La pirolisi (o piroscissione) è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l’applicazione di calore e in completa assenza di un agente ossidante (normalmente ossigeno). In pratica, se si riscalda il materiale in presenza di ossigeno avviene una combustione che genera calore e produce composti gassosi ossidati; effettuando invece lo stesso riscaldamento in condizioni anaerobiche (totale assenza di ossigeno), il materiale subisce la scissione dei legami chimici originari con formazione di molecole più semplici. Il calore fornito nel processo di pirolisi viene quindi utilizzato per scindere i legami chimici, attuando quella che viene definita omolisi termicamente indotta. Tra i principali processi pirolitici sfruttati su larga scala spiccano il cracking industriale e il trattamento termico dei rifiuti. Prima del 1925 la pirolisi del legno costituì la fonte principale di metanolo.

La pirolisi nella storia

La pirolisi (impropriamente chiamata dissociazione molecolare) è conosciuta fin dai tempi degli Egizi come tecnica per la produzione di carbonella da legno. I carbonari, nelle “carbonaie” rese famose da Cassola, utilizzavano il gas di pirolisi come avvisatore.

Finché il processo pirolitico era attivo, i gas pirolitici prodotti mantenevano in tensione la volta della carbonaia, disperdendosi in aria da un piccolo foro nella volta stessa; a processo concluso quando tutta la legna era convertita in carbonella, la pressione del gas veniva a mancare e la carbonaia implodeva su se stessa.

Al contrario i moderni impianti pirolitici hanno come produzione primaria proprio quel gas per altro dimostratosi un ottimo combustibile.

Un più recente esempio sono i forni autopulenti che ritroviamo nelle cucine delle nostre case e dove il processo pirolitico gassifica le incrostazioni grasse sulle pareti del forno facendole sparire per poi disperderle in aria all’apertura del forno.

Vantaggi e benefici della PIROLISI

  • Trasformazione di un combustibile in uno più pregiato
  • Flessibilità di utilizzo del syngas prodotto, con rese energetiche elevate
  • Ridotte quantità di fumi, costi di manutenzione inferiori
  • Fumi con ridotte quantità di nanoparticelle inquinanti, vapori di sali e metalli, nox
  • Formazione di diossine e furani praticamente assente
  • Possibilità di trattamento di materiali molto eterogenei
  • Grande affidabilità della pirolisi lenta e solidità delle esperienze maturate
PIROLISI: perché non in passato?
  • Relativa semplicità del processo di combustione tradizionale
  • Presunta complessità del processo pirolitico
  • Minore consapevolezza del problema rifiuti nella popolazione
  • Minore conoscenza dei vantaggi della tecnologia pirolitica da parte dei soggetti autorizzatori e non conoscenza della tecnologia da parte della popolazione
  • Convinzione che il problema del trattamento rifiuti (32.000.000 t/anno di RSU in Italia) non si possa risolvere con molti impianti di piccole-medie dimensioni

PIROLISI: perché oggi?

  • Tecnologia versatile e a bassissimo inquinamento ambientale (no ossigeno = no emissioni inquinanti)
  • Ridotte o ridottissime dimensioni degli impianti
  • Ridotto bacino di raccolta con minore impatto sul trasporto rifiuti (= minore inquinamento)
  • Possibilità di gestione locale dei rifiuti anche per piccole comunità (= accettazione)
  • Il rifiuto da problema diventa risorsa (occupazione locale, recupero energia elettrica e termica)
  • Impianti producibili in piccole serie con minori costi specifici
  • Ridotti costi di manutenzione
  • Investimenti alla portata di investitori privati (società miste pubblico-privato)
  • Riduzione costo servizio rifiuti a livello locale
  • Maggiore accettazione da parte della popolazione e riduzione tensioni sociali

Trattamento dei rifiuti

La pirolisi dei rifiuti, utilizzando temperature comprese tra 400 e 800 °C, converte il materiale dallo stato solido in prodotti liquidi (cosiddetto tar o olio di pirolisi) e/o gassosi (syngas), utilizzabili quali combustibili o quali materie prime destinate a successivi processi chimici. Il residuo carbonioso solido ottenuto può venire ulteriormente raffinato fornendo prodotti quali ad esempio il carbone attivo. I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione. Un pirolizzatore si differenzia da un gassificatore in quanto lavorando in assenza di ossigeno (spesso si sfrutta un flusso caldo di un gas inerte quale l’azoto) attua la pirolisi propriamente detta, mentre un gassificatore in realtà lavorando in presenza di piccole quantità di ossigeno realizza anche una parziale ossidazione e come tecnologia rappresenta una via di mezzo tra l’inceneritore e il pirolizzatore.

