Cos'è un synfuel?

Questo impianto da carbone a combustibile liquido in Sud Africa è il più grande impianto di combustibili sintetici al mondo. È anche il più grande emettitore di anidride carbonica del pianeta. Per-Anders Pettersson / Getty Images

Le discussioni sull'indipendenza energetica, sulle energie rinnovabili e sui pericoli delle emissioni di carbonio sono diventate una parte importante del discorso politico negli Stati Uniti. Tutti, dal presidente al ragazzo che tiene il cartello "nessuna guerra per il petrolio" durante una protesta pubblica, sembrano interessati a come trovare alternative ai combustibili fossili. Ma non tutti i sostituti sono creati uguali. Alcuni sono migliori per l'ambiente; alcuni non lo sono. Alcuni sono fonti di energia rinnovabile; alcuni non lo sono. Combustibili sintetici, aka synfuels, sono solo una delle tante soluzioni sul tavolo per risolvere la crisi energetica in via di sviluppo.

In questo caso, però, il termine "sintetico" può essere fuorviante. Non significa necessariamente che i combustibili siano innaturali o artificiali. La US Energy Information Administration definisce un combustibile sintetico come qualsiasi combustibile "prodotto da carbone, gas naturale o biomassa materie prime tramite conversione chimica "[fonte: US Energy Information Administration]. Tale conversione crea sostanze chimicamente identiche al petrolio greggio o ai combustibili trasformati, ma sono state sintetizzate con mezzi artificiali. Il petrolio greggio convenzionale si trova naturalmente nell'ambiente e viene utilizzato per produrre una varietà di combustibili come benzina e diesel. Le materie prime per combustibili sintetici, le materie prime utilizzate per produrre synfuels, devono essere sottoposte a intensi cambiamenti chimici e fisici per essere utilizzabili come petrolio greggio o combustibile trasformato.

La storia di synfuels risale a più indietro di quanto si potrebbe pensare, sebbene la ricerca e lo sviluppo abbiano raggiunto il picco negli ultimi anni. I Synfuels furono studiati per la prima volta in Germania nel 1923, quando due scienziati svilupparono un processo chiamato Reazione di Fischer-Tropsch. Il processo, che hanno chiamato per se stessi, prevede la conversione del gas in combustibili liquidi. Sebbene esistano alternative al processo Fischer-Tropsch, è il metodo più ampiamente testato e ampiamente utilizzato per la creazione di synfuels oggi.

Storicamente, i carburanti sintetici sono stati ampiamente utilizzati per la prima volta per alimentare i veicoli militari nella Germania della seconda guerra mondiale. Le limitate riserve di petrolio tra le potenze dell'Asse rendevano le opzioni sintetiche un'alternativa necessaria [fonte: Becker]. Negli anni '70, i carburanti sintetici sono stati oggetto di numerose ricerche negli Stati Uniti nel mezzo di una diffusa penuria di petrolio. Quella ricerca alla fine si è interrotta, ma recentemente ha visto un altro picco, poiché le preoccupazioni sull'indipendenza energetica e la sostenibilità sono diventate importanti punti di discussione politici. Altri paesi hanno utilizzato i synfuels in modo più estensivo. Ad esempio, in Sud Africa, i carburanti sintetici a base di carbone e gas naturale sono stati una parte importante dell'economia petrolifera per 30 anni.

Per scoprire i diversi tipi di synfuels e come ciascuno di essi viene prodotto, continua a leggere.

Le sabbie bituminose contengono una forma di petrolio che viene estratta attraverso l'estrazione a cielo aperto. Veronique de Viguerie / Getty Images

Per capire come le varie materie prime possono essere convertite in combustibili sintetici liquidi, è necessario prima capire come funziona il carburante. Il petrolio e prodotti come la benzina ricavati dal petrolio sono costituiti da lunghe catene di molecole organiche chiamate idrocarburi (perché contengono idrogeno e carbonio). Quando questi idrocarburi vengono bruciati, si decompongono e rilasciano energia, che viene utilizzata per alimentare i motori di automobili, camion, aerei, ecc. La maggior parte del materiale organico, inclusi petrolio, carbone, gas naturale, rifiuti vegetali e liquami, contiene idrocarburi. I motori di oggi sono stati progettati per funzionare con carburanti derivati ​​dal petrolio come la benzina. Affinché i combustibili sintetici funzionino in quei motori, i loro idrocarburi devono essere ristrutturati in modo che assomiglino agli idrocarburi presenti nel petrolio e nei prodotti petroliferi.

