Il clima è sotto pressione. E nonostante una serie di accordi sul clima, non abbiamo ancora piegato la curva sulle emissioni di combustibili fossili, che continuano a salire . Uno dei grandi peccatori è il carburante che usiamo per il trasporto. In Europa, la combustione di combustibili fossili per i trasporti contribuisce al 20% delle nostre emissioni collettive di gas a effetto serra. Negli Stati Uniti questa cifra è del 26%.
Dal momento che non stiamo per smettere di trasportare noi stessi e le nostre merci in tempi brevi, dobbiamo chiaramente trovare una soluzione sostenibile e priva di CO2 per soddisfare questi requisiti energetici. Una parte della soluzione sarà il proseguimento dell’elettrificazione delle ferrovie e il trasporto di persone singole, mentre il trasporto stradale, marittimo e aereo continuerà probabilmente a bruciare combustibili liquidi. Le fonti rinnovabili di biomassa come la canna da zucchero, il legno o la paglia, hanno il potenziale per soddisfare una parte significativa di questi fabbisogni energetici. Il problema è comunque che non sono fonti di energia particolarmente efficaci. Ma qui alla Technical University of Denmark (DTU), potremmo avere una soluzione.
Biocarburante buono e cattivo
Le biomasse come il mais, la canna da zucchero o l’olio vegetale, che sono anche fonti alimentari, sono noti come biocarburanti di prima generazione. Oltre ai problemi etici di trasformare il cibo in carburante, hanno anche un potenziale limitato in termini di rese limitate per area agricola. I biocarburanti di seconda generazione sono più rispettosi del clima. Usano la biomassa non commestibile come legno, paglia e altri rifiuti agricoli. Questa biomassa è composta da cellulosa, emicellulosa e lignina, che insieme forniscono struttura e forza alle piante. I processi enzimatici e di fermentazione possono convertire la cellulosa e l’emicellulosa in alcoli, come etanolo e butanolo. Questi possono essere miscelati con combustibili fossili, ad esempio benzina, o ulteriormente trasformati in idrocarburi, che possono essere utilizzati per il carburante per aerei.
I processi biologici che trasformano la biomassa in alcol producono una quantità relativamente bassa di energia, circa il 35 per cento dell’energia potenziale immagazzinata all’interno della biomassa. Quindi non stiamo certamente utilizzando questa biomassa al massimo delle sue potenzialità. Questa bassa resa energetica è dovuta al fatto che gli enzimi non possono convertire la lignina (che rappresenta in genere il 25-35% dell’energia potenziale) in alcol. Richiede molta energia per abbattere la struttura protetta della lignina in modo che l’enzima possa convertire la cellulosa. Il prodotto di fermentazione primario è una soluzione di alcool acquoso sottile, con una concentrazione di alcol simile alla birra. Questo deve essere distillato in un alcol pulito mediante un processo che richiede anche energia. Quindi l’intero processo di conversione della biomassa in un biocarburante utilizzabile richiede molta energia e non è sempre ottimale.
Produzione di biocarburanti mediante riscaldamento rapido
Il riscaldamento rapido, o pirolisi per dargli il nome scientifico, è un processo in cui la biomassa viene riscaldata a 500-550 gradi centigradi in un’atmosfera priva di ossigeno. Questo rompe tutta la biomassa in un olio, e residui di gas e coke. La coca cola è carbonio da materiale organico, come il carboncino che usi sul barbecue. Il bioolio dalla pirolisi convenzionale contiene molta acqua e molecole organiche che contengono anche ossigeno come zuccheri, acidi carbossilici, chetoni, aldeidi e fenoli.
Queste molecole non sono particolarmente stabili e promuovono la formazione di coke solido quando riscaldato. Il bio-olio “crudo” non è quindi un prodotto ottimale da immagazzinare come “energia liquida“. Quindi abbiamo bisogno di un ulteriore passo nel processo. Reagendo il bioolio con l’idrogeno, consente di convertirlo in una miscela di benzina e diesel separando l’ossigeno come acqua. Questo viene fatto sotto alta pressione (fino a 100 bar), temperatura moderata (da 250 a 350 gradi centigradi) e con l’aiuto di un catalizzatore usato nelle raffinerie di petrolio. Sfortunatamente, ciò si è dimostrato difficile da fare in pratica poiché l’olio altamente reattivo crea coke quando riscaldato, il quale disattiva il catalizzatore e intasa il reattore in cui ha luogo la reazione di idrogeno.
