Scindere con il fuoco

Tutti sappiamo cosa succede quando avviciniamo un pezzo di legno ad una fiamma: brucia. Ma cosa succede se questa operazione viene condotta in assenza di ossigeno?
La presenza o meno di ossigeno determina la differenza tra due processi termochimici, la combustione e la pirolisi. La combustione, che avviene in presenza di un “combustibile”, il pezzo di legno, un “comburente”, l’ossigeno, e un innesco che può essere una fonte di calore o una scintilla, dà origine a prodotti che dipendono dalla natura del combustibile e dalla quantità di comburente: se bruciamo del carbone e l’ossigeno è in quantità sufficienti otteniamo anidride carbonica, se l’ossigeno è insufficiente otteniamo fumi contenenti particelle carboniose e monossido di carbonio. La pirolisi invece, dal greco piro = fuoco, lisi= scissione, è un processo sempre condotto ad alte temperature (superiori a 350°C) ma in atmosfera priva di ossigeno, e consente di trasformare il pezzo di legno in un gas, un liquido detto bio-olio e un residuo carbonioso chiamato char.
Per quanto i due processi siano simili, il risultato in termini di prodotti ottenibili è molto diverso; la formazione di tre prodotti finali, uno liquido, uno solido e uno gassoso, durante la pirolisi rende questo processo termochimico particolarmente idoneo nel trattamento di biomasse per scopi energetici all’interno di una *bio-raffineria.* Le bio-raffinerie, analogamente alle raffinerie chimiche, integrano processi ed impianti per la conversione di biomasse per la produzione di più prodotti, sfruttando le differenti componenti e relative caratteristiche delle biomasse stesse e massimizzando il valore derivato dalle materie prime. Per esempio, si possono produrre simultaneamente composti chimici ad alto valore aggiunto, carburanti per il trasporto, ed energia elettrica e termica per il sostentamento energetico della raffineria stessa, riducendo i costi ed evitando le emissioni di gas serra. Attualmente ci sono moltissime modalità di conversione delle biomasse in composti chimici e combustibili; ma molti di questi hanno degli svantaggi o delle limitazioni. Due esempi: la fermentazione microbica degli zuccheri in etanolo come additivo per le benzine è limitata dal fatto che solo modeste quantità di etanolo (massimo 20%) possono essere addizionate ai combustibili tradizionali senza modificare i motori delle macchine; mentre l’utilizzo di biomasse acquatiche per produrre biocombustibili ha enormi potenzialità ma attualmente richiede costi elevati di gestione e tecnologie genetiche ed ingegneristiche che tardano ad arrivare. Le biomasse lignocellulosiche, come trucioli di legno, paglie, stocchi di mais, rappresentano i materiali per eccellenza per i combustibili di seconda generazione e per la sintesi di prodotti chimici da fonti rinnovabili: sono materiali di scarto, abbondanti e a buon mercato. Gli scarti lignocellulosici possono essere trattati con diverse tecnologie di conversione, come la gassificazione per ottenere syn-gas o la fermentazione stessa per ottenere bio-etanolo; oppure mediante pirolisi. Rispetto alla gassificazione, che diventa un processo vantaggioso dal punto di vista economico solo su larga scala, la pirolisi ha il grande vantaggio di poter essere applicata anche a piccole raffinerie distribuite nelle vicinanze dello stoccaggio delle biomasse stesse. Rispetto alla fermentazione invece, che converte esclusivamente la frazione cellulosica della biomassa in etanolo, la pirolisi consente uno sfruttamento totale di ogni frazione, lignina compresa, che tra l’altro contiene il 40% di energia dell’intera biomassa. La pirolisi inoltre è una strategia che ben si adatta ad una logica di gestione integrata delle biomasse poiché genera gas e carbone che possono essere usati per il fabbisogno energetico della bio-raffineria, e allo stesso tempo fornisce un bio-olio ricco di composti chimici di interesse ma anche utilizzabile, previo opportuno trattamento, come combustibile liquido.

