Combustibili liquidi sintetici: l'alternativa al gasolio ed al biodiesel di prima generazione

Oltre a studiare le possibili applicazioni dei cosiddetti biodiesel, particolare attenzione negli ultimi anni si sta dando ad una seconda categoria di combustibili alternativi, i cosiddetti combustibili sintetici.

La definizione più generale di tale categoria di combustibili è stata data dall’ EIA nel 2006: combustibili derivati da carbone, gas naturale o biomasse attraverso conversione chimica in greggio sintetico o prodotti liquidi sintetici. 

schema processo F.T. da wikipedia

In diversi casi non si tratta di combustibili realmente innovativi in quanto già è avviata la produzione su la larga scala da alcuni anni. E’ l’esempio del combustibile sintetico derivato dal carbone, già industrializzato da tempo in Sud Africa o di quello derivato dal gas naturale, utilizzato da tempo in Malesia. Appare ovvio che, allorquando vi siano grandi disponibilità di carbone o gas naturale come materia prima, le economie emergenti debbano investire in tali combustibili così da ottenere il duplice risultato di avere ampia disponibilità di carburante per autotrazione senza essere vincolati al petrolio e ridurre al contempo le emissioni inquinanti.

Per quanto riguarda l’utilizzo di biomasse come combustibile, appare evidente che il processo sia differente da quello riguardante il biodiesel vero e proprio ma che anche in questo caso la problematica principale da affrontare sia la sostenibilità in termini socio-economico-ambientali delle produzioni intensive di colture energetiche. Va scritto che per il DOE e per il Dipartimento dell’Agricoltura statunitensi è possibile produrre in modo “sostenibile” negli States fino a 1.3 milioni di tonnellate di biomassa secca per uso energetico in modo tale da ridurre fino al 30% il consumo di petrolio.

Fra i numerosi processi adottabili per ottenere un combustibile liquido sintetico, quello maggiormente presente in letteratura è sicuramente la conversione indiretta. Si usa definire i combustibili in tal modo realizzati con sigle GTL (gas to liquid), CTL (coal to liquid), BTL (biomass to liquid), OTL (oil to liquid).

La produzione di combustibile liquido sintetico avviene attraverso una serie di tre processi tecnologici fra loro separati.

In una prima fase, all’interno di un gasificatore/reformer, la materia prima reagisce con ossigeno generando una miscela gassosa, il syngas, di idrogeno e monossido di carbonio. Il calore generato dal processo può essere utilizztato per produrre energia elettrica in impianti del tipo IGCC (impianti integrati gasificatore – centrale termoelettrica). In tal senso un sottoprodotto della produzione di GTL sarebbe proprio energia eleettrica in modo tale da aumentare l’efficienza energetica globale del processo ed ammortizzare in parte i grandi costi delle attrezzature. La trasformazione da gas a liquido può avvenire attraverso diverse procedure di conversione. La più utilizzata e presente in letteratura è sicuramente il metodo di sintesi Fischer- Tropsch, in base al quale il syngas è inviato al reattore FT e nelle giuste condizioni di processo, a contatto con catalizzatori di cobalto e ferro, formaa una lunga catena di molecole idrocarbonate chiamata cera FT o paraffina.

Il terzo stadio consiste in uno stadio di craking dell’idrogeno in modo tale che le lunghe catene vengano rotte in altre più corte con un processo simile alla raffinazione del petrolio attraverso il quale dal petrolio greggio si ottengono diesel, nafta, kerosene, gpl.

Il potenziale di questo processo è di poter produrre un’ampia gamma di prodotti come combustibili, lubrificanti e cere.

Per quanto riguarda il combustibile prodotto dalla tecnologia FT, questo risulta essere incolore, inodore, con bassa tossicità, senza composti aromatici né solfuri ed alto numero di cetano, superiore a 70.

Punto di forza di tali combustibili è la sostanziale interscambiabilità con il gasolio tradizionale, dato che può essere utilizzato puro o miscelato con modifiche nulle o minime e in quanto non vi sono significative differenze in termini di prestazioni. Da prove su strada riportate in letteratura è possibile dimostrare che si ha una riduzione delle emissioni inquinanti.

In particolare, in caso di motori ottimizzati per funzionare con il combustibile sintetico, si potrebbe ottenere una forte riduzione di NOx. Non va trascurato ed anzi va fortemente sottolineato che la compatibilità del syn-fuel sia con i motori che con il sistema di distribuzione è un fattore che fa proprendere fortemente verso l’utilizzo di tali combustibili. Gli unici investimenti vanno fatti per mantenere puro il combustibile durante la distribuzione.

