Con lo stop alla produzione di veicoli con motori diesel e benzina dal 2035 in Europa, il dibattito sui carburanti alternativi si è intensificato, portando e-fuel e biocarburanti sotto i riflettori come le soluzioni più promettenti per il futuro della mobilità. È fondamentale precisare che la normativa europea impone la vendita di auto a zero emissioni solo per i veicoli nuovi, pertanto, le auto con motore endotermico acquistate fino al 31 dicembre 2034 potranno continuare a circolare. Tuttavia, queste due nuove tipologie di combustibili, teoricamente a zero emissioni di CO2, stanno generando confusione sulla loro origine e sollevando interrogativi riguardo all'inquinamento e ai processi produttivi. Questo articolo si propone di offrire una visione approfondita e basata su fatti, mettendo in evidenza i vari tipi di bioenergia e fornendo informazioni sugli sviluppi attuali e le sfide, per trasmettere una comprensione completa della mobilità e della produzione di energia al di là dei combustibili fossili.
E-fuel e Biocarburanti: Le Differenze Fondamentali
Comprendere la distinzione tra e-fuel e biocarburanti è essenziale per navigare nel panorama dei carburanti alternativi. Sebbene entrambi siano concepiti per ridurre l'impatto ambientale, le loro origini e processi di produzione sono radicalmente diversi.
Gli E-fuel: La Benzina Sintetica a Zero Emissioni
Gli e-fuel, abbreviazione di electrofuel, sono un carburante liquido o gassoso prodotto combinando chimicamente idrogeno e anidride carbonica. Il processo inizia con l'elettrolisi dell'acqua, da cui viene ottenuto l'idrogeno. La successiva miscelazione di questo idrogeno con l'anidride carbonica e alcune sostanze catalizzanti produce e-metanolo, trasformabile a sua volta attraverso processi successivi in e-kerosene, adatto ad alimentare gli aerei, e in e-fuel, idoneo per i motori a combustione interna.
Le benzine sintetiche si differenziano dai carburanti tradizionali perché, durante il loro ciclo produttivo, utilizzano fonti di energia rinnovabile (solare, eolica, geotermica, idrica) per attivare l'elettrolisi e richiedono enormi quantità di acqua, quasi due litri per ottenerne uno di e-fuel. Il motivo per cui gli e-fuel sono effettivamente a zero emissioni di CO2 risiede nel fatto che le emissioni nocive future dei carburanti sintetici sono pari alla quantità di CO2 prelevata dall'atmosfera per produrre il carburante, garantendo così un bilancio carbonico pari a zero.
Tra i vantaggi dei carburanti sintetici e-fuel ci sono le emissioni ridotte di gas serra e la loro compatibilità con i motori termici esistenti, eliminando la necessità di modificare i motori attuali delle auto. Inoltre, gli e-fuel hanno le stesse proprietà chimiche della benzina, il che significa che non richiedono la creazione di nuove reti infrastrutturali di rifornimento e offrono un potenziale salvataggio per l'intero parco circolante.
Tuttavia, tra gli svantaggi si annoverano il costo elevato e la richiesta di molta energia elettrica e acqua per produrli, che deve essere garantita da fonti rinnovabili. Attualmente, l'e-fuel non è in vendita per diverse ragioni, prima fra tutte il suo costo elevato, che supera i 10 euro al litro. Un altro fattore che incide sulla commercializzazione è la scarsa presenza di stabilimenti capaci di produrlo e di sperimentare questo nuovo combustibile. Nel mondo esistono davvero poche aziende produttrici di e-fuel, motivo per cui non è ancora possibile trovarlo in commercio.
Il brand che più di tutti sta investendo e comunicando sugli e-fuels è Porsche, che attraverso il suo impianto pilota "Haru Oni" in Cile, sta sfruttando i forti venti della Patagonia per produrre idrogeno verde e, di conseguenza, e-fuel. L'obiettivo non è solo produrre carburante, ma dimostrarne la fattibilità su scala industriale.
I Biocarburanti: Energia dalle Biomasse
I biocarburanti sono prodotti dalle biomasse, cioè dagli scarti di materia organica generata da piante e animali. Questi scarti provengono da diverse fonti, tra cui le industrie agroalimentari, i rifiuti organici urbani, i residui di legna e ramaglie e altro ancora.
