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Le reazioni catalitiche sono fondamentali per il settore energetico, poiché vengono usate costantemente per convertire semplici gas naturali e biomasse in carburanti e prodotti chimici ad alto contenuto energetico. Un catalizzatore solido viene messo a contatto con reagenti gassosi per velocizzare la formazione dei prodotti desiderati e migliorare considerevolmente l’efficienza.
Per decenni queste reazioni sono state eseguite in reattori a letto fisso, riempiti con pellet di catalizzatore impacchettati in ordine sparso. Questa struttura «a letto fisso», però, limita il potenziale di reazione a causa della lentezza del trasferimento di calore all’interno o all’esterno del reattore.
«Un aspetto cruciale di questi processi è la gestione del calore di reazione», spiega Enrico Tronconi, professore di Ingegneria chimica al Politecnico di Milano. «Per rendere possibili unità di processo nuove, efficienti e compatte, urgentemente necessarie in vista di scenari energetici distribuiti, è necessario rimuovere tali ostacoli», aggiunge.
Nell’ambito del progetto INTENT, finanziato dall’UE, Tronconi ha progettato un nuovo «reattore strutturato» in grado di intensificare il trasferimento di calore dei processi catalitici e di rendere potenzialmente molto più sostenibile il settore energetico.
«Abbiamo dimostrato sia con esperimenti che con modelli matematici che, se gli interni sono fatti di un materiale altamente conduttivo (ad esempio alluminio o rame), possiamo aspettarci un trasferimento di calore molto più efficiente rispetto alla struttura a letto fisso», spiega Tronconi. «Ad esempio, si eviteranno dannosi ”punti caldi” o ”punti freddi” nel reattore.»
Introduzione di strutture interne
Sostituendo le pile casuali di pellet di catalizzatore con catalizzatori strutturati, come nidi d’ape o schiume a celle aperte, il reattore sfrutta un meccanismo di trasferimento del calore diverso: la conduzione del calore nella matrice della struttura.
Questi «interni», che potrebbero essere schiume a celle aperte o strutture stampate in 3D, possono poi essere attivati cataliticamente rivestendoli con uno strato di catalizzatore attivo, un processo noto come «rivestimento posteriore». In alternativa, potrebbero essere impacchettati con particelle di catalizzatore di dimensioni adatte alla reazione desiderata.
«In entrambi i casi, la struttura cellulare altamente conduttiva garantisce un trasporto ottimale del calore e una distribuzione uniforme della temperatura nel reattore, eliminando così il principale collo di bottiglia del processo», osserva Tronconi.
Progettare e testare gli interni del reattore per la conduzione
Il gruppo coinvolto nel progetto INTENT ha studiato due generazioni di interni di reattori per la conduzione, a cominciare da materiali cellulari disponibili in commercio e passando poi a una nuova classe di progetti ingegnerizzati e stampati in 3D. I ricercatori hanno poi studiato queste strutture come vettori di catalizzatori mediante una metodologia innovativa che combina esperimenti e modelli computazionali.
Parallelamente, i ricercatori hanno anche studiato l’applicazione del nuovo concetto di reattore a livello sperimentale, su scala di laboratorio, per due processi chiave: la sintesi di Fischer-Tropsch (FT), che produce carburanti puliti a base di idrocarburi, e la reazione di reforming del metano (methane steam reforming, MSR), il metodo più comunemente usato ed economico per produrre idrogeno.
Il piano originale di INTENT prevedeva anche un’indagine sui catalizzatori strutturati applicati al reforming solare, utilizzando l’irradiazione solare per fornire il calore per l’MSR. Negli ultimi anni è emerso un nuovo concetto che usa l’energia elettrica da fonti rinnovabili per fornire questo calore. Durante lo svolgimento di INTENT, il gruppo di ricerca ha quindi orientato le proprie attività verso lo studio di questo concetto, progettando e costruendo due nuovi impianti per l’MSR elettrificata.
Contribuire a creare un futuro di energia pulita
Grazie ai risultati promettenti, il lavoro di INTENT sull’elettrificazione dell’MSR ha immediatamente attirato l’attenzione di una grande azienda italiana del settore dell’energia. Il gruppo sta ora lavorando congiuntamente allo sviluppo di un’unità di eMSR per la produzione di idrogeno su piccola scala e a basse emissioni di carbonio.
«INTENT ha dimostrato chiaramente che l’applicazione di reattori cellulari con proprietà di conduttori termici ed elettrici ha un grande potenziale per l’intensificazione dei processi catalitici», afferma Tronconi.
«Alla luce dell’attuale accelerazione della transizione energetica, la necessità di tale intensificazione è ancora maggiore oggi di quanto non lo fosse quando il progetto è stato originariamente concepito, sette anni fa.»