Biocarburante: una risorsa energetica rinnovabile ed economicamente vantaggiosa

Potenzialmente, i biocarburanti potrebbero sostituire i combustibili fossili per molteplici applicazioni, offrendo una risorsa energetica alternativa per riscaldare gli edifici, generare elettricità e sostenere l’industria dei trasporti.
Vi sono molti benefici nel produrre biocarburanti dai materiali ricavati dalle piante, solitamente definiti “biomasse”. Per esempio, questi carburanti sono rinnovabili, bruciano senza produrre scorie e sono carbon neutral, perché non immettono nell’aria più carbonio, sottoforma di CO2, di quanto sia prelevato dalla pianta da cui sono estratti. Nonostante questo, la disponibilità di biocarburante è ancora abbastanza limitata per quello che dovrebbe essere il suo uso più comune – cioè per i veicoli. Nel 2014, l’U.S. Energy Information Administration ha riferito che solo il 2% delle stazioni di rifornimento al dettaglio distribuiva carburante E85 a base di etanolo.
Lo stesso processo di produzione dei biocarburanti pone un’importante barriera economica al loro utilizzo, ostacolandone la diffusione. Una ricerca condotta dal National Renewable Energy Laboratory (NREL), sostenuta dal Computational Pyrolysis Consortium e finalizzata al raggiungimento di una migliore comprensione dei processi fisici coinvolti nella conversione del biocarburante, ha sviluppato modelli computazionali che attualmente permettono di trattare le geometrie di particelle di biomassa nel modo più accurato possibile. Tale modello potrebbe quindi essere usato per migliorare la progettazione e il funzionalmento di un reattore sulla base dei requisiti richiesti per la produzione su larga scala di biocarburante.
In sostanza, questo lavoro può rendere l’uso del biocarburante più redditizio e competitivo rispetto ai tradizionali carburanti non rinnovabili, alcuni dei quali si esauriranno in pochi decenni.

Produrre carburante dalle piante

I processi termochimici come la pirolisi, mostrata nella Figura 1, sfruttano l’esposizione a elevate temperature per scomporre e convertire le particelle di biomassa in biocarburanti liquidi, che possono servire in molte attività nella vita di ogni giorno. Migliorare la pirolisi veloce, un processo di conversione termochimica pre-commerciale spesso usato per la biomassa legnosa, è un obiettivo del programma di ricerca avviato al NREL ed è descritto più in dettaglio nel box.
Peter Ciesielsky, ricercatore al NREL, e i suoi colleghi usano la simulazione multifisica per comprendere i processi fondamentali coinvolti nella conversione della biomassa tramite pirolisi, a partire dallo studio del trasferimento di massa e di calore.
Un trasferimento efficiente di calore e di massa nelle particelle di biomassa riduce al minimo la produzione di residui carboniosi (char) e accelera le reazioni favorevoli facilitando la penetrazione dei catalizzatori di conversione e la fuoriuscita dei prodotti desiderati. Il lavoro di Ciesielsky tiene in considerazione l’effetto prodotto da dimensioni, forma e microstruttura interna delle particelle di biomassa, che sono a loro volta determinate dalla specie del legno e dal processo di macinatura usato prima della pirolisi.

Un modello accurato di biomassa

Gli studi computazionali effettuati con l’intento di comprendere e ottimizzare il processo di conversione del biocarburante si sono sempre basati su geometrie semplificate di una particella di biomassa, ignorandone la microstruttura interna.
L’obiettivo della ricerca di Ciesielsky è quello di comprendere il processo di trasferimento di calore e di massa nel biocombustibile, sviluppando con il software COMSOL Multiphysics® un modello che includa anche la microstruttura interna della particella.
“Dal momento che gli strumenti della geometria, le fisiche, le funzionalità di meshing e i solutori sono già implementati in COMSOL, possiamo dedicare più tempo a rendere la geometria del modello veramente accurata,” spiega Ciesielski.
Per generare modelli 3D della biomassa da poter poi usare nelle simulazioni con COMSOL, sono stati usati congiuntamente più metodi di imaging, per caratterizzare la morfologia esterna e la distribuzione dimensionale ma anche la microstruttura interna di ciascun tipo di biomassa. Esempi di immagini acquisite per questo studio sono mostrate nella Figura 2.

Usando le dimensioni esterne e interne delle particelle di biomassa ricavate dalle immagini è stata generata una geometria solida, usata poi come input per una serie di operazioni booleane sulla geometria in COMSOL. La geometria completa consiste in due domini, come mostrato nella Figura 3.

