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Catalizzatori per una migliore produzione di biocarburante

La biomassa è molto più complessa rispetto alle materie prime convenzionali e lo sviluppo dei necessari catalizzatori è tradizionalmente un processo lungo e complicato. Affinché l’Europa raggiunga il suo obiettivo a lungo termine di ridurre le emissioni di gas a effetto serra dell'80-95 % entro il 2050, è essenziale una conversione della biomassa in combustibili che sia efficace in termini di costi.
Catalizzatori per una migliore produzione di biocarburante
Il progetto FASTCARD, finanziato dall’UE, ha usato due strade differenti per rispettare gli impegni europei per la produzione di biocarburanti avanzati. La prima comportava la «liquefazione» della biomassa ed è la più vicina a poter competere economicamente con i combustibili fossili, mentre la seconda impiegava la gassificazione della biomassa, che può essere economicamente impegnativa a breve termine. «L’iniziativa ha integrato studi teorici fondamentali e comprensioni effettuate a livello molecolare con modelli e attività sperimentali condotte su scala pilota», dice il coordinatore del progetto, il dott. Duncan Akporiaye.

La ricerca ha reso possibile l’attuazione a breve e lungo termine della produzione di biocarburante avanzato basata sull’industrializzazione rapida e che riduce i rischi di processi nano-catalitici, attraverso catene del valore basate su liquidi e gas. Il consorzio l’ha combinata con la modellazione micro-cinetica e a livello di progettazione di processo per comprendere meglio i meccanismi e gli aspetti economici alla base di questi procedimenti. «I modelli aiuteranno nell’identificazione di catalizzatori promettenti di prossima generazione, oltre che nell’accrescimento di scala dal laboratorio fino alla scala industriale», spiega il dott. Akporiaye.

Prestazioni migliorate

I ricercatori hanno sviluppato una nuova «progettazione razionale» per nano-catalizzatori basata su modelli matematici e fisici scalabili, che è stata utilizzata per prevedere le prestazioni delle materie prime biologiche per un migliore controllo. Hanno anche creato delle metodologie di ridimensionamento intelligenti e rilevanti dal punto di vista industriale per valutare l’impatto di diverse materie prime biologiche sulle prestazioni del catalizzatore. Secondo il dott. Akporiaye, «i modelli micro-cinetici possono essere applicati alle quattro principali fasi delle due strade verso i combustibili avanzati».

I partner del progetto hanno affrontato le sfide principali che influenzano l’efficienza e l’attuazione delle quattro fasi catalitiche chiave nei bioprocessi. Tra queste vi è il miglioramento della selettività e della stabilità nell’idrotrattamento e l’incremento del contenuto di bio-olio nel cracking catalitico a letto fluido (co-FCC), che formano entrambi la catena del valore liquida. L’uso dell’idrotrattamento ha aiutato a sviluppare una nuova generazione di catalizzatori per produrre una co-alimentazione per le esistenti unità FCC, riducendo in tal modo al minimo il livello complessivo di trattamento. Le sfide hanno riguardato anche le prestazioni del catalizzatore nel ridurre il consumo di idrogeno, la pressione e la temperatura per migliorare la durata e incrementare la selettività in rapporto all’eliminazione dell’ossigeno.

La fase co-FCC è stata in grado di co-processare bio-alimentazioni e distillati di olio greggio in unità FCC, mostrando prestazioni simili o migliori rispetto a un catalizzatore FCC all’avanguardia e massimizzando il contenuto della miscela di alimentazione. Il nuovo catalizzatore dovrebbe corrispondere alle specifiche per la stabilità idrotermale e ridurre di almeno il 20 % l’utilizzo di risorse strategiche quali terre rare e metalli preziosi.

Rischio ridotto

Gli scienziati hanno inoltre selezionato e testato catalizzatori per il reforming di idrocarburi in condizioni realistiche per produrre gas di sintesi da biomassa e hanno studiato l’effetto di nichel e/o palladio con ferro sulle proprietà catalitiche. Inoltre, la fase Fischer Tropsch resistente al biossido di carbonio è stata utilizzata per sviluppare nuovi catalizzatori destinati a piccoli impianti delocalizzati da biomassa a combustibile liquido dai 500 ai 3 000 barili al giorno, che hanno migliorato la selettività e la stabilità C5+ HC operando a temperature più elevate, con condizioni variabili del gas di sintesi. Ciò ha portato a un incremento della produttività, maggiori risparmi energetici e ridotta spesa di capitale.

FASTCARD fornisce una comprensione più ampia del processo su scala pilota per le due strade chiave verso biocarburanti avanzati. «Il progetto aiuterà le aziende partecipanti a tradurre su scala pilota i risultati sperimentali precedentemente ottenuti su scala di laboratorio, riducendo in tal modo i rischi e le incertezze associati con il procedere verso la piena commercializzazione», fa notare il dott. Akporiaye.

Keywords

FASTCARD, catalizzatore, biomassa, biocarburante, scala pilota