Esistono fondamentalmente due categorie di combustibili sintetici, oli grezzi sintetici (sincronia), e Liquidi Fischer-Tropsch.La prima categoria comprende materie prime e processi utilizzati per la produzione sincronia, o petrolio greggio sintetico. Il petrolio greggio sintetico può essere utilizzato per gli stessi scopi del petrolio greggio convenzionale. È usato come materia prima. Come il petrolio greggio convenzionale, il syncrude deve essere raffinato e lavorato per produrre le varie forme di combustibili commerciali a base di petrolio come diesel, benzina e cherosene.

Le tre fonti più popolari di sincronia sono olio extra pesante, scisti bituminosi e sabbie bituminose. Ciascuno di questi materiali è presente in natura, proprio come l'olio convenzionale, ma ha proprietà fisiche e quantità di impurità diverse. Ad esempio, lo scisto bituminoso è una roccia e le sabbie bituminose sono una miscela catramosa di sabbia e la sostanza contenente olio bitume. Queste materie prime sincrone sono esposte a vari livelli di calore, pressione e manipolazione fisica per produrre una sostanza con la stessa disposizione di idrocarburi del petrolio greggio naturale.

La lavorazione di materie prime sincere tende a danneggiare l'ambiente. Poiché richiedono più lavorazioni rispetto al petrolio greggio, creano più CO₂ emissioni e altri inquinanti [fonte: Dipartimento degli interni degli Stati Uniti]. Inoltre, la raccolta della materia prima comporta spesso pratiche ambientali dannose come l'estrazione di nastri. Un vantaggio dei combustibili syncrude come alternativa al petrolio è che il mondo contiene notevoli riserve non sfruttate di petrolio extra-pesante, scisti bituminosi e sabbie bituminose. Ovviamente, come il petrolio, quelle risorse non sono sostenibili. Anche loro finiranno prima o poi.

Continua a leggere per scoprire come vengono prodotti i carburanti sintetici Fischer-Tropsch.

Il secondo tipo di combustibili sintetici, comunemente indicati come liquidi Fischer-Tropsch, utilizza materie prime che possono essere convertite direttamente in combustibili liquidi commercialmente validi, saltando essenzialmente la fase di sincronia. Le materie prime più comuni utilizzate per produrre carburanti sintetici Fischer-Tropsch includono gas naturale, carbone e biomassa (piante e rifiuti vegetali). Nella sintesi F-T, la materia prima è soggetta a calore molto elevato - 1.900 gradi Fahrenheit (1.037,7 gradi Celsius) o superiore - e pressione per produrre una miscela di monossido di carbonio e idrogeno chiamata gas di sintesi (o syngas) [fonte: Van Bibber]. Questa fase del processo rende i combustibili liquidi Fischer-Tropsch molto più puliti dei combustibili prodotti da greggio o sincrudo. Le impurità come i metalli pesanti possono essere facilmente rimosse dal gassificatore dopo che il syngas è stato filtrato. I gas come il carbonio e lo zolfo possono essere filtrati in modo che non diventino inquinanti quando il carburante brucia.

Successivamente, il gas di sintesi viene condensato in forma liquida. Sempre sotto pressione e calore elevato, viene introdotto nel processo un catalizzatore, solitamente un composto contenente ferro o cobalto. Il catalizzatore innesca una reazione chimica tra l'idrogeno e il monossido di carbonio, creando lunghe catene di idrocarburi. Catalizzatori diversi possono produrre diverse strutture di idrocarburi. Questi idrocarburi vengono quindi raffreddati e condensati in forma liquida e filtrati. Insieme alle forme sintetiche di gasolio o benzina, la sintesi Fischer-Tropsch può produrre lubrificanti industriali, cherosene e altri prodotti.

Rispetto ai prodotti syncrude, i liquidi Fischer-Tropsch bruciano in modo molto più pulito. Questi carburanti sintetici non hanno quasi emissioni di particolato, contengono meno ossido di azoto rispetto ai combustibili tradizionali e meno emissioni di monossido di carbonio [fonte: US Environmental Protection Agency]. Naturalmente, quei carburanti sintetici che utilizzano risorse rinnovabili come materia prima (come la biomassa) sono migliori per l'ambiente nel lungo periodo rispetto a quelli che utilizzano combustibili fossili come materia prima.