E’ opportuno precisare che, sebbene il bio-olio sia un prodotto decisamente a buon mercato (i costi di produzione di un bio-olio con lo stesso contenuto energetico di circa 4 litri di benzina si aggirano intorno ad 1 $), le sue qualità come combustibile così com’è sono scarse. Il contenuto di ossigeno e di acqua è elevato (fino al 60% del peso per il primo e 25-50% per la seconda), così come l’acidità dell’olio che lo rende corrosivo; inoltre non può essere addizionato direttamente alle benzine tradizionali perché risulta immiscibile con i derivati del petrolio. Per funzionare con i motori tradizionali ed essere compatibili con le benzine, gli oli di pirolisi dovrebbero subire un secondo trattamento allo scopo di de-ossigenare la miscela di composti in essi contenuti. Purtroppo fino ad ora nessuno dei processi proposti per questo trattamento di de-ossigenazione è risultato applicabili su scala commerciale, principalmente per il fatto che producono basse rese di bio-olio dopo il trattamento. Una delle possibilità è per esempio la de-ossigenazione degli oli di pirolisi mediante *zeoliti,* cioè minerali naturali o sintetici a base di silicio o alluminio con al loro interno cavità molto regolari, utilizzati come catalizzatori per il processo; il problema però è che se i pori del catalizzatore sono troppo grandi, possono essere “tappati” dal char e dalle altre sostanze prodotte nella pirolisi, mentre se sono troppo piccoli danno rese di bio-olio molto basse (circa il 20%)
Verso la fine di novembre, un articolo pubblicato su Science dal team del *prof. Huber* dell’Università del Massachusetts ha aperto nuove prospettive, delineando una strategia che appare vincente e commercialmente applicabile. Il processo di de-ossigenazione con zeoliti viene diviso in due parti: in una prima fase l’olio di pirolisi è idrogenato utilizzando catalizzatori di platino e rutenio e producendo in questo modo un mix di composti meno acidi e più stabili, come polioli e alcoli; nella seconda fase l’olio è trattato con una speciale classe di zeoliti, le ZSM-5 sviluppate dalla Mobil Oil nel 1975 e da allora largamente utilizzate nelle raffinerie di petrolio, che sono a questo punto in grado di convertire circa il 60% dei composti presenti nell’olio in 5 composti chimici chiave: *benzene, toluene, xilene, propilene ed etilene.* Questi composti rappresentano i _big five_ che insieme al metanolo e all’1,3-butadiene sono alla base dell’industria petrolchimica americana, con un mercato di *80 miliardi di dollari all’anno.* In pratica sono i mattoni costituenti la stragrande maggioranza di tutti i beni di consumo che quotidianamente ci accompagnano, come ad esempio le plastiche. In realtà il processo di pirolisi catalitica con zeoliti utilizzato dal gruppo di Huber non è niente di nuovo: da decenni le industrie chimiche usano lo stesso procedimento per convertire il petrolio in un’ampia gamma di composti chimici di interesse; si tratterebbe di una tecnologia ormai “matura”, se non fosse che i risultati ottenibili semplicemente applicando questa tecnologia alle biomasse sono notevoli. Sebbene il fine e il mezzo siano gli stessi, cioè ottenere combustibili e composti chimici di interesse mediante trattamenti termochimici, è il punto di partenza di una bio-raffineria basata sulla pirolisi rispetto ad una raffineria chimica che fa la differenza: fonti in via di esaurimento contro fonti rinnovabili.
Nel 2009 il professor Huber ha fondato una compagnia, la Anellotech, proprio con lo scopo di commercializzare la pirolisi catalitica di biomasse per ottenere direttamente combustibili. Secondo Huber le potenzialità sono grandi perché _“la pirolisi catalitica può fornire fino a 200 litri di composti chimici per tonnellata di legno o biomassa, con una resa del 40%”._ Senza dimenticare che una piccola bio-raffineria con un pirolizzatore può essere dislocata nelle vicinanze per esempio di un campo di grano, raccogliere gli scarti della raccolta, pirolizzarli con un processo che non dura più di 2 minuti, ed ottenere una “tripletta” di prodotti commerciabili ed utili per il proprio sostentamento energetico e dal punto di vista agronomico (il char può essere addizionato ai suoli aumentandone il contenuto di carbonio organico e la fertilità).

La notizia che ci conforta è che l’Italia non sta a guardare, anzi: le eccellenze scientifiche nel settore della pirolisi come tecnica per il trattamento sostenibile di fonti rinnovabili ci sono eccome! Il *professor Daniele Fabbri,* dell’Università di Bologna, e il suo gruppo, non a caso chiamato _“Pyro-team”,_ da anni lavora sulla pirolisi e su tutte le possibili applicazioni, dal macro al micro, instaurando importanti collaborazioni industriali e con gruppi di ricerca internazionali, e soprattutto ottenendo brillanti risultati su diversi fronti: dalla pirolisi di microalghe per la sintesi di biocombustibili, alla scoperta di nuove molecole ottenibili dalla pirolisi di cellulosa e con una potenziale attività biologica molto importante; dall’analisi degli idrocarburi policiclici aromatici nel char e nel bio-olio prodotti in pirolisi, all’applicazione della pirolisi come tecnica analitica per i beni culturali.
Che la pirolisi, la scissione con il fuoco, sia una chiave di volta per il futuro successo delle biomasse nel panorama delle energie pulite? Di sicuro qualcuno ci aveva già pensato prima di noi:
_“Coro: sicché il fuoco fiammante hanno gli effimeri ?_
_Prometeo: e molte arti da quello apprenderanno.”_
Dal “Prometeo incatenato”, Eschilo