzatore. nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O
Ovviamente i processi di combustione del syngas o dei combustibili prodotti portano alla formazione di anidride carbonica. Ad ogni modo, la gassificazione della biomassa può avere un ruolo significativo nell'ambito dell'energia rinnovabile, in quanto la produzione di biomassa rimuove l'emissione di CO2 in atmosfera. Anche altre tecnologie che producono biogas e biodiesel hanno un bilancio neutro del carbonio, ma la gassificazione può utilizzare una più ampia varietà di materie prime e produrre anche una più ampia varietà di combustibili, risultando un metodo estremamente efficiente per estrarre energia dalla biomassa.
Attualmente la gassificazione delle biomasse su scala industriale è poco diffusa nel mondo.
Il progetto GICO
L’ ENEA sta partecipando al progetto GICO con l’obiettivo di produrre idrogeno verde dalla gassificazione di biomasse, con cattura di CO2 mediante sorbenti solidi. Saranno sviluppati impianti a biomasse residue di piccola e media taglia (500 – 5.000 kWe) che utilizzeranno da 2 a 20 tonnellate di scarti al giorno disponibili a livello locale, secondo un approccio di utilizzo sostenibile e circolare delle risorse.
Riferimenti
BP, Statistical Review of World Energy. (2021).
Andreas Borgschulte, The Hydrogen Grand Challenge, Front. Energy Res., Sec. Hydrogen Storage and Production, Volume 4 - 2016
Dmove.it, Cos’è l’idrogeno nero e grigio? Si ricava da carbone e metano, le fonti odiate (ma diffuse)
RMI, Energia pulita 101: Idrogeno
ENEA, I ‘colori’ dell’idrogeno nella transizione energetica
Hydrogen Europe, Hydrogen - a carbon-free energy carrier and commodity, novembre 2021
GlobalData, Hydrogen
Kompakt, Pyrolysis, ottobre 2022
Lee et al., Scenario-Based Techno-Economic Analysis of Steam Methane Reforming Process for Hydrogen Production, Appl. Sci. 2021, 11(13), 6021; https://doi.org/10.3390/app11136021
Energoclub, steam reforming
 La plasmalisi per produrre idrogeno |
Idrogeno dall’elettrolisi  |
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