Fra i principali svantaggi dei GTL e simili c’è sicuramente la densità energetica inferiore rispetto al gasolio petrolifero, il che si traduce in risparmio di combustibile e potenza leggermente inferiori.

Va sottolineato fra l’altro il basso potere lubrificante, al contrario di quanto visto con i biodiesel , di tali combustibili.

In conclusione si può affermare senza dubbi che in letteratura sono presenti numerose alternative valide all’utilizzo di gasolio per autotrazione. Gli studi effettuati hanno evidenziato le possibilità di impiego sia di biodiesel che di syn-fuel in miscela con il gasolio tradizionale o da soli. Appare evidente che, soprattutto per quanto riguarda le economie emergenti, gli studi dovranno essere focalizzati da una parte su quei combustibili che meglio si adattano a funzionare in motori progettati per il gasolio, dall’altra sulle necessarie scelte impiantistiche tali da ottenere i migliori risultati possibili con l’utilizzo, anche puri, di combustibili alternativi, in modo tale da ottenere nel breve periodo risultati in termini di riduzione di utilizzo del petrolio e riduzioni delle emissioni di gas serra o inquinanti di certo non trascurabili.

fonti: materiale reperibile in rete

Biodiesel di prima generazione: vantaggi e svantaggi dei biocombustibili per motori Diesel

Nonostante gli interventi di ottimizzazione delle singole parti dei motori, dai condotti alla forma della camera di combustione, passando per nuove generazioni di elettroniettori, turbocompressori ed adozione del ricircolo dei gas combusti, abbiano contribuito alla riduzione delle emissioni inquinanti nei motori Diesel per autotrazione di circa l’80% negli ultimi venti anni, le stringenti normative Euro V attualmente in vigore in termini di emissioni di particolato carbonioso del tipo PM10 (meno di 5 milligrammi per chilometro), di NOx (0,2 g/km), monossido di carbonio (0.5 g/km) e idrocarburi incombusti (0,25 g/km di HC e CO) e le future limitazioni previste dall’Euro VI, insieme alle oramai tradizionali problematiche legate all’utilizzo di combustibili legati all’estrazione del petrolio, hanno spinto in passato e stanno spingendo sempre più per il futuro il mondo della ricerca ad investigare l’ampia gamma dei cosiddetti combustibili alternativi.

Il ciclo del biodiesel fonte propelfuels.com

Alla voce combustibili alternativi c’è un’ampia gamma di carburanti che possono essere di origine fossile o rinnovabile. Su tutti si è focalizzata l’attenzione della comunità scientifica e del mondo dell’industria. In particolare gli studi sono concentrati sia sui cosiddetti biodiesel di prima generazione, metilesteri derivati direttamente da oli vegetali, e sui combustibili sintetici, prodotti di un particolare processo di conversione, fra i quali sono annoverati sia i biodiesel di seconda generazione che combustibili liquidi derivati da fonti fossili solide o gassose.

Di grande interesse ed attualità, non privo di sostenitori ma anche di grandi denigratori, è sicuramente il biodiesel. Con questa terminologia ci si riferisce generalmente ad un’intera classe di combustibili derivati da oli vegetali (di colza, di palma, di soia), da oli esausti alimentari o da alcuni tipi di alghe marine attraverso una reazione di transesterificazione il cui scopo principale è eliminare gran parte degli acidi grassi ed evitare elevata viscosità.

Le peculiarità di tali combustibili dipendono fortemente dall’olio vegetale di partenza. In genere vengono utilizzati come biomassa di partenza la soia (a formare SME , metilestere da soia), colza (RME), girasole, palma, cotone. Il contenuto di ossigeno in tutti i casi tende ad essere elevato rispetto al gasolio, il che sfavorisce la combustione, abbassando il potere calorifico inferiore e causando maggiori emissioni in termini di NOx. Il numero di cetano, indice del tempo di ritardo all’accensione, varia non solo in base all’olio di partenza ma anche in base alle condizioni climatiche di coltivazione e degli acidi grassi presenti; in alcuni casi, come nel metilestere derivato da olio di palma, può avere valori di gran lunga superiori a quelli di un normale gasolio.

L’utilizzo di biodiesel puro, non miscelato con gasolio tradizionale, può comportare alcuni problemi al motore e necessita dell’utilizzo di additivi aggiuntivi per ridurre rischi di danneggiamento.

In particolare, avendo valori del punto di intorbidimento e del CFPP superiori rispetto al tradizionale gasolio, possono sorgere problemi, in assenza di additivi, per l’utilizzo a bassa temperatura. Inoltre è alto il rischio di ossidazione e deposito di gomme e cere.