GraficoProcessoPirolisi

Uno dei maggiori problemi legati alla produzione di energia basata sui prodotti della pirolisi è la qualità di detti prodotti, che non ha ancora raggiunto un livello sufficientemente adeguato con riferimento alle applicazioni, sia con turbine a gas sia con motori diesel. In prospettiva, anche con riferimento alle taglie degli impianti, i cicli combinati ad olio pirolitico appaiono i più promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre motori a ciclo diesel, utilizzanti prodotti di pirolisi, sembrano più adatti ad impianti di piccola potenzialità.

La pirolisi diretta viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, ecc.). La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa e lignina) e con contenuti di acqua inferiori al 35%. I prodotti utilizzabili a tale scopo sono i seguenti:

  • legname in tutte le sue forme;
  • paglie di cereali;
  • residui di raccolta di legumi secchi;
  • residui di piante oleaginose (ricino, cartamo, ecc.);
  • residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, ecc.);
  • residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali;
  • residui dell’industria agro-alimentare

Le caldaie a letto fluido rappresentano la tecnologia più sofisticata e dispendiosa che sta ricevendo, però, notevoli attenzioni; infatti essa permette il conseguimento di numerosi vantaggi quali la riduzione degli inquinanti e l’elevato rendimento di combustione.

Esistono molte tecnologie particolari: il sistema Thermofuel®, ad esempio, permette di ottenere, a partire dalla plastica, gasolio sintetico attraverso pirolisi condotta a temperature più basse (370-420 °C). La pirolisi può essere anche utilizzata come parte integrante di altri processi quali il trattamento meccanico-biologico e la digestione anaerobica.

La pirolisi per la produzione di biocarburanti

Alcune tecniche particolari di pirolisi sono allo studio per la realizzazione dei “biocarburanti di seconda generazione”.

La tecnica allo studio in Francia riguarda il pretrattamento della biomassa vegetale con la pirolisi “flash” per ottenere olio combustibile. Questo sistema richiede però notevoli volumi di biomassa, e si cerca quindi di affinare metodi di lavoro che consentano di trattare la biomassa lontano dalle centrali (direttamente sui luoghi di raccolta) per ridurre i costi. Con la pirolisi “flash” si può convertire la biomassa in un particolare olio che viene successivamente convogliato presso una centrale che produce il carburante.

Anche in Germania invece il metodo allo studio (definito “bioliq”) intende realizzare biocombustibili dopo aver trattato in sito la biomassa. L’olio intermedio (“biosyncrude“) è caratterizzato da alta densità, cosa che consente di abbattere i costi di trasporto. La biomassa è trasformata attraverso la pirolisi in biosyncrude per mezzo di un riscaldamento effettuato in ambiente privo di aria. Alla fine del processo è possibile ottenere combustibile diesel, idrogeno e metanolo.

LA PIROLISI: FONTE ENERGETICA RINNOVABILE

Questa breve relazione porterà alcuni argomenti a sostegno del gas di pirolisi (gas di sintesi) o più propriamente syngas o comunemente definito anche gas da dissociazione molecolare, come fonte energetica rinnovabile a basso impatto ambientale e con notevoli benefici per la comunità.

La pirolisi e la dissociazione molecolare

Si rende necessaria una particolare attenzione alle definizioni al fine di non portare a considerare il contrario di ciò che è stato detto.

Attualmente si parla di dissociazione molecolare, ma il termine è improprio o meglio piuttosto omnicomprensivo. Le reazioni chimiche infatti sono il prodotto di associazioni e/o dissociazioni molecolari: le molecole si scindono per ricomporsi in altre molecole o, ancor più semplicemente, si ricompongono in altre molecole. La dissociazione molecolare rappresenta un termine generico non sufficiente a descrivere i fenomeni che si sviluppano durante la pirolisi.

Le reazioni chimiche che avvengono a seguito della combustione appartengono anch’esse alla stessa categoria per cui si potrebbe definire impianto di dissociazione molecolare anche un comune termovalorizzatore.

E’ piuttosto comune confondere il sistema pirolitico basato su reazioni indotte in totale assenza di ossigeno, con i più conosciuti gassificatori che al contrario utilizzano discrete quantità di ossigeno (aria o vapore aggiunto secondo esigenze stechiometriche di reazione) per accelerare le reazioni di dissociazione della materia. La gassificazione necessita di controlli e tarature sulla base delle tipologie dei materiali in ingresso quasi sempre fortemente eterogenei.