I biocarburanti di seconda generazione sono considerati carbon neutral perché, quando vengono usati per alimentare i motori termici, producono anidride carbonica già presente nelle biomasse di partenza, catturata in precedenza dalle piante durante la fotosintesi. Si dividono in due tipologie principali: il bioetanolo e il biodiesel, ma esistono anche il metanolo e il biobutanolo.
Il bioetanolo viene prodotto attraverso la fermentazione delle biomasse, in cui i microrganismi, come i batteri, metabolizzano gli zuccheri e producono l'etanolo, carburante che viene già utilizzato in basse percentuali nella benzina attualmente in commercio.
Il biodiesel, invece, è un biocarburante prodotto attraverso un processo chimico in cui il grasso animale, quello da cucina riciclato e l'olio vegetale vengono fatti reagire con un alcol a catena corta (metanolo). Questo avviene in presenza di un catalizzatore che accelera l'azione e il risultato è un biodiesel grezzo che deve essere raffinato per raggiungere poi il prodotto finale. Il più conosciuto è l'HVO, cioè un olio vegetale idrotrattato o idrogenato. L'HVO è un biocarburante prodotto da materie prime vegetali e attualmente viene utilizzato assieme al gasolio per rendere il combustibile meno inquinante. Eni distribuisce già questo biocarburante in molte delle sue stazioni e presto i biocarburanti si troveranno più di frequente, ovunque.
I vantaggi dei biocarburanti sono evidenti, ma i contro ne rallentano la diffusione. Infatti, tra gli svantaggi troviamo il rendimento, inferiore a quello dei combustibili fossili, che li rende meno convenienti anche dal punto di vista ambientale perché per ora l'energia per produrli non è ottenuta completamente da fonti rinnovabili. Inoltre, se si cominciasse a produrre più biocarburante, ci sarebbero gravi conseguenze per l'ambiente, già solo per il fatto che sarebbero necessarie estese superfici di terreno e molta acqua.
L'Inquinamento da E-fuel e Biocarburanti: Un Esame Critico
Nonostante le promesse di "zero emissioni" e "carbon neutrality", l'effettivo impatto ambientale di e-fuel e biocarburanti è oggetto di studi e dibattiti, rivelando che la realtà è più complessa di quanto si possa immaginare.
L'Impatto Ambientale dei Biocarburanti
Secondo uno studio dell'ICCT (International Council on Clean Transportation) del 2021, che ha analizzato gli effetti in America di una miscela di biodiesel al 20%, i risultati non sono stati buoni, anzi, il biocarburante non solo non riduce le emissioni nocive, ma le aumenta persino. A restare invariato è solo il particolato (PM), mentre per gli ossidi di azoto (Nox) l'aumento è del 2%, per gli idrocarburi incombusti (HC) del 7% e infine il monossido di azoto (CO) del 10%. In termini di emissioni di gas serra, i biocarburanti, a differenza degli e-fuel, non riescono ad eliminare tutti i gas serra, ma li riducono di circa l'88%. Questo si verifica perché le emissioni di CO2 rilasciate dalla combustione sono in parte compensate da quelle assorbite dalla coltivazione delle materie prime utilizzate per la loro produzione.
Un'altra considerazione importante riguarda la produzione di biocarburanti di prima generazione, che impiegavano piante destinate anche all'alimentazione, un fatto non accettabile da un punto di vista etico. Nella seconda generazione, invece, vengono impiegate solo piante non commestibili per la produzione di carburante. Attualmente, test condotti su residui colturali come la paglia hanno ottenuto risultati molto promettenti. Per questo motivo Clariant, nel 2020, ha in progetto in Romania di aprire una bioraffineria per la produzione di 50.000 tonnellate l'anno di etanolo da cellulosa ricavato dalla paglia. Per i biocarburanti della terza generazione vengono modificati ed elaborati microrganismi e alghe. Sino a poco tempo fa i ricercatori riponevano grandi speranze nelle alghe a causa della loro alta produttività di biomassa, ma ora sono giunti alla conclusione che la bioenergia da microalghe non è ottenibile economicamente nel medio periodo.
L'Impatto Ambientale degli E-fuel
Gli e-fuel si formano combinando l'idrogeno e l'anidride carbonica catturata dall'atmosfera, e il risultato è un carburante sintetico a zero emissioni perché la CO2 rilasciata allo scarico dell'auto viene compensata con quella catturata in atmosfera durante la sua produzione. Se poi, per produrre l'e-fuel si utilizza energia elettrica rinnovabile, l'intero processo ha un impatto quasi zero sull'ambiente.
