Descrizione tecnica
del processo di pirogassificazione

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Gassificazione
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La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco in carbonio, quale il carbone, il petrolio, o le biomasse, in monossido di carbonio, idrogeno e altri composti gassosi.
Il processo di degradazione termica avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un agente ossidante: tipicamente aria (ossigeno) o vapore. La miscela gassosa risultante costituisce quello che viene definito gas di sintesi (syngas) e rappresenta essa stessa un combustibile. La gassificazione è un metodo per ottenere energia da differenti tipi di materiali organici e trova anche applicazione nel trattamento termico dei rifiuti (a tal proposito vedi gassificatore). L'uso del processo di gassificazione per la produzione di calore presenta alcuni vantaggi rispetto alla combustione diretta, al contempo introduce però complicazioni impiantistiche. Il syngas può essere bruciato direttamente in motori a combustione interna, utilizzato per produrre metanolo o idrogeno, o convertito tramite il processo Fischer-Tropsch in combustibile sintetico. Ad oggi tuttavia impianti che producono combustibili sintetici da gassificazione sono assai poco numerosi ed utilizzano principalmente il carbone come materia prima. La gassificazione può anche utilizzare materie prime altrimenti poco utili quali combustibili, come i rifiuti organici. Inoltre, il processo di gassificazione permette di togliere con le ceneri elementi altrimenti problematici per la successiva fase di combustione, quali ad esempio cloro e potassio, consentendo la produzione di un gas molto pulito.
La combustione dei combustibili fossili è attualmente ampiamente utilizzata su scala industriale per produrre energia elettrica. Però, considerato che quasi ogni tipo di materiale organico può essere utilizzato quale materia prima per la gassificazione, come il legno, la biomassa, o persino la plastica, questa può essere una tecnologia utile nell'ambito dell'incremento del contributo fornito dall'energia rinnovabile. Al processo di gassificazione della biomassa, come agli altri processi di combustione, potrebbero venire applicate tecnologie per il sequestro delle emissioni di anidride carbonica.
La gassificazione si fonda su processi chimici che avvengono a temperature superiori ai 700 °C, il che la differenzia dai processi biologici quali la digestione anaerobica che produce biogas a temperature di poco superiori a quella ambiente.

Storia
Il processo di gassificazione fu originariamente sviluppato negli anni 1800 per produrre gas di città per l'illuminazione e per cucinare. Il gas naturale e l'elettricità rimpiazzarono successivamente il gas di città per queste applicazioni, ma il processo di gassificazione è stato utilizzato per la produzione di prodotti chimici sintetici e di combustibili fin dagli anni 1920.
I generatori a gas di legna, ovvero i gassogeni, furono utilizzati per fornire energia ai veicoli a motore in Europa durante lo scarseggiare dei combustibili nel periodo della seconda guerra mondiale.

Processi chimici
In un gassificatore il materiale carbonioso subisce diversi differenti processi:
Il processo di pirolisi avviene riscaldando in assenza di ossigeno e vengono liberati composti gassosi quali idrogeno e metano e viene ottenuta una carbonizzazione, con il risultato di una perdita in peso superiore al 70% per il carbone. Viene prodotto anche catrame. 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 calore necessario per le successive reazioni di gassificazione.
Il processo di gassificazione avviene quando il carbone reagisce col diossido di carbonio e col vapor d'acqua producendo monossido di carbonio e idrogeno:

C + CO2 → 2 CO
C + h1O → CO + h1

Inoltre, il monossido di carbonio prodotto reagisce col vapore acqueo producendo una reazione d'equilibrio detta reazione di spostamento del gas d'acqua:

CO + h1O = CO2 + h1

In pratica, dopo l'iniziale pirolisi una quantità limitata di ossigeno viene introdotta nel reattore 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 ed altro monossido di carbonio.

Applicazioni attuali
La gassificazione su scala industriale è attualmente principalmente utilizzata per produrre elettricità da combustibili fossili come il carbone, con il syngas prodotto che viene bruciato in una turbina a gas (opportunamente modificata) o in motori alternativi recuperati di grande taglia.
La gassificazione è industrialmente utilizzata anche per la produzione di elettricità utilizzando cicli combinati integrati di gassificazione (IGCC). L'IGCC è anche un metodo più efficiente per la cattura della CO2, in confronto alle tecnologie convenzionali. Impianti dimostrativi a cicli combinati integrati sono stati operativi sin dagli anni 1970 e alcuni degli impianti costruiti negli anni 1990 sono adesso divenuti commerciali. È anche possibile sfruttare i prodotti di gassificazione come materie prime per la produzione di ammoniaca e combustibili liquidi; vi è inoltre la possibilità di produrre metano e idrogeno per celle a combustibile.
Nell'arco degli ultimi anni, sono state sviluppate tecnologie di gassificazione che utilizzano rifiuti plastici. In Germania un impianto tedesco adotta una tale tecnologia su larga scala per convertire i rifiuti plastici in metanolo, previa produzione di syngas.
Gassificatori su piccola scala di biomasse agricole sono largamente diffusi in India, specialmente nello stato di Tamil Nadu. La maggior parte delle applicazioni riguarda sistemi a 9 kW di capacità utilizzati per pompare l'acqua potabile (con un risparmio di circa il 70% del costo rispetto alla classica rete elettrica) e per l'illuminazione stradale.

Ruolo nell'ambito dell'energia rinnovabile
La gassificazione può utilizzare all'incirca qualsiasi materiale organico, incluse le biomasse e i rifiuti plastici. Il syngas 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. 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.
Trascurando la tipologia di combustibile finale prodotto, la gassificazione stessa e i successivi processi correlati non emettono né sequestrano gas serra quali il diossido di carbonio, non influenzando in tal modo il bilancio del carbonio. 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. La gassificazione della biomassa è quindi una delle tecnologie più versatili ed economiche nell'ambito delle energie rinnovabili.
Attualmente la gassificazione delle biomasse su scala industriale è poco diffusa nel mondo. Il Renewable Energy Network Austria (RENET) si è fatto promotore di diversi impianti dimostrativi di gassificazione delle biomasse, incluso un impianto a doppio letto fluido che fornisce la città di Güssing di 2 MW di elettricità e 4 MW di energia termica, sfruttando pezzetti di legno, sin dal 2002.