La tecnologia pirolitica al contrario non subisce influenza da parte di eterogeneicità dei materiali entranti (condizione necessaria comunque è garantire la derivazione organica dei materiali e una bassa percentuale di umidità).

Lavorare in totale assenza di ossigeno mediante tecnica pirolitica permette di sottrarre considerevoli quantità di CO2 all’ecosistema rispetto all’utilizzo di tecniche convenzionali.

Il gas di pirolisi e il gas da discarica

E’ universalmente accertato che i rifiuti, specie quelli di natura organica, lasciati in discarica sviluppano gas ed in particolar modo metano, un potenziale effetto serra di circa 20 volte superiore alla CO2.

A differenza dei gas da discarica che liberamente e senza alcun controllo vengono emessi in atmosfera, i gas di pirolisi vengono prodotti in modalità controllata nel reattore di pirolisi minimizzando i rischi di inquinamento, ottimizzando la totale captazione dei gas prodotti.

Il gas di pirolisi e i rifiuti

Un italiano produce in media 1,46 kg di rifiuti al giorno. In seguito a tutte le differenziazioni per avviare al riciclo tutto il possibile (fatta eccezione della pirolisi in grado di smaltire qualsiasi materiale con umidità relativamente bassa), restano circa 0,4 kg di CDR (previa opportune raffinazioni).

Un impianto pirolitico da 3,5 MWh nominali smaltisce 37.500 tonnellate annue di CDR, pari alla produzione media di CDR di una città di circa 250.000 abitanti e con una produzione di 26.250 MW equivalente a 2.250 TEP (Tonnellate Equivalenti di Petrolio risparmiato).

Si aggiunga che l’impianto pirolitico non produce residui di lavorazione: tutto il materiale in ingresso viene smaltito, senza gravare sulle discariche già così pesantemente utilizzate anche gli stessi scarti, in gran parte composti dalla CO2 inutilizzata, vengono vetrificati.

Il vetrificato inerte è poi utilizzato per la fabbricazione di sottofondi stradali o per altri impieghi civili simili. Il risultato è un ciclo energetico che si chiude capace di smaltire direttamente in loco i rifiuti prodotti senza dover dipendere da discariche al di fuori dei confini nazionali e di utilizzare una filiera territorialmente corta, impostando per la popolazione maggiori politiche di informazione e consapevolezza circa il riciclo dei rifiuti.

Il gas di pirolisi e la Direttiva Europea

La Direttiva Europea 2006/12/CE del 5 Aprile 2006, dà indicazione precise sulla gestione dei rifiuti, al fine di privilegiare processi efficaci ed innovatovi che adattino l’evoluzione tecnologica agli scenari di produzione di rifiuti presenti nel territorio.

Specificamente è richiesto a ogni Stato membro che:

  • Incentivi la valorizzazione del rifiuto come materia prima
  • Raggiunga l’autonomia nell’eliminazione dei rifiuti
  • Riduca al minimo i trasporti di rifiuti
  • Ottimizzi i processi di smaltimento che minimizzino l’impatto ambientale

In questa prospettiva è stata formata una Commissione Europea, “Refuse Derived Fuel, Current Practice and Perspectives”, che evidenzia il vantaggio di sostituire combustibili fossili con CDR, sempre che siano garantiti i limiti delle emissioni prodotte.

Da sottolineare anche che questa sostituzione di combustibili fossili ha vantaggi ambientali ed economici significativi pure quando viene comparata con la combustione diretta dei rifiuti, per esempio nei termovalorizzatori.

E’ fondamentale capire cos’è il CDR. La definizione adottata dalla Commissione Europea nel luglio del 2003 è:

“Il CDR, combustibile derivato dai rifiuti (in inglese RDF, Refuse Derived Fuel) è composto da tutti i rifiuti con elevato potere calorico che, non potendo essere passibili di una valorizzazione materiale, finirebbero per essere portati in discarica, ma che dopo un processo realizzato in accordo con criteri, regolamenti, norme e specifiche tecniche appropriate, è trasformato in combustibile secondario utilizzato negli impianti per la produzione di energia per i processi produttivi”.

Quindi il prodotto classificato come CDR è un prodotto al termine della filiera del riciclo (non più riciclabile direttamente) ma che può trasformarsi in un altro prodotto se ulteriormente lavorato in una determinata forma.