Tuttavia, un report presentato da Transport & Environment (T&E) a marzo 2023, ha messo a confronto gli ossidi di azoto (Nox) rilasciati da benzina tradizionale ed e-fuel (e-benzina), rivelando cifre praticamente identiche. Le quantità di Nox emesse dal carburante fossile sono 24 mg/km, mentre quello sintetico scende solo a 22-23 mg/kg.
È fondamentale sottolineare che l'efficienza energetica ("Well-to-Wheel") del processo di produzione degli e-fuel è estremamente energivora. L'efficienza complessiva "dal pozzo alla ruota", cioè da quando l'energia rinnovabile viene prodotta a quando fa muovere l'auto, è significativamente inferiore a quella di un'auto elettrica. È necessaria circa dieci volte più energia per percorrere la stessa distanza con e-benzina che con un motore a trazione elettrica.
eFUEL vs. BIOCARBURANTI: tutto quello che c'è da sapere
Carburanti Alternativi: Panoramica e Prospettive Future
Oltre agli e-fuel e ai biocarburanti, il panorama dei carburanti alternativi include altre opzioni che meritano attenzione, ognuna con i propri vantaggi e sfide.
L'Idrogeno: Una Scommessa per il Futuro?
L'idrogeno è un altro carburante alternativo che non rilascia emissioni di gas a effetto serra dalla combustione. La sua combustione in una cella a combustibile produce energia elettrica utilizzata per alimentare un motore elettrico. L'idrogeno può essere ricavato dall'acqua con l'impiego di tanta energia, e un'ulteriore quantità di energia è necessaria per condensarlo. L'importante è che l'elettricità provenga da fonti rinnovabili come per esempio energia solare ed eolica. Tuttavia, sinora, per ragioni di costo, il 70% dell'idrogeno utilizzato viene prodotto mediante steam reforming, un processo industriale in cui l'idrogeno viene ricavato dal metano.
Esistono veicoli con motore a idrogeno, ma manca un'infrastruttura di rifornimento adeguata. Le fuel cell, ovvero le auto alimentate ad idrogeno, hanno un funzionamento quasi identico alle auto elettriche, ma con un serbatoio per l'idrogeno che ricorda le bombole del GPL o del metano e le celle a combustibile. Quando l'idrogeno entra in contatto con la cella combustibile nella quale circola aria e quindi ossigeno, si generano corrente e calore. La batteria delle auto a idrogeno, invece, è molto simile a quella delle auto ibride e garantisce potenza extra al motore oltre a ricaricarsi attraverso la frenata.
Sebbene rispetto alle auto elettriche, le fuel cell siano più performanti in fatto di autonomia e tempi di ricarica, per produrle e per raggiungere la carbon neutrality servirebbe attivare un sistema totalmente green, tale per cui le fabbriche si approvvigionino di energia rinnovabile per la produzione dei veicoli. Solo in questa modalità si può attivare un'economia circolare quasi del tutto sostenibile. L'efficienza energetica dell'idrogeno è comunque inferiore a quella dell'elettrico. Si parla di possibile exploit dell'idrogeno ormai da 30 anni, senza che questo avvenga.
Secondo Anthony Patt, esperto climatico all'ETH di Zurigo, nel traffico stradale, i combustibili sintetici hanno molto meno probabilità di affermarsi rispetto alla mobilità elettrica. Già oggi, durante la fase di produzione del carburante climaneutrale derivato da idrogeno e anidride carbonica, si perde il 50 percento dell'energia ricavata. Della quantità di energia rimanente, ne viene perso un altro 80 percento nel motore termico. Per contro, nell'e-mobilità si ha una perdita di energia minima nell'immagazzinamento in batteria e nella rete di distribuzione. Egli ritiene che le auto elettriche, che costano ormai poco più di quelle con motore a combustione tradizionale, siano imbattibili, oltre ad essere più veloci, più pulite e più silenziose.
GPL e Metano: Soluzioni Collaudate
Anche il gas di petrolio liquefatto (GPL), composto da propano e butano, e il gas naturale sono considerati carburanti alternativi. Questi sono sottoprodotti della lavorazione del gas naturale e della raffinazione del petrolio greggio. Riducono alcuni inquinanti atmosferici nocivi e le emissioni di gas a effetto serra. Richiedono un'infrastruttura di rifornimento separata, ma presente nell'UE con una rete di oltre 46.000 stazioni di rifornimento e 15 milioni di veicoli alimentati a propano. In Italia, l'uso del GPL e del metano è molto diffuso. Il gas naturale rinnovabile riduce le emissioni di metano nell'atmosfera, mentre la combustione di gas naturale fa calare le emissioni di CO2 rispetto alla benzina.