Il governo degli Stati Uniti ha un interesse acquisito nei carburanti sintetici, poiché ha accesso abbondante a materie prime come carbone, gas naturale e rifiuti vegetali. Prendendo in considerazione solo una varietà di synfuel, ci sono circa 1,3 gigatonnellate di biomassa inutilizzata negli Stati Uniti che potrebbero essere utilizzate per produrre synfuels [fonte: Coal-to-Liquids Coalition]. Quindi, le forze armate statunitensi e altre agenzie governative negli ultimi anni hanno spinto alla ricerca di synfuels. Anche altri paesi come la Cina e la Germania hanno recentemente investito nell'esplorazione della tecnologia synfuel [Fonte: US Energy Information Administration]. Sebbene la tecnologia dei combustibili sintetici sia promettente, costa molto di più da produrre rispetto alla benzina dal petrolio. Quindi, molto probabilmente non sostituirà il petrolio a meno che i prezzi del petrolio non aumentino drasticamente.

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Altri ottimi link

• Notizie dal carbone ai liquidi
• Notizie dalla biomassa ai liquidi
• Notizie Gas-to-Liquids
• Documenti del laboratorio nazionale per le energie rinnovabili
• Archivio Fischer-Tropsch
• Dipartimento per l'energia degli Stati Uniti, data center per combustibili alternativi

fonti

• Becker, Peter W. "Il ruolo del carburante sintetico nella Germania della seconda guerra mondiale. Implicazioni per oggi?" Air University Review. Luglio-agosto 1981 (10 dicembre 2010) http://www.airpower.maxwell.af.mil/airchronicles/aureview/1981/jul-aug/becker.htm
• Coal to Liquids Coalition. "Processo di produzione di combustibili sintetici". (10 dicembre 2010) http://www.futurecoalfuels.org/documents/022208_synth_fuels_production_sheet.pdf
• Ufficio del governatore del Montana. "Domande frequenti sul carburante sintetico". (10 dicembre 2010) http://governor.mt.gov/hottopics/faqsynthetic.asp
• Schubert, Paul. "Sviluppo del moderno processo Fischer-Tropsch". Archivio Fischer-Tropsch. 29 agosto 2001 (10 dicembre 2010) http://www.fischer-tropsch.org/primary_documents/presentations/acs2001_chicago/chic_slide10.htm
• Speight, James G. "Manuale dei combustibili sintetici". McGraw-Hill. 2008.
• Synthetic Fuels Corporation. "Produzione di carburante sintetico". (10 dicembre 2010) http://syntheticfuelscorp.com/html/synthetic_fuel.html
• Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. "Il processo Fischer-Tropsch". Data Center per carburanti alternativi e veicoli avanzati. (10 dicembre 2010) http://www.afdc.energy.gov/afdc/fuels/emerging_diesel_process.html
• Ufficio dell'energia fossile del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, National Energy Technology Laboratory. "Fischer-Tropsch Fuels". Aprile 2008. (10 dicembre 2010) http://www.netl.doe.gov/publications/factsheets/rd/R&D089.pdf
• * Dipartimento degli interni degli Stati Uniti, Bureau of Land Management. "A proposito di Oil Shale." Dichiarazione programmatica sull'impatto ambientale di scisti bituminosi e sabbie bituminose. (10 dicembre 2010) http://ostseis.anl.gov/guide/oilshale/
• * Dipartimento degli interni degli Stati Uniti, Bureau of Land Management. "A proposito di Tar Sands." Dichiarazione programmatica sull'impatto ambientale di scisti bituminosi e sabbie bituminose. (10 dicembre 2010) http://ostseis.anl.gov/guide/tarsands/index.cfm
• Energy Information Administration degli Stati Uniti. "Annuale Energy Outlook 2006: problemi in primo piano". 14 febbraio 2006 (10 dicembre 2010) http://www.eia.doe.gov/oiaf/archive/aeo06/pdf/issues.pdf
• Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti. "Combustibili alternativi puliti: Fischer-Tropsch". Marzo 2002. (10 dicembre 2010) http://www.afdc.energy.gov/afdc/pdfs/epa_fischer.pdf
• Van Bibber, Lawrence. "Valutazione tecnica ed economica di base di un impianto per liquidi Fischer-Tropsch su scala commerciale". National Energy Technology Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. 9 aprile 2007 (10 dicembre 2010) http://www.netl.doe.gov/energy-analyses/pubs/Baseline%20Technical%20and%20Economic%20Assessment%20of%20a%20Commercial%20S.pdf