Chiarito che l’alternativa unica del rifiuto originario non ulteriormente lavorato sarebbe stato l’approdo in discarica, o eventualmente l’incenerimento diretto nonostante le raccomandazioni contrarie della Commissione Europea, il CDR in qualità di combustibile secondario, attualmente, può prestarsi a diversificati utilizzi (comunque bruciato insieme a un altro combustibile definito principale):

  • Usato per produrre energia in impianti dedicati, dove il combustibile principale, o di origine fossile o biogas, serve solo per garantire la temperatura di combustione sopra il limite di formazione delle diossine.
  • Usato nei cementifici in percentuali più o meno alte rispetto al combustibile fossile primario.
  • Usato in unità industriali come integratore del combustibile primario fossile.

L’impianto pirolitico introduce una via di utilizzo del CDR completamente distinta da quelle sopra elencate sommando un ulteriore processo alla trasformazione del rifiuto in risorsa: il Processo Pirolitico porta infatti alla scomposizione molecolare del materiale (CDR) in ingresso.

La materia prima CDR non è più considerata un combustibile secondario bensì una materia prima che viene trasformata, a livello molecolare, in gas di pirolisi, di composizione equiparabile al biogas. Questa ulteriore affinazione della materia permette di ottenere un prodotto, che è un combustibile primario, completamente differente dal rifiuto originario sino ad un livello molecolare.

In tal modo la materia prima CDR non è più considerata un combustibile secondario bensì una materia prima che viene trasformata a livello molecolare in gas di pirolisi con una composizione similare al biogas.

Questa ulteriore affinazione della materia permette di ottenere un prodotto che è un combustibile

primario completamente differente dal rifiuto originario sino a livello molecolare. Il syngas rispetto al biogas è più ricco in idrogeno e contiene idrocarburi a catena semplice e ciclica.

Sebbene il syngas abbia minor potere calorico dei comuni combustibili fossili, dovuto ad una più difficile reazione di starter, mediante l’evoluzione del processo e’ possibile utilizzarlo direttamente senza starter.

Il risultato è energia in forma meno inquinante se comparata a quella prodotta da combustibili di origine fossile.

La riduzione esponenziale di carichi inquinanti non è ottenuta aggiungendo filtri o dispositivi più o meno complessi, ma semplicemente eliminando all’origine la fonte dell’inquinamento.

Le molecole pericolose e inquinanti che sono più pesanti dell’idrogeno, carbonio e ossigeno, non vengono trasformate in gas ma restano alla stato solido e vetrificate alla fine del processo di trasformazione molecolare. Non ci sono ceneri, nano-particelle, fumi incombusti, diossine, furani o quanto altro che si liberano in atmosfera alla fine del ciclo di trasformazione.

Ovviamente il processo per essere ambientalmente sostenibile come descritto, è tecnologicamente raffinato e richiede un controllo di gestione e l’uso di macchinari ben più sofisticati di un semplice inceneritore o forno.

Il gas di pirolisi e l’inquinamento

Al di là dell’abbattimento delle emissioni di CO2 e della maggiore sostenibilità in termini di minore inquinamento, che rendono gli impianti pirolitici una valida alternativa ai comuni termovalorizzatori, quello che qualifica come “sostenibile” l’energia prodotta da gas di sintesi è la tabella degli inquinanti tutti fortemente al di sotto delle soglie massime:

Schermata 2013-08-21 alle 16.48.40

Il gas di pirolisi e la società

I principali benefici dell’utilizzo del gas di pirolisi per la produzione di energia sono:

  • La diminuzione della dipendenza dai combustibili fossili, con un effetto positivo anche sulla bilancia dei pagamenti grazie alle riduzioni di importazioni dei combustibili.
  • Il rispetto della Direttiva Europea che consiglia la minimizzazione del ricorso al trasporto su ruote, riduzione dell’inquinamento, miglioramento della qualità ambientale e di vita senza ricorso a politiche troppo rigide nei tagli, pur doverosi, dei consumi.
  • L’aumento dell’occupazione (un impianto pirolitico da 2 MWh nominali con un potenziale di conferimento di 50 t/d di CDR prevede circa 12 addetti).

Conclusioni

Il gas di pirolisi si rivela una fonte energetica pulita e sostenibile in grado di offrire una valida alternativa in termini di risorsa energetica per la comunità, per l’ambiente e per l’economia.