Il Contesto Europeo e le Sfide del Futuro
Le direttive UE sullo stop ai motori termici entro il 2035 sono uno dei motivi per cui si stanno sperimentando nuovi carburanti meno inquinanti. Dal 2035, l'UE ha decretato la fine delle auto diesel e benzina, consentendo la circolazione delle auto e-fuel. Verrà vietata la vendita di vetture a benzina solo per i veicoli nuovi, che dal 1 gennaio 2035 non potranno più essere venduti né immatricolati. Chiunque debba comprare un'auto nuova potrà acquistare solo modelli compatibili con i nuovi combustibili previsti (auto elettriche, ibride, e-fuel) o fuel cell ad idrogeno.
Il Touring Club Svizzero (TCS) sostiene in linea di principio la neutralità tecnologica. Per le auto, la mobilità elettrica è attualmente il tipo di propulsione più efficiente e rispettoso del clima, per questo il TCS si impegna a suo favore. La Commissione europea, con il Dialogo strategico sul futuro dell'automotive lanciato il 30 gennaio, intende rivoluzionare il settore auto e capire bene quale futuro possano avere benzina e diesel, nonché l'elettrico.
L'industria europea dell'auto, un tempo leader nella costruzione dei motori a combustione interna, si trova ora di fronte a una transizione che livella i distacchi, ponendo tutti, inclusi gli outsider più temibili come la Cina, sullo stesso piano nella corsa all'elettrico.
Secondo diversi osservatori, tra cui Quattroruote, sarebbe ragionevole ipotizzare uno scenario in cui la propulsione elettrica vada a coprire le esigenze di mobilità di base, affiancata magari dall'idrogeno, e i motori a combustione continuino a soddisfare usi più specialistici, per esempio sulle auto sportive. L'approccio dovrebbe essere olistico: non vedere elettrico e termico in contrapposizione, ma come complementari. Come afferma Michael Steiner, capo dell'R&D della Porsche: "Il problema non è il motore a combustione interna, ma quel che ci bruci". Se si riuscisse a togliere la CO2 dai carburanti, si avrebbe un beneficio immediato sull'intero parco circolante e senza bisogno di mettere in piedi costose infrastrutture di rifornimento-ricarica. L'impatto nella riduzione di anidride carbonica, tenendo conto del ciclo vita, è paragonabile a quello dell'elettrico.
Economia e Produzione dei Carburanti Alternativi
Gli aspetti economici della produzione di combustibile sintetico variano grandemente secondo la materia prima usata, l'esatto processo impiegato, le caratteristiche del sito come i costi delle materie prime e dei trasporti, e il costo dell'attrezzatura addizionale richiesta per controllare le emissioni.
I Costi di Produzione e Commercializzazione
Attualmente, i volumi produttivi dei carburanti alternativi sono ancora bassi e per alzarli occorrono investimenti più che proporzionali all'incremento della produzione. Giuseppe Ricci, direttore Energy Evolution dell'Eni e presidente di Confindustria Energia, spiega che i costi inevitabilmente saranno scaricati sull'utente finale. "È per questo che bisogna sviluppare e combinare le soluzioni più efficienti, per far costare questa trasformazione il meno possibile".
Il problema principale è che l'e-fuel non è ancora commercializzato a causa del suo costo elevato, oltre 10 euro al litro. La benzina sintetica, intesa in senso più ampio, può arrivare a costare circa 28 euro al litro. Inoltre, la scarsa presenza di stabilimenti produttivi limita la disponibilità sul mercato.
Secondo uno studio del dicembre 2007, un impianto di carbone a liquidi (CTL) su media scala (30.000 barili al giorno) situato negli Stati Uniti, che usa carbone bituminoso, si aspetta di essere competitivo con il petrolio in ribasso grosso modo a $52-56/BBL equivalenti a petrolio greggio. Recenti progressi da parte della società petrolifera Shell hanno visto i combustibili sintetici cominciare a diventare profittevoli.