Simulare la pirolisi: trasferimento di calore e di massa

La decomposizione delle biomasse tramite pirolisi veloce inizia portando per pochi secondi ad alte temperature (circa 500 °C) un recipiente di reazione in assenza di ossigeno. Applicando queste condizioni, l’interfaccia Conjugate Heat Transfer di COMSOL è stata usata per simulare il trasferimento di calore tra il dominio fluido esterno mostrato nella Figura 3a, costituito da azoto, e la particella di biomassa. Il trasferimento di calore nel dominio fluido avviene prevalentemente per convezione, mentre a livello di interfaccia e attraverso la particella di biomassa il trasferimento si verifica solo per conduzione.
Le simulazioni sono state eseguite su un cluster HPC (High Performance Computing) usando uno o due nodi per il calcolo, ciascuno costituito da 24 processori Intel® Xeon® Ivy Bridge con 64 GB di RAM.
I risultati nella Figura 3b mostrano la distribuzione della temperatura in una particella di biomassa di legno duro trascorsi 0,5 secondi in una simulazione transitoria di trasferimento termico coniugato. Per una data dimensione, forma e microstruttura è possibile determinare la quantità di tempo richiesta dall’intera particella, in particolare al suo centro, per raggiungere le temperature ottimali per la decomposizione.
In una simulazione separata, è stata esaminata la diffusione dell’acido solforico, una sostanza chimica usata per pre-trattare la biomassa prima della sua conversione in biocarburante. L’interfaccia Transport of Diluited Species è stata usata per le simulazioni transitorie del trasporto di massa nella microstruttura e le geometrie della particella solida, dove il fluido circostante era in questo caso l’acqua.
I risultati di entrambi gli studi sul trasferimento di massa e di calore indicano che un modello solido, in particolare di tipo sferico, potrebbe non garantire un’accuratezza sufficiente per valutare e ottimizzare i processi di conversione del biocarburante e giustificano, pertanto, l’uso di un modello microstrutturato.

Un contributo per la progettazione di un reattore su larga scala

Sebbene lo studio si concentri attualmente sul processo di trasferimento di calore e di massa nella biomassa, è fondamentale considerare la rapidità delle transizioni di fase e delle reazioni chimiche per comprendere pienamente e ottimizzare la produzione di biocarburanti tramite pirolisi veloce. Il lavoro in corso di Ciesielski prevede anche l’inclusione di questi ultimi elementi nelle simulazioni e le capacità di COMSOL Multiphysics in questo senso hanno avuto un ruolo importante nella scelta di questo strumento.
In definitiva, comunque, il gruppo ha progetti di più ampio respiro per il modello computazionale.
Effettuando simulazioni per ottenere una descrizione essenziale dei fenomeni di trasporto nella biomassa, è possibile determinare le correlazioni efficaci per modelli di ordine ridotto, per un’ampia gamma di parametri di processo e di materie prime da biomassa. Queste correlazioni possono essere usate per ottimizzare la progettazione e la realizzazione di reattori per la produzione di biocarburante su larga scala, rendendo più efficiente ed economicamente vantaggioso il processo.

Computational Pyrolysis Consortium

Il lavoro di Ciesielski, supportato dal Computational Pyrolysis Consortium e finanziato dal U.S. Department of Energy, è frutto di uno sforzo di collaborazione tra i ricercatori di NREL, Oakridge National Laboratory (ORNL) e National Institute of Standards and Technology (NIST). Questa collaborazione coinvolge esperti di modellazione computazionale, di conversione di biomassa, di progettazione di reattori e di caratterizzazione dei materiali per ottimizzare la produzione di biocombustibili tramite pirolisi. Per comprendere il significato di pirolisi, bisogna pensare a un fuoco senza fiamme. La pirolisi è infatti un processo di conversione termochimica che causa la decomposizione della biomassa esponendola ad alte temperature in assenza di ossigeno. Senza ossigeno non si produce né combustione né fiamma.
Dalla pirolisi derivano residui carboniosi, una sostanza liquida definita “bio-olio” e le sostanze gassose prodotte dalle reazioni chimiche. I biocarburanti sono prodotti da una ulteriore raffinazione del bio-olio.
La ricerca sulla pirolisi veloce condotta al NREL spinge il processo un passo avanti, sfruttando una velocità di trasferimento del calore estremamente elevata per scomporre la biomassa, le cui temperature interne raggiungono fino a 500 °C nell’arco di un secondo.

Peter Ciesielski, ricercatore al NREL, è fotografato accanto al microscopio elettronico a scansione usato per acquisire le immagini della biomassa per il suo lavoro pubblicato in “Energy & Fuels”(1).ico a scansione usato per acquisire le immagini della biomassa per il suo lavoro pubblicato in “Energy & Fuels”(1).

Riferimenti bibliografici

(1) P. N. Ciesielski, et. al., Energy Fuels, 2015, 29(1), pp 242-254.

« Indice del n. 74