Un metodo due in uno
Quindi cosa possiamo fare? Abbiamo due metodi, ognuno dei quali ha un potenziale, ma nessuno dei due riesce a trasformare la biomassa in biocarburante in modo efficiente. Alla DTU, abbiamo combinato il metodo di pirolisi e la reazione del catalizzatore con l’idrogeno in un passaggio chiamato idroperopirolisi catalitica .
Funziona alimentando un reattore con biomassa solida, mentre il catalizzatore è in costante movimento. L’idrogeno viene immesso nella base del reattore, sollevando parzialmente la biomassa in modo che possa muoversi. Ciò consente alle molecole più reattive nel bioolio di reagire con l’idrogeno non appena si formano. Ciò impedisce alle molecole di raggiungere uno stato in cui potrebbero formare il coke, evitando così di disattivare il catalizzatore e di rimuovere circa il 95 percento dell’ossigeno nel bioolio.
Questo lascia le molecole meno reattive (circa il 5%), che possono essere rimosse inviando l’olio attraverso un reattore tradizionale, contenente un catalizzatore, che viene mantenuto fisso. Il reattore tradizionale assomiglia a quelli usati per rimuovere lo zolfo dal petrolio in un processo solitamente utilizzato nelle raffinerie di petrolio per evitare lo zolfo nella benzina e nel diesel, riducendo così le emissioni di auto solforose. La reazione tra idrogeno e biomassa produce calore, quindi non c’è bisogno di energia aggiuntiva durante il processo.
La distillazione avviene automaticamente
I fatti
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Martin Høj partecipa al programma Book a Researcher , nell’ambito del Danish Science Festival 2018 . Il discorso deve essere tenuto in Danimarca tra il 20 e il 26 aprile 2018. Il prodotto di idro-pirolisi catalitica è olio e acqua, che come tutti sappiamo, non amano mescolare e quindi separare automaticamente. Questo è importante in quanto consente di risparmiare sulla distillazione energetica, che viene normalmente utilizzata per separare l’alcol dall’acqua. Questo processo crea gas leggeri e meno rifiuti di coke. I gas più leggeri includono metano, etano e propano e quantità significative di monossido di carbonio e CO 2 . Questi ultimi due possono essere ulteriormente fatti reagire con l’idrogeno per creare metano, che insieme ad altri idrocarburi leggeri può essere utilizzato come biogas, il che significa anche meno spreco dalla biomassa originale.
L’energia può essere immagazzinata
L’idropirolisi catalitica può essere combinata con altre tecnologie di energia rinnovabile come l’energia eolica o solare per produrre l’idrogeno, che viene utilizzato nel processo di idropirolisi catalitica, mediante elettrolisi dell’acqua. Qui, si applica una corrente all’acqua per separare l’idrogeno dall’ossigeno. Ciò sarebbe particolarmente utile in caso di surplus di elettricità rinnovabile. In alternativa, l’idrogeno può essere prodotto dai gas leggeri. In questa modalità il biogas non viene generato come un prodotto secondario. Ciò rende l’idropirolisi catalitica una tecnologia flessibile, che può essere utilizzata per immagazzinare elettricità in eccesso in combustibili liquidi e gassosi, oppure si può usare solo biomassa e produrre solo combustibili liquidi.
Rendimenti della biomassa nettamente migliori
Quindi, come funziona il nostro metodo? Finora siamo stati in grado di estrarre circa il 58 per cento dell’energia potenziale del legno di faggio come bio-olio. Questo è significativamente più alto rispetto ai processi biologici, che producono circa il 35 per cento dell’energia dalla biomassa. Abbiamo anche realizzato una simulazione al computer, che dimostra che potremmo ottenere un rendimento energetico fino all’87% quando l’elettricità e la biomassa vengono convertite in bio-olio e biogas. Sebbene la biomassa sia rinnovabile, è ancora una risorsa limitata. Quindi è importante produrre i biocarburanti nel modo più efficiente possibile. E così l’idropirolisi catalitica è una tecnica interessante che in futuro potrebbe produrre biocarburanti con una resa decisamente migliore rispetto alle aspettative attuali.