La Questione degli Incentivi e delle Accise
La questione dei costi è ulteriormente complicata dalle politiche fiscali. Se il costo dell'energia per alimentare un veicolo elettrico non prevede accise, sui biocarburanti, che hanno lo stesso effetto sul clima, continuano a gravare tasse significative. Giuseppe Ricci sottolinea che oggi l'Eni vende il suo Eni Diesel +, che contiene il 15% di biocarburanti con idrogeno, a dieci centesimi in più del gasolio tradizionale. Se si immaginasse di commercializzare un HVO puro, lo si potrebbe vendere al prezzo del diesel se non ci fosse l'accisa, che oggi pesa per circa i due terzi sul prezzo alla pompa e costituisce una distorsione del mercato. Insomma, si tratta di capire quali politiche si vogliono attuare.
L'Idrogeno e i Carburanti Sintetici: Tecnologie a Confronto
La discussione sui carburanti alternativi si articola spesso intorno al confronto tra idrogeno e carburanti sintetici, due approcci diversi per raggiungere una mobilità più sostenibile.
Vantaggi e Svantaggi delle E-fuel
Le e-fuels sono combustibili sintetizzati chimicamente da idrogeno e CO₂. Una grande quantità di energia elettrica è necessaria per estrarre l'idrogeno per elettrolisi e trasformarlo nel prodotto finito. Solo se questo proviene da fonti rinnovabili, i carburanti elettrici riducono effettivamente le emissioni di CO₂ rispetto ai combustibili fossili. Le e-fuels sono gas o liquidi, per questo immagazzinabili e trasportabili, e possono essere utilizzati come fonte di energia nelle celle a combustione o nei motori a combustione. Con le e-fuels, i combustibili fossili possono essere sostituiti da quelli rinnovabili senza richiedere cambiamenti del motore e nelle infrastrutture di ricarica.
Tuttavia, la versatilità delle e-fuels è compensata dal loro grande fabbisogno di elettricità, dai costi elevati e dalla disponibilità incerta. Attualmente non si può neanche prevedere se le e-fuels diventeranno presto abbastanza economiche e disponibili in abbondanza. Non è solo la disponibilità della tecnologia di produzione efficiente e del fabbisogno di CO₂ ad essere poco chiaro, ma anche la disponibilità di elettricità da fonti rinnovabili sembra essere difficile. Questi ultimi scarseggeranno infatti per i decenni a venire. Oggi, il 75% dell'elettricità mondiale è ancora generata da combustibili fossili. La produzione di e-carburanti con elettricità prodotta da fonti rinnovabili non deve quindi competere con utilizzi dell'elettricità più efficienti e non deve ostacolare tecnologie più efficienti.
Il Ruolo dell'Idrogeno nella Mobilità Futura
L'idrogeno è la molecola con la più alta densità d'energia: con un chilo si possono percorrere 100 km, e un serbatoio da sette può dare autonomie da diesel. Ci aveva provato la BMW nel 2006 e oggi ci ritenta la Toyota, che sta sperimentando un tre cilindri alimentato da idrogeno conservato allo stato gassoso in bombole ad alta pressione.
Anthony Patt ritiene che l'idrogeno potrebbe essere impiegato nei camion a lunga percorrenza, per quanto questi avrebbero bisogno di grandi batterie. Il problema maggiore è però che l'infrastruttura per l'idrogeno è ancora limitata. Ma forse, nel caso dei camion a lunga percorrenza, basterebbero poche stazioni di ricarica. Nel caso di un camion che viaggia da Zurigo a Monaco di Baviera, basterebbero una stazione al punto di partenza e una a quello di arrivo. D'altra parte, sono promettenti i test appena fatti in Germania e in Svezia con linee aeree elettriche per i camion sull'autostrada. Sui lunghi percorsi si alimentano tramite pantografo e così hanno bisogno solo di una piccola batteria per il tragitto da e per l'autostrada. In questo modo vengono eliminati i problemi di autonomia. Il calcolo è subito fatto: tra circa cinque anni si saranno risparmiati i costi per le infrastrutture, perché i motori elettrici necessitano di notevolmente meno energia dei motori a combustione tradizionali.
Nel traffico aereo e marittimo, l'e-fuel e l'idrogeno potrebbero avere un ruolo significativo, mentre sulle strade Patt prevede l'affermarsi della mobilità elettrica. Per auto, furgoncini e camion che percorrono solo tragitti brevi, le batterie sono in cima alla lista: soddisfano ed anzi superano tutte le aspettative e il settore si sta sviluppando molto velocemente. Per quanto riguarda i camion a lunga percorrenza, invece, ritiene più adatte le linee aeree elettriche sull'autostrada in combinazione con piccole batterie rispetto ai motori a idrogeno.