In genere per tali motivi, soprattutto per quanto riguarda il rischio di formazione di depositi e di degradazione dei componenti a causa di impurezze, si preferisce utilizzare delle miscele biodiesel – gasolio invece che biodiesel puro.

Dalla letteratura e dalle verifiche sperimentali su veicoli commerciali è noto il confronto in termini di analisi delle prestazioni fra il combustibile tradizionale e l’omologo “bio”. Non è infatti semplice evidenziare quale combustibile sia maggiormente performante in quanto le differenti caratteristiche chimico-fisiche dei carburanti fa sì che siano diversi i fattori che influenzano in modo anche notevole le prestazioni.

A causa della differenza di densità energetica e quindi di inferiore Potere Calorifico Inferiore, ci si aspetta una riduzione della potenza. In letteratura è stata evidenziata a pieno carico una perdita che varia fra il 3 e il 7% , inferiore rispetto a quanto atteso, a causa del recupero di potenza legato alla differenza di viscosità fra i due combustibili. Fattore rilevante nel confronto fra le prestazioni è sicuramente il numero di cetano, maggiore nei biodiesel, che rende possibile, insieme all’iniezione anticipata causata dai maggiori modulo di comprimibilità e velocità del suono, anticipi di combustione.

Il consumo specifico a parità di rendimento è superiore del 14% a causa del minore potere calorifico inferiore. Di contro il rendimento non varia, anche se in condizioni particolari (carico parziale e per valori del 10% e 20% di miscela) può aumentare a causa del maggiore potere lubrificante posseduto dal biodiesel rispetto al gasolio tradizionale. Per quanto riguarda le emissioni inquinanti, se da una parte la produzione di ossidi di azoto è maggiore a causa dell’anticipo di iniezione che porta a picchi di temperatura maggiore, dall’altra si ha una minore produzione di “soot” .

Salvo rare eccezioni presenti in letteratura, la diminuzione di PM è infatti notevole man mano che si aumenta la percentuale di biodiesel presente in miscela. In base alle valutazioni fatte dall’ US EPA si ha una riduzione prossima al 50% in caso di utilizzo di biodiesel puro, con una diminuzione quasi lineare con l’aumento di % di biodiesel in miscela. Tale riduzione è strettamente legata alla natura stessa del biodiesel: Il maggior contenuto di ossigeno, che garantisce più completa combustione anche nelle zone dove localmente la miscela è ricca ed inoltre contribuisce ad ossidare il soot già presente, il minor rapporto stechiometrico, che riduce il rischio di zone a miscela ricca, l’assenza di composti aromatici che sono fra i principali precursori del particolato, l’anticipo di combustione, che garantisce tempi di residenza maggiori in camera di combustione per l’ossidazione, la differente struttura delle particelle, che comporta velocità di ossidazione superiori.

Per quanto riguarda gli idrocarburi incombusti totali, questi diminuiscono bruscamente, fino al 70% secondo l’ US EPA. Ciò è dovuto ancora una volta alla maggiore presenza di ossigeno nel combustibile che porta ad una più completa combustione, oltre al numero di cetano maggiore che garantisce più tempo per la combustione, essendo ridotto il ritardo di accensione. Ugualmente accade per il monossido di carbonio. Da sottolineare, per quanto riguarda gli inquinanti non regolamentati ma comunque fortemente tossici e dannosi per l’organismo umano,che si riducono notevolemnete gli idrocarburi policiclici aromatici e gli aldeidi.

Come già accennato, al di là degli aspetti negativi riguardanti le problematiche all’interno della camera di combustione e nei condotti, il più grande limite nello sviluppo di un completo sistema di distribuzione e rifornimento basato sui biocombustibili sta proprio nella natura stessa di questi. Il punto di forza, ovvero il fatto che le emissioni di CO2 sono in parte (o in buona parte secondo alcuni) assorbite durante il ciclo di vita delle piante prescelte, siano esse alberi come la palma o piante come la colza o la soia, è al contempo il punto debole principale. L’impatto ambientale e soprattutto sociale delle cosiddette colture energetiche è enorme soprattutto nelle economie dei paesi in via di sviluppo. Essendo più redditizie tali coltivazioni tenderebbero infatti a sostituire quelle basilari per il sostentamento, portando all’aumento del costo delle materie prime agricole e quindi dei prodotti base come il pane e la farina ed alla riduzione delle derrate alimentari disponibili. E’ del resto da sottolineare come il consumo di acqua sia elevato, per ogni litro di biodiesel servono quattromila litri fra irrigazione delle colture e processo chimico.

fonti: diverse tesi di dottorato presenti in rete e facilmente reperibili