La Storia dei Carburanti Sintetici
La storia dei combustibili sintetici è lunga e affascinante, con radici che affondano nelle necessità industriali e belliche del secolo scorso.
Origini e Sviluppi Storici
Il combustibile sintetico o synfuel è un combustibile liquido ottenuto dal carbone, gas naturale, scisto bituminoso, o dalle biomasse o dall'anidride carbonica ambientale. Il nome può anche essere riferito ai combustibili derivati da altri solidi come la plastica o dagli scarti della gomma. Utilizzando processi industriali commercialmente provati, possono essere utilizzate biomasse per produrre combustibile sintetico per trasporto. Questi combustibili possono essere prodotti in modo che vengano ridotte le emissioni di gas serra nel ciclo di vita, mentre vengono costruite infrastrutture pronte a soddisfare gli standard futuri per i combustibili rinnovabili.
La conversione diretta del carbone in carburante sintetico fu originariamente sviluppata in Germania. Il processo Bergius fu sviluppato da Friedrick Bergius che depositò il brevetto nel 1913. Karl Goldschmidt lo invitò a costruire un impianto industriale nella sua fabbrica Th. Le fabbriche che usavano il processo Bergius furono la più importante fonte dei Tedeschi di gasolio di alta qualità per aerei, di olio, gomma, metanolo e ammoniaca sintetici e acido nitrico. Le categorie di carburante sintetico includevano "T.L. carburante per jet", "gasolio per aerei di prima qualità", "gasolio di base per aerei", e "benzina-olio di catrame"; e anche gas d'aria e diesel furono sintetizzati in carburante (per esempio carri armati convertiti usavano gas d'aria).
All'inizio del 1944, la produzione di combustibile sintetico in Germania raggiunse più di 124.000 barili al giorno (19.700 m³) da 25 fabbriche, incluse 10 nell'area della Ruhr. Nel 1937, i quattro impianti a carbone di lignite della Germania a Böhlen, Leuna, Magdeburgo/Rothensee e Zeitz, insieme all'impianto a carbone bituminoso dell'area della Ruhr a Scholven/Buer, avevano prodotto 4,8 milioni di barili (760 × 10³ m³). Quattro nuovi impianti di idrogenazione (in tedesco: Hydrierwerke) furono successivamente eretti a Bottrop-Welheim (che usava "pece di catrame minerale bituminoso"), Gelsenkirchen (Nordstern), Pölitz e, a 200.000 tonn/a, Wesseling. Nordstern e Pölitz/Stettino usavano carbone bituminoso, come facevano i nuovi impianti di Blechhammer. Heydebreck sintetizzò olio alimentare, che fu testato sui prigionieri dei campi di concentramento. Il Personale speciale di Geilenberg stava usando 350.000 lavoratori forzati, per la maggior parte stranieri, per ricostruire gli stabilimenti di petrolio sintetico bombardati, in un programma d'emergenza di decentramento, per costruire 7 impianti di idrogenazione sotterranei per protezione dai bombardamenti (nessuno fu completato).
Le tecnologie indirette Fischer-Tropsch ("FT") furono portate negli Stati Uniti dopo la Seconda guerra mondiale, e un impianto da 7.000 barili al giorno (1.100 m³/d) fu progettato dalla HRI e costruito a Brownsville (Texas). Lo stabilimento rappresentò il primo uso commerciale della conversione Fischer-Tropsch ad alta temperatura. Bureau of Mines a Louisiana (Missouri).
Definizioni e Processi di Produzione
Il termine "combustibile sintetico" ha diverse definizioni che possono includere diversi tipi di combustibile. Le definizioni più tradizionali, ad es. la definizione data dall'Agenzia internazionale dell'energia, definiscono il "combustibile sintetico" come qualsiasi combustibile liquido ottenuto dal carbone o dal gas naturale. La Energy Information Administration definisce i combustibili sintetici nelle sue Prospettive Annuali dell'Energia 2006, come combustibili ricavati da carbone, gas naturale o biomasse attraverso la conversione chimica in greggio sintetico e/o prodotti sintetici liquidi. Un certo numero di definizioni del combustibile sintetico includono anche combustibili prodotti da biomasse e rifiuti industriali o urbani. La definizione di combustibile sintetico può anche comprendere sabbie bituminose e scisto bituminoso come fonti di combustibile, e oltre a combustibili liquidi sono inclusi anche combustibili gassosi. Nel suo "Manuale dei combustibili sintetici", il petrolchimico James G. Speight includeva combustibili liquidi e gassosi come anche combustibili solidi puri prodotti dalla conversione di carbone, scisto bituminoso, sabbie bituminose e varie altre forme di biomasse, nonostante ammettesse che nel contesto dei combustibili a base di petrolio il termine avesse un significato ancora più ampio.
Ci sono numerosi processi che possono essere usati per produrre combustibili sintetici. Le tecnologie primarie che producono combustibile sintetico da syngas sono la sintesi di Fischer-Tropsch e il processo Mobil (noto anche come metanolo in benzina (Methanol To Gasoline, o MTG)). Il processo per produrre combustibili sintetici attraverso la conversione indiretta è spesso chiamato carbone in liquidi (coal-to-liquids, o CTL), gas in liquidi (gas-to-liquids, o GTL) o biomass-to-liquids, o BTL), secondo la materia prima iniziale.
Uno dei principali metodi di conversione del carbone in liquidi mediante un processo di idrogenazione è il processo Bergius. In questo processo, il carbone è liquefatto mescolandolo con il gas idrogeno e riscaldando il sistema (idrogenazione). Il carbone secco è mescolato con il petrolio pesante riciclato dal processo. Al processo è tipicamente aggiunto un catalizzatore. La reazione si verifica tra 400 e 500 °C e fra 20 e 70 MPa di pressione dell'idrogeno. Il processo Kohleoel, sviluppato in Germania dalla Ruhrkohle e dalla VEBA, fu usato nell'impianto dimostrativo, con la capacità di 200 tonnellate di lignite al giorno, costruito a Bottrop (Germania). Questo impianto funzionò dal 1981 al 1987. In questo processo, il carbone è mescolato con un solvente riciclato e un catalizzatore di ferro. Dopo il preriscaldamento e al pressurizzazione, è aggiunto H2.
Negli anni 1970-1980, le società giapponesi Nippon Kokan, Sumitomo Metal Industries e Mitsubishi Heavy Industries svilupparono il processo NEDOL. In questo processo, il carbone è mescolato con un solvente riciclato e un catalizzatore sintetico a base di ferro; dopo il preriscaldamento è aggiunto H2. La reazione ha luogo in un reattore tubolare a una temperatura fra 430 e 465 °C e alla pressione di 150-200 bar. I processi SRC-I ed SRC-II (Solvent Refined Coal, "Carbone raffinato con solvente") furono sviluppati dalla Gulf Oil e attuati come impianti pilota negli Stati Uniti negli anni 1960 e 1970. La Nuclear Utility Services Corporation sviluppò un processo di idrogenazione che fu brevettato da Wilburn C. Schroeder nel 1976. Il processo comportava carbone secco, polverizzato mescolato grosso modo con 1wt% di catalizzatori di molibdeno. L'idrogenazione si verificava mediante l'uso di syngas a temperatura e pressione elevate prodotto in un gassificatore separato. La Chevron Corporation sviluppò un processo inventato da Joel W. Rosenthal chiamato Chevron Coal Liquefaction Process (CCLP, "Processo Chevron di liquefazione del carbone"). È unico a causa dell'accoppiamento ravvicinato del dissolvente non catalitico e dell'unità di idrotrattamento catalitico. L'olio prodotto aveva proprietà che erano uniche quando confrontate con altri oli di carbone; era più leggero e aveva di gran lunga meno impurezze eteroatomiche.
Ci sono molti processi diversi di carbonizzazione. La conversione della carbonizzazione si verifica attraverso la pirolisi o la distillazione distruttiva, e produce catrame di carbone, olio e vapore acqueo, gas sintetico non condensabile e carbone di legna come residuo solido. Il tipico esempio di carbonizzazione è il processo Karrick, inventato da Lewis Cass Karrick negli anni 1920. Si tratta di un processo di carbonizzazione a bassa temperatura (low-temperature carbonization, LTC), dove il carbone è riscaldato da 360 a 750 °C in assenza di aria. Queste temperature ottimizzano la produzione di catrami di carbone più ricchi di idrocarburi più leggeri rispetto al normale catrame di carbone. Il processo COED, sviluppato dalla FMC Corporation, usa un letto fluidizzato per il trattamento, in combinazione con la temperatura crescente, attraverso quattro stadi di pirolisi. Il calore è trasferito dai gas ardenti prodotti dalla combustione di parte del carbone vegetale prodotto. Le rese liquide della pirolisi e dei processi Karrick sono generalmente basse per un uso pratico per la produzione di combustibili liquidi sintetici. Inoltre, i liquidi risultanti sono di bassa qualità e richiedono un ulteriore trattamento prima di poter essere usati come carburanti per motore.
Un esempio di un processo di carburante sintetico a base di biocarburante è il carburante avio rinnovabile idrotrattato (Hydrotreated Renewable Jet, HRJ). Ci sono due processi di questo genere in corso di sviluppo da parte della UOP (una multinazionale del gruppo Honeywell specializzata in tecnologie petrolchimiche). Uno che usa materie prime solide di biomasse, e uno che usa bioolio e grassi. Il processo che usa fonti solide di biomasse di seconda generazione come panico verga e biomassa legnosa utilizza la pirolisi per produrre un bioolio, che è poi stabilizzato cataliticamente e deossigenato per produrre un combustibile per aviogetti. Il greggio sintetico può essere creato anche preraffinando il bitume (una sostanza simile al catrame che si trova nelle sabbie bituminose), o sintetizzando idrocarburi liquidi dallo scisto bituminoso.
Progetti Attuali e Futuri
Numerosi grandi progetti sono in corso di costruzione in Cina e in Qatar. La principale compagnia nella commercializzazione del combustibile sintetico è la Sasol, una compagnia con sede in Sudafrica. Lo Shenhua Group completò un periodo di prova a metà 2009, e raggiunse un funzionamento stabile nel novembre 2010 del loro impianto di liquefazione diretta del carbone (Erdos CTL) da 1,08 milioni di tonnellate all'anno (grosso modo 22.200 barili al giorno (3.530 m³/d)) nella Bandiera di Ejin Horo nella regione autonoma della Mongolia interna, nel nord della Cina. Lo Shenhua alla fine intende espandere l'impianto a 5 milioni di tonnellate all'anno (grosso modo 102.000 barili al giorno (16.200 m³/d)). Lo Shenhua si aspetta anche di completare un progetto carbone a liquidi da 6 milioni di tonnellate all'anno (3 milioni di tpa nella prima fase) che usa la sua tecnologia di conversione indiretta Fischer-Tropsch accanto all'impianto della Mongolia Interna nel terzo quadrimestre del 2009. Nel settembre 2011, lo Shenhua riferì il funzionamento profittevole del suo nuovo impianto CRL durante la prima metà dell'anno 2011.
Yankuang prevede di iniziare i lavori a breve per un progetto di combustibili sintetici indiretti da 22.000 barili al giorno (3.500 m³/d, 1 milioni di tonnellate all'anno). La Baard Energy, nel suo progetto Ohio River Clean Fuels, sta a sua volta sviluppando un impianto da gas e da biomassa a liquidi Fischer-Tropsch da 53.000 barili al giorno (8.400 m³/d) con cattura e sequestro del carbonio. In attesa della conclusione di un pacchetto finanziario, Baard spera di cominciare il lavoro di preparazione sul sito prima della fine del 2009, con la costruzione dell'impianto da iniziare nel 2010.
È stato intrapreso uno sforzo per certificare varie forme di combustili sintetici negli Stati Uniti e nelle flotte dell'aviazione internazionali. Il 15 luglio 2011 Lufthansa ha lanciato un collaudo di 6 mesi per un biocombustibile su voli programmati regolari. Le future miscele e formulazioni di combustibili possono produrre come risultato un JBUFF (Joint Battlespace Use Fuel of the Future, letteralmente "Combustibile del futuro per uso congiunto in uno spazio di battaglia) ovvero un unico combustibile per uno spazio di battaglia che può essere usato in applicazione sia come combustibile diesel che come combustibile per aviogetti.
L'industria del carbone usa il credito per aumentare i profitti sulle centrali elettriche alimentate a carbone introducendo un processo di "pre-trattamento" che soddisfa i requisiti tecnici, e poi brucia il prodotto risultante nello stesso modo in cui brucerebbe il carbone. Talvolta l'ammontare guadagnato mediante il credito fiscale è un fattore essenziale nella gestione economica della centrale.
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